STE 1 INTERFERÊNCIA, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA SCQ

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1 SCQ/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil STE 1 INTERFERÊNCIA, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA SCQ ESTUDO EXPERIMENTAL DA SENSIBILIDADE DAS LÂMPADAS DE DESCARGA DE ALTA PRESSÃO SUJEITAS A INTERRUPÇÕES MOMENTÂNEAS E MEGULHOS DE TENSÂO. RESUMO Angelo C de Lourenço (FEIS UNESP) Na iluminação de algumas plantas industriais tem sido utilizada com freqüência as lâmpadas de descarga. Estas lâmpadas são sensíveis a distúrbios na tensão de alimentação podendo, sob certas condições, provocar a interrupção do fluxo luminoso, causando grandes prejuízos devido a parada de parte dos processos produtivos. Neste trabalho apresenta-se um estudo experimental do comportamento de lâmpadas de descarga sujeitas a interrupções e mergulhos de tensão. Foram ensaiadas lâmpadas tipo luz mista, vapor de mercúrio e vapor de sódio de diferentes fabricantes Como conclusões apresenta-se suas curvas de sensibilidade e são identificadas suas principais características frente aos distúrbios analisados. Palavras chave Distúrbios, Lâmpadas de Descarga, Qualidade de Energia. 1.0 INTRODUÇÃO Os mergulhos de tensão ( voltage sags ) e as interrupções momentâneas ( momentary interruption ) são provavelmente os mais importantes problemas de qualidade de energia que afetam os consumidores industriais e comerciais de grande porte. Tais ocorrências tem provocado um expressivo crescimento no número de reclamações por parte dos consumidores devido, principalmente, as inúmeras paradas de produção no seguimento industrial. Esta questão tem assumido uma importância estratégica para os consumidores e empresas de energia elétrica, uma vez que os custos associados ao tempo desde a Luís Carlos Origa de Oliveira* (FEIS UNESP) interrupção do processo produtivo até a retomada da produção plena normalmente são muito elevados. Particularmente no Brasil tem sido observado um aumento da freqüência de reclamações nos últimos anos. Este fato está associado a uma tendência crescente de modernização dos processos fabrís na busca pela competitividade no mercado globalizado. Para isto, as indústrias vem se utilizando de equipamentos baseados em tecnologias eficientes, entretanto, muito sensíveis a mergulhos de tensão e interrupções momentâneas. Apesar de toda a atenção estar direcionada para o comportamento destes equipamentos sensíveis persiste ainda a necessidade de um conhecimento mais profundo do comportamento de alguns equipamentos menos sofisticados e tradicionalmente utilizados. Entre eles destacam-se as lâmpadas de descarga de alta pressão utilizadas na iluminação de grande porte, como plantas industriais, galpões, áreas externas, ruas, avenidas, etc. 2.0 CARACTERIZAÇÃO DOS DISTÚRBIOS Os mergulhos de tensão e as interrupções momentâneas tem as mesmas causas, ou seja, são fundamentalmente originados de faltas ao longo do sistema. 2.1 Mergulhos de tensão ( Sags ) O mergulho de tensão é um decremento da magnitude da tensão, cujo valor pode estar entre 10 e 90% da tensão nominal. Dependendo da sua duração podem ser classificados em: Mergulho instantâneo 0,5 a 30 ciclos Mergulho momentâneo 30 ciclos a 3 seg Av. Brasil, 56. CP 31. CEP Ilha Solteira/SP Brasil e mail: origa@dee.feis.unesp.br

2 2 Mergulho temporário 3 segundos a 1 minuto São considerados a principal causa de falhas em equipamentos e interrupções de processos industriais. FIGURA 1 Forma de onda da tensão Sag. que faz o metal voltar ao estado líquido e a pressão abaixar. 3.1 Lâmpada Vapor de Mercúrio A lâmpada de vapor de mercúrio possui em cada extremidade um eletrodo principal, junto a um dos eletrodos há um eletrodo auxiliar ou de partida, ligado a um resistor de partida. O interior do tubo é preenchido com gás inerte e possui mercúrio em estado líquido (pequenas gotas). 2.2 Interrupções A interrupção de curta duração é um mergulho de tensão de mais de 90%. Em função do tempo de duração são normalmente classificados em: Interrupções momentâneas - 0,5 a 3 segundos Interrupções temporária 3 segundos a 1 minuto. FIGURA 2 Forma de onda da tensão Interrupção. 