Investete n oameni! Proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013 Axa prioritar 1: "Educaia i formarea profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatere" Domeniul major de intervenie 1.5: "Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetrii" Titlul proiectului: "Studii doctorale n tiine inginereti n scopul dezvoltrii societii bazate pe cunoatere - SIDOC" Cod contract: POSDRU/88/1.5/S/60078 Beneficiar: Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRIC

Ing. Teodosescu Petre Dorel

TEZA DE DOCTORAT

CERCETRI PRIVIND DEZVOLTAREA BALASTURILOR ELECTRONICE CU CORECTAREA FACTORULUI DE PUTERE

Conductor tiinific, Prof. Dr. Ing. Richard MARSCHALKO

Anul 2012

1

Cuprinsul Tezei Complete 1.Introducere.................................................................................................................................................................................................2 2.Stadiul actual n domeniul circuitelor de comand i reglare electronic a sistemelor de iluminat ............................................................2 2.1.Stadiul actual al iluminatului fluorescent ...............................................................................................Error! Bookmark not defined. 2.2.Iluminat artificial cu diode emitoare de lumin (LED) ........................................................................................................................2 2.3.Problema factorului de putere n sistemele de iluminat cu CFL i LED .................................................................................................3 2.4. Concluzii preliminare i ci de cercetare ...............................................................................................................................................3 3.Studii i cercetri privind dezvoltarea sistemelor de iluminat cu lmpi fluorescente compacte ......................................................................................................................................................................................................................3 3.1. Investigarea prin modelare matematic, simulare i experimentare a performanelor lmpilor fluorescente compacte (CFL) aflate pe pia..........................................................................................................................................................................................................3 3.2. Filtre pasive de corectare a factorului de putere i remodelare a formei curentului de intrare ................................................................. .....................................................................................................................................................................Error! Bookmark not defined. 3.3. Metode active de corectare a factorului de putere pentru lmpile CFL..................................................................................................3 3.4. Concluzii generale privind soluiile propuse de corectare a factorului de putere pentru lmpile fluorescente compacte .....................4 4.Cercetri teoretice i experimentale privind noi circuite de alimentare i reglare n sistemele de iluminat cu LED ...............................5 4.1. Convertoare LC i LLC rezonante .........................................................................................................................................................5 4.2. Reconfigurarea unui balast electronic ntr-un convertor rezonant..........................................................................................................5 4.3. Implementarea i experimentarea unui dispozitiv de iluminat cu LED cu ajutorul convertoarelor rezonante cu auto-oscilaie ............ ......................................................................................................................................................................................................................6 5.Concluzii generale .....................................................................................................................................................................................6 Lista contribuiilor ..................................................................................................................................................................................155 1.Introducere

Sistemele de iluminat moderne au la baz transformarea energiei electrice n energie luminoas. n domeniul cercetrii dispozitivelor de iluminat, obiectivele au fost mbuntirea continu a performanelor, precum, randamentul luminos W/lm, fiabilitatea, durata de funcionare, costul de implementare, complexitatea, calitatea luminii generate, flexibilitatea n utilizarea pentru diferite aplicaii, dimensiuni i greutate reduse, gam larg de temperaturi de lucru, factorul de putere, coeficientul total de distorsiuni armonice i criteriile de compatibilitate electromagnetic, EMI.

Lmpile electronice cu soclu Edison, CFL i LED sunt sarcini de putere mic, prin urmare chestiunile legate de factorul de putere ar putea fi uor neglijate de ctre utilizator, productor sau distribuitorul de energie electric, aceasta mai ales n lipsa unor reglementri clare. Dac la nivel de o lamp electronic, efectele negative cauzate de un factor de putere redus sunt neglijabile, atunci cnd analizam la scar global efectele unui numr ridicat de astfel de dispozitive, problema analizei i corectrii factorului de putere devine oportun i necesar.

Astfel, cercetarea n cadrul acestei teze este orientat cu precdere spre factorul de putere n sistemele de iluminat cu comand electronic i sunt investigate soluii noi, direct implementabile.

De asemenea, domeniul diodelor emitoare de lumin (LED) de mare putere este unul dintre cele mai dinamice segmente de cercetare la nivel mondial. Cile de cercetare urmrite n cadrul acestei teze se bazeaz pe soluii de mbuntire a surselor de alimentare prin intermediul unei tehnologii unitare CFL-LED, relativ simple, ieftine i uor de implementat la scar larg.

