Injeção Controlada de Harmônicas via Modulação PWM para se Evitar a Ressonância Acústica em Lâmpadas HPS

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1 Injeção Controlada de Harmônicas via Modulação PWM para se Evitar a Ressonância Acústica em Lâmpadas HPS Lenin Martins Ferreira Morais lenin@cpdee.ufmg.br Seleme Isaac Seleme Junior seleme@cpdee.ufmg.br Pedro Francisco Donoso Garcia pedro@cpdee.ufmg.br Porfírio Cabaleiro Cortizo porfírio@cpdee.ufmg.br Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais, Campus Pampulha, , Belo Horizonte, MG, BRASIL Abstract: This paper presents a study and analysis of a electronic ballast for high pressure sodium lamps followed by simulation and experimental results. The acoustic resonance control technique consists in the injection of current harmonics fed to the lamp, which are synthesized by the full bridge inverter via PWM through an LC filter. The controlled harmonic spectrum of current supplied has been used in order to avoid acoustic resonance. Another interesting feature of this approach is the reduction of the crest factor of the lamp current. Acoustic resonance happens when the inverter is operating in high frequency, which has certain advantages as the use of smaller and less costly passive elements, although the switching losses increase and acoustic resonance may occur. The use of currents with harmonics is a way of avoiding the excitation of this resonance due to the frequency spread. The LC filter design is also presented, which allows the desired harmonics to pass with controlled amplitudes, while filtering undesired high frequency components. Furthermore, simulation and experimental results of the proposed electronic ballast are presented to verify the analytical discussions and the design specifications. Resumo: Este artigo apresenta um estudo e análise de um reator eletrônico para lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, apresentando resultados de simulação e experimentais. A técnica de controle da ressonância acústica consiste na injeção de harmônicas na corrente aplicadas à lâmpada, que são sintetizadas através de inversor em ponte completa utilizando a modulação PWM e um filtro LC. A injeção controlada de harmônica no espectro da corrente é utilizada para se evitar a ressonância acústica. Outra característica interessante consiste na diminuição do fator de crista aplicado à lâmpada. A ressonância acústica ocorre quando o inversor opera em altas freqüências, mesmo que apresente a vantagem de possuir menos componentes passivos e menores, aumentam-se as perdas por chaveamento e a possibilidade de ocorrência da ressonância acústica. A utilização de correntes com harmônicas é um método de se evitar a ressonância acústica devido ao espalhamento do espectro de potência. O filtro LC é projetado para se injetar as harmônicas com as amplitudes desejadas e filtrar as altas freqüências. Finalmente, são apresentados resultados de simulação e experimentais para o reator eletrônico proposto para validação da técnica proposta. INTRODUÇÃO As lâmpadas HPS apresentam características que justificam o seu grande uso em iluminação pública, tais como alta eficácia luminosa, tempo de vida útil em torno de horas e cor agradável. A lâmpada HPS standard possui o índice de reprodução de cores (Ra), definido pela CIE-974, em torno de 5, sendo Ra um número adimensional de valor máximo igual a 00. Atualmente existem outros modelos com melhores índices de reprodução de cores, em torno de 85, porém possuem menor vida útil e menor eficácia luminosa. O principal desafio ao se projetar reatores para as lâmpadas HPS é o problema da ressonância acústica que se caracteriza por flutuações de pressão do gás no interior do tubo de descarga, quando elas são alimentadas por fontes de potência de altas freqüências (entre alguns khz a centenas de khz) []. Os efeitos mais relevantes provocados pela ressonância acústica são o movimento e flutuação da luz, também conhecido por flicker, extinção do arco, devido ao seu alongamento, destruição do tubo de descarga por sobreaquecimento [] e ainda variação da temperatura e do índice de reprodução de cor da luz. As alternativas encontradas na literatura para se evitar os efeitos da ressonância acústica são as seguintes: Utilizar uma freqüência fixa entre 0 e 00kHz, escolhendo uma faixa de freqüência em que não ocorra a ressonância acústica [, 3, 4].Apesar de ser mais simples esta solução não é eficiente, pois as faixas livres da ressonância podem se alterar ao longo da vida útil da lâmpada, depende da potência da lâmpada e devido a existência de diversas marcas; Utilizar uma freqüência acima da faixa em que ocorre a ressonância acústica, normalmente superiores a 500kHz [5]. Porem com esta solução proporciona uma elevação das perdas de comutação e deve-se levar em consideração, nos projetos dos reatores, as indutâncias e capacitâncias parasitas e as impedâncias de trilhas e cabos; Operar com circuitos que utilização alguma estratégia de modulação acionada pela detecção da ressonância

