Desarrollo de drivers para aplicaciones de iluminación led basados en elementos reactivos controlables para su aplicación en edificios inteligentes

Resumen

Los sistemas de iluminación basados en la tecnología LED (Light-emitting-diode), son actualmente una de las fuentes de iluminación más utilizados en entornos de trabajo y hábitat en edificios, viviendas, vías públicas, etc. debido a todos sus beneficios tales como bajo consumo de energía, optimización del rendimiento, posibilidades de mezcla de color, etc. frente a las lámparas tradicionales como la fluorescencia e incandescencia. Para el control de los drivers de iluminación LED se utilizan técnicas de control basados en convertidores de AC-DC y DC-DC, por lo que existe una extensa literatura de trabajos de investigación en estas líneas. Sin embargo, la tecnología LED presenta ciertas limitaciones y aún se están desarrollando nuevos métodos de control y materiales para su fabricación y encapsulamiento, etc. Entre las técnicas de control de drivers LED una de las últimas novedades desarrolladas es el uso de control magnético (CM) en el lado de la primera etapa, consiguiendo resultados óptimos para la mejora del rendimiento. Por el lado de la segunda etapa, es decir del lado del convertidor DC-DC, hasta ahora no se ha utilizado el CM para regular la corriente y tensión de salida de lámparas LED. En esta disertación, se realiza una investigación del uso de la metodología de CM de convertidores DC-DC para drivers de iluminación LED, que posteriormente podrán ser aplicados a redes de control en sistemas de iluminación de Edificios Inteligentes (EI). En primer lugar, se estudia la tecnología LED, los métodos de control de iluminación LED, el tipo de convertidores DC-DC tales como reductor, elevador, reductor-elevador, flyback, forward y sus aplicaciones en convertidores de iluminación LED. A continuación, se presentan las características generales de las metodologías de control ampliamente utilizadas por convertidores DC-DC como son el modo de control por voltaje, modo de control por corriente, control por histéresis, etc. También se presenta una comparación comprensiva de las metodologías basada en un análisis de las ventajas y desventajas encontradas en casos de estudio. Adicionalmente se analizan técnicas emergentes orientadas en el lado del lazo de realimentación de los convertidores tales como el control proporcional, integral y derivativo (PID), control difuso y metodologías de control emergentes para el análisis de la pequeña señal. El estudio es realizado con un enfoque para casos sistemas de iluminación LED. En segundo lugar, se realiza el análisis y estudio del CM aplicado a convertidores DC-DC usando elementos reactivos variables para el control de iluminación LED. Se presentan los fundamentos de magnetismo que son necesarios para abordar el ámbito de estudio de CM. También se abordan los materiales magnéticos y tipos de estructuras de núcleos magnéticos que posteriormente se utilizan en la fase de modelamiento y experimentación. A continuación, se realiza el análisis del inductor variable (IV), el modelamiento de reluctancias en corriente continua DC y corriente alterna AC para un IV con tipo de estructura doble-E. De este análisis surge una contribución importante de esta tesis acerca del comportamiento del IV relacionado a la inductancia efectiva en el filtro de entrada de convertidores DC-DC. En relación con el CM de convertidores DC-DC se presenta un análisis del comportamiento de los convertidores DC-DC reductor, elevador, reductor-elevador, flyback y forward cuando están operando en modo de conducción discontinua (MCD). A continuación, se presenta el análisis y modelamiento del convertidor DC-DC reductor con CM para el caso de una carga LED. Se detallan los aspectos del análisis teórico, diseños y cálculos del IV, análisis dinámico y la evaluación experimental para verificar el comportamiento estático y dinámico del convertidor, índices de eficiencia y posibilidades de mejora del rendimiento. Adicionalmente se determina que al aplicar CM en convertidores DC-DC para drivers de iluminación LED, se dispone de un parámetro adicional de control frente a los métodos convencionales. Entonces se pueden combinar varias técnicas a la vez para mejorar el comportamiento del convertidor, lo cual abre un amplio ámbito de nuevos trabajos de investigación. En tercer lugar, se realiza una revisión de la metodología de una sola entrada y múltiples salidas SIMO en convertidores DC-DC en configuración paralelo para su aplicación en drivers de iluminación LED. De este análisis se deriva una comparación evaluativa y se identifica que todas las estrategias usan control por multiplexación de tiempo (MT), en combinación con control por frecuencia y ciclo de trabajo, mientras el convertidor está trabajando en MCD. Así mismo se puede evidenciar que hasta ahora no existen trabajos desarrollados para convertidores DC-DC SIMO aplicando CM en el filtro de entrada, por lo que se identifica una oportunidad de investigación para evaluar su aplicación en drivers de iluminación LED. A continuación, se desarrolla el modelo teórico del uso de CM de convertidores DC-DC SIMO en configuración paralelo para el control de iluminación LED. En ese sentido, se presenta un caso de estudio para un convertidor DC-DC SIMO reductor de tres canales con CM. El estudio incluye el análisis teórico y la evaluación experimental del prototipo implementado para comprobar su comportamiento estático. Con este trabajo se consigue un rango amplio de variación de la tensión de entrada mientras el convertidor se mantiene operando en MCD y se aseguran niveles de eficiencia adecuados para drivers de iluminación LED. Entonces, se determina que una de las aplicaciones de este método es emplearlo en casos de drivers de iluminación LED para sistemas de iluminación LED en EI, puesto que los buses de control pueden variar para tensiones de entrada de corriente continua en valores entre 12 VDC y 48 VDC dependiendo del estándar o protocolo de control que implemente la infraestructura de automatización del edificio. En cuarto lugar, se estudian las posibilidades de aplicación del método de CM en drivers de iluminación LED para EI. Se presentan los fundamentos de EI y un análisis del consumo energético enfocado en los sistemas de iluminación. También se presentan los servicios inmóticos y las tecnologías de la red de control y comunicaciones para la integración de redes de Internet de las Cosas (IoT). A continuación, se estudian las técnicas de control para la gestión de la energía en EI orientados a conseguir los objetivos de Edificios de Energía Casi Nula. Posteriormente se revisan las técnicas de control usadas en sistemas de iluminación LED para EI. De este análisis se determinan los sistemas RMS, HMS, SLS y BEMS, los cuales deben integrar un Sistema Inteligente de Gestión de la Energía de Edificios (SIGEE) para Sistemas de Iluminación LED en EI. Adicionalmente, se establecen las características técnicas que deben cumplir los drivers de iluminación LED con CM de un canal y de tres canales, para su integración en redes IoT para EI, usando protocolos estándares de automatización de edificios tales como KNX, BUSing y LoRaWAN. Finalmente, se presentan los módulos de gestión del SIGEE para Sistemas de Iluminación LED en EI, basados en drivers de iluminación LED controlados magnéticamente, para su aplicación en los ámbitos de la domótica e inmótica en el desarrollo de entornos inteligentes.