Atenuación programada en un Balastro Electrónico para lámpara HID

En este artículo detallo las modificaciones de diseño de un Balastro Electrónico para lámpara HID, de baja frecuencia, para maximizar el ahorro de energía eléctrica por medio de una atenuación programada por tiempo, el mercado objetivo es el de alumbrado público.

El diseño de un balastro electrónico parte de un diagrama a bloques que define la estrategia de diseño, la siguiente figura muestra el diagrama a bloques de un balastro HID.

Bloques HID Ballast

Diagrama a bloques de un Balastro Electrónico HID

En el transcurso del proceso de diseño, un paso importante es el desarrollo de un ensamble de circuito impreso.

El circuito impreso fue diseñado con Kicad, asimismo, los archivos Gerber, que contienen la información necesaria para la fabricación, a continuación, se muestra un detalle del lado de las soldaduras del circuito impreso del ensamble anterior.

Detalle de cobre del lado de las soldaduras de la Tarjeta de Circuito Impreso PCB

Detalle de cobre del lado de las soldaduras de la Tarjeta de Circuito Impreso PCB

Nótese el área de cobre mayor, indicada con el número 1, que es un plano correspondiente al polo negativo de la tensión de CD.

En la primera iteración de diseño del balastro electrónico tenía dos áreas de oportunidad importantes para poder ser más competitivo en el mercado del alumbrado público, el primero y más importante, es que la diferencia en precio que representa la compra del balastro electrónico frente a un balastro magnético tradicional se debe amortizar con el ahorro de energía en un periodo no mayor a 3 años; y segundo, la distorsión armónica debe ser notablemente menor a la de los balastros electrónicos comerciales (abordaré el tema de la distorsión armónica en el siguiente artículo). Entonces, se fija la meta de un ahorro altamente optimizado para la reducción del tiempo de recuperación de la inversión y el de reducir la distorsión armónica total, de manera óptima, con valores inferiores al 5% para obtener una mayor ventaja en el mercado.

Atenuación programada.

El diseño original del balastro no contemplaba un ahorro programado, pero existía un precedente para balastros ferromagnéticos, que era una pieza adicional que provocaba una reducción de la corriente de salida en los balastros ferromagnéticos , pero con serias desventajas que lo mantuvieron al margen, ya que con baja tensión de línea, la lámpara tendía a apagarse, provocando tiempo de falta de servicio y reducción de su vida útil, en el caso del balastro electrónico, para realizar la función de ahorro programado llegué a la conclusión que no era necesario un componente adicional al balastro, ya que mediante cambios en software realicé su implementación.

La atenuación programada consiste en reducir la potencia que suministra el balastro a la lámpara después de un tiempo predeterminado de 4 horas para optimizar el ahorro de energía. Esto se logra por medio de la regulación de la corriente de lámpara evitando en todo momento que la lámpara se apague.

La aplicación de la atenuación programada se realiza principalmente en alumbrado público, debido a que en las primeras horas de la noche, la densidad de tráfico peatonal y vehicular requiere del 100% de la iluminación, pero después de aproximadamente 4H ya no se requiere de tal cantidad de luz, por lo que se puede reducir la intensidad luminosa de la lámpara para obtener ahorro extra.

Criterio de aplicación.

La cantidad relativa de atenuación se seleccionó de acuerdo con los parámetros de operación para lámparas de vapor de sodio, de acuerdo con la norma mexicana NMX-J-503-ANCE-2005.

La siguiente figura muestra el diagrama de tensión de lámpara (eje X), contra potencia de lámpara (eje Y), y la delimitación del área conocida como “paralelogramo” o “trapezoide” de acuerdo con la norma citada.

Diagram13

Gráfica de prueba del Paralelogramo, con tres curvas de comportamiento balastro-lámpara trazadas

Las reglas de aplicación del paralelogramo son las siguientes:

  1. La potencia de lámpara no debe superar la línea horizontal superior, porque el balastro estaría alimentando demasiada potencia a la lámpara, lo que implica un exceso de salida luminosa y de consumo eléctrico, así como la posibilidad de destrucción o degradación de la lámpara.

