Qualidade de Energia em Lâmpadas LED Comparação em suas Tensões Usuais 127 e 220V

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1 Qualidade de Energia em Lâmpadas LED Comparação em suas Tensões Usuais 127 e 220V Antônio Marcos Pereira Estrela, Márcio Zamboti Fortes, Adriano Pinheiros Fragoso e Geraldo Martins Tavares Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, RJ, Brasil Resumo A crise energética é uma preocupação cada vez maior nos países em desenvolvimento, e medidas estão sendo tomadas para solucionar o problema da escassez de energia. Uma das soluções mais difundidas é o uso eficiente da energia elétrica. A substituição de lâmpadas de alto consumo por lâmpadas mais eficientes é uma das alternativas para reduzir o consumo de energia, com essa premissa surgem no mercado brasileiro vários modelos de lâmpada LED. Este artigo apresenta uma comparação da eficiência energética entre as lâmpadas LED disponíveis no mercado brasileiro nas tensões usuais. Palavras-chaves Qualidade de Energia, Lâmpadas LED, eficiência energética. I. INTRODUÇÃO Nos países em desenvolvimento, onde a procura por energia é maior que a oferta, medidas estão sendo tomadas como o objetivo de reduzir o consumo de energia elétrica. Pesquisas indicam de forma estimada que a substituição de tecnologias por outras mais novas e energeticamente eficientes reduziria o consumo de energia até 27% em edifícios residenciais e 30% no setor comercial [1]. O aumento da tarifa de energia elétrica também é uma das razões para o surgimento de novos dispositivos eletrônicos de baixo consumo de energia. Porém a utilização em larga escala destes dispositivos eletrônicos pode causar alguns efeitos prejudiciais à qualidade de energia. O governo brasileiro, em 1985, por meio dos Ministérios de Minas e Energia e Indústria e Comércio, criou o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL). O objetivo principal do PROCEL é promover a racionalização da produção e do consumo de energia elétrica, para que se eliminem os desperdícios e se reduzam os custos e os investimentos setoriais. Com a crise que ocorreu no setor elétrico brasileiro em 2001, foi publicada a lei de 17 de outubro de 2001, que estabelecia uma política nacional de eficiência energética voltada para máquinas e aparelhos consumidores de energia no Brasil. Logo em seguida foi publicado o decreto de 19 de dezembro de Por meio deste, ficou regulamentada a lei que define os pontos a serem avaliados em cada produto e também que o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO) será o órgão responsável pelos programas de fiscalização e avaliação da conformidade. A partir de então cresce a demanda de laboratórios para realização de testes nas diversas categorias de produtos e equipamentos. Em 2005, o INMETRO concede a Universidade Federal Fluminense (UFF) o direito de participar do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE) com seu Laboratório de Luminotécnica (LABLUX) através de testes em lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) com reator integrado, para comprovar os índices mínimos de eficiência energética, estabelecidos pelo regulamento de avaliação de conformidade de LFC s. O uso de laboratórios de luminotécnica que possuem grande capacidade de pontos de teste é uma das alternativas para avaliar estes impactos e características específicas das novas tecnologias de iluminação. O LABLUX possui esta finalidade e tem realizado trabalhos nesta linha de estudo [2]- [3]-[4]. De acordo com estatísticas de 2011, a iluminação consome 7,2% dos recursos energéticos primários do mundo e é responsável por 430x10 9 kg de emissões de carbono. Com uma quantidade tão grande de uso de energia e de alta emissão de carbono, a iluminação precisa ser eficiente [5]. As lâmpadas LED tem se difundido cada vez mais no mercado brasileiro e em pouco tempo se tornará uma realidade em todas as residências, com o intuito de substituir as atuais lâmpadas florescentes compactas - LFC, estão sendo lançados no mercado brasileiro vários modelos de lâmpadas LED com dispositivo de controle incorporado, que será o objeto de análise deste trabalho. É importante citar que a iluminação LED também está em ampla difusão e aplicação em iluminação pública [6] e sistemas de emergência [7]. Cabe destacar que pesquisas têm sido realizadas por diversos grupos de pesquisa objetivando melhorar o sistema de acionamento eletrônico do LED e mitigar as altas taxas de distorções harmônicas e baixo fator de potência, como destacado em [8]. As vantagens da utilização das lâmpadas LED em relação às LFC são durabilidade, economia de energia e preservação ambiental e uma avaliação sobre o ciclo de vida destes equipamentos de iluminação está descrito em [9]. Os comportamentos dos diversos dispositivos de iluminação frente a variações de tensões estão apresentados em [10]. Existem já artigos publicados na literatura com foco em medição de eficiência e qualidade de energia em lâmpadas LED de baixa potência [11]. Seguindo esta linha de estudo, este artigo fará uma comparação do desempenho das lâmpadas LED nas duas tensões usuais no Brasil 127 e 220 V.

