Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) - CTISM

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
PROCESSO DE RECONHECIMENTO DE LÂMPADAS FLUORESCENTES BASEADO NA IMPEDÂNCIA INCREMENTAL
RICARDO N. MARCHESAN, ÁLYSSON R. SEIDEL, JOSÉ M. ALONSO*, MARCELO F. DA SILVA
Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) - CTISM - GSEC
*Universidad de Oviedo, DIEECS - Tecnología Eletrónica - ESPANHA
Av. Roraima, N. 1000, Prédio 5 - Bairro Camobi, Santa Maria - RS - 97105-900 - BR
Emails: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Abstract  Different works in the technical literature have presented different fluorescent lamp detection methods based on the
lamp static characteristics, such as lamp voltage and filament resistance. In the present work an alternative detection method is
introduced, based on the lamp dynamic characteristics, named incremental impedance. The incremental impedance phase angle is
used as the system main detection variable for different lamps. Therefore, a study of the relationship between the phase angle and
perturbation frequency was carried out. A difference between the phase shift values for different lamps was observed. This difference reduces the problems with value overlapping, which is present in other detection methods.
Keywords  incremental impedance, fluorescent lamp detection, electronic ballast
Resumo  Diferentes trabalhos na literatura apresentam o reconhecimento de lâmpadas fluorescentes por meio das suas características estáticas, como tensão na lâmpada e resistência dos filamentos. Neste trabalho é apresentado uma alternativa de reconhecimento de lâmpadas fluorescentes por suas características dinâmicas, chamada impedância incremental. A defasagem angular da
impedância incremental é utilizada como variável de detecção do sistema para a identificação de diferentes lâmpadas. Desta forma, realizou-se um estudo sobre a relação entre a defasagem angular e a frequência de perturbação. Percebeu-se um distanciamento de valores entre diferentes lâmpadas. Este distanciamento evita o problema de sobreposição enfrentado por outros meios
de reconhecimento de lâmpadas.
Palavras-chave  impedância incremental, reconhecimento de lâmpadas fluorescentes, reator eletrônico
lo de tempo. A proximidade dos valores de resistência dos filamentos das lâmpadas diminui a precisão e
a confiabilidade do método, o que torna difícil identificar diferentes LFs.
Os autores em Lee et al (2009) apresentam dados de diversas lâmpadas, mostrando a impossibilidade do reconhecimento de uma variedade de LFs
baseado somente em uma variável. Neste contexto,
os autores propõem utilizar a resistência dos filamentos, após o pré-aquecimento, juntamente com a tensão RMS da LF, possibilitando assim identificar uma
ampla variedade de lâmpadas das famílias T5, T8 e
T12.
Embora existam trabalhos relacionados a este
assunto na literatura técnica, não existe uma metodologia para o reconhecimento de LFs através de suas
características dinâmicas. Com isso, uma metodologia de reconhecimento de lâmpadas através da impedância incremental (Zi), ou resposta de pequenos
sinais, será avaliada neste trabalho.
A seção 2 apresenta a metodologia desenvolvida
para a aquisição de dados e identificação de diferentes LFs. A seção 3 apresenta os resultados experimentais. A seção 4 apresenta a conclusão do trabalho.
1 Introdução
O reconhecimento automático de lâmpadas fluorescentes (LFs) representa uma alternativa para a
redução do estoque de reatores eletrônicos e suas
respectivas LFs, principalmente em âmbito industrial. A flexibilidade de uso de um reator capaz de reconhecer diferentes LFs possibilita utilizar um único
modelo em grandes quantidades. Desta forma, o
objetivo central deste trabalho é o desenvolvimento
de um método de reconhecimento de LFs para emprego em reatores automáticos.
A metodologia de identificação das LFs consiste
em adquirir o valor de uma ou mais variáveis da
mesma como, por exemplo, a resistência dos filamentos de uma LF desconhecida ligada a um circuito
com respostas conhecidas. Este valor de resistência é
comparado com um conjunto de valores tabelados
para diversas lâmpadas, comparando o valor da variável obtida com relação a uma lâmpada específica.