  2. La potencia de lámpara no debe ser menor a la línea horizontal inferior para evitar que la lámpara se apague con perturbaciones de la red eléctrica, lo que provoca falta de confiabilidad en la operación (operación intermitente) y reduciría su vida útil.

  3. Las curvas de comportamiento de balastro pueden entrar por la línea izquierda y salir por la línea derecha (al incrementar la tensión de lámpara).

  4. La lámpara no se debe apagar dentro del paralelogramo.

Las tres curvas trazadas en la gráfica de la prueba corresponde al comportamiento de un balastro ferromagnético, la curva 1 se trazó a la tensión nominal de alimentación del balastro, la curva 2 se trazó 10% arriba de la tensión nominal y la curva 3 con 10% abajo de la tensión nominal, en el caso de las curvas mostradas, el balastro del cual se obtuvieron las curvas, si cumple con la prueba del paralelogramo.

El requisito de operación del paralelogramo o trapezoide se aplica para lámparas de vapor de sodio, cuya tensión de operación es dependiente de la temperatura de operación y de la vida útil de la lámpara. En el caso de lámparas de aditivos metálicos, su tensión de operación es constante ante cambios de temperatura y envejecimiento de las mismas, por tal razón, no se aplica en ellas.

De la figura anterior, se observa lo siguiente:

  1. La potencia de lámpara es directamente proporcional a la tensión de línea.

  2. Cuando la tensión de alimentación es la nominal, habrá un rango de tensión en el cual la potencia de lámpara será mayor que 150W en el caso de la gráfica, ese rango es de 100 a 160V de tensión de lámpara.

Cuando la tensión de alimentación a un balastro se reduce para obtener ahorro tomando ventaja de la proporcionalidad entre tensión de alimentación y potencia de consumo, se puede caer en el caso de que la potencia de lámpara esté por debajo de la línea horizontal inferior del paralelogramo, y entonces el sistema pierde confiabilidad, por tal motivo la aplicación del ahorro programado en balastros ferromagnéticos no ha tenido los resultados esperados.

La ejecución de la prueba consiste entonces en verificar que:

  • Para una tensión de línea 10% arriba de la nominal, la potencia de la lámpara para cualquier tensión de lámpara no debe exceder en ningún momento la potencia indicada por la línea horizontal superior.

  • Para una tensión de línea 10% abajo de la nominal, la potencia de lámpara no debe cruzar la línea horizontal inferior, esto es, que la línea de potencia de lámpara entre por la línea izquierda y salga del paralelogramo por la línea derecha.

  • Bajo cualquier tensión de línea entre el +10% o -10% o tensión de lámpara, ésta no se debe apagar dentro del paralelogramo.

Para llevar a cabo las pruebas, el cambio de la tensión de lámpara se logra en laboratorio por medio de calentar la lámpara para provocar el cambio de tensión de lámpara, a este proceso de prueba se le conoce como DROP-OUT.

Calentamiento de la lámpara de vapor de sodio para realizar la prueba del paralelogramo.

Calentamiento de la lámpara de Vapor de Sodio para realizar la prueba del paralelogramo.

Para calentar la lámpara y provocar la elevación de tensión se realizan las siguientes acciones:

  1. Por medio de un cilindro de papel aluminio con la forma de la lámpara, se cubre la lámpara de manera que el propio calentamiento de la lámpara se acumule hacia el quemador.

  2. Cuando el papel aluminio no es suficiente, la lámpara se prueba dentro de una cámara con resistencias eléctricas o lámparas incandescentes para incrementar la temperatura del quemador.

El envejecimiento de una lámpara de Vapor de Sodio de alta presión se manifiesta cuando este cambio de tensión de lámpara se provoca con el propio calentamiento de la lámpara, es entonces que se observa que la lámpara opera de manera intermitente, ya que se apaga cuando la tensión sale del paralelogramo.

