TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS · TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS . ... conforme a los Iineamientos establecidos para la obtenci6n del grado de Maestro en Ciencias en este centro se

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Electrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Sistema de Alimentación con Fuente de Energía Híbrida para Aplicaciones de Semaforización Basado en LEDs de Potencia

presentada por

Vicente Solano Rodríguez Ing. en Electrónica por el I. T. de Cuautla

como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

Director de tesis: Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel

Co-Director de tesis: Dr. Carlos Aguilar Castillo

Cuernavaca, Morelos, México. 17 de diciembre de 2012

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Electrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Sistema de Alimentación con Fuente de Energía Híbrida para Aplicaciones de Semaforización Basado en LEDs de Potencia

presentada por

Vicente Solano Rodríguez Ing. en Electrónica por el I. T. de Cuautla

como requisito para la obtención del grado de:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

Director de tesis: Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel

Co-Director de tesis:

Dr. Carlos Aguilar Castillo

Jurado: Dr. Abraham Claudio Sánchez – Presidente

Dr. Mario Ponce Silva – Secretario Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel – Vocal

Dr. Carlos Aguilar Castillo – Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 17 de dicembre de 2012

"

~~ SUBSECRETARfA DE EDUCACI6N SUPERIOR

Institutos Tecno l6g icos

DIRECCI6N GENERAL DE EDUCACI6N SU PERIOR TECNOL6GICA SECRETARIA DE CENTRO NACIONAL DE INVESTlGACl6N Y DESARROLLO TECNOL6GICO EDUCACI6N pO BLICA

ANEXO No.1 1 M10

ACEPTACI6N DEL DOCUMENTO DE TESIS

Cuernavaca, Mor ., a 16 de agosto de 2012

Dr. Carlos Manuel Astorga Zaragoza Jefe del departamento de Ingenierfa Electron ica Presente.

Afn: Dr. Carlos Agu ila r Cast illo Presidente del Consejo del Posgrado de Ingenierfa Electron ica,

Nos es grato com unicarle , que conforme a los lineamientos para la obtenci6n del grade de Maestro en Cienc ias en Ingenierfa Electr6n ica de este centro, y despues de haber sometido a revision acadernica la tes is titulada "Sistema de Al lrnentaclon con Fuente de Energ fa Hfbr ida para Apl ica ciones de Sernatorlzacion Basado en LEOs de Potencia" realizada por el alumno C. Vice nte Solano Rodrfguez y dirigida por el Dr. Jaime Eugenio Ara u Roffiel y Codirigida por el Dr. Carlos Agu ilar Cast illo habiendo realizado las correcciones que Ie fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento final de tesis, asf mismo Ie solicitamos tenga a bien extender el correspondiente of icio de auto rizaclon de impres i6n.

Atentamente La Cornls lon de Revision de Tesis

"25 Afios de Conocimiento y Tecnologia al Servicio de Mexico"

io Sanchez r

c.p. Dr. Gerar 0 Vicente Guerrero Ramfrez.-Subdirector Acadern lco L. 1. Guadalupe Garrido Rivera.-Departamento de Servicios Escolares Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel.-D irectores de tes is Estud iante. Expediente. '-''---'~

SERVICIOS ESCOLARES

Interior Internado Palmira SIN, Col. Palmira C.P. 62490 , Cuernavaca, Morelos, Mexico Tels . 01(777) 362-77 70 (con 10 Iineas) , Fax 01(777) 362-77 95

www.cenidet.edu.mx

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~ A 'A:\ SEP ~

SUBSECRETARrA DE EDUCACI6N SUPERIOR Institutos Tecnologicos

DIRECCI6N GENERAL DE EDUCACI6N SUPERIOR TECNOL6GICA SECRETARIA DE CENTRO NACIONAL DE INVESTlGACI6N Y DESARROLLO TECNOL6GICO EDUCACI6N POBLICA

ANEXO No. 12 M11

AUTORIZACI6N DE IMPRESI6N DE TESIS

Cuernavaca, Mor. a 22 de agosto de 2012

C. Vicente Solano Rodriguez Candidato al grade de Maestro en Ciencias en Ingenierfa Electr6nica Presente.

Despues de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisi6n Revisora de la Academia de Ciencias en Ingenieria Electr6nica en relaci6n a su trabajo de tesis cuyo titulo es: "Sistema de Alimentaci6n con Fuente de Energfa Hibrida para Aplicaciones de Semaforizaci6n Basado en LEOs de Potencia", me es grato comun icarle que conforme a los Iineamientos establecidos para la obtenci6n del grado de Maestro en Ciencias en este centro se Ie . concede la autorizaci6n para que proceda con la impresi6n de su tesis.

CENTRO NACf():-lAl DE INVESTIGACION 1~~~Astorga Zaragoza v DESARROLLO T£CNOlOGICO

nto de Ingenieria Electr6nica

SERVICIOS ESCOLARES

c.p. Dr. Gerardo Vicente Guerrero Ramirez.-Subdirector Acadernico Dr. Carlos Aguilar Castillo.- Presidente de la Academia de Ingenieria Electr6nica L.1. Guadalupe Garrido Rivera.- Departamento de Servicios Escolares Expediente

Interior Internado Palmira SIN, Col. Palmira C.P. 62490, Cuernavaca, Morelos, Mexico Tels . 01(777) 362-77 70 (con 10 Iineas), Fax 01(777) 362-77 95

www.cenidet.edu.mx

edicatoria

A mis amados padres: Víctor Solano y Loida Rodríguez

A mis queridos hermanos:

Víctor y Zuley Solano Rodríguez

A mis queridas abuelitas:

Chimi y Lolita

A dos soportes en diferentes momentos de mi vida:

Tío Silverio Solano † Tía Camerina Solano

TzÜtwxv|Å|xÇàÉá A Dios, por concederme la oportunidad de vivir y disfrutar esta etapa; y por ser mi guía en momentos sombríos. Un agradecimiento muy especial a mi tío Silverio†, de quien sus consejos aún hacen eco en mi mente; persona que muchas veces me dio la garra que necesitaba para dar más de mí y alcanzar mis objetivos. Su recuerdo lo guardaré con cariño hasta el final de mi existencia. Mi particular agradecimiento a mi tía Camerina. Aunque la vida la llevó lejos de los suyos, sé que a la distancia ha estado presente y esta vez no es la excepción. Gracias por confiar en mí desde temprana edad e involucrarse en mis primeros pasos académicos, detalles que nunca olvidaré. A mi madre, mi primera y más querida educadora, el mayor ejemplo de fe que tengo y de quien aprendí a nunca perder la esperanza. A mi padre, mi querido ‘pay’, quien a lo largo de mi vida me ha motivado a través de sus historias y reflexiones; y que desde el inicio de mi vida académica me incentivó a seguir adelante. A mi hermano Víctor, por siempre encontrar una forma de apoyarme, por estar pendiente, por las palabras de aliento y por ser un buen hermano y amigo. A mi hermana menor Zuley, una de mis más fuertes motivaciones, quien con su existencia le da alegría a mi corazón y a la que he visto crecer, esperando que la vida me lo siga permitiendo durante muchos años más. A cada uno de los integrantes de mi querida familia que me han enriquecido como persona y motivado a seguir adelante. Quiero expresar mi agradecimiento al Dr. Carlos Aguilar Castillo por haberme orientado en la realización del presente trabajo de tesis, por sus consejos, apoyo y sabias lecciones. De la misma manera, extiendo mi agradecimiento al Dr. Jaime E. Arau Roffiel quien con su experiencia y sabiduría enriqueció este trabajo. Igualmente, agradezco a mis revisores: Dr. Abraham Claudio Sánchez y Dr. Mario Ponce Silva, que con sus valiosas observaciones pulieron el presente documento de tesis.

No puedo dejar de agradecer la generosa labor de compartir sus conocimientos, a mis profesores: Dr. Abraham Claudio, Dr. Carlos Aguilar, Dr. Jesús Aguayo, Dr. Jorge Hugo Calleja, Dr. Mario Ponce, Dr. Carlos Daniel García, Dr. Luis Gerardo Vela, M.C. José Martín López y M.C. José Loyde. Con ellos comprendí que nunca se deja de aprender. Por otro lado, manifiesto mi reconocimiento al Dr. Gerardo Vicente Guerrero Ramírez por su franca atención a los alumnos cuando estuvo a cargo de la jefatura del DIE, demostrando así su vocación por la educación. Asimismo, aprovecho para reconocer al Lic. Alberto Abarca Abraham por complementar de manera integral la formación de la comunidad estudiantil del CENIDET, al conciliar la investigación y el desarrollo tecnológico con la buena redacción y ortografía. Además, agradezco a cada uno de mis entrañables amigos y compañeros de generación: Carmen, Gabriel, Irán, Rodolfo y Vicente Amador por su compañía, amistad, por fungir como mi segunda familia y por lo que cada uno me aportó como persona. A mis amigos de otras generaciones: Alejandro Blanco, Alejandro Estrada, Edwing Moreno, Elena Campos, Eusebio ‘Chevo’ Martínez, Fabiola ‘Fabby’ Cruz, Juan Carlos Yris, Saúl González† y Wendy Ley, por su camaradería, por lo que pude aprender de ustedes y por los gratos momentos compartidos. También quiero agradecer a mis compañeros y amigos de control: Abraham, Alejandro Vidal, Diego, Erick ‘Chuma’, Felipe ‘Pipe’, Julio Rodríguez y Miguel Beltrán, porque con su convivencia fue más amena la estancia en CENIDET. A todas las personas con las que pude convivir y que me compartieron de valioso su tiempo: mi más sincero agradecimiento. Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) por recibirme cálidamente dentro de sus filas como alumno, proporcionándome los medios necesarios para mi instrucción. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a la Dirección General de Educación Superior Tecnológica (DGEST) por el apoyo económico brindado sin el que no hubiera sido posible la realización de este proyecto y la culminación de mis estudios de maestría.

Sistema de alimentación con fuente de energía híbrida para aplicaciones de semaforización basado en LEDs de potencia

Vicente Solano Rodríguez

RESUMEN Desde que a finales del siglo XIX se iniciara a nivel mundial la generación y distribución comercial de la energía eléctrica, ésta se ha convertido en un elemento fundamental de nuestra calidad de vida. Sin embargo, al ser la quema de combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo) su principal suministro, se torna en un relevante factor de impacto ambiental. Aunado a los problemas ambientales ocasionados por su producción, el consumo eléctrico se ha incrementado por razones tales como: crecimiento económico y poblacional, demanda de dispositivos electrónicos, cambio climático, entre otras. Por ello, se hace necesario un uso eficiente y apropiado de la energía eléctrica. Cabe mencionar que alrededor de la quinta parte de la producción mundial de electricidad, se destina al consumo de iluminación, y se estima que al menos el 38% de ésta puede ahorrarse con el uso de sistemas de iluminación eficientes. Con la llegada de la tecnología de estado sólido, se han incrementado las expectativas respecto a la eficacia luminosa en los sistemas debido a su progreso constante. Hoy en día, el uso de Diodos Emisores de Luz (LEDs, por sus siglas en inglés) se ha extendido a diferentes aplicaciones y al combinar sus ventajas con la generación alternativa de energía, se pueden conseguir ahorros significantes. El objetivo del presente trabajo de tesis es el diseñar e implementar un sistema de alimentación para semáforos basados en LEDs de potencia, que permita la conexión tanto a la red eléctrica y a un generador fotovoltaico. El sistema debe incluir un Convertidor Electrónico de Potencia Multi‐entrada (MIPEC, por sus siglas en inglés) y operar en modo Prerregulador del Factor de Potencia (PFP) para la conexión a red y en modo de entrada no pulsante para alimentación con energía fotovoltaica. Además del diseño electrónico, se requiere de un diseño lumínico y óptico básico para las luminarias LED.

Hybrid Power Supply for Traffic Signaling Applications Based on Power LEDs

Vicente Solano Rodriguez

ABSTRACT

By the end of the 19th century, commercial generation and distribution of electricity began around the world to become thereafter an essential element of our lives. However, fossil fuel (coal, natural gas and petroleum) is the main source to produce electricity turning it into an outstanding environmental impact factor. In addition to the generation issue, electricity consumption is increasing because of a variety of reasons: economy and population growth, electrically‐powered devices demand, weather changes, just to name a few. Thus, efficient and accurate use of electric power needs to be applied. Around one fifth of total global electricity production is for lighting consumption, and it is estimated that at least 38 percent of this one can be saved by using efficient lighting equipment. With the advent of solid state technology, expectations of luminous efficacy in lighting systems have increased due to its constant improvement. Nowadays, use of Light‐Emitting Diodes (LEDs) is expanding to different applications and if their advantages combine with clean energy generation, it could be possible to get great energy savings. The objective of the present project is to design and implement a supply system for power LED traffic lights enabling connection to both electrical grid and photovoltaic generator. It must include a Multi‐input Power Electronic Converter (MIPEC) and operate both Power Factor Preregulator (PFP) mode for utility connection and non‐pulsating input mode for photovoltaic energy. Besides electronic design, a basic luminous and optical design is required for LED luminaires.

CONTENIDO Índice de figuras ........................................................................................................................................ v

Índice de tablas ........................................................................................................................................ ix

Nomenclatura........................................................................................................................................... xi

Acrónimos .............................................................................................................................................. xiii

CAPÍTULO I. "INTRODUCCIÓN" 1.1. Generación y consumo de energía eléctrica ................................................................................ 2

1.2. Energía fotovoltaica ..................................................................................................................... 3

1.3. Iluminación de estado sólido (SSL) ............................................................................................... 5

1.3.1. LEDs en semáforos ............................................................................................................... 6

1.3.2. LEDs y energía fotovoltaica .................................................................................................. 7

1.4. Ubicación y planteamiento del problema .................................................................................... 9

1.5. Objetivos .................................................................................................................................... 10

1.5.1. Objetivo General ................................................................................................................ 10

1.5.2. Objetivos Particulares ........................................................................................................ 10

1.6. Alcances y aportaciones ............................................................................................................. 10

CAPÍTULO II. "ESTADO DEL ARTE" 2.1. Introducción ............................................................................................................................... 12

2.2. Fuentes CA/CD lineales para LEDs.............................................................................................. 13

2.2.1. Fuente CA/CD no regulada para LEDs ................................................................................ 13

2.2.2. Fuente CA/CD regulada para LEDs ..................................................................................... 13

2.2.3. Fuente CA/CD no disipativa para LEDs ............................................................................... 14

2.2.4. Fuente CA/CD para LEDs con transformador de tomas ..................................................... 14

2.3. Convertidores CD/CD como drivers para LEDs ........................................................................... 15

2.3.1. Convertidor buck como driver para LEDs ........................................................................... 15

2.3.2. Convertidor boost como driver para LEDs ......................................................................... 15

2.3.3. Convertidor Cuk como driver para LEDs ............................................................................ 16

i

2.4. Sistemas de alimentación multipuertos ..................................................................................... 16

2.4.1. Topologías no aisladas ........................................................................................................ 17

2.4.2. Topologías aisladas ............................................................................................................. 21

2.5. Esquemas de manejo y distribución de energía en un GFV ....................................................... 23

2.5.1. Bus dominado por batería .................................................................................................. 23

2.5.2. Bus regulado en dos etapas ............................................................................................... 23

2.6. Selección de alternativa ............................................................................................................. 24

CAPÍTULO III. "DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL PROTOTIPO" 3.1. Análisis y diseño del convertidor multipuerto ........................................................................... 30

3.1.1. Modos de operación .......................................................................................................... 31

3.1.2. Diseño del prerregulador del factor de potencia (PFP) ...................................................... 32

3.1.3. Diseño del convertidor CD‐CD ............................................................................................ 36

3.1.4. Elementos magnéticos ....................................................................................................... 38

3.2. Diseño de luminarias .................................................................................................................. 40

3.2.1. Requerimientos de las luminarias ...................................................................................... 40

3.2.2. Selección del patrón de radiación ...................................................................................... 40

3.2.3. Cálculo de la intensidad luminosa de los LEDs ................................................................... 42

3.2.4. Selección de arreglo y driver .............................................................................................. 44

3.2.5. Selección de óptica secundaria .......................................................................................... 48

3.2.6. Distribución de LEDs en la luminaria .................................................................................. 49

3.3. Diseño del control ...................................................................................................................... 53

3.4. Simulación del convertidor multipuerto .................................................................................... 56

3.4.1. Simulación del PFP.............................................................................................................. 56

3.4.2. Simulación del convertidor CD‐CD ..................................................................................... 60

ii

iii

CAPÍTULO IV. "IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS EXPERIMENTALES"

4.1. Implementación del convertidor ................................................................................................ 64

4.2. Implementación de luminarias .................................................................................................. 65

4.3. Pruebas del prototipo ................................................................................................................ 66

4.3.1. Pruebas en modo CA‐CD .................................................................................................... 66

4.3.2. Pruebas en modo CD‐CD .................................................................................................... 68

4.3.3. Pruebas de eficiencia de los drivers de las luminarias LED ................................................ 70

4.3.4. Luminarias en funcionamiento........................................................................................... 74

CAPÍTULO V. "CONCLUSIONES"

5.1. Reseña del proyecto ................................................................................................................... 78

5.2. Conclusiones del diseño de luminarias ...................................................................................... 78

5.3. Conclusiones del diseño y funcionamiento del convertidor multipuerto .................................. 79

5.4. Trabajos futuros ......................................................................................................................... 81

Referencias Bibliográficas ...................................................................................................................... 83

Anexo A. Conceptos luminotécnicos básicos ......................................................................................... 88

Anexo B. Relación lúmenes‐candelas ..................................................................................................... 91

Anexo C. Diseño magnético ................................................................................................................... 94

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1‐1. Generación mundial de energía eléctrica durante 2010 ....................................................... 2

Figura 1‐2. Generación de energía eléctrica en México durante 2010 .................................................... 2

Figura 1‐3. Distribución del consumo eléctrico en México ...................................................................... 3

Figura 1‐4. Desarrollo de la capacidad instalada acumulada de FV por áreas geográficas ..................... 4

Figura 1‐5. Irradiación solar en México .................................................................................................... 4

Figura 1‐6. Paneles LED para semáforos .................................................................................................. 6

Figura 1‐7. Relación entre precio y eficacia del LED ................................................................................ 8

Figura 1‐8. Evolución del precio promedio de los módulos fotovoltaicos en Euros/Watt ...................... 8

Figura 2‐1. Corriente constante en LEDs ................................................................................................ 12

Figura 2‐2. Caída de voltaje vs. color y corriente en un LED .................................................................. 12

Figura 2‐3. Diagrama de una fuente de alimentación no regulada para un arreglo LED ....................... 13

Figura 2‐4. Diagrama de una fuente de alimentación regulada para un arreglo LED ............................ 13

Figura 2‐5. Diagrama de una fuente de alimentación reactivamente estabilizada para arreglo LED.... 14

Figura 2‐6. Fuente de alimentación para un arreglo LED con un transformador de tomas .................. 14

Figura 2‐7. Driver de LED tipo Buck ........................................................................................................ 15

Figura 2‐8. Driver de LED tipo Boost ...................................................................................................... 15

Figura 2‐9. Driver de LED tipo Boost‐Buck (Cuk) .................................................................................... 16

Figura 2‐10. Convertidor CD‐CD de doble entrada, una salida .............................................................. 17

Figura 2‐11. Convertidor multientrada bidireccional ............................................................................. 17

Figura 2‐12. Convertidor buck de dos entradas ..................................................................................... 18

Figura 2‐13. Convertidor buck‐boost multipuerto ................................................................................. 18

Figura 2‐14. Convertidor multipuerto bidireccional .............................................................................. 19