Em Lee et al (2005) a tensão sobre a LF é utilizada para identificar outros modelos de lâmpadas da
família T8 e T12, com diferentes potências nominais.
Em Naravatana (2008) o autor utiliza a frequência de
comutação como variável de controle e como variável de identificação para lâmpadas T8. Estes métodos
utilizam apenas uma variável de comparação. Já em
Jia et al (2012) é apresentado um método para identificar LFs das famílias T8 e T5 sem ignição. Este
método utiliza a variação da frequência durante o
intervalo de pré-aquecimento, além de obter a resistência dos filamentos da lâmpada no mesmo interva-
2 Metodologia de Identificação
Nesta seção é apresentado o processo de medida
da impedância incremental, bem como o circuito
simplificado utilizado para realizar tal medida.
3083
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2.1 Teoria de Identificação
O processo de reconhecimento através da Zi, caracteriza-se pelas seguintes etapas: ignição da LF,
geração de perturbação e leitura da resposta à perturbação.
Deng (1997) define que Zi é a razão entre os pequenos sinais de perturbação que modulam a tensão e
corrente de descarga, respectivamente. Matematicamente, Zi é definido por (1).
vˆ
Zi ( jm)  m
iˆ
Figura 2 - "Um gráfico típico da impedância incremental
Zi(s) no plano complexo" Adaptado de: (Deng, 1997:p.3).
(1)
2.1.1 Geração de Perturbação
A perturbação é gerada a partir da modulação
por amplitude (AM) do sinal de tensão da descarga.
Parte da resposta a essa perturbação corresponde a
defasagem angular entre a tensão e a corrente da
descarga. A Figura 1 ilustra a defasagem angular, e a
Figura 3 apresenta as formas de onda da tensão e da
corrente de descarga para uma LF PHILIPS T5HO
de 39W.
O ângulo de defasagem é dependente da frequência de modulação, como apresentado em (Deng,
1997), (Herrick, 1980), (Diaz et al, 2009) entre outros.Desta forma, um estudo sobre a relação entre
frequência de modulação e defasagem angular, para
diferentes lâmpadas, é apresentado na Seção de Resultados Experimentais.
Onde:
v̂ - amplitude da tensão de perturbação;
iˆ - amplitude da corrente de perturbação;
m - defasagem angular entre v̂ e iˆ .
Estas grandezas são ilustradas na Figura 1. Esta
figura apresenta uma ilustração da forma de onda de
tensão e corrente da descarga de uma LF.
Figura 1 - Representação das características da impedância
incremental.
Existem diferentes modelos de Zi na literatura,
como apresentados em (Diaz et al, 2009) e (Alonso
et al, 2007). Como descrito em (Deng, 1997), uma
função de transferência bilinear é capaz de representar satisfatoriamente, na maioria dos casos, as características da lâmpada.
O gráfico da Figura 2 ilustra a função bilinear
representativa do modelo de Zi. Neste gráfico, a
distância entre a origem e um ponto na curva representa a magnitude da impedância para uma determinada frequência de perturbação. Gráficos similares
são encontrados em (Ribas et al, 2001), (Herrick,
1980), (Diaz et al, 2009) entre outros.
A defasagem angular entre tensão e corrente da
descarga em baixa frequência é a principal característica observada da Zi, ilustrada na Figura 1. Esta característica é utilizada, neste trabalho, como variável
de detecção da LF.
Figura 3 - Formas de onda (40 µs/div) de tensão (azul, 100
V/div) e corrente (verde, 100 mA/div) de descarga para LF
T5HO 39W, com modulação AM em 10 kHz.
O circuito da Figura 4 foi utilizado para acionar
as LFs testadas. O reator eletrônico é composto por
um estágio de potência e um estágio de controle. O
estágio de potência é constituído por um filtro ressonante acoplado à um inversor meia ponte. O estágio
de controle é constituído por um driver isolado, um
microcontrolador e circuitos auxiliares discretos.
