dimerização de lâmpadas fluorescente através da variação da

DIMERIZAÇÃO DE LÂMPADAS FLUORESCENTE ATRAVÉS DA VARIAÇÃO
DA FREQÜÊNCIA EM REATOR ELETRÔNICO COM CONVERSOR BOOST
INTEGRADO COM INVERSOR MEIA PONTE
Morais, J. S., Morais, A. S., Lodo, R. A., Custódio, A. G., 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 um reator eletrônico de
alto fator de potência utilizado para acionar e controlar a
luminosidade de 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. O controle da luminosidade é
proporcionado pela variação da freqüência de
acionamento dos interruptores do conversor. Resultados
experimentais e de simulação computacional são
apresentados ao final deste artigo.
Palavras-Chave - Boost, Dimerização, Lâmpada
Fluorescente, PFC, Reator Eletrônico, Variação da
Freqüência.
DIMMING OF FLUORESCENT LAMPS
THROUGH CHANGES IN FREQUENCY
ELECTRONIC BALLAST WITH BOOST
CONVERTER WITH INTEGRATED HALF
BRIDGE INVERTER
Abstract - This paper presents an electronic ballast for
high power factor used to trigger and control the
brightness of fluorescent. The converter used has a single
processing stage where the energy stage power factor
correction stage and drive the lamp are integrated. The
integration aims to simplify the power converter and thus
make it economically more attractive. The brightness
control is provided by varying the drive frequency of the
converter switches. Experimental results and computer
simulation are presented to the end of this article.
1
Keywords - Boost, Dimerization, Fluorescent, PFC,
electronic ballast, variation of the frequency.
I. INTRODUÇÃO
Com o aumento sistemático do consumo de energia
elétrica, acompanhado de uma política de racionalização do
uso desta energia e as lâmpadas constituindo-se uma das
cargas mais expressivas para consumidores residenciais, o
aumento da eficiência dessas cargas vem sendo amplamente
estudado.
Por isso 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 reatores eletrônicos
apresentam grandes desafios, que se resumem em
desenvolver uma estrutura de elevada eficiência, com baixo
custo atendendo às especificações das normas de
regulamentação do setor de iluminação.
Diante desse cenário, este trabalho teve como objetivo
principal o desenvolvimento de um reator eletrônico para
lâmpadas fluorescentes com controle digital da intensidade
luminosa variando a freqüência de operação do conversor e
que apresente 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, escolheu-se um modelo dinâmico, já abordado
por outros autores, que será analisado e avaliado para as
condições deste trabalho.
Fig. 1. Diagrama de blocos de um reator eletrônico com alto fator de
potência.
II. REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS
FLUORESCENTES
R (T , P ) =
eq
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
V 2 (T , P )
(2)
P
A Fig. 4 apresenta este modelo montado em simulação
para representar o comportamento da lâmpada fluorescente.
IV. MÉTODO DE DIMERIZAÇÃO
Para promover o controle da luminosidade de uma
lâmpada fluorescente precisa-se controlar a potência
Fig. 2. Reator eletrônico proposto.
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.
Na estrutura PFC+Inversor integrada, o numero de
interruptores diminui de 3 para 2.
Em [1] são apresentados maiores detalhes deste conversor
integrado. Neste artigo vislumbramos operar este conversor
utilizando uma técnica de dimerização variando a freqüência
de trabalho dos interruptores.
Tanto o modelo integrado quanto o não integrado
possuem como estágios: filtros de entrada e saída, e
retificador.
III. MODELAGEM DA LÂMPADA FLUORESCENTE
Quando os reatores eletrônicos operam em um ponto fixo
de operação, ou seja, tensão e corrente constantes e
conseguintemente potência constante, a lâmpada pode ser
modelada como uma simples resistência elétrica de valor
constante o que torna a analise do sistema simples.
Por outro lado quando o mesmo deve atuar sobre a
lâmpada variando a sua luminosidade o ponto de operação da
lâmpada não será mais constante, as características V-I
(tensão - corrente) são alteradas durante uma operação
dimerizada (variação da intensidade luminosa), cujo método
que o modelo deve admitir é uma resistência variável, em
função do valor eficaz da potência do processo.
Através dos dados experimentais e utilizando um software
especifico, [2] determinou uma equação geral de quarto grau
para a tensão sobre a lâmpada, onde é apresentada na
equação (1).
