Research and Development on New Control Techniques for Electronic Ballasts based on Magnetic Regulators

Abstract

Current lighting trends indicate the urgency for more efficient, flexible and controllable systems. Highly-efficient fluorescent lamps are still expected to be a dominant, cost-effective lighting solution in the following years and therefore, there is a clear opportunity to invest in the development of new control techniques in this domain. The flexibility expected from modern fluorescent lighting systems requires an intensive use of electronic ballasts, since this type of electronic control offers higher levels of adaptability, not viable with traditional magnetic ballasts. The purpose of the work presented in this Ph. D. Thesis is to propose and develop a new control technique for fluorescent lamps based on a specific magnetic device known as magnetic regulator. Two different areas are explored: luminous flux regulation and multi-Watt operation. This new control technique, whether specifically used for dimming purposes or for multiple lamp operation, is based on a simple principle: controlling the electronic ballast circuit through the variation of the resonant frequency, instead of varying the operating frequency of the inverter. The technique is implemented by means of a dc-controlled magnetic element, which can be simply described as a variable inductor or as a variable transformer. These devices have been known from several decades; however, advances in the magnetic properties of the core materials and a new interpretation of the already known former applications lead to this innovative and useful technique for fluorescent lighting control. In commercial dimmable electronic ballasts as well as in multi-Watt electronic ballasts, some negative aspects may emerge, mainly related to the non-constant frequency operation. Not only to avoid this drawback, but also due to some other limitations and shortcomings presented by current dimming and universal control techniques, a research is carried out to validate the effectiveness of using this novel magnetic control technique for similar purposes. Throughout this Ph. D. Thesis several aspects related to this research will be presented and analysed. The work will describe the theoretical development and practical implementation of magnetic control techniques in prototype versions of magnetically-controlled electronic ballasts, as well as the research steps involving these variable magnetic devices, from initial project and design, to theoretical and behavioural analysis, and finally, simulation and prototype implementation. Experimental results, retrieved from these proposals which validate the effectiveness and the efficiency of this type of control, will be delivered throughout the thesis.

A tendência actual na iluminação indica urgência na utilização de sistemas mais eficientes, mais flexíveis e mais controláveis. Num futuro próximo é previsível que as lâmpadas fluorescentes de alta eficiência sejam a solução dominante em iluminação, devido à sua relação custo-benefício antevendo-se uma oportunidade clara para o investimento no desenvolvimento de novas formas de controlo neste domínio. A flexibilidade expectável dos sistemas modernos de iluminação fluorescente requer o uso intensivo de balastros electrónicos, porque este tipo de controlo electrónico oferece níveis mais elevados de adaptabilidade, que não são viáveis em balastros magnéticos. O objectivo do trabalho apresentado nesta tese de doutoramento é propor e desenvolver uma nova técnica de controlo para lâmpadas fluorescentes baseada num dispositivo magnético específico, conhecido como regulador magnético. São exploradas duas áreas diferentes: regulação de fluxo luminoso e funcionamento com lâmpadas com diferentes valores de potência nominal (balastro multi-Watt ou universal). Esta nova técnica de controlo, quer seja usada na regulação de fluxo luminoso quer no funcionamento com lâmpadas com diferentes valores de potência nominal, é baseada num princípio simples: o controlo do circuito do balastro electrónico usando a variação da frequência de ressonância, em vez da variação da frequência de comutação do inversor. A técnica é implementada usando um elemento magnético controlado por uma corrente contínua, que pode ser descrito, em termos simples, como sendo uma indutância variável ou um transformador variável. Estes dispositivos são conhecidos desde há algumas décadas; porém os avanços nas propriedades magnéticas dos materiais magnéticos usados nos núcleos e uma nova interpretação das aplicações previamente desenvolvidas, conduziram a esta nova e útil técnica para o controlo de lâmpadas fluorescentes. Nos balastros electrónicos comerciais com capacidade de regulação do fluxo luminoso e também em balastros electrónicos universais, podem surgir alguns aspectos negativos, a maioria relacionada com o facto de se usar frequência de comutação variável. Não só para evitar esta desvantagem, mas também algumas outras limitações das actuais técnicas comerciais de controlo de fluxo luminoso e de controlo de balastros universais, foi desenvolvida investigação com o objectivo de validar o uso desta nova técnica de controlo magnético em aplicações similares. Ao longo desta tese de doutoramento são apresentados e analisados alguns aspectos relacionados com esta investigação. O trabalho apresentado descreve o desenvolvimento teórico e a realização experimental de técnicas de controlo magnético em versões protótipo de balastros electrónicos, bem como os passos de investigação relativos a estes dispositivos magnéticos, desde a fase inicial de projecto, até à análise teórica e funcional e finalmente a realização de protótipos. Ao longo da tese são apresentados resultados experimentais que validam a adequação e eficiência deste tipo de controlo.