Figura 2‐15. Convertidor buck‐buckboost integrado ............................................................................. 19

Figura 2‐16. Convertidor buck‐buck integrado ...................................................................................... 20

Figura 2‐17. Convertidor buckboost‐buckboost integrado .................................................................... 20

Figura 2‐18. Convertidor buck‐boost de dos entradas magnéticamente acoplado .............................. 21

Figura 2‐19. Convertidor puente completo de dos entradas magnéticamente acoplado ..................... 21

Figura 2‐20. Convertidor flyback multipuerto ........................................................................................ 22

Figura 2‐21. Convertidor medio puente de tres modalidades (TM‐HB) ................................................ 22

Figura 2‐22. Esquema de un GFV con bus dominado por batería ......................................................... 23

v

Figura 2‐23. Esquema de un GFV con bus regulado en dos etapas ....................................................... 23

Figura 2‐24. Representación simplificada del convertidor requerido .................................................... 24

Figura 2‐25. Convertidores aislados como emuladores de resistencia .................................................. 25

Figura 2‐26. Convertidores aislados compatibles con generadores fotovoltaicos ................................ 26

Figura 2‐27. Convertidores multipuerto resultantes ............................................................................. 26

Figura 2‐28. Topología seleccionada: convertidor Cuk‐Cuk multipuerto ............................................... 27

Figura 3‐1. Diagrama de bloques del sistema de alimentación completo ............................................. 30

Figura 3‐2. Convertidor Cuk‐Cuk ............................................................................................................ 31

Figura 3‐3. Convertidor Cuk operando como emulador de resistencia ................................................. 31

Figura 3‐4. Convertidor Cuk operando en modo CD‐CD ........................................................................ 31

Figura 3‐5. Convertidor PFP Cuk aislado para el diseño ......................................................................... 32

Figura 3‐6. Devanados en el transformador integrado .......................................................................... 39

Figura 3‐7. Colocación de devanados en el transformador ................................................................... 39

Figura 3‐8. Patrón representativo de radiación espacial típico para los colores rojo y ámbar.............. 41

Figura 3‐9. Patrón representativo de radiación espacial típico para el color verde. ............................. 41

Figura 3‐10. Patrón representativo de radiación espacial típico para los colores rojo y ámbar. .......... 41

Figura 3‐11. Patrón representativo de radiación espacial típico para el color verde. ........................... 41

Figura 3‐12. Patrón representativo de radiación espacial típico para los colores rojo y ámbar. .......... 41

Figura 3‐13. Patrón representativo de radiación espacial típico para el color verde. ........................... 41

Figura 3‐14. Representación gráfica del ángulo de visión ...................................................................... 42

Figura 3‐15. Características físicas de un driver BuckPuck de LuxDrive® ............................................... 46

Figura 3‐16. Eficiencia vs. voltaje de entrada ......................................................................................... 46

Figura 3‐17. Corriente de salida vs. voltaje de control ........................................................................... 47

Figura 3‐18. Driver alimentando un arreglo de LEDs ............................................................................. 47

Figura 3‐19. Representación de la intensidad en el eje ......................................................................... 48

Figura 3‐20. Composición de una unidad óptica .................................................................................... 49

Figura 3‐21. Representación de haces de luz proyectados en una superficie ....................................... 50

Figura 3‐22. Parámetros geométricos en un haz luminoso ................................................................... 51

Figura 3‐23. Proyecciones de las huellas sobre la superficie de la unidad óptica verde ....................... 52

Figura 3‐24. Proyecciones de las huellas sobre la superficie de la unidad óptica roja .......................... 52

Figura 3‐25. Proyecciones de las huellas sobre la superficie de la unidad óptica ámbar ...................... 52

Figura 3‐26. Topología del controlador representado con impedancias ............................................... 53

vi

Figura 3‐27. Impedancias asignadas al controlador ............................................................................... 53

Figura 3‐28. Respuesta en frecuencia del controlador .......................................................................... 55

Figura 3‐29. Circuito en modo PFP simulado en PSpice ......................................................................... 56

Figura 3‐30. Voltaje y corriente de entrada ........................................................................................... 57

Figura 3‐31. Corriente en los inductores ................................................................................................ 57

Figura 3‐32. Voltaje y corriente de salida .............................................................................................. 58

Figura 3‐33. Potencia de entrada y de salida ......................................................................................... 58

Figura 3‐34. Eficiencia total del PFP ....................................................................................................... 59

Figura 3‐35. Factor de potencia ............................................................................................................. 59

Figura 3‐36. Circuito en modo CD‐CD simulado en PSpice .................................................................... 60

Figura 3‐37. Corriente de entrada del convertidor/ inductor de entrada ............................................. 60

Figura 3‐38. Corriente en el inductor de salida ...................................................................................... 61

Figura 3‐39. Voltaje y corriente a la salida ............................................................................................. 61

Figura 3‐40. Potencia de entrada y de salida ......................................................................................... 62

Figura 3‐41. Eficiencia total del convertidor .......................................................................................... 62

Figura 4‐1. Etapas del convertidor multipuerto (MIPEC) ....................................................................... 64

Figura 4‐2. Luminarias implementadas .................................................................................................. 65

Figura 4‐3. Voltaje y corriente de entrada ............................................................................................. 66

Figura 4‐4. Corriente en el inductor de entrada .................................................................................... 66

Figura 4‐5. Corriente en el inductor de salida ........................................................................................ 67

Figura 4‐6. Voltaje y corriente de salida ................................................................................................ 67

Figura 4‐7. Voltaje de entrada y salida ................................................................................................... 68

Figura 4‐8. Corriente en el inductor de entrada .................................................................................... 68

Figura 4‐9. Corriente en el inductor de salida ........................................................................................ 69

Figura 4‐10. Voltaje y corriente de salida .............................................................................................. 69

Figura 4‐11. Driver manejando el arreglo de LEDs ámbar ..................................................................... 70

Figura 4‐12. Driver manejando el arreglo de LEDs rojos ........................................................................ 71

Figura 4‐13. Driver manejando el arreglo de LEDs verdes ..................................................................... 72

Figura 4‐14. Gráfica de eficiencias en el driver de cada luminaria ........................................................ 73

Figura 4‐15. Fuente luminosa verde con dispositivos ópticos ............................................................... 74

Figura 4‐16. Fuente luminosa roja con dispositivos ópticos .................................................................. 74

Figura 4‐17. Fuente luminosa ámbar con dispositivos ópticos .............................................................. 75

vii

viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1‐1 Tipos de LEDs y parámetros ..................................................................................................... 5

Tabla 1‐2. Desempeño de luminarias en semáforos ................................................................................ 6

Tabla 1‐3. Precio y proyecciones del desempeño del LED ....................................................................... 7

Tabla 2‐1. Convertidores conmutados como emuladores de resistencia .............................................. 25

Tabla 2‐2. Convertidores y tipo de corriente de entrada ....................................................................... 25

Tabla 3‐1. Inductancias requeridas por el convertidor .......................................................................... 38

Tabla 3‐2. Características finales de diseño de los inductores ............................................................... 38

Tabla 3‐3. Diseño final del transformador integrado ............................................................................. 39

Tabla 3‐4. Características ópticas, eléctricas y lumínicas de los LEDs LUXEON Star .............................. 42

Tabla 3‐5. Número de pieza y características típicas de los LEDs LUXEON Star .................................... 43

Tabla 3‐6. Intensidades luminosas de los LUXEON Star LEDs ................................................................ 43

Tabla 3‐7. Arreglo de LEDs en serie ........................................................................................................ 44

Tabla 3‐8. Requerimientos del driver para un arreglo de LEDs en serie ................................................ 44

Tabla 3‐9. Arreglo de LEDs en serie‐paralelo ......................................................................................... 45

Tabla 3‐10. Requerimientos del driver para un arreglo de LEDs en serie‐paralelo ............................... 45

Tabla 3‐11. Características del driver 3021‐D‐I‐700 BuckPuck .............................................................. 46

Tabla 3‐12. Divergencia típica total en los lentes de la serie FLP de Fraen ........................................... 48

Tabla 3‐13. Eficiencia en el eje típica en los lentes de la serie FLP de Fraen ......................................... 48

Tabla 3‐14. Intensidad en el eje calculada en los lentes de la serie FLP de Fraen ................................. 49

Tabla 4‐1. Mediciones experimentales y eficiencia resultante .............................................................. 70

Tabla 4‐2. Parámetros a distintos voltajes de alimentación en el driver de la luminaria ámbar .......... 71

Tabla 4‐3. Parámetros a distintos voltajes de alimentación en el driver de la luminaria roja ............... 72

Tabla 4‐4. Parámetros a distintos voltajes de alimentación en el driver de la luminaria verde ............ 73

Tabla 4‐5. Eficiencia total del sistema por modo de operación y luminaria activa ............................... 73

ix

x

NOMENCLATURA

2θ1/2 Ángulo de visión del LED, (grados) [°] μ0 Permeabilidad del espacio vacío, μ0= 4π x 10

‐7 [H/m] ηc Eficiencia del convertidor, [%] Ω Ángulo sólido, (estereorradián) [sr] ρ Resistividad del cobre, ρ = 1.724 x 10‐6 [Ω∙cm] Ac Área de ventana del inductor, [cm2] Ahaz Área del haz luminoso, [cm2] Aw Área de sección de alambre, [mm2] Bmax Densidad de flujo magnético máximo, (Tesla) [T] d Ciclo de trabajo Dc Densidad de corriente, [A/cm2] Ev Iluminancia, (lux) [lx] fL Frecuencia de línea, (Hertz) [Hz] fp Frecuencia del polo, [Hz] fs Frecuencia de conmutación, [kHz] Iavg Corriente promedio, [A] Iin Corriente de entrada, [A] Imax Corriente máxima, [A] Imin Corriente mínima, [A] Ir Rizo de corriente, [Arms] Iv Intensidad luminosa, (candela) [cd] Ka Constante adimensional Kg Constante geométrica del núcleo, [cm5] Ku Factor de llenado Leq Inductancia equivalente, [mH] Lv Luminancia, [cd/m2] lg Longitud del entrehierro, [mm] M Ganancia del convertidor n Relación de vueltas del transformador Nprim Número de vueltas en el devanado primario del transformador Nsec Número de vueltas en el devanado secundario del transformador Pcu Pérdidas en el cobre, (Watt) [W] Pin Potencia de entrada, [W] Po Potencia de salida, [W] Pv Flujo luminoso, (lumen) [lm] Rcu Resistencia de devanado, (Ohm) [Ω] RL Resistencia de carga, [Ω] S Superficie, [m2] Ts Periodo de conmutación, (segundos) [s] Vf Tensión directa en el diodo, [V]

xi

Vin Voltaje de entrada [V] Vo Voltaje de salida, [V] Z Impedancia, [Ω]

xii

ACRÓNIMOS

AWG Calibre de Alambre Americano BCFB Interruptor Bidireccional de Bloqueo Directo CA Corriente Alterna CD Corriente Directa CFE Comisión Federal de Electricidad EPIA Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica ESR Resistencia Serie Equivalente FCBB Interruptor de Conducción Directa y Bloqueo Bidireccional FIDE Fideicomiso para el Ahorro de la Energía Eléctrica FP Factor de Potencia FV Energía Fotovoltaica IEA Agencia Internacional de Energía IGBT Transistor Bipolar de Puerta Aislada IIE Instituto de Investigaciones Eléctricas LED Diodo Emisor de Luz MCC Modo de Conducción Continua MCD Modo de Conducción Discontinua MIPEC Convertidor Electrónico Multi‐entrada de Potencia MLT Longitud Media por Vuelta MOSFET Transistor de Efecto de Campo con Semiconductor de Óxido Metálico MPPT Seguimiento del Punto de Máxima Potencia PFP Prerregulador del Factor de Potencia PWM Modulación por Ancho de Pulsos SEPIC Convertidor de Inductancia Primaria Simplemente Terminada SSL Iluminación de Estado Sólido TM‐HB Convertidor Medio Puente de Tres Modalidades

xiii

xiv

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1


1.1. GENERACIÓN Y CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Desde finales del siglo XIX, la energía eléctrica se genera y distribuye de manera comercial [1][2], convirtiéndose hoy en día en un elemento fundamental de nuestra calidad de vida. Sin embargo, al ser la quema de combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo) su principal suministro, se transforma en un factor relevante de impacto ambiental. Para ilustrar esto, de un total de 21,431 TWh generados a nivel mundial en 2010, la contribución de la energía fósil (carbón/turba, petróleo y gas) fue del 67.4%, mientras que el aporte de los demás recursos energéticos se desglosa como sigue: hidroenergía 16%, nuclear 12.9% y otras (geotérmica, solar, eólica, etc) con una aportación del 3.7%. [3] Estos datos se grafican en la figura 1‐1.

Figura 1‐1. Generación mundial de energía eléctrica durante 2010

Carbón/Turba40.6%

Petróleo4.6%

Gas22.2%

Nuclear12.9%

Hidroenergía16%

Otros*3.7%

2010

Fuente: IEA*Geotérmica, solar, eólica, renovables 21,431 TWh

Asimismo, durante dicho año, en México se consiguió una generación bruta de 241,506_GWh, de los cuales el 79.6% corresponde a la generación a base de combustibles fósiles (termoeléctrica, carboeléctrica y duales) [4], lo cual indica la persistente dependencia de este tipo de energía primaria hoy en día. La figura 1‐2 muestra cómo se distribuye la generación eléctrica en México.

Figura 1‐2. Generación de energía eléctrica en México durante 2010

Termoeléctrica66.3%Carboeléctrica

6.8%

Duales*6.5%

Hidroeléctrica15.2%

Nucleoeléctrica2.4% Geotermoeléctrica

2.7% Eoloeléctrica / solar<<1%

2010

Fuente: SENER* Carbón o combustóleo 241,506 GWh

2

CAPÍTULO I. Introducción 1.2 Energía fotovoltaica

Por otro lado, en materia de consumo energético, los sistemas de iluminación representan la quinta parte del consumo eléctrico mundial [5], que es más de lo generado por las centrales hidroeléctricas o las nucleares; y cerca de lo obtenido mediante gas natural. De manera similar en México, después de los motores, los sistemas de iluminación son los más demandantes con prácticamente la quinta parte del total del consumo [6]. La distribución del consumo eléctrico en México puede apreciarse en la figura 1‐3.

Figura 1‐3. Distribución del consumo eléctrico en México

Motores46%

Iluminación18%

Refrigeración17%

Procesos industriales

10%

Aire acondicionado

9%

Fuente: FIDE

Cabe mencionar que el uso de sistemas de iluminación ineficientes ha elevado el consumo hasta en un 40% [5]. Además, de acuerdo a datos de la Agencia Internacional de la Energía, la electricidad para iluminación representa entre el seis y ocho por ciento de los gases de efecto invernadero en todo el mundo [5]. Hoy en día, el enfoque a energías renovables y el consumo eléctrico eficiente se hacen necesarios para garantizar un suministro limpio y bajo impacto al medio ambiente. 1.2. ENERGÍA FOTOVOLTAICA A diferencia de los combustibles fósiles, la energía solar fotovoltaica constituye una fuente limpia e inagotable de energía, y del mismo modo que otras energías renovables, se deriva de un recurso natural abundante a largo plazo. Además, contribuye al autoabastecimiento energético y posee un menor impacto ambiental, evitando los efectos de su uso directo (contaminación atmosférica, residuos dañinos, etc) y los derivados de su generación (excavaciones, minas, canteras, etc) [7]. La energía solar surgió como una técnica experimental en la década de los setenta. Actualmente, se encuentra en auge. Durante la primera década del siglo XXI, esta tecnología se manifestó como una opción potencial de generación de energía eléctrica en el mundo debido a su constante crecimiento en su capacidad instalada, como se explica a continuación. A finales de 2009, la capacidad instalada acumulada a nivel mundial superó los 22 GW, valor que contrasta con los 1.4 GW de finales del año 2000. Las instalaciones de células y módulos FV en todo el mundo han aumentado a una tasa media anual de 36% desde 2000 [8].

3


Figura 1‐4. Desarrollo de la capacidad instalada acumulada de FV durante la primera década

del siglo XXI por áreas geográficas

0

5000

10000

15000

20000

25000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

MW

Unión Europea Japón Resto del Mundo E.U.A. China

1,428 1,762 2,236 2,8183,939

5,3616,956

9,550

15,675

22,878

Fuente: EPIA

Figura 1‐5. Irradiación solar en México

Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas

En el caso de México, esta tecnología se utiliza principalmente en aplicaciones residenciales apequeña escala. Cabe mencionar que a finales de 2009 se contaba con una capacidadinstalada de 25 MW logrando elevarse a 37 MW a finales de 2011 [47]. No obstante, comopuede observarse en la figura 1‐5, el país cuenta con una alta incidencia de energía solar enla mayoría de su territorio. Con una irradiación global media de 5 KWh/m2 al día comopromedio total de los estados y los distintos meses del año; así como un mínimo de 2.8 ymáximo de 8.6 KWh/m2 al día [6], México presenta condiciones ideales para elaprovechamiento a gran escala de este tipo de energía.

Además, al momento de la publicación del presente trabajo se encuentra en desarrollo unproyecto solar de 5 MW en escala piloto licitado por la Comisión Federal de Electricidad (CFE)para entrar en operación a finales de 2012 en la Península de Baja California[9][48].

Como puede observarse en la figura 1‐4, Europa representa alrededor del 70% de lacapacidad instalada en 2009, seguida de Japón y Estados Unidos de América. China comienzaa ubicarse dentro de los diez principales contribuidores y se espera una mayor participaciónen los próximos años.

4

CAPÍTULO I. Introducción 1.3 Iluminación de estado sólido (SSL)

1.3. ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO (SSL) Con la llegada de la segunda revolución en iluminación, denominada “de estado sólido” (SSL, por las siglas inglesas de Solid‐State Lighting), se han elevado las expectativas respecto al mejoramiento de la eficacia luminosa en los sistemas, es decir, la obtención de flujos luminosos determinados con un consumo cada vez menor de potencia eléctrica. La SSL es relativamente reciente y debido principalmente a características tales como eficacia luminosa en constante mejora y larga vida, se convierte en una tecnología prometedora. Su empleo básicamente se refiere al manejo de diodos emisores de luz (LEDs, por el acrónimo inglés de Light‐Emmiting Diode) que son dispositivos de estado sólido que liberan energía en forma de luz visible al fluir una corriente eléctrica a través de su estructura semiconductora. Hoy en día se manejan dos tipos de LEDs, los convencionales y los LEDs de potencia, que poseen una mayor capacidad para disipar calor y soportar mayor corriente y flujo luminoso como se puede observar en la tabla 1‐1.

