Authors` names, Authors` names* and Authors` names

LOW COST HIGH POWER FACTOR ELECTRONIC BALLAST
FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS
REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA
Dos Reis, F.S.; Canalli, V.M.; Lima, J. C.; Líbano, F.B.; Tonkoski, R.Jr.; Sarmanho, U; Edar, F.; Santos, A.S.; Toss, M.;
Ramos, F.M.; Garcia, L.L.; Callai, P.; Da Silva, N. B.R.; Godinho, L.A.
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Av. Ipiranga, 6681 – CEP: 90619-900 – Porto Alegre – RS – Brasil
[email protected]
Abstract — In this paper will be reported the study and
implementation of a single stage High Power Factor (HPF)
Electronic Ballast (EB) for High Pressure Sodium (HPS)
lamps using a LCC filter. In the recent years many authors
are working to obtain single stage HPF electronic ballast for
fluorescent lamps [1, 2]. Normally, to obtain a HPF in
electronic ballast for high pressure sodium lamps, a Power
Factor Preregulator (PFP) is used between the mains and the
electronic ballast [3]. The main idea in this work is to present
simple and cheap electronic ballast with HPF for HPS lamps.
A design criteria will be proposed in this paper. Finally,
experimental results will be showed.
Index Terms — PFP, HID, Electronic Ballast and LCC.
I. INTRODUÇÃO
Existe hoje uma maior conscientização, por parte das
sociedades modernas, da importância da preservação do
meio ambiente. Neste sentido, importantes esforços têm
sido realizados nas diversas áreas do conhecimento. Na
engenharia elétrica, este fenômeno se reflete na busca de
sistemas alternativos de energia, na utilização de forma
mais racional dos recursos disponíveis, na redução das
perdas nos equipamentos e no aumento da qualidade da
energia elétrica, tanto do ponto de vista de quem fornece a
energia quanto de quem a consome.
Nos últimos anos, vimos o mercado nacional ser
inundado por um grande número de reatores eletrônicos
operando em alta freqüência, em especial, para as
lâmpadas fluorescentes compactas. Durante o período de
racionamento, a utilização destas lâmpadas foi amplamente
divulgada pelos meios de comunicação, onde se ressaltava
a economia de energia. Neste tipo de lâmpada, a economia
de energia se dá por uma maior eficiência luminosa, a qual
aumenta com o aumento da freqüência. Naquele momento,
o Brasil passava por uma séria crise energética. Muitas
concessionárias de energia elétrica, querendo reduzir a
demanda, distribuíram gratuitamente este tipo de lâmpada
fluorescente para os seus consumidores residenciais mais
carentes, sinalizando desta forma, a importância do
segmento de iluminação no cenário energético nacional.
Estima-se que este segmento consuma cerca de 30% de
toda a energia consumida no País. Atentos a estes fatos,
inúmeros grupos de pesquisa [1, 2, 3, 4] em todo mundo
têm se dedicado ao desenvolvimento de novas topologias e
novas técnicas de controle para diversos tipos de lâmpadas
HID.
A maior parte dos fabricantes tradicionais de
reatores para lâmpadas de descarga desenvolveram
reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes, de forma
a garantir sua sobrevivência no mercado. Vários fatores
foram decisivos: por razões de mercado, o qual passou a
exigir este tipo de produto, pela simplicidade da linha de
produção, a qual tem expressiva redução física em relação
à linha que produz os reatores convencionais tendo
impacto direto nos custos de produção e no aumento da
produtividade. Os desafios que se apresentam atualmente
para as industrias são: a redução dos custos de produção, a
redução no tamanho dos conversores, o aumento da
eficiência permitindo obter reatores com elevado fator de
potência e com baixa distorção harmônica. Já o
desenvolvimento de reatores eletrônicos para lâmpadas de
alta pressão vem sendo feito por poucos grupos de
pesquisa no país, muito embora estes reatores devam estar
sendo produzidos pelos principais fabricantes nacionais
dentro de pouco tempo.
O objetivo deste trabalho é apresentar o
desenvolvimento de um reator eletrônico com alto fator de
potência e de baixo custo, para lâmpadas de alta pressão
de vapor de sódio (HPS). Neste trabalho serão também
descritos os critérios de projeto para a topologia
apresentada. Existem diversos tipos de lâmpadas de alta
intensidade de descarga (HID). Inicialmente, este trabalho
enfocará as lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio
(HPS), largamente utilizadas em iluminação pública. As
lâmpadas HPS irradiam energia sobre uma grande parte do
espectro visível [5]. Estas lâmpadas proporcionam uma
reprodução de cor razoável (tendo índice de reprodução de
cores IRC 23). São disponíveis com uma eficiência
luminosa de até 130 lm/W e uma temperatura de cor de
aproximadamente 2100 ºK.
As lâmpadas HPS, como qualquer outra lâmpada HID,