3.0 LÂMPADAS DE DESCARGA De um modo geral, as lâmpadas de descarga tem por princípio de funcionamento a produção de fluxo luminoso pela passagem da corrente elétrica através de um meio ionizado. O meio está contido em um tubo, chamado de tubo de descarga que possui dois eletrodos que conduzem a corrente elétrica. Ocorre então a excitação dos elétrons constituintes desses átomos, resultando em emissão de radiações cujo comprimento de onda depende da natureza do material constituinte do meio e da pressão que se encontra o mesmo. O espectro luminoso produzido pode se situar na região de luz visível ou na região do ultravioleta. No caso da presença de radiações ultravioletas no espectro gerado, elas podem ser convertidas em luz visível através da excitação de um material fluorescente presente no revestimento do tubo. O processo de partida pode ser rápido, como nas lâmpadas fluorescentes que trabalham com baixa pressão ou muito lento, que é o caso das lâmpadas de alta pressão, levando vários minutos para completar a partida. Por outro lado, se uma lâmpada de alta pressão for desligada, o processo de religamento é ainda mais lento, pois a pressão no interior do tubo é muito alta, sendo necessário esperar o resfriamento da lâmpada, FIGURA 3 Lâmpada vapor de mercúrio Quando a lâmpada é ligada, forma-se um arco elétrico entre os eletrodos auxiliar e o principal mais próximo. O arco aquece o gás, vaporizando o mercúrio, que aumenta a pressão do gás no interior do tubo, a corrente passa a circular entre os eletrodos principais. O processo de partida pode levar vários minutos. O reator em série é utilizado para limitar a corrente na lâmpada e o capacitor paralelo tem por objetivo corrigir o fator de potência do conjunto. As lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão produzem uma luz branca, com baixa definição de cores. Sua alta eficiência luminosa e preço final, garantem uma boa relação custo/beneficio o que a faz uma das mais utilizadas no seguimento indústrial. 3.2 Lâmpada de Luz Mista A lâmpada de luz mista emprega os efeitos de incandescência e descarga para produzirem luz. Consta basicamente de uma lâmpada de vapor de mercúrio com um filamento em série com um dos eletrodos principais. A partida segue o mesmo princípio das lâmpadas de vapor de mercúrio. Após a ionização do gás, a corrente passa a fluir entre os eletrodos principais e pelo filamento resistivo. FIGURA 4 Lâmpada de luz mista.

3 3 O filamento é dimensionado a limitar a corrente que flui pelo tubo de descarga, dispensando o uso de reator externo. As vantagens das lâmpadas de luz mista são baixo custo inicial, pois dispensam o uso de reator e o alto fator de potência (unitário). 3.3 Lâmpada Vapor de Sódio A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão consta de um tubo de descarga com um eletrodo em cada extremidade. O tubo de descarga contem gás xenônio, mercúrio e sódio metálico e não existe neste caso o eletrodo auxiliar. A partida é resultado da ionização do gás no interior do tubo e exige altos pulsos de tensão, da ordem do 1500V ou mais. FIGURA 5 Lâmpada vapor de sódio. O dispositivo auxiliar possui, além do capacitor e do reator limitador, também um ignitor cuja atuação está limitada apenas a produção do pulso de partida. As lâmpadas de vapor de sódio produzem um espectro contínuo resultando na cor dourada. Estão entre as lâmpadas mais eficientes disponíveis para uso comercial, entretanto como apresentam um baixo índice de reprodução de cores são utilizadas quase que exclusivamente para iluminação de áreas externas. 4.0 ENSAIOS 4.1 Procedimentos Experimentais As lâmpadas foram alimentadas através de uma fonte o programável da Califórnia Instruments - modelo 5001i. Utilizando-se esta fonte, defini-se através da sua interface programável via microcomputador, as diferentes características desejadas para os distúrbios tais como amplitude do mergulho de tensão, tempo de duração, entre outros. Uma vez estabilizada a luminosidade da lâmpada sob teste é executada uma sequencia de distúrbios pré-programados que provocam diferentes variações na amplitude da tensão e tempos de duração. A partir do sistema de aquisição de dados WaveBook Iotech