programa de estímulo à interação de grupos e centros de

Reator Eletrônico Programável Inteligente
F. Martinazzo, R. Tonkoski, F. F. Fria, J. C. M. Lima, V. M. Canalli e Fernando Soares dos Reis
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Faculdade de Engenharia - Departamento de Engenharia Elétrica
CEP 90619-900 - Avenida Ipiranga, 6681
Porto Alegre – RS – Brasil
[email protected]
Abstract: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um Reator Eletrônico Programável
Inteligente operando em alta freqüência, para ser utilizado na iluminação pública com lâmpadas de alta
pressão de vapor de sódio. A implementação deste protótipo permitirá substituir o reator convencional,
o ignitor, o capacitor e a fotocélula necessários para o acionamento deste tipo de lâmpada. Este reator
eletrônico apresentará um alto fator de potência e permitirá o acionamento remoto - a partir de uma
central, o monitoramento do consumo de energia - para tarifação, o controle do fluxo luminoso, com a
possibilidade de selecionar diferentes níveis de potência.
Área: Iluminação – Produção e Aplicações.
Autor para correspondência: Prof. Fernando Soares dos Reis
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Reator Eletrônico Programável Inteligente
Abstract: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um Reator Eletrônico Programável
Inteligente operando em alta freqüência, para ser utilizado na iluminação pública com lâmpadas de alta
pressão de vapor de sódio. A implementação deste protótipo permitirá substituir o reator convencional,
o ignitor, o capacitor e a fotocélula necessários para o acionamento deste tipo de lâmpada. Este reator
eletrônico apresentará um alto fator de potência e permitirá o acionamento remoto - a partir de uma
central, o monitoramento do consumo de energia - para tarifação, o controle do fluxo luminoso, com a
possibilidade de selecionar diferentes níveis de potência.
I. Introdução
A crise do setor Energético Nacional é uma realidade. A falta de investimentos no setor e o
crescimento do consumo de energia levaram o País a uma situação bastante delicada. O crescimento
econômico do País permitiu uma maior participação no PIB Brasileiro da indústria eletroeletrônica,
cujo faturamento atingiu R$ 50 bilhões no ano 2000, 22% acima do verificado em 1999 (R$ 41,4
bilhões). A figura 1, representa o faturamento da indústria eletroeletrônica, entre os anos de 1994 e
2000, cujo comportamento tem sido de franco crescimento.
Figura 1. Faturamento do Setor Eletroeletrônico em bilhões de reais.
O crescimento econômico inevitavelmente traz consigo um aumento na demanda por energia. O
presente trabalho visa contribuir para uma efetiva redução do consumo de energia elétrica despendida
em iluminação pública, ajudando desta forma, as prefeituras a cumprirem as metas de racionamento de
energia elétrica, evitando o desperdício dos recursos públicos.
Trata-se de um tema multidisciplinar que emprega conhecimentos de áreas estratégicas como
Eletrônica de Potência, Sistemas de Iluminação, Interfaces e Redes, Sistemas Digitais
Microprocessados e Automação e Controle os quais têm ampla aplicação nas diversas áreas do
conhecimento.
O objetivo geral do presente trabalho é o de propor um reator eletrônico para lâmpadas de alta pressão
(HID) de vapor de sódio, que apresente para rede elétrica um elevado fator de potência e uma baixa
distorção harmônica, com controle do fluxo luminoso incorporando um sistema de supervisão interno
com possibilidade de comunicação com uma central remota.
II. Estado da Arte
As lâmpadas HID [1] tem como constituição uma "lâmpada dentro da lâmpada", pela qual o tubo de
arco fica suspenso dentro de um bulbo externo, um exemplo típico de encapsulamento pode ser
visto na figura 2. As lâmpadas HID normalmente são constituídas pelos seguintes componentes: um
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bulbo externo: o qual tem como função isolar o tubo de arco do meio exterior, feito na maioria das
vezes de vidro resistente ao calor; um tubo de arco: consistindo de um tubo selado que contém os
"elementos de trabalho" da lâmpada. utilizando quartzo; Eletrodos: dois eletrodos principais atuam
como terminais de descarga em arco. Eles são feitos em espirais de tungstênio, recobertos com
óxidos de terras raras, para facilitar a emissão de elétrons; base: uma base metálica do tipo rosca,
suporta a lâmpada no soquete e faz a conexão elétrica ao circuito elétrico; reator: todas as lâmpadas
HID requerem reator externo para acender e regular a corrente, com exceção da Mista.
1 - Eletrodos com Nióbio.
2 - Tubo de descarga feito de óxido de alumínio sinterizado.
3 - Conjunto de montagem do tubo de descarga. Ele tem um
formato especial para evitar sombras no sistema ótico da luminária.
4 - Conexão elétrica flexível.
5 - Anel no qual o material de condução é armazenado durante o
seu funcionamento.
