RO - Universitatea Tehnică

Investeşte în oameni!
Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 –
2013
Axa prioritară 1: "Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere"
Domeniul major de intervenţie 1.5: "Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării"
Titlul proiectului: "Studii doctorale în ştiinţe inginereşti în scopul dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere - SIDOC"
Cod contract: POSDRU/88/1.5/S/60078
Beneficiar: Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ
Ing. Teodosescu Petre Dorel
TEZA DE DOCTORAT
CERCETĂRI PRIVIND DEZVOLTAREA BALASTURILOR
ELECTRONICE CU CORECTAREA FACTORULUI DE PUTERE
Conducător Ştiinţific,
Prof. Dr. Ing. Richard MARSCHALKO
Anul 2012
1

Cuprinsul Tezei Complete
1.Introducere.................................................................................................................................................................................................2
2.Stadiul actual în domeniul circuitelor de comandă şi reglare electronică a sistemelor de iluminat............................................................2
2.1.Stadiul actual al iluminatului fluorescent...............................................................................................Error! Bookmark not defined.
2.2.Iluminat artificial cu diode emiţătoare de lumină (LED) ........................................................................................................................2
2.3.Problema factorului de putere în sistemele de iluminat cu CFL şi LED .................................................................................................3
2.4. Concluzii preliminare şi căi de cercetare ...............................................................................................................................................3
3.Studii i cercetări privind dezvoltarea sistemelor de iluminat cu lămpi fluorescente compacte
......................................................................................................................................................................................................................3
3.1. Investigarea prin modelare matematică, simulare i experimentare a performan elor lămpilor fluorescente compacte (CFL) aflate
pe piaţă..........................................................................................................................................................................................................3
3.2. Filtre pasive de corectare a factorului de putere şi remodelare a formei curentului de intrare .................................................................
.....................................................................................................................................................................Error! Bookmark not defined.
3.3. Metode active de corectare a factorului de putere pentru lămpile CFL..................................................................................................3
3.4. Concluzii generale privind solu iile propuse de corectare a factorului de putere pentru lămpile fluorescente compacte .....................4
4.Cercetări teoretice i experimentale privind noi circuite de alimentare i reglare în sistemele de iluminat cu LED ...............................5
4.1. Convertoare LC şi LLC rezonante .........................................................................................................................................................5
4.2. Reconfigurarea unui balast electronic într-un convertor rezonant..........................................................................................................5
4.3. Implementarea şi experimentarea unui dispozitiv de iluminat cu LED cu ajutorul convertoarelor rezonante cu auto-oscila ie............
......................................................................................................................................................................................................................6
5.Concluzii generale .....................................................................................................................................................................................6
Lista contribu iilor ..................................................................................................................................................................................155
1.Introducere
Sistemele de iluminat moderne au la bază transformarea energiei electrice în energie luminoasă. În domeniul cercetării
dispozitivelor de iluminat, obiectivele au fost îmbunătăţirea continuă a performanţelor, precum, randamentul luminos W/lm, fiabilitatea,
durata de funcţionare, costul de implementare, complexitatea, calitatea luminii generate, flexibilitatea în utilizarea pentru diferite
aplicaţii, dimensiuni şi greutate reduse, gamă largă de temperaturi de lucru, factorul de putere, coeficientul total de distorsiuni armonice
şi criteriile de compatibilitate electromagnetică, EMI.
Lămpile electronice cu soclu Edison, CFL i LED sunt sarcini de putere mică, prin urmare chestiunile legate de factorul de
putere ar putea fi uşor neglijate de către utilizator, producător sau distribuitorul de energie electrică, aceasta mai ales în lipsa unor
reglementări clare. Dacă la nivel de o lampă electronică, efectele negative cauzate de un factor de putere redus sunt neglijabile, atunci
când analizam la scară globală efectele unui număr ridicat de astfel de dispozitive, problema analizei şi corectării factorului de putere
devine oportună şi necesară.
Astfel, cercetarea în cadrul acestei teze este orientată cu precădere spre factorul de putere în sistemele de iluminat cu comandă
electronică şi sunt investigate soluţii noi, direct implementabile.