2.Stadiul actual n domeniul circuitelor de comand i reglare electronic a sistemelor de iluminat

Capitolul al doilea prezint stadiul actual cu privire la nivelul tehnologic, particularitile, avantajele i dezavantajele sistemului de iluminat electronic cu CFL i LED. n urma analizei, se contureaz cile oportune de cercetare i anume, corectarea factorului de putere pentru sistemele de iluminat electronic i dezvoltarea de noi circuite de comand a LED bazate pe tehnologie comun CFL-LED, implementabil cu investiii mai mici i caracterizat de grad de complexitate mai redus dect soluiile actuale. 2.1 Stadiul actual al iluminatului fluorescent

Subcapitolul se refer ndeosebi la dispozitivele de iluminat artificial ce se doresc a fi cele mai potrivite soluii actuale de

nlocuire a lmpilor incandescente cu soclu tip Edison i anume lmpile fluorescente compacte. Cu privire la aceste dispozitive de iluminat, prezentm cteva idei despre tehnologie, precum i principii de funcionare. Forma i dimensiunile CFL sunt asemntoare unei lmpi incandescente pentru a putea fi compatibile cu corpurile de iluminat deja existente. De asemenea, sunt descrise cteva modele reale de circuite electronice regsite n componena acestor tipuri de lmpi. Acest dispozitiv de iluminat, mai ales balastul electronic din alctuirea sa, st la baza cercetrilor ce sunt efectuate n cadrul acestei teze de doctorat.

Dup analiza practic a unui numr de balasturi utilizate n lmpile fluorescente compacte, produse de companii consacrate n domeniul iluminatului electronic, se poate observa utilizarea unor circuite i principii de funcionare relativ asemntoare. Toate acestea sunt bazate pe topologia de invertor n semi-punte auto-oscilant cu circuite electronice discrete.

2.2.Iluminat artificial cu diode emitoare de lumin (LED)

Acest capitol analizeaz principiul iluminatului artificial cu ajutorul diodelor emitoare de lumin (LED). Teza prezint principiile de funcionare ale acestor tipuri de diode i modalitile electronice de control i comand. Circuitele utilizate cu precdere au la baza topologiile convertoarelor clasice Buck, Boost sau Flyback.

Topologiile clasice de circuite de comand LED prezint i cteva dezavantaje precum: 1. Complexitate ridicat 2. Utilizarea unui circuit integrat specializat crete costul de producie 3. Funcionarea n bucl nchis crete numrul componentelor utilizate Astfel, n cadrul acestei teze vom ncerca s eliminm sau s limitm aceste dezavantaje prin proiectarea, simularea i

experimentarea unor noi circuite pentru comanda n curent constant a led-urilor.

2

2.3.Problema factorului de putere n sistemele de iluminat cu CFL i LED

Echipamentele de iluminat CFL i LED sunt sarcini de putere mic, de cele mai multe ori sub valoarea de 30W. Acest aspect face ca sistemele de iluminat electronic s nu fie sever i foarte explicit reglementate n ceea ce privete factorul de putere i nivelul de armonici. n acest context, prezentul capitol reitereaz foarte succint problematica factorului de putere n general i ilustreaz principalele soluii pasive i active de corectare a factorului de putere ce se pot aplica eventual n cazul acestor tipuri de sarcini neliniare.

2.4. Concluzii preliminare i ci de cercetare

Sistemele de iluminat CFL i LED par a fi soluia viitorului pentru eficientizarea consumului de energie, n detrimentul soluiei clasice, lampa cu incandescen. Cele dou soluii au avantaje clare n tot ceea ce nseamn consum redus de energie i durat de via ndelungat, dar n acelai timp prezint i anumite dificulti n a obine un cost de implementare redus iar comportamentul fa de reea nu mai trebuie neglijat ci trebuie analizate i gsite cele mai bune soluii de implementare a circuitelor de corectare a factorului de putere.

3.Studii i cercetri privind dezvoltarea sistemelor de iluminat cu lmpi fluorescente compacte

Al treilea capitol al tezei se ocup cu modelarea matematic a balastului electronic ideal, urmat de modelarea, simularea i experimentarea unor circuite practice de corectare a factorului de putere pentru CFL. Sunt analizate att metode pasive ct i metode active, iar n final este realizat un studiu comparativ pe baza rezultatelor obinute pentru fiecare soluie propus.