2 II. METODOLOGIA E DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS As amostras de lâmpadas foram adquiridas no mercado, escolhidas de forma aleatória. Por razões éticas, os autores do trabalho preferem não apresentar o nome dos fabricantes, mas nomeá-los como Modelo A a E. Foram adquiridas três amostras de cada modelo, num total de cinco modelos de fabricantes diferentes. A Tabela I apresenta a descrição dos modelos. Modelo A B C D E TABELA I. LISTA DE MODELOS. Descrição LED 6W V 5000K LED 8W V 5000K LED 10W V 5000K LED 9,5W V 4000K LED 9,5W V 6000K Fig. 2. Multifotômetro Everfine Photo-2000J. Os ensaios elétricos e fotométricos foram realizados no LABLUX com temperatura controlada na faixa de 25ºC ± 1ºC, com tensão controlada em ± 0,5%, durante os períodos de estabilização, reduzindo-se essa tolerância para ± 0,2% no momento das medições. O conteúdo total de harmônicas da tensão de alimentação não deve exceder 3%, segundo a norma NBR IEC 62612:2013 [12]. A alimentação das lâmpadas em ensaio no LABLUX especificamente foi efetuada por meio de uma fonte de tensão controlada do fabricante Califórnia Instruments modelo 300lix, conforme se apresenta na Fig. 1. Fig. 3. Esfera Integradora. Fig. 4. Analisador de Qualidade de Energia. Fig. 1. Fonte Controlada Califórnia Instruments. A medição de intensidade luminosa foi realizada com o multifotômetro Everfine Photo-2000J ilustrado na Fig. 2. Os ensaios foram realizados em esfera integradora com sensor posicionado após anteparo em ponto determinado no projeto da esfera. A Fig. 3 ilustra a esfera instalada no LABLUX utilizada neste estudo. A qualidade de energia nos ensaios foi mensurada por um analisador/wattímetro Yokogawa WT-210 classe A, ilustrado na Fig. 4. Os gráficos de corrente e de espectro harmônico foram gerados através do software que controla o modulo de medição que acompanha a fonte de tensão controlada, do fabricante Califórnia Instruments modelo 300lix. Foram realizadas as mesmas medições em todas as amostras, as grandezas medidas foram: corrente, fator de potência, potência, fluxo luminoso, eficiência e THD de corrente. O fator de potência medido levou em consideração a distorção da forma de onda da corrente de alimentação, conforme abaixo: Onde: é o fator de potência; 1 (1) 2 1 DHT DHT Distorção Harmônica Total de Corrente. Todas as amostras foram alimentadas em suas tensões nominais. Apenas nas lâmpadas LED, que são bivolt foram realizadas duas medições, com tensão de alimentação 127 V e 220 V, tensões usuais em residências no Brasil.

