Dissertação

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS – GRADUAÇAO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E
AMBIENTAL
LÂMPADAS TUBULARES LED X FLUORESCENTES – ESTUDOS
DE VIABILIDADE, NA PERSPECTIVA DA QUALIDADE DA
ENERGIA E EFICIÊNCIA ELÉTRICA
RAUL VITOR ARANTES MONTEIRO
PROF. DR. BISMARCK CASTILLO CARVALHO
Orientador
CUIABÁ-MT
Fevereiro, 2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS – GRADUAÇAO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E
AMBIENTAL
LÂMPADAS TUBULARES LED X FLUORESCENTES – ESTUDOS
DE VIABILIDADE, NA PERSPECTIVA DA QUALIDADE DA
ENERGIA E EFICIÊNCIA ELÉTRICA
RAUL VITOR ARANTES MONTEIRO
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de
Edificações
e
Ambiental
da
Universidade Federal de Mato Grosso,
como requisito para a obtenção do
título de mestre.
PROF. DR. BISMARCK CASTILLO CARVALHO
Orientador
CUIABÁ-MT
Fevereiro, 2015
Dedico este trabalho aos meus pais em igual escala.
Por serem fontes inspiradoras, exemplos de dedicação e trabalho e, pela paciência,
amor e carinho que sempre teve comigo e minhas irmãs.
Agradecimentos

Em primeiro lugar agradeço o meu orientador, Professor Doutor Bismarck
Castillo Carvalho, pela humildade, destreza e sabedoria de enxergar potencial
onde a maioria não enxerga e me deu a oportunidade de realizar este trabalho e a
chance de obter este título.

Agradeço ao meu grande amigo, Professor Mestre (ainda) André Luis Amorim
da Fonseca, que sempre me defendeu, acreditou em mim e teve a ideia do
primeiro artigo que desencadeou este trabalho.

A Paula Dornelles Martins Monteiro, que teve paciência comigo nos momentos
mais difíceis e sempre me faz olhar os aspectos positivos mesmo quando as
dificuldades são grandes.

Ao professor Doutor Arnulfo Barroso de Vasconcellos, grande pesquisador,
corumbaense e incentivador que sempre quando estava disponível não mediu
esforços a me ajudar a confeccionar este trabalho.

Ao professor Doutor Fabrício Parra Santilho, que foi de GRANDE ajuda nos
procedimentos voltados às simulações computacionais e medições em
laboratório.

Ao professor Doutor Roberto Apolônio, que gentilmente cedeu o laboratório e
os instrumentos de pesquisas que utiliza para a confecção deste trabalho.

Ao professor Doutor Laerte Pinhedo, pela amizade e exemplo de profissional
tanto para mim quanto para o meu falecido pai.

Ao professor Doutor Fernando Nogueira de Lima e ao professor Doutor Adeon
Cecílio Pinto, que gentilmente aceitaram o convite para participar da avaliação
deste trabalho e desprenderam seus respectivos tempos para essa tarefa.

Ao meu amigo Edumar Campelo que me deu todo o suporte para que eu tivesse
tempo para realizar esta pesquisa.

