estudo experime ntal da sensibilidade das lâmpadas de de

SCQ/001
21 a 26 de Outubro de 2001
Campinas - São Paulo - Brasil
STE 1
INTERFERÊNCIA, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE
ENERGIA ELÉTRICA – SCQ
ESTUDO EXPERIMENTAL DA SENSIBILIDADE DAS LÂMPADAS DE DESCARGA
DE ALTA PRESSÃO SUJEITAS A INTERRUPÇÕES MOMENTÂNEAS E
MEGULHOS DE TENSÂO.
Angelo C de Lourenço
(FEIS – UNESP)
RESUMO
Na iluminação de algumas plantas industriais tem sido
utilizada com freqüência as lâmpadas de descarga.
Estas lâmpadas são sensíveis a distúrbios na tensão de
alimentação podendo, sob certas condições, provocar a
interrupção do fluxo luminoso, causando grandes
prejuízos devido a parada de parte dos processos
produtivos.
Neste trabalho apresenta-se um estudo experimental do
comportamento de lâmpadas de descarga sujeitas a
interrupções e mergulhos de tensão. Foram ensaiadas
lâmpadas tipo luz mista, vapor de mercúrio e vapor de
sódio de diferentes fabricantes
Como conclusões apresenta-se suas curvas de
sensibilidade e são identificadas suas principais
características frente aos distúrbios analisados.
Palavras chave
Distúrbios, Lâmpadas de Descarga, Qualidade de
Energia.
Luís Carlos Origa de Oliveira*
(FEIS – UNESP)
interrupção do processo produtivo até a retomada da
produção plena normalmente são muito elevados.
Particularmente no Brasil tem sido observado um
aumento da freqüência de reclamações nos últimos
anos. Este fato está associado a uma tendência
crescente de modernização dos processos fabrís na
busca pela competitividade no mercado globalizado.
Para isto, as indústrias vem se utilizando de
equipamentos baseados em tecnologias eficientes,
entretanto, muito sensíveis a mergulhos de tensão e
interrupções momentâneas.
Apesar de toda a atenção estar direcionada para o
comportamento destes equipamentos sensíveis persiste
ainda a necessidade de um conhecimento mais
profundo do comportamento de alguns equipamentos
menos sofisticados e tradicionalmente utilizados. Entre
eles destacam-se as lâmpadas de descarga de alta
pressão utilizadas na iluminação de grande porte,
como plantas industriais, galpões, áreas externas, ruas,
avenidas, etc.
2.0 – CARACTERIZAÇÃO DOS DISTÚRBIOS
1.0 – INTRODUÇÃO
Os mergulhos de tensão (“voltage sags”) e as
interrupções momentâneas (“momentary interruption”)
são provavelmente os mais importantes problemas de
qualidade de energia que afetam os consumidores
industriais e comerciais de grande porte.
Tais ocorrências tem provocado um expressivo
crescimento no número de reclamações por parte dos
consumidores devido, principalmente, as inúmeras
paradas de produção no seguimento industrial. Esta
questão tem assumido uma importância estratégica
para os consumidores e empresas de energia elétrica,
uma vez que os custos associados ao tempo desde a
Os mergulhos de tensão e as interrupções
momentâneas tem as mesmas causas, ou seja, são
fundamentalmente originados de faltas ao longo do
sistema.
2.1 – Mergulhos de tensão (“Sags”)
O mergulho de tensão é um decremento da magnitude
da tensão, cujo valor pode estar entre 10 e 90% da
tensão nominal. Dependendo da sua duração podem ser
classificados em:
Mergulho instantâneo – 0,5 a 30 ciclos
Mergulho momentâneo – 30 ciclos a 3 seg
Av. Brasil, 56. CP 31. CEP 15385000. Ilha Solteira/SP – Brasil
e–mail: [email protected]
2
Mergulho temporário – 3 segundos a 1 minuto
São considerados a principal causa de falhas em
equipamentos e interrupções de processos industriais.
que faz o metal voltar ao estado líquido e a pressão
abaixar.
3.1 – Lâmpada Vapor de Mercúrio
A lâmpada de vapor de mercúrio possui em cada
extremidade um eletrodo principal, junto a um dos
eletrodos há um eletrodo auxiliar ou de partida, ligado
a um resistor de partida. O interior do tubo é
preenchido com gás inerte e possui mercúrio em estado
líquido (pequenas gotas).
FIGURA 1 – Forma de onda da tensão – “Sag”.
2.2 – Interrupções
A interrupção de curta duração é um mergulho de
tensão de mais de 90%. Em função do tempo de
duração são normalmente classificados em:
Interrupções momentâneas - 0,5 a 3 segundos
Interrupções temporária – 3 segundos a 1 minuto.
FIGURA 2 – Forma de onda da tensão – Interrupção.
3.0 – LÂMPADAS DE DESCARGA
De um modo geral, as lâmpadas de descarga tem por
princípio de funcionamento a produção de fluxo
luminoso pela passagem da corrente elétrica através de
um meio ionizado.
O meio está contido em um tubo, chamado de tubo de
descarga que possui dois eletrodos que conduzem a
corrente elétrica. Ocorre então a excitação dos elétrons
constituintes desses átomos, resultando em emissão de
radiações cujo comprimento de onda depende da
natureza do material constituinte do meio e da pressão
que se encontra o mesmo. O espectro luminoso
produzido pode se situar na região de luz visível ou na
região do ultravioleta. No caso da presença de
radiações ultravioletas no espectro gerado, elas podem
ser convertidas em luz visível através da excitação de
um material fluorescente presente no revestimento do
tubo.
