REATOR ELETRÔNICO MICROCONTROLADO DE ALTO FATOR DE POTÊNCIA PARA LÂMPADAS DE DESCARGA EM ALTA PRESSÃO

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1 REATOR ELETRÔNICO MICROCONTROLADO DE ALTO FATOR DE POTÊNCIA PARA LÂMPADAS DE DESCARGA EM ALTA PRESSÃO RENATO ORLETTI, MÁRCIO A. CÓ *, DOMINGOS S. L. SIMONETTI, JOSÉ L. F. VIEIRA Universidade Federal do Espírito Santo UFES Programa de Pós-graduação em Eng. Elétrica CEP Vitória ES Brasil * Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo CEFETES Av. Vitória, 1729 Jucutuquara Vitória Espírito Santo Brazil marcio.co@uol.com.br Abstract This paper introduces a single power processing stage electronic ballast with reduced number of components to drive HID lamps. A DC-DC buck converter, which controls the current and the power of the lamp, a power factor pre-regulator based on discontinuous conduction mode boost converter and the inverter are combined in a BIBRED converter. It operates with a low frequency current driving the lamp. The signals of the power stages are provided by a dedicated microcontroller. Ballast for sodium vapor lamps of 70W without acoustic resonance was implemented resulting in a pf = 0,97 with THD = 22% and η = 84%. Keywords HID lamp, electronic ballast. Resumo Este artigo propõe um reator eletrônico de um único estagio de processamento de potência com reduzido número de componentes para acionamento de lâmpadas de descarga em alta pressão. Um conversor CC-CC buck controlando a corrente e potência na lâmpada, um pré-regulador de fator de potência baseado no conversor boost operando no modo de condução descontínua, e um inversor, são combinados formando um conversor. A lâmpada é alimentada com forma de onda retangular de corrente em baixa freqüência. Os sinais de comando são gerados por um microcontrolador dedicado. Um protótipo para lâmpada de vapor de sódio de 70W, livre de ressonância acústica foi implementado, do qual resultou um fator de potência de 0,97 com distorção harmônica da corrente de entrada de 22% e rendimento de 84%. Palavras-chave Lâmpadas de descarga em alta pressão, reator eletrônico. 1. Introdução O domínio da técnica de descarga elétrica em gás, durante o século XX, possibilitou o desenvolvimento das lâmpadas de descarga em alta pressão, as quais apresentam vantagens como alta eficácia luminosa, vida útil longa e boa reprodução de cores, o que as tornam atraentes para aplicações em sistema de iluminação pública e industrial. Entretanto, devido à característica de impedância dinâmica negativa dessas lâmpadas, deve ser usado um dispositivo limitador de corrente. Normalmente é empregado um reator eletromagnético, constituído por uma impedância série, dispositivos para a ignição da lâmpada e um capacitor para correção do fator de potência. Os reatores eletromagnéticos são robustos e, em geral, apresentam menor custo. Em contrapartida, tem peso e volume elevado, baixo rendimento, alta sensibilidade a variações da tensão de alimentação e, sobretudo, pobre regulação de potência (Redl e Paul, 1999; Lin e Hsieh, 1999; Ohguch et ali, 1998; Có et ali, 2002). A operação de uma lâmpada HID pode ser descrita em três fases distintas: ignição, aquecimento e operação em regime permanente. É necessário aplicar pulsos de ignição com elevada tensão para colocar os gases do tubo de descarga em estado de condução. Assim que a ignição ocorre, começa a fase de aquecimento. A colisão entre os elétrons faz com que a temperatura do gás se eleve, vaporizando o metal existente no tubo e aumentando a pressão. Após o fim desta fase, o arco elétrico de alta pressão estabiliza-se, ou seja, a temperatura, a pressão e a luminosidade, e a tensão da lâmpada atingem o ponto de equilíbrio (Redl e Paul, 1999). Durante o período de vida útil, a tensão de operação em regime permanente cresce, o que pode causar um aumento em sua potência, diminuindo o seu tempo de vida útil. Este problema é particularmente grave em lâmpadas de vapor de sódio e lâmpadas de vapor metálico (Lin e Hsieh, 1999). Um reator eletrônico deve acionar a lâmpada adequadamente em cada uma das fases de operação. Para a ignição, o reator deve fornecer os pulsos de alta tensão com amplitude e duração definidas. A corrente deve ser mantida constante e com valor elevado durante a fase de aquecimento, resultando na redução do tempo desta fase, sendo o valor máximo admitido por norma de 1,5 vezes a corrente nominal. Quando a potência atinge valor nominal, a corrente deve ser reduzida, de modo a manter a potência da lâmpada constante. Este procedimento compensa variações na tensão da rede de alimentação e na tensão da lâmpada ao longo de sua vida útil. Grande parte dos reatores eletrônicos para lâmpada de descarga opera em alta freqüência no estágio inversor. Este fato se deve à característica resistiva apresentada pelas lâmpadas nestas freqüências. Entretanto, no caso de lâmpadas HID operando nessas freqüências, ondas de pressão podem surgir no interior do tubo causando perturbações no arco elétrico. Este fenômeno, conhecido como ressonância acústica (RA), traz como conseqüências a flutuação do fluxo luminoso, variação da temperatura e do índice de reprodução de cor da luz e, no pior caso, a extinção do arco ou quebra do tubo de descarga.