De asemenea, domeniul diodelor emiţătoare de lumină (LED) de mare putere este unul dintre cele mai dinamice segmente de
cercetare la nivel mondial. Căile de cercetare urmărite în cadrul acestei teze se bazează pe soluţii de îmbunătă ire a surselor de
alimentare prin intermediul unei tehnologii unitare CFL-LED, relativ simple, ieftine i u or de implementat la scară largă.
2.Stadiul actual în domeniul circuitelor de comandă şi reglare electronică a sistemelor de iluminat
Capitolul al doilea prezintă stadiul actual cu privire la nivelul tehnologic, particularităţile, avantajele şi dezavantajele
sistemului de iluminat electronic cu CFL şi LED. În urma analizei, se conturează căile oportune de cercetare şi anume, corectarea
factorului de putere pentru sistemele de iluminat electronic şi dezvoltarea de noi circuite de comandă a LED bazate pe tehnologie
comună CFL-LED, implementabilă cu investiţii mai mici şi caracterizată de grad de complexitate mai redus decât soluţiile actuale.
2.1 Stadiul actual al iluminatului fluorescent
Subcapitolul se referă îndeosebi la dispozitivele de iluminat artificial ce se doresc a fi cele mai potrivite soluţii actuale de
înlocuire a lămpilor incandescente cu soclu tip Edison şi anume lămpile fluorescente compacte. Cu privire la aceste dispozitive de
iluminat, prezentăm câteva idei despre tehnologie, precum şi principii de funcţionare. Forma şi dimensiunile CFL sunt asemănătoare
unei lămpi incandescente pentru a putea fi compatibile cu corpurile de iluminat deja existente. De asemenea, sunt descrise câteva modele
reale de circuite electronice regăsite în componenţa acestor tipuri de lămpi. Acest dispozitiv de iluminat, mai ales balastul electronic din
alcătuirea sa, stă la baza cercetărilor ce sunt efectuate în cadrul acestei teze de doctorat.
După analiza practică a unui număr de balasturi utilizate în lămpile fluorescente compacte, produse de companii consacrate în
domeniul iluminatului electronic, se poate observa utilizarea unor circuite şi principii de funcţionare relativ asemănătoare. Toate acestea
sunt bazate pe topologia de invertor în semi-punte auto-oscilant cu circuite electronice discrete.
2.2.Iluminat artificial cu diode emiţătoare de lumină (LED)
Acest capitol analizează principiul iluminatului artificial cu ajutorul diodelor emiţătoare de lumină (LED). Teza prezintă
principiile de funcţionare ale acestor tipuri de diode şi modalităţile electronice de control şi comandă. Circuitele utilizate cu precădere au
la baza topologiile convertoarelor clasice Buck, Boost sau Flyback.
Topologiile clasice de circuite de comandă LED prezintă i câteva dezavantaje precum:
1. Complexitate ridicată
2. Utilizarea unui circuit integrat specializat cre te costul de produc ie
3. Func ionarea în buclă închisă cre te numărul componentelor utilizate
Astfel, în cadrul acestei teze vom încerca să eliminăm sau să limităm aceste dezavantaje prin proiectarea, simularea i
experimentarea unor noi circuite pentru comanda în curent constant a led-urilor.
2

2.3.Problema factorului de putere în sistemele de iluminat cu CFL şi LED
Echipamentele de iluminat CFL şi LED sunt sarcini de putere mică, de cele mai multe ori sub valoarea de 30W. Acest aspect
face ca sistemele de iluminat electronic să nu fie sever şi foarte explicit reglementate în ceea ce priveşte factorul de putere şi nivelul de
armonici. În acest context, prezentul capitol reiterează foarte succint problematica factorului de putere în general şi ilustrează
principalele soluţii pasive şi active de corectare a factorului de putere ce se pot aplica eventual în cazul acestor tipuri de sarcini neliniare.
2.4. Concluzii preliminare şi căi de cercetare
Sistemele de iluminat CFL şi LED par a fi soluţia viitorului pentru eficientizarea consumului de energie, în detrimentul
soluţiei clasice, lampa cu incandescenţă. Cele două soluţii au avantaje clare în tot ceea ce înseamnă consum redus de energie şi durată de
viaţă îndelungată, dar în acelaşi timp prezintă şi anumite dificultăţi în a obţine un cost de implementare redus iar comportamentul fa ă
de re ea nu mai trebuie neglijat ci trebuie analizate i găsite cele mai bune solu ii de implementare a circuitelor de corectare a
factorului de putere.