Tabla 1‐1 Tipos de LEDs y parámetros LEDs convencionales LEDs de potencia

Tensión de funcionamiento 2 − 4 V 1.8 − 3.8 V Corriente de funcionamiento

20 − 30mA 150 / 350 / 750 mA / 1 A

Potencia LED 0.04 − 0.1 W 1 / 3 / 5… W Eficiencia lumínica 0.01 − 30 Lm/W 50 − ≈150 Lm/W* A pesar de considerarse una tecnología emergente debido a sus recientes avances, ha llevado alrededor de medio siglo su desarrollo desde que se inventó el primer LED en 1962 [10]. Cabe mencionar que los LEDs siempre han sido una opción atractiva en iluminación, sin embargo, en un principio estuvieron limitados a sólo algunos colores y a bajos niveles de brillo [11]. Actualmente, los LEDs están disponibles en una variedad de colores y la mejora en sus características como fuente de iluminación, le ha permitido extender su uso a diversas aplicaciones tales como: usos decorativos, alumbrado público y señalización, por mencionar algunos. *Cree® XLamp® XT‐E Cool White (148 lm/W, @85°C, 350 mA) silicon carbide LED, released Feb,2012. [45] [46]

5


1.3.1. LEDs en semáforos En aplicaciones de señalización vial, los LEDs se empezaron a utilizar en la década de los 90’s en ciudades de Europa y Estados Unidos. En sus primeras versiones, los paneles LED constaban de arreglos de 700 LED, número que fue disminuyendo conforme la eficacia mejoraba, hasta llegar a los arreglos de LED de potencia que son más compactos y ofrecen mayor flujo luminoso por diodo.

a) b) c)

Figura 1‐6. Paneles LED para semáforos; a) Arreglo de 700 LED, b) Arreglo de 200 LED,

c) Arreglo de 18 LED de potencia Antes de la llegada de la tecnología LED a los semáforos, era extensivo el uso de bombillas incandescentes de tungsteno y halógenas. A pesar de que dichos sistemas cubrían la función, debido a su baja eficiencia fueron reemplazados por la tecnología de iluminación en estado sólido. En la tabla 1‐2 se muestra una comparación en el desempeño de tres tipos de luminarias en semáforos.

Tabla 1‐2. Desempeño de luminarias en semáforos

Incandescente de tungsteno

Incandescente halógena

Panel de LEDs

Potencia 135 W 50 W 15 W Ciclo de vida 6 meses 12 meses 120 meses Ahorro de energía

0% 63% 89%

Tasa de mantto. 100% 50% 5%

6

CAPÍTULO I. Introducción 1.3 Iluminación de estado sólido (SSL)

Como se puede apreciar en la tabla 1‐2, el uso de LEDs en semaforización proporciona ahorros de energía y mantenimiento, debido a su bajo consumo eléctrico y durabilidad [12]. De igual forma, se pueden destacar ventajas como:

• Tamaño compacto, con la posibilidad de incorporar sistemas ópticos de enfoque dentro de su encapsulado.

• Alta resistencia a golpes y vibraciones. • Incremento constante de su eficacia lumínica. • Vida útil prolongada. • Generación de luz coloreada sin uso de filtros. • Procesos de fabricación que permiten proyectar un futuro bajo costo de producción.

1.3.2. LEDs y energía fotovoltaica Los LEDs y las celdas solares fotovoltaicas son dos tecnologías distintas pero al mismo tiempo relacionadas que se ocupan de la conversión entre los fotones y la energía eléctrica. Ambas tecnologías se caracterizan por ser candidatas viables para el uso sostenible de la energía, es decir, el empleo óptimo de la misma desde su generación hasta su consumo, incluyendo la eficiencia energética [13]. Respecto a las condiciones y tendencias actuales de estas tecnologías en cuanto a costo y eficiencia se encuentra que el costo de los productos de iluminación LED varía ampliamente. Un producto LED de buena calidad posee un alto costo comparado a las tecnologías estándar de iluminación. Sin embargo, los costos están disminuyendo con rapidez. Por mencionar un ejemplo, observaciones recientes en la industria indican que los precios de los LEDs blanco cálido se redujeron a la mitad, de US$36 a US$18 por millar de lúmenes (kiloluménes, klm) del año 2009 a 2010. Se espera que los precios se continúen reduciendo de manera significativa a aproximadamente US$2/klm en 2015 [14]. Ver tabla 1‐3 y figura 1‐7.

Tabla 1‐3. Precio y proyecciones del desempeño del LED [15]

2010 2012 2015 2020 Eficacia Blanco Frío (lm/W)

134 176 224 258

Precio Blanco Frío (US$/klm)

13 6 2 1

Eficacia Blanco Cálido (lm/W)

96 141 202 253

Precio Blanco Cálido (US$/klm)

18 7.5 2.2 1

7


Figura 1‐7. Relación entre precio y eficacia del LED [15]

En cuanto a la tecnología fotovoltaica, durante los últimos 30 años ha logrado grandes descensos en los precios de sus productos. El precio de los módulos fotovoltaicos se ha reducido en un 22% cada vez que la capacidad acumulativa instalada se ha duplicado. Para ilustrar la evolución del precio promedio de los módulos fotovoltaicos en los últimos 10 años se muestra la figura 1‐8, en la que se observa un decremento de éste en un 70%.

Figura 1‐8. Evolución del precio promedio de los módulos fotovoltaicos en Euros/Watt [49]

Las eficiencias promedio de los módulos solares han mejorado un par de puntos porcentuales por año. Éstas oscilan del 15‐19% y en 2020 se espera que estén por encima del 30%. [8]

8

CAPÍTULO I. Introducción 1.4 Ubicación y planteamiento del problema

Finalmente, se pueden destacar características significativas de la tecnología LED y fotovoltaica:

• Ambas tecnologías convergen en aplicaciones con requerimientos de iluminación y alimentación independiente.

• Ambas tecnologías se desarrollan activamente generando beneficios al unificarse. • El desempeño se encuentra en constante mejora y el costo base disminuye con

rapidez en ambas tecnologías. 1.4. UBICACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En las últimas décadas, la preocupación por alcanzar un desarrollo sustentable se ha intensificado, lo que ha impulsado la búsqueda de alternativas para la optimización del aprovechamiento de la energía. Dentro de este rubro se encuentran la generación y consumo de la energía eléctrica. En el tema de generación, las energías renovables han surgido como opción sostenible a los combustibles fósiles y en materia de consumo, la tecnología de estado sólido promete una creciente eficacia y mayor vida útil a los sistemas de iluminación. De esta manera, al asociar una generación más limpia a un consumo más eficiente, se abre un abanico de alternativas para el correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Debido a la variedad de servicios que dependen del suministro eléctrico, el medio urbano se convierte en un área de oportunidad. Es en dicho medio donde se ubica un servicio que se extiende a lo largo de las redes carreteras y que últimamente está migrando a la tecnología LED: la semaforización vial. La mayoría de los semáforos instalados se encuentran conectados exclusivamente a la red eléctrica, sin embargo, existe el interés generalizado para aprovechar las energías renovables como suministro de energía, ya sea para complementarlos o para autoabastecerlos. Es por ello, que el presente documento de tesis pretende configurar una topología que permita la conjugación de la tecnología fotovoltaica, la red eléctrica y la tecnología LED en su categoría de potencia. El procedimiento para la obtención de la configuración pretendida se refleja en la estructura del Capítulo II. En primera instancia se realiza una revisión de las topologías utilizadas para la alimentación de LEDs en CA y CD, y posteriormente una revisión de convertidores multipuerto (MIPEC) para la alimentación diversificada de cargas. Al final, se selecciona la alternativa que se apega a los requerimientos que demanda el prototipo y se adecúa de acuerdo a las características propias del proyecto. En adición, se toma el reto de realizar un diseño básico de las luminarias LED para cada color señalizador del semáforo (ámbar, rojo y verde), el cual se muestra en el Capítulo III.

9


10

1.5. OBJETIVOS

1.5.1. Objetivo General Desarrollar e implementar un sistema híbrido de alimentación (red eléctrica + sistema fotovoltaico) para operar de manera eficiente semáforos basados en LEDs de potencia.

1.5.2. Objetivos Particulares

• Selección de una topología de acuerdo a las características que requiere la aplicación. • Diseño del circuito de la topología seleccionada para su simulación e implementación. • Simulación del diseño elaborado. • Diseño de luminarias de acuerdo a las especificaciones vigentes de la aplicación. • Implementación del sistema y realización de pruebas en el laboratorio.

1.6. ALCANCES Y APORTACIONES El presente trabajo de tesis se enfoca en el diseño y la implementación de un sistema de alimentación para luminarias de semáforos de LEDs de potencia que además de estar habilitado para conexión a red eléctrica, se adecuará para ser compatible con generadores fotovoltaicos, por lo tanto, requerirá de dos puertos de entrada. Igualmente el sistema estará diseñado con un factor de potencia elevado para evitar la contaminación de la red eléctrica. En cuanto al diseño de luminarias LED, éste se adecuará a las especificaciones lumínicas normalizadas vigentes para aplicaciones de semaforización. El principal aporte de este trabajo es la documentación sobre el manejo y alimentación de la tecnología LED en su modalidad de potencia, y su uso orientado a la conjugación con energía fotovoltaica.

CAPÍTULO II

ESTADO DEL ARTE

11


2.1. INTRODUCCIÓN Al diseñar una fuente para LEDs, se deben tomar en cuenta algunas consideraciones de operación de los mismos. Los LEDs son dispositivos manejados por corriente, cuyo flujo luminoso depende de la corriente suministrada. Debido a la baja resistencia serie equivalente (ESR) que posee el LED, al producirse ligeros cambios en el voltaje, la variación en la corriente es considerable [18], lo que provoca flujos luminosos inestables. Cabe mencionar que el flujo luminoso está restringido por LED individual, lo que hace inevitable la conexión múltiple de LEDs para flujos mayores de luz. En la figura 2‐1 se muestran dos modos de conexión de los LEDs y su distribución de corriente. La conexión serie es la más básica, sin embargo, al existir problemas de confiabilidad al operar los LEDs en una sola rama serie, se recomienda la unión de varias ramas en paralelo resultando una conexión serie‐paralelo.

a) Conexión serie b) Conexión serie‐paralelo

Figura 2‐1. Corriente constante en LEDs

Como se muestra en la figura 2‐2, la caída de voltaje en un LED depende del color de emisión y el flujo de corriente. Cabe mencionar que la corriente nominal la establece el fabricante y debe asegurarse su operación dentro de las especificaciones.

Figura 2‐2. Caída de voltaje vs. color y corriente en un LED [18]

Operar una unidad o un arreglo de LEDs, presenta pocos inconvenientes cuando se trata de corrientes pequeñas (por ejemplo 20 mA). Sin embargo, los LEDs de potencia al requerir de corrientes más elevadas (350 mA, 700 mA, 1 A o mayores) su manejo se torna más complejo al implicar consideraciones como la disipación de energía y la regulación de corriente. En los siguientes puntos se describirán algunas topologías empleadas en el manejo de LEDs.

12

CAPÍTULO II. Estado del arte 2.2 Fuentes CA/CD lineales para LEDs

2.2. FUENTES CA/CD LINEALES PARA LEDS A continuación se revisan diferentes alternativas lineales expuestas en [16] que se han empleado para la alimentación de LEDs.

2.2.1. Fuente CA/CD no regulada para LEDs En la figura 2‐3 se muestra una fuente de alimentación no regulada para LEDs. Este tipo de fuente es la más sencilla; consta de sólo un puente rectificador y un capacitor de filtrado en paralelo. Para su alimentación, se conectan en paralelo diferentes ramas de LEDs. Cada rama se conforma de una serie de LEDs con resistencia limitadora.

Figura 2‐3. Diagrama de una fuente de alimentación no regulada para un arreglo LED

Para garantizar que la corriente se mantenga en un rango deseado ante la presencia de variaciones de temperatura y de voltaje, se requiere de una caída substancial de voltaje en la resistencia limitadora. Este método es de bajo costo, sin embargo, la caída de voltaje y la disipación de potencia en la resistencia limitadora desperdician energía, haciéndolo ineficiente. Además requiere de una fuente de alimentación estable.

2.2.2. Fuente CA/CD regulada para LEDs En la figura 2‐4 se muestra una fuente regulada para arreglos LED. En este circuito se sustituyen las resistencias limitadoras por un regulador lineal.

Figura 2‐4. Diagrama de una fuente de alimentación regulada para un arreglo LED

13


El regulador lineal mantiene la corriente nominal a través de las ramas de los LEDs. No obstante, la naturaleza altamente disipativa de dichos reguladores hace que su uso resulte cuestionable.

2.2.3. Fuente CA/CD no disipativa para LEDs La fuente mostrada en la figura 2‐5 utiliza un capacitor en serie como elemento limitador de corriente. Cabe mencionar que fuentes de alimentación parecidas exhiben factores de potencia muy bajos y pueden ser rechazadas por la industria eléctrica.

Figura 2‐5. Diagrama de una fuente de alimentación reactivamente estabilizada para un

arreglo LED

2.2.4. Fuente CA/CD para LEDs con transformador de tomas En la figura 2‐6 se muestra el esquemático de una fuente propuesta en [17] donde se adapta el método básico de conmutar las tomas de un transformador para cambiar la relación efectiva entre el devanado primario y secundario. Siendo más específico, el método se caracteriza por cambiar automáticamente el número efectivo de vueltas de uno de los devanados en respuesta a un parámetro de operación de los LEDs para mantener la luminosidad del LED sobre un determinado nivel. El cambio de tomas se controla mediante un microprocesador, el cual, mediante dispositivos de medición detecta el cambio de parámetros (voltaje, corriente, temperatura, luminosidad) del LED y seleccionan apropiadamente las tomas que mantengan los parámetros estables.

RLD1

D2

C1 TEMP.

VOLTAJE

CORRIENTE

MICROCONTROLADOR REGULADOR DE VOLTAJE

SW3

SW4

SW1

SW2

CIRCUITO DE

SUJECIÓN

SENSOR VOLTAJE / CORRIENTE

PRIMARIO SECUNDARIOT1

Figura 2‐6. Fuente de alimentación para un arreglo LED con un transformador de tomas

14

CAPÍTULO II. Estado del arte 2.3 Convertidores CD/CD como drivers para LEDs

2.3. CONVERTIDORES CD/CD COMO DRIVERS PARA LEDS A diferencia de los reguladores lineales que típicamente tienen eficiencias del 40% al 50%, los convertidores conmutados cuentan con eficiencias típicas del 60% al 90%, además de dispositivos más pequeños. En [18] y [19] se presentan algunas topologías típicas de convertidores usados como drivers de LED. A continuación se dará una breve descripción de cada una de ellas:

2.3.1. Convertidor buck como driver para LEDs El convertidor conmutado que se muestra en la figura 2‐7 como driver de LED es el tipo reductor también conocido como buck. El convertidor buck es el más simple de todos los drivers, y sus aplicaciones están donde el voltaje de la carga nunca es mayor al 85% de la fuente de alimentación primaria.

Figura 2‐7. Driver de LED tipo Buck

Los convertidores buck son una elección atractiva para drivers LED fuera de línea y en aplicaciones de bajo voltaje ya que pueden producir una corriente constante a muy altas eficiencias.

2.3.2. Convertidor boost como driver para LEDs Otro driver de LED usado se muestra en la figura 2‐8. Dicho driver es el convertidor boost, el cual es ideal para aplicaciones donde el voltaje del arreglo LED es mayor que la entrada de voltaje.

Figura 2‐8. Driver de LED tipo Boost

15


Normalmente, un convertidor boost solamente debe ser usado cuando el voltaje mínimo en la salida es aproximadamente 1.5 veces la entrada de voltaje. El convertidor boost se puede diseñar fácilmente para operar a eficiencias mayores al 90%. Tanto el MOSFET como el arreglo LED se conectan a tierra común, lo que simplifica el sensado de la corriente del LED. Además, la corriente de entrada puede ser continua, lo cual hace más fácil el filtrado del rizo. Por otro lado, la salida de corriente de un convertidor boost es pulsante, por lo que se requiere un capacitor grande para reducir el rizo en la corriente del LED.

2.3.3. Convertidor Cuk como driver para LEDs También, se muestra en la figura 2‐9 un convertidor Cuk ó boost‐buck operado como driver de LED. Este convertidor consiste de un boost seguido de un buck.

Figura 2‐9. Driver de LED tipo Boost‐Buck (Cuk)

Algunas de las ventajas de este convertidor es que puede elevar o reducir la entrada de voltaje, lo que lo hace ideal para los casos donde la salida de voltaje del arreglo LED puede estar tanto por encima o por debajo del voltaje de entrada durante la operación. Además, este convertidor tiene aislamiento capacitivo. La falla en el dispositivo de conmutación sólo pondrá en corto a la entrada y no afectará a la salida. De esta manera, los LEDs se protegen de la falla del MOSFET. 2.4. SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN MULTIPUERTOS Debido al crecimiento de las fuentes renovables de energía, se han desarrollado alternativas para la diversificación de la alimentación en los sistemas electrónicos, por lo que surge el concepto de convertidor multipuerto. Básicamente se trata de una interfaz entre la carga y los distintos suministros de energía, que se ocupa del acondicionamiento de la energía para su uso en la carga. A continuación se presentarán algunas de las topologías encontradas en la revisión del estado del arte.

16

CAPÍTULO II. Estado del arte 2.4 Sistemas de alimentación multipuertos

2.4.1. Topologías no aisladas Las topologías no aisladas se caracterizan por compartir la misma referencia en todos sus puertos. • En [21, 23] se propone una topología de un convertidor de dos puertos de entrada. El

diseño resulta de la conexión en serie de las salidas de dos convertidores boost. De esta manera, toda la interfaz es capaz de gestionar al mismo tiempo la energía proveniente de ambas entradas. En la figura 2‐10 se muestra el circuito de este convertidor.

Figura 2‐10. Convertidor CD‐CD de doble entrada, una salida

El inconveniente de esta topología es que la suma de los valores de voltaje en la entrada debe ser menor que el valor requerido en la salida. De la misma manera, si una de las fuentes disminuye, se dificulta obtener una salida regulada debido a que el cambio en el voltaje de entrada resulta considerable. • En [26], se presenta una topología similar, la cual está compuesta por ramas de fase

comúnmente usadas en los inversores. Las ramas se conectan en paralelo a un capacitor de salida y se acoplan mediante un inductor a una fuente de energía. Los interruptores son dispositivos bidireccionales de bloqueo directo (BCFB, por sus siglas en inglés) comúnmente IGBTs o MOSFETs con diodo en antiparalelo. Cuando la energía fluye desde la fuente, el convertidor actúa como elevador; por otro lado, cuando la energía fluye hacia la fuente, el convertidor opera como reductor. En la figura 2‐11 puede observarse esta topología.

Figura 2‐11. Convertidor multientrada bidireccional

17


Las ventajas de esta topología incluyen el flujo de energía bidireccional en cada puerto y el empleo factible de módulos de interruptores. Una desventaja puede ser el uso sobrado de dispositivos en fuentes de energía que no son bidireccionales (módulos fotovoltaicos, celdas de combustible, baterías primarias, etc), aunque en estos casos algunos dispositivos pueden ser omitidos sin afectar negativamente la operación del convertidor. • En [22] se desarrolla una topología basada en el convertidor buck, escalada a dos

entradas. La característica de esta topología es el uso de dos señales PWM para el control simultáneo de dos variables: voltaje de salida y seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT, por sus siglas en inglés). En la figura 2‐12 se presenta el esquemático del convertidor.

Figura 2‐12. Convertidor buck de dos entradas

Los puertos son unidireccionales y para operar adecuadamente los interruptores deben ser de conducción directa y bloqueo bidireccional (FCBB, por sus siglas en inglés), los cuales pueden ser GTOs o arreglos serie de diodo/MOSFET o diodo/IGBT. La operación de este convertidor es del tipo reductor, lo que resulta útil en algunas aplicaciones. • En [27] se propone un convertidor multipuerto derivado de la topología buck‐boost. Éste

posee entradas unidireccionales, las cuales se conectan a un inductor común a través de interruptores FCBB. Se trata de una versión simplificada de [20], donde se acoplan todos los puertos mediante un transformador flyback. En la figura 2‐13 se ilustra la topología.

Figura 2‐13. Convertidor buck‐boost multipuerto

Este convertidor se caracteriza por tener un número mínimo de componentes. Sin embargo, al ser diferente la referencia de salida a la de entrada, se obtiene un voltaje de salida negativo.

