REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA

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1 REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA Abstract In this paper will be reported the study and implementation of a single stage High Power Factor (HPF) electronic ballast for High Pressure Sodium (HPS) lamps using a LCC filter. In the recent years many authors are working to obtain single stage HPF electronic ballast for fluorescent lamps [1, 2]. Normally, to obtain a HPF in electronic ballast for high pressure sodium lamps, a Power Factor Preregulator (PFP) is used between the mains and the electronic ballast [3]. The main idea in this work is to present simple and cheap electronic ballast with HPF for HPS lamps. Design criteria will be proposed in this paper. Finally, experimental results will be showed. KEYWORDS Electronic Ballast; HID Lamps; High Power Factor. Introdução: Existe hoje uma maior conscientização, por parte das sociedades modernas, da importância da preservação do meio ambiente. Neste sentido, importantes esforços têm sido realizados nas diversas áreas do conhecimento. Na engenharia elétrica, este fenômeno se reflete na busca de sistemas alternativos de energia, na utilização de forma mais racional dos recursos disponíveis, na redução das perdas nos equipamentos e no aumento da qualidade da energia elétrica, tanto do ponto de vista de quem fornece a energia quanto de quem a consome. Nos últimos anos, vimos o mercado nacional ser inundado por um grande número de reatores eletrônicos operando em alta freqüência, em especial, para as lâmpadas fluorescentes compactas. Durante o período de racionamento, a utilização destas lâmpadas foi amplamente divulgada pelos meios de comunicação, onde se ressaltava a economia de energia. Neste tipo de lâmpada, a economia de energia se dá por uma maior eficiência luminosa, a qual aumenta com o aumento da freqüência. Naquele momento, o Brasil passava por uma séria crise energética. Muitas concessionárias de energia elétrica, querendo reduzir a demanda, distribuíram gratuitamente este tipo de lâmpada fluorescente para os seus consumidores residenciais mais carentes, sinalizando desta forma, a importância do segmento de iluminação no cenário energético nacional. Estima-se que este segmento consuma cerca de 30% de toda a energia consumida no País. Atentos a estes fatos, inúmeros grupos de pesquisa [1, 2, 3, 4] em todo mundo têm se dedicado ao desenvolvimento de novas topologias e novas técnicas de controle para diversos tipos de lâmpadas HID. A maior parte dos fabricantes tradicionais de reatores para lâmpadas de descarga desenvolveram reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes, de forma a garantir sua sobrevivência no mercado. Vários fatores foram decisivos: por razões de mercado, o qual passou a exigir este tipo de produto, pela simplicidade da linha de produção, a qual tem expressiva redução física em relação à linha que produz os 1

2 reatores convencionais tendo impacto direto nos custos de produção e no aumento da produtividade. Os desafios que se apresentam atualmente para as industrias são: a redução dos custos de produção, a redução no tamanho dos conversores, o aumento da eficiência permitindo obter reatores com elevado fator de potência e com baixa distorção harmônica. Já o desenvolvimento de reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão vem sendo feito por poucos grupos de pesquisa no país, muito embora estes reatores devam estar sendo produzidos pelos principais fabricantes nacionais dentro de pouco tempo. O objetivo deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de um reator eletrônico com alto fator de potência e de baixo custo, para lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio (HPS). Neste trabalho serão também descritos os critérios de projeto para a topologia apresentada. Existem diversos tipos de lâmpadas de alta intensidade de descarga (HID). Inicialmente, este trabalho enfocará as lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio (HPS), largamente utilizadas em iluminação pública. As lâmpadas HPS irradiam energia sobre uma grande parte do espectro visível [5]. Estas lâmpadas proporcionam uma reprodução de cor razoável (tendo índice de reprodução de cores IRC 23). São disponíveis com uma eficiência luminosa de até 130 lm/w e uma temperatura de cor de aproximadamente 2100 ºK. As lâmpadas HPS, como qualquer outra lâmpada HID, necessitam de um reator para operar corretamente. O reator é um dispositivo auxiliar, ligado entre a rede e a lâmpada de descarga, cuja finalidade é à de garantir a ignição da lâmpada, aplicando uma tensão elevada entre seus eletrodos e limitando a corrente que irá circular pela mesma. Sem a limitação de corrente, a lâmpada se destruiria rapidamente, devido à característica apresentada pela mesma de possuir uma resistência negativa, a qual pode ser observada na Figura 1. Estas lâmpadas apresentam diversas particularidades quando operam em alta freqüência, tais como: Podem ser modeladas por uma resistência fixa em regime permanente; Podem ter a intensidade luminosa controlada; Podem ter o seu espectro de reprodução de cores alterado; Apresentam o fenômeno da ressonância acústica, o qual pode resultar na extinção do arco e até mesmo a destruição da lâmpada; Figura 1. Curva típica Tensão x Corrente para lâmpadas HID. Objetivando obter um reator eletrônico com alto fator de potência e de baixo custo, foi desenvolvido um conversor de um único estágio. Esta topologia surgiu de uma idéia muito simples: uma vez que em alta freqüência as lâmpadas HPS têm um comportamento resistivo, porque não conectar o reator eletrônico 2