Para la aplicación de la atenuación programada en el balastro electrónico se tomó en cuenta del paralelogramo: que el límite de atenuación máxima es el 30% (150Wx0.7=105W en la gráfica), por lo cual, se elige 28% de atenuación para tener un margen de seguridad y estar siempre dentro de el área de operación limitada por el paralelogramo. Para comprobar la curva de regulación de potencia y que se respeta el paralelogramo, se realiza la prueba DROP-OUT ya descrita.

Para la implementación de la atenuación, se revisó el diagrama a bloques del sistema de control de potencia ya implementado para revisar en qué punto se puede agregar un ajuste de la potencia de lámpara.

A continuación se muestra el esquema de control de potencia de balastro:

Diagrama a bloques de sistema de control.

Diagrama a bloques de sistema de control.

El esquema de control de potencia de lámpara mostrado es como sigue:

Los parámetros importantes de la lámpara son 1, su tensión y 2, su corriente, por lo que el diagrama muestra dos lazos de retroalimentación.

El primer lazo de retroalimentación es el de corriente, que consta de:

  • La resistencia Rsc, traduce la corriente Ilamp que pasa por ella a una tensión proporcional de acuerdo con la ley de Ohm, la corriente detectada se manda a un comparador.

  • El comparador tiene la función de mandar un pulso de RESET cuando la corriente detectada alcanza el mismo nivel que tiene el bloque Referencia.

  • El bloque PWM entonces regula el ancho del pulso de corriente del MOSFET de modo que la corriente detectada por la resistencia sensora, sea igual al valor del bloque Referencia.

Lazo de retroalimentación para control de corriente HID

Lazo de retroalimentación para control de corriente de lámpara

El segundo lazo de retroalimentación es el de potencia:

  • Divisor de tensión de lámpara, proporciona un valor de tensión acorde a la tensión que puede recibir el convertidor A-D del microcontrolador.

  • El microcontrolador toma la decisión de modificar el valor de la referencia de acuerdo a la tensión de lámpara, para mantener la potencia de lámpara dentro de los parámetros establecidos por el paralelogramo.

Lazo de retroalimentación para control de potencia de lámpara HID

Lazo de retroalimentación para control de potencia.

Para lograr la atenuación programada, se modificó el programa del microcontrolador que forma parte del lazo de retroalimentación de control de potencia de lámpara.

Implementación de software.

La implementación del ahorro programado se basó totalmente en cambios de software, y se llevó a cabo en lenguaje ensamblador. Debido a que el microcontrolador controla la potencia de lámpara, el código que está relacionado con la atenuación programada es:

  • La base de tiempo de la interrupción de cambio de polaridad de corriente de lámpara.

  • La tabla de datos para el control de la potencia.

En el siguiente diagrama de flujo se observa que en la interrupción de cambio de polaridad, se modifica un registro de máquina de estados INDIC, que dispara la ejecución de una serie de instrucciones dentro del programa de bucle principal.

Diagrama de flujo para manejo de registro INDIC para indicar la ejecución del cambio de polaridad. Se modifica en interrupción de TIMER0.

Diagrama de flujo para manejo de registro INDIC para indicar la ejecución del cambio de polaridad. Se modifica en interrupción de TIMER0.

En el bucle de supervisión de estado de lámpara, que es el bucle principal de lámpara encendida, se insertó la ejecución de medición de tiempo y atenuación programada.

Bucle principal de supervisión de estado de lámpara.

Bucle principal de supervisión de estado de lámpara.

Si la máquina de estados INDIC indica cambio de polaridad, se ejecuta el código que mide el tiempo transcurrido desde que la lámpara encendió y la regulación de potencia de lámpara, dentro de esa sección de código, el valor que marca el cambio de polaridad de corriente de lámpara se borra para que el código se ejecute una sola vez por ciclo de lámpara y de esta manera, establecer un patrón de tiempo basado en el temporizador TIMER0 que también define la frecuencia de lámpara.