3.1. Investigarea prin modelare matematic, simulare i experimentare a performanelor lmpilor fluorescente compacte (CFL) aflate pe pia.

Sunt analizate patru circuite electronice regsite n componena CFL, iar concluzia general, important n contextul acestei cercetri, ar fi aceea c topologia invertorului este aceeai pentru fiecare din cele patru modele, aceast soluie reprezentnd pentru productori compromisul ideal ntre cost, eficient i durat de via satisfctoare. Deci, cercetrile privind mbuntirea factorului de putere al CFL ar trebui fcute n condiiile n care aceast parte matur a circuitului va fi n cea mai mic msur afectat.

De asemenea, este construit modelul matematic ideal al balastului CFL, aceast dezvoltare fiind oportun pentru realizarea unei analize sistemice comparativ cu produsele aflate pe pia i pentru identificarea din start a direciilor de dezvoltare a CFL, precum mbuntirea factorului de putere i a formei curentului de intrare. 3.2. Filtre pasive de corectare a factorului de putere i remodelare a formei curentului de intrare

Aplicarea metodelor pasive de corectare a factorului de putere prin intermediul filtrelor pasive (Fig.1) este posibil cu avantaje precum cost redus de implementare, complexitate redus i numr de componente electronice redus. Prin analiza realizat se pot evidenia i dezavantaje, precum factor de creast ridicat pentru curentul prin tubul fluorescent, numr mai mare de condensatoare electrolitice, n comparaie cu circuitul original i costul de producie este puin mai ridicat. Avantajul major al acestei metode este volumul redus al circuitelor electronice necesare i compatibilitatea practic perfect cu soclul Edison.

a. b. c. Fig. 1. Rezultate ale implementrii filtrelor pasive Valley-Fill; a) Schemele electronice a filtrelor propuse;

b) Curentul de intrare (galben) i tesniunea de intrare (albastru); Analiz Fourie a curentului de intrare (verde); c) Riplul curentului prin tubului fluorescent .

3

3.3. Metode active de corectare a factorului de putere pentru lmpile CFL

Scopul principal al acestui capitol al tezei este de mbuntire a performanelor lmpilor fluorescente compacte, din punctul de vedere al comportrii fa de reeaua de alimentare de curent alternativ, fr a afecta semnificativ performanele bune deja obinute, precum fiabilitatea, randamentul sau costul de producie.

n acest capitol sunt prezentate trei posibile soluii de corectare activ a factorului de putere prin intermediul unor preconvertoare PFC n topologie IC Boost, Boost simplu i Buck-Boost (Fig.2), iar rezultatele sunt foarte sugestiv reprezentate n Tabelul 1.

Tensiunea de intrare (albastru) i curentul de intrare curent (galben)

Curentul de intrare curent (galben) i analiz Fourier (verde)

Tensiunea (albastru) i curentul (galben) la nivelul tubului fluorescent

Fig. 2. Schema electronic i rezultate pentru soluia PFC Buck-Boost.

3.4. Concluzii generale privind soluiile propuse de corectare a factorului de putere pentru lmpile fluorescente compacte

n Tabelul 1 sunt prezentare rezultatele generale pentru soluiile propuse de corectare a factorului de putere pentru CFL:

Circuit Tensiune intrare

Curent de

intrare

Tensiunea la nivelul tubului

Curentul prin tub

Factor de

putere

THD Factor crest curent prin tub

Tip circuit PFC

Realizare n soclu

tip Edison

Randament electric

total

Cost Euro

- - V A V mA % - - - 1 Circuit

Original (Rezultate

Experimentale + Simulare)

220V

54

78

140

0.6

79.4

1.5

-

-

91.9%

-

2 Valley-fill 0 (Rezultate

Experimentale + Simulare)

220V

45

70

129

0.87

30.56

1.76

Filtru pasiv

Da

91.2%

0.23

3 Valley-fill 1 (Rezultate

Experimentale + Simulare)

220V

48

74

129

0.90

22.86

1.8

Filtru pasiv

Da

90.3%

0.23

4 Valley-fill 2 (Rezultate

Experimentale + Simulare)