A todos aqueles que torceram por mim.
Resumo
LÂMPADAS TUBULARES LED X
FLUORESCENTES – ESTUDOS DE VIABILIDADE, NA
PERSPECTIVA DA QUALIDADE DA ENERGIA E EFICIÊNCIA
ELÉTRICA. Cuiabá, 2015. Dissertação de mestrado do Programa de Pós-Graduação
MONTEIRO,
R.
V.
A.
em Engenharia de Edificações e Ambiental. FAET - Faculdade de Arquitetura
Engenharia e Tecnologia, Universidade Federal de Mato Grosso.
Este trabalho apresenta um estudo realizado sobre a substituição de lâmpadas
fluorescentes tubulares para iluminação de interiores por lâmpadas LED (light emitting
diode) tubulares. O trabalho aborda a eficiência elétrica alcançada com a substituição,
tomando por base o sistema de tarifação no Brasil denominado de “Bandeiras
Tarifárias”, cuja implantação está prevista para 2015. Também é abordada a qualidade
da energia elétrica, focando as distorções das formas de onda de tensão e corrente. Para
tanto, é avaliado o desempenho da lâmpada tubular do tipo T8: lâmpada fluorescente
tubular de 20 W e lâmpadas LED tubulares de 10 W. Estas lâmpadas, apesar das
potências nominais diferentes, apresentam as mesmas dimensões físicas, motivo pelo
qual podem ser substituídas indistintamente sem a necessidade de mudança ou
adequações das luminárias. Após a montagem de um arranjo laboratorial com as
lâmpadas selecionadas foram efetuadas medições e realizadas análises. Os estudos
permitiram constatar que o alto investimento que seria necessário para a substituição em
grande escala de lâmpadas fluorescentes tubulares por suas equivalentes de LED não se
mostrou atrativo do ponto de vista financeiro. Para chegar a esta constatação foram
efetuados cálculos seguindo as orientações constantes do manual denominado
“Procedimentos do Programa de Eficiência Energética – PROPEE – Módulo 7 –
Viabilidade Econômica”, proposto pela Agência Nacional de Energia Elétrica –
ANEEL. De outro lado quando analisada a qualidade da energia elétrica, foi alcançado
um resultado satisfatório, uma vez que os níveis de distorções de tensão e corrente
elétrica das lâmpadas tubulares LED se mostraram inferiores àquelas provocadas pelo
reator eletrônico utilizado no acionamento da lâmpada tubular fluorescente. Sob o
aspecto ambiental, devido a não serem empregados elementos sabidamente poluentes do
meio ambiente tais como mercúrio e sódio na fabricação das lâmpadas LED, este tipo
de fonte de luz artificial é menos prejudicial ao meio ambiente do que as fluorescentes
quando do descarte das mesmas. Complementarmente aos estudos experimentais, são
apresentados estudos computacionais realizados com um modelo computacional
desenvolvido para a lâmpada LED estudada. O modelo encontra-se devidamente
validado com os resultados experimentais realizados com a lâmpada. Desta forma
disponibiliza-se uma ferramenta que poderá ser utilizada futuramente para previsões dos
efeitos dessas lâmpadas na rede elétrica. Na parte final do trabalho é apresentado o
resultado de estudos luminotécnicos conduzidos de acordo com a NBR 5382 Verificação de iluminância de interiores, que apontam para um desempenho pouco
superior das lâmpadas tubulares fluorescentes comparativamente aos modelos LED
utilizados nesta pesquisa.
Palavras – chave: Lâmpada tubular LED, lâmpada tubular fluorescente, eficiência
elétrica, qualidade da energia elétrica, viabilidade econômica, simulação computacional.
Abstract
MONTEIRO, R. V. A. LED TUBE LAMPS X FLUORESCENT LAMPS -
FEASIBILITY STUDIES, IN THE PERSPECTIVE OF POWER
QUALITY AND ELECTRICAL EFFICIENCY. Cuiabá, 2014. Dissertation
from Master's Program Graduate Engineering and Environmental Building. FAET Faculty of Engineering Architecture and Technology, Federal University of Mato
Grosso.
This work presents a study carried out on the replacement of fluorescent tubes for
interior lighting LED (light emitting diode) tubular lamps. The work addresses the
electrical efficiency achieved by replacing, based on the charging system in Brazil
called "Tariff Flags", which it is scheduled for 2015. Also the power quality is
discussed, focusing on the distortion of voltage and current waveforms. Therefore, is
evaluated the performance of tubular lamp T8 type: tubular fluorescent lamp 20 W and
LED tube of 10 W. These lamps, despite the different power ratings, have the same
physical dimensions, why can be replaced without distinction without the need to
change or adaptations of the luminaires. After mounting a laboratory arrangement with
selected lamps measurements were taken and analyzed. The studies showed evidence
that the high investment that would be required for large-scale replacement of
fluorescent tubes for its LED equivalent was not attractive from a financial point of
view. In reaching this finding were made calculations following the manual guidelines
set called "Energy Efficiency Program Procedures - PROPEE - Module 7 - Economic
Viability", proposed by the National Electric Energy Agency - ANEEL. On the other
hand when analyzing the power quality, a satisfactory result was achieved, since the
levels of voltage and electric current distortions of tubular LED lamps are inferior to
those caused by electronic ballast used in the drive for tubular fluorescent lamp. From
an environmental aspect, because they are not known elements employed environmental
pollutants such as mercury and sodium in manufacturing LED lamps, this type of
artificial light source is less harmful to the environment than fluorescent on disposal of
the same. In addition to experimental studies are presented computational studies of a
computational model developed for the study LED lamp. The model is validated with
experimental results obtained with the lamp. Thus there is provided a tool that can be
used in the future to forecast the effects of these lamps in the power grid. In the final
part the work presents the results of luminotechnical studies conducted according to
NBR 5382 - Illuminance Interior Verification, pointing to a little superior performance
of tubular fluorescent lamps compared to the LED models used in this research.
Keywords: LED tube lamps, fluorescent tube lamps, electrical efficiency, power
quality, economic viability, computational simulation.
Lista de Figuras
Figura 1- Ciclo trigonométrico das frequências fundamentais das fases A, B e C e seu
sentido de rotação ........................................................................................................... 27
Figura 2 - Ciclo trigonométrico de sequência zero das tensões harmônicas das fases A,
B e C ............................................................................................................................... 27
Figura 3 - Ciclo trigonométrico de sequência negativa das tensões harmônicas das fases
A, B e C .......................................................................................................................... 28
Figura 4 - Ciclo trigonométrico de sequência positiva das tensões harmônicas das fases
A, B e C .......................................................................................................................... 29
Figura 5 - Distúrbios na forma de onda de tensão relacionados à qualidade da energia
elétrica ............................................................................................................................ 37
Figura 6 - Classificação dos LEDs quanto à suas características e potência ................. 38
Figura 7 - Processo de emissão de luz de um LED ....................................................... 40
Figura 8 - Formação da cor branca através de várias cores dos LEDs .......................... 40
Figura
9 - Faixa de espectro de radiação e as cores correspondentes a cada
comprimento de onda ..................................................................................................... 41
Figura 10 - Comprimentos de ondas realtivos às cores emitidas pelos LEDs ............... 41
Figura 11 - Cor branca sendo formada através da aplicação de fósforo no corpo do LED
e da emissão de um curto comprimento de onda na cor azul ......................................... 42
Figura 12 - Protótipo de LED de luz branca de alto brilho ........................................... 42
Figura 13 - Relação entre temperatura de junção e eficiência luminosa de LEDs ........ 43
Figura 14 - Relação entre a temperatura de junção do LED e a relação de luz emitida
por cores ......................................................................................................................... 44
Figura
15 - Variação nas curvas características de um diodo com a mudança de
temperatura ..................................................................................................................... 44
Figura 16 - Conversor linear de acionamento para dimerização ................................... 45
Figura 17 - Sinais PWM para controle de intensidade luminosa e cor ......................... 46
Figura 18 - Curva característica do um diodo em condução ......................................... 47
Figura 19 - Circuito equivalente de um LED ................................................................ 47
Figura 20 - Protótipo de lâmpada de LED utilizando componentes passivos ............... 50
Figura 21 - Proposta feita para a utilização de um reator eletrônico em paralelo com um
driver de uma lâmpada LED .......................................................................................... 51
Figura 22 - Conversor Buck .......................................................................................... 52
Figura 23 – Topologia do Conversor Boost................................................................... 53
Figura 24 – Topologia do conversor Buck – Boost ....................................................... 53
Figura 25 - Conversor Buck Quadrático ....................................................................... 54
Figura 26 - Conversor Cùk ............................................................................................ 55
Figura 27 - Conversor SÉPIC ........................................................................................ 55
Figura 28 - Conversor Zeta ............................................................................................ 55
Figura 29 - Conversor Flyback ...................................................................................... 56
Figura 30 - Conversor flyback com circuito corretor de fator de potência ................... 57
Figura 31 - Flyback com modulação PWM e controle de temperatura ......................... 58
Figura 32 - Composição da estrutura tarifária aplicada no Brasil até 2014 .................. 60
Figura 33 - Bandeiras tarifárias ..................................................................................... 62
Figura 34 - Subsistemas energéticos do Brasil .............................................................. 62
Figura 35 – Foto do analisador de energia elétrica MARH -21 e acessórios ................ 66
Figura 36 - Painel e conexões do analisador de energia elétrica MARH – 21 .............. 66
Figura 37 – Foto do Analisador Trifásico de Energia Fluke 434 e acessórios .............. 67
Figura 38 - Microcomputador para realização da leitura do MARH -21 através do
software ANAWIN ......................................................................................................... 68
Figura 39 - Amostra da biblioteca do ATPDraw ............................................................ 70
Figura 40 - Osciloscópio mostrando a forma de onda dos pulsos do circuito integrado
do driver da lâmpada LED ............................................................................................. 71
Figura 41 - Luxímetro digital MINIPA, modelo MLM – 1010..................................... 71
Figura 42 - Esquema de ligação para as medições em laboratório ................................ 73
Figura 43 - Esquema real de medição: a) vista geral e b) detalhe das luminárias ......... 74
Figura 44 - Analisador de energia FLUKE coletando dados......................................... 75
Figura 45 - Topologia do conversor CC/CC encontrado na L2 .................................... 75
Figura 46 - Método para medição de iluminância média de um ambiente.................... 76
Figura 47 - Distorção na forma de onda de tensão e corrente do sistema onde se
encontrava a lâmpada fluorescente acionada por reator eletrônico - Experimental. ...... 78
Figura 48 - Espectro harmônico de corrente da lâmpada “F” acionada por reator
eletrônico, correspondente à Figura 47........................................................................... 79
Figura 49 - Formas de onda de tensão e corrente de F através do analisador de energia
FLUKE. .......................................................................................................................... 80
Figura 50 - Distorção na forma de onda de tensão do sistema com a lâmpada L1 e
corrente de L1 - Experimental. ....................................................................................... 80
Figura 51 - Espectro harmônico de corrente de L1, correspondente à Figura 52.......... 81
Figura 52 - Forma de onda de tensão e corrente de L1 através do analisador de energia
FLUKE. .......................................................................................................................... 82
Figura 53 - Forma de onda de tensão e corrente de L2 - Experimental. ....................... 82
Figura 54 - Espectro harmônico de corrente de L2, correspondente à Figura 55.......... 83
Figura 55 - Formas de onda de tensão do sistema com a lâmpada L2 e corrente de L2
através do analisador de energia FLUKE ....................................................................... 84
Figura 56 - Formas de onda de tensão do sistema elétrico com o acionamento de F, L1
e L2 ................................................................................................................................. 84
Figura 57 - Formas de onda de corrente de F, L1 e L2 ................................................ 85
Figura 58 - Formas de onda de tensão do sistema elétrico e corrente elétrica do
acionamento conjunto de L1, L2 e F .............................................................................. 85
Figura
59 - Espectro harmônico de corrente do acionamento de F, L1 e L2 ,
correspondente à Figura 58............................................................................................. 86
Figura 60 - Formas de onda de tensão e corrente do acionamento de F, L1 e L2 juntas,
através do analisador de energia FLUKE ....................................................................... 87
Figura 61 – Circuito interno da lâmpada L2. ................................................................ 91
Figura 62 - Arranjo dos LEDs no circuito ..................................................................... 93
Figura 63 - Diagrama simplificado do driver da lâmpada L2 ....................................... 94
Figura 64 - Pulsos para acionamento da lâmpada LED em 127 volts ........................... 95
Figura 65 - Pulsos para acionamento da lâmpada LED em 220 volts ........................... 95
Figura 66 - Componente desenvolvido para funcionar como um Circuito Integrado ... 97
Figura 67 - Filtros de entrada e saída do Buck e resistores limitadores de corrente nos
LEDs ............................................................................................................................... 97
Figura 68 – Diagrama de blocos do circuito simulado separado em módulos ............ 101
Figura 69 - Estágio retificador do driver ..................................................................... 103
Figura 70 - Conversor Buck modelado no ATP .......................................................... 104
Figura 71 - Forma de onda de tensão de entrada simulada ......................................... 105
Figura 72 - Forma de onda da tensão de entrada com "ZOOM" ................................. 105
Figura 73 - Tensão RMS de entrada para 180 V ......................................................... 105
Figura 74 - Resultado dos pulsos devido a elevada frequência de chaveamento ........ 106
Figura 75 - "ZOOM" dos sinais pulsantes para o controle de chaveamento do transistor
do Buck ......................................................................................................................... 106
Figura 76 - Tensão de saída do conversor Buck .......................................................... 107
Figura 77 - Ondulação de tensão de saída do Buck ..................................................... 107
Figura 78 - Corrente de saída do conversor Buck........................................................ 108
Figura 79 - Ondulação da corrente de saída do conversor Buck ................................. 108
Figura 80 - Forma de onda de corrente elétrica da entrada do circuito109
Figura 81 - "ZOOM" do gráfico da Figura 82 ............................................................. 109
Figura 82 - Tensão e corrente elétrica - simulado ....................................................... 109
Figura 83 - Espectro harmônico de corrente elétrica de entrada resultante da simulação
...................................................................................................................................... 110
Figura 84 - a) Sala utilizada. b) Lâmpada ligada para medição. c) Luxímetro coletando
dados ............................................................................................................................. 112
Figura 85 – Planta baixa do ambiente onde foram feitas as análises luminotécnicas . 113
Lista de Tabelas
Tabela 1- Características das lâmpadas L1, L2 e F. ....................................................... 64
Tabela 2- Custo individual da lâmpada ........................................................................ 115
Tabela 3 - Valores de C utilizados conforme a Tabela para bandeira verde ................ 119
Tabela 4 - Valores de C utilizados conforme a Tabela para bandeira amarela ............ 119
Tabela 5 - Valores de c utilizados conforme a Tabela para bandeira vermelha ........... 119
Tabela 6 - Valores do consumo de energia e demanda coincidente e fator de carga ... 119
Tabela 7 - Valores de LP, LEs para k = 0,15 ............................................................... 120
Tabela 8 - Continuação Tabela 7 .................................................................................. 120
Tabela 9 - Valores dos “L’s” baseado na Tabela de fator de carga e k = 0,15 ............. 120
Lista de Quadros
Quadro 1 – Terminologia utilizada para identificar grandezas associadas à distorções de
tensão .............................................................................................................................. 25
Quadro 2 - Ordem, sequência e frequência de harmônicos ............................................ 26
Quadro 3 - Terminologia utilizada para desequilíbrios de tensão .................................. 30
Quadro 4 - Terminologia utilizada para identificar os indicadores de flutuação de tensão
........................................................................................................................................ 32
Quadro 5 - Classificação das Variações de Tensão de Curta Duração ........................... 33
Quadro 6 - Tipos de interrupções de curta duração ........................................................ 33
Quadro 7 - Tipos de afundamentos de tensão................................................................. 34
Quadro 8 - Tipos de elevação de tensão ......................................................................... 35
Quadro 9 - Variação de tensão de longa duração – Sobretensão.................................... 36
Quadro 10 - Variação de tensão de longa duração – Subtensão..................................... 36
Quadro 11 - Variação de tensão de longa duração – Interrupção sustentada ................. 36
Quadro 12- Quantidade de mercúrio existente por lâmpadas utilizadas em iluminação
pública ............................................................................................................................ 49
Quadro 13 - Equipamentos utilizados para montagem da pesquisa ............................... 64
Quadro 14 - Harmônicas ímpares de tensão elétrica resultante das medições ............... 88
Quadro 15 - Harmônicas ímpares de corrente elétrica resultante das medições ............ 88
Quadro 16 - Distorção total de corrente elétrica das lâmpadas em estudo ..................... 88
Quadro 17 - Valores de referência globais das distorções harmônicas totais (%) ......... 89
Quadro 18 - Comparação dos valores de referência com os valores encontrados de
DTT(%) .......................................................................................................................... 89
Quadro 19 - Comparação entre os DITT(%) encontrados nas medições e valores de
referência indicados pelo PRODIST - Módulo 8 ........................................................... 90
Quadro 20 - Resultados obtidos para o circuito Buck .................................................. 100
Quadro 21 - Quadro de iluminâncias medidas ............................................................. 113
Quadro 22 - Iluminância média calculada .................................................................... 114
Quadro 23 - Características elétricas e lumínicas das Lâmpadas analisadas ............... 114
Quadro 24 - Resultados ................................................................................................ 122
Sumário
1 Introdução .................................................................................................................. 18
1.1 Justificativa ........................................................................................................... 19
1.2 Objetivo geral ....................................................................................................... 21
1.2.1 Objetivos específicos...................................................................................... 21
2 Revisão bibliográfica ................................................................................................. 23
2.1 Qualidade da Energia Elétrica .............................................................................. 23
2.1.1 O que é Qualidade da Energia Elétrica?......................................................... 23
2.1.2 Principais perturbações encontradas nos sistemas elétricos ........................... 24
2.1.2.1 Harmônicos ................................................................................................. 25
2.1.2.2 Desequilíbrio de tensão ............................................................................... 30
2.1.2.3 Flutuação de tensão ..................................................................................... 31
2.1.2.4 Variações de tensão de curta duração ......................................................... 33
2.1.2.4.1 Interrupções de curta duração .................................................................. 33
2.1.2.4.2 Afundamentos de tensão ou Voltage Sags ............................................... 34
2.1.2.4.3 Elevação de tensão ou voltage Swells ...................................................... 35
2.1.2.5 Variação de tensão de longa duração .......................................................... 35
2.1.2.5.1 Sobretensões ............................................................................................. 35
2.1.2.5.2 Subtensões ................................................................................................ 36
2.1.2.5.3 Interrupções sustentadas ........................................................................... 36
2.1.2.6 Variações de frequência .............................................................................. 37
2.2 Características construtivas dos LEDs .................................................................. 38
2.2.1 Cores dos LEDs .............................................................................................. 40
2.2.2 Características elétricas dos LEDs ................................................................. 43
2.2.2.1 Circuito Equivalente de um diodo ............................................................... 46
2.2.3 O LED e o meio ambiente .............................................................................. 48
2.2.4 Circuitos de acionamentos LED - Drivers ..................................................... 51
2.2.4.1 Conversores CC-CC .................................................................................... 51
2.2.4.2 Conversor Buck ........................................................................................... 51
2.2.4.3 Conversor Boost .......................................................................................... 52
2.2.4.4 Conversor Buck–Boost ................................................................................ 53
2.2.4.5 Conversor Buck Quadrático ........................................................................ 54
2.2.4.6 Conversores Cùk, Zeta e SÉPIC .................................................................. 54
2.2.4.7 Conversor Flyback ...................................................................................... 56
2.3 Sistema Tarifário Brasileiro Atual e as Novas Bandeiras Tarifárias .................... 58
3 Materiais e Métodos .................................................................................................. 63
3.1 Materiais ............................................................................................................... 63
3.1.1. Equipamentos enfocados ............................................................................... 63
3.1.2 Instrumental utilizado ..................................................................................... 65
A1) Analisador de energia MAHR – 21.................................................................. 65
A2) FLUKE 434 ...................................................................................................... 67
A3) Microcomputador ............................................................................................. 68
A4) ATPDraw (ALTERNATIVE TRANSIENT PROGRAM) ................................... 68
A5) Osciloscópio Tektronix TDS 2004B ................................................................ 70
A6) Luxímetro digital.............................................................................................. 71
3.2 Metodologia .......................................................................................................... 72
a)
Estudos experimentais ..................................................................................... 72
b) Simulações computacionais ................................................................................ 75
c) Estudos luminotécnicos....................................................................................... 76
d) Estudos de Relação Custo Benefício – RCB ...................................................... 77
4 Estudos laboratoriais – resultados e análises .......................................................... 78
4.1 Ensaios realizados com as lâmpadas F, L1 e L2................................................... 78
4.1.1 Lâmpada Fluorescente - F .............................................................................. 78
4.1.2 Lâmpada LED – L1 ........................................................................................ 80
4.1.3 Lâmpada LED – L2 ........................................................................................ 82
4.2 Análises dos resultados alcançados ...................................................................... 87
5 Simulação computacional ......................................................................................... 91
5.1 Análise do circuito de driver da lâmpada tubular LED para a modelagem
matemática e validação computacional ...................................................................... 91
5.2 Modelagem matemática do conversor Buck ......................................................... 96
5.3 Implementação e validação computacional ........................................................ 101
5.4 Resultados parciais ............................................................................................. 110
6 Estudos luminotécnicos e viabilidade econômica ................................................. 112
6.1 Verificação de iluminância média ...................................................................... 112
6.1.2 Resultados obtidos sob a ótica lumínica ...................................................... 114
6.2 Eficiência elétrica considerando as novas bandeiras tarifárias a serem aplicadas no
Brasil em 2015 .......................................................................................................... 115
6.2.1 Estudo de relação da viabilidade econômica financeira da substituição de
lâmpadas fluorescentes tubulares por lâmpadas tubulares LED ........................... 115
6.2.2 Resultados parciais ....................................................................................... 121
7 Considerações finais ................................................................................................ 123
7.1 Sugestões para trabalhos futuros......................................................................... 125
Referências .................................................................................................................. 126
APÊNDICE A – PUBLICAÇÕES RELATIVAS AO TEMA DA DISSERTAÇÃO