necessitam de um reator para operar corretamente. O
reator é um dispositivo auxiliar, ligado entre a rede e a
lâmpada de descarga, cuja finalidade é à de garantir a
ignição da lâmpada, aplicando uma tensão elevada entre
seus eletrodos e limitando a corrente que irá circular pela
mesma. Sem a limitação de corrente, a lâmpada se
destruiria rapidamente, devido à característica apresentada
pela mesma de possuir uma resistência negativa, a qual
pode ser observada na Figura 1. Estas lâmpadas
apresentam diversas particularidades quando operam em
alta freqüência, tais como:
• Podem ser modeladas por uma resistência fixa em
LOW COST HIGH POWER FACTOR ELECTRONIC BALLAST
FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS
REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA
regime permanente;
• Podem ter a intensidade luminosa controlada;
• Podem ter o seu espectro de reprodução de cores
alterado;
• Apresentam o fenômeno da ressonância acústica, o
qual pode resultar na extinção do arco e até mesmo a
destruição da lâmpada;
III. PROJETO DO REATOR
A) Projeto Convencional de Filtro LCC
Foi projetado um reator para lâmpadas de 250 W de Alta
pressão de Sódio (HPS), utilizando-se, para tanto, o critério
proposto em [1]. Para a implementação do reator LCC foi
escolhida a freqüência de chaveamento de 68 kHz para a
ignição da lâmpada. Em regime permanente uma tensão de
100 VRMS deve ser aplicada a lâmpada para que se obtenha
freqüência nominal, conforme indicada pelos catálogos do
fabricante.
Assumindo-se o comportamento resistivo da lâmpada,
pode-se estimar o valor de sua resistência após a ignição
utilizando-se a equação 2.
Fig. 1. Curva típica Tensão x Corrente para lâmpadas HID.
Objetivando obter um reator eletrônico com alto fator de
potência e de baixo custo, foi desenvolvido um conversor
de um único estágio. Esta topologia surgiu de uma idéia
muito simples: uma vez que em alta freqüência as
lâmpadas HPS têm um comportamento resistivo, porque
não conectar o reator eletrônico (inversor em meia ponte e
filtro LCC) diretamente à ponte retificadora? Neste artigo,
será discutida a implementação desta topologia. Com a
adoção desta idéia foi possível observar uma vantagem
adicional: a lâmpada não apresentou o fenômeno da
ressonância acústica, dado que a lâmpada é alimentada por
uma corrente de alta freqüência modulada em baixa
freqüência.
II. REATOR ELETRÔNICO PROPOSTO
Para minimizar a interferência eletromagnética gerada
pelo reator eletrônico, a estrutura proposta de um único
estágio para lâmpadas HPS, incorpora junto ao retificador
de entrada um filtro LC. A figura 2 mostra o diagrama
elétrico do circuito proposto. O capacitor CF, nesta figura,
possui duas funções, a primeira receber a corrente reativa
do reator eletrônico e a segunda trabalhar como filtro de
linha em conjunto com o indutor LF. Este arranjo confere
ao reator eletrônico; baixo custo e elevado fator de
potência uma vez o valor da capacitância CF não é elevado
estando na ordem de centenas de nano faradays.
R
Vl 2
 40
P
(1)
L
Cs
Ve
Cp
R
Fig. 3. Reator LCC.
Como indicado em [1], a melhor relação para freqüência de
operação é ω0 / ωs = 3, garantindo-se a geração de uma tensão
elevada para a partida da lâmpada com limitação da corrente
de partida no MOSFET a níveis aceitáveis. Se fosse adotado
trabalhar na ressonância, ω0 = ωs, seria possível,
teoricamente, a geração de uma tensão infinita nos terminais
da lâmpada, o que resultaria em um rápido acendimento da
mesma. Porém, a corrente no circuito ressonante e, portanto,
nos transistores, tenderia a ser infinita pelo o fato que a
impedância do circuito formado por L, Cs e Cp, antes do
acendimento da lâmpada mostrado na figura 4, na
ressonância é nula. Isto resultaria na destruição dos
MOSFETs.
L
L
Cs
Ve
Cp
R
R
VE
C
Fig. 4. Reator LCC antes da partida.
A referência [1] e os resultados obtidos experimentalmente
mostram que, após a ignição da lâmpada, a resistência
equivalente da lâmpada é muito menor que a reatância do
capacitor Cp. Assim, com base na figura 4, é possível obter a
equação (2)
Fig. 2. Reator eletrônico proposto com elevado fator de potência.
1
// R  R
s  CP
(2)
LOW COST HIGH POWER FACTOR ELECTRONIC BALLAST
FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS
REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA
Conseqüentemente, pode-se dizer que, após a partida da
lâmpada, o circuito equivalente simplificado é composto por
L, Cs e R como mostrado na figura 5.
L
Ve
Cs
R
Fig. 5. Circuito equivalente do reator após a partida.
Para o circuito mostrado na figura 5, considerando-se a
tensão Ve uma onda quadrada assimétrica (variando entre 0 e
E). O valor da componente fundamental da tensão de entrada
pode ser obtido a partir da série de Fourier. A equação (3)
apresenta a amplitude máxima da componente fundamental
desta tensão.
Vm 
2E
R

