Conversor Trifásico com Capacitor Chaveado para LEDs de Potência

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ - IFCE
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E INOVAÇÃO - PRPI
Conversor Trifásico com Capacitor Chaveado para LEDs de Potência
João Valdencio Silva; Edílson Mineiro Sá Júnior
IFCE- Campus Sobral
www.ifce.edu.br
RESUMO
Este trabalho apresenta um conversor trifásico com capacitor chaveado para
alimentação de diodos emissores de luz (LEDs) de potência. Com uma entrada trifásica, ele
possibilita uma baixa ondulação de correntes nos LEDs, para reduzir o Flicker percentual.
Além disso, com o intuito de prolongar a vida útil do conversor, essa baixa ondulação
proporcionada pelo sistema trifásico também permite que os capacitores eletrolíticos não
sejam utilizados. Resultados experimentais de um protótipo de 216 W são obtidos. Em
condições nominais, o conversor apresentou um rendimento global de 91,5%, um fator de
potência acima de 0,99 e uma distorção harmônica menor que 5% nas três fases, obedecendo
as Classes A e C da norma IEC 61000-3-2:2014. Além disso, foi obtida uma ondulação de
corrente de alta frequência igual a 16,97% e um Flicker percentual de 4,97%, estando de
acordo com as recomendações da IEEE. A dimerização dos LEDs permitiu a redução da
potência de saída em até 50%, onde o rendimento do conversor permaneceu próximo a 91%,
o fator de potência manteve-se acima de 0,97 e a distorção harmônica total foi inferior a 6%
para as três fases e o Flicker percentual foi menor que 7% para toda a faixa de potência.
Palavras chaves: Conversor Trifásico; Baixo Flicker Percentual; Iluminação Pública;
Capacitor Comutado.
INTRODUÇÃO
Atualmente, LEDs representam uma alternativa muito interessante na iluminação. Estes
dispositivos são utilizados em aplicações automotivas, semáforos, outdoors e, principalmente, na
iluminação pública (SÁ JR., 2010). Esta evolução é justificada pelo seu potencial. Uma das
principais características de LEDs é a sua longa vida útil, que é uma característica chave na
iluminação pública, assim sendo, não utilizar capacitores eletrolíticos compatilizará o conversor
com essa vida útil. O uso de conversores trifásicos de iluminação pública tornar-se possível devido
à presença da rede de três fases no ponto de distribuição de energia elétrica. Além disso, a
possibilidade de obter uma baixa ondulação de corrente na saída faz os conversores trifásicos na
alimentação de LEDs se tornarem interessantes. Uma vantagem da baixa ondulação é,
consequentemente baixo Flicker. Estudos recentes comprovam que Flicker excessivo pode causar
danos à saúde humana, como dores de cabeça, mal-estar e até ataques epilépticos (LEHMAN;
WILKINS, 2014; WILKINS; VEITCH; LEHMAN, 2010). Os conversores com capacitor comutado
(SC), também conhecido como charge-pumb, têm sido amplamente explorados nos drivers de LED
(E.M. Sá JR; E.E. dos Santos F°).
O objetivo do trabalho é desenvolver um conversor trifásico para os LEDs de potência
voltados à iluminação pública com baixo flicker percentual garantindo segurança à saúde humana,
sem utilizar capacitores eletrolíticos porque reduzem a vida útil do conversor (P. S. Almeida).
Ademais, garantir um elevado rendimento e, fator de potência, bem como, baixa Distorção
Harmônica.
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METODOLOGIA/RESULTADOS
Os conversores trifásicos têm uma característica-chave nos drivers de LED: uma baixa
ondulação de corrente na saída. Isto é possível porque a potência instantânea em um sistema
trifásico equilibrado é constante (A. E. Fitzgerald). Esta funcionalidade pode proporcionar a
remoção dos capacitores eletrolíticos que deveriam ser usados caso existisse ondulação elevada,
esses condensadores têm uma vida útil reduzida quando comparada com os LEDs. A Figura 1. (a)
mostra o circuito básico do conversor trifásico proposto, o qual consiste de um conversor de ponte
completa trifásica, três capacitores comutados (CS1, CS2 e CS3), uma ponte de diodos de alta
frequência composta de seis diodos (D1-D6), um indutor de saída Lo, um capacitor Co de filtro e os
LEDs como carga. O conversor funciona no modo de condução contínua (CCM), o que faz o
indutor sempre fornecer energia para os LEDs e capacitor Co é utilizado apenas para filtrar os
componentes de alta frequência.
O capacitor chaveado é carregado e descarregado em um período de comutação. A
indutância Lo fornece uma característica de fonte de corrente na saída do conversor e permite o
carregamento completo e descarga do capacitor chaveado. Fez parte dos métodos a análise de cada
etapa de operação do conversor. Com essas análises foi implementado um diodo SiC (D7) em
paralelo com a ponte de diodos para reduzir as perdas do conversor. Isto é possível porque o diodo
SiC conduz, em primeiro lugar, porque a sua queda de tensão é menor do que a queda de tensão
entre os dois diodos, evitando assim que os diodos restantes conduzam. Além disso, o diodo SiC
tem um tempo de recuperação reversa muito curto, o que reduz as perdas de comutação. O ponto
comum de capacitor de filtro está ligado à posição neutra para evitar sobretensão em interruptores
decorrentes de indutância parasita. A figura 2. (b) mostra o circuito implementado com as
modificações.