3 (inversor em meia ponte e filtro LCC) diretamente à ponte retificadora? Neste artigo, será discutida a implementação desta topologia. Com a adoção desta idéia foi possível observar uma vantagem adicional: a lâmpada não apresentou o fenômeno da ressonância acústica, dado que a lâmpada é alimentada por uma corrente de alta freqüência modulada em baixa freqüência. Reator Eletrônico Proposto: Para minimizar a interferência eletromagnética gerada pelo reator eletrônico, a estrutura proposta de um único estágio para lâmpadas HPS, incorpora junto ao retificador de entrada um filtro LC. A figura 2 mostra o diagrama elétrico do circuito proposto. O capacitor C f, nesta figura, possui duas funções, a primeira receber a corrente reativa do reator eletrônico e a segunda trabalhar como filtro de linha em conjunto com o indutor L F. Este arranjo confere ao reator eletrônico; baixo custo e elevado fator de potência uma vez o valor da capacitância C f não é elevado estando na ordem de centenas de nano faradays. Figura 2. Reator eletrônico proposto com elevado fator de potência. Resultados Experimentais: Para validar o sistema proposto foi implementado um reator eletrônico em meia ponte com as seguintes especificações: lâmpada HPS de 70 W ligada à rede elétrica com tensão de 220 V AC e com freqüência mínima de operação de 68 khz. Os valores dos elementos ressonantes utilizados foram obtidos utilizando-se um filtro ressonante LCC com L = 220 µh, Cs = 55 nf, o qual foi implementado com cinco capacitores de 11 nf em paralelo e Cp = 2.73 nf implementado com três capacitores de 8.2 nf em série. Na figura 3 são mostradas as tensões e a corrente na rede, sem o filtro EMI, como se pode observar o valor máximo da corrente segue a tensão logo um alto fator de potência pode ser obtido com esta estrutura. Na versão definitiva os resultados com a introdução do filtro EMI serão apresentados. Na Figura 4 são mostradas as tensões e a corrente na lâmpada, onde se pode notar sua característica resistiva em alta freqüência. 3