A.
Onde,

(3)
Após o acendimento da lâmpada, deve-se garantir que a
tensão eficaz sobre a mesma, não ultrapasse seu valor
nominal. A tensão de pico Vl pode ser obtida utilizando-se a
regra do divisor de tensão para o circuito mostrado na figura
5, a equação (4) apresenta a tensão da lâmpada.
R
(4)
Vl   Ve
Z
A impedância deste circuito pode ser determinada a partir
da equação (5). Para facilitar o projeto do filtro LCC um
ábaco foi desenvolvido e o resultado é mostrado na figura 6.
Este ábaco apresenta a relação entre Z/R para operação na
freqüência de ω0 / ωs = 3, tendo o fator de qualidade Ql e a
relação A = Cp / Cs entre os capacitores Cp e Cs definidos
como parâmetros de projeto.

   2 
1   o A  
1  A1      j


 .
 
QL  o  1  A 

o  


Z



Ql , A  
R

1  jQL  1  A
 o 
(5)
Como pode-se observar no gráfico da figura 6, se fosse
utilizado um valor para a relação entre capacitores (A) menor
que 1/20 não há mudança significativa nas curvas do ábaco.
Considerando-se isto, o fator A escolhido foi 1/20. A relação
Z/R pode ser obtida pela equação (4), lembrando-se que o
mais importante é manter o valor nominal da tensão eficaz na
lâmpada HPS. Assim, uma nova equação pode ser obtida a
partir da equação (4):
Z
Fig. 6. Gráfico da impedância em função de Ql para diferentes valores de
2 E
  2  Vl
(6)
C
CS CP
CS  CP
(7)
,
Q L   o RC 
R
o L
(8)
e,
A
CP
CS
(9)
Utilizando-se o ábaco da figura 6, o valor de Ql pode ser
obtido após a determinação do valor de Z (6). Através da
intersecção deste valor com a correspondente curva
Z(Ql,1/20) e o eixo vertical (abscissa), permitindo o cálculo
dos elementos ressonantes.
Os valores dos componentes ressonantes podem ser obtidos
utilizando-se as equações (3), (8) e (9) resultando em:
L
R
 0  Ql
No caso dos capacitores, tem-se::
Ql ,
C
0  R
C  1  A
Cs 
A
(10)
(11)
(12)
e
(13)
CP  A  Cs
Utilizando-se as equações (10), (12) e (13) os seguintes
componentes foram obtidos: L = 31 µH, Cs = 400 nF e Cp =
20 nF.
Observou-se que a tensão gerada nos terminais do
capacitor Cp não era suficiente para prover a ignição da
lâmpada. Assim, buscou-se a determinação das razões para
este fenômeno e um novo critério que permitisse o projeto
dos elementos do circuito ressonante. A principal razão pela
LOW COST HIGH POWER FACTOR ELECTRONIC BALLAST
FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS
REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA
qual a tensão nos terminais no capacitor Cp era insuficiente
está relacionada ao fator de qualidade do circuito ressonante.
B) Novo Critério Baseado no Fator de Qualidade
Mínimo
A figura 4 apresenta o circuito equivalente antes do
acionamento da lâmpada. Neste circuito, a resistência da
lâmpada foi desprezada, pois a mesma pode ser
considerada muito grande comparada com a reatância
capacitiva do capacitor Cp. O capacitor C representa a
capacitância equivalente dos capacitores Cs e Cp. O resistor
R representa o somatório de todas as resistências parasitas
presentes no circuito, tais como: resistência série
equivalente (RSE) dos capacitores, indutor e resistência de
condução dos MOSFETS.
A partir da equação diferencial obtida para o circuito
equivalente da figura 4, e apresentada na equação (14), é
possível a determinação da resposta temporal, a qual foi
obtida em [7] e encontra-se representada na equação 15.
dv
d  dv 
(14)
E  v  L  C  C   R  C  C
C
dt 
dt 
dt
t .


