acionamento de lâmpadas fluorescente através de reator eletrônico

ACIONAMENTO DE LÂMPADAS FLUORESCENTE ATRAVÉS DE REATOR
ELETRÔNICO COM CONVERSOR BOOST DUPLAMENTE INTEGRADO
Custódio, A. G, Morais, J. S., Morais, A. S., Lodo, R. A., Vincenzi, F. R. S., Vieira Junior, J. B. and
Freitas, L. C. G..
Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP)
Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT)
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
Av. João Naves de Ávila, 2160 - Bloco 3N - Campus Santa Mônica CEP: 38400-902 UBERLÂNDIA – MG - BRASIL
e-mail: [email protected]
Resumo - Este artigo apresenta uma nova topologia
para reator eletrônico de alto fator de potência utilizado
para acionar lâmpadas fluorescentes. O conversor
utilizado apresenta um único estágio de processamento
da energia onde o estágio de correção de fator de potência
e o estágio de acionamento da lâmpada foram integrados.
A integração visa simplificar a estrutura de potência do
conversor e conseqüentemente torná-lo economicamente
mais atrativo. Resultados de simulação computacional
são apresentados ao final deste artigo.
Palavras-Chave - Boost, Lâmpada Fluorescente, PFC,
Reator Eletrônico.
DRIVE THROUGH FLUORESCENT LAMP
ELECTRONIC BALLAST WITH BOOST
CONVERTER WITH INTEGRATED HALF
BRIDGE INVERTER
Abstract - This paper presents a new topology for
electronic ballast high power factor used to drive
fluorescent lamps. The converter used has a single power
processing stage where the stage power factor correction
stage and drive the lamp are integrated. The integration
aims to simplify the drive power and therefore make it
economically more attractive. Results of computer
simulations are presented to the end of this article.
1Keywords - Boost, Fluorescent, PFC, electronic
ballast.
I. INTRODUÇÃO
A iluminação é responsável por, aproximadamente, 24%
do consumo de energia elétrica no setor residencial, 44% no
setor comercial e serviços públicos e 1% no setor industrial.
Em relação aos serviços públicos, aproximadamente dois
terços são utilizados para iluminação de ruas, Pode-se, então,
dizer que a iluminação pública é responsável por cerca de
3,3% de toda a eletricidade consumida no Brasil.
Vários trabalhos desenvolvidos mostram que a iluminação
ineficiente é comum no Brasil. Uma combinação de
lâmpadas, reatores e refletores eficientes, associados a
hábitos saudáveis na sua utilização, podem ser aplicados para
reduzir o consumo de energia elétrica. [10]
Cresce cada vez mais o interesse em relação às
características de consumo de energia e distorções
harmônicas dos reatores eletrônicos, que são os responsáveis
pela alimentação das lâmpadas fluorescentes.
Na área de Eletrônica de Potência os desafios a respeito
dos reatores eletrônicos se resumem em desenvolver uma
estrutura de elevada eficiência, simples, com baixo custo
atendendo às especificações das normas de regulamentação
do setor de iluminação (NBR 5413).
Diante desse cenário, este trabalho teve como objetivo
principal o desenvolvimento e otimização da topologia de um
reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes apresentando
para a rede elétrica um elevado fator de potência e uma baixa
distorção harmônica na corrente.
Neste âmbito, para representar a lâmpada fluorescente nas
simulações, utilizamos a resistência e a capacitância da
lâmpada.
II. REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS
FLUORESCENTES
A A Fig. 1 ilustra o diagrama de blocos de um típico reator
eletrônico com alto fator de potência.
Como se pode observar na Fig. 1, um conversor padrão
possui dois estágios ativos, um denominado PFC (correção
de fator de potência) e outro inversor (responsável por tornar
uma tensão continua em alternada). Mas neste artigo
estudamos a aplicabilidade de um conversor com estas etapas
integradas conforme apresentado na Fig. 2 no qual estes dois
estágios ativos serão substituídos por apenas um.
Fig. 1. Diagrama de blocos de um reator eletrônico com alto fator
de potência.
Na estrutura PFC+Inversor integrada, o numero de
interruptores diminui de 3 para 2 conforme [6] e ainda temos
a redução de dois Indutores ao trazer o Lboost e o capacitor
Cf para o estagio anterior a ponte de diodos.
interruptor será comandado a conduzir e a corrente cresce
linearmente novamente. Este modo de operação tem como
vantagens frente ao anterior, melhor fator de potência,
melhor rendimento e como desvantagem a complexidade da
estratégia de controle conforme [6].