3.Studii i cercetări privind dezvoltarea sistemelor de iluminat cu lămpi fluorescente compacte
Al treilea capitol al tezei se ocupă cu modelarea matematică a balastului electronic ideal, urmată de modelarea, simularea şi
experimentarea unor circuite practice de corectare a factorului de putere pentru CFL. Sunt analizate atât metode pasive cât şi metode
active, iar în final este realizat un studiu comparativ pe baza rezultatelor obţinute pentru fiecare soluţie propusă.
3.1. Investigarea prin modelare matematică, simulare i experimentare a performan elor lămpilor fluorescente compacte
(CFL) aflate pe piaţă.
Sunt analizate patru circuite electronice regăsite în componen a CFL, iar concluzia generală, importantă în contextul acestei
cercetări, ar fi aceea că topologia invertorului este aceeaşi pentru fiecare din cele patru modele, această soluţie reprezentând pentru
producători compromisul ideal între cost, eficientă şi durată de viaţă satisfăcătoare. Deci, cercetările privind îmbunătăţirea factorului de
putere al CFL ar trebui făcute în condiţiile în care această parte matură a circuitului va fi în cea mai mică măsură afectată.
De asemenea, este construit modelul matematic ideal al balastului CFL, această dezvoltare fiind oportună pentru realizarea
unei analize sistemice comparativ cu produsele aflate pe piaţă şi pentru identificarea din start a direcţiilor de dezvoltare a CFL, precum
îmbunătăţirea factorului de putere şi a formei curentului de intrare.
3.2. Filtre pasive de corectare a factorului de putere şi remodelare a formei curentului de intrare
Aplicarea metodelor pasive de corectare a factorului de putere prin intermediul filtrelor pasive (Fig.1) este posibilă cu avantaje
precum cost redus de implementare, complexitate redusă şi număr de componente electronice redus. Prin analiza realizată se pot
evidenţia şi dezavantaje, precum factor de creastă ridicat pentru curentul prin tubul fluorescent, număr mai mare de condensatoare
electrolitice, în comparaţie cu circuitul original şi costul de produc ie este puţin mai ridicat. Avantajul major al acestei metode este
volumul redus al circuitelor electronice necesare şi compatibilitatea practic perfectă cu soclul Edison.
a. b. c.
Fig. 1. Rezultate ale implementării filtrelor pasive Valley-Fill; a) Schemele electronice a filtrelor propuse;
b) Curentul de intrare (galben) i tesniunea de intrare (albastru); Analiză Fourie a curentului de intrare (verde); c) Riplul curentului prin tubului
fluorescent .
3

3.3. Metode active de corectare a factorului de putere pentru lămpile CFL
Scopul principal al acestui capitol al tezei este de îmbunătăţire a performanţelor lămpilor fluorescente compacte, din punctul
de vedere al comportării faţă de reţeaua de alimentare de curent alternativ, fără a afecta semnificativ performanţele bune deja obţinute,
precum fiabilitatea, randamentul sau costul de producţie.
În acest capitol sunt prezentate trei posibile soluţii de corectare activă a factorului de putere prin intermediul unor
preconvertoare PFC în topologie IC Boost, Boost simplu i Buck-Boost (Fig.2), iar rezultatele sunt foarte sugestiv reprezentate în
Tabelul 1.
Tensiunea de intrare (albastru) i
curentul de intrare curent (galben)
Curentul de intrare curent (galben) i
analiză Fourier (verde)
Fig. 2. Schema electronică i rezultate pentru solu ia PFC Buck-Boost.