L
2.Q
z( t )   (E  VCO )  j.I LO .
E
.cos(t )  j. sen( t ).e
C


vc 
E
1 e
3
2Q

E
1 e
3R
20 L

E
1 e
3R
4F0 L

E
1 e
(15)
Fig. 7. Formas de onda das tensões de controle nas chaves S1 e S2 e
forma de onda de corrente no indutor L para o reator.
O resistor R da equação (16) representa a resistência
parasita do indutor e dos capacitores do filtro LCC. Na
Figura 8 pode-se avaliar a máxima tensão que será gerada
no capacitor C (e, conseqüentemente na lâmpada) através
do plano de fase do circuito da Figura 4.
(16)
R
4 Fs L
Utilizando a equação 15 é possível determinar a máxima
tensão que será gerada no capacitor C e, conseqüentemente
na lâmpada. Considerando a operação do circuito inversor
em uma freqüência três vezes inferior a freqüência do
circuito ressonante, isto é ωo = 3 ωs é possível determinar
o valor máximo desta tensão.
Para o circuito da figura 4, considere que a seqüência de
acionamento das chaves seja a seguinte: inicialmente chave
S1 recebe sinal de comando, durante o tempo tON, e a
corrente no circuito começa a evoluir senoidalmente
quando ela se torna negativa o diodo D2 em antiparalelo
com a chave S2 assume esta corrente. Após o semi-ciclo
negativo, um novo ciclo positivo da corrente inicia pela
chave S1 que continua conduzindo conforme se pode
observar na figura 7, durante todo este intervalo a chave S2
é mantida aberta esta etapa ocorre durante a metade do
período de comutação Ts, após a corrente se anular na
chave S1 inicia-se um novo ciclo complementar através da
chave S2 e do diodo D1.
Analisando-se as formas de ondas da figura 7, obtêm-se
uma expressão genérica para a determinação da tensão
máxima aplicada a lâmpada expressa na equação 16.
Fig. 8. Plano de fase teórico do filtro LCC.
Estipulou-se uma tensão de 10 kV para a ignição da
lâmpada, uma freqüência de operação máxima de 68kHz e
uma RSE equivalente de todos os componentes foi
estimada em 1,3 Ω para o projeto do circuito LCC. A
partir destes dados derminou-se o valor nominal dos
componentes descritos a continuação: L = 220 µH, Cs = 55
nF e Cp = 2.73 nF.
IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para validar o sistema proposto foi implementado um
reator eletrônico em meia ponte com a seguinte
especificação: lâmpada HPS de 250 W ligada à rede
elétrica com tensão de 220 VAC e com freqüência máxima
de operação de 68 kHz. Os valores dos elementos
ressonantes utilizados foram obtidos utilizando-se um filtro
ressonante LCC com L = 220 µH, Cs = 55 nF, o qual foi
implementado com cinco capacitores de 11 nF em paralelo
e Cp = 2.73 nF implementado com três capacitores de 8.2
LOW COST HIGH POWER FACTOR ELECTRONIC BALLAST
FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS
REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA
nF em série. Na figura 9 são mostradas as tensões e a
corrente na rede elétrica, sem o filtro EMI, utilizando-se
um capacitor CF de 500nF. Como se pode observar o valor
máximo da corrente segue a tensão, logo um alto fator de
potência pode ser obtido com esta estrutura a influência do
valor do capacitor CF foi investigada e os resultados são
discutidos a continuação. Comparando-se com as figuras
10 e 11, onde se tem as tensões e correntes na rede
elétrica, respectivamente, para os casos de CF = 1 µF e CF
= 2,2 µF, observa-se que o fator de potência é
comprometido a medida que este capacitor aumenta, como
era-se de se esperar. .
lâmpada, onde se pode notar sua característica resistiva em
alta freqüência.
Fig. 12. –Tensão e corrente na lâmpada.
Fig. 9. –Tensão e corrente na rede com capacitor Cf de 500nF.