220V

50

74.4

134

0.82

46.53

1.66

Filtru pasiv

Da

90.5%

0.06

4

5 Preconverter PFC Boost

ASIC (Rezultate

Experimentale + Simulare)

77V

156

77.3

134

0.97

8.46

1.23

Control activ n bucl

nchis

Dificil

86.58%

4.76

6 Preconverter PFC Boost

simplu (Rezultate Simulare)

77V

155

74.5

131

0.96

10.93

1.25

Control activ n bucl

deschis

Da

81.8%

2.09

7 Preconverter PFC Buck-

Boost simplu (Rezultate

Experimentale + Simulare)

220V

52.5

77.3

127

0.99

2.18

1.43

Control activ n bucl

deschis

Da

84.9%

2.09

Tabel 1.Rezultate generale cu privire la soluiile de PFC propuse

Deoarece topologia Boost are tensiunea de ieire n mod semnificativ mai ridicat dect tensiunea de intrare, cea mai bun soluie PFC pentru configuraia cea mai des ntlnit de balast CFL, o reprezint soluia cu preconvertor Buck-Boost. Aceasta, mai ales datorit celui mai bun compromis ntre capacitatea de corectare a factorului de putere, THD, cost de implementare, factor de creast, complexitate i randament.

4.Cercetri teoretice i experimentale privind noi circuite de alimentare i reglare n sistemele de iluminat cu LED

n al patrulea capitol se face un studiu asupra posibilitii de reconfigurare a unui balast electronic, regsit n lmpile CFL, pentru comanda n curent constant a LED. Este realizat modelul matematic, urmat mai apoi de modelare i simulare n Orcad/PSpice a soluiei propuse. n final sunt implementate practic dou lmpi de iluminat cu LED de 4W, respectiv 8W, unde comanda n curent constant este realizat prin intermediul balastului CFL reconfigurat n convertor rezonant n semi-punte de tip LC paralel.

4.1. Convertoare LC i LLC rezonante

n acest subcapitol sunt prezentate rezumativ caracteristicile generale ale convertoarelor LC i LLC rezonante. Aceste convertoare nu au fost considerate ca fiind o opiune posibil n domeniul convertoarelor destinate sistemelor de iluminat electronic pn in momentul n care a fost demonstrat faptul ca pot avea un randament foarte ridicat chiar i n comparaie cu circuitele consacrate.

4.2. Reconfigurarea unui balast electronic ntr-un convertor rezonant

n acest capitol este analizat mai nti analitic i prin modelare Orcad/Pspice principiul de funcionare al convertoarelor rezonante de tip LC serie i paralel. n urma analizelor teoretice sunt introduse dou modele reale de convertoare rezonante, realizate n urma reconfigurrii unui balast electronic utilizat iniial n dispozitivele de iluminat CFL. Modelele propuse constau n, invertorul quasi-rezonant preluat din tehnica CFL, completat cu un circuit de redresare i sarcina ce este reprezentat de circuitului electric echivalent al unei diode emitoare de lumin LED (Fig.3). Aceste prezumii sunt analizate prin modelare matematic i prin intermediul simulrilor Orcad/PSpice.

Fig. 3. Reprezentarea circuitului de comand LED prin utilizarea unui balast electronic reconfigurat

5

6

4.3. Implementarea i experimentarea unui dispozitiv de iluminat cu LED cu ajutorul convertoarelor rezonante cu auto-oscilaie

n acest capitol este prezentat implementarea practic a unui circuit de comand a led-urilor prin utilizarea unui balast electronic n configuraie semi-punte auto-oscilant, regsit n CFL (Fig.4). Astfel, propunem dou modele de dispozitive de iluminat cu LED, de 4W respectiv 8W. Lampa de 4W este realizat cu ajutorul balastului electronic regsit n lmpile CFL Philips Genie 11W, reconfigurat pentru controlul unui LED Bridgelux de 12V. Lampa de 8W este realizat cu ajutorul aceluiai balast, dar de aceast dat sarcina este reprezentat de 3 led-uri Bridgelux de 12V nseriate.

