Análise, modelagem e controle de drivers de LED comutados em baixa frequência e conectados à rede elétrica CA

Autor: Resende, Lucas Henrique Gomes
Přispěvatelé: Braga, Henrique Antônio Carvalho, Tofoli, Fernando Lessa, Soares, Guilherme Márcio
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFJF
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
instacron:UFJF
Popis: Este trabalho tem como principal objetivo o estudo, quanto à modelagem e controle, teórico e experimental, do uso de circuitos de acionamento (drivers) comutados em baixa frequência (dobro da frequência da rede elétrica), aplicados às luminárias de iluminação pública (IP) empregando diodos emissores de luz, ou LEDs, do inglês Light Emitting Diodes. Primeiramente, são feitas algumas considerações sobre o sistema de iluminação pública empregando LEDs e apresentadas as características gerais de tais dispositivos. Na sequência, apresentam-se os tipos de drivers mais comuns empregados no acionamento de luminárias LED, com um foco especial nos drivers de baixa frequência. Em seguida, e feita a modelagem matemática de um driver de LEDs baseado no pré-regulador boost comutado em baixa frequência (120 Hz) com filtro de saída CL, que possui naturalmente elevado fator de potência. Uma metodologia de projeto e apresentada com o objetivo de acionar uma luminária LED de 200 W. É feito o projeto de dois drivers de baixa frequência, sendo um com o filtro CL na saída e outro somente com a parcela capacitiva do filtro, ambos para uma corrente de saída com valor médio de 700 mA e ondulação máxima de 15%. Posteriormente, faz-se a modelagem de um driver de estágio único operando em alta frequência baseado no PFC (do inglês, Power Factor Correction) SEPIC. Sendo assim, é feito um estudo comparativo entre os protótipos dos drivers de baixa e de alta frequências, com relação ao volume, à distribuição de perdas e à eficiência. Os resultados experimentais em malha aberta mostram que eó possível alcançar elevado fator de potência (0,98), elevado rendimento (em torno de 94%) e reduzida distorção harmônica da corrente de entrada (8,45%) com os drivers de baixa frequência. A utilização do filtro CL na saída permite que sejam utilizados capacitores de filme ao invés dos capacitores eletrolíticos, o que contribui para o aumento da vida útil do conversor. Por fim, foi realizada a modelagem de pequenos sinais e o projeto do controle em malha fechada do driver de LEDs baseado no pré-regulador boost com filtro CL de saída. Resultados experimentais em malha fechada mostram que o compensador proposto e ó capaz de rejeitar distúrbios na tensão de entrada e na carga, mantendo a corrente nos LEDs no valor de referência. Além disso, o compensador é capaz de seguir a referência, o que possibilita o controle da intensidade luminosa (dimming). The main objective of this work is to study the theoretical and experimental model-ing and control of low-frequency off-line LED (light-emitting diodes) drivers applied to street lighting luminaire. Firstly, some considerations are made about the street lighting system using LEDs and the general characteristics of the LEDs are briefly introduced. The main types of drivers applied in LED luminaires are then presented, with particular focus on the low frequency converters, the ones in which the main switch is gated at twice the line frequency. Next, a mathematical modeling of an LED driver based on the low-frequency switched pre-regulator with CL output filter is performed, which naturally has a high power factor. Design methodologies are presented for two high-power (200 W) low-frequency drivers, one of them with the CL filter at the dc output and the other one with just a capacitive filter (conventional boost pre-regulator ac-dc converter), both of them delivering an average output current of 700 mA and maximum ripple of 15%. A SEPIC-based high-frequency driver is also modeled and implemented, aiming a practical and fair comparison with the low-frequency ones. The comparative study aims at the prototype volume, overall efficiency and losses distri-bution. The open-loop experimental results show that it is possible to achieve high power factor (0.98), high efficiency, (around 94%) and low harmonic distortion of the input current (8.45%) with low frequency drivers. The use of the CL filter at the dc output allows the use of film capacitors instead of electrolytic capacitors, which further increases the converter lifetime. Finally, the small-signal modeling and the closed-loop control design of the low-frequency LED driver based on the boost pre-regulator with a CL output filter were performed. Experimental closed-loop results show that the pro-posed compensator is able to deal with input and load voltage disturbances by keeping the current in the LEDs at the reference value. In addition, the compensator is able to follow the reference, which makes it possible to control the light intensity (dimming).
Databáze: OpenAIRE
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