...................................................................................................................................... 131
ANEXOS ..................................................................................................................... 133
18
1 Introdução
O
avanço
e
massificação
da
tecnologia
inserida
em
equipamentos
eletroeletrônicos, associado ao desenvolvimento da eletrônica de potência, fez com que
equipamentos de tecnologia mais recente, antes de acesso restrito, estejam cada vez
mais acessíveis à população. Dentre os avanços, merece destaque o surgimento dos
transistores eletrônicos e de potência, empregados nas substituições das válvulas, passo
decisivo na fabricação desses equipamentos eletroeletrônicos, possibilitando que fossem
adquiridos por uma parcela cada vez maior da população doméstica.
Esses componentes – transistores, que comumente funcionam como chaves em
circuitos de dispositivos eletrônicos, de outro lado, podem causar efeitos indesejáveis
nos sistemas elétricos de distribuição, quando do seu uso massivo. Como exemplo
pode-se citar as distorções na forma de onda de tensão e corrente da rede elétrica.
Desde a invenção da lâmpada incandescente desenvolvida por Thomas Edison
(1879), o objetivo era disponibilizar uma fonte de luz artificial, que possibilitasse
“ampliar” a luz do dia, para atividades laborais ou de lazer. Para esse objetivo, esse tipo
de lâmpada, por mais de um século foi a principal fonte luminosa utilizada em todas os
segmentos da sociedade.
Na última década, além das preocupações com a preservação do meio ambiente,
o aumento da eficiência de todo tipo de equipamento foi estabelecido como meta de
governos, de pesquisadores e de fabricantes. Dessa forma, a lâmpada incandescente,
apesar de seu passado brilhante, passou a ter contagem regressiva para sua substituição
por outras mais eficientes energeticamente.
Evidentemente, a busca de alternativas só foi possível com os grandes e rápidos
avanços tecnológicos, que possibilitaram o desenvolvimento e a produção em larga
escala de equipamentos mais eficientes, protelando ou até mesmo eliminando a
necessidade de construção de novas fontes de geração e transmissão, preservando assim
a natureza.
Nesse contexto, nos anos 60 é que surgem as primeiras lâmpadas LED (lighting
emitting diode), que passaram por inúmeras melhorias até que, nos anos 2000, se
apresentam como uma promessa de substituição às lâmpadas fluorescentes, compactas
e/ou tubulares, com menor consumo de energia elétrica e maior vida útil. Além desta
19
característica, as lâmpadas de LED atendem o apelo de preservação do meio ambiente,
por não precisar, em sua fabricação, de substâncias prejudiciais ao meio ambiente, como
por exemplo, o mercúrio utilizado em lâmpadas fluorescentes e vapor de mercúrio,
tornando-se por isso atrativa do ponto de vista da preservação do meio ambiente,
quando do descarte das mesmas. Além de possuir maior vida útil do que as demais
lâmpadas convencionais (fluorescentes compactas e tubulares e, incandescentes) as
lâmpadas de LED comparadas às fluorescentes compactas ou tubulares, não necessitam
de reator adicional para o seu acionamento, no entanto, necessitam de um circuito de
acionamento denominado driver.
O driver é um dos estágios no circuito de operação das lâmpadas LED, que tem
o papel de interface entre a rede elétrica e o LED propriamente dito. Dessa forma,
depreende-se que existem diversas topologias de drivers de lâmpadas de LED, em suma
dotados de transistores funcionando como chave o que ocasiona distorções nas formas
de onda de tensão e corrente.
O uso da tecnologia LED vem crescendo significativamente em muitos países,
inclusive no Brasil, e a sua crescente inserção no mercado de iluminação traz possíveis
impactos indesejáveis ao sistema elétrico, principalmente devido à importação de
lâmpadas nem sempre com a devida preocupação técnica. Pretende-se com este estudo
avaliar a viabilidade econômica na substituição de lâmpadas fluorescentes tubulares
acionadas com reatores eletrônicos por lâmpadas tubulares de LED, assim como a
contribuição dessas lâmpadas nas distorções harmônicas.
1.1 Justificativa
Em 1984 foi criado o Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), inicialmente
de caráter voluntário, que consiste na realização de testes em equipamentos,
classificando-os em uma escala de nível de desempenho, incentivando o
aperfeiçoamento constante dos mesmos.
Em 1985 criou-se o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PROCEL, cujas ações iniciais consistiram na publicação e distribuição de manuais
destinados à orientação para propiciar a conservação de energia elétrica em todos os
setores da sociedade (MME, 2011).
20
Contudo, somente em 24 de julho de 2000 foi promulgada a lei nº 9.991 que
torna obrigatório os investimentos, por parte das concessionárias e permissionárias de
distribuição de energia elétrica, em projetos de eficiência energética no uso final. Foi
estabelecido um percentual de 0,5% da receita operacional líquida (ROL) das
concessionárias, fato que alavancou o processo de renovação de equipamentos com a
substituição de lâmpadas, geladeiras, e mais recentemente, motores elétricos. Essa lei,
portanto, contribuiu para a consolidação da destinação de recursos financeiros
significativos ao chamado Programa de Eficiência Energética das Concessionárias de
Distribuição de Energia Elétrica (PEE), que aplicou, até os dias atuais, um montante de
R$ 2 bilhões em investimentos realizados e em execução (MME, 2011).
Apesar de todas as medidas adotadas, a obrigatoriedade do cumprimento da lei
nº 9.991 foi estabelecida apenas em 2008, por meio da resolução normativa nº 300 da
ANEEL que, além, de tornar a lei obrigatória, estabelece critérios para a aplicação dos
programas de eficiência energética no Brasil.
No ano de 2001, o Brasil experimentou a sua maior crise energética que ficou
nacionalmente conhecida como o apagão, denominação dada devido às diversas faltas
de energia que ocorreram no sistema elétrico nacional e que deixaram sem suprimento
de energia elétrica cidades ou até regiões inteiras, como por exemplo, a cidade São
Paulo.
O aumento do poder aquisitivo da população brasileira, que possibilitou um
maior acesso a eletrodomésticos e o aquecimento do setor industrial no país, aliado à
falta de planejamento e investimentos no setor elétrico, além da redução dos Quadros
das empresas do setor objetivando reduzir gastos, fora alguns dos principais motivos
que culminaram na crise do setor elétrico brasileiro. Naquela ocasião de forma
emergencial, o governo brasileiro adotou medidas para contenção do consumo,
estabelecendo que consumidores residenciais que consumissem energia superior a 100
kWh de energia por mês seriam penalizados com o acréscimo de sua fatura de energia,
ou podendo até mesmo ter o fornecimento suspenso. Consumidores com consumo
acima de 200 kWh de energia elétrica receberiam uma sobretaxa de 50% no valor do
consumo excedente a este valor e os que consumissem acima de 500 kWh receberiam
uma segunda sobretaxa de 200% no excedente deste último valor.
Outras medidas adotadas por parte da população, para amenizar a crise, foram
relacionadas à eficiência energética por meio da troca de equipamentos antigos,
comumente menos eficientes, por outros mais eficientes, tais como a substituição de
21
lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes e desligamentos de aparelhos
eletrodomésticos em determinadas horas do dia.
Nesse contexto, as lâmpadas tubulares de LED surgem com a promessa de
contribuir para a diminuição do consumo e demanda de energia elétrica, justificando a
análise dos efeitos que essas lâmpadas tubulares de LED causam no sistema elétrico de
distribuição e da viabilidade econômica da substituição de lâmpadas tubulares
fluorescentes por lâmpadas tubulares de LED, uma vez que estão disponíveis no
mercado para uso.
1.2 Objetivo geral
Esta pesquisa tem como objetivo geral avaliar a viabilidade econômica da
substituição de lâmpadas fluorescentes tubulares acionadas com reator eletrônico por
uma lâmpada tubular LED de mesmas dimensões físicas, porém de menor potência. A
pesquisa tem também como foco avaliar o impacto sobre a qualidade da energia elétrica
provocado por estes dois tipos de fonte luminosa: tubular de LED e lâmpada tubular
fluorescente, considerando as distorções de tensão e corrente.
1.2.1 Objetivos específicos
Para que esta pesquisa seja realizada são necessários:
1) Levantar as principais características construtivas das lâmpadas de LED,
particularmente no que se refere aos circuitos de acionamento ou drivers
como são comumente conhecidos;
2) Identificar os tipos de drivers de maior utilização por parte de fabricantes de
lâmpadas tubulares LED, disponíveis no mercado para iluminação de
interiores;
3) Analisar e comparar o nível de distorções harmônicas das lâmpadas
tubulares fluorescentes acionadas por reatores eletrônicos e lâmpadas
tubulares LED, no que tange às distorções nas formas de onda de tensão e
corrente elétricas;
4) Calcular a viabilidade econômica da substituição de lâmpadas fluorescentes
tubulares com reatores eletrônicos por lâmpadas tubulares de LED em
função da eficiência elétrica dessa substituição;
22
5) Modelar computacionalmente uma lâmpada tubular de LED e seu circuito do
driver, identificado qual o driver mais utilizado por fabricantes desse tipo de
lâmpada;
6) Comparar as principais grandezas luminotécnicas entre os dois tipos de
lâmpadas, como: Iluminância, temperatura de cor, fluxo luminoso e
rendimento luminoso.
23
2 Revisão bibliográfica
Este capítulo aborda aspectos necessários para a realização do objeto principal
da dissertação. Nesse sentido, destacam-se três partes distintas. A primeira parte resgata
os principais conceitos e indicadores utilizados na área da qualidade da energia elétrica,
com ênfase maior nas distorções das formas de onda de tensão e corrente, tomando por
base os limites estabelecidos pelos órgãos reguladores.
A segunda parte versa sobre os semicondutores denominados de diodos
emissores de luz ou LEDs, como são mais conhecidos. São explanados os aspectos
científicos e tecnológicos deste tipo de dispositivo, de forma a esclarecer o princípio de
funcionamento e operação dos mesmos.
Na parte final do capítulo, discorre-se sobre os drives ou controles dos LEDs,
ilustrando as topologias encontradas no mercado e indicando aquela que se constitui no
foco desta pesquisa.
2.1 Qualidade da Energia Elétrica
Neste item é feita uma contextualização dos conceitos da qualidade da energia
elétrica bem como a apresentação dos fenômenos associados à este conceito,
objetivando uma maior compreensão por parte dos leitores das causas e efeitos
envolvidos nesta temática.
2.1.1 O que é Qualidade da Energia Elétrica?
Dugan et al. (2004) afirma que podem existir várias definições para qualidade da
energia elétrica. O autor define qualidade da energia elétrica como “qualquer problema
que manifestado em tensão, corrente ou desvio de frequência que resultem em falhas ou
má operação dos equipamentos dos consumidores”.
A ANEEL por meio do PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia
Elétrica no Sistema Elétrico Nacional), em seu módulo 8, qualifica a qualidade da
24
energia elétrica em duas partes: Qualidade do produto e Qualidade do serviço e
Qualidade no Atendimento (ANEEL, 2015).
Para a ANEEL, a qualidade do produto está relacionada com as perturbações na
forma de onda de tensão do sistema em regime permanente, tais como os harmônicos de
tensão e corrente, fator de potência, desequilíbrio de tensão, flutuação de tensão,
variações de tensão de curta duração e variação de frequência. Já a qualidade do serviço,
para a ANEEL, está relacionada com indicadores de continuidade de fornecimento de
energia elétrica e dos tempos de atendimento a ocorrências emergenciais (ANEEL,
2015).
Também se deve ressaltar, que do lado do suprimento de energia somente
controla-se a qualidade da tensão, não se tendo controle sobre as correntes que
dependem das cargas conectadas à rede. Portanto, os padrões de área de qualidade de
energia são dedicados a manter a tensão de alimentação dentro de certos limites.
A corrente elétrica, entretanto, está intimamente ligada à tensão elétrica em
qualquer sistema de energia elétrica e mesmo que os geradores elétricos possam
fornecer uma tensão senoidal perfeita ou próxima disso, a corrente passando pela
impedância pode causar distúrbios na tensão. Por exemplo:
1) A corrente resultante de um curto circuito terá como efeito direto um
afundamento de tensão;
2) Correntes decorrentes de descargas atmosféricas podem causar um elevado
pulso de tensão que podem danificar isoladores e levar a um curto circuito;
3) Distorções harmônicas de corrente, provenientes de uma determinada carga
também distorcem a forma de onda de tensão. Dessa maneira, uma forma de onda de
tensão distorcida pode estar presente nos equipamentos de outros consumidores finais.
Neste trabalho, tendo em vista os objetivos estabelecidos, são abordados apenas
os fenômenos que a ANEEL qualifica como sendo qualidade do produto.
2.1.2 Principais perturbações encontradas nos sistemas elétricos
Neste item são abordados os aspectos principais das perturbações e indicadores
para tensões e correntes comumente encontrados nos sistemas elétricos de distribuição.
25
2.1.2.1 Harmônicos
Cargas do tipo não lineares têm como característica de seu funcionamento a
introdução de sinais de corrente com múltiplas frequências, além da fundamental, que
no sistema elétrico brasileiro é de 60 Hz. Estes sinais são denominados harmônicos e
interharmônicos de corrente e, se for o caso de tensão.
Segundo ANEEL (2015) “os harmônicos são fenômenos associados com a
deformação da forma de onda de tensão e corrente, comparativamente a um sinal
puramente senoidal de frequência fundamental”. As grandezas associadas às distorções
harmônicas de tensão são apresentadas com suas respectivas terminologias no Quadro
1.
Quadro 1 – Terminologia utilizada para identificar grandezas associadas à distorções de tensão
Identificação da grandeza
Símbolo
Distorção harmônica individual de tensão de ordem h
DITh %
Distorção harmônica total de tensão
DTT%
Tensão harmônica de ordem h
Vh
Ordem harmônica
h
Ordem harmônica máxima
Hmáx
Ordem harmônica mínima
H𝑚𝑖𝑛
Tensão fundamental medida
(Fonte: ANEEL, 2015)
Vf
As distorções harmônicas de tensão, individual e total DITh% e DTT%, podem
ser calculadas utilizando as equações (1) e (2), respectivamente. Muito embora esta
norma aborde tão somente as distorções da forma de onda de tensão, análise semelhante
pode ser realizada para a corrente. Neste caso, tratando-se da Distorção Total de
Corrente (%) – DTI% e Distorção Individual de Corrente – DIIh%.
DITh % =
DTT =
Vh
× 100
V1
2
√∑hmáx
h=2 Vh
V1
(1)
(2)
× 100
As componentes harmônicas são classificadas em: sequência positiva - (+),
sequência negativa – (-) e homopolares ou de sequencia zero (0). O Quadro 2 mostra
26
algumas ordens harmônicas e a sua correspondente sequência, com fins puramente
ilustrativos.
Quadro 2 - Ordem, sequência e frequência de harmônicos
Ordem
Frequência (Hz)
Sequência
1
60
+
3
180
0
5
300
-
7
420
+
Segundo Vasconcellos et al. (2014), observa-se que a sequência de fase dos
harmônicos diretamente depende, analisando as equações (3), (4), (5), da seguinte
ordem:
Sendo:
“h”
a
𝑣ℎ𝑎 (𝑡) = 𝑉ℎ𝑎𝑚 sen 𝑛(𝜔t)
(3)
𝑣ℎ𝑏 (𝑡) = 𝑉ℎ𝑏𝑚 sen 𝑛(𝜔t - 120°)
(4)
𝑣ℎ𝑐 (𝑡) = 𝑉ℎ𝑐𝑚 sen 𝑛(𝜔t + 120°)
(5)
ordem
harmônica,
𝑣ℎ𝑎 ,
𝑣ℎ𝑏 , 𝑣ℎ𝑐 , 𝑉ℎ𝑎𝑚 , 𝑉ℎ𝑏𝑚 , 𝑉ℎ𝑐𝑚 ,
respectivamente, os valores instantâneos e máximos das tensões e harmônicos
fundamentais das fases A, B e C.
As equações de (6) a (8) descrevem o modelo matemático das frequências
fundamentais para as tensões, enquanto a Figura 1 ilustra os fasores correspondentes
bem como a sequencia de fases considerada.
𝑣1𝑎 (𝑡) = 𝑉1𝑎𝑚 sen 1(𝜔t)
(6)
𝑣1𝑏 (𝑡) = 𝑉1𝑏𝑚 sen 1(𝜔t - 120°)
(7)
𝑣1𝑐 (𝑡) = 𝑉1𝑐𝑚 sen 1(𝜔t + 120°)
(8)
27
Figura 1- Ciclo trigonométrico das frequências fundamentais das fases A, B e C e seu sentido de rotação
90°
120°
Vc
Va
180°
0°
360°
Vb
-120°
270°
(Fonte: VASCONCELLOS et al., 2014)
As equações (9) a (11) mostram as expressões para as tensões harmônicas de 3ª
ordem das fases A, B e C. Complementarmente, a Figura 2 ilustra graficamente estas
componentes.
𝑣3𝑎 (𝑡) = 𝑉3𝑎𝑚 sen 3(𝜔t)
(09)
𝑣3𝑏 (𝑡) = 𝑉3𝑏𝑚 sen(3𝜔t - 360°)
(10)
v3𝑐 (𝑡) = 𝑉3𝑐𝑚 sen 3(𝜔t + 120°)
(11)
Figura 2 - Ciclo trigonométrico de sequência zero das tensões harmônicas das fases A, B e C
90°
180°
V3a // V3b // V3c
0°
360°
270°
(Fonte: VASCONCELLOS et al., 2014)
As equações apresentadas permitem constatar que as componentes harmônicas
de terceira ordem, para as três fases, estão em fase, motivo pelo qual denominam-se
como harmônicos de tensão de sequência zero ou homopolares.
28
Assim como as equações anteriores as equações de (12) a (14) mostram o
modelo matemático para a componente harmônica de 5ª ordem.
𝑣5𝑎 (𝑡) = 𝑉5𝑎𝑚 sen5(𝜔t)
(12)
𝑣5𝑏 (𝑡) = 𝑉5𝑏𝑚 sen5(𝜔t + 120°)
(13)
v5𝑐 (𝑡) = 𝑉5𝑐𝑚 sen (5𝜔t - 120°)
(14)
No caso da 5ª harmônica, como ilustrado na Figura 3, o sentido de rotação dos
fasores é contrário ao sentido da fundamental, desse modo sendo referida como
harmônicos de tensão de sequência negativa.
Figura 3 - Ciclo trigonométrico de sequência negativa das tensões harmônicas das fases A, B e C
270°
-120°
V5c
V5a
180°
120°
0°
360°
V5b
90°
(Fonte: VASCONCELLOS et al., 2014)
Finalmente, as equações (15) a (17) mostram as expressões matemáticas para os
harmônicos de 7ª ordem - sequência positiva. E a Figura 4 ilustra o seu comportamento
no ciclo trigonométrico.
𝑣7𝑎 (𝑡) = 𝑉7𝑎𝑚 sen7(𝜔t)
(15)
𝑣7𝑏 (𝑡) = 𝑉7𝑏𝑚 sen7(𝜔t - 120°)
(16)
𝑣7𝑐 (𝑡) = 𝑉7𝑐𝑚 sen (7𝜔t + 120°)
(17)
29
Figura 4 - Ciclo trigonométrico de sequência positiva das tensões harmônicas das fases A, B e C
90°
120°
V7c
V7a
180°
0°
360°
V7b
-120°
270°
(Fonte: VASCONCELLOS et al., 2014)
Como se observa, os fasores das tensões das fases dessa ordem harmônica estão
defasados de 120° e o seu sentido de rotação no ciclo trigonométrico é o mesmo sentido
de rotação dos fasores da sequência fundamental, sentido anti–horário, motivo pelo qual
as harmônicas dessa ordem são conhecidas como harmônicos de sequência positiva.
Ordens harmônicas superiores às mostradas anteriormente podem se analisadas
seguindo a mesma metodologia descrita neste item.
Para que se tenha uma melhor visão da magnitude das distorções e facilidade em
calcular os níveis de distorções para cada ordem já citada, usa–se como ferramenta
matemática a série trigonométrica de Fourier, possibilitando assim a decomposição nas
múltiplas frequências que compõem uma forma distorcida bem como o correspondente
espectro de frequência, também conhecido como histograma.
Alexander e Sadiku (2003), explicam a série trigonométrica de Fourier como
sendo “qualquer função periódica prática de frequência ω𝑜 pode ser expressa como uma
soma infinita de funções seno ou cosseno como múltiplos inteiros de ω𝑜 ”. Portanto a
função periódica f(t) pode ser expressa de acordo com a equação (18):
f(t) = 𝑎0 + 𝑎1 cos 𝜔0 𝑡 + 𝑏1 sen 𝜔0 𝑡 + 𝑎2 cos2 𝜔0 𝑡 + 𝑏2 sen2 𝜔0 𝑡 +
𝑎3 cos3 𝜔0 𝑡 + 𝑏3 sen3 𝜔0 𝑡 + ⋯
(18)
30
2.1.2.2 Desequilíbrio de tensão
Na literatura mundial e nas normas que norteiam as questões elétricas, há várias
maneiras de definir e determinar o desequilíbrio das tensões elétricas ou correntes de
um circuito ou sistema.
Nesse sentido, inicialmente apresenta-se a definição adotada em um dos livros
de maior aceitação pela comunidade científica mundial, em seguida, o que está
estabelecido na norma IEC, e por último, a forma como é definido e determinado o
desequilíbrio de tensão no Brasil.
Segundo Dugan et al. (2004) “o desequilíbrio de tensão é por vezes definida
como o desvio máximo da média das tensões trifásicas ou correntes, dividido pela
média das tensões trifásicas ou correntes, expressa em percentagem”.
A IEC 61000-2-1 define desequilíbrio de tensão como (IEC, 1990):
“É uma condição na qual as três tensões de fase diferem em
amplitude ou são deslocados da sua relação normal de 120° fase,
ou ambos. O grau de desequilíbrio é geralmente definido usando
o método de componentes simétricos, pela relação entre a
componente de sequência negativa (ou sequência nula) e a
componente de sequência positiva”.
A ANEEL (2015) define desequilíbrio de tensão como “o fenômeno associado a
alterações dos padrões trifásicos do sistema de distribuição”, e estabelece métodos
matemáticos para os cálculos dos níveis de desequilíbrio de tensão bem como as
terminologias de cada grandeza envolvida, conforme ilustra o Quadro 3.
Quadro 3 - Terminologia utilizada para desequilíbrios de tensão
IDENTIFICAÇÃO DA GRANDEZA
SÍMBOLO
Fator de desequilíbrio
FD
Magnitude da tensão de sequência negativa (RMS)
V-
Magnitude da tensão de sequência positiva (RMS)
V+
Magnitude das tensões trifásicas de linha (RMS)
(Fonte: ANEEL, 2015)
Vab , Vbc , Vca
O cálculo do desequilíbrio de tensão ou fator de desequilíbrio – FD%, de acordo
com a ANEEL (Quadro), pode ser determinado com auxílio da equação (19):
31
𝐹𝐷% =
V−
100
V+
(19)
Alternativamente, pode-se usar as equações (20) e (21) uma vez que também é
um método estabelecido pela ANEEL (2015):
FD% = 100√
1 − √3 − 6β
(20)
1 + √3 − 6β
Sendo:
β=
4
4
4
Vab
+ Vbc
+Vca
(21)
2
2
2 )²
(Vab
+ Vbc
+Vca
2.1.2.3 Flutuação de tensão
De acordo com a ANEEL (2015) a flutuação de tensão é uma variação de tensão
aleatória, repetitiva ou esporádica do valor eficaz da tensão.
As flutuações de tensão podem ser perceptíveis ao olho humano através do
efeito chamado flicker que nada mais é do que o resultado de uma flutuação de tensão
em um sistema de baixa tensão onde se encontram lâmpadas conectadas e que através
das flutuações de tensão, começam a cintilar. Esta cintilação recebe a denominação de
Flicker. Enquanto que a flutuação de tensão é um fenômeno eletromagnético, o flicker
é a consequência desse fenômeno, perceptível pelo olho humano.
Segundo a ANEEL (2015):
“A determinação da qualidade da tensão de um barramento do
sistema de distribuição quanto à flutuação de tensão tem por
objetivo avaliar o incômodo provocado pelo efeito da cintilação
luminosa no consumidor, que tenha em
sua unidade
consumidora pontos de iluminação alimentados em baixa
tensão”.
32
Os indicadores para a sensação de cintilação com severidade de curta duração e
para a cintilação com severidade de longa duração são denominados Pst e Plt,
respectivamente.
A fim de resumir os indicadores envolvidos nas expressões apresentadas
anteriormente, de acordo com o PRODIST, as terminologias referentes a estes
indicadores estão contidas no Quadro 4.
Quadro 4 - Terminologia utilizada para identificar os indicadores de flutuação de tensão
Identificação da Grandeza
Símbolo
Severidade de Curta Duração
Pst
Severidade de Longa Duração
Valor diário do indicador Pst que foi superado em apenas 5% dos
registros obtidos no período de 24hs
Valor semanal do indicador Plt que foi superado em apenas 5% dos
registros obtidos no período de sete dias completos e consecutivos
Plt
Fator de Transferência
(Fonte: ANEEL, 2015)
PstD95%
P𝑙𝑡𝑆95%
FT
Para calcular o indicador Pst é utilizada a expressão (22).
𝑃𝑠𝑡 = √0,0314𝑃0,1 + 0,0525𝑃1 + 0,0657𝑃3 + 0,28𝑃10 + 0,08𝑃50
(22)
Sendo:
Pi (i = 0,1; 1; 3; 10; 50) corresponde ao nível de sensação de cintilação que foi
ultrapassado durante i % do tempo, obtido a partir da função de distribuição acumulada
complementar, de acordo com o procedimento estabelecido nas Normas IEC
(International Electrotechnical Commission): IEC 61000-4-15. Flickermeter –
Functional and Design Specifications (ANEEL, 2015).
Segunda a ANEEL (2015), o indicador Plt corresponde a um valor representativo
de doze amostras consecutivas de Pst , como estabelecido pela expressão 23:
12
1
𝑃𝑙𝑡 = √ ∑(𝑃𝑠𝑡𝑖 )3
12
3
𝑖=1
(23)
33
2.1.2.4 Variações de tensão de curta duração
Variações de tensão de curta duração são variações significativas no valor eficaz
da tensão em curtos intervalos de tempo.
A ANEEL (2015) classifica essas variações conforme mostrado no Quadro 5.
Quadro 5 - Classificação das Variações de Tensão de Curta Duração
Classificação
Variação
Momentânea de Tensão
Variação Temporária
de Tensão
Denominação
Duração da Variação
Interrupção
Inferior ou igual a três
Momentânea de
segundos
Tensão
Afundamento
Superior ou igual a um
Momentâneo de
ciclo e inferior ou igual
Tensão
a três segundos
Elevação
Superior ou igual a um
Momentânea de
ciclo e inferior ou igual
Tensão
a três segundos
Interrupção
Superior a três
Temporária de
segundos e inferior a
Tensão
três minutos
Afundamento
Superior a três
Temporário de
segundos e inferior a
Tensão
três minutos
Elevação
Superior a três
Temporária de
segundos e inferior a
Tensão
três minutos
(Fonte: ANEEL, 2015)
Amplitude da tensão
(valor eficaz) em
relação à Tensão de
referência
Inferior a 0,1 pu
Superior ou igual a 0,1
e inferior a 0,9 pu
Superior a 1,1 pu
Inferior a 0,1 pu
Superior ou igual a 0,1
e inferior a 0,9 pu
Superior a 1,1 pu
2.1.2.4.1 Interrupções de curta duração
Interrupções de curta duração são aquelas em que a tensão de suprimento cai
para valores inferiores a 0,1 pu, por um período que não exceda 1 minuto (Dugan et al.,
2004).
As interrupções de curta duração podem ser divididas em 3 grupos, de acordo
com a duração da interrupção e da magnitude da tensão, conforme Quadro 6.
Quadro 6 - Tipos de interrupções de curta duração
Categoria
Duração Típica
Magnitude de Tensão
Instantâneas
Interrupção
0,5 – 30 ciclos
< 0,1 pu
34
Momentâneas
Interrupção
0,1 – 0,9 pu
30 ciclos - 3s
Temporárias
3s – 1 min
Interrupção
< 0,1 pu
2.1.2.4.2 Afundamentos de tensão ou Voltage Sags
Afundamento de tensão refere-se a um decremento, entre 0,1 e 0,9 pu, do valor
eficaz (RMS) da tensão ou corrente, com duração entre 0,5 ciclos a 1 minuto (Dugan et
al., 2004). Este tipo de fenômeno, normalmente está associado à faltas ou chaveamentos
que ocorram nos sistemas elétricos.
A comunidade da qualidade da energia elétrica tem utilizado o termo sag
durante muitos anos para descrever afundamentos de tensão de curta duração. A IEC
61000-2-1 utiliza o termo dip para se referir a afundamentos de tensão temporários que
não excedam 1 minuto de duração.
Pode-se classificar os afundamentos de tensão em 3 categorias, de acordo com a
duração da interrupção e da magnitude da tensão, conforme Quadro 7.
Quadro 7 - Tipos de afundamentos de tensão
Categoria
Duração Típica
Magnitude de Tensão
Instantâneos
Afundamentos de
0,5 – 30 ciclos
0,1 – 0,9 pu
tensão (voltage sag)
Momentâneos
Afundamentos de
30 ciclos – 3s
0,1 – 0,9 pu
tensão (voltage sag)
Temporários
Afundamentos de
tensão (voltage sag)
3s – 1 min
0,1 – 0,9 pu
35
2.1.2.4.3 Elevação de tensão ou voltage Swells
Elevações de tensão são definidas como incrementos entre 1.1 e 1.8 p.u. do valor
eficaz (rms) da tensão ou corrente com duração entre 0,5 ciclos a 1 minuto (Dugan et
al., 2004).
Assim como os afundamentos, as elevações de tensão também são associadas à
manobras ou faltas no sistema, mas são menos comuns do que aqueles.
As elevações classificam-se em 3 tipos, também de acordo com a duração da
interrupção e da magnitude da tensão, conforme Quadro 8.
Quadro 8 - Tipos de elevação de tensão
Categoria
Duração Típica
Magnitude de Tensão
Instantâneas
Elevação de tensão
0,5 – 30 ciclos
1,1 – 1,8 pu
(voltage swell)
Momentâneas
Elevação de tensão
30 ciclos – 3s
1,1 – 1,4 pu
(voltage swell)
Temporárias
Elevação de tensão
3s – 1 min
1,1 – 1,2 pu
(voltage swell)
2.1.2.5 Variação de tensão de longa duração
Variações de tensão de longa duração são assim denominados quando esta
variação excede 1 minuto de duração originando subtensões, sobretensões ou
interrupções sutentadas.
2.1.2.5.1 Sobretensões
Sobretensão é um aumento no valor RMS de tensão AC superior a 10% do valor
nominal da tensão do barramento com duração superior a 1 minuto (Quadro 9). Essas
36
sobretensões são ocasionadas geralmente devido, por exemplo, a retirada de uma grande
carga na rede de distribuição. Escolhas de taps de transformadores feitas incorretamente
também podem originar sobretensões (Dugan et al., 2004).
Quadro 9 - Variação de tensão de longa duração – Sobretensão
Categoria
Duração Típica
Magnitude de Tensão
Variação de tensão de longa duração
Sobretensão
> 1 min
> 10%
2.1.2.5.2 Subtensões
Subtensão é uma diminuição no valor RMS de tensão AC inferior a 10% do
valor nominal da tensão do barramento com duração superior a 1 minuto (Quadro 10).
Essas subtensões são ocasionadas devido à retirada de bancos de capacitores, por
exemplo, ou a introdução de grandes cargas do sistema elétrico (Dugan et al., 2004).
Quadro 10 - Variação de tensão de longa duração – Subtensão
Categoria
Duração Típica
Magnitude de Tensão
Variação de tensão de longa duração
Subtensão
> 1 min
< 10%
2.1.2.5.3 Interrupções sustentadas
Interrupções sustentadas acontecem quando a tensão de suprimento vai a zero
por um período de tempo maior do que 1 minuto (Quadro 11). Interrupções sustentadas
geralmente necessitam da intervenção humana para serem solucionadas (Dugan et al.,
2004).
Quadro 11 - Variação de tensão de longa duração – Interrupção sustentada
Categoria
Duração Típica
Variação de tensão de longa duração
Magnitude de Tensão
37
Interrupção sustentada
> 1 min
0
Para que se visualize de uma forma resumida os distúrbios citados até aqui,
pode-se observar a Figura 5 que ilustra as características nas formas de onda de tensão
dos distúrbios relacionados à qualidade da energia elétrica.
Figura 5 - Distúrbios na forma de onda de tensão relacionados à qualidade da energia elétrica
(Fonte: RODRIGUES, 2009)
2.1.2.6 Variações de frequência
Variações de frequência são definidas como o desvio da frequência fundamental
do sistema de potência de seu valor nominal, no caso do Brasil, 60 Hz.