V (T , P) = v0 (T ) + v1 (T ) ⋅ P + v2 (T ) ⋅ P 2 + v3 (T ) ⋅ P3 + v4 (T ) ⋅ P 4
(1)
Para projetos de reatores eletrônicos, é importante obter a
resistência equivalente da lâmpada, a qual será usada em
simulações para analisar a potência processada pelo reator,
durante a operação dimerizada. Esta resistência equivalente
(Req(T,P)) pode ser facilmente obtida através da equação (2).
Fig. 4. Modelo da lâmpada fluorescente utilizado em simulação.
processada por ela. Com o estágio “boost” em condução
descontínua (DCM) pode-se controlar a potência fornecida
pelo conversor à carga (lâmpada + filtro LCC) através da
variação da freqüência de chaveamento [3], [4].
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.
Em [5] foi analisado este método de dimerização e neste
artigo vislumbramos avaliar este método para o conversor
integrado supracitado.
V. RESULTADOS
Os resultados de simulação e experimentais para uma
lâmpada de 36 W foram obtidos de acordo com os
parâmetros apresentados na Tabela 1.
TABELA I
Componentes Utilizados
CARACTERÍSTICAS DO PROJETO
V୧୬ 127rms
P଴ 36W
f୐ 60Hz
fୗ 55KHz
Vେଵ 200V
V଴ 105rms
Q ୗ 0,491
u 3,73
PARÂMETROS DO REATOR
Boost
L୆୭୭ୱ୲ 1,52mH
Circuito de estabilização LCC
Cୗ 100nF
Lୗ 1,54mH
C୔ 9,4nF
Capacitores
Filtro de Entrada LC
Semicondutores, chaves e
diodos
Cଵ 47μF
Cଶ 47μF
L୧୬ 1,55mH
C୧୬ 540nF
Sଵ , Sଶ → IRF840
Dଵ aDସ → 1N4007
Dହ → UF4007
Em simulação observou-se que para controlar a potência
sobre a lâmpada de 36W (potência nominal) até a
aproximadamente 13,5W (37,5% da potência nominal) foi
necessária uma elevação da freqüência de 55kHz até 150kHz
respectivamente mantendo a razão cíclica constante e igual a
0,43.
As Fig. 12 e Fig. 13 apresentam as formas de onda obtidas
da simulação e a Fig. 14 apresenta as formas de onda obtidas
experimentalmente do conversor da Fig. 11, com freqüência
de chaveamento de 55kHz e razão cíclica de 0,43 (43%).
A Fig. 12 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do
conversor cujos valores eficazes são 127V e 328mA
respectivamente. Figura 12 (b) apresenta as tensões nos
capacitores C1 e C2 e a resistência equivalente da lâmpada.
Fig. 12 – (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor
de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada
pela lâmpada.
A Fig. 13 (a) apresenta a tensão e a corrente na lâmpada
fluorescente cujos valores eficazes são 105V e 350mA
respectivamente. A Figura 13 (b) apresenta as correntes no
indutor de Boost e no interruptor M1. A Figura 13 (c)
apresenta a potência instantânea processada pela lâmpada.
A Fig. 14 (a) representa a forma de onda da tensão e da
corrente na entrada do reator eletrônico avaliado
experimentalmente, sendo a tensão de 131 V eficaz e a
corrente de aproximadamente 300 mA também eficaz.
a)
b)
Fig. 14 – (a) Tensão e corrente na entrada do reator eletrônico
proposto e (b) Tensão e corrente na saída.
A Fig. 14 (b) mostra a forma de onda de tensão e corrente
na lâmpada. Os resultados obtidos experimentalmente são
apresentados na Tabela II.
TABELA II
Resultados obtidos experimentalmente.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS (F=55 KHZ)
Fator de Potência (PF)
99,2%
Fig. 11 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) Tensões
nos capacitores C1 e C2 e resistência equivalente da lâmpada.
Distorção Harmônica Total (THD)
8,36%
Eficiência (η)
94,2%
Fator de crista
1,57
As Fig. 15 e Fig. 16 apresentam as formas de onda obtidas
da simulação do conversor da Fig. 11, com freqüência de
chaveamento de 150kHz e razão cíclica de 0,43 (43%).