Fig. 4.Forme de und ale semnalelor curentului(galben) i a tensiunii(albastru) la nivelul LED pentru dispozitivelor de iluminat de 4W, respectiv 8W;

5.Concluzii generale

Teza aduce n discuie soluii practice i necesare pentru rezolvarea unor probleme actuale i deloc neglijabile din domeniul sistemelor de iluminat electronic cu soclu tip Edison. Astfel, n tez sunt propuse mai multe metode de corectare a factorului de putere, iar analiza acestora este realizat att prin simulri, ct i mai ales prin implementri practice. De asemenea, sunt dezvoltate noi tipuri de circuite de comand n curent constant pentru LED, soluii ce sunt demonstrate analitic iar mai apoi sunt implementate practic.

Lista contribuiilor

1. Realizarea unui studiu cu privire la tehnologiile de balasturi electronice regsite n lmpile fluorescente compacte. 2. Implementare n Orcad/PSpice a 2 modele de balasturi electronice regsite n lmpile fluorescente compacte. 3. Analiz experimental a modului de funcionare a 4 modele de CFL cu identificarea parametrilor de intrare i

comportamentului fa de reeaua electric. 4. Analiz armonic n Orcad/PSpice a curentului de intrare pentru 2 modele de balasturi electronice. 5. Implementare practic i prin simulri Orcad/PSpice a filtrelor Valley Fill pentru corectarea factorului de putere pentru un

model actual de balast electronic cu oscilaie proprie. 6. Implementarea practic i n Orcad/PSpice a unui balast electronic cu oscilaie proprie prevzut cu un preconvertor a crui

funcie principal este de corectare activ a factorului de putere. Preconvertorul funcioneaz n bucl nchis i a fost realizat n jurul unui circuit integrat specializat (L6562) pentru aceast funcie.

7. Analiz prin simulare Orcad/PSpice a preconvertorul PFC boost n bucl deschis cu circuit simplu de comand 8. Analiz practic i prin simulare Orcad/PSpice a circuitului de corectare a factorului de putere n configuraie buck-boost

pentru balastul electronic al CFL. 9. Analiz comparativ a metodelor active de corectare a factorului de putere pentru balasturile cu oscilaie proprie.

Tehnologiile urmrite au fost: Topologia boost cu circuit integrat specializat; Topologia boost i buck-boost n bucl deschis cu circuit simplu 555 de comand.

10. Modelarea balastului electronic ideal pentru a permite o analiz mai detaliat a principiului de funcionare. 11. Reconfigurarea balastului electronic cu oscilaie proprie pentru a funciona ca i convertor rezonant. 12. Construcia diagramelor Bode pentru reeaua rezonant LC serie i LC paralel pe baza componentelor regsite n

componena balastului electronic al lmpii CFL. 13. Analiz a regimului tranzitoriu al balastului electronic regsit n CFL i reconfigurat pentru comanda n curent constant a

diodelor emitoare de lumin (LED). 14. Analiz prin simulare Orcad/PSpice a circuitelor balasturilor electronice reconfigurate pentru comanda LED. 15. Analiz comparativ analitic i prin simulare Orcad/PSpice a modelelor complete i ideale ale balasturilor electronice

reconfigurate pentru comanda LED. 16. Implementare practic 2 dou circuite originale (4W i 8W) de comand pentru LED obinute prin reconfigurarea balastului

electronic regsit n CFL.

1.Introducere 2.Stadiul actual n domeniul circuitelor de comand i reglare electronic a sistemelor de iluminat2.2.Iluminat artificial cu diode emitoare de lumin (LED)2.3.Problema factorului de putere n sistemele de iluminat cu CFL i LED2.4. Concluzii preliminare i ci de cercetare

3.Studii i cercetri privind dezvoltarea sistemelor de iluminat cu lmpi fluorescente compacte3.1. Investigarea prin modelare matematic, simulare i experimentare a performanelor lmpilor fluorescente compacte (CFL) aflate pe pia.3.3. Metode active de corectare a factorului de putere pentru lmpile CFL3.4. Concluzii generale privind soluiile propuse de corectare a factorului de putere pentru lmpile fluorescente compacte

4.Cercetri teoretice i experimentale privind noi circuite de alimentare i reglare n sistemele de iluminat cu LED4.1. Convertoare LC i LLC rezonante 4.2. Reconfigurarea unui balast electronic ntr-un convertor rezonant 4.3. Implementarea i experimentarea unui dispozitiv de iluminat cu LED cu ajutorul convertoarelor rezonante cu auto-oscilaie

5.Concluzii generaleLista contribuiilor