2 Além da freqüência de acionamento, a ocorrência da RA é determinada por diversos fatores, entre eles: a geometria do tubo de descarga e suas dimensões, composição do gás, temperatura, pressão e densidade (Redl e Paul, 1999; Peng et ali, 1997; Wada et ali, 1987). Existem técnicas para garantir a operação livre da RA em alta freqüência, em que se destacam o acionamento com freqüência dentro de faixas do espectro em que a RA não ocorre, acionamento com freqüência modulada, e operação com freqüência acima da zona de ocorrência de RA (500 khz). Algumas soluções têm sido apresentadas na literatura (Redl e Paul, 1999; Lin e Hsieh, 1999; Ohguch et ali, 1998; Có et ali, 2002; Peng et ali, 1997; Wada et ali, 1987; Alonso et ali, 1998; Bem- Yaakov e Gulko, 1995; Enjeti et ali, 1994; Tichelen et ali, 1996; Nishimura et ali, 1988), usando reatores eletrônicos para acionar lâmpadas HID em baixa freqüência, neste caso o acionamento é livre da RA. A operação em baixa freqüência acionando a lâmpada com onda retangular de corrente é vista como uma boa solução devido a sua simplicidade, confiabilidade e principalmente devido às severas condições de ressonância acústica que as lâmpadas HID de baixa potência estão submetidas (Nishimura et ali, 1988; Yamauchi e Shiomi, 1998; Shen et ali, 2002). 2. Reatores Eletrônicos com Onda Retangular em Baixa Freqüência A forma mais segura de acionar a lâmpada HID sem o risco de ocorrência da RA é a operação em baixa freqüência com onda retangular de corrente. Neste caso, a inversão de corrente é muito rápida e o reacendimento a cada ciclo não ocorre (Nishimura et ali, 1988; Yamauchi e Shiomi, 1998; Shen et ali, 2002; Brumatti et ali, 2003; Madigan et ali, 1999; Johnston e Erickson, 1994). Um reator eletrônico com onda retangular em baixa freqüência pode ser implementado usando três estágios de processamento de potência, como apresentado na Figura 1(a). O estágio de entrada deste reator é um retificador e um conversor elevador de tensão (boost) operando como pré-regulador de fator de potência. A tensão do barramento CC é controlada pelo valor da razão cíclica da chave S boost. O segundo estágio é um conversor abaixador (buck). A corrente de saída é controlada pela razão cíclica da chave S buck. O estágio inversor de corrente opera em baixa freqüência (Có et ali, 2002). Três estágios de processamento de potência demandam mais componentes, o que aumenta o custo e reduz a confiabilidade do sistema eletrônico (Brumatti et ali, 2003). Existem algumas alternativas para simplificar o reator eletrônico, que consistem em combinar os estágios de potência. O estágio PFP e o conversor buck podem ser integrados formando o conversor BIBRED Boost Integrated with Buck Rectifier / Energy Storage / DC-DC Converter (Madigan et ali, 1999); outra topologia pode ser obtida unindo o conversor buck com o inversor (Nishimura et ali, 1988; Shen et ali, 2002); ou ainda pode-se combinar os três estágios, formando um único estágio de processamento de potência (Brumatti, 2003), como mostra a Figura 1(b). O conversor BIBRED com dupla alimentação em ponte completa (Johnston e Erickson, 1994) pode proporcionar alto fator de potência na entrada e fornecer para a lâmpada uma corrente controlada em forma retangular de baixa freqüência. Ainda é possível integrar a ponte retificadora de diodos ao conversor BIBRED, neste caso a topologia resultante é o da Figura 1(e). As chaves S 1 e S 2 devem obrigatoriamente operar em alta freqüência com controle PWM, enquanto que as chaves S 3 e S 4 operam em baixa