Devido à configuração do circuito, a modulação
AM é obtida por uma modulação por frequência
(FM). A modulação FM é aplicada nos interruptores
S1 e S2.
A variação da frequência de comutação faz com
que o filtro ressonante opere com diferentes ganhos
de tensão, gerando a oscilação de amplitude desejada
na carga.
A amplitude de variação da frequência de comutação (Δfs) é diretamente proporcional à amplitude da
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as LFs testadas não operem acima da potência nominal.
modulação AM. A relação exata é dada pela curva de
ganho do filtro ressonante. Entretanto, esta relação é
difícil de ser obtida, uma vez que a curva de ganho
do filtro é uma função da resistência equivalente da
LF, e esta varia entre diferentes modelos.
3.1.1 Protótipo Desenvolvido
A Tabela 1 apresenta os componentes utilizados
no protótipo, bem como as definições de projeto e
modulação. Um circuito baseado na Figura 4 foi
desenvolvido. O oscilador RC do IC IR2153 foi
substituído por um circuito auxiliar capaz de gerar
sinais de gate, nos interruptores do inversor, simétricos e modulados em FM. Um gerador de funções foi
utilizado.
Tabela 1 - Componentes e parâmetros utilizados
Figura 4 - Circuito simplificado do reator utilizado.
Componentes
2.1.2 Leitura de Resposta à Perturbação
Cbus
Capacitor Série Filtro LCC
Interruptores Inversor
Indutor Série Filtro LCC
Capacitor Paralelo Filtro LCC
Driver
A leitura da resposta à perturbação é dada pela
medição de ɸm. Esta medição pode ser realizada de
forma manual ou de forma automatizada. A forma
manual envolve o cálculo do ângulo baseado na
Figura 3. A forma automatizada envolve o emprego
de dispositivos programáveis.
O emprego de dispositivos programáveis é justificado pelo nível de complexidade dos sinais a serem
medidos, juntamente com a flexibilidade inerente
com o uso deste dispositivo.
A tensão de descarga, VD, e a corrente de descarga, ID, foram medidas nos pontos especificados na
Figura 4.
160uF
22 nF
IRF 820
3,49 mH
8,2 nF
IR2153
Parâmetros
Frequência Portadora (fp)
Desvio de Frequência (Δfs)
Potência de descarga
36 kHz
1,5 kHz
32 W
Equipamentos Utilizados
Ponteira Diferencial
de tensão
Ponteira de Corrente
3 Resultados Experimentais
Osciloscópio
Gerador de Funções
3.1 Caracterização das Lâmpadas
Foram testadas 3 lâmpadas da família T5 HO e 3
lâmpadas T8, para 7 diferentes frequências de modulação (0.5, 1, 2, 3, 4, 5 e 10 kHz). O valor de Δfs
determina a amplitude da perturbação. Como a perturbação deve excitar a característica de pequenos
sinais da descarga, o valor de Δfs foi determinado por
volta de 5% da frequência de portadora.
As medidas de defasagem e tensão foram realizadas de forma manual, a partir da Figura 3. Esta
figura apresenta a tela do osciloscópio utilizado, com
a característica de persistência ativada. Esta característica possibilita a sobreposição de várias formas de
onda na frequência portadora. Esta sobreposição
permite uma reconstrução mais precisa da forma de
onda envoltória.
Dois testes foram realizados, com tensão de barramento (Vbus) constante a 300 V, e com a potência
da LF constante em 32 W. Os dados foram adquiridos após a estabilização da LF, ou seja, em regime
permanente. Os parâmetros escolhidos para os testes,
tensão constante e potência constante, certificam que
Tektronix P5200
Tektronix TCP312
TCPA300
Tektronix DPO2014
RIGOL DG1022
+
3.1.2 Tensão de Barramento Constante
O gráfico da Figura 5 apresenta os dados das
LFs adquiridos com tensão de barramento constante
em 300 V. Este valor foi escolhido seguindo trabalhos já publicados para as lâmpadas T5 (Lopes et al,
2012). Este teste visa a determinar o comportamento
de ɸm para diferentes valores de fmod.