6 - Tubo de esgotamento do bulbo externo.
7 - Conexões elétricas.
8 - Tubo de vidro duro externo.
9 – Base
Figura 2. Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão.
O tubo de descarga de uma lâmpada de sódio de alta pressão contém excesso de sódio, para dar
condições de saturação do vapor quando a lâmpada está funcionando, e para permitir absorção
interna na superfície. Também é usado um excesso de mercúrio para proporcionar um gás de
proteção, e o xenon é incluído sob baixa pressão para facilitar a ignição e limitar a condução do
calor do arco de descarga da parede do bulbo. O tubo de descarga, feito de óxido de alumínio
sinterizado, para resistir a intensa atividade química do vapor de sódio à temperatura de operação
de 700º C, é colocado num invólucro de vidro duro á vácuo.
As lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio irradiam energia sobre uma grande parte do espectro
visível [2]. Estas lâmpadas proporcionam uma reprodução de cor razoável (tem índice de
reprodução de cores IRC 23). São disponíveis com uma eficácia de até 130 lm/W e uma
temperatura de cor de aproximadamente 2100 ºK.
As lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio, como outras lâmpadas de descarga elétrica,
necessitam de um reator para operarem corretamente [3]. O Reator é um equipamento auxiliar,
ligado entre a rede e a lâmpada de descarga, com a finalidade de limitar sua corrente quando se
aplica tensão, caso contrário, a lâmpada se destruiria rapidamente, devido a sua característica de
apresentar uma resistência negativa conforme pode ser observado na Figura 3.
Os reatores podem ser de dois tipos: eletromagnéticos ou eletrônicos. Os reatores eletrônicos são os
mais estudados atualmente devido à facilidade de obter circuitos com alto fator de potência e alta
eficiência. Para que se obtenha uma perfeita compreensão do funcionamento dos reatores
eletrônicos será necessário conhecer as funções dos diversos blocos que compõem um reator
eletrônico, bem como as características de funcionamento das lâmpadas de alta pressão de vapor de
sódio em altas freqüências. A obtenção de um alto fator de potência em reatores eletrônicos,
envolve a utilização dos Prerreguladores do Fator de Potência (PFP). Existem circuitos que utilizam
3
técnicas de integração de conversores que visam aumentar a confiabilidade e diminuir o custo de
implementação do reator eletrônico.
Figura 3. Curva característica típica tensão x corrente de lâmpadas de descarga de alta intensidade.
Os reatores eletrônicos são basicamente constituídos por um circuito retificador e um circuito
inversor [4]. O diagrama de blocos da Figura 4 representa as principais blocos que constituem um
reator eletrônico.
Figura 4. Reator eletrônico representado em blocos.
Onde: (1) Entrada da rede 110/220 VCA 60/50 Hz.; (2) Circuito retificador de onda; (3) Conversor
(CC/CC); (4) Circuito inversor; (5) Filtro.
III. Topologia de Potência Empregada
Devido aos problemas causadas pelas cargas não-lineares, a comunidade científica da Eletrônica de
Potência propôs varias técnicas para combater a poluição harmônica, elevar o fator de potência e
melhorar a qualidade da energia elétrica. Uma das principais propostas consiste no emprego de
filtros passivos e/ou ativos para filtrar as harmônicas de corrente; estes, embora simples e robustos,
são muito volumosos e caros. Desse modo, surgiu a idéia de desenvolver uma nova família de
conversores estáticos (prerreguladores de fator de potência - PFP), tal que a injeção de harmônicos
de corrente, a circulação de reativos e a interferência eletromagnética seriam minimizados a partir
da colocação de um conversor (o prerregulador), entre a ponte retificadora e o conversor CC-CC ou
reator eletrônico (Figura 5).
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Figura 5. Utilização de prerreguladores para a correção do fator de potência em reatores eletrônicos.
Nos últimos cinco anos apareceram muitas topologias de prerreguladores para a correção do fator de
potência. O que se tornou mais popular foi o conversor Elevador (Boost), que é muito conhecido e
utilizado em larga escala no meio industrial.
Entre as várias técnicas de correção do fator de potência conhecidas, estas podem ser basicamente
classificadas em dois tipos:
Correção Passiva: é realizada por um filtro (geralmente passa-baixo), que contém a combinação de
componentes passivos (capacitores, indutores e resistores). São volumosos e pesados devido a baixa
freqüência de corte do filtro envolvido. Apresentam custo elevado. Caracterizam-se pela robustez,
simplicidade e facilidade de implementação e operação. Com este tipo de correção consegue-se alto
fator de potência, porém elevada taxa de distorção harmônica.
Correção Ativa: utiliza componentes ativos, tais como transistores (chaves controladas) e passivos,
com a finalidade de impor a corrente de entrada, melhorando sua forma de onda para cargas não
lineares e regulando a tensão de saída. Operam em geral com elevada freqüência de chaveamento.