Tensiunea (albastru) i curentul (galben)
la nivelul tubului fluorescent
3.4. Concluzii generale privind solu iile propuse de corectare a factorului de putere pentru lămpile fluorescente compacte
În Tabelul 1 sunt prezentare rezultatele generale pentru solu iile 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
crestă
curent
prin
tub
Tip
circuit
PFC
Realizare
în soclu
tip
Edison
Randament
electric
total
- - V A V mA % - - -
1 Circuit
Original
(Rezultate
Experimentale
+ Simulare)
2 Valley-fill 0
(Rezultate
Experimentale
+ Simulare)
3 Valley-fill 1
(Rezultate
Experimentale
+ Simulare)
4 Valley-fill 2
(Rezultate
Experimentale
+ Simulare)
220V
220V
220V
220V
54
45
48
50
78
70
74
74.4
140
129
129
134
4
0.6
0.87
0.90
0.82
79.4
30.56
22.86
46.53
1.5
1.76
1.8
1.66
-
Filtru
pasiv
Filtru
pasiv
Filtru
pasiv
-
Da
Da
Da
91.9%
91.2%
90.3%
90.5%
Cost
Euro
-
0.23
0.23
0.06

5 Preconverter
PFC Boost
ASIC
(Rezultate
Experimentale
+ Simulare)
6 Preconverter
PFC Boost
simplu
(Rezultate
Simulare)
7 Preconverter
PFC Buck-
Boost simplu
(Rezultate
Experimentale
+ Simulare)
77V
77V
220V
156
155
52.5
77.3
74.5
77.3
134
131
127
0.97
0.96
0.99
8.46
10.93
2.18
1.23
1.25
1.43
Control
activ în
buclă
închisă
Control
activ în
buclă
deschisă
Control
activ în
buclă
deschisă
Tabel 1.Rezultate generale cu privire la solu iile de PFC propuse
Dificil
Da
86.58%
Deoarece topologia Boost are tensiunea de ieşire în mod semnificativ mai ridicată decât tensiunea de intrare, cea mai bună
soluţie PFC pentru configuraţia cea mai des întâlnită de balast CFL, o reprezintă soluţia cu preconvertor Buck-Boost. Aceasta, mai ales
datorită celui mai bun compromis între capacitatea de corectare a factorului de putere, THD, cost de implementare, factor de creastă,
complexitate şi randament.
4.Cercetări teoretice i experimentale privind noi circuite de alimentare i reglare în sistemele de iluminat cu LED
În al patrulea capitol se face un studiu asupra posibilităţii de reconfigurare a unui balast electronic, regăsit în lămpile CFL,
pentru comanda în curent constant a LED. Este realizat modelul matematic, urmat mai apoi de modelare şi simulare în Orcad/PSpice a
soluţiei propuse. În final sunt implementate practic două lămpi de iluminat cu LED de 4W, respectiv 8W, unde comanda în curent
constant este realizată prin intermediul balastului CFL reconfigurat în convertor rezonant în semi-punte de tip LC paralel.
4.1. Convertoare LC şi LLC rezonante
În acest subcapitol sunt prezentate rezumativ caracteristicile generale ale convertoarelor LC şi LLC rezonante. Aceste
convertoare nu au fost considerate ca fiind o opţiune posibilă în domeniul convertoarelor destinate sistemelor de iluminat electronic până
in momentul în care a fost demonstrat faptul ca pot avea un randament foarte ridicat chiar şi în comparaţie cu circuitele consacrate.
4.2. Reconfigurarea unui balast electronic într-un convertor rezonant
În acest capitol este analizat mai întâi analitic şi prin modelare Orcad/Pspice principiul de funcţionare al convertoarelor
rezonante de tip LC serie şi paralel. În urma analizelor teoretice sunt introduse două modele reale de convertoare rezonante, realizate în
urma reconfigurării unui balast electronic utilizat iniţial în dispozitivele de iluminat CFL. Modelele propuse constau în, invertorul quasirezonant
preluat din tehnica CFL, completat cu un circuit de redresare şi sarcina ce este reprezentată de circuitului electric echivalent al
unei diode emiţătoare de lumină LED (Fig.3). Aceste prezumţii sunt analizate prin modelare matematică şi prin intermediul simulărilor
Orcad/PSpice.