O processo de partida pode ser rápido, como nas
lâmpadas fluorescentes que trabalham com baixa
pressão ou muito lento, que é o caso das lâmpadas de
alta pressão, levando vários minutos para completar a
partida. Por outro lado, se uma lâmpada de alta pressão
for desligada, o processo de religamento é ainda mais
lento, pois a pressão no interior do tubo é muito alta,
sendo necessário esperar o resfriamento da lâmpada,
FIGURA 3 – Lâmpada vapor de mercúrio
Quando a lâmpada é ligada, forma-se um arco elétrico
entre os eletrodos auxiliar e o principal mais próximo.
O arco aquece o gás, vaporizando o mercúrio, que
aumenta a pressão do gás no interior do tubo, a
corrente passa a circular entre os eletrodos principais.
O processo de partida pode levar vários minutos. O
reator em série é utilizado para limitar a corrente na
lâmpada e o capacitor paralelo tem por objetivo
corrigir o fator de potência do conjunto.
As lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão
produzem uma luz branca, com baixa definição de
cores. Sua alta eficiência luminosa e preço final,
garantem uma boa relação custo/beneficio o que a faz
uma das mais utilizadas no seguimento indústrial.
3.2 – Lâmpada de Luz Mista
A lâmpada de luz mista emprega os efeitos de
incandescência e descarga para produzirem luz. Consta
basicamente de uma lâmpada de vapor de mercúrio
com um filamento em série com um dos eletrodos
principais. A partida segue o mesmo princípio das
lâmpadas de vapor de mercúrio. Após a ionização do
gás, a corrente passa a fluir entre os eletrodos
principais e pelo filamento resistivo.
FIGURA 4 – Lâmpada de luz mista.
3
O filamento é dimensionado a limitar a corrente que
flui pelo tubo de descarga, dispensando o uso de reator
externo. As vantagens das lâmpadas de luz mista são
baixo custo inicial, pois dispensam o uso de reator e o
alto fator de potência (unitário).
3.3 – Lâmpada Vapor de Sódio
A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão consta de
um tubo de descarga com um eletrodo em cada
extremidade. O tubo de descarga contem gás xenônio,
mercúrio e sódio metálico e não existe neste caso o
eletrodo auxiliar. A partida é resultado da ionização do
gás no interior do tubo e exige altos pulsos de tensão,
da ordem do 1500V ou mais.
FIGURA 5 – Lâmpada vapor de sódio.
O dispositivo auxiliar possui, além do capacitor e do
reator limitador, também um ignitor cuja atuação está
limitada apenas a produção do pulso de partida.
As lâmpadas de vapor de sódio produzem um espectro
contínuo resultando na cor dourada. Estão entre as
lâmpadas mais eficientes disponíveis para uso
comercial, entretanto como apresentam um baixo
índice de reprodução de cores são utilizadas quase que
exclusivamente para iluminação de áreas externas.
4.0 – ENSAIOS
4.1 – Procedimentos Experimentais
As lâmpadas foram alimentadas através de uma fonte o
programável da Califórnia Instruments - modelo 5001i.
Utilizando-se esta fonte, defini-se através da sua
interface programável via microcomputador, as
diferentes características desejadas para os distúrbios
tais como amplitude do mergulho de tensão, tempo de
duração, entre outros. Uma vez estabilizada a
luminosidade da lâmpada sob teste é executada uma
sequencia de distúrbios pré-programados que
provocam diferentes variações na amplitude da tensão
e tempos de duração. A partir do sistema de aquisição
de dados WaveBook 516 - Iotech Instruments,
transdutores de corrente e tensão, software de
processamento de sinais DasyLab 4.0 - DasyTech ,
luxímetro YEW (com sinal digitalizado), são obtidos
resultados gráficos para a tensão, corrente e fluxo
luminoso para as diferentes condições operativas
testadas, conforme o seguinte roteiro:
1. Com a lâmpada acesa (após o processo de partida),
aplica-se uma subtensão com intensidade e tempo
controlados;
2. Verifica-se o comportamento da lâmpada;
3. Se não ocorrer o desligamento, aumentar o tempo
de duração e aplicar novamente o distúrbio,
sobrescrevendo o arquivo dos dados;
4. Repetir o item 3 até determinar o tempo máximo
que a lâmpada suporta as condições de subtensão;
5. Gravar resultados no arquivo de dados, para
construção curva de sensibilidade;
6. Diminuir a intensidade da subtensão (aumentar o
nível de tensão) e voltar ao item 1.
A figura 6 ilustra o arranjo experimental utilizado.
Para o estudo experimental do comportamento de
lâmpadas de descarga de alta pressão no contexto da
qualidade da energia elétrica foram selecionadas os
seguintes equipamentos e componentes:
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Fonte de alimentação programável Califórnia
Instruments, modelo 5001i ;
Sistema de aquisição de dados WaveBook 516,
IOtech;
Micro Computador IBM PC166;
Luxímetro YEW – escala 3000 lux;
Transdutores de corrente e tensão
Reatores (quando necessário);
Soquetes E – 27 / E – 40;
Lâmpadas Mista ( 160 -250-500 W);
Lâmpadas de Vapor de Mercúrio (80-125- 400W);
Lâmpada de Vapor de Sódio ( 400W).
Software de processamento de sinais DasyLab4.0,
DasyTec.
FIGURA 6 – Arranjo experimental
4.2 – Lâmpada de luz mista
Foram ensaiadas mistas de 160 W, 250 W e 500W de
diferentes fabricantes e todas apresentaram um
comportamento semelhante frente aos distúrbios na
tensão de alimentação. Apresenta-se portanto apenas os
resultados colhidos para uma das lâmpadas de 500W.
A título de ilustração apresenta-se na figura 7 o
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