18


• En [33] se propone un convertidor multipuerto basado en [27]. En los puertos de entrada utiliza interruptores FCBB y en la estructura del convertidor recurre a interruptores de conducción bidireccional y bloqueo directo (BCFB, por sus siglas en inglés). En la figura 2‐14 se esquematiza la topología.

Figura 2‐14. Convertidor multipuerto bidireccional

A comparación de [27], este convertidor proporciona voltaje de salida positivo sin agregar algún transformador, puede operar de manera bidireccional, y es capaz de operar separadamente en modo buck, boost y buck‐boost. Sin embargo, algunas de sus características resultarían sobradas para fuentes unidireccionales. • En [30] se plantea un convertidor de doble entrada. Se trata de la combinación de un

convertidor buck y un buckboost. Los dos puertos de entrada son unidireccionales, donde uno de ellos está destinado a la conexión de fuentes de alto voltaje y otro a la conexión de fuentes que proporcionen un bajo nivel de voltaje. En la figura 2‐15 se observa el circuito de este convertidor.

Figura 2‐15. Convertidor buck‐buckboost integrado

Esta topología es capaz de manejar la energía de las entradas, ya sea de manera individual o simultánea. Su mayor ventaja es que cuando ambas entradas suministran energía, el voltaje total de entrada puede ser mayor o menor al de salida. Sin embargo, cuando sólo se dispone del puerto reductor, el valor de voltaje de entrada debe ser mayor al de salida.

19


• En [31] se sigue el mismo concepto que [30]. Se propone un convertidor donde se integran dos convertidores buck. La topología posee dos puertos de entrada, los cuales son unidireccionales como puede observarse en la figura 2‐16.

Figura 2‐16. Convertidor buck‐buck integrado

De igual manera que [30], este convertidor puede manejar la energía suministrada por dos fuentes diferentes, ya sea de manera individual o simultánea. Si cada fuente opera de manera individual, el circuito trabaja como un convertidor buck. • Asimismo, [31] también plantea otro convertidor basado en [30]. La topología integra

dos convertidores buckboost en una misma estructura. Además, cuenta con dos puertos de entrada unidireccionales. En la figura 2‐17, se ilustra esta topología.

Figura 2‐17. Convertidor buckboost‐buckboost integrado

A diferencia de [30], este convertidor no es capaz de suministrar la energía de los puertos de entrada de manera simultánea. Por lo tanto, cada entrada alimenta a la carga individualmente o complementa la energía previamente proporcionada al inductor por una fuente diferente. Al operar una entrada de modo individual, el funcionamiento es similar a un convertidor buckboost convencional.

20


2.4.2. Topologías aisladas A continuación se presentan algunas de las topologías revisadas de convertidores multipuerto del tipo aislado. • En [20] se presenta un convertidor buck‐boost de doble entrada, en el que las fuentes de

energía se colocan en paralelo mediante un transformador acoplado. Esta configuración puede apreciarse en figura 2‐18.

Figura 2‐18. Convertidor buck‐boost de dos entradas magnéticamente acoplado

En este convertidor, el esquema de control aplica el concepto de tiempo compartido. Por lo tanto, sólo una de las fuentes está facultada para transferir energía a la carga a la vez. En [24], este trabajo se amplía para aplicar MPPT y corrección del factor de potencia (FP, por sus siglas en inglés). • En [25], se propone un convertidor de dos entradas basado en la aditividad de flujos. En

lugar de combinar la energía de las fuentes de forma eléctrica, se realiza de forma magnética sumando los flujos magnéticos en el núcleo del transformador acoplado. Los interruptores son FCBB y la etapa de salida es un circuito rectificador AC/DC. En la figura 2‐19 se muestra cómo está conformado este convertidor.

Figura 2‐19. Convertidor puente completo de dos entradas magnéticamente acoplado

21


Entre las ventajas de esta topología se tiene que: las magnitudes de los voltajes de entrada pueden ser diferentes, las fuentes pueden suministrar energía a la carga ya sea de forma individual o simultánea y el aislamiento eléctrico se logra naturalmente. Sus principales desventajas radican en el alto número de componentes utilizados y en la estructura relativamente compleja. • En [28] se muestra un convertidor derivado del convertidor buck‐boost multipuerto [27],

en el cual se realiza el reemplazo del inductor de almacenamiento por inductores acoplados. De esta manera, se supera la desventaja de tener una salida no aislada e invertida respecto a las entradas. Como puede observarse en la figura 2‐20, la estructura se parece al del convertidor flyback, por lo que se indica como convertidor flyback multipuerto.

Figura 2‐20. Convertidor flyback multipuerto

• En [32] se propone un convertidor medio puente aislado que interconecta tres puertos:

una fuente, un puerto de almacenamiento bidireccional y puerto de carga aislado. Un control dinámico del ciclo de trabajo de los interruptores de la rama de fase permite un control independiente del puerto bidireccional. El convertidor resultante tiene tres modos de operación dentro de un ciclo de trabajo constante, por lo que se le denomina: convertidor medio puente de tres modalidades (TM‐HB, por sus siglas en inglés). La figura 2‐21 ilustra la topología.

Figura 2‐21. Convertidor medio puente de tres modalidades (TM‐HB)

Este convertidor tiene la ventaja de un bajo número de componentes, alta densidad de potencia y alta eficiencia. Sin embargo, requiere de control preciso y un análisis cuidadoso de su comportamiento dinámico, el cual se presenta en [34].

22

CAPÍTULO II. Estado del arte 2.5 Esquemas de manejo y distribución de energía en un GFV

2.5. ESQUEMAS DE MANEJO Y DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA EN UN GFV [50]

2.5.1. Bus dominado por batería Este esquema se caracteriza por interconectar el generador fotovoltaico (GFV) a una batería a través de un convertidor conmutado. Se compone básicamente por una fuente de energía, un canal o vía de suministro y un acumulador, en este caso: el GFV, el bus de distribución y la batería respectivamente.

Figura 2‐22. Esquema de un GFV con bus dominado por batería

Esta arquitectura ofrece la posibilidad de control sobre el voltaje de operación del GFV, lo que la convierte en la arquitectura más simple para implementación del MPPT. Sin embargo, el bus de distribución no es regulado y pasa a ser función del estado de carga de la batería, la cual actúa ya sea como depósito o suministro de energía eléctrica dependiendo de la disponibilidad de energía solar en el panel. En algunas aplicaciones se requiere de un bus de distribución regulado mientras se mantiene la carga de la batería y el MPPT. Para ello se pueden agregar variables de control o etapas de conversión adicionales.

2.5.2. Bus regulado en dos etapas En esta configuración el GFV se interconecta a través de un convertidor conmutado a un enlace intermedio dominado por batería. Otra etapa de conversión interconecta dicho enlace al bus de distribución, como se muestra en la figura. Con esto se logra la regulación del bus de distribución, sin embargo, la energía generada en el GFV debe atravesar dos etapas de conversión antes de llegar a la o las cargas conectadas al bus.

Figura 2‐23. Esquema de un GFV con bus regulado en dos etapas

23


2.6. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA En este apartado, se muestra el proceso de selección de la topología a emplear en el prototipo. Para ello, se revisan los requerimientos que demanda el mismo y se adecúa de acuerdo a las características propias del proyecto. Como se indicó en el capítulo anterior, se requiere desarrollar e implementar un sistema de alimentación híbrido (red eléctrica + sistema fotovoltaico) para la operación de semáforos basados en LEDs de potencia. Por lo tanto, se precisa del manejo de un convertidor de dos puertos de entrada, para la conexión de las fuentes de alimentación y una salida común, como se ejemplifica en la figura 2‐24.

Puerto 1

Puerto 2

Salida común

Figura 2‐24. Representación simplificada del convertidor requerido

Debido a que en las aplicaciones con conexión directa a línea de CA se sugiere aislamiento eléctrico para reducir la interferencia electromagnética (EMI) conducida [35], la topología del convertidor debe ser del tipo aislado. Dentro de las topologías aisladas reportadas en el estado del arte, la que más se adapta a las necesidades del prototipo debido a su relativa sencillez, la capacidad de entradas totalmente independientes y el uso de dispositivos de conmutación convencionales, es la de los convertidores magnéticamente acoplados presentada en [20], por lo que se propondrá un convertidor basado en dicha topología. El convertidor a proponer resultará del conjunto de requerimientos particulares de los puertos de entrada, lo cual depende del tipo de corriente suministrada por las fuentes. El puerto de CA no debe causar distorsión a la red eléctrica y el puerto de CD no debe suministrar corriente pulsante por compatibilidad con el panel fotovoltaico. Para cumplir con la característica del puerto de CA de no distorsionar la corriente de la red, se requiere de un convertidor que pueda operar como emulador de resistencia. Esto es, un convertidor conmutado que es capaz de drenar una corriente de entrada proporcional a la tensión de entrada [21]. En la tabla 2‐1 se enlistan los convertidores que son capaces de operar como emulador de resistencia.

24

CAPÍTULO II. Estado del arte 2.6 Selección de alternativa

Tabla 2‐1. Convertidores conmutados como emuladores de resistencia [36, 37] Sin aislamiento Con aislamiento

• Boost • Flyback

• Buck‐Boost

Aptas

• Cuk • Cuk

• SEPIC • SEPIC

• Zeta • Zeta

• Forward

No Aptas

• Push‐Pull • Buck • Puente completo

• Medio puente

Como se puede observar en la tabla 2‐1, los convertidores aislados que tienen la capacidad de operar como emuladores de resistencia son: Flyback, Cuk, SEPIC y Zeta. Asimismo, en la figura 2‐25 se muestra cada uno de los esquemáticos de dichos convertidores.

a) Convertidor Flyback b) Convertidor Cuk aislado

c) Convertidor SEPIC aislado d) Convertidor Zeta aislado Figura 2‐25. Convertidores aislados como emuladores de resistencia

El puerto de CD, al estar orientado a la conexión de un panel fotovoltaico, exige un convertidor que no posea corriente pulsante a la entrada. En la tabla 2‐2 se muestran diferentes convertidores y el tipo de corriente en la entrada.

Tabla 2‐2. Convertidores y tipo de corriente de entrada

Sin aislamiento Con aislamiento

No

pulsan

te

• Boost • Cuk

• Cuk • SEPIC

• SEPIC

• Forward • Flyback

Pulsan

te

• Buck • Zeta • Buck‐Boost • Push‐Pull

• Puente completo • Medio puente

25


De la tabla anterior se puede notar que los convertidores idóneos para el enfoque del puerto de CD son: Cuk y SEPIC.

a) Convertidor Cuk b) Convertidor SEPIC

Figura 2‐26. Convertidores aislados compatibles con generadores fotovoltaicos Si cada puerto manejara un convertidor de manera independiente, cualquiera de las opciones sugeridas podría ser aplicada. Sin embargo, se pretende que los puertos de entrada compartan el puerto de salida en una misma estructura. La posibilidad de implementar varias entradas o salidas es una de las ventajas que proporciona el acoplamiento magnético en los convertidores, ya sea mediante la derivación de devanados o la incorporación de otros más en el mismo núcleo. Para el caso particular de este trabajo, en base al arreglo de elementos conectado en el devanado secundario se conjugarán los convertidores mediante devanados primarios independientes, para así conformar un convertidor multipuerto. Se puede observar que los convertidores de las figuras 2‐25b), 2‐25d) y 2‐26a) poseen el mismo arreglo de elementos en el devanado secundario, por lo que pueden obtenerse las siguientes opciones de convertidores multipuerto: Zeta‐Cuk y Cuk‐Cuk.

a) Convertidor multipuerto Zeta‐Cuk b) Convertidor multipuerto Cuk‐Cuk

Figura 2‐27. Convertidores multipuerto resultantes Los puertos de CA de las figuras 2‐27a) y 2‐27b), convertidores Zeta y Cuk respectivamente, son emuladores de resistencia naturales cuando trabajan en MCD (modo de conducción discontinua). La diferencia radica en que el convertidor Zeta posee un interruptor conectado directamente a la fuente de entrada, lo que implica que existan periodos de tiempo en los cuales existe una corriente nula a la entrada, presentándose un elevado rizo en la corriente de entrada [37]. El convertidor Cuk por su parte, al incorporar un inductor de entrada permite reducir la distorsión en la corriente de entrada [38].

26

CAPÍTULO II. Estado del arte 2.6 Selección de alternativa

27

Por esta última ventaja que posee el convertidor Cuk sobre el Zeta al ser utilizado como puerto de CA, se decide emplear la topología del convertidor multipuerto Cuk‐Cuk mostrada en la figura 2‐28.

Figura 2‐28. Topología seleccionada: convertidor Cuk‐Cuk multipuerto

Este convertidor actuará de interfaz entre las fuentes de alimentación y la carga, que en este caso son las luminarias LED. Cada luminaria constará de un arreglo de LEDs de potencia (ámbar, rojo o verde) con su respectivo driver CD‐CD. Además, el convertidor contará con un lazo de realimentación para regular la corriente que llega a la salida. Asimismo, el esquema de distribución de energía será el del bus regulado en dos etapas mostrado en la figura 2‐23, esto para no depender del estado de carga de la batería y darle flexibilidad a la alimentación de los arreglos de LEDs. Cabe mencionar que cada arreglo contará con su regulador de carga, en este caso un driver, considerando el término “luminaria” al conjunto de ambos elementos.

28

CAPÍTULO III

MIPEC HÍBRIDO: APLICACION EN SEMAFÓROS DE LEDS DE POTENCIA

29


3.1. ANÁLISIS Y DISEÑO DEL CONVERTIDOR MULTIPUERTO El sistema de alimentación completo se representa en el diagrama de bloques de la figura 3‐1.

Figura 3‐1. Diagrama de bloques del sistema de alimentación completo

Como se puede observar en la figura 3‐1, la estructura de este sistema permite el empleo de dos opciones de alimentación, en este caso la corriente alterna (C.A.) de la red comercial y la corriente directa (C.D.) proveniente de un generador fotovoltaico (GFV). Cualquiera de las dos opciones de alimentación antes mencionadas podría ser tomada como el suministro principal de energía y permutar de una opción a otra de acuerdo a las condiciones que convengan. De la misma manera, la batería puede asumir el papel de respaldo de energía, ya sea cuando la irradiación solar sea insuficiente (o nula) en el GFV o la red eléctrica no esté disponible. Tomando como arquetipo un sistema donde el GFV es el suministro predeterminado de energía, la batería se carga en los periodos de irradiación solar abundante. Cuando la energía solar deja de ser suficiente para alimentar a la carga, la batería respalda la demanda. Sin embargo, cuando la batería sólo puede abastecer una parte de la demanda y el único suministro disponible es la red eléctrica comercial, esta última se convierte en la opción de alimentación principal hasta que exista irradiación solar suficiente en el GFV. Para lograr un funcionamiento automatizado, se requiere el uso de sensores que revisen las distintas variables (disponibilidad del GFV, la red eléctrica y el estado de carga de la batería), así como de la programación de las condiciones de operación en un microcontrolador. Ya que el sistema ofrece dos opciones de alimentación: GFV y red eléctrica comercial; se tienen dos modos de operación: CD‐CD y CA‐CD. En los puntos restantes de este apartado se describe en qué consiste su operación y diseño.

30

CAPÍTULO III. MIPEC híbrido 3.1 Análisis y diseño del convertidor multipuerto

3.1.1. Modos de operación En esta sección se va a analizar el modo de operación de la topología propuesta, la cual se muestra en la figura 3‐2.

Figura 3‐2. Convertidor Cuk‐Cuk

Cuando la red de c.a. está proporcionando energía, el convertidor opera como un emulador de resistencia, lo que permite corregir de manera natural el factor de potencia. Como el voltaje de salida será menor al de entrada la relación de vueltas es menor a 1. Mientras se encuentre el convertidor operando con la línea, un control puede desactivar el puerto del generador fotovoltaico, quedando solamente un convertidor Cuk conectado a la línea y con salida a una carga o batería.

Figura 3‐3. Convertidor Cuk operando como emulador de resistencia

Cuando la red de c.a. no proporcione energía al convertidor, éste trabajará en modo CD‐CD. La energía de entrada pasará a la salida ya regulada por el convertidor y alimentará la carga o batería.

Figura 3‐4. Convertidor Cuk operando en modo CD‐CD

En el momento que no exista energía en ninguno de los puertos de entrada, conviene que una batería cargada previamente en la salida del convertidor proporcione la alimentación requerida a la carga.

31


3.1.2. Diseño del prerregulador del factor de potencia (PFP) Como ya se ha indicado, la topología a utilizar requiere de un convertidor que opere como emulador de resistencia, es decir, que al conectarse al puente de diodos siga el comportamiento de una resistencia con factor de potencia unitario. Por su función, a esta estructura (emulador + diodos) se le denomina prerregulador del factor de potencia (PFP, por sus siglas) [37]. El convertidor PFP a diseñar es un Cuk aislado en MCD. A continuación se expondrá un resumen del análisis hecho en [43], para después proceder con el diseño. En la figura 3‐5 se muestra la estructura básica de un convertidor Cuk con transformador.

Figura 3‐5. Convertidor PFP Cuk aislado para el diseño

De acuerdo a [44], al aplicar balance e vol gun os al convertidor en MCD, se obtiene: d ts‐se d

| |

√

Donde M es la relación de voltaje en MCD, d es el ciclo de trabajo (transistor encendido); d’ se relaciona al tiempo en el cual el diodo se encuentra encendido; y T, es el periodo de conmutación. Cuando el convertidor opera como PFP la oltaje vin es: , entrada de v

y el parámetro adimensional K:

2

donde:

2

32


El ciclo de trabajo se obtiene por:

√2 Donde:

| |

Para operar en MCD, Ka se debe verificar por:

12

Para garantizar que Io > 0 en convertidor Cuk:

Asimismo, la relación entre el rizo de corriente y la corriente promedio de entrada está dada por:

2

En el Cuk convencional, la frecuencia de resonancia de C1, L1 y Lo debe ser mayor que la frecuencia de resonancia de la línea, para evitar oscilaciones de la corriente de entrada cada medio ciclo. Por otro lado, si la frecuencia de resonancia está cerca de la frecuencia de conmutación, la característica de buena corrección del factor de potencia se pierde, consiguiendo formas de onda distorsionadas. Como regla general, se puede usar:

1

donde ω se recomienda que sea la décima parte de la frecuencia de los interruptores.

33


De acuerdo a las ecuaciones expresadas anteriormente, y tomando como salida una unidad de almacenamiento de 24 V con una corriente nominal de 700 mA, se realiza a continuación d t dor como PFP. el iseño del conver i

2

17060

24

700 50

∆ 2 Con los datos previos, se tiene qu e:

24 · 0.7 17

Por lo que la carga resulta:

24 17 34 Ω

La ganancia del convertidor es:

24 170 0.141

Proponiendo:

0.35 Resulta que:

12

12

0.350.141 3.073

Para operar en MCD, Ka se debe verificar por:

12

Asignando a Ka el 70% del valor crítico, se obtiene la equivalencia de n:

0.7 1

2

34


0.72

0.72

0.72 · 3.073 0.141 0.196

15

La inductancia equivalente es igu al a:

2

3.073 · 34 Ω2 · 50 1.045

Al realizar el balance de potencias, se pued obtener la corriente promedio de entrada. e

17

120 0.141

Se propone una relación entre el rizo de corriente y la corriente de entrada:

0.2

Por lo que se puede obtener el rizo de co rir ente:

.2 0

0.2 · 0.141 0.028

El inductor de entrada se puede calcular mediante:

2

1

35


1.045 ·2

0.2 · 0.35 1 30

Asimismo, se calcula el inductor de salida :

15 · 1.045 42

Se elige una frecuencia de 5% mutación: resonancia del de la frecuencia de con

0.05 0.05 · 50 2.5 El capacitor de enlace result a:

12

12 · 30 42

· · 2.5

135

Se propone:

220 Se calcula el capacitor de salida:

2 ∆17

2 · 24 · 2 0.94

· · 60

1

3.1.3. Diseño del convertidor CD‐CD El convertidor del puerto de CD corresponde a un Cuk aislado en MCC. Debido a que el puerto de salida (conectado al devanado secundario del transformador) está determinado por el convertidor PFP y por consiguiente es un arreglo fijo, sólo se realizarán los cálculos pertinentes al arreglo conectado al devanado primario del transformador. Cabe recordar que el puerto de CD está enfocado para ser compatible con la conexión de paneles fotovoltaicos, por lo que se toma como tensión de entrada del convertidor un voltaje a máxima potencia de 17.4 V.