Las variables CLVT1, CLVT2 y CLVT3 adquieren su valor inicial antes de entrar al bucle principal (lámpara recién encendida), mientras se ejecuta el bucle principal, la lámpara se mantiene encendida y el sistema medidor de tiempo continúa contando.

La medición de tiempo se realiza mediante un contador descendente y una resta para realizar una comparación contra cero (cantidades iguales).

Esquema de medición de tiempo transcurrido desde el encendido de lámpara.

Esquema de medición de tiempo transcurrido desde el encendido de lámpara.

Cuando la lámpara enciende, los valores de CLVT1, CLVT2 y CLVT3 son 0xFF (de 8 bits cada uno), formando una palabra de 24 bits, que decrementa en 1 cada ciclo de lámpara, que es:

T = 1 / Flamp = 1 / 145 Hz = 6.89 ms …….. (1)

Este tiempo se definió desde el diseño original del balastro (por medio del TIMER0), ya que la frecuencia de conmutación de la lámpara es 145 Hz, CLVT3 es el registro del valor más significativo y CLVT1 contiene los ocho bits menos significativos, para 4H se tiene el siguiente valor hexadecimal:

Valor de Cuenta = 4 H / 6.89 ms = (4 * 60 * 60 s) / 0.00689 s = 2’089’985 = 0x1FE401 …….. (2)

Para reducir el número de registros usados, el Valor de Cuenta se redondeó a 0x1FE3FF para poder tomar los dos registros más significativos: 0xFFFFFF-0x1FE3FF=0xE01C00

Para realizar la comparación, los ocho bits menos significativos no se usan, por lo que FAB3 es una constante de fabricación, cuyo valor es 0xE0 y FAB2=0x1C, de modo que cuando se alcanza el valor de tiempo, entonces se modifica una máquina de estado de ahorro AHORRO que se carga con el valor 0xFF.

Cuando CLVT3 alcanza el valor cero, se detiene la cuenta, ya que el valor de tiempo alcanzado es 32H.

El siguiente diagrama muestra la implementación en el cambio del apuntador para obtener la referencia para el comparador de corriente, que regula la potencia de lámpara.

Implementación de cambio de referencia para comparador de corriente por medio de una tabla de datos con acceso mediante un apuntador.

Implementación de cambio de referencia para comparador de corriente por medio de una tabla de datos con acceso mediante un apuntador.

Cuando AHORRO=0x00, se usa el apuntador que lleva a la referencia de potencia normal y cuando éste cambia a 0xFF, se cambia la referencia por el valor para el ahorro y el contador de programa se carga con el valor correspondiente para que la siguiente función retorne el valor de la referencia que será alimentada al comparador.

En resumen: la medición de tiempo se deriva de la interrupción de TIMER0, y una vez que se alcanza el tiempo de 4H, se modifica el valor de referencia de la corriente para cambiar el valor de la potencia de lámpara.

El diagrama de estados siguiente, muestra la secuencia de eventos que se dispara con la interrupción de TIMER0, que cambia la polaridad de la corriente de lámpara mediante la máquina de estados INDIC.

Diagrama de estados de operación de atenuación programada.

Diagrama de estados de operación de atenuación programada.

Explicación del diagrama de estados: Mientras la lámpara está encendida, el microcontrolador estará ejecutando el bucle principal, para salir de ese estado, si la interrupción de TIMER0 cambia INDIC a 1, entonces el microcontrolador decrementa la cuenta de tiempo, si la cuenta de tiempo llegó a un valor que representa que han pasado 4H desde que la lámpara está encendida, entonces el valor que se usa para el control de la potencia cambia y se reduce la potencia de suministro a la lámpara.

La implementación de la atenuación programada se logró usando el patrón de tiempo de la frecuencia de lámpara, que se genera por el temporizador TIMER0, de modo que se optimizan los recursos del microcontrolador empleando rutinas de software que se ejecutan en un periodo de espera del microcontrolador justo después de un cambio de polaridad de la corriente de lámpara.

Pruebas.