V. ETAPAS DE OPERAÇÃO DO CONVERSOR
Fig. 2. Reator eletrônico proposto.
As etapas de operação a seguir apresentam o
funcionamento do conversor operando no modo de condução
descontinuo. Entretanto a operação do mesmo no modo de
condução crítica é idêntica excluindo-se a 5ª etapa, passando
diretamente da 4ª para a 1ª. As etapas de operação
apresentadas abaixo são para a condução dos diodos D1 e
D3.
Em [6] são apresentados maiores detalhes deste conversor
integrado. Neste artigo vislumbramos a simplificação da
topologia do circuito.
III. DESCRIÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO
PROPOSTO
O circuito de potência do conversor utilizado é mostrado
na Figura 1. O reator eletrônico proposto é composto por
uma fonte de tensão monofásica, pelo filtro de entrada
representado por um capacitor e pelo próprio indutor de
boost que está integrado a ponte de diodos, a integração do
indutor de boost com os diodos da ponte retificadora
proporciona a correção do fator de potência. O circuito
inversor é formado pelas chaves M1 e M2 e pelos capacitores
C1 e C2. A utilização da chave M1, simultaneamente pelo
conversor boost que por sua vez esta integrado ao filtro de
entrada com o circuito inversor, caracteriza a dupla
integração destas etapas de processamento de potência.
O filtro de entrada é responsável pela atenuação das
harmônicas de alta freqüência provenientes do chaveamento,
a integração do filtro de entrada com o estagio boost
propicia a redução de dois indutores em comparação a
topologia proposta em [1].
O capacitor Cp e a resistência RLamp representam o
Starter (Circuito Ressonante), onde em altas frequências
temos a capacitância tendendo a zero propiciando o melhor
caminho para passagem de corrente, já em baixas frequências
o caminho da corrente será pela resistência, ambos os
dispositivos indispensáveis para implementar o modelo
proposto.
Fig. 3. Primeira Etapa de Operação.
1ª Etapa [t0, t1] – Esta etapa começa quando a chave M2 é
desligada e a chave M1 é ligada em modo ZVS (Zero
Voltage Switch). A tensão de entrada é aplicada ao indutor
LBoost. Consequentemente a corrente IBoost aumenta
linearmente, considerando que a tensão permanece
aproximadamente constante durante um período de
chaveamento. A corrente IM1 é igual a soma das correntes
IBoost e IL , e circula através do diodo D5 , ver Figura 3.
2ª Etapa [t1, t2] – Esta etapa começa quando a corrente no
diodo D5 é anulada e passa a circular pela chave M1. A
corrente IBoost continua a aumentar linearmente. A corrente
na chave M1 é igual à soma das correntes IBoost e IL, ver
Figura 4.
IV. MODOS DE OPERAÇÃO
Este conversor boost opera no modo de condução
descontinua (DCM) da corrente, ou seja, a corrente no
indutor de boost durante um período de chaveamento cresce
linearmente enquanto o interruptor M1 estiver fechado, assim
que este é comandando a abrir a corrente decresce
linearmente até se tornar nula, durante um pequeno intervalo
de tempo a corrente no indutor de boost será nula.
Outro modo de operação em que este conversor poderá
trabalhar é o modo de operação crítico (CCM), neste modo
de operação não existe o intervalo de tempo em que a
corrente será nula, assim que a corrente atingir o valor zero o
Fig. 4. Segunda Etapa de Operação.
3ª Etapa [t2, t3] – Esta etapa começa quando a chave M1 é
desligada, e conseqüentemente a corrente IM1 passa a
circular pelo diodo D6, e a chave M2 é ligada em modo ZVS.
A corrente IBoost decresce linearmente enquanto carrega os
capacitores C1 e C2. No instante t3, a corrente IM2
circulando pelo diodo D6 se torna nula, ver Figura 5.
Fig. 5. Terceira Etapa de Operação.
Fig. 6. Quarta Etapa de Operação.
4ª Etapa [t3, t4] – Esta etapa começa quando a corrente IM2
que circulava pelo diodo D6 atinge zero e passa a circular
através da chave M2. A corrente IBoost continua
decrescendo linearmente até atingir zero, ver Figura 6.
5ª Etapa [t4, t5] – Esta etapa tem início quando a corrente
IBoost se torna nula. A corrente IL circula através da chave
M2, ver Figura 7. Esta etapa de operação não existirá no
modo de condução crítico.