36


Para el diseño

del convertidor Cuk aislado en MCC, los parámetros se enlistan enseguida.

17.4 24 0.7

∆ 2 50

∆ 0.1 Con los datos previos, se tiene qu e:

24 · 0.7 17

Por lo que la carga resulta:

24 17 34 Ω

La ganancia del convertidor es:

24 17.4 1.38

La corriente a la entrada del convertidor resulta:

· 0.7 · 1.37 0.97 Proponiendo:

0.5 La relación de transformación resulta:

1 1.38 · 1 0.50.5 1.38

El rizo de corriente en el in ctodu r de entrada es:

∆ 0.1 0.1 · 0.97 0.097 Por lo que el valor del inductor e trada resuld en ta:

37

∆

17.4 · 0.50.097 · 50 1.1


Debido a que el puerto de salida queda determinado por el convertidor PFP, el inductor de salida se mantiene fijo:

42 Asimismo, los capacitores de enlace y de salida se encuentran establecidos por el convertidor PFP:

220

1

3.1.4. Elementos magnéticos En la tabla 3‐1 se muestran los valores de inductancias que el convertidor requiere.

Tabla 3‐1. Inductancias requeridas por el convertidor Inductor L1 L2 Lo Valor 30 mH 1.1 mH 42 uH Donde: L1 = Inductor de entrada del PFP L2 = Inductor de entrada del convertidor CD‐CD Lo = Inductor de salida común El método a emplear es el de la constante geométrica. El detalle del procedimiento de diseño de L1, L2 y Lo se muestra en el Anexo C. En la tabla 3‐2, se muestran las características finales de los inductores diseñados.

Tabla 3‐2. Características finales de diseño de los inductores

Inductor L1 L2 Lo Valor 30 mH 1.1 mH 42 uH Tipo de núcleo RM12 ETD29 RM8 Material 3C85 3C85 3C85 No. de vueltas 155 vueltas 66 vueltas 10 vueltas

AWG resultante 16 alambres AWG#36

5 alambres AWG#26

10 alambres AWG#26

38


El diseño del transformador se encuentra en dos secciones, como si se tratara de dos transformadores independientes. Para integrar los diseños en uno solo, se requiere ajustar el número de vueltas en cada devanado, sin afectar la relación de transformación. El procedimiento de diseño del transformador de la sección CA‐CD y de la sección CD‐CD, así como el diseño final del transformador se muestran en el Anexo C. En la figura 3‐6 se muestra la representación de los devanados en el diseño final del transformador.

Figura 3‐6. Devanados en el transformador integrado

Una vez integrado el transformador, se elige el calibre de los devanados como se muestra en el Anexo C. En la tabla 3‐3 se presentan las características finales del transformador.

Tabla 3‐3. Diseño final del transformador integrado Devanado Lprim1 Lprim2 Lsec No. de vueltas 55 vueltas 8 vueltas 11 vueltas

AWG resultante 5 alambres AWG#36

8 alambres AWG#30

7 alambres AWG#30

Núcleo RM14 (por disponibilidad) Material 3C85 Al final, los devanados se colocaron de tal forma que no exista cruce del campo magnético con un devanado inhabilitado como se muestra en la figura 3‐7.

Figura 3‐7. Colocación de devanados en el transformador

Por último, cabe mencionar que dada la característica de emulación natural de resistencia del convertidor Cuk cuando opera en MCD, no es necesario implementar un filtro EMI en la entrada del PFP.

39


3.2. DISEÑO DE LUMINARIAS En esta sección se muestra el procedimiento de diseño de cada una de las luminarias atendiendo las especificaciones lumínicas de semaforización. De la misma manera, se realiza la selección y revisión de características ópticas, eléctricas y lumínicas de los LEDs de potencia.

3.2.1. Requerimientos de las luminarias Existen diversas regulaciones que determinan los requerimientos lumínicos en los semáforos viales a nivel mundial dependiendo de la región de instalación. Lo anterior se debe a que la intensidad luminosa solar incrementa conforme se está más cerca del ecuador terrestre. En el caso de México, las recomendaciones lumínicas se encuentran establecidas en la norma NMX‐J‐425/1‐1981 “Sistemas de señalización luminosa para tránsito urbano”. En la sección 5.2.4 de dicha norma se establece que se deben tener al menos 125 candelas de intensidad luminosa en los lugares indicados a continuación [39]:

a) A un ángulo de 8° por debajo de la horizontal, en el plano vertical de simetría.

b) A un ángulo de 11° a la derecha e izquierda del plano vertical de simetría, en el plano horizontal de simetría.

Esta norma no ha sido modificada desde 1981, por lo que no considera las particularidades de la tecnología LED. Sin embargo, muestra valores que sirven de referencia para el diseño de luminarias.

3.2.2. Selección del patrón de radiación En las aplicaciones de semáforos se requiere de una fuente luminosa con un patrón de radiación que permita una correcta distribución de la intensidad luminosa. Como en el mercado existen LEDs de potencia con diferentes patrones de radiación, se revisan a continuación los tipos: de mariposa (batwing), lambertiano (lambertian) y de emisión lateral (side‐emmiting). Los patrones de radiación revisados corresponden a los publicados por LUXEON Star de Philips Lumileds® y se encuentran ilustrados de la figura 3‐8 a la 3‐13.

40

CAPÍTULO III. MIPEC híbrido 3.2 Diseño de luminarias

a) Patrón de radiación de mariposa.

Figura 3‐8. Patrón representativo de radiación espacial típico para los colores rojo y ámbar.

Figura 3‐9. Patrón representativo de radiación espacial típico para el color verde.

b) Patrón de radiación lambertiano.



c) Patrón de radiación de emisión lateral.



41


El patrón de radiación ideal para la aplicación será aquel que distribuya la intensidad de manera más uniforme. Revisando los patrones publicados por [40] se puede concluir que el lambertiano es el adecuado para las aplicaciones de señalización, debido a que su patrón de radiación permite que el 50% del valor pico de la intensidad luminosa se concentre a 70° del origen, tanto a la izquierda como a la derecha del mismo. Éste ángulo será representado de la siguiente manera:

70° El ángulo de visión es aquel que tiene sus límites donde el patrón de radiación es igual a la mitad del valor pico de la intensidad luminosa del LED. En este caso, el ángulo de visión es el que toma el intervalo desde ‐70° a 70°. E essto :

2 140°

El valor del ángulo de visión es entonces de 140° para el patrón de radiación lambertiano. Ver figura 3‐14.

Figura 3‐14. Representación gráfica del ángulo de visión

3.2.3. Cálculo de la intensidad luminosa de los LEDs

En la tabla 3‐4 se enlistan las características ópticas, eléctricas y lumínicas de los LEDs ámbar, rojo y verde. Dichas características se establecen a 350 mA y a una Tj= 25°C [40].

Tabla 3‐4. Características ópticas, eléctricas y lumínicas de los LEDs LUXEON Star

Color Ópticas Eléctricas Lumínicas

Ángulo de visión, 2θ½

Tensión directa Vf (V) Flujo luminoso (lm) Mínimo Típico Máximo Mínimo Típico

Ámbar 140° 2.31 2.95 3.51 23.5 42 Rojo 140° 2.31 2.95 3.51 30.6 44 Verde 140° 2.79 3.41 3.99 30.6 53

42


En la tabla 3‐5 se resumen las características típicas los LEDs LUXEON Star y se indica el número de pieza que le asigna Philips Lumileds® a cada tipo. Asimismo se puede apreciar el aspecto físico del LED, compuesto por un emmiter (semiconductor emisor en empaque epoxy) sobre un disipador en forma de estrella.

Tabla 3‐5. Número de pieza y características típicas de los LEDs LUXEON Star

LED ÁMBAR LED ROJO LED VERDE

LXHL‐ML1D 350 mA

42 Lúmenes

LXHL‐MD1D 350 mA

44 Lúmenes

LXHL‐MM1D 350 mA

53 Lúmenes Como se puede observar en las tablas 3‐4 y 3‐5, el fabricante establece las características lumínicas sólo en función del flujo luminoso, ya que representa la totalidad de luz producida por el LED. Sin embargo, en las recomendaciones de [39] las características lumínicas se definen en función de la intensidad luminosa. Por lo anterior mencionado, se debe encontrar la manera de relacionar ambos parámetros. Cabe mencionar, que no se trata de obtener una equivalencia directa entre el flujo y la intensidad luminosa, debido a que miden propiedades diferentes. De los cálculos del Anexo B se obtiene la fórmula que relaciona la intensidad luminosa (Iv) de un LED con el flujo luminoso emitido (Pv) y su án lo de visión (2θ1/2). gu

2 1 cos

Una vez sustituyendo los datos de cada tipo de LED, se obtienen las intensidades luminosas de la tabla 3‐6 que servirán para realizar los arreglos correspondientes.

Tabla 3‐6. Intensidades luminosas de los LUXEON Star LEDs

Color de LED

Flujo luminoso típico (lm)

Intensidad luminosa (cd) resultante

Ámbar 42 10.16 Rojo 44 10.64 Verde 53 12.82

43


3.2.4. Selección de arreglo y driver Una vez obtenidas las intensidades luminosas para cada uno de los LEDs, se establecen los arreglos para así poder determinar el tipo de driver que va a alimentarlos. En [39] se recomienda un mínimo de 125 cd para cada fuente luminosa, así que para obtener el número total de LEDs requeridos para emitir dicha intensidad, se recurre a la siguiente relación:

ú

En un arreglo serie se obtendrían los valores mostrados en la tabla 3‐7 y se requeriría de un driver para cada arreglo con las características mostradas en la tabla 3‐8.

Tabla 3‐7. Arreglo de LEDs en serie

Arreglo ámbar en serie Arreglo rojo en serie Arreglo verde en serie

.125 10.16 13 .

12510.64 12 .

125 12.82 10

Tabla 3‐8. Requerimientos del driver para un arreglo de LEDs en serie

Características en los LEDs Requerimientos del driver Color Número de

LEDs en serie Voltaje a suministrar

(V) Corriente a

suministrar (A) Ámbar 13 38.35 0.35 Rojo 12 35.4 0.35 Verde 10 34.1 0.35

A pesar de que el arreglo serie sólo exige la corriente nominal del LED al driver, el requerimiento de voltaje se eleva a mayor número de LEDs, junto con las exigencias al dispositivo de almacenamiento. Además, al fallar un LED se apagaría todo el arreglo.

44


Con un arreglo serie‐paralelo, como los de la tabla 3‐9, el driver debe cumplir con las características de la tabla 3‐10.

Tabla 3‐9. Arreglo de LEDs en serie‐paralelo

Arreglo ámbar en serie‐

paralelo Arreglo rojo en serie‐paralelo Arreglo verde en serie‐

paralelo

14 LEDs 12 LEDs 10 LEDs

Tabla 3‐10. Requerimientos del driver para un arreglo de LEDs en serie‐paralelo

Características en los LEDs Requerimientos del driver Color No. de

ramas LEDs por rama

Voltaje a suministrar (V)

Corriente a suministrar (A)

Ámbar 2 7 20.65 0.7 Rojo 2 6 17.7 0.7 Verde 2 5 17.05 0.7

En la tabla 3‐10 se muestra que los requerimientos del driver al hacer un arreglo de LEDs en serie‐paralelo se tornan más balanceados. Se le exige menor voltaje al driver y por ende al dispositivo de almacenamiento, además se le da cierta redundancia al arreglo, ya que ante la falla de un LED, una única rama sería inhabilitada. La corriente se eleva al doble, no obstante, existen drivers que pueden manejar ese nivel de corriente. Cabe recordar que el driver se hallará conectado a un acumulador o batería de 24 V nominales a la salida del convertidor multipuerto Cuk‐Cuk, por lo que una configuración Buck como la mostrada en la figura 2‐7 del apartado 2.3.1 es ideal para esta aplicación.

45


Haciendo una revisión, el driver que se ajusta a los requerimientos solicitados por el arreglo serie‐paralelo es el 3021‐D‐I‐700 BuckPuck de LuxDrive®. En la tabla 3‐11 se enlistan sus características [41] y en la figura 3‐15 se muestran sus características físicas.

Tabla 3‐11. Características del driver 3021‐D‐I‐700 BuckPuck Matrícula Entrada CD Entrada CA Corriente

de salida Trimpot Control /

Dimming Tipo de conexión (Vin+, Vin‐) incluido

3021‐D‐I‐700 5‐32V No 700 mA Sí Sí 7‐Pin SIP

a) Empaque tipo through‐hole b) Terminales en vista inferior

Figura 3‐15. Características físicas de un driver BuckPuck de LuxDrive®

Se trata de un módulo de alta eficiencia (95% típica) que proporciona una corriente fija al arreglo de LEDs conectado, adaptando su voltaje de salida (LED+, LED‐) de manera tal que se conserve un valor específico de corriente. En la figura 3‐16 puede observar el comportamiento de la eficiencia respecto al voltaje de entrada.

Figura 3‐16. Eficiencia vs. voltaje de entrada

El módulo posee un trimpot (potenciómetro de ajuste) propio, el cual permite variar la corriente de salida de un 40% a un 110% del valor nominal. Esto es útil donde se requiere la facultad para ajustar la corriente a un valor intermedio.

46


Además, incluye una terminal de control (Ctrl), la cual al estar en un nivel nulo de voltaje permite al driver entregar el valor nominal de corriente de salida. Por el contrario, al colocar la terminal de control a 5 Vcd se asegura un valor nulo de corriente a la salida. En la figura 3‐17 se muestra la corriente de salida en función del voltaje en la terminal de control.

Figura 3‐17. Corriente de salida vs. voltaje de control

Asimismo, se integra un regulador de 5 Vcd ligado a la terminal Ref. Este voltaje regulado puede alimentar circuitería lógica o un microprocesador, eliminando así la necesidad de una fuente de energía adicional. De acuerdo a la tabla 3‐11, un solo driver para cada arreglo de LEDs resulta suficiente. El voltaje de entrada al driver será de 24 V nominales y la corriente de salida de 700 mA regulados, tal como se muestra en la figura 3‐18. Dependiendo del arreglo de LEDs alimentado corresponderá un valor de voltaje de salida del driver.

Figura 3‐18. Driver alimentando un arreglo de LEDs

47


3.2.5. Selección de óptica secundaria En las hojas de especificaciones de los LEDs LUXEON Star y asimismo en la tabla 3‐4, se muestra que estos poseen un ángulo de visión de 140°. Dicho ángulo resulta muy amplio para la aplicación, por lo que se requiere de elementos que reduzcan la divergencia. Los lentes de la serie FLP para LEDs LUXEON de Fraen® [42], ofrecen un diseño especial para los LEDs del tipo lambertiano. En la tabla 3‐12 se muestran las divergencias para los dos tipos de lente que ofrece la serie.

Tabla 3‐12. Divergencia típica total en los lentes de la serie FLP de Fraen Divergencia típica total (grados)

Número de parte Tipo de lente Ámbar, Rojo Verde FLP‐HNB3‐LL01‐0 12 Narrow 12FLP‐HMB3‐LL01‐0 30 Medium 30

La divergencia total típica es el ángulo completo comprendido entre los puntos donde la intensidad luminosa corresponde a la mitad del valor pico. Por ello, un haz de luz puede incrementar su intensidad luminosa (o brillo) disminuyendo su divergencia, sin la necesidad de incrementar el flujo luminoso (cantidad de luz). Para encontrar la intensidad luminosa en el eje, el fabricante de los lentes ofrece el dato de eficiencia en el eje, que es la relación de candelas emitidas a través del lente por cada lumen que brinda el LED. En la tabla 3‐13 se muestra la eficiencia en el eje de cada lente y en la figura 3‐19 se representa este parámetro.

Tabla 3‐13. Eficiencia en el eje típica en los lentes de la serie FLP de Fraen Eficiencia típica en el eje (cd/lm)

Número de parte Tipo de lente Verde Ámbar, RojoFLP‐HNB3‐LL01‐0 Narrow 15.5 10.9FLP‐HMB3‐LL01‐0 Medium 5.0 5.1

Figura 3‐19. Representación de la intensidad en el eje

48


Con los datos de las tablas 3‐6 y 3‐13, se puede obtener la intensidad en el eje multiplicando el flujo luminoso de cada LED por la corr sp i ficiencia en el eje. e ond ente e

·

Donde: Ix= Intensidad en el eje [cd] Pv= Flujo luminoso [lm] Eff= Eficiencia típica en el eje [cd/lm] En la tabla 3‐14 se muestran las intensidades en el eje resultantes.

Tabla 3‐14. Intensidad en el eje calculada en los lentes de la serie FLP de Fraen

Intensidad en el eje resultante (cd) Número de parte Tipo de lente Ámbar Rojo Verde FLP‐HNB3‐LL01‐0 Narrow 457.8 479.6 821.5 FLP‐HMB3‐LL01‐0 Medium 214.2 224.4 265 Dado que con los lentes de haz medio es suficiente para cumplir con las especificaciones (125 cd), se trabajará con los mismos.

3.2.6. Distribución de LEDs en la luminaria Las fuentes luminosas a construir (ámbar, rojo y verde) se alojarán dentro de una estructura de semáforo que por estandarización cuenta con tres unidades ópticas. Éstas deben ser iluminadas en su superficie por las fuentes luminosas, ubicadas a una distancia dada de la superficie, como se ilustra en la figura 3‐20.

Figura 3‐20. Composición de una unidad óptica

El haz de luz emitido por cada uno de los LEDs y dirigido por los lentes producirá una huella sobre la superficie y todos los haces en conjunto la iluminarán.

49


Dado que las fuentes luminosas deben estar a una distancia que permita una mayor cobertura de la superficie, se deben hacer los cálculos para dimensionar las huellas de los haces, las cuales son dependientes de dicha distancia. Una vez elegidos los lentes a utilizar, se requiere distribuir de manera uniforme los LEDs, de tal manera que la huella del haz de luz cubra toda el área correspondiente a la unidad óptica. El diámetro de la unidad óptica es de 200mm. Ya que el arreglo verde es el que contiene menos LEDs, éste será tomado como base para distribuir los mismos, ya que si a dada distancia el arreglo que tiene menos LEDs cubre la superficie, se estará asegurando que los demás arreglos también lo hagan. La superficie de la unidad óptica es de:

·

· 10 314.16

Ésta es el área que la fuente luminosa debe cubrir. Para obtener la sección de superficie que le corresponde iluminar a cada LED, se dividirá dicha superficie entre los diez haces que se proyectarán sobre la superficie de la unidad óptica. En la figura 3‐21, se puede ver representados los haces de luz proyectando sus huellas sobre la superficie de la unidad óptica.