A frequência do sistema depende da velocidade de rotação dos geradores de
energia elétrica nas usinas geradoras.
A equação (24) permite o calculo da frequência da máquina (gerador) síncrona.
𝑓=
P rpm
PN
=
=
2
60
120
Sendo:
f = Frequência de geração;
P = Número de polos do gerador síncrono;
rpm = Rotação por minuto;
N = Velocidade da máquina em rpm;
(24)
38
A ANEEL, por meio do PRODIST, em seu módulo 8, estabelece que havendo
necessidade de corte de geração ou de carga para permitir a recuperação do equilíbrio
carga-geração, durante os distúrbios no sistema de distribuição, a frequência:
a) Não pode exceder 66 Hz ou ser inferior a 56,5 Hz em condições extremas;
b) Pode permanecer acima de 62 Hz por no máximo 30 (trinta) segundos e acima
de 63,5 Hz por no máximo 10 (dez) segundos;
c) Pode permanecer abaixo de 58,5 Hz por no máximo 10 (dez) segundos e
abaixo de 57,5 Hz por no máximo 05 (cinco) segundos.
2.2 Características construtivas dos LEDs
LED (lighting emitting diode) ou diodos emissores de luz, vem sendo utilizados
e aprimorados desde a década de 60. Apesar disto, somente nos últimos 10 anos é que
este dispositivo atraiu maior interesse devido ao fato de suas características luminosas
terem sido considerávelmente aumentadas (BULLOUGH, 2003), como por exemplo o
aumento do fluxo luminoso emitido pelos LEDs. Para além do seu uso em displays de
aparelhos eletrônicos, semáforos de trânsito e calculadoras, nos últimos anos, com o
aumento de suas propriedades lumínicas estão sendo desenvolvidos e aprimorados para
servirem como objeto de iluminação de interiores e iluminação pública.
Outro atrativo, particularmente para arquitetos, é o reduzido tamanho das
lâmpadas de iluminação de LED, pois facilitam o alinhamento da forma à estética de
ambientes construídos, proporcionando conforto ambiental, qualidade e eficiência.
Segundo Pinto (2008), os LEDs podem ser classificados em três categorias:
indicativos, de alto brilho e de potência. A Figura 6 ilustra os tipos de LED
mencionados.
Figura 6 - Classificação dos LEDs quanto à suas características e potência
(Fonte: PINTO, 2008)
39
Os LEDs, são semicondutores de junçao P-N, quando polarizados diretamente,
desprendem energia emitida em forma de luz e a esse processo se dá o nome de
eletroluminiscência (BOYLESTAD, NASHELSKY, 1999).
Materiais semicondutores, como o próprio nome já diz, são materiais que podem
ou não conduzir corrente elétrica de acordo com o tipo de polarização que é aplicada em
seus terminais, podendo estas serem direta ou reversa.
“O termo condutor é aplicado a qualquer material que sustenta
um fluxo de uso de carga, quando uma fonte de tensão de
amplitude limitada é aplicada através de seus terminais. Um
isolante é o material que oferece um nível muito baixo de
condutividade sob pressão de uma fonte de tensão aplicada. Um
semicondutor é, portanto, o material que possui um nível de
condutividade entre os extremos de um isolante e condutor”
(BOYLESTAD, NASHELSKY, 1999).
Os semicondutores mais utilizados atualmente são aqueles conhecidos como de
Germânio (Ge) e de Silício (Si), por apresentarem as melhores características
semicondutoras. Através de dopagens, processo o qual são adicionadas “impurezas” nos
semicondutores são criadas os cristais do tipo P e N, encontrados nos diodos
semicondutores. No caso do semicondutor de Silício, algumas dos elementos utilizados
para a dopagem são o antimônio, o arsênico e o fósforo, formando assim os materiais
semicondutores do tipo N. Já para o Germânio, “impurezas” como o boro, o gálio e o
índio, são as indicadas, formando assim os materiais semicondutores do tipo P.
Os semicondutores são formados pela junção desses materiais N e P. Esta região
onde os íons negativos e positvos dos materiais do tipo n e do tipo p (buracos) se juntam
(região de junção) é chamada de zona de depleção, devido a depleção de portadores de
carga nesta região (BOYLESTAD, NASHELSKY, 1999).
Sendo os LEDs semicondutores, quando polarizados diretamente os elétrons da
região N se movem para a regiao P e os buracos se movem para a região N. Perto da
junção os elétrons e buracos se combinam desprendendo uma energia que é liberada em
forma de luz (BULLOUGH, 2003). A Figura 7 ilustra esse processo.
40
Figura 7 - Processo de emissão de luz de um LED
(Fonte: PINTO, 2008)
2.2.1 Cores dos LEDs
A definição das cores dos LEDs dá-se através dos materiais semicondutores que
são empregados em sua fabricação. Por exemplo, a combinação dos materiais alumínio,
gálio, índio e fósforo (AlGaInP) resultam nas cores vermelha, laranja e amarela. Já a
combinação dos materiais índio, gálio e nitreto (InGaN) proporcionam as cores verde,
azul e branca (BOLLOUGH, 2003).
Para a produção da luz branca por LEDs existem duas formas. A primeira,
consiste em misturar várias colorações de luz emitidas pelo LED criando uma
distribuição de força espectral que dará a impressão de luz branca. Colocados de forma
adjacentes um dos outros os LEDs do tipo RGB (red, green and blue) são capazes de
emitir luz com uma aparência de cor branca (BULLOUGH, 2003). A título de
ilustração, a Figura 8 mostra o LED RGB.
Figura 8 - Formação da cor branca através de várias cores dos LEDs
(Fonte: Adaptado. CREE, 2014)
41
As Figuras 9 e 10 ilustram o espectro de luz e a distribuição espectral das
diversas cores de luz de LED, respectivamente.
Figura 9 - Faixa de espectro de radiação e as cores correspondentes a cada comprimento de onda
(Fonte: PINTO, 2008)
Figura 10 - Comprimentos de ondas realtivos às cores emitidas pelos LEDs
(Fonte: PINTO, 2008)
A segunda maneira de se conseguir luz branca com LEDs é utilizando fósforo
em seu invólucro com a emissão de um curto comprimento de onda de luz de LED que
se consegue através do comprimento de onda da luz azul.
42
“(...) Quando o fósforo utilizado em LEDs é iluminado por uma
luz azul, este emite luz amarela tendo uma ampla distribuição
espectral. Incorporando fósforo no corpo de um LED azul, com
um comprimento de onda de pico de 450 a 470 nanômetros,
parte da luz azul será convertida em luz amarela. A luz azul
remanescente misturada com a luz amarela irá resultar em luz
branca” (BOLLOUGH, 2003).
Para melhor entender a teoria explanada anteriormente, utiliza-se a Figura 11,
que exemplifica a formação da luz branca do LED por meio do método citado.
Figura 11 - Cor branca sendo formada através da aplicação de fósforo no corpo do LED e da emissão de
um curto comprimento de onda na cor azul
(Fonte: Adaptado. CREE, 2014)
Lee et al. (2006) desenvolveram um protótipo de LED luz branca de alto brilho
utilizando a técnica de cobrir o LED com uma camada de um material denominado
Yttrium-Aluminum-Garnet:Cerium (YAG:Ce) Esta substância é responsável por
absorver parte da energia emitida pela luz azul emitindo luz amarela de baixa energia.
Uma camada de fósforo é introduzida na superfície do YAG:Ce para que assim seja
produzida a sensação de luz branca. A Figura 12 ilustra o processo onde se observa as
cores azul, amarela e a luz branca formada no final do processo.
Figura 12 - Protótipo de LED de luz branca de alto brilho
(Fonte: LEE et al. 2006)
43
2.2.2 Características elétricas dos LEDs
Os LEDs funcionam em baixa tensão e corrente elétrica. Um único LED
necessita apenas de correntes com magnitudes entre 1 a 50 miliampéres para o seu
funcionamento e deve ser polarizado diretamente, podendo ocorrer a sua destruíção caso
sejam polarizados inversamente (BOLLOUGH, 2003).
Também é importante destacar, que o nível de tensão de alimentação do LED
deve ser controlado de maneira a evitar que a corrente que circulará no arranjo feito
para lâmpadas de LED não venha a interferir nas características de iluminação dos
LEDs, uma vez que o nível de brilho da luz emitida é proporcional à corrente que
circula entre seus terminais. Correntes acima dos limites recomendados pelos
fabricantes podem diminuir a vida útil dos LEDs inseridos nos arranjos que constituem
a lâmpada LED (BOLLOUGH, 2003), comprometendo, desta forma, o que torna os
LEDs tão atrativos do ponto de vista econômico: a sua elevada vida útil.
O controle de tensão também é importante devido à influência da corrente que
circula no circuito na temperatura de junção do LED. Um aumento desta temperatura
provoca a perda de eficiência de iluminação do LED (Lúmens/Watts) (QIN, LIN, HUI,
2009) e também pode provocar a mudança na coloração da luz emitida (BOLLOUGH,
2003). Uddin et al. (2011) afirma que a resistência térmica de junção é um dos fatores
limitantes na tecnologia LED. As Figuras 13 e 14 ilustram essas situações.
Figura 13 - Relação entre temperatura de junção e eficiência luminosa de LEDs
Eficiencia
(Lumen/Watt)
E0
T0
TJ
Temperatura da
Junção (0C)
(Fonte: adaptado: QIN, LIN, HUI, 2009)
44
Figura 14 - Relação entre a temperatura de junção do LED e a relação de luz emitida por cores
160
Luz emitida
Relativa(%)
Vermelha
Azul
Branca
120
100
80
40
0
-20
0
20
25
40
60
80 100 120
Temperatura da
Junção (0C)
(Fonte: Adptado. BOLLOUGH, 2003)
O aumento da temperatura de junção também resulta num decréscimo da
resistência do material do LED, uma vez que este semicondutor apresenta uma
resistência com coeficiente de temperatura negativo (PINTO, 2008). Esta condição pode
levar a uma potencialização do aumento de temperatura e ocasionar a sua queima. A
Figura 15 ilustra o comportamento de um semicondutor de acordo com a variação de
temperatura.
Figura 15 - Variação nas curvas características de um diodo com a mudança de temperatura
(Fonte: BOYLESTAD, NASHELSKY, 1999)
45
Para que se tenha controle dessas correntes as lâmpadas de LED necessitam de
um circuito chamado driver. Estes circuitos funcionam como os reatores eletrônicos das
lâmpadas fluorescentes. Lâmpadas de LED são constituídas de arranjos contendo vários
LEDs individuais, não podendo ser conectadas diretamente à rede de energia elétrica,
pois requerem tensão e correntes nominais diferentes desta. Desta forma, é necessária a
conexão dos drivers para fornecer tensão e correntes dentro dos limites especificados
pelo fabricante para o adequado funcionamento das lâmpadas. Os drivers podem vir
separados ou embutidos nas lâmpadas dependendo dos fabricantes.
Lâmpadas de LED podem ser também dimerizadas. A dimerização é o processo
pelo qual se controla a intensidade da luz emitida por um dispositivo emissor de luz
artificial através do controle de tensão aplicada a este dispositivo. Isto pode ser feito
através de modulação por largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation) ou por
amplitude modulada (AM). Porém, esta modulação PWM deve ser feita com
frequências muito elevadas para que não se perceba o efeito flicker, uma vez que nesta
modulação são ajustadas as durações dos pulsos e o tempo entre os pulsos emitidos
(BOULLOUGH, 2003). A dimerização em nada afeta a temperatura de junção dos
LEDs e, portanto, não compromete sua vida útil e eficiência luminosa. Essas
dimerizações, Figura 17, podem ser feitas através de conversores lineares ou circuitos
integrados – Cis, conforme mostrado ilustrativamente na Figura 16.
Figura 16 - Conversor linear de acionamento para dimerização
(Fonte: PINTO, 2008)
46
Figura 17 - Sinais PWM para controle de intensidade luminosa e cor
(Fonte: JÚNIOR, 2008)
2.2.2.1 Circuito Equivalente de um diodo
O LED, sendo um diodo emissor de luz, comporta-se exatamente igual a um
diodo simples de junção, desta maneira os circuitos equivalentes de um diodo e de um
LED se equivalem.
Para entender o circuito equivalente de um LED deve-se analisar a curva
característica de um diodo. Esta curva relaciona a tensão mínima (𝑉𝑇 ), 0,7 Volts, para
que o diodo comece a conduzir corrente elétrica, a corrente de condução direta (𝐼𝐹 ) e
uma resistência ac característica do diodo (𝑟𝑎𝑣 ). A Figura 18 ilustra a curva
característica de um diodo para uma corrente de condução direta de 10 mA e 0,8 Volts
de tensão aplicada ao diodo (BOYLESTAD, NASHELSKY, 1999).
47
Figura 18 - Curva característica do um diodo em condução
(Fonte: BOYLESTAD, NASHELSKY 1999)
Nota-se que um diodo para entrar em condução necessita de uma tensão mínima
de 0,7 volts, ou seja, existe uma barreira de potencial que deve ser superada para que o
diodo inicie a condução de corrente elétrica. Esta barreira é representada por uma
bateria 𝑉𝑡 que se opõe ao sentido de condução. A resistência característica de um diodo
é representada por uma resistor e para indicar que só existe uma direção de condução e
que uma condição de polarização reversa indica um estado de circuito aberto, um diodo
ideal é colocado no circuito (BOYLESTAD, NASHELSKY, 1999). A partir daí fica
fácil representar o circuito equivalente de um diodo. A Figura 19 ilustra um circuito
equivalente de um LED.
Figura 19 - Circuito equivalente de um LED
(Fonte: Adaptado. JÚNIOR, 2008)
48
2.2.3 O LED e o meio ambiente
A busca da preservação do meio ambiente é um dos principais temas dos últimos
dois séculos. Países emergentes e os ditos de primeiro mundo, se reúnem
periodicamente para discutir planos e ações voltados para a conservação do meio
ambiente. Um dos encontros mais relevantes foi o encontro em que esses países,
incluindo o Brasil, assinaram o chamado “protocolo de Kyoto”, no qual havia o
compromisso de adotar medidas para diminuir a emissão de dióxido de carbono o CO2 .
De outro lado, como resultado do desenvolvimento tecnológico, principalmente
da eletrônica de potência, novos e mais baratos equipamentos eletrodomésticos como
televisores e geladeiras são disponibilizados para o consumo. Aliado a este fato, o
aumento do poder aquisitivo da população nas últimas décadas, têm criado as condições
de viver mais confortavelmente, resultando na incorporação destes bens de consumo em
larga escala pela população brasileira, assim como de outros países.
Com o aumento de equipamentos eletrodomésticos, que necessitam de energia
elétrica para seu funcionamento, aumenta-se a demanda de eletricidade. Para atender
esta demanda é necessária a construção de novas usinas geradoras de energia elétricas
que independentemente de sua tecnologia - hidroelétricas, termoelétricas, eólicas,
solares, causam algum tipo de impacto ambiental.
Diante disso, buscando o uso mais racional da energia elétrica, o Governo
brasileiro, por meio do Ministério de Minas e Energia, na década de 80, criou o
PROCEL – Programa de Conservação de Energia Elétrica e, lançou vários manuais
educativos e explicativos que visam conscientizar e informar a população sobre os
benefícios da conservação de energia elétrica e como isto pode ser feito. Manuais sobre
eficiência energética em iluminação, equipamentos e instalações, sistemas de
refrigeração e descarte de lâmpadas de descarga são alguns deles.
Diante desse contexto, as lâmpadas de LED ganham ampla atenção em projetos
de pesquisa uma vez que o LED por se tratar de um material semicondutor que não
possui nenhum tipo de gás ou metal que possa vir a ser prejudicial ao meio ambiente
quando do seu descarte, possui elevada vida útil e maior eficiência luminosa comparada
às lâmpadas de descargas, sejam elas fluorescentes, vapor de sódio ou vapor de
mercúrio.
49
Sinnadurai et al. (2012) classificam os LEDs como seguros, confiáveis,
fisicamente robustos, eficientes energeticamente, rentáveis e ambientavelmente
amigáveis.
A vida das lâmpadas LED é bastante elevada, atingem 50.000 horas de operação,
o que corresponde a aproximadamente uma vida útil de 11 anos, com 12 horas de
iluminação diárias, tempo significativamente maior se comparado a de outras
tecnologias, tais como a lâmpada incandescente (2.000 horas), lâmpada de sódio
(18.000 horas), lâmpada de mercúrio (18.000 horas) ou a lâmpada fluorescente (20.000
horas). Isso implica em uma grande redução no custo de manutenção dessas lâmpadas,
assim como na quantidade de resíduos gerados quando de sua substituição.
A Associação Brasileira da Indústria de Iluminação (ABILUX), informa que
anualmente são retiradas de uso, no mundo, um total de 49 milhões de lâmpadas.
Adotando-se como base uma média de 21 mg de mercúrio por lâmpada, significa um
potencial poluidor de aproximadamente 1.000 kg de mercúrio. Segundo dados obtidos
da concessionária AES Eletropaulo, a mesma descartou no decorrer do ano de 2008 um
total de 34.185 lâmpadas empregadas na iluminação pública, representando assim um
descarte de aproximadamente 0,715 kg de mercúrio, apenas na área de sua concessão.
Chen e Hui (2010) classificam as lâmpadas de LED como sendo livres de mercúrio, o
que torna o LED seguro quando do seu descarte no fim de sua vida útil. O Quadro 12
ilustra a quantidade de mercúrio existente por lâmpada:
Quadro 12- Quantidade de mercúrio existente por lâmpadas utilizadas em iluminação pública
Lâmpadas
contendo mercúrio
Mista
Vapor de Mercúrio
Vapor de Sódio
Vapor Metálico
LÂMPADAS USADAS NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Quantidade média de
Variação das médias de
Variação de potências
mercúrio
mercúrio por potência
160 W a 500 W
0,017 g
0,011 g a 0,045 g
80 W a 1.000 W
0,032 g
0,013 g a 0,080 g
70 W a 1.000 W
0,019 g
0,015 g a 0,030 g
35 W a 2.000 W
0,045 g
0,010 g a 0,170 g
(Fonte: SALES, 2011)
Hui, Li e Chen (2010) apontam que para que se tenha uma tecnologia de
iluminação sustentável, esta deve respeitar 3 critérios:
1) alta eficiência elétrica ou economia de energia;
2) longa vida útil;
3) seus componentes construtivos permitirem ao máximo serem reciclados.
50
Nessa perspectiva, os autores desenvolveram um circuito de driver de lâmpadas
de LED consistindo apenas de diodos e indutores, sem a adição de chaves eletrônicas de
potência, fontes auxiliares de energia e placas de controle. Este protótipo feito para
alimentar uma lâmpada de LED de 50 W mostrou-se viável no final dos testes. Como o
driver constitui-se apenas de poucos componentes, não existem perdas por chaveamento
e eficiência elétrica de 93,6% foi alcançada. Os autores ainda complementam que
poucos e robustos componentes foram utilizados na composição do driver, este ofereceu
ainda outras vantagens como baixo custo, baixo custo de manutenção e boa resistência
contra adversidades climáticas como tempestades e fortes ventos. A Figura 20 ilustra
este protótipo.
Figura 20 - Protótipo de lâmpada de LED utilizando componentes passivos
(Fonte: HUI, LI e CHEN, 2010)
Chen e Chung (2011) apresentam uma proposta para a inserção de uma lâmpada
tubular LED em paralelo com uma lâmpada tubular fluorescente aproveitando–se do seu
reator eletrônico, já existente, e colocando um circuito de driver do LED para ser
acionado pelo reator eletrônico, alimentando assim tanto uma lâmpada fluorescente
quanto uma lâmpada de LED. Através de cálculos matemáticos os autores viabilizam
este esquema e concluem como sendo uma solução viável do ponto de vista também
ambiental, uma vez que não se joga fora o reator eletrônico. Este esquema proposto é
ilustrado na Figura 21.
51
Figura 21 - Proposta feita para a utilização de um reator eletrônico em paralelo com um driver de uma
lâmpada LED
(Fonte: CHEN, CHUNG, 2011)
2.2.4 Circuitos de acionamentos LED - Drivers
Como mencionado, as lâmpadas de LED necessitam de circuitos acionadores
para controle de tensão e corrente denominados drivers. Das diversas topologias
existentes para esses circuitos acionadores, neste item apresentam-se as características
de funcionamento que se desejam para o correto funcionamento de lâmpadas LED. As
topologias mais comuns são Buck, Boost, Buck – Boost, Buck Quadrático, SEPIC, Cùk,
Zeta, Flyback e os Conversores Lineares e, são divididas em duas partes: Isolados e não
isolados. Existem ainda as topologias resistor série e capacito série. Porém não são
utilizados devido a sua baixa eficiência (YU, YANG, 2009).
2.2.4.1 Conversores CC-CC
Conversores CC-CC são utilizados para converter uma tensão de entrada CC não
controlada em uma tensão de saída CC controlada. Este controle é conseguido através
da modulação por largura de pulsos a uma frequência fixa e geralmente são empregados
para o chaveamento BJTs, MOSFETs ou IGBT de potência (RASHID, 1999).
2.2.4.2 Conversor Buck
Neste tipo de conversor – Buck, Figura 22, a tensão média de saída VLED é menor
do que a tensão média de entrada Vin . O conversor Buck pode operar em dois modos. O
52
primeiro modo ocorre no instante t = 0. O transistor T está em condução e a corrente
que circula em L, C e LED cresce. No segundo instante t = t1 o transistor T é desligado
e para de conduzir. Dessa maneira a corrente acumulada em L circula através do diodo
D, C e do LED. A corrente continua a circular até começar a diminuir e o transistor T é
ligado novamente (RASHID, 1999). Segundo Pinto (2008), “o conjunto L – C é
utilizado como um filtro passa–baixa. O indutor limita a ondulação de corrente e o
capacitor limita a ondulação de tensão”. Este conversor não proporciona isolação entre a
fonte e a carga.
O conversor Buck pode ser projetado para operar em modo de condução
contínua (MCC) ou descontínua (MCD) (PINTO, 2008).
Figura 22 - Conversor Buck
L
T
Vin
D
C
LED
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
2.2.4.3 Conversor Boost
O conversor Boost opera de modo contrário ao conversor Buck. Neste conversor,
Figura 23, a tensão de saída VLED é maior do que a tensão de entrada Vin . Sua operação
também pode ser dividida em dois modos. No primeiro modo de operação, o transistor
T entra em condução no instante t = 0. A corrente de entrada cresce e flui entre o filtro
indutor L e o transistor. O segundo modo se inicia quando o transistor entra em
bloqueio no instante t = t1 . A corrente que estava fluindo através do transistor flui agora
entre o indutor L, o diodo D, o capacitor e o LED (RASHID, 1999). Este conversor
pode funcionar no modo de condução contínua (MCC) ou descontínua (MCD).
Segundo Pinto (2008), o princípio de funcionamento desse conversor baseia-se
em armazenar energia no indutor enquanto o transistor está conduzindo e transferir essa
energia para a carga quando o transistor entrar em bloqueio. Esta topologia é muito
empregada para alimentar LEDs através de baterias.
53
Figura 23 – Topologia do Conversor Boost
D
L
T
Vin
LED
C
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
2.2.4.4 Conversor Buck–Boost
O conversor Buck–Boost é a junção dos dois conversores apresentados
anteriormente e apresenta uma característica de tensão de saída menor ou maior que a
tensão de entrada, porém, com polaridades invertidas à da entrada (RASHID, 1999).
Este tipo de conversor, Figura 24, pode operar de dois modos. No primeiro
modo o transistor T está em condução e a corrente que cresce, devido ao indutor, circula
entre o transistor e o indutor L. Neste modo o diodo D está polarizado inversamente. No
segundo instante o transistor entra em bloqueio e a corrente circula através do diodo D,
do indutor L, do capacitor C e do LED. A energia armazenada no indutor L é transferida
para carga e a corrente no indutor cai até que o transistor conduza novamente
(RASHID, 1999).
Figura 24 – Topologia do conversor Buck – Boost
Vin
L
C
LED
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
Segundo Pinto (2008) “este conversor é bastante utilizado para alimentar LEDs
por meio de baterias, regulando a tensão de saída em função da variação da tensão de
entrada”.
54
Alonso et al. (2012) apresenta uma alternativa para a substituição de lâmpadas
halógenas incandescentes por lâmpadas de LED. A alimentação das lâmpadas de LED
num primeiro momento é efetuada com auxílio de um circuito passivo (retificador
simples de onda completa) e num segundo momento com um conversor Buck – Boost
em operação descontínua, analisados experimentalmente, comparando harmônico de
corrente, aspectos luminotécnicos, e o fator de potência entre as duas alternativas. O
conversor Buck–Boost apresentou uma eficiência superior a 7% comparado à solução
passiva (retificador simples de onda completa), melhor fator de potência, baixa
distorção harmônica de corrente e ainda apresentou a possibilidade de se dimerizar a
lâmpada.
2.2.4.5 Conversor Buck Quadrático
Através das topologias básicas apresentadas acima, outras topologias podem ser
criadas através da junção de algumas delas. É o caso do conversor Buck – Quadrático
que nada mais é do que dois conversores Buck conectados em série.
Nesta topologia, Figura 25, o valor da tensão de saída ainda será menor do que o
valor de entrada, porém numa relação exponencial (PINTO, 2008).
Figura 25 - Conversor Buck Quadrático
L1
D1
L2
T
C1
D3
Vin
C2
LED
D2
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
2.2.4.6 Conversores Cùk, Zeta e SÉPIC
O conversor Cùk, Figura 26, é formado por um conversor Boost em série com
um conversor Buck. Similar ao conversor Buck–Boost, este conversor apresenta tensão
de saída menor ou maior do que a tensão de entrada dependendo dos instantes de
condução do transistor.
55
Figura 26 - Conversor Cùk
C1
L1
L2
T
Vin
D
C
LED
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
O conversor SÉPIC, Figura 27, é constituído de um conversor Boost e um Buck
– Boost conectados em série. Segundo Pinto (2008) , “a vantagem desse circuito em
relação ao Buck-Boost é que a corrente de entrada pode ser contínua e a tensão de saída
não possui polaridade invertida”.
Figura 27 - Conversor SÉPIC
C1
L1
D
T
Vin
Co
L2
LED
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
O Conversor Zeta, Figura 28, é formado por um Buck–Boost e um Buck
conectados em série. Funciona como um conversor Buck–Boost, ou seja, a tensão de
saída pode ser superior ou inferior a de entrada, porém sem ter a polaridade invertida.
Figura 28 - Conversor Zeta
C1
L2
T
L1
Vin
D
Co
LED
(Fonte: Adaptado. PINTO, 2008)
56
Estudo realizado por Alonso et al. (2011), referente à substituição de lâmpadas
de vapor de sódio por lâmpadas de LED, concluiu que a topologia de conversor Zeta
apresenta um elevado fator de potência na entrada e uma tensão de saída menor do que
na entrada que alimenta a matriz de rede de LEDs. Essa diminuição do nível de tensão
na saída tem como consequência uma redução no ripple de tensão e corrente, dessa
forma aumentando a vida útil dos capacitores a filme e, em consequência, a vida útil dos
LEDs. O estudo acaba evidenciando que devido ao segundo estágio (conversor Buck)
que reduz ripples de baixa frequência, este tipo de conversor tem bom desempenho
quando alimentado com tensão contínua. Como benefícios desta situação, menciona-se:
elevado fator de potência, baixa distorção harmônica de corrente e eficiência aceitável,
podendo desta forma, ser utilizado capacitores de baixas capacitâncias nas saídas dos
estágios do circuito, aumentado a vida útil do conversor.
2.2.4.7 Conversor Flyback
Os conversores do tipo flyback, Figura 29, têm as mesmas características de
fornecimento de tensão dos conversores Buck e Boost e podem fornecer tensão de saída
superior ou inferior a de entrada, porém, diferentemente dos conversores citados o
flyback possui isolação entre a fonte de tensão e o circuito conversor.
Figura 29 - Conversor Flyback
D
T
Vin
N1
N2
Co
LED
(Fonte: Pinto, 2008)
Tian Fu et al. (2007), propõem um circuito de drive como alternativa para
drivers do tipo conversor de estágio único flyback com um CI corretor de fator de
potência, ilustrado na Figura 30, com a adição de um capacitor de carga para melhorar a
correção de fator de potência denominado conversor carga–bomba, composto por um
indutor Lr, capacitores Cr e Cb, diodo de roda livre Di e o diodo Dr. Através desta
57
topologia demonstra ter alcançado um alto fator de potência, porém, o CI causa ripple
de corrente duas vezes maior do que a frequência de linha, sendo necessário colocar um
regulador linear com perdas em série com os LEDs eliminando, assim, o ripple de
corrente e controlando o brilho dos LEDs.
Figura 30 - Conversor flyback com circuito corretor de fator de potência
Df
ILed
Lr
Di
LEDs
Iin
Co
Cr
Dr
Cb
Vin
Cbus
Sinal de
porta
Controlador de Corrente
Corrente de
retorno
(Fonte: TIANFU et al., 2007)
Chen et al. (2010) propõem um circuito de driver para diversos tipos de
lâmpadas de LED que combina um circuito Flyback e um circuito Boost. O circuito
flyback é o mais amplamente utilizado pois, além de ser um circuito barato, também é
muito simples, além de oferecer isolação elétrica entre a entrada e saída do circuito,
aumentando assim a proteção ao driver. O circuito boost, como já citado, entrega uma
tensão de saída mais elevada do que a tensão de entrada. Os experimentos demonstram
que essa topologia resultou em alta eficiência e baixa perda em qualidade da luz emitida
pelos LEDs ao longo do tempo, ou seja, a topologia apresentou uma boa estabilidade de
corrente.
Cheng e Cheng (2006) propõem um circuito de driver do tipo flyback em modo
descontínuo com modulação PWM para controle de corrente. É inserido um circuito de
proteção por temperatura juntamente ao modulador PWM para proteger o circuito do
LED. Dessa maneira o circuito de proteção por temperatura controlará a frequência do
modulador PWM garantindo que quando a temperatura de junção do LED estiver muito
58
elevada, este modulador diminuirá o nível da corrente do LED, dessa maneira,
aumentando a vida útil da lâmpada e garantindo uma boa qualidade de iluminação, que
não seria garantida caso a temperatura de junção do LED ficasse muito elevada. A
Figura 31 ilustra o esquema proposto.
Figura 31 - Flyback com modulação PWM e controle de temperatura
+ Temp ref
Sinal
PWM
+
Iref
+
Vref
(Fonte: CHENG, CHENG, 2006)
2.3 Sistema Tarifário Brasileiro Atual e as Novas Bandeiras Tarifárias
O sistema tarifário brasileiro é dividido em grupos, subgrupos e modalidades
tarifárias (ANEEL, 2005). A classificação envolve dois grupos: tarifários: grupos A e B,
e diversos subgrupos, conforme mostrado a seguir:

Grupo A: Tensão de fornecimento ≥ 2.300 V:
- Subgrupo A1: Atendimento em tensão igual ou superior a 230 kV;
- Subgrupo A2: Atendimento em tensão de 88 kV a 138 kV;
- Subgrupo A3: Atendimento em tensão de 69 kV;
- Subgrupo A3a: Atendimento em tensão de 30 a 44 kV;
- Subgrupo A4: Atendimento em tensão de 2,3 kV a 25 kV:
. B4 – a: Atendimento para iluminação pública (Rede de Distribuição);
. B4 – b: Atendimento para iluminação pública (bulbo da lâmpada).;
59
- Subgrupo AS: Atendimento em tensão inferior a 2,3 kV (sistema subterrâneo).

Grupo B: Tensão de fornecimento < 2.300 V:
- Subgrupo B1: Atendimento Residencial:
. B1 – Baixa Renda: Atendimento residencial baixa renda – TSEE (Tarifa
Social de Energia Elétrica);
- Subgrupo B2: Atendimento rural:
. B2 – Cooperativa: Atendimento para cooperativa de eletrificação rural;
. B2 – Serviço Público de Irrigação: Atendimento para Serviço Público de
Irrigação.;
- Subgrupo B3: Atendimento às demais classes;
- Subgrupo B4: Atendimento da Iluminação Pública:
. B4 – a: Atendimento para Iluminação Pública (Rede de Distribuição);
. B4 – b: Atendimento para Iluminação Pública (bulbo da lâmpada).
Inseridos nos grupos e subgrupos estão as estruturas tarifárias: convencional,
horo–sazonal azul, horo–sazonal verde e os postos horários de ponta e fora de ponta,
que são caracterizadas, de acordo com a resolução 456 da ANEEL, da seguinte maneira:
- Tarifa convencional: Estrutura caracterizada pela aplicação de tarifas de
consumo de energia elétrica e/ou demanda de potências independentemente das horas
de utilização do dia e dos períodos do ano;
- Tarifa horo–sazonal azul: modalidade estruturada para aplicação de tarifas
diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do
dia e os períodos do ano, bem como de tarifas diferenciadas de demanda de potência de
acordo com as horas de utilização do dia;
- Tarifa horo – sazonal verde: modalidade estruturada para aplicação de tarifas
diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do
dia e os períodos do ano, bem como de uma única tarifa de demanda de potência;
- Horário de ponta (P): período definido pela concessionária e composto por 3
(três) horas diárias consecutivas, exceção feita aos sábados, domingos, terça-feira de
carnaval, sexta-feira da Paixão, “Corpus Christi”, dia de finados e os demais feriados
definidos por lei federal, considerando as características do seu sistema elétrico.” ;
60
- Horário fora de ponta (F): período composto pelo conjunto das horas diárias
consecutivas e complementares àquelas definidas no horário de ponta;
- Período úmido (U): período de 5 (cinco) meses consecutivos, compreendendo
os fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano a abril do ano
seguinte;
- Período seco (S): período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo os
fornecimentos abrangidos pelas leituras de maio a novembro.
A Figura 32 ilustra, na forma de fluxograma, a composição da estrutura tarifária
vigente no Brasil.
Figura 32 - Composição da estrutura tarifária aplicada no Brasil até 2014
(Fonte: ACERVO PESSOAL)
É importante registrar, que está prevista para o ano de 2015 a implantação de um
novo sistema tarifário, pautado em bandeiras tarifárias (ANEEL, 2014). Este novo
sistema, estava previsto para vigorar já em 2014, mas foi adiado, em principio para o
próximo ano, como forma de compensar o custo de geração através de usinas
termoelétricas utilizadas quando os níveis dos reservatórios de água do país estiverem
baixos, uma vez que e energia elétrica gerada com termoelétricas é mais cara do que a
gerada com hidroelétricas. As tarifas deverão ser divididas em três categorias ou
bandeiras, sendo elas: bandeira vermelha, bandeira amarela e bandeira verde.
61
Segundo a ANEEL (2014) os critérios para a adoção de determinada bandeira
num dado período, será realizado de acordo com as seguintes situações:
Bandeira verde: condições favoráveis de geração de energia. A tarifa não
sofre nenhum acréscimo;
Bandeira amarela: condições de geração menos favoráveis. A tarifa sofre
acréscimo de R$ 1,50 para cada 100 quilowatt-hora (kWh) consumidos;
Bandeira vermelha: condições mais onerosas de geração. A tarifa sobre
acréscimo de R$ 3,00 para cada 100 kWh consumidos.
A composição das tarifas é feita conforme o Custo Marginal de Operação
(CMO) que equivale ao preço de unidade de energia produzida para atender a um
acréscimo de demanda de carga no sistema e dos Encargos de Serviço do Sistema (ESS)
que são decorrentes da manutenção da confiabilidade e estabilidade do Sistema
Interligado Nacional (SIN).
Dessa forma a escolha da bandeira é feita segundo a seguinte composição:
- Bandeira verde: CMO + ESS_SE menor que R$ 200,00/MWh (duzentos reais
por megawatt-hora);
- Bandeira amarela: CMO + ESS_SE igual ou superior a R$ 200,00/MWh e
inferior a R$ 350,00/MWh;
- Bandeira vermelha: CMO + ESS_SE igual ou superior a R$ 350,00/MWh.
A Figura 33 ilustra a projeção da ANEEL para a aplicação das bandeiras
tarifárias de acordo com os subsistemas de energia elétrica e a Figura 34 ilustra como
são divididos estes subsistemas.
62
Figura 33 - Bandeiras tarifárias
(Fonte: ANEEL, 2014)
Figura 34 - Subsistemas energéticos do Brasil
(Fonte: ANEEL, 2014)