Fig. 3. Reprezentarea circuitului de comandă LED prin utilizarea unui balast electronic reconfigurat
5
Da
81.8%
84.9%
4.76
2.09
2.09

4.3. Implementarea şi experimentarea unui dispozitiv de iluminat cu LED cu ajutorul convertoarelor rezonante cu autooscila
ie
În acest capitol este prezentată implementarea practică a unui circuit de comandă a led-urilor prin utilizarea unui balast
electronic în configuraţie semi-punte auto-oscilant, regăsit în CFL (Fig.4). Astfel, propunem două modele de dispozitive de iluminat cu
LED, de 4W respectiv 8W. Lampa de 4W este realizată cu ajutorul balastului electronic regăsit în lămpile CFL Philips Genie 11W,
reconfigurat pentru controlul unui LED Bridgelux de 12V. Lampa de 8W este realizată cu ajutorul aceluiaşi balast, dar de această dată
sarcina este reprezentată de 3 led-uri Bridgelux de 12V înseriate.
Fig. 4.Forme de undă ale semnalelor curentului(galben) şi a tensiunii(albastru) la nivelul LED pentru dispozitivelor de iluminat de
4W, respectiv 8W;
5.Concluzii generale
Teza aduce în discu ie soluţii practice şi necesare pentru rezolvarea unor probleme actuale şi deloc neglijabile din domeniul
sistemelor de iluminat electronic cu soclu tip Edison. Astfel, în teză sunt propuse mai multe metode de corectare a factorului de putere,
iar analiza acestora este realizată atât prin simulări, cât şi mai ales prin implementări practice. De asemenea, sunt dezvoltate noi tipuri de
circuite de comandă în curent constant pentru LED, soluţii ce sunt demonstrate analitic iar mai apoi sunt implementate practic.
Lista contribu iilor
1. Realizarea unui studiu cu privire la tehnologiile de balasturi electronice regăsite în lămpile fluorescente compacte.
2. Implementare în Orcad/PSpice a 2 modele de balasturi electronice regăsite în lămpile fluorescente compacte.
3. Analiză experimentală a modului de func ionare a 4 modele de CFL cu identificarea parametrilor de intrare i
comportamentului fa ă de re eaua electrică.
4. Analiză armonică în Orcad/PSpice a curentului de intrare pentru 2 modele de balasturi electronice.
5. Implementare practică i prin simulări Orcad/PSpice a filtrelor Valley Fill pentru corectarea factorului de putere pentru un
model actual de balast electronic cu oscila ie proprie.
6. Implementarea practică i în Orcad/PSpice a unui balast electronic cu oscila ie proprie prevăzut cu un preconvertor a cărui
func ie principală este de corectare activă a factorului de putere. Preconvertorul func ionează în buclă închisă i a fost
realizat în jurul unui circuit integrat specializat (L6562) pentru această func ie.
7. Analiză prin simulare Orcad/PSpice a preconvertorul PFC boost în buclă deschisă cu circuit simplu de comandă
8. Analiză practică i prin simulare Orcad/PSpice a circuitului de corectare a factorului de putere în configura ie buck-boost
pentru balastul electronic al CFL.
9. Analiză comparativă a metodelor active de corectare a factorului de putere pentru balasturile cu oscila ie proprie.
Tehnologiile urmărite au fost: Topologia boost cu circuit integrat specializat; Topologia boost i buck-boost în buclă deschisă
cu circuit simplu 555 de comandă.
10. Modelarea balastului electronic ideal pentru a permite o analiză mai detaliată a principiului de func ionare.
11. Reconfigurarea balastului electronic cu oscila ie proprie pentru a func iona ca i convertor rezonant.
12. Construc ia diagramelor Bode pentru re eaua rezonantă LC serie i LC paralel pe baza componentelor regăsite în
componen a balastului electronic al lămpii CFL.
13. Analiză a regimului tranzitoriu al balastului electronic regăsit în CFL i reconfigurat pentru comanda în curent constant a
diodelor emi ătoare de lumină (LED).
14. Analiză prin simulare Orcad/PSpice a circuitelor balasturilor electronice reconfigurate pentru comanda LED.
15. Analiză comparativă analitică i prin simulare Orcad/PSpice a modelelor complete i ideale ale balasturilor electronice
reconfigurate pentru comanda LED.
16. Implementare practică 2 două circuite originale (4W i 8W) de comandă pentru LED ob inute prin reconfigurarea balastului
electronic regăsit în CFL.
6