Algumas curvas da Figura 5 apresentam uma característica decrescente para fmod acima de 1 kHz,
entretanto, todas apresentam esta característica a
partir de 2 kHz. Esta característica pode ser observada em (Herrick, 1980), (Ribas et al, 2000), (Deng,
1997).
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180
Ângulo de Defasagem (graus)
T5HO49W/840
160
T5HO39W/840
140
T5HO54W/840
T8 FO 32W
120
T8 FO 36W
100
90
80
T8 FO 58W
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Frequencia de Modulação (kHz)
Figura 5 - Defasagem angular para LF com tensão de barramento constante em 300 V.
Ângulo de Defasagem (graus)
180
T5HO49W/840
160
T5HO39W/840
140
T5HO54W/840
T8 FO 32W
120
T8 FO 36W
100
90
80
T8 FO 58W
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
9
10
Frequencia de Modulação (kHz)
Figura 6 - Defasagem angular para LF com potência constante em 32 W.
400
Tensão de barramento (Volts)
380
360
T5HO49W/840
340
T5HO39W/840
320
T5HO54W/840
300
T8 FO 32W
280
260
T8 FO 36W
240
T8 FO 58W
220
200
0
1
2
3
4
5
6
7
Frequencia de Modulação (kHz)
Figura 7 - Tensão de barramento para LF com potência constante em 32 W.
3086
8
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Ao analisar a parcela de 0.5 a 3 kHz, detalhada
na Figura 8, nota-se que as LFs T5 apresentam uma
defasagem mais elevada em comparação as LFs T8,
para a mesma frequência. As LFs apresentam, ainda,
diferentes curvas características. Existem pontos de
sobreposição (por exemplo, ponto P1 e P2), os quais
inviabilizam o processo de reconhecimento com
apenas uma aquisição.
Um exemplo é a sobre posição das LFs T5HO de
39 e 54 W em 2kHz (Figura 8). Para diferentes valores de fmod, como 0,5 e 1 kHz, as curvas apresentam
valores diferentes, possibilitando o reconhecimento
destas lâmpadas.
Com isso, a determinação de ɸm para três valores
diferentes de fmod é proposta, juntamente com uma
análise da variação de ɸm entre estes valores. As LFs
podem ser diferenciadas pela utilização de um algoritmo de separação por lógica fuzzy similar ao utilizado por Lee et al (2009), ou por uma função peso,
utilizada por Naravatana (2008).
180
160
Ângulo de Defasagem (graus)
140
120
P1
100
P2
80
60
T5HO49W/840
T5HO39W/840
T5HO54W/840
T8 FO 32W
T8 FO 36W
T8 FO 58W
40
20
0
0
3.1.3 Potência na LF Constante
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Frequencia de Modulação (kHz)
O gráfico da Figura 6 apresenta os dados das
LFs adquiridos com uma potência constante em 32
W. O gráfico da Figura 7 apresenta os valores para
Vbus ao longo da faixa de modulação.
Diferentemente do teste com tensão constante,
este teste visa estudar o comportamento da Zi em
relação à frequência de modulação quando um corretor de fator de potência (CFP) com característica de
fonte de potência é empregado. O emprego de um
CFP é justificado pelas normas de qualidade de energia vigentes, que limitam o espectro de harmônicos
injetados na rede por dispositivos eletrônicos.
A variação da impedância total da LF influencia
no valor de Vbus necessário para a manutenção da
potência. Neste contexto, o valor de Vbus também
pode ser utilizado para o reconhecimento de LFs.
Os valores do gráfico da Figura 9 também apresentam sobreposições em algumas frequências. Neste
caso, a mesma metodologia apresentada no teste de
Tensão de Barramento Constante pode ser empregada nestes dados.