freqüência. O inversor deve operar em sincronismo com a fonte de alimentação, o que restringe a freqüência de operação da lâmpada à mesma freqüência da rede elétrica. O controle da corrente na lâmpada é exercido através da razão cíclica das chaves de alta freqüência, e a tensão do barramento CC é controlada pela freqüência de chaveamento. Para a entrada o reator atua como um conversor boost no modo de condução descontínua de corrente, isto garante alto fator de potência. Para a saída, o funcionamento é como em um conversor buck em condução contínua de corrente. Esta topologia é objeto alvo deste trabalho. Por ser a topologia mais compacta, foi realizada a verificação experimental completa do seu funcionamento com o objetivo principal de levantar o seu desempenho. Esta solução aplicada aos reatores eletrônicos para lâmpadas HID será descrita a seguir. 3. O Reator Eletrônico de Único Estágio Baseado no Conversor BIBRED A Figura 2 mostra o circuito de potência do reator eletrônico proposto, o qual consiste em um conversor BIBRED com ponte retificadora integrada à ponte inversora, o circuito ignitor e os pontos de medição. O sincronismo do comando do inversor com a fonte de alimentação é feito através de um sinal gerado por um circuito de comparação. A indutância boost (L boost) é projetada para operação no modo de condução descontínuo, para garantir o alto fator de potência e a baixa distorção harmônica da corrente entrada. O calculo da indutância buck (L buck) leva em consideração dois fatores, o valor máximo deve ser limitado, garantindo que as transições de corrente na lâmpada ocorram no menor intervalo de tempo possível. O valor mínimo é estabelecido, em conjunto com o capacitor de filtro C p, de forma a garantir que o máximo valor do ripple de corrente não ultrapasse 5%. Este valor garante a operação da lâmpada sem provocar ressonância acústica. (Ohguchi et ali, 1998).

3 Pre - regulador de fator de potência Conversor CC - CC abaixador Inversor ( baixa frequência ) BIBRED com dupla alimentação em ponte L boost S buck L buck C 0 L ig 2 lamp L boost S 1 C p S 3 S boost L buck L ig 2 lamp C 0 S 2 S 4 Controle Ignitor L ig 1 Controle Ignitor L ig 1 ( a ) ( b ) S1 CP S3 VCA Lboost Lbuck Lig2 Lamp C0 S2 S4 Controle ignitor Lig (c) Figura 1. Reatores eletrônicos que operam com onda retangular de corrente na lâmpada: a) com três estágios de processamento de potência; b) utilizando um conversor BIBRED com dupla alimentação em ponte completa; c) utilizando BIBRED com retificador integrado ao inversor. O circuito ignitor usa uma relação de transformação apropriada entre as indutâncias acopladas L ig1 e L ig2, promovendo pulsos de ignição com tensão suficiente para a ignição da lâmpada. Estes pulsos são obtidos quando a chave S ig é fechada, promovendo a ressonância entre C ig e L ig1. A tensão ressonante é aplicada sobre os terminais de L ig1, então a relação de transformação definida no acoplamento de L ig1 e L ig2 amplifica a tensão ressonante impondo-a sobre a lâmpada. A Figura 3 mostra as principais formas de onda do circuito. Este conversor possui três etapas de operação para cada semiciclo de corrente na lâmpada: 1ª etapa: Durante esta etapa as chaves S 1 e S 4 estão fechadas, assim a corrente em L boost cresce linearmente através de V CA D 1 S 1 sendo modulada pela tensão de entrada. A corrente em L buck cresce linearmente através de C o S 1 S 4. 