Figura 3‐21. Representación de haces de luz proyectados en una superficie

Dividiendo el área total de la superficie entre diez haces luminosos resulta:

ó

.

314.16

10 31.42

50


Recordando que la “huella” del haz es circular, se obtiene el radio que la huella debe tener:

31.42 3.2

Una vez encontrado el radio de las huellas, se calcula la distancia que debe existir entre los LEDs y la superficie para que las huellas tengan dicho radio. En la figura 3‐22, se muestran los parámetros geométricos presentes en la proyección del haz luminoso sobre la superficie óptica.

Figura 3‐22. Parámetros geométricos en un haz luminoso

Tomando el ángulo de divergencia del lente (30°) y el radio resultante de la huella como se puede observar en la figura 3‐8. Se pue propiedades trigonométricas: den aplicar algunas

Entonces,

3.2 30° 5.6

Los datos obtenidos son aproximaciones útiles para la construcción de las fuentes luminosas. Como puede apreciar en las figuras 3‐23, 3‐24 y 3‐25, con el propósito de aprovechar el mayor área posible de la superficie, se optó por una distribución circular o “de flor” debido a que tanto las huellas de los haces como la superficie de la unidad óptica son circulares.

51


Figura 3‐23. Proyecciones de las huellas sobre la superficie de la unidad óptica verde

Figura 3‐24. Proyecciones de las huellas sobre la superficie de la unidad óptica roja

Figura 3‐25. Proyecciones de las huellas sobre la superficie de la unidad óptica ámbar

52

CAPÍTULO III. MIPEC híbrido 3.3 Diseño del control

3.3. DISEÑO DEL CONTROL Para que el convertidor multipuerto Cuk‐Cuk, presentado como un bloque en la figura 3‐1, proporcione una salida estable ante las variaciones que puedan efectuarse en la entrada o en la carga requiere de la implementación de un controlador. Cabe recordar que una de las funciones del convertidor es el ser una solución activa del factor de potencia, para lo cual existen dos métodos de control: el control por multiplicador y el control por seguidor de tensión. En este caso se empleará el control por seguidor de tensión debido a que sólo emplea un lazo de retroalimentación de voltaje y el convertidor ha sido diseñado para operar en MCD. Dado que la muestra del voltaje de salida presenta un rizo de 120 Hz, se requiere un filtro pasabajos en el lazo de retroalimentación, ya que si este rizo es realimentado, provocaría que el voltaje de salida del amplificador de error se encuentre variando, manifestándose en el ciclo de trabajo y, por consecuencia, la corriente de entrada no sería senoidal. La topología del controlador representado con impedancias es la que se muestra en la figura 3‐26.

Figura 3‐26. Topología del controlador representado con impedancias

La topología del controlador corresponde a un amplificador inversor con corrimiento de nivel, en el cual la tensión de salida está dad por: a

1

Las impedancias asignadas se muestran en la figura 3‐27.

a) Impedancia Z1 b) Impedancia Z2 Figura 3‐27. Impedancias asignadas al controlador

53


Como en este caso, la impedancia del controlador dependerá de la frecuencia, a la relación de impedancias se le acota como:

Por lo que:

· 1

1 1

Entonces:

1

·1

1

Por lo que esta configuración introduce una ganancia y un polo, expresado por:

12

La ubicación del polo corresponde a la frecuencia de corte del filtro pasabajos, la cual debe seleccionarse para eliminar el rizo de 120 Hz presente en la salida del convertidor. Típicamente la frecuencia de corte se escoge una década antes del doble de la frecuencia de línea. En este caso se establece una frecuencia de corte a 15 Hz. Proponiendo R2 = 10 kΩ, se obtiene:

12

12 10 Ω 15 Hz 1

54

CAPÍTULO III. MIPEC híbrido 3.3 Diseño del control

Si se desea una ganancia de 20 dB, se realiza l siguiente despeje: e

20 log 20

20 20 log

10 10

10

1010 Ω10 1 Ω

Con lo que al graficar la respuesta en frecuencia en Matlab se obtiene lo siguiente la figura 3‐28.

100.01 1

Figura 3‐28. Respuesta en frecuencia del controlador

55


3.4. SIMULACIÓN DEL CONVERTIDOR MULTIPUERTO De acuerdo a los valores obtenidos en los cálculos, se realizan las simulaciones pertinentes a cada uno de los puertos del convertidor. Esto con el fin de verificar que los resultados se apegan al diseño realizado. Las simulaciones se efectuaron mediante el software Orcad PSpice 10.5. A continuación se muestran en primer lugar las simulaciones del puerto de CA, para después continuar con las del puerto de CD.

3.4.1. Simulación del PFP A continuación se presentan las señales arrojadas por la simulación del convertidor multipuerto conectado a la red de CA y con el puerto de CD desactivado. El modo de operación corresponde al de PFP. En la figura 3‐29 se puede observar el diagrama utilizado en el simulador PSPice. El tiempo de simulación empleado es de 400ms, con un paso de 200ns.

R3100Meg

+-

+

-

S1

S

VON = 1.0VVOFF = 0.0V

Pulse1

R2

100MegL3

1.1mH

1 2C4

220nF

+-

+

-

S2

S

VON = 1VOFF = 0

Pulse2

V3

TD = 400ms

TF = 0PW = D2/f s2PER = 1/f s2

V1 = 0

TR = 0

V2 = 1

Pulse2

PARAMETERS:

f s2 = 50000D2 = 0.43

V217.4

L6105uH

1

2

0

L1

30mH1 2

L2

42uH1 2

C1

220nF

C2

220nF

C31mF

R134

0

V4

TD = 0

TF = 0PW = D/f sPER = 1/f s

V1 = 0

TR = 0

V2 = 1

V1

FREQ = 60VAMPL = 170VOFF = 0

0

Pulse1

PARAMETERS:D = 0.27f s = 50000

D5MUR460

D11N4004

D21N4004

D31N4004

D41N4004

K K1

COUPLING = 1K_Linear

L45mH

1

2

L5200uH

1

2

Figura 3‐29. Circuito en modo PFP simulado en PSpice

Para inhabilitar el puerto de CD, se configura un tiempo de retardo (TD) de 400ms en el generador de pulsos de dicho puerto, para que no se active durante el tiempo de simulación. Además, para evitar errores de convergencia, el puerto de salida y el puerto de CD se conectan a tierra mediante una resistencia de gran valor (100 Meg).

56

CAPÍTULO III. MIPEC híbrido 3.4 Simulación del convertidor multipuerto

En la figura 3‐30 se muestra el voltaje y corriente a la entrada del convertidor. Se puede observar que el voltaje de entrada posee un Vp = 170 V, y se encuentra en fase con una corriente que tiene su valor máximo en Imax = 240 mA. El rizo de corriente es de 40 mA y corresponde al 16% del valor máximo de corriente.

( 170 , 240 , 40 , 0.16)

Figura 3‐30. Voltaje y corriente de entrada

En la figura 3‐31 se puede apreciar la corriente en los inductores. Para el inductor de entrada se presenta una corriente máxima IL1max = 240 mA y un rizo de corriente de 40 mA; en el caso del inductor de salida se obtiene una corriente máxima I = 4.62 A y un rizo de corriente de 4.94 A.

L2max

( 240 , ∆ 40 , 4.62 , ∆ 4.94 )

Figura 3‐31. Corriente en los inductores

57


En la figura 3‐32 se muestra el voltaje y la corriente de salida. Se puede apreciar un voltaje de salida Vo = 24.1 V y una corriente de salida I = 0.71 A. o

( 24.1 , 0.71 )

Figura 3‐32. Voltaje y corriente de salida

58

En la figura 3‐33 se despliegan las potencias de entrada y salida. Se observa una potencia de entrada Pin = 19.17 W y debido a las pérdidas en el convertidor por los modelos de dispositivos de conmutación empleados en la simulación, se obtiene una potencia de salida Po = 17.3 W.

( 19.17 , 17.3 )

Figura 3‐33. Potencia de entrada y de salida


En la figura 3‐34 se presenta la eficiencia total del circuito. Se obtiene una eficiencia del 90% al relacionar la potencia de entrada y de salida en el simulador.

( 90%)

Figura 3‐34. Eficiencia total del PFP

En la figura 3‐35 se muestra el factor de potencia obtenido mediante el simulador. El valor arrojado indica un F. P. por arriba de 0.99 se confirma su operación como PFP. , por lo que

( . . 0.99)

Figura 3‐35. Factor de potencia

59


3.4.2. Simulación del convertidor CD‐CD En este punto se muestran las señales obtenidas en la simulación del convertidor multipuerto conectado a una fuente de CD y con el puerto de CA desactivado. El modo de operación corresponde al de un convertidor CD‐CD. En la figura 3‐36 se puede observar el diagrama utilizado en el simulador PSPice. El tiempo de simulación empleado es de 400ms, con un paso de 200ns.

Figura 3‐36. Circuito en modo CD‐CD simulado en PSpice

En este caso, se configura el tiempo de retardo (TD) de 400ms al generador de pulsos del puerto de CA, para inhabilitar dicho puerto durante el tiempo de simulación. Además de colocar resistencias de 100Meg a tierra en el puerto de CA y en el puerto de salida con el fin de evitar errores de convergencia por elementos flotados.

+-

+

-

S1

S

VON = 1.0VVOFF = 0.0V

Pulse1

R2100Meg

L3

1.1mH

1 2C4

220nF

+-

+

-

S2

S

VON = 1VOFF = 0

Pulse2

V3

TD = 0

TF = 0PW = D2/f s2PER = 1/f s2

V1 = 0

TR = 0

V2 = 1PARAMETERS:

f s2 = 50000D2 = 0.43

Pulse2

V217.4

L6105uH

1

2

0

L1

30mH

1 2L2

42uH

1 2C1

220nF

C2

220nF

C31mF

R134

0

V4

TD = 400ms

TF = 0PW = D/f sPER = 1/f s

V1 = 0

TR = 0

V2 = 1

V1

FREQ = 60VAMPL = 170VOFF = 0

Pulse1 PARAMETERS:D = 0.27f s = 50000

D5MUR460

D11N4004

D21N4004

D31N4004

D41N4004

K K1

COUPLING = 1K_Linear

L45mH

1

2

L5200uH

1

2

R3100Meg

En la figura 3‐37 se observa la corriente a la entrada del convertidor, que también corresponde al inductor de entrada. Se muestra una corriente promedio Iavg = 1.12 A, con su mínimo en Imin = 1.04 A y su máximo en Imax = 1.21 A, por lo que se obtiene un rizo de corriente de 0.17 A.

( 1.12 , 1.04 , 1.21 , ∆ 0.17 )

Figura 3‐37. Corriente de entrada del convertidor/ inductor de entrada

60


En la figura 3‐38 se puede apreciar la corriente en el inductor de salida, el cual presenta una corriente promedio Iavg = 0.77 A, con su mínimo en Imin = ‐0.8 A y su máximo en Imax = 4.2 A, contando con un rizo de co de 5 rriente A.

( 0.77 , 0.8 , 4.2 , ∆ 5 )

Figura 3‐38. Corriente en el inductor de salida

Cabe recordar que el valor del inductor quedó establecido por el PFP y no forma parte del diseño particular del convertidor CD‐CD. El valor del inductor es de 42 µH, por lo que al ser un valor pequeño produce un rizo mayor y presenta discontinuidad. En la figura 3‐39 se muestran las señales de voltaje y de corriente a la salida del convertidor. Se observa un voltaje de salida Vo = de salida Io = 0.709 A. 24.1 V y una corriente

( 24.1 , 0.709 )

Figura 3‐39. Voltaje y corriente a la salida

61


62

En la figura 3‐40 se observan las señales de potencia de entrada y salida generadas por el simulador. Se muestra una potencia de entrada Pi = 19.53 W y a una potencia de salida Po = 17.43 W.

( 19.53 , 17.43 )

Figura 3‐40. Potencia de entrada y de salida

En la figura 3‐41 se muestra la eficiencia total del convertidor, la cual alcanza un 89.23%.

Figura 3‐41. Eficiencia total del convertidor

CAPÍTULO IV

IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

63


4.1. IMPLEMENTACIÓN DEL CONVERTIDOR El convertidor consta de las siguientes etapas: a) Etapa de control: Esta etapa se encarga de mantener constante el valor de corriente a la salida del convertidor mediante una realimentación. Consta de un transductor que otorga un valor de voltaje para un nivel de corriente de salida sensado; un controlador PWM encargado de compensar y de generar la señal de control; asimismo, un selector digital de modo de operación y los impulsores de ambos MOSFETs del convertidor. b) Etapa de potencia: Esta etapa es la encargada de recibir y acondicionar la energía proporcionada por las fuentes de alimentación para la carga. Está integrada por dos canales de entrada tipo Cuk acopladas mediante un transformador de alta frecuencia con la salida común del convertidor. En la figura 4‐1, se muestran ambas etapas del convertidor múltiple interconectadas.

Figura 4‐1. Etapas del convertidor multipuerto (MIPEC)

Cabe mencionar que el prototipo no posee una etapa de programación de tiempos para cada luminaria de LEDs, por lo que en este caso sólo es viable la conexión de una luminaria a la vez en el puerto de salida.

64

CAPÍTULO IV. Implementación y resultados experimentales 4.2 Implementación de luminarias

4.2. IMPLEMENTACIÓN DE LUMINARIAS Cada una de las luminarias diseñadas, se montaron de acuerdo a la distribución de las proyecciones de luz mostradas en el Capítulo III. Para el montaje de cada luminaria se diseñó una placa circular donde se incluye un conector para la alimentación desde el convertidor, un driver y los espacios (hexagonales) correspondientes a los LEDs. La ubicación de estos últimos queda determinada por la distribución de los haces luminosos. A fin de que la base disipadora de cada LED logre unirse a un disipador externo, se realiza el corte de los contornos hexagonales. Con esto, las bases disipadoras empatan con la cara posterior de la placa y tanto la placa como las bases pueden fijarse a un disipador externo. Con respecto al driver y el conector, el primero se sitúa sobre la cara principal y el segundo sobre la cara posterior de la placa, esto con la finalidad de evitar el cableado sobre la cara principal. Para permitir el montaje del conector, se secciona una parte del disipador. En la figura 4‐2 se presentan el montaje final de las luminarias.

a) Luminaria de LEDs verdes b) Luminaria de LEDs rojos

c) Luminaria de LEDs ámbar

Figura 4‐2. Luminarias implementadas

65


4.3. PRUEBAS DEL PROTOTIPO

4.3.1. Pruebas en modo CA‐CD Como puede observarse en la figura 4‐3, dado que el convertidor se encuentra trabajando como emulador de resistencia, la corriente demandada es proporcional al voltaje suministrado, por lo que sigue la forma senoidal del voltaje. El voltaje de entrada es 170 Vp, es decir 120 Vrms, y el valor de corriente 170 mArms.

Figura 4‐3. Voltaje y corriente de entrada

En la figura 4‐4 se muestra la corriente en el inductor de entrada. Debido a que la corriente pasa por un puente rectificador, los estados de conducción de los diodos llevan a la corriente a un solo sentido. La corriente promedio medida en el osciloscopio es 115 mAavg.

Figura 4‐4. Corriente en el inductor de entrada

66

CAPÍTULO IV. Implementación y resultados experimentales 4.3 Pruebas del prototipo

Dado que el convertidor está operando como emulador de resistencia, existe una discontinuidad en la corriente del inductor de salida. En la figura 4‐5 se puede observar que el rizo de salida es de 4.3 A, un rizo grande debido al bajo valor de inductancia.


El voltaje de salida es de 24 V, con un rizo de aproximadamente 2 V. Dado que el control del convertidor es del tipo seguidor de tensión mediante un transductor corriente/voltaje, la corriente de operación se fija en 700 mA. En la figura 4‐6 se muestra que la corriente es aproximada, se miden 706 mA.


67


4.3.2. Pruebas en modo CD‐CD La figura 4‐7 muestra el voltaje de entrada, que en este caso se toma de una fuente de corriente directa. Este voltaje representa el de un generador fotovoltaico a máxima potencia (Vmpp). La salida obtenida en el convertidor es de 24.2 Vcd.

Figura 4‐7. Voltaje de entrada y salida

En la figura 4‐8 se puede observar que la corriente promedio en el inductor de entrada es de 1.04 A, con un rizo de 0.6 A. El valor mínimo de corriente se encuentra en 700 mA y el máximo en 1.3 A.

Figura 4‐8. Corriente en el inductor de entrada

68


En la figura 4‐9 muestra que la corriente promedio en el inductor de salida es de 758 mA. El rizo de salida es de 4 A, debido al pequeño valor de inductancia.


Como puede observarse en la figura 4‐10, el voltaje promedio a la salida del convertidor en modo CD‐CD es de 23.9 V, con una corriente promedio de 704 mA. Caber recordar que la salida del convertidor está controlada en modo seguidor de tensión por medio de un transductor corriente/voltaje, por lo que el valor que se fija es el de corriente a 700 mA.


69


Por último, en la tabla 4‐1 se resumen los valores medidos experimentalmente, así como la eficiencia resultante de los dos modos de operación del convertidor.

Tabla 4‐1. Mediciones experimentales y eficiencia resultante

Vin Iin Conversión Vo Io Pin Po EficienciaCA‐CD 119 Vrms 0.17 Arms 24 Vcd 0.706 Acd 20.7 W 16.94 W 83.75 % CD‐CD 17.5 Vcd 1.04 Acd 23.9 Vcd 0.704 Acd 18.2 W 16.8 W 92.44 %

4.3.3. Pruebas de eficiencia de los drivers de las luminarias LED Como se ha mencionado anteriormente, cada luminaria está integrada por un driver y un arreglo serie‐paralelo de LEDs. El voltaje nominal con el cual las luminarias se alimentan es de 24 Vcd, valor compatible con los acumuladores comerciales. Con el objetivo de probar la eficiencia del driver a diferentes valores de voltaje de entrada, se realizó un ensayo mediante una fuente de CD variando el voltaje de alimentación en un rango de ±5 V respecto al voltaje nominal, con un paso de 1V. a) Luminaria ámbar En la figura 4‐11 se muestra el driver BuckPuck 3021‐D‐I‐700 manejando el arreglo de LEDs ámbar, conformando así la luminaria ámbar.

Figura 4‐11. Driver manejando el arreglo de LEDs ámbar

Los parámetros que resultan de la variación del voltaje de entrada se muestran en la tabla 4‐2.

70


Tabla 4‐2. Parámetros a distintos voltajes de alimentación en el driver de la luminaria ámbar

Luminaria ámbar Iin (A) Pin (W) Vo (V) Io (A) Po (W) η (%) Vin (V)

19 0.48 9.12 18.4 0.46 8.46 92.8 20 0.59 11.8 19.3 0.57 11 93.2 21 0.71 14.91 20.3 0.69 14 93.9 22 0.71 15.62 20.4 0.71 14.48 92.7 23 0.69 15.87 20.4 0.71 14.48 91.2

0.66 15.84 20.3 0.71 14.41 90.9 24 25 0.64 16 20.3 0.71 14.41 90 26 0.61 15.86 20.3 0.7 14.21 89.6 27 0.59 15.93 20.2 0.7 14.14 88.7 28 0.57 15.96 20.2 0.7 14.14 88.5 29 0.55 15.95 20.3 0.7 14.21 89

b) Luminaria roja En la figura 4‐12 se muestra el driver BuckPuck 3021‐D‐I‐700 manejando el arreglo de LEDs rojo, conformando así la luminaria roja.