Figura1. (a) - Circuito Básico.
Figura 1. (b) - Circuito de potência implementado.
Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 mostra a área de operação recomendada em função da frequência e do flicker
percentual ou modulação (%). A medição do flicker percentual foi realizada com o uso de um
fotodiodo BPW21R, pois possui uma curva de sensibilidade próxima a do olho humano
(ALMEIDA et al., 2015b). Vale ressaltar que a corrente de saída do conversor trifásico SC apresenta
uma ondulação de corrente em 360 Hz. Para esta frequência, o flicker percentual recomendado é de
até 29% (IEEE POWER ELECTRONICS SOCIETY, 2015). Valores percentuais de flicker de
4,97%, 5,64% e 6,83% foram obtidos para correntes de saída de 1,77 A, 1,39 A e 963 mA,
respectivamente. A figura mostra que o conversor permite uma redução de 50% da potência de saída
mantendo um flicker percentual em 360 Hz de acordo com os limites recomendados pela IEEE. O
conversor não necessita de nenhuma técnica de controle de malha fechada.
Figura 2 - Área de operação recomendada em função da frequência e do Flicker percentual.
Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.
A Figura 3. (a) mostra a tensão e a corrente de entrada na fase A e a tensão e corrente na
saída do conversor. O conversor apresentou um fator de potência de 0,996 e uma distorção
harmônica total (THD – Total Harmonic Distortion) de 4,22%. Os valores eficazes de tensão e
corrente na fase A são de 217,9 V e 373 mA, respectivamente. Por outro lado, a tensão de saída é de
121,1 V e a corrente de saída é de 1,755 A, os quais estão compatíveis com os valores projetados.
Foi obtida uma ondulação de corrente de alta frequência de 338,6 mA, o que corresponde a 19,3%
do valor médio obtido. Conforme Almeida et al. (2012), este valor de ondulação de corrente não
afeta as características fotométricas do LED. Na Figura 3. (b) são mostradas as três correntes de
entrada do conversor. As correntes de entrada estão defasadas em 120 graus entre si e são
praticamente senoidais, comprovando que o conversor permite a correção do fator de potência. O
rendimento medido com Analisador de Energia PA4000 foi de próximo a 91%.
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Figura 3. (a) - Tensão (vA) e corrente (iA) na fase A;
tensão (vo) e corrente (io) nos LEDs.
Figura 3. (b) - Correntes nas fases.
Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Portanto, o conversor trifásico atinge o objetivo de fornecer uma alimentação aos LEDs com
baixa ondulação de corrente e, consequentemente, baixo Flicker, sem utilizar capacitores
eletrolíticos para aumentar a vida útil, tornando compatível com a vida útil prolongada dos LEDs.
Como proposta de trabalhos futuros, propõe-se o estudo do ajuste da frequência de comutação do
conversor de acordo com a amplitude das tensões de entrada. Desta forma, o conversor irá manter a
potência de saída constante mesmo quando houver variações na rede, além de permitir a operação
do conversor em uma ampla faixa de tensão de entrada. Outro ponto que pode ser explorado neste
trabalho é a operação do conversor trifásico SC em modo descontínuo, que pode elevar ainda mais
o rendimento da estrutura através da redução dos picos de corrente nos diodos de saída
REFERÊNCIAS
E. M. Sá Jr., P. H. A. Miranda, E.E. dos Santos, F. L. M. Antunes. “Conversor CC/CC com
capacitor comutado aplicado para equalização de potência em vetores de LEDs”, Eletrôn.
Potên., Campo Grande, v. 18, n.3, p.1100-1108, jun./ago.2013.
E. E. dos Santos Fº, E. M. Sá Jr., R. L. dos Santos, P. A. Miranda, F. L. M. Antunes, "Single stage
switched capacitor LED driver with high power factor and reduced current ripple," Applied
Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2015 IEEE , vol., no., pp.906,912, 15-19
March 2015.
LEHMAN, B.; WILKINS, A. J. Designing to Mitigate Effects of Flicker in LED Lighting:
Reducing risks to health and safety. IEEE Power Electronics Magazine, v. 1, n. 3, p. 18–26, set.
2014
P. S. Almeida, G. M. Soares, D. P. Pinto, H. A. C. Braga, “Integrated SEPIC buck-boost
converter as an off-line LED driver without electrolytic capacitors”, IECON 2012 - 38th
Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, vol., no., pp.4551,4556, 25-28 Oct.
SÁ Jr., E. M. Estudo de Estruturas de Reatores Eletrônicos para LEDs de Iluminação. Tese de
Doutorado – INEP, UFSC, Florianópolis, Fevereiro de 2010.
2012.A. E. Fitzgerald. Electric Machinery. McGraw-Hill. 6rd Edition. 2003.