2 a etapa: A chave S 1 é aberta. A corrente em L buck decresce linearmente através de S 4 D S2 (diodo intrínseco de S 2) e a corrente em L boost decresce linearmente através de V CA - D 1 D S2 C o até atingir zero. 3 a etapa: Durante esta etapa a corrente em L boost se mantém nula e a corrente em L buck permanece decrescendo até iniciar um novo período de comutação. Estas etapas se repetem até que as chaves S 1 e S 4 são abertas. Após o tempo morto (4 a etapa), as chaves S 2 e S 3 iniciam operação e a corrente na lâmpada inverte resultando na 5 a, 6 a e 7 a etapas, as quais são similares a 1 a, 2 a, 3 a etapas. Um microcontrolador dedicado gera os sinais de comando para as chaves S 1, S 2, S 3, S 4 e M ig (foi utilizado um microcontrolador PIC16F873, da Microchip). As tarefas de controle executadas podem ser resumidas como mostra a Figura 4 e descritas em seguida: Seqüência de ignição: Os pulsos de ignição ocorrem apenas se a lâmpada estiver apagada, obedecendo a um ciclo de ignição, o qual é definido como um pequeno intervalo de tentativa de ignição (menor que 0,6 segundo) e um longo período de repouso (superior a 18 segundos). Durante o intervalo de tentativa, as chaves de alta freqüência da ponte operam com razão cíclica limitada e a chave do circuito ignitor M ig é mantida fechada após o pulso de ignição. Este procedimento mantém a tensão do barramento CC em nível seguro, devido ao consumo de energia em R ig,

4 BIBRED Circuito de ignição Fonte e filtro D 1 S 1 D S1 C p S 2 D S2 R ig C ig L ig2 lâmpada V ac L f C f L boost Lbuck C o D ig L ig1 D 2 S 3 S 4 D S3 D S3 M ig Comandos de S 1 - S 2 - S 3 - S 4 Circuito de medição V co, I Lamp, V Lamp Comando das chaves Microcontrolador PIC16F873 Circuito de controle e comando Comando de M ig Figura 2. Diagrama esquemático do reator eletrônico proposto. caso a tentativa de ignição seja mal sucedida. Durante o período de repouso a razão cíclica das chaves de alta freqüência da ponte é levada à zero para interromper a carga do capacitor C o. Controle de corrente e potência: Após a ignição, a corrente na lâmpada é mantida constante através de um controlador PI (proporcional-integral) digital atuando sobre a razão cíclica das chaves S 1 e S 2. Quando a lâmpada atinge potência nominal, a referência de corrente é periodicamente calculada a partir da leitura de tensão na lâmpada, de modo a manter a potência constante. A leitura de corrente da lâmpada é realizada por um sensor de efeito Hall. Para evitar instabilidade durante operação, os ganhos do controlador são ajustados a cada etapa de funcionamento da lâmpada. Controle da tensão do barramento CC: Apesar de não ser fundamental para a operação da lâmpada é importante garantir que a tensão do barramento CC se mantenha em níveis aceitáveis. Um controlador PI digital atuando sobre a freqüência de comutação realiza esta função. O circuito de leitura de tensão do barramento CC consiste em um divisor resistivo. 4. Resultados Experimentais Um protótipo da topologia com único estágio foi implementado e alguns dos resultados obtidos serão apresentados a seguir. As especificações do reator eletrônico são: S1 tm tm S4 S2 e Controlador PI ton módulo PWM Ts Vgs 1-4 Controlador PI BIBRED com dupla alimentação pulso de ignição v Co (t) v lamp (t) I lamp (t) S3 ilbuck, ilamp t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 ajuste dos ganhos do controlador e limites e + _ V co ref ignitor ilboost 5 a 6 a 7 a 1 a 2 a 3 a 4 a 8 a + I ref I lamp _ V co Cálculo da corrente de referencia e mecanismo de adaptação I lamp V lamp V co Vgs ig A / D A / D A / D Figura 3. Principais formas de onda do reator proposto. Figura 4. Diagrama de blocos do controle.

