Tese de doutoramento em Engenharia Eletrotécnica, na especialidade de Sistemas de Energia, apresentada à Faculdade de Ciências e TEcnologia da Universidade de CoimbraCurrent 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