4 Figura 3. Tensão e corrente na rede. Figura 4. Tensão e corrente na lâmpada. A figura 5 apresenta a corrente na lâmpada HPS em baixa freqüência, onde é possível observar que a lâmpada está trabalhando com alta e baixa freqüência simultaneamente, evitando desta forma o fenômeno da ressonância acústica. Nos ensaios feitos com este reator, não foi observada a ocorrência deste fenômeno. Na figura 5 é possível observar que a lâmpada HPS desliga nas vizinhanças do cruzamento por zero da rede elétrica de forma análoga ao reator convencional. Na figura 6 é possível observar que a ignição da lâmpada ocorre a cada meio ciclo da rede. Portanto, fica evidente que a lâmpada não teve um comportamento puramente resistivo durante todo o período de baixa freqüência. Figura 5. Corrente na lâmpada em baixa freqüência. Figure 6. Tensão e corrente na lâmpada em baixa freqüência. CONCLUSÕES: Este artigo descreveu um reator eletrônico de alto fator de potência para lâmpadas HPS. Este reator apresenta baixo custo devido ao fato de não utilizar um PFP externo. O fenômeno da ressonância acústica não foi observado devido à topologia escolhida, a lâmpada foi excitada com um sinal de potência modulado em baixa freqüência. Um alto fator de potência foi obtido. A dimerização é possível e o protótipo operou corretamente com dimerizações entre 40% e 100% da potência nominal da lâmpada. Devido às restrições de espaço físico, neste resumo não foi possível incluir todas as informações disponíveis do reator. No artigo final, serão apresentadas as principais equações, um critério para o projeto dos elementos passivos do reator incluindo o filtro EMI e um circuito simples e robusto para o acionamento dos MOSFETS. 4

5 REFERÊNCIAS: [1] Bum Suk Kang; Hee Jun Kim; High Power Factor Electronic Ballast for High Pressure Sodium Lamp, TENCON 99. Proceedings of the IEEE Region 10 Conference, Volume: 2, Dec 1999, Page(s): vol.2. [2] Ben-Yaakov, S.; Gulko, M.; Design and performance of an electronic ballast for high-pressure sodium (HPS) lamps, Industrial Electronics, IEEE Transactions on Volume: 44 Issue: 4, Aug 1997, Page(s): [3] Bisogno, F.E.; Seidel, A.R.; Holsbach, R.; do Prado, R.N.; Resonant filter applications in electronic ballast, Industry Applications Conference, th IAS Annual Meeting. Conference Record of the, Volume: 1, 2002, Page(s): vol.1 [4] Co, M.A.; Resende, C.Z.; Simonetti, D.S.L.; Vieira, J.L.F.; Almeida, P.C.A.; Microcontrolled electronic gear for low wattage metal halide (MH) and high-pressure sodium (HPS) lamps, Industry Applications Conference, th IAS Annual Meeting. Conference Record of the, Volume: 3, 2002, Page(s): vol.3 [5] J.R. Coaton, Lamps and Lighting, fourth edition, Arnold [6] Vanka, Jouko, A Direct Digital Synthesizer with a Tunable Error Feedback Structure, IEEE Transaction on Communication, Vol. 45, nº. 4, April, 1997 [7] Kobayashi, F., Haratsu, M., A Digital PLL with Finite Impulsive Response, Circuits and Systems, ISCAS ' IEEE International Symposium on, Volume: 1, 30 Apr-3 May 1995, Page(s): vol.1 [8] Alves, J.A.; Perin, A.J.; Barbi, I.; An electronic ballast with high power factor for compact fluorescent lamps, Industry Applications Conference, Thirty-First IAS Annual Meeting, IAS '96. Conference Record of the 1996 IEEE, Volume: 4, 6-10 Oct 1996, Page(s): vol.4. 5

6 REATOR ELETRÔNICO DE BAIXO CUSTO PARA LÂMPADAS HID COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA Dos Reis, F. S.; Lima, J. C.; Tonkoski, R Jr.; Líbano, F.B.; Canalli, V.M; Sarmanho, U; Edar, F.; Godinho, L. A. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Tópico: Reatores Eletrônicos Autor Correspondente: Fernando Soares dos Reis Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Av. Ipiranga, 6681 CEP: Porto Alegre RS Brazil f.dosreis@ieee.org Abstract In this paper will be reported the study and implementation of a single stage High Power Factor (HPF) electronic ballast for High Pressure Sodium (HPS) lamps using a LCC filter. In the recent years many authors are working to obtain single stage HPF electronic ballast for fluorescent lamps [1, 2]. Normally, to obtain a HPF in electronic ballast for high pressure sodium lamps, a Power Factor Preregulator (PFP) is used between the mains and the electronic ballast [3]. The main idea in this work is to present simple and cheap electronic ballast with HPF for HPS lamps. Design criteria will be proposed in this paper. Finally, experimental results will be showed. 6