Instruments, transdutores de corrente e tensão, software de processamento de sinais DasyLab DasyTech, luxímetro YEW (com sinal digitalizado), são obtidos resultados gráficos para a tensão, corrente e fluxo luminoso para as diferentes condições operativas testadas, conforme o seguinte roteiro: 1. Com a lâmpada acesa (após o processo de partida), aplica-se uma subtensão com intensidade e tempo controlados; 2. Verifica-se o comportamento da lâmpada; 3. Se não ocorrer o desligamento, aumentar o tempo de duração e aplicar novamente o distúrbio, sobrescrevendo o arquivo dos dados; 4. Repetir o item 3 até determinar o tempo máximo que a lâmpada suporta as condições de subtensão; 5. Gravar resultados no arquivo de dados, para construção curva de sensibilidade; 6. Diminuir a intensidade da subtensão (aumentar o nível de tensão) e voltar ao item 1. A figura 6 ilustra o arranjo experimental utilizado. Para o estudo experimental do comportamento de lâmpadas de descarga de alta pressão no contexto da qualidade da energia elétrica foram selecionadas os seguintes equipamentos e componentes: Fonte de alimentação programável Califórnia Instruments, modelo 5001i ; Sistema de aquisição de dados WaveBook 516, IOtech ; Micro Computador IBM PC166; Luxímetro YEW escala 3000 lux; Transdutores de corrente e tensão Reatores (quando necessário); Soquetes E 27 / E 40; Lâmpadas Mista ( W); Lâmpadas de Vapor de Mercúrio ( W); Lâmpada de Vapor de Sódio ( 400W). Software de processamento de sinais DasyLab4.0, DasyTec. FIGURA 6 Arranjo experimental 4.2 Lâmpada de luz mista Foram ensaiadas mistas de 160 W, 250 W e 500W de diferentes fabricantes e todas apresentaram um comportamento semelhante frente aos distúrbios na tensão de alimentação. Apresenta-se portanto apenas os resultados colhidos para uma das lâmpadas de 500W. A título de ilustração apresenta-se na figura 7 o

4 4 comportamento da tensão v(t), corrente i(t) e fluxo luminoso φ(t), durante uma interrupção momentânea da tensão com duração de 1 ciclo. Verifica-se neste caso que houve a interrupção definitiva do fluxo luminoso. A oscilação na luminosidade, observada antes do distúrbio é devido ao efeito estroboscópico. ocorrerem na área abaixo da curva provocam o desligamento da lâmpada. FIGURA 9 Forma de onda SAG 36% FIGURA 7 Forma de onda interrupção. A figura 8 ilustra o comportamento para um mergulho de 60% da tensão nominal, em três ciclos. Observa-se que a lâmpada continua ligada por alguns ciclos, mas com a luminosidade muito inferior ao normal. Antes da recuperação da tensão a luminosidade cai zero, resultado do desligamento definitivo da lâmpada. FIGURA 10 Curva de sensibilidade. 4.3 Lâmpada vapor de mercúrio FIGURA 8 Forma de onda Sag 60% Para um mergulho de 36% da tensão nominal, a lâmpada suportou 16 ciclos sem interrupção definitiva do fluxo luminoso, durante os quais a luminosidade e a corrente foram muito reduzidas, figura 9. Os resultados dos ensaios mostram uma clara relação entre a severidade do mergulho da tensão de alimentação e o tempo suportado pela lâmpada antes do desligamento. Os resultados apurados sistematicamente com base no procedimento experimental apresentado anteriormente são ilustrados na figura 10. A curva de sensibilidade mostra o comportamento da lâmpada sujeita a mergulhos na tensão de alimentação. No eixo vertical representa-se a tensão aplicada como uma porcentagens em relação a tensão nominal e no eixo X a duração (tempo) do distúrbio. Distúrbios que No ensaio das lâmpadas de vapor de mercúrio os transdutores de corrente e tensão foram posicionado antes do reator auxiliar. Foram realizados ensaios nas lâmpadas de 80W 125W e 400W e pela similaridade dos resultados obtidos optou-se, mais uma vez, pela apresentação apenas daqueles relativos a lâmpada de maior potência, no caso 400W. Na figura 11 ilustra-se o comportamento da tensão v(t) e corrente i(t) na entrada do reator, bem como do fluxo luminoso φ(t) para uma interrupção momentânea da tensão com duração de 0,4 ciclos. Observa-se que apesar da breve interrupção do fluxo luminoso, em pouco mais de um ciclo após o restabelecimento da tensão este também retorna ao seu valor nominal. FIGURA 11 Interrupção com 0,4 ciclos.