Quando comparada à correção passiva possui maior eficiência, menor volume e maior
complexidade. Permite fator de potência praticamente unitário, baixa distorção harmônica com
larga faixa de operação e boa regulação dinâmica.
O reator eletrônico desenvolvido é formado basicamente por um PFP [5] baseado no conversor
Boost operando no modo continuo e um circuito inversor em meia ponte representado na figura 6.
Estas etapas garantirão ao reator características como alto fator de potência, baixo nível de ruído
EMI e RFI e alto rendimento.
M1
V2
C1
L1
V1
M2
C2
R1
V3
Figura 6. Inversor do Reator Eletrônico Implementado.
IV. Interface de Comunicação
O reator eletrônico proposto agrega novas funções em relação aos reatores comerciais, podendo se
comunicar com uma central remota, sem a necessidade de instalação de cabeamento adicional. Uma
interface de comunicação bidirecional é proposta, utilizando a própria rede elétrica como meio
físico. Esta interface baseada nos chips P200 e P300 da Intellon, está dentro das normas técnicas
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IEC e permite ao sistema de gerenciamento, programar o reator e coletar informações do mesmo.
Com isto é possível obter:





Consumo;
Controle do Fluxo Luminoso;
Condições de funcionamento do Reator e da Lâmpada;
Estado da Lâmpada (acesa ou apagada);
Falhas;
Através desta interface de comunicação é possível comandar o acionamento individual ou coletivo
das lâmpadas, a dimerização das mesmas, a programação de horários de acionamento e
desligamento e a programação do acionamento em horários de pico de demanda. Um diagrama em
blocos do sistema esta representado na Figura 7.
Figura 7. Diagrama em blocos do sistema.
A interface de comunicação implementada através da rede elétrica – PLC (Power Line Carrier),
utiliza técnica de espalhamento espectral (Spread Spectrum) para modular o sinal, com a qual se
obteve uma taxa de transmissão de 9600bps. Os chips P200 e P300 apresentam uma série de
facilidades para implementar funções de rede, uma vez que duas das quatro camadas de rede
(physical e data link) estão implementadas em hardware.
O protocolo de comunicação é baseado no padrão CEBus [6], o qual foi escolhido por ser padrão
em aplicações controle residencial, sistemas de gerenciamento de energia e produtos de
telecomunicações. O CEBus é um protocolo aberto permitindo aos desenvolvedores adicionar
características que sejam interessantes para a sua aplicação.
V. Simulação
Os resultados de simulação do reator eletrônico obtidos até o momento estão representados na
figura 8, onde a curva vermelha representa a tensão aplicada a lâmpada HID de 250 W e a curva
azul representa a potência instantânea entregue a lâmpada. Estes resultados validam o método de
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projeto adotado e nos permitem a implementação do sistema.
538
Potencia na Lampada
400
200
0
Tensao na Lampada
-190
660.9us
V(U1:2)
680.0us
-I(R1)*V(U1:2)
700.0us
720.0us
740.0us
760.0us
780.0us
Time
VI. Conclusões
O desenvolvimento de um produto industrial com características inovadoras é proposto neste
trabalho o qual permitirá uma expressiva redução no consumo de energia gasto em iluminação
pública. A implementação deste protótipo em escala industrial permitirá substituir o reator
convencional, o ignitor, o capacitor e a fotocélula necessários para o acionamento deste tipo de
lâmpada, trazendo inúmeras vantagens, como alto fator de potência e a dimerização. Com a
implementação da interface de comunicação, o acionamento e controle das lâmpadas de forma
individualizada é possível. A redução no consumo de energia pode ser obtida com o controle do fluxo
luminoso individualizado, o acionamento das lâmpadas em horários pré-determinados ou em
determinadas condições de luminosidade e a interrupção programada das lâmpadas segundo algum
critério pré-estabelecido.
VII. Referências Bibliográficas
[1] Chr. Meyer, Discharge Lamps, Philips Techinical Library 1988.
[2] J.R. Coaton, Lamps and Lighting, fourth edition, Arnold 1997.
[3] T. Suzuki, M.C. Silva, V. M. Canalli, F.B. Líbano e F. S. Dos Reis, Electronic Ballast For
Fluorescent Lamps, INDUSCON 2000, Porto Alegre, Brasil, Nov. 2000
[4] Ivo Barbi - Eletrônica de Potência, Edição do Autor - Florianópolis - 1997.
[email protected]
[5] Bum Suk Kang and Hee Jun Kim, High Power Factor Electronic Ballast for high pressure
sodium lamp, IEEE Technical Conference, TENCON, Cheju, Korea, Sep., 1999.
[6] A Power Line Communication Tutorial – Challengs and Technologies – Echelon Corporation
1998. http://www.echelon.com/Products/Transceivers/PLTPresentations/pwrlinetutoral.pdf
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