3 Todas as amostras estavam estabilizadas no momento de sua medição, conforme portaria INMETRO n.º 389, de 25 de agosto de 2014 [13]. III. RESULTADOS OBTIDOS As medições foram realizadas em três amostras de cada modelo nas tensões de 127 e 220V, que obtiveram os seguintes resultados. Fig. 7. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo A em A. Modelo A LED 6W V 5000K A Tabela II apresenta os resultados das medições realizadas no modelo A na tensão de 127V e a Tabela III na tensão de Pelas medições é possível observar que nas duas tensões ensaiadas as amostras mantiveram aproximadamente sua eficiência luminosa e seu fluxo luminoso, já seu fator de potência e THD variaram muito. No ponto de vista da qualidade de energia, esse modelo apresenta uma qualidade inferior quando alimentado em TABELA II. MEDIÇÃO MODELO A EM ,65 4, ,64 4, ,65 5, TABELA III. MEDIÇÃO MODELO A EM ,57 4, ,57 4, ,57 4, Pelo espectro harmônico de corrente nas Figs. 5 e 6, podese ver o aumento de praticamente todas as ordens ímpares na medição com tensão de Fig. 5. Espectro Harmônico de Corrente do modelo A em Fig. 8. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo A em B. Modelo B LED 8W V 5000K A Tabela IV apresenta os resultados das medições realizadas no modelo B na tensão de 127V e a Tabela V na tensão de Pelas medições é possível observar que nas duas tensões ensaiadas as amostras mantiveram aproximadamente sua eficiência luminosa e seu fluxo luminoso, já seu fator de potência e THD variaram muito. No ponto de vista da qualidade de energia, esse modelo apresenta uma qualidade inferior quando alimentado em TABELA IV. MEDIÇÃO MODELO B EM ,65 7, ,65 7, ,65 7, TABELA V. MEDIÇÃO MODELO B EM ,58 7, ,58 6, ,58 6, Pelo espectro harmônico de corrente em Fig. 9 e Fig. 10, pode-se ver o aumento de praticamente todas as ordens ímpares na medição com tensão de Fig. 6. Espectro Harmônico de Corrente do modelo A em Fig. 9. Espectro Harmônico de Corrente do modelo B em A forma de onda da corrente em 127V da Fig. 7 apresenta menor distorção que a forma de onda em 220V na Fig. 8. Fig. 10. Espectro Harmônico de Corrente do modelo B em

4 A forma de onda da corrente em 127V na Fig. 11 apresenta menor distorção, que a forma de onda em 220V da Fig. 12. Fig. 14. Espectro Harmônico de Corrente do modelo C em Fig. 11. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo B em A forma de onda da corrente em 127V da Fig. 15 apresenta menor distorção, que a forma de onda em 220V na Fig. 16. Fig. 12. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo B em Fig. 15. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo C em C. Modelo C LED 10W V 5000K A Tabela VI apresenta os resultados das medições realizadas no modelo C na tensão de 127V e a Tabela VII na tensão de Pelas medições é possível observar que nas duas tensões ensaiadas as amostras mantiveram aproximadamente sua eficiência luminosa e seu fluxo luminoso, já seu fator de potência e THD variaram muito. No ponto de vista da qualidade de energia, esse modelo apresenta uma qualidade inferior quando alimentado em TABELA VI. MEDIÇÃO MODELO C EM ,65 9, ,65 9, ,65 9, TABELA VII. MEDIÇÃO MODELO C EM ,58 9, ,58 9, ,58 9, Pelo espectro harmônico de corrente em Fig. 13 e Fig. 14, pode-se ver o aumento de praticamente todas as ordens ímpares na medição com tensão de Fig. 16. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo C em D. Modelo D LED 9,5W V 4000K A Tabela VIII apresenta os resultados das medições realizadas no modelo D na tensão de 127V e a Tabela IX na tensão de Pelas medições é possível observar que nas duas tensões ensaiadas as amostras apresentaram praticamente os mesmos valores. TABELA VIII. MEDIÇÃO MODELO D EM ,99 9, ,7 9, ,99 9, ,4 9, ,99 9, ,2 9,3 TABELA IX. MEDIÇÃO MODELO D EM ,96 9, ,1 8, ,96 9, ,0 8, ,96 9, ,3 9,0 Pelos espectros harmônicos de corrente nas Fig. 17 e 18, podem-se ver valores semelhantes nas duas tensões. Fig. 13. Espectro Harmônico de Corrente do modelo C em Fig. 17. Espectro Harmônico de Corrente do modelo D em