5 Tensão de alimentação: 220V, 60Hz; Tensão do barramento CC: 420V; Potência da lâmpada: 70W; Corrente de aquecimento: 1,3A (1,5 pu); Freqüência do inversor: 60Hz; Freqüência de comutação nominal: 40kHz. A Figura 5 mostra as formas de onda da tensão de entrada do reator eletrônico e da tensão de saída do sinal de sincronismo. A Figura 6 mostra os sinais de comando das chaves de alta freqüência S 1-S 4, juntamente com o sinal de sincronismo que garante a operação do inversor em sincronismo com a rede de alimentação. A Figura 7 mostra a corrente de entrada, apresentando distorção harmônica total igual a 22%. O fator de potência obtido com o reator é igual a 0,97. A Figura 8 mostra a tensão e corrente em forma retangular na lâmpada, o que garante operação livre de ressonância acústica. A Figura 9 mostra a corrente na lâmpada (linha tracejada) e potência na lâmpada (linha cheia) em função tensão na lâmpada. Esta característica confirma que o reator opera com corrente constante na fase de aquecimento e potência constante após atingir o regime permanente. O crescimento da tensão da lâmpada foi obtido envolvendo-a com papel alumínio. Figura 7. Corrente de entrada (1A/div). V CA V S Figura 8. Tensão na lâmpada (traço inferior 100V/div) e corrente na lâmpada (traço superior 1A/div). Figura 5. Tensão de entrada VCA (100V/div) e sinal de sincronismo VS (5V/div). V S1 V S4 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 [A] Corrente Potência Tensão na lâmpada [V] [W] Figura 9. Potência e corrente na lâmpada função da tensão. Finalmente, a Figura 10 apresenta a curva de rendimento do reator eletrônico em função da tensão de entrada, na qual verifica-se o rendimento de 84% para a tensão nominal de 220V. 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 V S Figura 6. Sinais de comando das chaves S1 S4. 5. Conclusões O reator proposto utiliza número reduzido de componentes, quando comparado aos demais modelos. Tem a característica de acionar a lâmpada com forma de onda retangular de corrente e incorpora as funções de pré-regulação do fator de potência e o controle do fluxo de potência para a lâmpada.

6 Rendimento 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 Rendimento x Tensão de Entrada Tensão de Entrada (V) Figura 10. Curva de rendimento do reator em função da tensão de entrada Foi implementado um protótipo de laboratório para lâmpada de vapor de sódio de 70W. A lâmpada operou livre da ressonância acústica. O reator obteve fator de potência de 0,97 com DHT da corrente de entrada de 22% e rendimento de 84% para a tensão nominal de 220V Um microcontrolador PIC16F873 foi utilizado para realizar as tarefas de comando e controle, o que simplificou muito o circuito implementado, garantindo flexibilidade ao sistema. O controle de corrente na lâmpada, durante a fase de aquecimento, possibilitou a redução no tempo de duração desta fase, preservando a vida útil da lâmpada. Já com controle de potência da lâmpada na fase de operação normal, foi possível obter ótima regulação de potência para variações na tensão da rede e na tensão da lâmpada, além de abrir a possibilidade de controle do fluxo luminoso, o que não foi implementado neste trabalho. O controle dos pulsos de ignição implementado resultou em uma redução no tempo de resfriamento para uma re-ignição a quente, diminuindo ainda o nível de EMI no período de ignição. A redução do número de componentes, o aumento do rendimento, a redução de peso e de volume deste sistema em relação às demais estruturas apresentadas, somado à segurança de operar sem o efeito da ressonância acústica tornam esta solução uma opção muito interessante quando comparada com algumas já propostas na literatura. O custo de produção de um reator com a topologia proposta é inferior às outras topologias de acionamento eletrônico, mesmo assim, seu custo final é significativamente maior do que um reator eletromagnético de mesma potência. O item mais representativo no custo final do reator é sensor de corrente de efeito hall, o qual representa cerca de 30% do custo total. Referências Bibliográficas B-R. Lin and Y-C. Hsieh, Dimming Control for High Intensity Discharge Lamp with Power Factor Correction, Proc. EPE H. Nishimura, H. Nagase, K. Uchihashi, T. Shiomi and M. Fukuhara, A New Electronic Ballast for HID Lamps, Journal of the Illuminating Engineering Society, Summer 1988, pp H. Ohguchi, M. H. Ohsato, T. Shimizu, G. Kimura, H. Takagi, A High-Frequency Electronic Ballast for HID Lamps Based on a /4 Long Distributed Constant Line, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 13, No. 6, November 1998, pp H. Peng, S. Ratanapanachote, P. Enjeti, L. Laskai and I. 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