Figura 4‐12. Driver manejando el arreglo de LEDs rojos


71


Tabla 4‐3. Parámetros a distintos voltajes de alimentación en el driver de la luminaria roja

Luminaria roja Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vo (V) Io (A) Po (W) η (%) 19 0.69 13.11 17.15 0.72 12.35 94.2 20 0.66 13.2 17.13 0.72 12.33 93.4 21 0.63 13.23 17.10 0.72 12.31 93.1 22 0.6 13.2 17.08 0.71 12.13 91.9 23 0.58 13.34 17.05 0.71 12.11 90.7 24 0.54 12.96 17 0.7 11.9 91.8 25 0.51 12.75 16.95 0.7 11.87 93.1 26 0.49 12.74 16.91 0.69 11.64 91.6 27 0.47 12.69 16.88 0.69 11.65 91.8 28 0.45 12.6 16.86 0.69 11.63 92.3 29 0.43 12.47 16.83 0.68 11.44 91.7

c) Luminaria verde En la figura 4‐13 se muestra el driver BuckPuck 3021‐D‐I‐700 manejando el arreglo de LEDs verde, conformando así la luminaria verde.

IO

LED1

LED2

LED3

LED4

LED5

LED6

LED7

LED8

LED9

LED10

BuckPuck3021-D-I-700Vin

+

-

Vo

+

-

Figura 4‐13. Driver manejando el arreglo de LEDs verdes


72


Tabla 4‐4. Parámetros a distintos voltajes de alimentación en el driver de la luminaria verde

Luminaria verde η (%) Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vo (V) Io (A) Po (W)

19 0.6 11.4 14.87 0.71 10.56 92.6 20 0.57 11.4 14.86 0.71 10.55 92.5 21 0.55 11.55 14.86 0.71 10.55 91.3 22 0.52 11.44 14.85 0.71 10.54 92.2 23 0.5 11.5 14.84 0.71 10.53 91.6 24 0.48 11.52 14.84 0.71 10.53 91.5 25 0.47 11.75 14.83 0.71 10.53 89.6 26 0.45 11.7 14.82 0.71 10.52 89.9 27 0.43 11.61 14.82 0.7 10.37 89.4 28 0.41 11.48 14.81 0.7 10.37 90.3 29 0.4 11.6 14.8 0.7 10.36 89.3

d) Gráficas de eficiencia En la figura 4‐14 se muestran las gráficas de eficiencia de cada uno de los drivers conectados a los arreglos LED de cada luminaria.

a) b) c)

Figura 4‐14. Gráfica de eficiencias en el driver de cada luminaria Las eficiencias en el punto de operación nominal se encuentran entre el rango 91‐92%, valor que se multiplicaría por la eficiencia del convertidor multipuerto en cada modo de operación para encontrar una eficiencia global del sistema. De esta manera la eficiencia total del sistema quedaría como se muestra en la tabla 4‐5.

Tabla 4‐5. Eficiencia total del sistema por modo de operación y luminaria activa Modo de operación Eficiencia LEDs

ámbar Eficiencia LEDs rojos Eficiencia LEDs

verdes CA‐CD 76.12% 76.88% 76.63% CD‐CD 84.03% 84.86% 84.58%

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4.3.4. Luminarias en funcionamiento A continuación se presentan cada una de las luminarias en funcionamiento. Cabe recordar que dependiendo del color de la luminaria es el número de LEDs utilizados en la misma. En la figura 4‐15 se muestra la luminaria de LEDs verdes en funcionamiento. Se puede observar la distribución de los LEDs y los dispositivos ópticos distribuyendo los haces luminosos. Este color al ser el de mayor sensibilidad para el ojo humano, es el que requiere un menor número de LEDs, en este caso diez unidades.

Figura 4‐15. Fuente luminosa verde con dispositivos ópticos En la figura 4‐16 se muestra la luminaria de LEDs rojos en funcionamiento. Se puede observar la distribución de los LEDs y los dispositivos ópticos distribuyendo los haces luminosos. El color rojo al ser un color extremo del espectro, provoca una menor sensibilidad al ojo humano, sin embargo, otorga una mayor sensibilidad cromática (distinción de matices). En este caso la luminaria se compone de doce LEDs.

Figura 4‐16. Fuente luminosa roja con dispositivos ópticos

74


75

En la figura 4‐17 se muestra la luminaria de LEDs ámbar en funcionamiento. Se puede observar la distribución de los LEDs y los dispositivos ópticos distribuyendo los haces luminosos. El color ámbar, es un color central al igual que el verde. Sin embargo, el modelo utilizado posee la menor eficacia luminosa de los tres colores: ámbar (42 lúmenes/watt), rojo (44 lúmenes/watt) y verde (53 lúmenes/watt). Como puede observarse a conituación, la luminaria ámbar se compone de un número mayor de LEDs: catorce unidades.

Figura 4‐17. Fuente luminosa ámbar con dispositivos ópticos

76

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES

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5.1. RESEÑA DEL PROYECTO Como ha sido expuesto en un principio, el adecuado aprovechamiento de la energía desde su generación hasta su consumo final es un tema importante hoy en día, ya que el manejo deficiente de la misma ha contribuido a su derroche y a la actual problemática ambiental. En cuestión del consumo eléctrico, los sistemas de iluminación representan la quinta parte del gasto total. Esta cifra podría ser menor, ya que el uso de sistemas de iluminación poco eficientes ha disparado el consumo. Es por ello que el presente trabajo de tesis se vale de una emergente pero prometedora tecnología para contribuir al correcto aprovechamiento de la energía, al emplearla como sistema de iluminación en aplicaciones de semaforización. Dicha tecnología es la de estado sólido, la cual, debido principalmente a características tales como la eficacia luminosa en constante mejora y larga vida útil, se convierte en una atractiva tecnología para el futuro mercado de iluminación. Es así que el objetivo del proyecto queda establecido como el diseño e implementación de un sistema de alimentación para semáforos de LEDs de potencia, compuesto por un convertidor multientrada de potencia (MIPEC, por sus siglas en inglés), con operación en modo prerregulador del factor de potencia (PFP) para la conexión a la red eléctrica, así como en modo de entrada no pulsante para compatibilidad con sistemas fotovoltaicos. 5.2. CONCLUSIONES DEL DISEÑO DE LUMINARIAS Previo a la elaboración de las luminarias, se consultaron las regulaciones vigentes sobre semaforización en México. Las recomendaciones en esta materia se encuentran establecidas en la norma NMX‐J‐425/1‐1981 “Sistemas de señalización luminosa para el tránsito urbano”. A pesar de que dicha norma no ha sido modificada desde 1981 y no considera las particularidades de la tecnología LED, muestra valores que sirvieron de referencia para el diseño de las luminarias. El diseño de las luminarias consistió de diferentes etapas: diseño lumínico, diseño óptico y finalmente concluyó con el diseño físico. Durante el diseño lumínico se realizó la selección de LEDs de acuerdo a su patrón de radiación, resultando el más adecuado para la aplicación el patrón lambertiano de los LEDs LUXEON Star. Asimismo, se requirió efectuar una compatibilidad de unidades luminosas, ya que las hojas técnicas de los LEDs y las recomendaciones de la norma se encuentran basadas en unidades luminosas distintas: flujo luminoso total (lúmenes) e intensidad luminosa (candelas), respectivamente.

78

CAPÍTULO V. Conclusiones 5.3 Conclusiones del diseño y funcionamiento del convertidor multipuerto

En el diseño óptico, se requirió del uso de la llamada óptica secundaria debido al amplio ángulo de visión de los LEDs. Así, mediante el empleo de lentes de haz medio, se redujo la divergencia y se direccionó la luz emitida. De la misma manera, mediante argumentos geométricos, se definió la distribución que debían llevar los LEDs de cada luminaria, considerando una unidad óptica de 200mm. Finalmente, las PCBs diseñadas para las luminarias facilitaron las características de distribución de elementos, conexión eléctrica y disipación de calor. Esto debido a la forma circular del diseño y a los cortes destinados a los espacios de los LEDs para posibilitar su fijación a un disipador externo. 5.3. CONCLUSIONES DEL DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR

MULTIPUERTO Para el diseño del convertidor, en primer lugar se realizó la revisión de los diferentes tipos de fuentes para alimentación de LEDs y se determinó mediante el proceso de selección mostrado en el Capítulo II, que la topología que se adecua a las características requeridas es la del convertidor multipuerto Cuk‐Cuk. Entre sus principales características se encuentra que:

• Es una topología compuesta y relativamente sencilla. • Posee aislamiento eléctrico. • Permite la inclusión de entradas totalmente independientes. • Al manejar entradas tipo Cuk, se logra una baja distorsión en la corriente de entrada.

Así, el convertidor multientrada resulta del diseño de dos convertidores independientes (CA‐CD y CD‐CD) acoplados a través de un transformador. El convertidor base es el del CA‐CD, pues el inductor de salida de ambos convertidores, al ser común, su valor queda determinado por el diseño del CA‐CD. Por ello, la corriente de salida del CD‐CD a pesar de presentar el valor promedio de diseño (0.7 A), posee un rizo hasta 20 veces mayor que en un diseño CD‐CD independiente, por lo que se requirió de un filtro común de salida muy grande (1 mF). Asimismo, para utilizar un único control que regulara la corriente de salida de ambas fuentes de energía, se adaptó un selector digital semiautomático, esto es, mediante un botón pulsador se enviaba un pulso digital que activara los impulsores correspondientes al modo de operación. Como se puede observar en el diseño del convertidor multipuerto, los parámetros de salida se encauzaron a 24 V y 0.7 A para adecuarlos a las características de los acumuladores comerciales. Para comprobar el correcto diseño del convertidor, se utilizó una carga resistiva de 34Ω, valor de resistencia que se ajusta a los parámetros de salida planteados.

79


Cabe mencionar que por cuestiones de logística las pruebas experimentales no se realizaron con almacenamiento y al cambiar la resistencia de carga por las luminarias, el convertidor multipuerto sufría inestabilidad en el modo de operación CA‐CD cuando el puerto de entrada sobrepasaba los 95 Vrms de alimentación. Por ello, las mediciones mostradas en la sección de pruebas del prototipo corresponden a las realizadas con la carga resistiva. Las pruebas en modo CA‐CD, se realizaron con una fuente variable de CA como alimentación, la cual permitía visualizar el factor de potencia a la entrada del convertidor, registrando en las pruebas finales el valor de 0.996. La eficiencia lograda en este modo de operación fue del 83.75 %. En el caso de las pruebas en modo CD‐CD, por dificultades logísticas y de tiempo se optó por alimentar el convertidor mediante una fuente de CD en lugar de un panel fotovoltaico. En este modo de operación, la eficiencia lograda alcanzó el 92.44%. Cabe recordar que en este trabajo el concepto “luminaria” engloba al conjunto driver‐arreglo de LEDs. Así, las eficiencias de los modos de operación CD‐CD (83.75%) y CA‐CD (92.44%) sólo representan el desempeño del convertidor multipuerto Cuk‐Cuk y no consideran las pérdidas generadas en el driver que opera al arreglo de LEDs. Para incluir el efecto de las pérdidas en el driver, se realizó un ensayo de su eficiencia al manejar cada arreglo de LEDs. De esta manera, se encontró la eficiencia del driver se encontraba en el rango 91‐92% en el punto operación nominal. Tomando en cuenta las pérdidas en el driver, la eficiencia global del sistema tendió a un valor por debajo del 85%, dependiendo del modo de operación y del arreglo de LEDs alimentado. Por último, cabe mencionar que puede mejorar diseño de las luminarias para aprovechar al máximo el área de los haces de luz. Además, es importante indicar que los LEDs LUXEON Star de Philips Lumileds® utilizados en el prototipo se encuentran al día de hoy descontinuados, por lo que queda abierta la selección de nuevas opciones de iluminación.

80

CAPÍTULO V. Conclusiones 5.4 Trabajos futuros

81

5.4. TRABAJOS FUTUROS Como trabajo futuro se propone implementar un control global del sistema, que contemple un sensor en la entrada del panel fotovoltaico y otro que revise el estado de una batería a la salida del convertidor. De esta manera, dependiendo de las condiciones sensadas, se podría elegir de manera independiente el modo de operación que corresponde. De la misma manera, dada la descontinuación de los LUXEON Star de Philips Lumileds® se sugiere un nuevo diseño de luminarias con los LUXEON Rebel Color o con modelos similares. Por último, se recomienda el uso de un goniofotómetro para determinar la distribución angular de la intensidad luminosa en cada una de las luminarias. Cabe aclarar que esta actividad estaba considerada en el desarrollo del presente proyecto, sin embargo no se logró concretar por no contar con el equipo necesario.

82

Referencias bibliográficas

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] C. Roy, Pura. “Breve historia de la electricidad”. En Revista Técnica Industrial. Número

especial monográfico. ISSN: 0040‐1838. Octubre 2004. [On‐Line Available]. http://www.tecnicaindustrial.es/TIAdmin/Numeros/15/04/a04.pdf [2] Comisión Federal de Electricidad. “CFE y la electricidad en México”. [On‐Line].

http://www.cfe.gob.mx/ConoceCFE/1_AcercadeCFE/CFE_y_la_electricidad_en_Mexico/Paginas/CFEylaelectricidadenMexico.aspx [3] International Energy Agency. “Key World Energy Statics 2012”. Libro de estadísticas.

OECD/IEA, 2012. [On‐Line Available]. http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/kwes.pdf [4] Secretaría de Energía. “Generación bruta de energía eléctrica”. Documento estadístico

1999‐2012. [On‐Line Available]. http://www.energia.gob.mx/webSener/res/PE_y_DT/ee/Generacion_Bruta_de_Energia_Electrica.pdf [5] International Energy Agency. “Light's Labour's Lost: Policies for Energy Efficient

Lighting”. OECD Publishing, 2006. [On‐Line Available]. http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/light2006‐1.pdf [6] Fideicomiso para el Ahorro de la Energía Eléctrica. "Desarrollo tecnológico para el

ahorro de la energía eléctrica". Presentación Ejecutiva. Marzo 2008. [7] de Delás, Francisco. “Instalación solar fotovoltaica de 100 KW de conexión a red en

Lorca, Murcia”. Universidad Pontificia Comillas. Junio, 2009. [On‐Line Available]. http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/4a44ef1fa2d91.pdf [8] European Photovoltaic Industry Association, Greenpeace. “Solar Generation 6 –

Executive Summary”. October, 2010. [9] Secretaría de Energía. “Prospectiva del sector eléctrico 2010‐2025”. México, 2010.

[On‐Line Available]. http://www.sener.gob.mx/res/1825/SECTOR_ELECTRICO.pdf [10] Humphryes, Colin J. “Solid‐State Lighting”. En MRS Bulletin. Vol.33. Abril, 2008. [11] Ribarich, Tom. “The top five global lighting technologies”. En Power Electronics

Technology. Octubre, 2004. [12] George Craford. “Overview on High Brightness LEDs and the Outlook for Red and

Yellow Devices”. Philips Lumileds, CTO Presentation. [13] Diario Oficial de la Federación. “Ley para el aprovechamiento sustentable de la

energía”. México. Noviembre 28, 2008. [On‐Line Available]. http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/pdf/LASE.pdf

83

http://www.cfe.gob.mx/ConoceCFE/1_AcercadeCFE/CFE_y_la_electricidad_en_Mexico/Paginas/CFEylaelectricidadenMexico.aspx

http://www.cfe.gob.mx/ConoceCFE/1_AcercadeCFE/CFE_y_la_electricidad_en_Mexico/Paginas/CFEylaelectricidadenMexico.aspx

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/kwes.pdf

http://www.energia.gob.mx/webSener/res/PE_y_DT/ee/Generacion_Bruta_de_Energia_Electrica.pdf

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/light2006-1.pdf

http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/4a44ef1fa2d91.pdf

http://www.sener.gob.mx/res/1825/SECTOR_ELECTRICO.pdf

http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/pdf/LASE.pdf


[14] U.S. Department of Energy. “LED frequently asked questions”. Building Technologies Program Publications. May, 2011. [On‐Line Available]

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/led_basics.pdf [15] U.S. Department of Energy. “Solid‐State Lighting Research and Development: Multi Year

Program Plan – May 2011”. Building Technologies Program Publications. May, 2011. [On‐Line Available]

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2011_web.pdf [16] Hoschstein. “Power Supply for Light Emmiting Diode Array”. US Patent No. 5661645.

Agosto 26, 1997. [17] Hochstein. “Transformer Tap Switching Power Supply for LED Traffic Signal”. US Patent

6078148. Junio 20, 2000. [18] Steve Winder. “Power Supplies for LED Drivers”. Newnes, 2008 [19] Heinz van der Broeck et al. “Power driver topologies and control schemes for LEDs”.

IEEE APEC 2007, Feb. 2007. [20] H. Matsuo, T. Shigemizu, F. Kurokawa, and N. Watanabe. “Characteristics of the

Multiple Input DC‐DC Converter”, in Proc. 24th Annu. IEEE PESC’93, 1993, pp. 115‐120. [21] F. Caricchi, F. Crescimbini, A. Di Napoli, O. Honorati, and E. Santini. “Testing of a New

DC/DC Converter Topology for Integratred Wind‐Photovoltaic Generating System”, in Proc. 5th Eur. Conf. Power Electronics Applications, vol. 8, 1993, pp. 83‐88.

[22] F.D. Rodriguez and W.G. Imes. “Analysis and Modeling of a Two‐Input DC/DC Converter

with Two Controlled Variables and Four Switched Networks”, in Proc. 31st Intersoc. Energy Conversion engineering Conf., 1996, pp. 11‐16.

[23] L. Solero, F. Caricchi, F. Crescimbini, O. Honorati, and F. Mezzetti. “Performance of a 10

kW Power Electronic Interface for Combined Wind/PV Isolated Generating Systems”, in Proc. IEEE PESC’96, 1996, pp. 1027‐1032.

[24] H. Matsuo, K. Kobayashi, Y. Sekine, M. Asano, and L. Wenzhong. “Novel Solar Cell

Power Supply System using the Multiple‐Input DC‐DC Converter”, in Proc. INTELEC’98, 1998, pp. 797‐802.

[25] Y.‐M. Chen, Y.‐C. Liu, and F.‐Y. Wu. “Multi‐Input DC‐DC Converter based on the

Multiwinding Transformer for Renewable Energy Applications”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 38, no. 4, pp. 1096‐1104, Jul./Aug. 2002.

84

Referencias bibliográficas

[26] A. Di Napoli, F. Crescimbini, S. Rodo, and L. Solero. “Multiple Input DC‐DC Converter for Fuel Cell powered Hybrid Vehicles”. 33rd Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, vol. 4, 23‐27 Jun 2002, pp. 1685‐1690.

[27] B. G. Dobbs and P. L. Chapman. “A Multiple Input DC‐DC Converter Topology”. IEEE

Power Electronics Letters, vol. 1, no. 1, pp. 6‐9, Mar. 2003. [28] N. D. Benavides and P. L. Chapman. “Power Budgeting for a Multiple‐Input Buck‐Boost

Converter”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 6, pp. 1303‐1309, Nov. 2005. [29] K. P. Yalamanchili and M. Ferdowsi. “Review of Multiple Input DC‐DC Converters for

Electric and Hybrid Vehicles”. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 552‐555, 07‐09 Sept. 2005.

[30] Y.‐M. Chen, Y.‐C. Liu, and S.‐H. Lin. “Double‐Input PWM DC/DC Converter for High/Low

Voltage Sources”, 25th International Telecommunications Energy Conference, pp. 27‐32, 19‐23 Oct. 2003.

[31] K. P. Yalamanchili, M. Ferdowsi, and K. Corzine. “New Double Input DC‐DC Converters

for Automative Applications”, in Proc. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf., 6‐8 Sept. 2006, pp. 1‐6.