A continuación se muestra una gráfica del consumo eléctrico de un balastro electrónico vs balastro ferromagnético estándar en un periodo de 12 H, ambos balastros son de 150W, cada uno alimentando una lámpara de vapor de sodio de alta presión.

El balastro electrónico entra en el modo de ahorro programado 4H después de encendido.

Consumo de balastro electrónico vs balastro ferromagnético por un periodo de 12H.

Consumo de balastro electrónico vs balastro ferromagnético por un periodo de 12H.

Para evaluar el ahorro de energía, se empleó un medidor de parámetros eléctricos marca Janitza, modelo UMG503, que registró tensión de línea, potencia de línea de balastro electrónico y potencia de línea de balastro ferromagnético.

Características de Balastro:

  • Potencia de lámpara 150W
  • Tensión de línea 220-277V
  • Ahorro programado para iniciar 4 H después de encendido.

El balastro ferromagnético evaluado es el modelo 71A81H8 del tipo estándar (pérdidas normales), marca Advance.

En la figura anterior, se observa que la potencia de consumo del balastro ferromagnético es directamente proporcional a la tensión de línea, entre las 7 y las 11H del eje de tiempo, debido a esto, el consumo y calentamiento del conjunto balastro-lámpara es excesivo en condiciones de línea alta, como es el caso de líneas de distribución nuevas o circuitos cercanos a transformadores de distribución; por otro lado, en condiciones de línea baja se observa baja emisión luminosa y reducción de la vida útil de las lámparas.

Por su lado, el consumo del balastro electrónico se mantiene independiente de la tensión de línea, lo cual garantiza que el consumo eléctrico será constante ante fluctuaciones de la tensión de la red eléctrica.

Tensión promedio de las 12H que duró la prueba: 218.22V AC, 60Hz.

Comparación de consumo en WH en las 12H entre Balastro Ferromagnético y Electrónico:

Parámetro.

Valor.

Unidad.

Consumo Balastro Ferromagnético

2.260

kWH

Consumo Balastro Electrónico

1.604

kWH

Ahorro

29.18

%

Lo cual implica que en un periodo de un año en alumbrado público, se tiene un ahorro de 241 kWH por cada balastro electrónico instalado para sustituir un balastro ferromagnético estándar.

Reducción de consumo de Balastro Electrónico en modo normal y modo de ahorro (atenuación programada):

Parámetro.

Valor.

Unidad.

Promedio de consumo Balastro Electrónico modo normal

163.4

W

Promedio de consumo Balastro Electrónico modo ahorro

119.22

W

Reducción de consumo.

27.04

%

La tabla 7 muestra que la reducción de consumo es menor al 30% por un margen de 3 puntos porcentuales, lo cual garantiza el cumplimiento de las condiciones del paralelogramo y está un punto porcentual por debajo del margen propuesto de 28%, lo cual es satisfactorio considerando que la tensión de lámpara no es constante a lo largo de su vida útil.

Gráfica que muestra el resultado de la prueba del trapezoide. El balastro Electrónico supera por más de 30V el límite impuesto por la línea derecha del mismo.

Gráfica que muestra el resultado de la prueba del trapezoide. El balastro Electrónico supera por más de 30V el límite impuesto por la línea derecha del mismo.

Como lo muestra la figura anterior, se eligió una potencia constante hacia la lámpara ya que la potencia ideal de la lámpara es su potencia nominal de diseño.

Una ventaja que se obtiene con el balastro electrónico es que la lámpara no se apaga cuando su tensión es superior a los 192 V lo que permite operar de manera confiable lámparas de Vapor de Sodio de alta presión que están cercanas al fin de su vida útil.

La optimización del ahorro de energía por medio de la atenuación programada, representa una reducción importante de costos de consumo eléctrico, que logra reducir los tiempos de retorno de la inversión en un periodo menor a 2 años.

Si se toma en cuenta la falta de regulación de los sistemas actuales y la baja eficacia luminosa de las lámparas estándar, el uso del balastro electrónico para lámparas HID puede resultar en un ahorro de energía eléctrica de hasta el 50% en circuitos medidos.

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