Figura 8 - Detalhamento de medidas de defasagem para tensão de barramento constante.
180
160
Ângulo de Defasagem (graus)
140
120
100
80
60
T5HO49W/840
T5HO39W/840
T5HO54W/840
T8 FO 32W
T8 FO 36W
T8 FO 58W
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Frequencia de Modulação (kHz)
Figura 9 - Detalhamento de medidas de defasagem para
potência constante.
3087
3
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ou seja, com sua temperatura estabilizada. Durante as
medições, as LFs apresentaram uma variação na
medida de ɸm entre lâmpada fria e quente.
As curvas da Figura 12 apresentam sobreposições em diversos pontos. Entretanto, somente as LFs
OSRAM FO 32W T8 e OSRAM LUMILUX 36W
T8 apresentam valores de ɸm próximos e curvas com
mesma tendência.
A Figura 11 apresenta uma foto do protótipo desenvolvido. A placa de avaliação EK-TM4C123GXL
é utilizada neste protótipo.
400
Tensão de barramento (Volts)
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Frequencia de Modulação (kHz)
T5HO49W/840
T5HO39W/840
T5HO54W/840
T8 FO 32W
T8 FO 36W
T8 FO 58W
Figura 10 - Detalhamento de Vbus para potência constante.
3.2 Protótipo de Medição Automático
Figura 11 - Foto do protótipo de medição automático.
3.2.1 Constituição do Protótipo
4 Conclusão
O método de reconhecimento é verificado pelo
desenvolvimento de um protótipo capaz de realizar a
medida de ɸm.
O circuito de potência do protótipo é similar ao
da Figura 4, composto de um inversor meia-ponte
alimentado por uma fonte CC constante, e um filtro
LCC conectado à lâmpada. Os valores dos componentes são os descritos na Tabela 1. O circuito de
driver dos interruptores é implementado utilizando o
CI L6348D. O MCU gera os sinais de comando dos
interruptores e é responsável pela modulação.
O processo de medição de ɸm é realizado pelo
MCU, por meio de medição e processamento da
tensão e corrente da LF. A tensão da LF é medida
por meio de um divisor resistivo enquanto a corrente
de descarga é medida por um transformador de corrente.
Os valores de fmod escolhidos para este teste foram de 0.5, 1 e 2 kHz, pois os valores de ɸm apresentam maior diferença nesta faixa de modulação.
Os dados apresentados mostram a viabilidade de
identificação de LFs a partir das características dinâmicas. Estes dados apresentam menor influencia
da sobreposição de valores entre LFs em comparação
com outros métodos de reconhecimento.
O protótipo apresentou resultados satisfatórios,
apresentando diferenças entre as curvas de diferentes
LFs. Desta forma, os resultados do protótipo confirmam a metodologia proposta.
Trabalhos futuros incluem testes com uma fonte
de potência, bem como testes com um maior número
de lâmpadas. Trabalhos aplicando diferentes métodos
de redução do fluxo luminoso também podem ser
desenvolvidos.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelos governos Brasileiro e Espanhol por médio das seguintes ajudas de
pesquisa: CEEE-D, CNPq, CAPES/DGU 249-11 e
DGPU PHB2010-0145.
3.2.2 Resultados do Protótipo
Os valores de ɸm medidos pelo protótipo para o
teste de tensão de barramento constante são apresentados em Figura 12. Estes pontos representam o valor
de ɸm para as LFs operando em regime permanente,
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180
170
160
150
140
Ângulo de Defasagem (graus)
130
120
110
100
90
80
70
60
50
OSRAM LUMILUX 36W T8
40
OSRAM LUMILUX 58W T8
30
OSRAM LUMILUX 49W TL5 HO
OSRAM LUMILUX 39W TL5 HO
20
OSRAM FO 32W T8
10
PHILIPS MASTER 54W TL5 HO
0
0.5
1
1.5
2
Frequencia de Modulação (kHz)
Figura 12 - Valores experimentais de ɸm obtidos com o protótipo de medição automático.
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