[32] H. Al‐Atrash, F. Tian and I. Batarseh. “Tri‐Modal Half‐Bridge Converter Topology for

Three Port Interface”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 1, Jan. 2007, pp. 341‐345.

[33] A. Khaligh, J. Cao, and Y.‐J. Lee. “A Multiple Input DC‐DC Converter Topology”. IEEE

Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 3, Mar. 2009. [34] Z. Qian, O. Abdel‐Rahman, and J. Reese. “Dynamic Analysis of Three‐Port DC‐DC

Converter for Space Applications”. 24th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2009, pp. 28‐34.

[35] Balcells, Josep et al. “Interferencias electromagnéticas en sistemas electrónicos”.

Editorial Alfaomega‐Marcombo, 2004. [36] Aguilar Castillo, Carlos. “Calidad de la Energía”. Notas del curso. CENIDET, 2009. [37] Soares Dos Reis, Fernando. “Estudio y criterios de minimización y evaluación de las

interferencias electromagnéticas conducidas en los convertidores CA/CC”. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Madrid, 1995.

[38] Randanathan, G.; Umanand L. “Power factor improvement using DCM Cuk converter

with coupled inductor”. IEE Proceedings of Electric Power Applications, 1999.

85


86

[39] Secretaría de Comercio y Fomento Industrial. "Norma Mexicana NMX‐J‐425/1‐1981 Sistemas de señalización luminosa para transito urbano”. Agosto, 1981. [On‐Line Av.]

http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/2834/1/images/NMX‐J‐425‐1‐1981.pdf

[40] Philips Lumileds. “Power light source LUXEON Star”. Technical datasheet. Marzo, 2006. [41] LEDdynamics LuxDrive. “3021/3023 Buck Puck”. Technical datasheet. Julio, 2005. [42] Fraen Srl. “FLP Series Lenses for LUXEON LEDS”. Technical datasheet. Marzo, 2007. [43] Simonetti et al. “Design Criteria for Sepic and Cuk Converters as Power Factor

Preregulators in Discontinuous Conduction Mode”, IEEE IECON 1992. [44] On Semiconductor. “A General Approach for Optimizing Dynamic Response for Buck

Converter”. Application Note. Abril, 2004. [45] Wright, Maury. “Cree announces 3.45mm LEDs, hits hot 148 lm/W for cool white”,

Article in LEDs Magazine [On Line], Feb. 2012. [On‐Line] http://www.ledsmagazine.com/news/9/2/7 [46] Cree, Inc. “Cree® XLamp® XT‐E LEDs”, Technical Datasheet, Ver. 2, March 2012. [47] International Energy Agency. “Trends in Photovoltaic Applications Preview 2011”.

August 2012. [On‐Line Available] http://www.iea‐pvps.org/index.php?id=92&eID=dam_frontend_push&docID=1233 [48] International Energy Agency. “Annual Report 2011”. Photovoltaics Power System

Programme. April 2012. [On‐Line Available] http://www.iea‐pvps.org/index.php?id=6&eID=dam_frontend_push&docID=1129 [49] International Energy Agency. “Solar Photovoltaics competing in the energy sector”,

September 2011. [On‐Line Available] http://www.erasolar.es/pdf's/EPIA/Competing_Full_Report.pdf [50] Capel, A. “The power system of the multimedia constellation satellite for the SKYBRIDGE

missions”, 29th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, vol.2, May 1998, pp. 1913‐1930.

http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/2834/1/images/NMX-J-425-1-1981.pdf

ANEXOS

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ANEXO A. CONCEPTOS LUMINOTÉCNICOS BÁSICOS El presente apartado define los conceptos relativos a la luz y sus magnitudes. No se presenta ordenado de manera alfabética, sino de forma lógica, lo que facilita la comprensión de cada uno de los conceptos. Ángulo sólido (Ω)

Figura A1. Representación de un ángulo sólido de 1 estereorradián en una esfera

Es la porción de espacio que resulta al proyectar un segmento de la superficie de una esfera sobre su centro. Su símbolo es Ω y su unidad es el estereorradián (sr), el cual equivale al que con su vértice en el centro de una esfera, determina sobre la superficie de ésta un área equivalente a la de un cuadrado cuyo lado es igual al radio e la esfera. d

Símbolo: Ω

Ángulo sólidoUnidad: estereorradián [sr]

Luz Es la sensación visual producida en el ojo por radiaciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda están comprendidas entre los 380nm y los 780nm (espectro visible).

Figura A2. La luz visible en el espectro electromagnético [Horst Frank. Creative Commons]

No toda la luz emitida por una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni toda la energía que consume, por ejemplo, una bombilla se convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y para ello definiremos nuevas magnitudes: el flujo luminoso, la intensidad luminosa, la iluminancia, la luminancia, y el rendimiento o eficiencia luminosa.

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Anexo A. Conceptos luminotécnicos básicos

Flujo luminoso o potencia luminosa (Pv)

Figura A3. Representación del flujo luminoso en una lámpara

Describe la potencia emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible. Su símbolo es Pv y su unidad es el lumen (lm). Un flujo de radiación de 1W, entregado en la sensibilidad espectral máxima del ojo (foto‐óptica, 555 nm), genera un flujo luminoso de 683 lm.

Símbolo: PvFlujo luminoso Unidad: lumen [lm]

Intensidad luminosa (Iv)

Figura A4. Representación de la intensidad luminosa en una lámpara

Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es Iv y su unidad la candela (cd).

Intensida lu inosa d m

Ω Á ó

Símbolo: Iv

Unidad: candela [cd]

Iluminancia (Ev)

Figura A5. Representación de la iluminancia sobre una superficie

Se define como el flujo luminoso recibido por una superficie. Su símbolo es Ev y su unidad el lux (lx).

Ilu i ia m nanc

Símbolo: Ev

Unidad: lux [lx]

89


90

Luminancia (Lv)

Figura A6. Representación de la luminancia vista desde un punto

Es la relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su símbolo es Lv y su unidad es la cd/m

2.

Luminancia

Símbolo: Lv

Unidad: cd/m2

Eficacia luminosa (η) Describe el rendimiento de una lámpara, el cual expresa la cantidad de lúmenes obtenidos por cada Watt de gasto. Se expresa mediante la relación del flujo luminoso entregado, en lumen, y la potencia consumida, en Watts.

Rendim minoso iento lu

Símbolo: η

Unidad: lm/W

Anexo B. Relación lúmenes‐candelas

ANEXO B. RELACIÓN LÚMENES‐CANDELAS Una hoja de especificaciones de un LED muestra la intensidad del LED para un ángulo de visión específico. El ángulo de visión es aquél que se encuentra limitado por el haz de luz producido por el LED y su lente. Este ángulo tiene sus límites donde la intensidad luminosa cae a la mitad de su máximo valor. Así, un LED de 25,000 milicandelas con un ángulo de visión de 20° puede emitir 25 candelas de intensidad luminosa dentro de dicho ángulo de visión. Ahora la pregunta es ¿cuántos lúmenes se pueden obtener de este tipo de LED? La respuesta a la pregunta anterior se puede encontrar entendiendo la relación entre candelas, estereorradianes y esferas. A continuación se explicará dicha relación. Suponiendo que se tiene una fuente de iluminación puntual en el centro de una esfera de radio unitario, que ilumina una sección de la misma formando un cono. La sección de superficie iluminada recibe el nombre de “casquete esférico”.

Figura B1. Fuente puntual iluminando una sección de esfera

Casquete esférico

El área de la superficie de un casquete er calculada usando la fórmula: esférico puede s

2 · · ·

donde h es la altura del casquete, y es completamente dependiente del ángulo de visión (vértice del cono, 2θ1/2). Un ángulo menor, resultará en una menor área de la superficie y en una menor altura del casquete.

Figura B2. Detalle del casquete esférico

91


Aplicando algunos conocimientos de trigonometría, se puede calcular la altura del casquete h que corresponde a un determinado ángulo de visión. Esto es posible encontrando primero la longitud de b, que puede verse como la base de un triángulo rectángulo de ángulo θ1/2. La longitud de la base se encuentra de la siguiente manera:

cos

· cos

Entonces, la altura h del casquete es la diferencia entre el radio y la base del triángulo rectángulo.

· cos

· 1 · cos

Por lo tanto la fórmula para ca ue esférico queda como sigue: lcular la superficie de un casq te

s 2 · · · · 1 co

2 · · · 1 cos

Cabe mencionar que en los cálculos se está utilizando medio ángulo de visión. Las hojas de especificaciones de un LED pueden indicar ya sea el ángulo de visión o el medio ángulo por lo que es necesario distinguir entre ambos. El ángulo de visión se indica como “2θ1/2” en la mayoría de las hojas de especificaciones. Ahora, para encontrar el ángulo sólido (Ω) que corresponde a la sección iluminada de la esfera, se realiza una proporción. Ésta indica la razón existente entre la superficie iluminada y la superficie relativa a un estereorradián (por definición, un estereorradián determina sobre la superficie de una esfera un área que equivale al cuadrado del radio). Esto es:

Á ó ó ó ó 1

Ω

La anterior ecuación se puede interpretar de la siguiente manera: ¿cuántas veces cabe 1 sr en una sección de esfera?

92

Anexo B. Relación lúmenes‐candelas

93

Así:

Ω2 · · · 1 cos

Ω 2 · · 1 cos

¿Y si la fuente de iluminación puntual iluminara toda la superficie esférica? Entonces se obtiene:

Ω

1 4 · ·

4

Por lo tanto, una esfera tiene 4π ó 12.57 estereorradianes. Una vez conociendo la intensidad y el ángulo sólido, se puede obtener el flujo luminoso (Pv) aplicando la siguiente ecuación:

· Ω donde: Pv = flujo luminoso total de la fuente [lm] Iv = intensidad de la fuente de luz [cd] Ω = ángulo sólido [sr] Así pues, el flujo luminoso de una fuente puntual de luz que forma un cono esférico con la superficie iluminada es:

· 2 · · 1 cos

Ésta última ecuación puede aplicarse a un LED del cual se conoce la intensidad luminosa y el ángulo de visión “2θ1/2” y se quiere conocer el flujo luminoso total. Por otro lado, puede ocurrir el caso contrario, ya que es común que los fabricantes de LEDs de potencia publiquen en las hojas de especificaciones el flujo luminoso, y no la intensidad luminosa. Cuando es necesario este último dato, uede aplicarse: p

2 · · 1 cos

Basado en información de PowerSURE Corporation


ANEXO C. DISEÑO MAGNÉTICO

• Diseño de L1

Parámetro Símbolo Valor Corriente pico del devanado Imax 0.25 A Corriente rms del devanado Irms 0.16 A

30 x 10‐3 H Inductancia L Resistividad del cobre ρ 1.724 x 10‐6 Ω∙cm Pérdidas en el cobre Pcu 0.02*Po Factor de llenado Ku 0.5 Material de ferrita ‐ 3C85 Flujo máximo Bmax 0.33 T Permeabilidad del espacio vacío

μ0 4π x 10‐7 H/m

Frecuencia de operación ƒ 50 x 103 Hz

1. Resistencia de devanado

0.34 0.16

13.281 Ω

2. Constante geométrica del núcleo

10

1.724 10 Ω 30 0.25 0.33 0.5 10 13.281 Ω

0.0134

Con un núcleo RM12/I, se tiene:

1.46 cm2Ac 0.75 cm2Wa

MLT 6.1 cm

94

Anexo C. Diseño magnético

Que aplicando la fórmula:

_

_1.46 · 0.75

6.1 0.262

Con lo que se cumple que:

_

0.262 0.0134

3. Longitud del entrehierro

· · · 10·

4 10 · 30 · 0.25 · 10 · 1.46 0.33

0.148

4. Número de vueltas

· · 10

·30 · 0.25 · 10

· 1.46 0.33

155

·5. Tamaño del alambre

0.5 · 0.75

1 0.24 55

0.24

El calibre de alambre que más se aproxima a Aw es el AWG#24.

95


Haciendo un arreglo de conductor 6, l siguiente relación: es AWG#3 se obtiene a

#246

0.205 0.013 #3

#24#36 16

6. Nuevo valor de la resistencia del cobre.

· ·

1.724 10 Ω · 155 · 6.1

0.0024

0.799 Ω

7. Pérdidas en el cobre con el nuevo v e . alor d Rcu ·

.7 6 0 99 Ω · 0.1

0.02

8. Longitud del alambre ·

15 · 5 6.1

9.5

96


• Diseño de L2

Parámetro Símbolo Valor

Corriente pico del devanado Imax 1.5 A Corriente rms del devanado Irms 1.2 A

1.1 x 10‐3 H Inductancia L Resistividad del cobre ρ 1.724 x 10‐6 Ω∙cm Pérdidas en el cobre Pcu 0.02*Po Factor de llenado Ku 0.5 Material de ferrita ‐ 3C85 Flujo máximo Bmax 0.33 T Permeabilidad del espacio vacío

μ0 4π x 10‐7 H/m



0.34 1.2

0.236 Ω


10

1.724 10 Ω 1.1 1.5

0.33 0.5 10 0.236 Ω

0.0365

Con un núcleo ETD29, se tiene:

0.76 cm2Ac 0.95 cm2Wa

MLT 5.3 cm

97



_

_0.76 · 0.95

5.3 0.104


_

0.0365 0.104


· · · 10·

4 10 · 1.1 · 1.5 · 10 · 0.76 0.33

0.376


· · 10

·1.1 · 1.5 · 10

· 0.76 0.33

66


0.5 · 0.95 6 0.722 6

0.722


98



#246

0.653 0.129 #2

#24#26 5


· ·

1.724 10 Ω · 5 · 5.3

0.653

0.092 Ω

7. Pérdidas en el cobre con el nuevo v de . alor Rcu ·

0.0 92 Ω · 1.2

0.133


6 6 · 5.3 3.5

99


• Diseño de Lo

Parámetro Símbolo Valor Corriente pico del devanado Imax 5 A Corriente rms del devanado Irms 2 A

L 42 x 10‐6 H Inductancia Resistividad del cobre ρ 1.724 x 10‐6 Ω∙cm Pérdidas en el cobre Pcu 0.02*Po Factor de llenado Ku 0.5 Material de ferrita ‐ 3C85 Flujo máximo Bmax 0.33 T Permeabilidad del espacio vacío

μ0 4π x 10‐7 H/m



0.34 2

0.085 Ω


10

1.724 10 Ω 42 5

0.3 0.5 10 3 0.085 Ω

0.001643


0.63 cm2Ac 0.309 cm2Wa

MLT 4.2 cm

100



_

_0.63 · 0.309

4.2 0.029


_

0.029 0.001643


· · · 10·

4 10 · 42 · 5 · 10 · 0.63 0.33

0.192


· · 10

·42 · 5 · 10

· 0.63 0.33

10


0.5 · 0.309 1 1.53 0

1.53


101



#166

1.309 0.129 #2

#16#26 10


· ·

1.724 10 Ω · 10 · 4.2

0.0131

0.0056 Ω

7. Pérdidas en el cobre con el nuevo v e . alor d Rcu ·

0. 0056 Ω · 2

0.022


1 0 · 4.2 42

102


• Diseño del transformador. Sección CA‐CD.

1. diseño Parámetros de

50

102

1027

117

4

2. Selección de la densidad de flujo máxima (Bmax)

3300

1.7 1941

3. Selección de la densidad de corriente del transformador (Dc)

400

4. Determinación del producto de áre as del núcleo

·0.68 · · · 10

·

·0.68 · 17 · 400 · 10

50 · 1941

· 0.048


0.966 cm2Ae 0.891 cm2Amin

MLT 5.2 cm


· 0.861

103



· ·

0.861 0.048

5. Determinación del calibre y número de as del devanado primario vuelt 17 102 0.167

· 400 · 0.167 66.67

Se elige: AWG#31 .7 CIR MILS = 79

· 10

· · ·102 · 10

· 50 · 0.966 27.197 4 · 1941 30

6. Determinación del calibre y n mero en el devanado secundario ú de vueltas

17 16 0.167 102

· 30 .167 5· 0

0.167 0 6 1 .1 7

· 400

Se elige AWG#23 = 509.48 CIR MILS

7. Cálculo para ve ific e el núcleo no se r ar qu sature

· 10· · ·

102 · 104 50 · 30 · 0.966 1760

·

1760 1941

104


8. Cálculo de la long io d itud promed el alambre

·

· 5.2 30 1.56

· 5.2 · 5 26

105


• Diseño del transformador. Sección CD‐CD.

1. diseño Parámetros de

50

17

17 5.5

217

4

2. Selección de la densidad de flujo máxima (Bmax)

3300

1.7 1941

3. Selección de la densidad de corriente del transformador (Dc)

400

4. Determinación del producto de áre as del núcleo

·0.68 · · · 10

·

·0.68 · 17 · 400 · 10

50 · 1941

· 0.048


0.966 cm2Ae 0.891 cm2Amin

MLT 5.2 cm


· 0.861

106



· ·

0.861 0.048

5. Determinación del calibre y númer de v del devanado primario o ueltas 17 17 1

· 400 · 1 400

Se elige: AWG#24 = CIR MILS 404

· 10

· · ·17 · 10

4 · 50 · 0.966 4.53 · 1941 5

6. Determinación del calibre y número de s en el devanado secundario vuelta 25.5

117 .5

· · 1.5 7.5 5

8

1.51

0.667

·400

· 0.667 267

Se elige AWG#25 = 320 CIR MILS

7. Cálculo para ve ica el núcleo no serif r que sature

· 10· · ·

17 · 104 · 50 · 5 · 0.966 1760

107


1760 1941

8. Cálculo de la o de longitud promedi l alambre

· 5.2 · 5 26

· 5.2 · 8 42

108


• Integración de los diseños del transformador. Sección CA‐CD y CD‐CD. Para integrar los diseños en uno solo, se requiere ajustar el número de vueltas en cada devanado, sin afectar la relación de transformación de ambos diseños.

Tabla C‐1. Relación de vueltas del transformador del convertidor CD‐CD

Nprim Nsec Nsec/Nprim 30 vueltas 6 vueltas 1/5

Tabla C‐2. Relación de vueltas del transformador del convertidor CA‐CD

Nprim Nsec Nsec/Nprim

8 vueltas 11 vueltas 1.38 El diseño final consiste en la adopción del devanado secundario del transformador del convertidor CA‐CD como devanado común y el ajuste del devanado primario del transformador del convertidor CD‐CD para cumplir con la relación de transformación. En la tabla C‐3 se muestran los parámetros finales del transformador integrado.

Tabla C‐3. Parámetros finales del transformador integrado

Parámetro Valor N1 55 vueltas N2 8 vueltas N3 11 vueltas

N3/N1 1/5 N3/N2 1.38

Del procedimiento de diseño mostrado en este anexo, se toman los valores de corriente a los que van a estar sometidos los devanados en ambos modos de operación (PFP y CD‐CD). De acuerdo a los valores de corriente en cada devanado, se obtienen los calibres de los alambres mostrados en la tabla C‐4, basados en una densidad de corriente de 400 A/ cm2.

Tabla C‐4. Calibre de los devanados

Devanado Iavg (A) Calibre Lprim1 0.303 AWG#29 Lprim2 1.93 AWG#21 Lsec 1.5 AWG#22

109


110

De la misma manera que en los inductores, conviene que los devanados se conformen de varios alambres en paralelo para disminuir su resistencia, quedando como se muestra a continuación: Para Lprim1,

.#29#36

126.73 25 5

Para Lprim2,

.#21#30

810.1 100.5 8

Para Lsec,

.#22#30

642.44 100.5 7

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