Fig. 10. –Tensão e corrente na rede com capacitor Cf de 1µF.
A figura 13 apresenta a corrente na lâmpada HPS em
baixa freqüência utilizando-se Cf = 500 nF, onde é
possível observar que a lâmpada está trabalhando com alta
e baixa freqüência simultaneamente, evitando desta forma
o fenômeno da ressonância acústica. Nos ensaios feitos
com este reator, não foi observada a ocorrência deste
fenômeno. Nestas figuras é possível observar-se que a
lâmpada HPS desliga e liga nas vizinhanças do cruzamento
por zero da rede elétrica de forma análoga ao reator
convencional.
Fig. 13. Corrente na lâmpada em baixa freqüência para Cf = 500 nF.
Fig. 14. Tensão e corrente na lâmpada em baixa freqüência.
Fig. 11. –Tensão e corrente na rede com capacitor Cf de 2,2 µF.
Na Figura 12 são mostradas as tensões e a corrente na
A tensão retificada e aplicada ao reator eletrônico é
mostrada nas figuras 15, 16 e 17 onde se pode observar
LOW COST HIGH POWER FACTOR ELECTRONIC BALLAST
FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS
REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA
novamente a influência do capacitor CF nesta tensão. A
característica resistiva do reator eletrônico fica
evidenciada na figura 15. Porém, as distorções observadas
nas figuras 16 e 17 evidenciam a interrelação da
capacitância CF e o funcionamento desejado do circuito.
V. CONCLUSÕES
Este artigo descreveu um reator eletrônico de alto fator
de potência e baixo custo para lâmpadas HPS, dado que
não foi necessário a implementação de um PFP externo ao
mesmo. O fenômeno da ressonância acústica não foi
observado devido à topologia escolhida, a lâmpada foi
excitada com um sinal de potência modulado em baixa
freqüência. Um alto fator de potência foi obtido. A
dimerização é possível.
VI. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer a Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do Sul, o Conselho
Nacional de Pesquisa (CNPq) e a Companhia Estadual de
Energia Elétrica (CEEE) pelo apoio dado ao projeto.
Fig. 15. –Tensão no barramento CC com capacitor Cf de 500nF.
Fig. 16. –Tensão no barramento CC com capacitor Cf de 1 µF.
Fig. 17. –Tensão no barramento CC com capacitor Cf de 2,2 µF.
VII. REFERÊNCIAS
[1] Bum Suk Kang; Hee Jun Kim; High Power Factor
Electronic Ballast for High Pressure Sodium Lamp,
TENCON 99. Proceedings of the IEEE Region 10
Conference, Volume: 2, Dec 1999, Page(s): 887 -890
vol.2.
[2] Ben-Yaakov, S.; Gulko, M.; “Design and performance
of an electronic ballast for high-pressure sodium (HPS)
lamps, Industrial Electronics”, IEEE Transactions on
Volume: 44 Issue: 4, Aug 1997, Page(s): 486 -491
[3] Bisogno, F.E.; Seidel, A.R.; Holsbach, R.; do Prado,
R.N.; Resonant filter applications in electronic ballast,
Industry Applications Conference, 2002. 37th IAS
Annual Meeting. Conference Record of the, Volume: 1,
2002, Page(s): 348 -354 vol.1
[4] Co, M.A.; Resende, C.Z.; Simonetti, D.S.L.; Vieira,
J.L.F.; Almeida, P.C.A.; Microcontrolled electronic
gear for low wattage metal halide (MH) and highpressure sodium (HPS) lamps, Industry Applications
Conference, 2002. 37th IAS Annual Meeting.
Conference Record of the, Volume: 3, 2002, Page(s):
1863 -1868 vol.3
[5] J.R. Coaton, Lamps and Lighting, fourth edition, Arnold
1997.
[6] Vanka, Jouko, A Direct Digital Synthesizer with a
Tunable Error Feedback Structure, IEEE Transaction on
Communication, Vol. 45, nº. 4, April, 1997
[7] Suzuki, T. Estudo e Desenvolvimento de um Reator
Eletrônico para Lâmpadas de Alta Pressão de Vapor de
Sódio, Dissertação de Mestrado Submetida a PUCRS,
Porto Alegre, 2003.