5 Fig. 18. Espectro Harmônico de Corrente do modelo D em A forma de onda da corrente em 127V na Fig. 19 apresenta as mesmas características que a forma de onda em 220V da Fig. 20. Fig. 22. Espectro Harmônico de Corrente do modelo E em A forma de onda da corrente em 127V na Fig. 23 apresenta as mesmas características que a forma de onda em 220V da Fig. 24. Fig. 19. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo D em Fig. 19. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo E em Fig. 20. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo D em E. Modelo E LED 9,5W V 6000K A Tabela X apresenta os resultados das medições realizadas no modelo E na tensão de 127V e a Tabela XI na tensão de Pelas medições é possível observar que nas duas tensões ensaiadas as amostras apresentaram praticamente os mesmos valores. TABELA X. MEDIÇÃO MODELO E EM ,99 10, ,2 9, ,99 9, ,4 8, ,99 9, ,3 9,7 TABELA XI. MEDIÇÃO MODELO E EM ,96 9, ,3 8, ,96 9, ,9 8, ,96 9, ,3 9,0 Pelos espectros harmônicos de corrente nas Fig. 21 e 22, podem-se ver valores semelhantes nas duas tensões. Fig. 20. Forma de Onda da Corrente de alimentação do modelo E em IV. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES Este estudo objetivou avaliar o comportamento das Lâmpadas LED disponível no mercado brasileiro, trabalhando nas duas tensões usuais (127 e 220 V), pois todas as amostras adquiridas indicavam uma faixa de tensão nominal, abrangendo estas duas tensões. As lâmpadas LED realmente são mais eficientes, pois apresentam uma eficiência luminosa bem melhor que as LFCs e incandescentes. No entanto a qualidade da energia esta sendo comprometida, pois muitos modelos de lâmpada LED apresentam uma distorção harrnônica muito alta, fator de potência baixo e baixa qualidade. As amostras, deveriam apresentar as mesmas características elétricas e fotoelétricas para qualquer tensão de alimentação dentro da faixa de tensão de alimentação declarada pelo fabricante. Este trabalho comprova que ainda é possível encontrar lâmpadas LED no mercado brasileiro que não atendem a regulamentação vigente deste produto, portaria n 389 de 25/08/2014. Foi possível observar também, que já existem no mercado brasileiro lâmpadas LEDs com ótima qualidade e eficiência energética, destacando-se o fator de potência quase unitário e a baixa distorção harmônica. Este artigo apresenta informações iniciais para que outras pesquisas referentes ao tema sejam desenvolvidas abrangendo outros parâmetros de avaliação. Fig. 21. Espectro Harmônico de Corrente do modelo E em

6 V. REFERÊNCIAS [1] EPE. Consumo de Energia no Brasil de junho de Disponível em: < s%20de%20energia/dea% %20consumo%20de%20energia%20no%20brasil.pdf>. Acesso em 25 jan [2] J.E.V.Fassarela, M.Z.Fortes, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, Analysis and Suggested Solution of Power Quality Problems in Lighting Laboratory, IEEE Latin America Transactions, vol.12, no.6, pp , [3] M.Z. Fortes, A.M.E.Pereira, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, Avaliação de LFC s nos Limites de Tensão do PRODIST, Engevista, v.16, no.3, pp , [4] M.Z. Fortes, J.E.V.Fassarela, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, O Uso do Laboratório de Luminotécnica para Estudos de Qualidade de Energia, Revista de Ensino de Engenharia, vol.32, no.2, pp.1-7, [5] Blanco, A.M.; Parra,E.; Schau,H. Comparison between compact fluorescent lamps distributed in Colombia and Germany. In: 46thInternational Universities Power Engineering Conference UPEC 2011, p.1-5, [6] P.J.G.Carreira, P.J.C.Esteves, C.A.R.Samora, A.T.Almeida, Efficient and Adaptative LED Public Lighting Integrated in Évora Smart Grid, Proceedings of 22 nd International Conference on Electricity Distribution, Paper 0576, [7] R.A.Pinto, M.R.Cosetin, A.Campos, M.A.D.Costa, R.N.Prado, Compact Emergency Lamp Using Power LED, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.59, no.4, pp , [8] M.S.A.El-Moniem, H.A.Azazi, S.A.Mahmoud, A single-stage voltage sensorless power factor correction converter for LED lamp driver,alexandria Engineering Journal, vol.52, pp , [9] P. Principi, R. Fioretti, A comparative life cycle assessment of luminaries for general lighting for the office compact fluorescent (LFC) vs. Light Emitting Diode (LED) a case Study, Journal of Cleaner Production, vol.83, pp , [10] I. Azcarate, J.J.Gutierrez, A. Lazkano, P. Saiz, K. Redondo, L.A.Leturiondo, Experimental study of the response of efficient lighting technologies to complex voltage fluctioations, Eletric Power and Energy Systems, vol.63, pp , [11] S. Uddin, H.Shareef, A. Mohamed, Power quality performance of energy-efficient low-wattage LED lamps, Measurement, vol.46, pp , [12] NBR IEC 62612:2013, Lâmpadas LED com dispositivo de controle incorporado para serviços de iluminação em geral > 50 V Requisitos de desempenho, [13] INMETRO. Portaria n 389 de 25/08/2014. Disponível em: < Acesso em 25 jan 2015.