5 5 Entretanto para uma nova interrupção com duração de apenas 0,5 ciclos, a lâmpada não recupera mais o fluxo luminoso, figura 12. Neste caso, após o restabelecimento da tensão, inicia-se longo processo de partida que pode levar vários minutos. Observa-se que a forma de onda da corrente, enquanto a lâmpada encontra-se acesa é distorcida e está aproximadamente em fase com a tensão. Após a interrupção do fluxo luminoso a corrente renanescente se deve apenas ao capacitor paralelo uma vez que esta se apresenta com defasagem de 90 adiantada em relação a tensão. um modo geral que a lâmpada de vapor de mercúrio é mais sensível aos distúrbios de grande intensidade (interrupções e afundamentos acima de 60%) do que a lâmpada de luz mista. Nos distúrbios de menor intensidade e de longa duração, a lâmpada de vapor de mercúrio apresenta uma sensibilidade menor. FIGURA 14 Forma de onda SAG 22% FIGURA 12 Interrupção com 0,5 ciclos. Com relação ao comportamento das lâmpadas de vapor de mercúrio sujeitas a distúrbios de mergulho de tensão verificou-se que o tempo máximo suportado sem interrupção definitiva do fluxo luminoso variou pouco para afundamentos mais severos, na faixa de 40% e 90% da tensão nominal. Por outro lado, na região de distúrbios menos severos observou-se uma grande variação do tempo suportado. A figura 13 mostra, a título de exemplo, o comportamento da tensão, corrente e fluxo luminoso na condição limite de suportabilidade que foi de pouco menos de 10 ciclos, durante um mergulho de tensão de 25%. FIGURA 15 Curva de sensibilidade 4.4 Lâmpada vapor de sódio Assim como para as lâmpadas de vapor de mercúrio, os transdutores de corrente e tensão foram posicionados antes dos dispositivos auxiliares de partida. Particularmente, o ensaio para este tipo de lâmpada foi realizado para apenas um modelo, ou seja, 400W. A figura 16 mostra o comportamento da tensão, corrente e fluxo luminoso durante uma interrupção de 0,1 ciclos (1,6ms) na alimentação da lâmpada. Este tempo interrupção foi suficiente para provocar a interrupção total do fluxo luminoso. FIGURA 13 Forma de onda SAG 25% Para um mergulho de tensão de 22%, o limiar de suportabilidade aumenta consideravelmente para mais de um minuto, figura 14. Mergulhos de tensão inferiores a 21% podem ser suportado indefinidamente pela lâmpada. Os resultados sistematizados para lâmpadas de vapor de mercúrio são ilustrados na figura 15. Observa-se de FIGURA 16 Forma de onda interrupção.

6 6 É possível que a lâmpada ensaiada tenha uma sensibilidade a interrupção para tempos inferiores a 1,6ms, entretanto tal fato não pode ser comprovado experimentalmente devido a limitação do próprio simulador de distúrbio.. Na sua característica de sensibilidade, adotou-se o tempo de 1,6ms como sendo o valor máximo suportado em interrupções. Os mergulhos de tensão mais severos também não são suportados por muito tempo. Afundamentos da ordem 70%, por exemplo, são suportados por cerca de 0,5 ciclo apenas, como mostra a figura 17. FIGURA 17 Forma de onda Sag 30%. Para mergulhos de tensão menos severos o comportamento se assemelha com aqueles obtidos para as lâmpada de vapor de mercúrio. Um mergulho de tensão de 23%, a lâmpada suporta por um tempo superior a 1,5 segundos, figura CONCLUSÃO. As lâmpadas de luz mista foram as menos sensíveis entre as lâmpadas testadas. A robustez desses tipos de lâmpadas pode ser explicado pelo fato de não possuirem dispositivos auxiliares de partida. O resistor que limita a corrente pode ainda ser considerado como elemento amortecedor, diminuindo os efeitos do distúrbio na estabilidade da descarga. A presença dos dispositivos auxiliares, ou seja, reatores e capacitores nas lâmpadas de vapor de mercúrio e ainda a ausência de um elemento amortecedor pode ser a explicação para a alta sensibilidade dessas lâmpadas aos distúrbios na tensão de alimentação. Entretanto, investigações adicionais relacionados como o mecanismo da descarga são fundamentais para o perfeito entendimento do fenômeno. As lâmpadas de vapor de sódio apresentam um agravante a mais, o ignitor. Comparada com as lâmpadas de vapor de mercúrio, a região de afundamentos de longa duração e menos severos é muito parecida, suportando em torno de 79% de tensão nominal indefinidamente. Entretanto, na região de afundamentos mais severos, incluindo as interrupções, essa lâmpada é muito mais sensível. Interrupções com duração inferior a 0,1 ciclo (1,67ms) não puderam ser testadas por limitação do equipamento, mas mesmo esse valor já é muito inferior ao das outras lâmpadas ensaiadas. 6.0 REFERÊNCIAS FIGURA 18 Forma de onda Sag 23%. (1) FONSECA, R. Iluminação Elétrica. McGRALL HILL do BRASIL. São Paulo. (2) VÁZQUEZ, JOSÉ R. LUMINOTECNIA Ediciones CEAC Barcelona Espanha. (3) MELHORN, C. J.; DAVIS, T. D.; BEAM, G. E. Voltage Sags: Their Impact on the Utility and Industrial Customers. IEEE Transactions on Industry Applications, VOL. 34, NO. 3, MAY/JUNE A curva de sensibilidade da lâmpada de vapor de sódio 400W é ilustrada na figura 19, onde se constata sua grande sensibilidade a distúrbios severos de curta duração. FIGURA 19 Curva de sensibilidade