Subsistema Sudeste/Centro-Oeste (SE/CO): Regiões Sudeste e Centro-Oeste,
Acre e Rondônia;
 Subsistema Sul (S): Região Sul;
 Subsistema Nordeste (NE): Região Nordeste, exceto o Maranhão;
 Subsistema Norte (N): Pará, Tocantins e Maranhão.
63
3 Materiais e Métodos
Neste capítulo são estabelecidos os procedimentos metodológicos e materiais
necessários para a consecução dos objetivos propostos.
3.1 Materiais
Nesta seção se discriminam os materiais utilizados e necessários para o
desenvolvimento da pesquisa, bem como os equipamentos de análises elétricas
utilizados.
3.1.1. Equipamentos enfocados
Para tanto, foram adquiridas duas lâmpadas tubulares LED e uma lâmpada
tubular fluorescente dotada de reator eletrônico. Neste trabalho, para facilitar a
identificação das mesmas e preservar a identidade dos respectivos fabricantes foi
adotada a seguinte convenção para cada uma das lâmpadas contempladas:

L1 – Lâmpada tubular LED bivolt;

L2 – lâmpada tubular LED bivolt;

F – lâmpada fluorescente tubular.
As lâmpadas de LED adquiridas são de 10 W de potência nominal, e a lâmpada
fluorescente, combinada ao reator eletrônico, é de 20 W de potência. Apesar da
diferença na potência nominal as três lâmpadas possuem dimensões físicas compatíveis,
fato que possibilita a substituição, ou seja, substituir lâmpadas tubulares fluorescentes
por lâmpadas tubulares LED podendo-se aproveitar as mesmas luminárias existentes
nos sistemas de iluminação residenciais.
O trabalho experimental será realizado utilizando luminárias metálicas,
comumente utilizadas para lâmpadas tubulares fluorescentes, com conexões disponíveis
para apenas uma lâmpada tubular. Dessa maneira foram adquiridas três luminárias de
alumínio e correspondentes soquetes e demais conexões de forma a aproximar-se o
máximo possível de situações encontradas na prática.
64
A Tabela 1 e o Quadro 13 apresentam as principais características construtivas,
de operação e desempenho dos componentes mencionados.
Tabela 1- Características das lâmpadas L1, L2 e F.
Características das
lâmpadas
Lâmpada tubular LED
SMD T8 – L1
Lâmpada tubular LED SMD
T8 – L2
Tensão nominal
Potência máxima
Corrente
Frequência
Vida útil
Fluxo luminoso
Eficiência luminosa
Temperatura de cor
Dimensões (mm)
Dimerizável
100 - 240 V
10 W
120 mA
50/60 Hz
40.000 horas
825 lúmens
82,5 lm/W
4000 K
588,5(C) x 28(D)
NÃO
100 - 240 V
10 W
120 mA
60 Hz
50.000 horas
820 lúmens
82 lm/W
4000 K
580(C) x 27(D)
NÃO
Lâmpada tubular
fluorescente
T10 (lâmpada + reator) - F
127 V
20 W (lâmpada + reator)
157 mA
60 Hz
10.000 horas
1350 lúmens
67,5 lm/W
3000 K
590(C) x 32 (D)
SIM
Quadro 13 - Equipamentos utilizados para montagem da pesquisa
Equipamento
Especificação
Quantidade
Soquete 2 pinos para fixação nas
luminárias e energização das
lâmpadas tubulares de LED e
6
fluorescentes. Tipo de encaixe
a)
G3.
Luminária metálica branca para
fixação de soquetes e respectivas
3
lâmpadas tubulares LED e
fluorescentes
b)
Reator eletrônico destinado ao
acionamento de uma única
c)
lâmpada tubular fluorescente
1
65
Lâmpada tubular LED 10 W /
T8 SMD
2
Lâmpada tubular fluorescente 20
W / T8
1
d)
e)
3.1.2 Instrumental utilizado
Nesta seção são apresentados os instrumentos de medições utilizados para a
realização deste trabalho bem como suas características e especificações de
funcionamento.
A1) Analisador de energia MAHR – 21
Analisador de energia elétrica MARH-21, registrador digital portátil, trifásico,
programável, destinado ao registro das tensões, correntes, potências, energia,
harmônicas e oscilografia de perturbações em sistemas elétricos de geração, consumo e
distribuição assim como circuitos de alimentação de máquinas elétricas em geral. A
Figura 35 apresenta uma fotografia do analisador em questão.
66
Figura 35 – Foto do analisador de energia elétrica MARH -21 e acessórios
Este analisador possibilita duas formas de leituras dos dados armazenados em
sua memória de massa. Além da opção de coleta de dados através de display, possibilita
também a leitura através do software denominado ANAWIN. Programa para coleta e
análise de dados de registradores padrão RMS (ratio medium square) em ambiente
Windows. A Figura 36 ilustra o painel e conexões do analisador em questão.
Figura 36 - Painel e conexões do analisador de energia elétrica MARH – 21
O MARH – 21 possui 7 possibilidades de programação denominadas “Modo de
Operação” que deverão ser escolhidas pelo usuário de acordo com a necessidade da
medição, 3 ponteiras de tensão para sinais de tensão e 3 TCs para sinais de corrente.
Todos estes modos podem ser programados facilmente através do software ANAWIN
ou então pelas teclas disponíveis no painel do analisador.
São eles os modos de operação:
- Modo 0 - Medição e registro de grandezas integralizadas;
- Modo 1 - Captação da forma de onda (acionamento manual);
67
- Modo 2 - Captação da forma de onda (acionamento automático a cada intervalo
de tempo programado);
- Modo 3 - Potências e valores médios de distorção harmônica por intervalo;
- Modo 04 – Captação da forma de onda (acionamento de captação automático
por variação da tensão RMS, variação da tensão instantânea e variação de freqüência);
- Modo 14 – Captação da forma de onda (acionamento de captação automático
por variação da tensão RMS, variação da DTT de tensão e variação de freqüência);
- Modo 10 – Captação da Forma de Onda (acionamento de captação por variação
do valor RMS de tensão e variação de frequência) e grandezas integralizadas
simultaneamente.
A2) FLUKE 434
Ilustrado na Figura 37, oferece um conjunto amplo de possibilidades de medição
de grandezas em sistemas de elétricos. O aparelho pode ser utilizado para estudos
voltados para o consumo de energia e análise de cargas elétricas, análise e registro da
qualidade da energia e desempenho do sistema de potência. É uma ferramenta trifásica
que mede praticamente todos os parâmetros do sistema de energia: tensão, corrente,
frequência, energia, consumo de energia, cos φ ou fator de energia, desequilíbrio e
harmônicos e inter-harmônicos.
Figura 37 – Foto do Analisador Trifásico de Energia Fluke 434 e acessórios
68
A3) Microcomputador
Para a transmissão de dados do analisador de energia MARH – 21 utilizou - se
um microcomputador com suporte para o software ANAWIN utilizado em ambiente
Windows, conforme ilustra a Figura 38.
Figura 38 - Microcomputador para realização da leitura do MARH -21 através do software ANAWIN
(Fonte: Acervo próprio)
A4) ATPDraw (ALTERNATIVE TRANSIENT PROGRAM)
Para as simulações com o modelo desenvolvido foi escolhido o software ATP
(Alternative Transients Program), simulador de circuitos elétricos e eletrônicos, que
possui uma ampla biblioteca com blocos de componentes elétricos já modelados.
Também, a exemplo de outros simuladores, é possível criar novos componentes e
acrescentá-los à esta biblioteca
Dentre os blocos mais relevantes pode-se mencionar:

- Probes & 3-phase – Medidores e Sppliters (Ex: Medidores de tensão e
Corrente, TACS, etc);
- Branch Linear – Ramos Lineares (Ex: Resistencia, Indutândia, Capacitância,
etc);
- Branch Nonlinear – Ramos Não Lineares (Ex: Resistencia Não Linear,
Indutândia Não Linear, etc);
69
- Lines/Cables – Modelos de Linhas e Cabos (Linhas de Paramêtros Distribuidos
e Agrupados);
- Switches – Chaves (Ex: Chave temporizadas, Diodo, Válvula, Chave TACS,
etc);
- Sources – Fontes de Tensão e Corrente (Ex: Fonte de Tensão Contínua e
Alternada, Rampas, etc);
- Machines – Motores Elétricos (Ex: Motor de Indução, Motor de Corrente
Contínua, etc);
-Transformers – Transformadores (Ex: Transformadores Lineares, Não Lineares,
De Dois ou Três Enrolamentos, etc);
- MODELS;
- TACS - (Ex: Fontes TACS, Acomplamento de Circuitos, Funções de
Transferência, Portas Lógicas, etc.);
- User Specified;
- Frequency Comp. – Componentes no Domínio da Frequência (Ex: Fonte
Harmonica de Tensão ou Corrente);
- Standard Components;
A Figura 39 mostra uma tela com os componentes que compõem a biblioteca do
ATP.
Como opções de análises dos circuitos construídos no ATP, o mesmo ainda
disponibiliza ferramentas de medições de grandezas elétricas como corrente elétrica e
tensão elétrica, plotando ainda as formas de ondas características dos circuitos
construídos para essas grandezas.
70
Figura 39 - Amostra da biblioteca do ATPDraw
(Fonte: REIS et. al, 2012)
A escolha desse software se justifica devido ao fato de ser um software prático,
que dá a possibilidade de simulação tanto de circuitos elétricos quanto de circuitos
eletrônicos e, principalmente, é gratuito. Além de ser utilizado amplamente nas
concessionárias de energia e comunidade científica.
A5) Osciloscópio Tektronix TDS 2004B
Para que a modelagem matemática e computacional fosse possível, foi
necessária a leitura dos pulsos emitidos por um circuito integrado presente no driver da
lâmpada LED, pulsos esses que controlam o disparo do transistor presente no conversor
Buck.
Assim lançou–se mão do osciloscópio digital da marca Tektronix TDS 2004B,
de quatro canais, frequência de 60 MHz. A Figura 40 ilustra a tela do osciloscópio, por
ocasião do registro da forma de onda dos pulsos do circuito integrado.
71
Figura 40 - Osciloscópio mostrando a forma de onda dos pulsos do circuito integrado do driver da
lâmpada LED
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
A6) Luxímetro digital
A análise luminotécnica foi feita pela comparação da iluminância produzida
pelos distintos tipos de lâmpadas estudadas, valendo-se, para tanto, de um luxímetro. O
luxímetro digital utilizado é da marca MINIPA MLM – 1010, conforme ilustra a Figura
41.
Figura 41 - Luxímetro digital MINIPA, modelo MLM – 1010
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
72
3.2 Metodologia
A concretização deste trabalho passa, num primeiro momento, pela definição do
estudo a ser desenvolvido e os objetivos a serem alcançados e, na sequência, a definição
das estratégias para serem seguidas.
Para tal finalidade, foram realizados estudos experimentais e de simulação
correspondentes e estudos sob a ótica econômico–financeira para aferir a viabilidade ou
não da substituição de lâmpadas. Por último, foi efetuada medição do iluminamento de
um ambiente escolhido para tal finalidade, com o intuito de verificar o desempenho das
três lâmpadas utilizadas, desta vez sob os aspectos luminotécnicos. Nesse contexto, a
metodologia também compreendeu três focos distintos, que são descritos nos itens
seguintes:
a) Estudos experimentais;
b) Simulações computacionais relacionadas com o item a);
c) Estudos luminotécnicos;
d) Estudos de Relação Custo Benefício – RCB.
a) Estudos experimentais
Esta parte do trabalho trata da montagem e registro das grandezas elétricas que
possibilitaram os estudos necessários para a concretização da dissertação.
Para a parte experimental e correspondente simulação, o trabalho foi conduzido
de acordo com o arranjo apresentado na Figura 42, no laboratório de fontes alternativas
do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMT.
Para as conexões das ponteiras de tensão e TCs as lâmpadas foram conectadas
em ligação estrela, cada lâmpada em uma fase e neutro em comum.
73
Figura 42 - Esquema de ligação para as medições em laboratório
Fase A
Fase B
Fase C
Neutro
RN
RA
RB
RC
TC3
TC2
TC1
MARH – 21
L1
L2
F
Legenda:
TC
Microcomputador
Transformador de Corrente
F
Lâmpada tubular fluorescente
RA, RB, RC, RN
L1
Lâmpada tubular LED 1
L2
Lâmpada tubular LED 2
Referências das fases A, B, C e
Neutro, respectivamente
MARH – 21
Analisador de Energia MARH - 21
Nesta tarefa foi selecionado o modo de operação 3 do analisador de energia
MARH – 21, que, com auxílio do software ANAWIN foram obtidas as seguintes
informações:
- Transformada de Fourier (composição harmônica média) das tensões e
correntes para cada período de integração.
- Percentuais das harmônicas em relação a fundamental.
74
- DTT de tensão. Fases A, B e C;
- DTI de corrente. Fases A, B e C;
- Potências Ativas. Fases A, B e C;
- Potências Reativas Indutivas. Fases A, B e C;
- Potências Reativas Capacitivas. Fases A, B e C;
- Componentes harmônicos médios no intervalo de tensão e corrente. Fases A, B
e C.
O arranjo utilizado para os trabalhos experimentais está ilustrado na Figura 43.
Figura 43 - Esquema real de medição: a) vista geral e b) detalhe das luminárias
a)
b)
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
De posse dos dados das medições, são feitas as análises desses dados e
confeccionados os gráficos pertinentes a este estudo, tais como gráficos de tensão,
corrente, distorções harmônicas em tensão e correntes e espectro harmônico.
De forma a verificar a correção das medições conduzidas, complementarmente,
foram feitas as mesmas coletas de dados através do analisador de energia FLUKE.
Assim puderam ser capturadas as formas de onda instantâneas para compará-las com as
registradas com o analisador de energia MARH – 21. A Figura 44 ilustra o analisador
de energia FLUKE durante o processo de registro das grandezas.
75
Figura 44 - Analisador de energia FLUKE coletando dados.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
b) Simulações computacionais
A partir desse ponto, partiu-se para as simulações computacionais para a
validação computacional do modelo da lâmpada tubular de LED através do software
ATPDraw, simulando e comparando os gráficos obtidos através das medições com os
gráficos obtidos através das simulações.
Conforme abordado anteriormente, existem diversos tipos de drivers para
acionamento de lâmpadas de LED. Neste trabalho, para fins de modelagem
computacional, foram considerados aspectos relacionados com a qualidade da energia,
de forma que a escolha recaiu no driver utilizado pela lâmpada L2, cuja topologia está
reproduzida na Figura 45.
Figura 45 - Topologia do conversor CC/CC encontrado na L2
Lo
Le
r1
C1
CA
C2
Ce
1
2
3
4
1
2
3
4
555
5
6
7
8
5
6
7
8
r2
Ds
Co
LEDs
C3
Q2
BC547
r3
76
Sendo:
CA= Fonte de tensão alternada;
C1 = Filtro de ondulação de onda de tensão de alta frequência;
C2 = Filtro de ondulação de onda de baixa frequência;
Le = Indutor do filtro de entrada do Buck;
Ce = Capacitor do filtro de entrada do Buck;
r1, r2, C3= Resistores e capacitor do CI 555;
r3 = Resistor de controle do sinal de saída do CI 555 (rsense);
Q1 = MOSFET;
Q2 = Transistor TJB;
Ds = Diodo Schottky;
Lo = Indutor do filtro de saída do Buck;
Co = Capacitor do filtro de saída do Buck.
c) Estudos luminotécnicos
Após os estudos comparativos sobre qualidade da energia elétrica entre as 3
lâmpadas consideradas, o passo seguinte consiste nas comparações luminotécnicas,
tomando por base para isto, o método dos pontos de medição, conforme mostra a Figura
46, (ABNT, 1985).
Figura 46 - Método para medição de iluminância média de um ambiente
p-1
p-2
b
p-3
(Fonte: ABNT, 1985)
p-4
77
Segundo a norma quando se trata de uma iluminação com apenas um ponto
central deve-se “Fazer leituras nos lugares p-1, p-2, p-3 e p-4. Calcular a média
aritmética dos quatro lugares, que é a iluminância média da área”.
d) Estudos de Relação Custo Benefício – RCB
Como última etapa desta dissertação, tem-se o estudo da viabilidade econômica
da substituição. O método de cálculo utilizado, prevê o cálculo da relação custo–
benefício, de maneira a obter dados que permitam concluir sobre a viabilidade ou não
da substituição das lâmpadas tubulares fluorescentes por lâmpadas tubulares LED.
Para o estudo de viabilidade econômica foi utilizado o método de cálculo
proposto pela ANEEL em seu Manual para a Elaboração do Programa de Eficiência
Energética e, no Procedimentos do Programa de Eficiência Energética – PROPEE.
Módulo 7 – Viabilidade econômica, considerando o novo sistema tarifário a ser
implementado no Brasil em 2015, denominado bandeiras tarifárias.
Segundo este manual, o principal critério para avaliação da viabilidade
econômica de um projeto do PEE é a relação custo benefício (RCB) que o mesmo
proporciona. O benefício considerado é a valoração da energia economizada e da
redução da demanda na ponta durante a vida útil do projeto para o sistema elétrico. O
custo são os aportes feitos para a sua realização (do PEE, do consumidor ou de
terceiros).
Ainda neste manual está estabelecido que o critério chave para avaliação
consiste em alcançar um RCB não superior a 0,8, uma vez que o benefício apurado com
valoração da energia e da demanda reduzidas ao custo unitário marginal de expansão do
sistema deve ser de no mínimo 25% maior que o custo do projeto. Para esta avaliação a
energia economizada, medida em MWh, e a redução de demanda no horário de ponta
(posto tarifário ponta), medida em kW, são os principais indicadores quantitativos para
projetos de eficiência energética. Os principais índices de valoração dos benefícios são
os Custos Evitados de Demanda (CED) e o Custo Evitado de Energia (CEE).
78
4 Estudos laboratoriais – resultados e análises
Neste capítulo são apresentados os dados coletados, bem como feitas as análises
no que concerne à qualidade da energia elétrica do acionamento das lâmpadas F, L1 e
L2. Mais precisamente são analisadas as distorções nas formas de onda de tensão e
corrente elétrica, fenômeno conhecido como harmônicos causados, nos casos aqui
apresentados, essencialmente por dispositivos de controle atuando como chaves,
comumente empregados em reatores eletrônicos e drivers de lâmpadas de LED.
4.1 Ensaios realizados com as lâmpadas F, L1 e L2
4.1.1 Lâmpada Fluorescente - F
A primeira lâmpada ensaiada é a fluorescente, acionada por meio de um reator
eletrônico. As Figuras 47 e 48 ilustram os as formas de onda de corrente e tensão
elétrica e o espectro harmônico de corrente e tensão do sistema elétrico onde foi
acionada a lâmpada mencionada, respectivamente.
Figura 47 - Distorção na forma de onda de tensão e corrente do sistema onde se encontrava a lâmpada
fluorescente acionada por reator eletrônico - Experimental.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
79
Figura 48 - Espectro harmônico de corrente da lâmpada “F” acionada por reator eletrônico,
correspondente à Figura 47
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
As ilustrações anteriores permitem observar que a forma de onda da tensão
elétrica não apresenta alterações significativas, resultando em uma DTT% de do sistema
elétrico com a lâmpada F de 1,94%. Isto se deve ao fato do barramento de energia
elétrica onde foi conectada à lâmpada ser “forte” e sobre tudo, ao fato de tratar-se de
uma carga de pequena potência.
Já para a forma de onda da corrente elétrica, nota-se uma forte distorção,
resultando em um DTI% de 139,40%. Complementarmente à forma de onda da corrente
elétrica mostra-se também, o espectro harmônico da corrente elétrica, que nada mais é
do que a decomposição dessa forma de onda em série de Fourier. Este espectro ilustra a
significativa parcela dos harmônicos de ordem ímpar (3, 5, 7, 9..., 21) e, principalmente
o harmônico de 3ª ordem com 80,54% de distorção.
Para corroborar com os gráficos plotados, através dos dados coletados ilustra-se
com a Figura 49, também, as formas de onda captadas através do analisador de energia
FLUKE.
80
Figura 49 - Formas de onda de tensão e corrente de F através do analisador de energia FLUKE.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
4.1.2 Lâmpada LED – L1
A Figura 50 ilustra as formas de onda de tensão do sistema elétrico com a
lâmpada L1 e corrente elétrica da lâmpada L1 e a Figura 51 ilustra o seu espectro
harmônico.
Figura 50 - Distorção na forma de onda de tensão do sistema com a lâmpada L1 e corrente de L1 Experimental.
(Fonte: Acervo Próprio)
81
Figura 51 - Espectro harmônico de corrente de L1, correspondente à Figura 52.
(Fonte: Acervo Próprio)
Para esta lâmpada, observa-se, assim como no caso anterior, que onda da tensão
não apresenta pequena distorção, fato ratificado pelo valor da DTT% do sistema elétrico
com a lâmpada L1 de 2,89%. O valor obtido encontra-se um pouco um pouco acima da
lâmpada F analisada anteriormente.
Já para a distorção na forma de onda de corrente, resultou em um DTI% de
51,23%, bem abaixo do valor apresentado pela lâmpada fluorescente - F. O espectro
harmônico evidencia a grande influência dos harmônicos de ordem impar e,
principalmente o harmônico de 3ª ordem com 33,25%, porém, ainda menor do que o
apresentado pela lâmpada F.
A Figura 52 mostra a tensão e corrente da lâmpada L1, desta vez obtida com
auxílio do analisador de energia FLUKE.
É importante registrar, que devido ao fato da magnitude da corrente elétrica da
lâmpada LED L1 ser muito baixa e o visor do instrumento ser pequeno, para que fosse
possível a visualização com clareza das formas de onda mostradas na Figura 52, foi
necessário utilizar o comando ZOOM do analisador. Desta forma, a forma de onda de
corrente apresentada na Figura 52, encontra-se com uma pequena distorção
comparativamente à forma real ou original. De toda maneira, é possível perceber que
ambas possuem o mesmo comportamento.
82
Figura 52 - Forma de onda de tensão e corrente de L1 através do analisador de energia FLUKE.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
4.1.3 Lâmpada LED – L2
A Figura 53 ilustra as formas de onda de tensão do sistema elétrico com a
lâmpada L2 e corrente elétrica da lâmpada L2 e, a Figura 54 ilustra seu espectro
harmônico.
Figura 53 - Forma de onda de tensão e corrente de L2 - Experimental.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
83
Figura 54 - Espectro harmônico de corrente de L2, correspondente à Figura 55.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
De maneira similar às lâmpadas anteriores, constata-se uma baixa distorção na
forma de onda de tensão resultando em um DTT% do sistema elétrico com a lâmpada
L2 de 2,08%, um pouco acima do que apresentou a lâmpada F, porém abaixo do que
apresentou a lâmpada L2.
Para a distorção harmônica de corrente obteve-se um DTI% do sistema com a
lâmpada L2 de 24,57%, bem inferior ao apresentado pelas lâmpadas F e L1.
Pode-se ver na Figura que ilustra espectro harmônico, novamente, a influência
dos harmônicos ímpares, principalmente do harmônico de 3ª ordem de 12%.
A Figura 55 ilustra as formas de onda de tensão do sistema elétrico com a
lâmpada L2 e corrente elétrica da lâmpada L2 obtidas com o analisador de energia
FLUKE. A distorção que se observa na Figura é decorrente do motivo anteriormente
explanado.
84
Figura 55 - Formas de onda de tensão do sistema com a lâmpada L2 e corrente de L2 através do
analisador de energia FLUKE
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Para fins de comparação, as Figuras 56 e 57 ilustram os oscilogramas de tensão e
corrente elétrica dos ensaios experimentais realizados com as 3 lâmpadas.
Observa-se, como esperado, a semelhança e a pequena distorção harmônica das
formas de onda de tensão elétrica. Para as correspondentes ondas de corrente, o
comportamento é diferente. Observa-se uma forte discrepância, com distorções distintas
para cada uma das lâmpadas utilizadas. Destas, aquela vinculada à lâmpada
fluorescente, além de encontrar-se fortemente distorcida, também apresenta um valor de
pico bem mais elevado do que as lâmpadas L1 e L2.
Figura 56 - Formas de onda de tensão do sistema elétrico com o acionamento de F, L1 e L2
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
85
Figura 57 - Formas de onda de corrente de F, L1 e L2
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Tendo em vista que, numa unidade consumidora qualquer, pode ocorrer a
utilização simultânea de duas ou mais lâmpadas, na sequencia, mostra-se as formas de
onda de corrente e tensão correspondente às três lâmpadas objeto deste trabalho. Desta
maneira, poder-se-ia analisar a influência das 3 lâmpadas no sistema elétrico.
As Figuras 58 e 59 ilustram as formas de onda de tensão e corrente elétrica total
das três lâmpadas estudadas e o espectro harmônico correspondente.
Figura 58 - Formas de onda de tensão do sistema elétrico e corrente elétrica do acionamento conjunto de
L1, L2 e F
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
86
Figura 59 - Espectro harmônico de corrente do acionamento de F, L1 e L2 , correspondente à Figura 58.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Nesta condição operativa – as três lâmpadas funcionando, resultou em uma
baixa DTT%, da ordem de 2,29% e em uma DTI% de 76,04%.
Observa-se também, que a forma de onda da corrente total assemelha-se mais
com aquela individual que apresentou maior DTI% nas análises feitas anteriormente, ou
seja, a lâmpada F.
Seguindo a mesma metodologia anterior, a seguir estão mostrados os resultados
obtidos com o analisador FLUKE. A Figura 60 ilustra as formas de onda de tensão e
corrente elétrica para o caso anteriormente apresentado. Considerando a maior
magnitude do sinal de corrente neste caso, a onda de corrente pode ser obtido com
menor distorção, uma vez que não foi preciso aplicar o zoom ao aparelho. Desta forma,
a onda de corrente encontra forte semelhança com aquela obtida pelo analisador MARH
– 21.
87
Figura 60 - Formas de onda de tensão e corrente do acionamento de F, L1 e L2 juntas, através do
analisador de energia FLUKE
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
4.2 Análises dos resultados alcançados
Como o objetivo desse estudo é comparar a substituição de lâmpadas
fluorescentes tubulares por lâmpadas LED tubulares, a lâmpada fluorescente tubular
estudada (F), servirá de base para fins de comparação que devam ser realizadas.
Coletados os dados através das medições feitas com o analisador de energia
elétrica MARH – 21 foi possível plotar os gráficos das formas de onda de tensão e
corrente elétrica das 3 lâmpadas bem como os respectivos espectros harmônicos de
corrente elétrica. Como forma de se ilustrar melhor as influências harmônicas nos
acionamentos relatados até aqui, lança-se mão dos Quadros 14 e 15, que sintetizam os
valores alcançados pelos principais harmônicos encontrados, que são de ordem ímpar,
para o DTT% e o DTI%, respectivamente. O Quadro 16 mostra os DTI% das 3
lâmpadas analisadas.
88
Quadro 14 - Harmônicas ímpares de tensão elétrica resultante das medições
Lâmpadas
Harmônicas ímpares de tensão (%)
7º
9º
11º
13º
3º
5º
15º
17º
F
1,05
1,06
0,62
0,76
0,29
0,15
0,43
0,07
L1
0,74
1,67
0,79
0,83
0,35
0,46
0,49
0,37
L2
1,23
1,17
0,66
0,70
0,27
0,09
0,34
0,16
F, L1 e L3
1,36
1,18
0,60
0,53
0,45
0,39
0,16
0,31
15º
17º
Quadro 15 - Harmônicas ímpares de corrente elétrica resultante das medições
Lâmpadas
Harmônicas ímpares de corrente (%)
7º
9º
11º
13º
3º
5º
F
80,54
53,87
37,16
36,61
37,59
34,07
30,90
27,03
L1
33,25
3,34
3,49
0,73
5,79
7,29
3,33
7,09
L2
12,00
7,56
6,18
3,33
5,03
3,82
4,86
1,56
F, L1 e L3
52,36
33,66
19,20
17,01
13,42
13,33
14,45
13,84
Quadro 16 - Distorção total de corrente elétrica das lâmpadas em estudo
Lâmpada
DTI%
F
139,40
L1
51,23
L2
24,57
As análises feitas resultaram em valores bastante positivos para as lâmpadas de
LED L1 e L2 comparativamente à lâmpada F.
O sistema com a lâmpada L1 resultou uma DTT% um pouco maior do que a
lâmpada F, cerca de 0,95% , porém, resultou em um DTI% cerca de 88,17% menor do
que a lâmpada F.
Já para o sistema com a lâmpada L2 o resultado é ainda melhor
comparativamente à lâmpada F e também a lâmpada L1.
O sistema com a lâmpada L1 apresentou um DTT% cerca de 0,14% menor do
que o resultante da lâmpada F e, um DTI% cerca de 114,83% menor do que o DTI%
resultante da lâmpada F. Comparando o sistema com as lâmpadas de LED, L2 obteve
um DTT% cerca de 0,81% menor do que o DTT% de L1 e um DTI% cerca de 26,66%
menor do que o DTI% de L1.
89
Já no acionamento das 3 lâmpadas simultaneamente, obteve-se um DTT% do
sistema elétrico de 2,29% e um DTI% de 76,04%, ou seja, alterou-se o perfil da
contribuição harmônica, resultando em um DTT% e DTI% menores do que os do
sistema elétrico com a lâmpada F. Isto indica que não houve contribuição para o
aumento das distorções harmônicas e sim para sua diminuição.
Ainda assim os valores encontrados para os DTT% da rede, de acordo com o
PRODIST em seu módulo 8, se encontram abaixo dos valores de referência globais
estabelecidos.
Para a tensão nominal do barramento abaixo de 1 kV, situação
encontrada em instalações elétricas em baixa tensão, o valor não deve ultrapassar 10%
de DTT(%), como mostra o Quadro 17.
Quadro 17 - Valores de referência globais das distorções harmônicas totais (%)
Tensão nominal do Barramento
Distorção Harmônica Total de Tensão (%)
Vn ≤ 1 kV
10
1 kV < Vn ≤ 13,8 kV
8
13,8 kV < Vn ≤ 69 kv
6
69 kV < Vn ≤ 230 kV
3
(Fonte: ANEEL, 2015)
O Quadro 18 compara o DTT(%) de referência segundo o PRODIST – módulo 8
e as distorções totais de tensão - DTT(%) encontrados nas medições.
Quadro 18 - Comparação dos valores de referência com os valores encontrados de DTT(%)
DTT(%) do sistema com a Lâmpada F
1,94
DTT(%)do sistema com a Lâmpada L1
Tensão
nominal do
barramento
2,89(%)
1kV
Valor de
referência
DTT(%)
10
DTT(%)do sistema com a Lâmpada L2
2,08
DTT(%)do sistema com as 3 lâmpadas
2,29
Em relação às harmônicas individuais de tensão - DITT(%) ímpares das 3
lâmpadas acionadas individualmente e simultaneamente, também se encontram dentro
90
dos valores de referência indicados pelo PRODIST – módulo 8. O Quadro 19 mostra
essas referências e compara com os valores encontrados neste estudo.
Quadro 19 - Comparação entre os DITT(%) encontrados nas medições e valores de referência indicados
pelo PRODIST - Módulo 8
Ordem
Distorção harmônica individual de tensão (%)
harmônica
Vn ≤ 1 kV
Valores de
Sistema com a
Sistema com a
Sistema com a
Sistema com as
referência
Lâmpada F
Lâmpada L1
Lâmpada L2
3 lâmpadas
3
6,5
1,05
0,74
1,23
1,36
5
7,5
1,06
1,67
1,17
1,18
7
6,5
0,62
0,79
0,66
0,6
9
2
0,76
0,83
0,7
0,53
11
4,5
0,29
0,35
0,27
0,45
13
4
0,15
0,46
0,09
0,39
15
1
0,43
0,49
0,34
0,16
17
2,5
0,07
0,37
0,16
0,31
91
5 Simulação computacional
Como parte dos objetivos propostos, este capítulo se destina a apresentar a
modelagem matemática e computacional da lâmpada denominada L2, de maneira a
possibilitar a implementação e validação de um modelo computacional para este
dispositivo.
A escolha pela lâmpada L2 deveu-se, além do melhor desempenho sob o ponto
de vista da qualidade da energia elétrica, por tratar-se de um modelo facilmente
encontrado no mercado e maior vida útil, comparativamente as demais lâmpadas
consideradas neste estudo. A parte principal da modelagem recaiu sobre o módulo do
driver, uma vez que esta parte do circuito é quem determina o desempenho da lâmpada
em questão.
Por comparação com os dados experimentais, procede-se com a validação do
modelo desenvolvido, desta forma disponibilizando uma ferramenta de grande valia
para o desenvolvimento de estudos com a lâmpada enfocada.
5.1 Análise do circuito de driver da lâmpada tubular LED para a modelagem
matemática e validação computacional
Para a realização desta etapa dos trabalhos, devido a não terem sido encontradas
as fichas técnicas da lâmpada e correspondente driver, a opção adotada foi abrir a
lâmpada L2 e analisar a topologia do circuito utilizado para o acionamento da mesma. A
Figura 61 ilustra a parte interna da lâmpada, onde se observam os diversos componentes
constituintes.
Figura 61 – Circuito interno da lâmpada L2.
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
92
Visualmente constatou-se que o circuito de driver utilizado é do tipo Buck, uma
vez que este circuito deve alimentar um conjunto de LEDs e os mesmos tem tensão
nominal baixa, entre 1 V a 3,05 V. De maneira a evitar erros, foi medida a tensão de
saída do Buck e encontrada uma tensão de 60,3 V. Dessa maneira pode-se afirmar que
para lâmpadas tubulares de LED o circuito de driver utilizado é o do tipo Buck.
Este circuito apresenta um circuito retificador de onda completa, um estágio de
filtragem de ondulação da forma de onda de tensão de entrada, um estágio de filtro de
entrada para o conversor Buck, um circuito de controle através de circuito integrado
para o MOSFET do Buck, um estágio de filtro de saída do Buck e resistores para limitar
a corrente nos LEDs.
Os circuitos retificadores podem ser de 2 tipos dependendo do tamanho do
driver que se deseja. Podem ser feitos através da composição de 4 diodos em ponte ou
pode-se adquirir essa ponte feita através de uma ponte em miniatura (ver anexo).
O driver encontrado tem seu chaveamento controlado através de modulação por
largura de pulso, ou seja, aplicando–se um pulso positivo na base do MOSFET (Q1),
Figura 45, este entra em condução. Como já explicado anteriormente este tipo de
circuito conversor trabalha com um transistor e um diodo, ambos operando como
chaves. A frequência de chaveamento aplicada no MOSFET é geralmente acima de 100
kHz, isso reduz os ruídos audíveis provindos desse chaveamento.
Devido a esta alta frequência é utilizado um diodo denominado Schottky (Ds)
neste conversor. Este diodo tem a propriedade de entrar em condução e em bloqueio
muito mais rapidamente que os diodos normais, sendo assim ideal para circuitos que
operam com frequências de chaveamento acima de 20 kHz (AHMED, 2000). Em anexo
tem – se uma folha de especificação de um diodo Schotkky comumente utilizado neste
tipo de driver.
As lâmpadas encontradas no mercado são, em sua maioria, bivolts, ou seja,
operam com tensões de 100 V a 240 V. Dessa maneira é necessário que se controle o
tempo ligado (Ton ) do pulso do circuito integrado para que assim se estabilize a tensão
de saída do Buck. Essa análise é feita através da Figura 45. Isso pode ser feito através de
um transistor TJB (Q2). Quando o nível de tensão aplicado nos LEDs cai, através de r3
é enviado um sinal de corrente ao transistor Q2 que começa a conduzir e, essa condução
reduz a largura do pulso do CI 555 (BABU, 2011). Essa alteração em Ton do CI altera o
ciclo de trabalho “d” do Buck, o que garante uma tensão de saída constante em
aproximadamente 60 V. Outros circuitos integrados podem ser utilizados neste caso.
93
O ciclo de trabalho, equação (25) de um conversor CC/CC Buck nada mais é do
que a razão entre o tempo ligado do CI e a largura do pulso do mesmo:
d=
Ton
T
(25)
Sendo,
Ton = Tempo ligado do pulso aplicado no MOSFET do Buck;
T = Período ou largura do pulso aplicada no MOSFET do Buck.
Como o objetivo é disponibilizar uma tensão contínua, porém, menor do que a
tensão de entrada para os LEDs, devido às ondulações provocadas pela operação do
conversor Buck, se faz necessária a introdução de filtros de entradas (Le e Ce) e saída
(Lo e Co) para diminuir as ondulações de tensão e corrente aplicadas nos LEDs.
O arranjo de LEDs é feito através de 132 LEDs conectados em 3 grupos de 44
LEDs em série e cada grupo em paralelo entre si e com a saída do Buck, garantindo
assim uma tensão aproximadamente 1,36 V por LED.
Para que se assegura a corrente necessária em cada grupo de LED, são utilizados
resistores em série com cada grupo de 44 LEDs. A Figura 62 ilustra esse arranjo.
Figura 62 - Arranjo dos LEDs no circuito
r1
CC
Buck
r3
r2
L1
L45
L89
L2
L46
L90
L3
L47
L91
L43
L44
L87
L131
L88
132
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
94
Como os conversores CC/CC funcionam como transformadores em corrente
contínua, para obter-se a corrente de entrada para um conversor Buck basta multiplicar a
corrente de saída pelo ciclo de trabalho do Buck (AHMED, 2000). Assim tem-se por
meio da equação (26):
ILo = ILe × d
(26)
Sendo,
ILo = Corrente na entrada do driver;
ILe = Corrente na saída do driver.
Um diagrama simplificado desse sistema é mostrado na Figura 63.
Figura 63 - Diagrama simplificado do driver da lâmpada L2
Fonte
Retificador de
onda completa
CA
Buck
Carga
CC
CA
LEDs
CC
Circuito
integrado
CC
Controlador
de Pulsos
Observa–se então, que para a parametrização do conversor Buck se faz
necessário saber o ciclo de trabalho (25) do conversor. Para isso foram feitas análises
em laboratório com auxílio do osciloscópio mencionado no tópico “materiais” deste
trabalho.
Através dessa análise laboratorial, conseguiu–se determinar a frequência de
chaveamento para a lâmpada tubular LED sendo acionada em 127 V e em 220 V, bem
como ambos os ciclos de trabalho para cada nível de tensão. As Figuras 64 e 65,
respectivamente, ilustram os pulsos do circuito integrado em 127 V e em 220 V.
95
Figura 64 - Pulsos para acionamento da lâmpada LED em 127 volts
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Figura 65 - Pulsos para acionamento da lâmpada LED em 220 volts
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Tem–se então 2 ciclos diferentes de trabalho, como esperado, para cada nível de
tensão aplicado a lâmpada. Vale lembrar que automaticamente o circuito integrado que
gera esses pulsos se adapta ao nível de tensão de alimentação.
Conforme ilustram as Figuras anteriores, a frequência de chaveamento para o
127 V foi de 150 kHz com Ton de 13,33 µs e, para 220 V foi de 250 kHz com Ton de
96
14,81 µ𝑠. Assim foram obtidos ambos os ciclos de trabalho através da equação 27,
resultando em um ciclo de trabalho de 0,5 para o acionamento em 127 V e 0,27 para o
acionamento em 220 V. Esses dados obtidos se tornam compatíveis com o nível de
tensão medido anteriormente em 60 V na saída do Buck. Assim como aplicada a
equação para encontrar o ciclo de trabalho para se determinar o valor da corrente de
saída no Buck, a mesma relação pode ser utilizada para se determinar a tensão aplicada
na saída do Buck (AHMED, 2000). Assim através da equação 27 pode-se chegar ao
resultado desejado para a tensão:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 × 𝑑
(27)
Sendo,
𝑉𝑜𝑢𝑡 = Tensão de saída desejada no Buck;
𝑉𝑖𝑛 = Tensão aplicada na entrada do Buck.
A partir desse ponto tem-se os dados necessários para a modelagem matemática
e computacional.
5.2 Modelagem matemática do conversor Buck
Tendo em vista as elevadas frequências de chaveamento dos circuitos de
controle da lâmpada LED, tanto para a tensão de 127 V quanto para 220 V, o simulador
ATP utilizado necessita fazer o chaveamento do transistor (MOSFET) e os cálculos
necessários para esse chaveamento. Esta operação resulta em um tempo de simulação
extremamente elevado, cerca de 7500 segundos, o que deixaria os trabalhos de
simulação exaustivos e pouco atrativos.
Dessa maneira, como forma de contornar essa questão, sem, no entanto,
comprometer os resultados, optou–se por diminuir em 1/3 as frequências de
chaveamento na simulação, desta forma reduzindo o tempo de simulação para cerca de
1500 segundos, tornando a simulação menos cansativa e demorada.
Ainda atendendo às limitações de tempo de execução do software utilizado para
as simulações, o objetivo desse tópico deverá ser calcular somente os filtros de entrada,
de saída e os resistores que limitam as correntes nos conjuntos de LED. Como o ATP
97
não possui em sua biblioteca componentes de circuitos integrados, foi desenvolvido o
modelo de um componente que responde da mesma forma que um circuito integrado em
relação às frequências de chaveamento. Este componente é melhor abordado no tópico
relacionado com a validação computacional. A Figura 66 ilustra o componente
desenvolvido.
Figura 66 - Componente desenvolvido para funcionar como um Circuito Integrado
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
A Figura 67 ilustra o filtro de entrada, que é composto pelo indutor Le e pelo
capacitor Ce e é empregado para corrigir os efeitos de harmônicos devido à corrente
pulsada da fonte que alimenta o conversor e, se houver indutância em série com a
chave, no momento de sua abertura pode ser produzida uma sobretensão e destruir essa
chave (MARTINS E BARBI, 2006). Segundo este mesmo autor, “nas aplicações onde o
conversor Buck deve produzir uma tensão contínua de baixa ondulação, é necessário
adicionar um filtro de saída passa – baixa constituído de um indutor e um capacitor”. O
filtro de saída é composto pelo indutor Lo e pelo capacitor Co.
Figura 67 - Filtros de entrada e saída do Buck e resistores limitadores de corrente nos LEDs
Q1
IRFZ44
Le
r4
Vcc
Ce
1
2
3
4
1
2
3
4
555
5
6
7
8
5
6
7
8
Lo
r1
r6
Ds
Co
C1
Q2
BC547
r5
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
r2
r3
98
Antes de calcular os filtros de entrada e saída deve–se, primeiramente, definir
qual a variação de tensão e corrente (ondulação) permitida na saída do Buck. Uma vez
que se deseja corrente e tensão de saída o mais próximo possível de sinais contínuos,
atribui-se o limite de 1% de ondulação para essas grandezas elétricas. Para a execução
dos cálculos aqui propostos é utilizada a metodologia proposta por Martins e Barbi
(2006).
O cálculo do capacitor de entrada é dado pela equação (28).
CE =
I0
4 × f × ∆VCEmáx
(28)
Sendo:
CE = Capacitância do filtro de entrada;
∆VCEmáx = Variação máxima de tensão permitida no capacitor de entrada;
f = frequência de chaveamento;
I0 = Corrente na carga.
Para o cálculo do indutor de entrada tem-se a equação (29).
𝐿𝐸 =
1
𝐼0
× 2
31 𝑓 × 𝐶𝐸 × ∆𝐼𝐿𝐸𝑚á𝑥
(29)
Sendo:
𝐿𝐸 = Indutância do filtro de entrada;
∆ILEmáx = Variação máxima de tensão permitida no indutor de entrada;
f = frequência de chaveamento;
I0 = Corrente na carga.
Como se deseja uma ondulação de tensão e corrente da ordem de 1% utilizam–se
as equações (30) e (31):
∆VCEmáx = 1% × Vin
(30)
99
∆ILEmáx = 1% × ILE
(31)
Sendo:
Vin = Tensão de entrada do Buck;
ILE = Corrente de entrada do Buck.
Da mesma maneira procede–se com o cálculo dos componentes do filtro de
saída do conversor Buck. Através da equação (32) calcula–se o indutor de saída:
L0 =
Vin
4 × f × ΔILomáx
(32)
Sendo:
L0 = Indutância do filtro de saída;
Vin = Tensão de entrada;
ΔILomáx = Variação máxima de tensão permitida no indutor de saída
f = frequência de chaveamento.
A capacitância de saída pode ser calculada pela equação (33):
C0 =
Vin
31 × L0 × f 2 × ΔVComáx
(33)
Sendo:
C0 = Capacitância do filtro de saída;
Vin = Tensão de entrada;
L0 = Indutância do filtro de saída;
ΔVComáx = Variação máxima de tensão permitida no capacitor de saída;
f = frequência de chaveamento.
Como se deseja uma ondulação de tensão e corrente na ordem de 1% utilizam–se
as equações (34) e (35):
∆VComáx = 1% × Vout
(34)
100
∆ILomáx = 1% × I0
(35)
Sendo:
Vout = Tensão de saída do Buck;
I0 = Corrente de saída do Buck (corrente de carga).
Para os cálculos dos resistores que limitam corrente nos LEDs utiliza-se a Lei de
ohm na equação (36):
Vout = 𝑅 × I0
(36)
Aplicando os valores nas equações apresentadas de acordo com uma tensão
aplicada de 127 V, obtém–se os seguintes resultados apresentados no Quadro 20:
Quadro 20 - Resultados obtidos para o circuito Buck
Grandezas
Valores obtidos
Valores comerciais (utilizados)
Vin
127 V
127 V
Vout
60 V
60 V
ILE
120 mA
120 mA
D
0,5
0,5
I0
240 mA
240 mA
CE
0,472 µF
1 µF
∆VCEmáx
1,27 V
1,27 V
∆ILEmáx
1,2 mA
1,2 mA
F
50 kHz
50 kHz
𝐿𝐸
2,73 mH
3,0 mH
∆ILomáx
2,4 mA
2,4 mA
∆Vcomáx
0,6 V
0,6 V
C0
10,5 pF
11 pF
L0
260 mH
270 mH
r1
750 Ω
750 Ω
r2
750 Ω
750 Ω
101
750 Ω
r3
750 Ω
Através dos dados obtidos no Quadro 20 parte-se agora para a simulação e
validação computacional.
5.3 Implementação e validação computacional
Neste ponto é mostrada a implementação do modelo da lâmpada L2 e
apresentados os resultados das simulações computacionais, utilizando o simulador ATP
(Alternative Transients Program).
Dado o número de componentes do modelo, o modelo completo apresenta
dimensões que dificultam a sua ilustração completa. Por este motivo, a alternativa
encontrada foi por dividir em 7 módulos, permitindo melhor visualização dos
componentes conforme Figura 68.
Figura 68 – Diagrama de blocos do circuito simulado separado em módulos
Fonte CA
Ponte
Retificadora
CA/CC
Módulo 1
Módulo 2
Filtros de
ripple de
tensão
Módulo 3
Filtro de
entrada do
conversor CC/
CC
CI para
controle do
chaveamento
do MOSFET
do circuito
Diodo
Schotkky +
filtro de saída
do Conversor
CC/CC
Módulo 4
Módulo 5
Módulo 6
LEDs
Módulo 7
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)

Módulo 1:
O módulo 1, retrata a alimentação da lâmpada, juntamente com o acoplamento
do sinal enviado ao circuito integrado presente no módulo 4.
Grandezas monitoradas (Ponto 1): tensão ac, corrente ac e tensão RMS.