A Fig. 15 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do
conversor cujos valores eficazes são 127V e 137mA
respectivamente. A Fig. 15 (b) apresenta a resistência
equivalente da lâmpada. A Fig. 15 (c) apresenta as tensões
nos capacitores C1 e C2.
Fig. 17 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor a 70KHz e
(b) Tensão e corrente na saída do conversor a 70KHz.
Fig. 15 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b)
Resistência equivalente da lâmpada, (c) Tensões nos capacitores C1
e C2.
A Fig. 16 (a) apresenta a tensão e a corrente na lâmpada
fluorescente cujos valores eficazes são 126V e 118mA
respectivamente. A Fig. 16 (b) apresenta as correntes no
indutor de Boost e no interruptor M1. A Fig. 16 (c) apresenta
a potência instantânea processada pela lâmpada.
a)
b)
Fig. 18 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor a 85KHz e
(b) Tensão e corrente na saída do conversor a 85KHz.
Fig. 16 – (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor
de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada
pela lâmpada.
Já a Fig.17, a Fig. 18 e a Fig. 19, apresentam a tensão e a
corrente experimentalmente na entrada e saída do conversor,
para as freqüências de chaveamento de 70, 85 e 100 kHz
respectivamente e razão cíclica fixa de 0,45 (45%).
Com o aumento da freqüência de chaveamento, a potência
processada pela lâmpada sofreu diminuição conforme
esperado. Em laboratório é possível constatar a diminuição
da luminosidade da lâmpada.
a)
b)
Fig. 19 – (a) – Tensão e corrente na entrada do conversor a 100KHz
e (b) Tensão e corrente na saída do conversor a 100KHz.
A Tabela III apresenta os principais resultados
experimentais obtidos para a dimerização com a variação da
freqüência de chaveamento do conversor estudado.
TABELA III
Resultados experimentais com variação da freqüência.
Freq.:
(kHz)
a)
b)
Pin (W)
PLamp (W)
VLamp (V)
ILamp
(mA)
η%
55
39,3
37,05
114
325
94,2
70
34,67
21,47
122
176
62
85
29,85
17,3
132
131
58
100
26,3
14,6
135
108
55,5
VI. CONCLUSÕES
Este artigo apresentou um modelo de simulação para a
lâmpada fluorescente, método de dimerização variando a
freqüência e um reator eletrônico integrado (estágio inversor
integrado com estágio de correção de fator de potência),
sendo este último apresentado por.
O intuito deste trabalho foi aplicar neste reator eletrônico
integrado o método de dimerização apresentado, avaliando
tanto o modelo da lâmpada adotado para simulação através
de comparativos experimentais, quanto à aplicabilidade do
reator em questão nestas condições de operação.
Constatou-se que a representatividade do modelo adotado
nas simulações com os obtidos experimentalmente não foi o
mais adequado e que para este conversor, às normas quanto
ao fator de crista, foi atendida para uma faixa de 38% à
100% da potência nominal, tanto experimentalmente quanto
em simulações.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MORAIS, A.S. Novas Topologias, Análises, Projeto e
Experimentação de Fontes de Alta Freqüência para
Lâmpadas Fluorescentes Tubulares. Dissertação, UFU 2004.
[2] WAKABAYASHI, F. T.; CANESIN, C. A. An
Improved Design Procedure for LCC Resonant Filter of
Dimmable Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps,
Based on Lamp Model”, IEEE Transactions on Power
Electronics, v. 20, No 05, p.1186-1196, 2005.
[3] CHEN, Y.-T.; LIN, W.-M.; LIU, Y.-H. Analysis and
Design of a Dimmable Electronic Ballast Controlled by
a Switch-Controlled Capacitor. IEEE Transactions on
Industrial Electronics, v. 52, No 06, p.1564-1572, 2005.
[4] HUI, S. Y. R.; LEE M. L.; CHUNG H. S.-H; HO, Y. K.,
“An Electronic Ballast with Wide Dimming Range,
High PF, and Low EMI”, IEEE Transactions on Power
Electronics, v. 16, No 04, p.465-472, 2001.
[5] BEDIN, J. Reatores eletrônicos dimerizáveis para
lâmpadas fluorescentes com elevado fator de potência.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - INEP UFSC, Florianópolis, 2008, 158p.