Supply and control methods for acoustic resonances avoidance in high intensity discharge lamp

Grâce au développement de la technologie des semi-conducteurs, les ballasts électroniques fonctionnant en haute fréquence offrent des avantages considérables par rapport aux ballasts électromagnétiques conventionnels. Il en résulte une augmentation de la durée de vie de la lampe, une diminution du volume et du poids du système et surtout un meilleur contrôle de son fonctionnement afin de réduire notamment la consommation électrique. Parmi des lampes à décharge, la lampe sodium haute pression a une excellente efficacité lumineuse et une longue durée de vie. Pourtant, quand la lampe fonctionne en haut fréquence, des perturbations de type « résonance acoustique (RA) » peuvent entraîner l’instabilité de la décharge, son extinction ou pire, la destruction de la lampe. Cette thèse, intitulée « Modes d’Alimentation et de Commande des lampes sodium haute pression en vue d’éviter les résonances acoustiques », traite de plusieurs problèmes. Les caractéristiques de la décharge haute pression, le phénomène de RA, ses conditions d’excitation (notamment au travers d’un phénomène d’hystérésis original) et la variation des paramètres électriques due à la présence de résonances acoustiques dans la lampe, ont été étudiés. Les résultats sont issus de travaux de simulation et expérimentaux menés au sein du laboratoire LAPLACE. Grâce à ces acquis fondamentaux, plusieurs nouvelles méthodes d’alimentation par l’injection de signaux à fréquences proches ont été proposées dans nos travaux. Il s’agit d’éviter la résonance acoustique dans la lampe alimentée par un ballast de structure très réduite par rapport aux solutions classiques. Cette méthode est basée sur le choix judicieux des signaux injectés dans la lampe et leur répartition, (alimentation par deux, trois ou cinq signaux, répartition symétrique, asymétrique totale ou partielle). Le résultat est un meilleur étalement du spectre et donc une réduction de puissances harmoniques sélectionnées permettant de s’adapter, à terme aux conditions d’excitation des RA, mais aussi les limitations de ces méthodes compte tenu du facteur crête. Enfin, différents types de commande en boucle fermée sont proposés, ils permettent d’assurer la stabilité de la décharge et le contrôle des puissances imposées dans la lampe. Les études théoriques, en simulation et expérimentales qui ont été conduites nous ont permis d’aboutir à des résultats concluants.For high pressure sodium (HPS) lamps, the progress of semi-conductor technology has provided considerable advantages in the design of high frequency operated electronic ballasts, compared to conventional electromagnetic ballasts. The advantages deal with lamp lifetime improvement, ballast volume and mass reduction, and particularly with a better control of lamp operation for optimized power consumption. Among discharge lamps, high pressure sodium (HPS) lamp has excellent efficacy and long lifetime. However, when it is operated at high frequency, discharge perturbation namely “acoustic resonances (AR)” can provoke some lamp arc instabilities, extinction or, even worst, lamp destruction. The present thesis, entitled “Supply and control methods for acoustic resonances avoidance in high intensity discharge lamps” deals with several matters. High intensity discharge (HID) characteristics, AR phenomenon, its excitation conditions (including the original features of AR hysteresis) and lamp electrical parameters variation due to AR presence, will be studied. The obtained results were provided by simulations and experimentations carried out in LAPLACE laboratory. Thanks to the acquired results of previous studies, several novel lamp supply strategies via adjacent frequency signals injection were proposed. The main concepts here consist in the avoidance of AR presented in a lamp supplied by designed electronic ballast with reduced structure, compared to classical solutions. Otherwise, the presented methods are based on pertinent choices of injected signals applied to the lamp and their frequency distributions (two, three or five signals and symmetric, partial asymmetric or total asymmetric signals). The studies actually showed better spreading of signal spectrum and power harmonic amplitudes reduction adapted to AR excitation conditions, while taking into account crest factor limitation. Finally, different control laws (PI, Hysteresis, Self-oscillation, Resonant controllers) were also proposed in order to guarantee lamp discharge stabilization and power controls. The theoretical and experimental studies including simulations were conducted to reach concluding results of our works