Módulo 2:
O módulo 2 é composto pela ponte retificadora.

Módulo 3:
O módulo 3 é composto pelos Filtros (C1 e C2) de ondulação de tensão (ripple)
de alta e baixa frequência da fonte retificadora.
102

Módulo 4:
O módulo 4 é composto pelo filtro (Le e Ce) de entrada do conversor CC/CC
Buck.

Módulo 5:
O módulo 5 é composto pelo circuito integrado elaborado.
Grandezas monitoradas (Ponto 2): Pulsos de saída do CI.

Módulo 6:
O módulo 6 é composto pelo diodo schotkky e do filtro de saída (Lo e Co) do
conversor CC/CC Buck.

Módulo 7:
O módulo 7 representa as resistências que limitam a corrente elétrica no arranjo
de LEDs da Lâmpada.
Grandezas monitoradas (Ponto 3): Tensão e corrente de saída do Buck.
No primeiro passo da validação foi utilizado um estágio retificador CA-CC de
onda completa. Para fonte CA foi utilizado o componente Ac1ph.sup e uma fonte CA
com aterramento próprio. Os diodos utilizados para a ponte retificadora foram os
componentes Diode.sup. Para a filtragem de ondulação do sinal CC foram utilizados 2
capacitores componentes Cap_u0.sup. Ainda na fonte de tensão CA foi colocado um
medidor de RMS (TACS: DEVICE66), para que fosse possível fazer com que o circuito
funcionasse tanto para 127 V quanto para 220 V, dessa maneira se retratou o mais fiel
possível a lâmpada LED L2. A funcionalidade desse medidor RMS será explicada
melhor quando for mostrado o conversor Buck.
Os componentes TACS (Transient Analisys of Control Systems) no ATP são
todos os componentes de sistemas de controle. A Figura 69 ilustra o estágio retificador
do driver.
103
Figura 69 - Estágio retificador do driver
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Para o estágio conversor CC-CC os indutores empregados em ambos os filtros
de entrada e saída foram do tipo Ind_Rp.sup. Já o capacitor de entrada foi do tipo
Cap_Rs.sup e o de saída Cap_u0.sup. Essa diferença se deu devido ao fato do capacitor
do filtro de saída obter uma maior estabilização da tensão de saída. Para o lugar do
transistor foi utilizada uma chave (sw_tacs.sup) que tem a propriedade de fechar quando
aplicado um sinal de tensão ou corrente ≥ 1 na sua base e quando não houver sinal ou
esse for menor do que 1 a chave comuta para o estado aberto. Em sua programação é
interessante que se coloque o valor 1 no parâmetro GIFU pois, dessa maneira a chave só
comuta para o estado fechado quando outro diodo presente no circuito estiver aberto e
vice–versa. O ATP não possui em sua biblioteca de componentes circuitos integrados,
porém disponibiliza diversos componentes básicos que dependendo do modo como
usados podem suprir as eventuais faltas de componentes deste software. Para o
funcionamento do CI 555 foi utilizada uma fonte comparadora (TACS: DEVICE60) que
compara 2 sinais em duas de suas entradas. Dependendo da relação entre um sinal e
outro, ou seja, se o sinal 1 for maior ou menor que o sinal da entrada 2, essa TACS
libera um terceiro sinal na sua porta de saída vindo das suas outras 3 entradas que
possue. Nessas outras 3 entradas são colocadas 2 outras fontes (TACS: PULSE_03) que
geram sinais retangulares com larguras de pulso Ton e amplitudes programadas de
acordo com a necessidade do circuito. Essas fontes pulsantes foram ajustadas de acordo
com a frequência analisada em laboratório de acordo com os níveis de tensão 127 V e
220 V. Dessa maneira foi possível modelar uma lâmpada bivolt. Em suas entradas
104
comparadoras conectou-se o medidor RMS através de duas TACS (FORTRAN1) que
tem a propriedade de localizar na simulação qualquer sinal desde que seja feita a
programação dentro das mesmas. Esse medidor faz a leitura RMS do sinal da fonte CA
na entrada do circuito e as TACS: FORTRAN1 captam esse sinal e o insere nas portas
comparadoras da TACS DEVICE60. A fonte comparadora foi ajustada de forma que se
o sinal do medidor RMS, captado pelas TACS: FORTRAN1, for menor do que 140 V, o
sinal de saída da chave comparadora corresponderá aos pulsos de acordo com a
frequência de chaveamento da lâmpada em 127 V. Se o sinal for maior do que 140 V o
sinal de saída da chave comparadora corresponderá aos pulsos de acordo com a
frequência de chaveamento da lâmpada em 220 V. Assim basta alterar-se o nível de
tensão de entrada que o circuito se ajusta automaticamente à frequência de
chaveamento. A Figura 70 ilustra o conversor CC-CC.
Figura 70 - Conversor Buck modelado no ATP
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Como resultado dessa simulação, obtiveram–se então as formas de onda de
tensão, tensão com ZOOM e tensão RMS, ilustradas pelas Figuras 71, 72 e 73,
respectivamente.
105
Figura 71 - Forma de onda de tensão de entrada simulada
200
150
Tensão (V)
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Tempo (s)
Figura 72 - Forma de onda da tensão de entrada com "ZOOM"
200
150
Tensão (V)
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0,170
0,175
0,180
0,185
0,190
0,195
0,200
0,205
Tempo (s)
Figura 73 - Tensão RMS de entrada para 180 V
150
Tensão RMS (V)
120
90
60
30
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Tempo (s)
Os pulsos referentes ao controle do chaveamento do conversor Buck também
são ilustrados de forma a validar a simulação. A Figura 74 mostra como se deu a
106
resposta do programa à frequência estabelecida e a Figura 75 mostra através de um
ZOOM os pulsos e seus respectivos Ton , Toff e largura de pulso.
Figura 74 - Resultado dos pulsos devido a elevada frequência de chaveamento
Amplitude do Pulso (Admmensional)
Figura 75 - ZOOM dos sinais pulsantes para o controle de chaveamento do transistor do Buck
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
0,0
51,20
51,25
51,30
51,35
51,40
51,45
51,50
Tempo (ms)
Como resultado do conversor Buck tem–se, assim como o modelado
matematicamente, o sinal de tensão de saída em 60 V, como mostra a Figura 76.
107
Figura 76 - Tensão de saída do conversor Buck
A Figura 77 ilustra o ZOOM dado ao sinal de tensão na saída do Buck,
mostrando que, assim como o calculado, a ondulação de tensão correspondeu ao
modelado, ou seja, um pouco menos do que 1%.
Figura 77 - Ondulação de tensão de saída do Buck
59,9
59,8
Tensão (V)
59,7
59,6
59,5
59,4
59,3
59,2
0,1973
0,1974
0,1975
0,1977
0,1978
0,1979
0,1980
Tempo (s)
A Figura 78 mostra o sinal de corrente na saída do Buck, que assim como o
modelado matematicamente resultou em 240 mA e, a Figura 79 mostra o ZOOM dado
na Figura 78 ilustrando que a simulação também correspondeu a modelagem
matemática da limitação da ondulação de corrente em 1%.
108
Figura 78 - Corrente de saída do conversor Buck
Figura 79 - Ondulação da corrente de saída do conversor Buck
0,2400
Corrente Elétrica (A)
0,2395
0,2390
0,2385
0,2380
0,2375
0,2370
0,182
0,182
0,182
0,182
0,182
0,182
0,182
Tempo (s)
E finalmente, obtiveram–se os gráficos de corrente elétrica da entrada do
circuito, antes da retificação, e também seu espectro harmônico, correspondendo às
formas de onda plotadas de acordo com os dados obtidos nas medições de qualidade da
energia elétrica em laboratório. A Figura 80 ilustra a forma de onda de corrente elétrica
da entrada do circuito, resultante da simulação, a Figura 81 ilustra um ZOOM dado
nesse gráfico, e a Figura 83 a sobreposição entre corrente e tensão elétrica de entrada da
lâmpada L2 simulada, que mostra um comportamento muito semelhante ao gráfico da
Figura 53.
109
Figura 80 - Forma de onda de corrente elétrica da entrada do circuito
0,3
Corrente Elétrica (A)
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Tempo (s)
Figura 81 - ZOOM do gráfico da Figura 82
0,20
Corrente Elétrica (A)
0,15
0,10
0,05
0,00
-0,05
-0,10
-0,15
-0,20
0,100
0,105
0,110
0,115
0,120
0,125
0,130
0,135
Tempo (s)
Figura 82 - Tensão e corrente elétrica - simulado
200
Corrente Elétrica
Tensão
0,20
Heading
100
0,10
50
0,05
0
0,00
-50
-0,05
-100
-0,10
-150
-0,15
Tensão (V)
0,15
0,15
-200
0,170
0,175
0,180
0,185
0,190
Tempo (s)
0,195
0,200
-0,20
0,205
Corrente Elétrica (A)
150
110
A Figura 83 ilustra o espectro harmônico de corrente elétrica de entrada
resultante da simulação que também se mostra similar ao encontrado de acordo com os
dados obtidos em medição e ilustrados pela Figura 54.
Figura 83 - Espectro harmônico de corrente elétrica de entrada resultante da simulação
100
Corrente Elétrica (%)
90
80
70
60
50
40
30
3
20
10
0,0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Ordem harmônica
5.4 Resultados parciais
Neste capítulo foi apresentada a modelagem matemática do conversor CC–CC
Buck, assim como os diversos elementos componentes. Posteriormente, por comparação
com os resultados experimentais, é realizada a validação computacional com os valores
obtidos na modelagem matemática.
Pelos resultados alcançados, tanto na modelagem matemática quanto
computacional, que se mostraram bastante próximas, permitiram a validação do modelo
implementado. Para a validação, foram comparadas as amplitudes e a forma de onda de
corrente elétrica de entrada do circuito tanto na parte CA, como na CC, no caso, em
partes distintas dos componentes inseridos no circuito de driver da lâmpada L2. No que
tange a validação da parte matemática, a resposta do circuito simulado também se
encontra dentro dos limites estabelecidos de ondulação de tensão e corrente conforme
ilustraram as Figuras inseridas nesta dissertação.
Complementando essa validação tem-se também o espectro harmônico
decomposto em transformada de Fourier da corrente elétrica de entrada do circuito, que
111
se comporta de maneira muito semelhante com o espectro harmônico resultante da
análise laboratorial feita através de analisador de energia.
112
6 Estudos luminotécnicos e de viabilidade econômica
Nesta seção são analisados o desempenho lumínico das lâmpadas em estudo
através de suas iluminâncias médias e a viabilidade financeira substituição de lâmpadas
fluorescentes por lâmpadas de LED.
6.1 Verificação da iluminância média
Como mais um aspecto levado em consideração para avaliar a atratividade da
substituição das lâmpadas LED pelas lâmpadas fluorescentes tubulares, foram
conduzidos estudos luminotécnicos com a finalidade de verificar o desempenho de cada
lâmpada utilizada.
Para a condução dos estudos luminotécnicos foi utilizada a norma da ABNT
(Associação Brasileira de Normas Técnicas) NBR 5382 – Verificação de Iluminância de
interiores.
Foi utilizada uma sala relativamente pequena, de aproximadamente 8,9 m²,
identificada como “almoxarifado do laboratório de eletrotécnica”, do curso de
engenharia elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso. Nesta sala foram fixadas
as 3 lâmpadas em estudo, uma por vez, em um mesmo ponto centralizado no ambiente.
As Figuras 84 a), b) e c) mostram, respectivamente, a sala utilizada, uma das lâmpadas
ligadas para medição e o luxímetro utilizado coletando os dados de iluminância em um
dos pontos determinados conforme a norma.
Figura 84 - a) Sala utilizada. b) Lâmpada ligada para medição. c) Luxímetro coletando dados
a)
b)
c)
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
113
Para uma melhor visualização do espaço e condições utilizadas nas medições
luminoténicas, a Figura 85 ilustra a planta baixa do ambiente em questão. Nesta mesma
Figura, o ponto central indica o local de fixação das lâmpadas, conforme dito, uma por
vez.
Figura 85 – Planta baixa do ambiente onde foram feitas as análises luminotécnicas
P2
P4
2,27 metros
P3
P1
3,90 metros
(Fonte: ACERVO PRÓPRIO)
Com o auxílio do luxímetro foram feitas as medições das iluminâncias nos 4
pontos sugeridos pela norma, P1, P2, P3 e P4. O Quadro 21 mostra consolida os valores
medidos para as três lâmpadas consideradas.
Quadro 21 - Quadro de iluminâncias medidas
Iluminâncias (lux)
Pontos
L1
L2
F
50
50
61
P2
52
52
65
P3
51
50
59
P4
51
51
61
P1
114
Com o uso da equação (37), também de acordo com a norma mencionada,
determinou-se o resultado da iluminância média de cada lâmpada, que se encontram
apresentadas no Quadro 22.
Iluminância média =
P1 + P2 + P3 + P4
4
(37)
Quadro 22 - Iluminância média calculada
Iluminância média (lux)
L1
L2
F
51
50,75
61,5
6.1.2 Resultados obtidos sob a ótica lumínica
De maneira a oferecer dados que permitam efetuar a avaliação sobre o
desempenho das lâmpadas estudadas, sob a ótica do desempenho lumínico, apresentase, no Quadro 23, os dados de cada uma das lâmpadas focadas neste estudo.
Quadro 23 - Características elétricas e lumínicas das Lâmpadas analisadas
Lâmpadas
Tensão
(V)
Corrente
(mA)
Potência
(W)
Iluminância
média
(Lux)
Temperatura
de cor
(Kelvin)
Fluxo
luminoso
(Lúmens)
Eficiência
Luminosa
(Lúmens/W)
F
127
157
20
61,5
3000
1350
67,5
L1
127/220
120
10
51
4000
820
82
L2
127/220
120
10
50,75
4000
825
82,5
Os resultados alcançados evidenciam que a iluminância média resultante da
lâmpada fluorescente tubular F foi maior, comparada às lâmpadas tubulares de LED L1
e L2.
Através do Quadro 23 observa-se que apesar da eficiência luminosa da lâmpada
F ser a menor, quando se trata da intensidade de iluminação, a lâmpada F apresentou um
melhor desempenho, o que se traduz numa perda de iluminação quando da substituição
da lâmpada F pelas lâmpadas L1 e L2.
O iluminamento médio da lâmpada florescente apresenta-se superior em torno
de 21%. Apesar disto, considerando outras características, como maior vida útil,
115
aspectos ambientais, dentre outros, quiçá, o menor desempenho não seja determinante
para a definição da viabilidade da utilização ou não de uma ou outra lâmpada.
.
6.2 Eficiência elétrica considerando as novas bandeiras tarifárias a serem
aplicadas no Brasil em 2015
Neste capítulo são feitos os cálculos e considerações da viabilidade econômica e
relação custo benefício da substituição de lâmpadas tubulares fluorescentes acionadas
com reatores eletrônicos por lâmpadas tubulares de LED considerando a aplicação do
novo sistema de cobrança da tarifa de energia elétrica no Brasil denominado bandeias
tarifárias.
6.2.1 Estudo de relação da viabilidade econômica financeira da substituição de
lâmpadas fluorescentes tubulares por lâmpadas tubulares LED
Este estudo visa analisar a relação custo benefício na substituição de lâmpadas
tubulares fluorescentes por lâmpadas tubulares LED. Desta forma, pretende-se buscar
mais eficiência elétrica no sistema. Os métodos de cálculos utilizados aqui encontram –
se no “Manual para a Elaboração do Programa de Eficiência Energética” e no
“Procedimentos do Programa de Eficiência Energética – PROPEE, Módulo 7 –
Viabilidade econômica”, ambos da ANEEL.
Para que o exposto acima aconteça, foi feita uma simulação da substituição de
500 conjuntos de lâmpadas + reatores (eletrônicos) por 500 lâmpadas tubulares LED.
A Tabela 2 mostra algumas informações necessárias para os cálculos:
Tabela 2- Custo individual da lâmpada
Lâmpada
Tubular LED
Custos indiretos de substituição de cada lâmpada
Preço
R$ 146,00
R$ 20,00
116
Apesar de se poderem utilizar as mesmas luminárias de lâmpadas tubulares
fluorescentes para a troca por lâmpadas tubulares LED, vale ressaltar que as lâmpadas
tubulares LED não possuem reatores para seu funcionamento e o arranjo feito para sua
alimentação, diretamente com a rede elétrica, depende da especificação dos respectivos
fabricantes. Dessa maneira os custos indiretos dessas substituições acabam se tornando
um pouco mais onerosos, o que justifica os R$ 20,00 apresentados.
Para a avaliação do custo benefício podem-se ser utilizados o “Plano de
Monitoração e Verificação”. Todavia, neste trabalho, tratando-se de caráter
exploratório, utiliza-se apenas o “Plano de Verificação".
Para realizar os cálculos do plano de verificação, foram utilizados os valores de
demanda das lâmpadas medidas de forma experimental em laboratório. Apesar de a
ANEEL recomendar a medição no local em vários pontos de substituição.
As lâmpadas LED têm vida útil de 50.000h. Será considerado um período de
funcionamento diário de 10h por dia, ou seja, as lâmpadas permanecerão acessas
durante este período. A partir de (38) é possível calcular a vida útil em anos destas
lâmpadas.
Vida útil em anos =
Vida útil das lâmpadas (h)
Tempo de utilizaçao da lãmpada
(38)
(h)
(ano)
Para obter os valores do custo benefício, é necessário efetuar os cálculos
comparativos da redução de demanda de ponta e eficiência elétrica entre os conjuntos
existentes na instalação (tubulares fluorescentes) e as lâmpadas a serem instaladas, no
caso as tubulares LED.
Os cálculos da “Redução de Demanda da Ponta - RDP” e “Eficiência Energética
- EE” são realizados separadamente para cada tipo de lâmpada, através das equações
(39) e (40).
RDP = [(NL1 × PL1 ) − (NL2 × PL2 )] × FCP × 103
(39)
EE = [(NL1 × PL1 + NR1 × PR1 ) − (NL2 × PL2 + NR 2 × PR 2 )] × 𝑡 × 106
(40)
Sendo:
NL1 – Quantidade de lâmpadas existentes no sistema;
117
NL2 – Quantidade de lâmpadas no sistema proposto;
PL1 – Potência de lâmpadas existentes do sistema (W);
PL2 – Potência de lâmpadas do sistema proposto (W);
NR1 – Número dos reatores da lâmpada do sistema existente;
PR1 – Potência dos reatores das lâmpadas existentes;
NR1 – Número de reatores das lâmpadas existentes no sistema;
PR2 – Potência dos reatores das lâmpadas do sistema proposto;
NR2 – Número de reatores das lâmpadas do sistema proposto.
t – Tempo de utilização em horas (no caso será de 3650h);
FCP – Fator de coincidência na Ponta (no caso será de 1);
Para o cálculo da relação do custo benefício - RCB utiliza-se a equação (41).
RCB =
Custo anualizado total
Benefício anualizado
(41)
O próximo passo é calcular o fator de recuperação de capital do valor investido
nas lâmpadas a serem colocadas no sistema, levando em consideração a vida útil dessas
lâmpadas e a taxa de juros mensal que incide sobre estes valores.
O fator de recuperação de capital é calculado por meio da equação (42).
FRC =
i × (1 + i)n
(1 + i)n − 1
(42)
Sendo:
i = taxa de juros (no caso será de 8%)
n = vida útil
Com auxílio da equação (43) é possível determinar o custo dos equipamentos a
serem instalados.
CPE = CEequipam + Cindiretos
(43)
O Custo Anualizado, que corresponde ao valor investido com a troca das
lâmpadas em cima da vida útil desta, é calculado utilizando a equação (44).
118
CA = CPE × FRC
(44)
O benefício é calculado a partir dos custos evitados, utilizando os valores de
RDP e EE.
Os custos evitados de demanda (RDP) e custos evitados de energia elétrica
(CEE), podem ser determinados a partir das equações (45), (46), (47) e (48),
considerando as tarifas de cada bandeira através das Tabelas 3, 4 e 5.
CED = (12 × C1 ) + (12 × C2 × LP)(R$/kW. ano)
(45)
(Cp × LEp ) + (Cfp + LEp )
LEp + LEfp
(46)
LEp =
(47)
LEfp
(7 × LE1 ) + (5 × LE2 )
12
(7 × LE3 ) + (5 × LE4 )
=
12
(748)
CEE =
Sendo:
C1 - custo unitário da demanda no horário de ponta [R$/kW.mês];
C2 - custo unitário da demanda fora do horário de ponta [R$/kW.mês];
Cp - custo unitário da energia no horário de ponta [R$/MWh];
Cfp- custo unitário da energia fora do horário de ponta [R$/MWh];
LEfp - Constante de perda de demanda no posto na ponta;
LEp - Constante de perda de energia no posto de ponta considerando 1 kW de perda de
demanda no horário de ponta;
LE1 - Constante de perda de energia no posto de ponta de períodos secos considerando
1 kW de perda de demanda no horário de ponta;
LE2 - Constante de perda de energia no posto de ponta de períodos úmidos
considerando 1 kW de perda de demanda no horário de ponta;
LE3 - Constante de perda de energia no posto fora de ponta de períodos secos
considerando 1 kW de perda de demanda no horário fora de ponta;
LE4 - Constante de perda de energia no posto fora de ponta de períodos úmidos
considerando 1 kW de perda de demanda no horário fora de ponta.
119
Tabela 3 - Valores de C utilizados conforme a Tabela para bandeira verde
Custo unitário
C1
C2
Cp
Cfp
Preço por custo unitário
30,35 R$/kW.mês
9,83 R$/kW.mês
303,18 R$/MWh.mês
192,11 R$/MW.mês
Tabela 4 - Valores de C utilizados conforme a Tabela para bandeira amarela
Custo unitário
C1
C2
Cp
Cfp
Preço por custo unitário
30,35 R$/kW.mês
9,83 R$/kW.mês
318,18 R$/MWh.mês
207,11 R$/MW.mês
Tabela 5 - Valores de c utilizados conforme a Tabela para bandeira vermelha
Custo unitário
C1
C2
Cp
Cfp
Preço por custo unitário
30,35 R$/kW.mês
9,83 R$/kW.mês
333,18 R$/MWh.mês
222,11 R$/MW.mês
Para determinar os valores dos L, deve-se calcular o fator de carga médio do
ultimo ano, com os valores da Tabela 6 e a partir da equação (49) e aplicar na Tabela 7 e
8 para K=0,15.
FC =
Consumo Energético (kWh)
730h × Demanda coincidente (kW)
Tabela 6 - Valores do consumo de energia e demanda coincidente e fator de carga
Meses do
ano
Jan/12
Fev/12
Mar/12
Abr/12
Mai/12
Jun/12
Jul/12
Ago/12
Set/12
Out/12
Nov/12
Dez/12
Total
Média
Consumo
Dem. Coincid.
Energia
(kW)
(kWh)
510.888.171
1.100.949,80
508.174.925
1.089.849,73
515.522.470
1.120.470,24
520.672.891
1.148.192,11
523.344.576
1.150.286,30
509.606.528
1.089.412,77
507.276.400
1.070.935,99
530.647.862
1.200.789,06
535.366.345
1.250.836,26
545.173.758
1.400.255,35
543.363.758
1.350.855,55
540.521.608
1.320.089,75
6.290.559.382
13.003.932
(Fonte: CEMAT, 2012)
FC
0,64
0,64
0,63
0,62
0,62
0,64
0,65
0,61
0,59
0,53
0,55
0,56
0,61
(49)
120
Tabela 7 - Valores de LP, LEs para k = 0,15
Fator de
carga
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
LP
LE1
0,1444
0,23139
0,1681
0,24102
0,1936
0,25119
0,2209
0,2619
0,25
0,27315
0,2809
0,28494
0,3136
0,29727
0,3481
0,31014
0,3844
0,32355
0,4225
0,3375
0,4624
0,35199
0,5041
0,3695
0,5476
0,38516
0,5929
0,40316
0,64
0,4181
0,6889
0,43538
0,7396
0,4532
(Fonte: ANEEL, 2008a)
LE2
0,16197
0,16871
0,17583
0,18333
0,19121
0,19946
0,20809
0,2171
0,22649
0,23625
0,24639
0,25865
0,26961
0,28095
0,29267
0,30476
0,31724
Tabela 8 - Continuação Tabela 7
Fator de
LE3
LE4
carga
0,1
-0,1099
-0,0776
0,15
-0,02643
-0,01867
0,2
0,07832
0,0553
0,25
0,20435
0,1443
0,3
0,35166
0,24832
0,35
0,52026
0,36738
0,4
0,71014
0,50146
0,45
0,9213
0,65057
0,5
1,15375
0,81472
0,55
1,40748
0,99389
0,6
1,68249
1,18808
0,65
1,97632
1,39557
0,7
2,29381
1,61977
0,75
2,63258
1,85899
0,8
2,99264
2,11324
0,85
3,37398
2,38252
0,9
3,7766
2,66683
(Fonte: ANEEL, 2008a)
Como resultado tem-se a Tabela 9 que mostra os valores de L’s resultantes.
Tabela 9 - Valores dos “L’s” baseado na Tabela de fator de carga e k = 0,15
Constantes de perda de
Valores
demanda e de energia
LP
0,5041
LE1
0,3695
LE2
0,25865
LE3
1,97632
LE4
1,39557
(Fonte: ANEEL, 2008a)
121
O valor do benefício anualizado relaciona os valores de EE e RDP com os custos
evitados. Para isso deve-se pautar na equação (50).
𝐵 = (𝐸𝐸 × 𝐶𝐸𝐸) + (𝑅𝐷𝑃 × 𝐶𝐸𝐷)
(50)
A relação custo benefício (RCB) indica quanto os custos correspondem em
relação aos benefícios gerados pela eficientização de cada uso final (iluminação, motriz,
ar-condicionado, ar comprimido, etc.). O cálculo da RCB global do projeto deverá ser
efetuado por meio da média ponderada das RCBs individuais. Os pesos são definidos
pela participação percentual de cada uso final na energia economizada. Na avaliação de
projetos, quanto menor o valor do RCB – desde que inferior a 0,8 – mais atrativo será o
investimento.
Para a análise dos resultados somente os valores do custo evitado de energia
elétrica, benefício anualizado e relação custo benefício é que vão se alterar, uma vez que
somente nesses cálculos se inserem os valores das tarifas correspondentes às bandeiras.
6.2.2 Resultados parciais
Neste estudo foram analisadas as características principais para avaliar a
eficiência elétrica na substituição de um conjunto de lâmpadas fluorescentes tubulares e
lâmpadas tubulares LED. Constatou-se, por meio dos valores de viabilidade econômica
obtidos para um consumidor de grande porte, a não atratividade na perspectiva da
relação custo benefício, resultando em valores de RCB maiores que 1 (2,14 para
bandeira verde, 2,04 para bandeira amarela e 1,96 para bandeira vermelha) para a troca
proposta. Existem então três valores diferentes para a RCB devidos aos preços
diferenciados das tarifas de cada bandeira. Em nosso caso a menor RCB foi encontrada
para a tarifa da bandeira vermelha, que seria a maior tarifa a ser cobrada do consumidor
e, como o objetivo da aplicação das bandeiras diferenciadas é principalmente a redução
do consumo de energia elétrica, uma tarifa mais cara nos cálculos apresentados resulta
em uma RCB mais atrativa. Portanto para os estudos feitos em eficiência energética de
acordo com o manual da ANEEL devem-se utilizar sempre os valores de tarifa da
bandeira verde, que se traduz no pior caso para a RCB. O Quadro 24 resume os
parâmetros calculados.
122
Quadro 24 - Resultados
Parâmetros Calculados
Vida útil da Lâmpada LED
Resultados
12,32 anos
Redução na demanda de ponta (RDP)
Eficiência Energética (EE)
4 kW
14,6 MWh/ano
Fator de Recuperação de Capital (FRC)
0,12
Custo dos Equipamentos (CPE)
R$ 83.000,00
Custo Anualizado (CA)
R$ 10.191,08
Custo Evitado de Demanda (CED)
Bandeira Verde
Custo Evitado de Energia Elétrica (CEE)
Benefício Anualizado (B)
423,66 R$/kW.ano
Resultados
209,56 R$/MWh.ano
R$ 4.754.56
Relação Custo Benefício (RCB)
Bandeira Amarela
Custo Evitado de Energia Elétrica (CEE)
Benefício Anualizado (B)
2,14
Resultados
224,56 R$/MWh.ano
R$ 4.973,26
Relação Custo Benefício (RCB)
Bandeira Vermelha
Custo Evitado de Energia Elétrica (CEE)
Benefício Anualizado (B)
Relação Custo Benefício (RCB)
2,04
Resultados
239,56 R$/MWh.ano
R$ 5.192,26
1,96
Ressalta-se que de acordo com as recomendações, estes valores, para serem
atrativos, devem apresentar uma relação custo benefício inferior a 0,8. Com esses
resultados, de acordo com o manual para a elaboração do programa de eficiência
energética da ANEEL, conclui-se que o alto custo do investimento efetuado na
aquisição das lâmpadas tubulares de LED não é interessante para substituição de
lâmpadas fluorescentes com reator eletrônico. A diminuição do preço das lâmpadas
tubulares LED e o avanço de pesquisas para o aumento de sua vida útil podem vir a
tornar este investimento atrativo no futuro.
Todavia, para uma análise mais conclusiva, deverão ser considerados outros
aspectos, tais, como os custos ambientais, reprodução de cores, controlabilidade, dentre
outros.
123
7 Considerações finais
Este trabalho teve como objetivo fazer a avaliação entre dois tipos de lâmpadas
tubulares que utilizam tecnologias diferentes para o seu funcionamento: A lâmpada
tubular fluorescente T8, um exemplar, e a lâmpada tubular de LED T8, dois exemplares,
de fabricantes distintos.
Paralelamente aos estudos comparativos, foi desenvolvido um modelo para uma
das lâmpadas LED estudadas, cuja escolha recaiu sobre aquela que apresentava melhor
desempenho sob o ponto de vista da qualidade da energia.
Quanto às conclusões finais obtidas com o estudo, tem-se:
a) Avaliação sob os aspectos elétricos e de consumo
Como primeiro aspecto, deve-se ressaltar a inter-cambiabilidade das lâmpadas,
fato que além de reduzir custos com materiais, reduz tempo e recursos na substituição,
pois pode-se utilizar as mesmas luminárias para os dois tipos de lâmpadas.
As lâmpadas tubulares de LED como esperado apresentaram um consumo de
energia elétrica inferior, uma vez que as potências nominais são menores do que a
fluorescente. Do ponto de vista da qualidade da energia elétrica, ambas lâmpadas
tubulares de LED, identificadas pelas siglas L1 e L2, apresentaram um melhor
desempenho quando comparadas à lâmpada tubular fluorescente identificada no
trabalho pela letra F. Os índices de distorção harmônica de tensão e corrente elétrica do
sistema foram menores do que aqueles gerados pela lâmpada fluorescente.
b) Avaliação luminotécnica
Os resultados das medições do iluminamento do espaço escolhido para tal
finalidade, em conformidade com a NBR 5483, evidenciaram um desempenho 21%
menor das lâmpadas tubulares de LED, comparativamente à lâmpada fluorescente
tubular. Apesar desta constatação, não se pode deixar de mencionar que a fluorescente
avaliada tem o dobro da potência nominal das lâmpadas LED. Além disso uma
expectativa de vida das LED é muitas vezes superior à fluorescente.
124
c) Avaliação do modelo matemático e computacional desenvolvido
O modelo matemático e computacional da lâmpada LED denominada de L2,
após sua implementação computacional no simulador ATP, foi validada pela
comparação com dados obtidos experimentalmente. De acordo com a lâmpada física,
que tem a característica de ser bivolt, o modelo desenvolvido também apresenta esta
particularidade. Este fato exigiu que componentes internos também fossem modelados,
sendo que os resultados alcançados foram satisfatórios. Outro ponto de destaque foi a
identificação e modelagem do circuito de acionamento ou driver da lâmpada tubular de
LED. Este componente, não existindo na biblioteca do ATP, foi necessária a sua
modelagem. Utilizando-se, para tanto, componentes básicos do ATP foi possível
construir o componente necessário e devidos ajustes. O desempenho do modelo
completo, comparativamente aos dados experimentais, conforme evidenciado pelos
sinais de tensão, corrente e espectro harmônico em pontos monitorados da lâmpada,
tanto CA como CC, mostraram-se muito próximos, sendo, portanto, satisfatórios. O
modelo, desta forma, se constitui em uma ferramenta muito útil para previsões sobre os
efeitos desse tipo de carga não linear em sistemas elétricos através de simulação
computacional.
d) Avaliação da relação Custo - Benefício
De acordo com o método proposto pela ANEEL foi feita a análise da relação
custo benefício da substituição de uma considerável quantidade de lâmpadas tubulares
fluorescente por tubulares de LED. Esta análise levou em consideração o consumo de
energia elétrica, de uma maneira geral, de ambas as lâmpadas, os valores inseridos para
esta substituição e levou em consideração o sistema tarifário, que deve entrar em vigor a
partir de 2015 no Brasil. Como resultado, de acordo com o método utilizado, obteve-se
observando somente a substituição proposta, que esta não se mostrou atrativa do ponto
de vista financeiro, devido ao alto custo para a aquisição das lâmpadas tubulares de
LED.
Nos cálculos realizados, não foram levadas em consideração outras questões, ou
externalidades, que podem vir a suplantar a questão meramente financeira. Este ponto
de vista, no entanto, foge ao escopo deste trabalho e entende-se, poderá ser abordado em
125
outros trabalhos, principalmente se considerado a crescente preocupação com a
sustentabilidade do planeta. Devido ao apelo ambiental, a iluminação a LED poderá ser
a predominante no mundo, a exemplo do que já se observa em grandes cidades do
Brasil e do mundo.
7.1 Sugestões para trabalhos futuros
Um ponto importante e que não foi objeto deste estudo é o fator de potências
com que o conjunto das lâmpadas estudadas operam. Sugere-se primeiramente a análise
desses fatores de potências com que operam os conjuntos das lâmpadas de LED e a
análise do fluxo de reativo desta operação.
Para lâmpadas com altas distorções nas formas de onda de tensão e corrente
elétricas sugere-se o estudo da implementação de filtros harmônicos para essas
lâmpadas e a adaptação dos circuitos de drivers a estes filtros.
Como opção, pode-se também implementar computacionalmente as lâmpadas
tubulares de LED em softwares que respondam melhor com as altas frequências de
chaveamento de chaves comutadoras.
Estudar os efeitos das variações de tensão de curta duração no funcionamento e
vida útil das lâmpadas de LED.
Avaliar os efeitos luminotécnicos do uso contínuo de lâmpadas tubulares LED
no que diz respeito à variação do fluxo luminoso das mesmas.
Estudar,
avaliar
e
propor
circuitos
de
drivers
mais
simples
que
consequentemente possibilitem a redução no valor comercial de lâmpadas tubulares
LED.
126
Referências
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. Verificação de iluminância de
interiores. NBR 5382. Rio de Janeiro, 4 pags, 1985.
Ahmed, A.. Eletrônica de potência. Editora Prentice Hall, São Paulo, trad., 479 pags.
2000.
Alexander, C. K.; Sadiku, M. N. O.. Fundamentos de circuitos elétricos. Editora
Bookman, Porto Alegre, trad., 857 pags. 2003.
Alonso, J. M.; Calleja, A. J.; Gacio, D.; Cardesín, J.; López, E.. A Long-Life HighPower-Factor HPS-Lamp LED Retrofit Converter Based on the Integrated BuckBoost Buck Topology. IECON - 37th Annual Conference on IEEE Industrial
Electronics Society. 2011.
Alonso, J. M.; Gacio, C. D.; Antonio J.; Ribas, J.; López, E... A Study on LED
Retrofit Solutions for Low-Voltage Halogen Cycle Lamps. IEEE Transactions on
Industry Applications, 5, vol. 48, pp. 1673 – 1773. set/out. 2012.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Lei nº 9.991. Jul. 2000.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução nº 456. Nov. 2000.
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Caderno Temático 4 – Tarifas de
Fornecimento de Energia Elétrica. Abr. 2005.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Manual para a elaboração do
programa de eficiência energética. 2008a.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução normativa nº 300. Fev.
2008b.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos do Programa de
127
Eficiência Energética – PROPEE. Módulo 7 – Viabilidade econômica. Versão 1.
Set. 2013.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Bandeiras Tarifárias. Disponível
em: < http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=758&idPerfil=2> . Acesso em: 12 dez.
2014.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de
Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST – Módulo 8 – Qualidade
da Energia Elétrica. Rev. 6. 2015.
Babu,TA. Power an LED driver using off-the-shelf components. EDN network.
Designideas, readers solve design problems. Jan. 2011.
Boylestad, R.; Nashelsky, L.. Dispositivos eletrônicos e teoria dos circuitos. Editora
LTC, Rio de Janeiro, trad, sexta edição, 645 pags. 1999.
Bullough, J. D. Lighting Answers: Led Systems. National Lighting Product
Information Program, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute. Vol.
7, Issue 3, 2003.
CEMAT – Centrais Elétricas de Mato Grosso. Valores de consumo de energia e
demanda coincidente e fator de carga. Levantamento anual realizado pela
concessionária local (Julho/2010 até Junho/2011), 2012.
Chen, N.; Chung, H. S.. A Driving Technology for Retrofit LED Lamp for
Fluorescent Lighting Fixtures With Electronic Ballasts. IEEE transactions on power
electronics, 26, vol. 2, pp. 588 – 601, fev. 2011.
Chen, K.; Wang, S.; Lee, M.; Chen, D.. A High-efficiency Integrated Circuit for
LED Driving. IEEE. International Symposium on Computer, Communication, Control
and Automation, pp. 385 – 388. 2010.
128
Chen, W.; Hui, S.Y.R. A Dimmable Light-Emitting Diode (LED) Driver with
Cascaded Mag-Amp Postregulators for Multistring Applications. IECON 2010 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. pp 2523 – 2528. 2010.
Cheng, Y.K.; Cheng, K.W.E. General Study for using LED to replace traditional
lighting devices. IEEE 2nd International Conference on Power Electronics Systems and
Applications. pp. 173 – 177. 2006.
Cree LED components & modules. Document Library. Disponível em: <
http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Document-Library#XLamp>
.
Acesso em: 2 mar. 2014.
Dugan, R. C.; McGranaghan, M. F.; Santoso, S.; Beaty, H. W.. Electrical Power
Sistems Quality. Editora McGraw-Hill, segunda edição, 521 pags. 2004. Material
digital. Disponível em:< http://www.digitalengineeringlibrary.com>.
Hui, S.Y.R.; Li, S.N.;Tao, H.X.; Chen, W. A Novel Passive Offline LED Driver With
Long Lifetime. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 25, NO.
10, OCTOBER 2010
IEC 61000-2-1. Electromagnetic compatibility (EMC). Part 2: Environment –
Section 1: Description of the environment – Electromagnetic environment for lowfrequency conducted disturbances and signaling in public power supply systems.
International Electrotechnical Commision. 1990.
Júnior, E.A.. Estudo e implementação de uma estrutura para a alimentação de
LEDs de potência como o controle da cor e da intensidade luminosa. 2008. 159 f.
Dissertação (mestrado em engenharia elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina
– SC.
Kosow, I. L.. Máquinas elétricas e Transformadores. Editora Globo, Porto Alegre,
quarta edição, trad., 667 pags. 1982.
129
Lee, S. W. Ricky; Lau, C. H.; Chan, S. P.; Ma, K. Y.; NG, M. H.; Lee, Y. W. NG K. H.;
Lo, J. C. C.. Development and Prototyping of a HB-LED Array Module for Indoor
Solid State Lighting. IEEE. Proceedings of HDP. 2006.
Martins, D. C.; Barbi, I.. Eletrônica de potência: conversores CC – CC básicos não
isolados. Ed. dos Autores, Florianópolis, Segunda edição revisada, 377 pags. 2006.
MME - Ministério de Minas Energia. Plano Nacional de Eficiência Energética.
Versão 18-10-11.
Pinto, R. A. Projeto e implementação de lâmpadas para iluminação de interiores
empregando diodos emissores de luz (LEDs). 2008. 130 f. Dissertação (Mestrado em
engenharia elétrica) - Universidade Federal de Santa Maria – RS.
Qin, Y.; Lin, D.; Hui, S. Y. (Ron). A Simple Method for Comparative Study on the
Thermal performance of LEDs and Fluorescent Lamps. IEEE Transactions on
Power Electronics, vol. 24, no. 7. Jul. 2009.
Rashid, M. H. Eletrônica de Potência – Circuitos, dispositivos e aplicações.
MAKRON Books do Brasil Editora Ltda., São Paulo, trad., 817 pags. 1999.
Reis, A; Rosentino, J. P. A; Caixeta, D.; Santilio, F. P.; Cunha, G. H. B.; Gondim, I. N.;
Barbosa, J. A. F.; Rezende, P. H. O.; Silva, T. V.; Curso de ATPDraw. Universidade
Federal de Uberlândia. Faculdade de Engenharia Elétrica. Programa de Pós Graduação
em Engenharia Elétrica. Núcleo de Qualidade da Energia Elétrica e Dinâmica dos
Sistemas. 230 págs. Mar. 2012.
Rodrigues, C. R. B. S. Reator eletrônico ressonante orientado ao teste dimerizado
de lâmpadas de vapor de mercúrio e vapor de sódio em alta pressão. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Elétrica)-Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora,
2009. 131 f.
Sales, R. P. LED, o novo paradigma da Iluminação Pública. Dissertação (Programa
de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Tecnologia - PRODETEC), do Instituto de
130
Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC), e Instituto de Engenharia do Paraná
(IEP). 2011. Curitiba. 117p.
Sinnadurai, R.; Khan, M. K. A. A.; Azri, M.; Vikneswaran. Development of White
LED Down Light for Indoor Lighting. IEEE Conference on Sustainable Utilization
and Denvelopment in Engineering Technology. pp. 242 – 247. Out. 2012.
TianFu, P.; HuangJen, C.; ShihJen, C.; ShihYen, C.. An improved single-stage
flyback PFC converter for high-luminance lighting led lamps. IEEE The Eighth
International Conference on Electronic Measurement and Instruments, pp. 212 – 215.
2007.
Uddin, S.; Shareef, H.; Mohamed, A.; Hannan, M. A; Mohamed, K.. LEDs as Energy
Efficient Lighting Systems: A Detail Review . IEEE Student Conference on Research
and Development, 2011.
Vasconcellos, A. B. de; Carvalho, M. S. C. de; Coimbra, A. M.; Carvalho, J. R. de;
Monteiro, R. V. A.; Malheiro, T. I. R. C. Analysis of Tuned Filters for Mitigation of
Harmonic Current Distortion of Air Conditioning Systems to Inverter. IEEE.
ICHQP International Conference on Harmonics and Quality Power. Maio. 2014.
YU, L.; YANG, J.. The Topologies of White LED Lamps' Power Drivers. IEEE. 3rd
International Conference on Power Electronics Systems and Applications. 2009.
131
APÊNDICE A – PUBLICAÇÕES RELATIVAS AO TEMA DA
DISSERTAÇÃO
ARTIGOS PUBLICADOS EM PERIÓDICOS
(1)
MONTEIRO,
R.
V.
A.; FONSECA,
A.
L.
A.; CARVALHO,
B.
C.; VASCONCELLOS. A. B.; ASCURRA R. E.. Lâmpadas Tubulares LED e
Tubulares Fluorescentes: Qualidade da Energia Elétrica. Revista Lumière
(Impresso), v. 181, p. 88-93, 2013.
(2)
MONTEIRO,
R.
V.
A.; CARVALHO,
B.
C.; FONSECA,
A.
L.
A.; VASCONCELLOS. A. B.; MALHEIRO, T. I. R. C.. Estudo de Eficiência
Elétrica em Lâmpadas Tubulares LED e Fluorescentes Tubulares. Revista
Lumière (Impresso), v. 187, p. 100-107, 2013.
(3)
MONTEIRO,
R.
V.
A.; CARVALHO,
B.
C.; VASCONCELLOS.
A.
B.; FONSECA, A. L. A.. Fluorescentes Versus LED: A relação Custo
Benefício da Substituição de Lâmpadas Tubulares Fluorescentes Acionadas
com Reatores Eletrônicos por Lâmpadas Tubulares LED, Considerando os
Valores das Tarifas das Novas Bandeiras Tarifárias a Serem Aplicadas em
2015 no Brasil. O Setor Elétrico (Impresso), v. 9, p. 104-112, 2014.
ARTIGOS PUBLICADOS EM EVENTOS INTERNACIONAIS
(4)
MONTEIRO,
R.
V.
A.; FONSECA,
A.
L.
A.; CARVALHO,
B.
C.; VASCONCELLOS. A. B.; MALHEIRO, T. I. R. C.. Led Tubular Lamps
and Tubular Fluorescent: Power Quality. 2014 16th International Conference
on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2014, Bucareste.
ARTIGOS PUBLICADOS EM EVENTOS NACIONAIS E REGIONAIS
(5)
MONTEIRO,
R.
V.
A.; FONSECA,
A.
L.
A.; CARVALHO,
B.
C.; VASCONCELLOS. A. B.; ASCURRA R. E.. Lâmpadas Tubulares LED e
132
Tubulares Fluorescentes: Qualidade da Energia Elétrica. X Conferência
Brasileira de Qualidade da Energia Elétrica, 2013, Araxá - MG.
(6)
MONTEIRO,
R.
V.
A.; FONSECA,
A.
L.
A.; CARVALHO,
B.
C.; VASCONCELLOS. A. B.. Estudo de Eficiência Elétrica em Lâmpadas
Tubulares LED e Fluorescentes Tubulares para Residências. 5º Seminário
Mato - Grossense de Habitação de Interesse Social, 2013, Cuiabá.
(7)
MONTEIRO, R. V. A.; CARVALHO, B. C.. Lâmpadas Tubulares LED X
Lâmpadas Tubulares Fluorescentes Utilizadas em Iluminação de Interiores:
Estudo de Viabilidade de Substituição Considerando Qualidade da Energia
e Eficiência Elétrica. V Mostra de Pós Graduação - Universidade Federal de
Mato Grosso, 2013, Cuiabá.
(8)
MONTEIRO, R. V. A.; FONSECA, A. L. A. ; CARVALHO, B. C. . Drivers de
Lâmpadas de LED: Topologias, Aplicações e Desempenho. 2º Encontro em
Engenharia de Edificações e Ambiental - EEEA, 2014, Cuiabá.
133
ANEXOS
134
135