Fig. 8. Formas de onda das tensões e correntes do conversor
proposto.
VI. MÉTODO DE DIMERIZAÇÃO
Fig. 7. Quinta Etapa de Operação.
Para condução dos diados D2 e D4 foram obtidas as
mesmas etapas de operação verificadas na condução dos
diodos D1 e D4.
A Figura 8 apresenta as formas de onda esperadas para o
conversor proposto, onde tem-se a Tensão no Gate da Chave
M1 representada por VGm1, a Tensão no Gate da Chave M2
representada por VGm2, a Tensão na Chave M1 representada
por Vm1, a Tensão na Chave M2 representada por Vm2, a
tensão no barramento representada por V, a corrente no
Indutor de Boost representada por IBoost, as correntes IM1 e IM2
que representam as correntes nas Chaves M1 e M2 e IL que é
a corrente circulante o no circuito de estabilização (Circuito
Ressonante).
Para promover o controle da luminosidade de uma
lâmpada fluorescente precisa-se controlar a potência
processada por esta lâmpada, devido às características dos
reatores boost operando em modo de condução descontínua
(DCM) ou crítica (CCM), pode-se controlar a potência
fornecida pelo conversor à carga (lâmpada + filtro LCC)
através da variação da freqüência de chaveamento ou da
variação da razão cíclica, uma terceira alternativa é a
combinação das duas ações variar a freqüência e a razão
cíclica simultaneamente conforme [2], [3], e [7].
Aumentando-se a freqüência de chaveamento do
conversor a potência fornecida à lâmpada diminui, entretanto
diferentemente de uma carga linear a tensão sobre a lâmpada
aumenta quando a potência diminui.
VII. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Os resultados de simulação para o equivalente a uma
lâmpada de 36 W foram obtidos de acordo com os
parâmetros apresentados na Tabela 1.
TABELA I
COMPONENTES UTILIZADOS
CARACTERÍSTICAS DO PROJETO
V୧୬ 127Vrms
P଴ 36W
f୐ 60Hz
fୗ 55Khz
Vେଵ 200V
V଴ 105Vrms
Q ୗ 0,491
u 3,73
Boost
PARÂMETROS DO REATOR
Lboost 1,5mH
Circuito de estabilização LCC
Capacitores
Filtro de Entrada LC
Semicondutores, chaves e
diodos
Cୗ 100nF
C୮ 9,4nF
C1 33µF
C2 33µF
L୧୬ 1,55mH
CF 1,5µF
Sଵ , Sଶ → IRF840
D1, D2, D3eD4 UF4007
A Fig. 9 apresenta o circuito eletrônico simulado no
programa PSIM®, Convém salientar que para representar a
lâmpada foi utilizada a resistência e a capacitância
característica da lâmpada fluorescente.
Fig. 11. (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor
de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada
pela lâmpada.
A Figura 11 (A) apresenta a tensão e a corrente na
lâmpada fluorescente cujos valores eficazes são 105V e
350mA respectivamente. A Figura 11 (B) apresenta as
correntes no indutor de Boost e no Interruptor M1. A Figura
11 (C) apresenta a potência instantânea processada pela
lâmpada.
VIII. CONCLUSÕES
Fig. 9. Reator eletrônico com conversor Boost duplamente
integrado.
As Figura 10 e Figura 11 apresentam as formas de onda
obtidas da simulação do conversor da Figura 9 com
freqüência de chaveamento 55KHz .
A Figura 10 (A) apresenta a tensão e a corrente de entrada
do conversor cujos valores eficazes são 127V e 328mA
respectivamente. Figura 10 (B) apresenta as tensões nos
capacitores C1 e C2 e a resistência equivalente da lâmpada.
Fig. 10. (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) e (c)
Tensões nos capacitores C1 e C2, e (d) resistência equivalente da
lâmpada.
Este artigo apresentou um reator eletrônico com conversor
Boost duplamente integrado de alto fator de potência
utilizado para acionar uma lâmpada fluorescente. O
conversor utilizado apresenta um estágio de correção de fator
de potência integrado ao estágio de retificação e ao estágio
de acionamento da lâmpada.
O próximo passo será a implementação em laboratório
deste conversor e o estudo da variação da freqüência de
acionamento dos interruptores do conversor para avaliar a
potência processada pela lâmpada e sua luminosidade.
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