2 acústica de forma a alterar a freqüência do inversor antes que a ressonância acústica evolua [6, 7, 8]. Entretanto, estudos recentes mostram a limitação desta técnica quando aplicada a lâmpadas de vapor metálico de baixa potência [9]; Utilizar uma com forma de onda quadrada de corrente em baixa freqüência [9, 0].Porem, a operação em baixa freqüência proporciona o aumento do peso e tamanho dos componentes passivos e quando se inclui o estágio PFC diminiu-se o rendimento na maioria das vezes; Utilizar uma com forma de onda quadrada de corrente em alta freqüência. Esta solução gera altos níveis de interferência eletromagnética (EMI) em especial a radiofreqüência emitida pela própria descarga. Uma forma de reduzir estes níveis de interferência é de sobrepor algumas harmônicas (terceira e quinta) a uma forma de onda senoidal de alta freqüência de modo a aproximá-la de uma onda quadrada [], esta técnica, entretanto, ainda é muito pouco investigada. A Figura apresenta a forma de tensão para três freqüências de chaveamento: f PWM 5kHz, 5kHz e 50kHz. A forma de onda de referência é composta pela senoide de khz (a ) e terceira harmônica com amplitude de /3 da amplitude da fundamental. O filtro LC apresenta os seguintes parâmetros: L833µH, C9nF. A resistência equivalente da lâmpada é de R lamp 66.6Ω. Admitindo que a referência possa ser considerada uma onda quase quadrada, a lâmpada é modelada como uma resistência. Para se avaliar a freqüência de amostragem necessária para sintetizar a tensão se evitar a ressonância acústica utiliza se dois parâmetros: a) o desvio padrão (STD) da potência aplicada à lâmpada e b) a taxa de distorção harmônica total (THD) da corrente na lâmpada Acionar a lâmpada em corrente contínua também evita a ressonância []. Entretanto esta solução leva a uma redução significativa da vida útil da lâmpada, sendo aplicável apenas para lâmpadas especiais [3]. O MÉTODO DE INJEÇÃO DE HARMÔNICAS A proposta desta pesquisa consiste na investigação da uma nova técnica de injeção de harmônicas e ainda utilizar uma faixa de freqüência pouco utilizada, que é de khz a 0kHz. Um método utilizado para se injetar harmônicas é baseado no projeto de filtros e no comando dos braços do inversor []. As desvantagens são: a necessidade de um filtro para cada harmônica injetada, o que aumenta a quantidade de componentes, o custo e peso do reator. A necessidade de aumentar a quantidade de braços no caso de se injetar harmônicas acima da 3ª harmônica, aumenta a complexidade dos comandos do inversor. A técnica proposta consiste na injeção de harmônicas através da soma das harmônicas ao sinal de referência do PWM para síntese da tensão aplicada ao filtro ressonante que proporcionará a tensão de regime à lâmpada. Uma vantagem apresentada de imediato é a necessidade de se projetar apenas um filtro LC de saída e outra é a simplicidade da geração do sinal de referência, sem a necessidade do cálculo do ângulo em os comandos dos braços do inversor. A Figura apresenta o diagrama do inversor utilizado para implementação da técnica proposta. Fig.: Formas de onda de tensão aplicadas à R lamp para diferentes f pwm. A Figura 3 apresenta a comparação entre o PWM simétrico níveis (S-N) e o PWM assimétrico 3 níveis (AS- 3N), para diferentes freqüências de chaveamento. Fig.3: a) Amplitude da 3ª harmônica da corrente, b) THD da corrente e c) STD da potência 3 PROJETO DO FILTRO LC Através da análise de resposta em freqüência do filtro LC, apresentadas nas Figuras 4 e 5, podemos obter as equações e : Onde f 0 é freqüência de corte, w () << w0 G Q f a 0 / f o () Fig.: Diagrama do inversor em ponte completa e do filtro LC.

3 Q R C L Logo: R L πqf 0 α A Figura 6 apresenta a resposta em freqüência do filtro LC projetado. Fig. 4: Ganho do filtro em função da freqüência para diferentes valores de Q Fig. 6: Resposta em freqüência do filtro LC projetado, L833µH, C 9nF e R lamp 66.6Ω. Fig.5: Fase do filtro em função da freqüência para diferentes valores de Q 4 IGNITOR Um circuito ressonante paralelo, como mostrado na figura 7, é utilizado para ignição da lâmpada, inversor operando em alta freqüência. A freqüência de ignição (f ig ) é uma freqüência perto da ressonância. Após um período tempo é feita a comutação para a freqüência (f PWM ) de forma garantir a ignição da lâmpada. A inserção do capacitor C ss, através do interruptor S6, é feita neste instante. Assim, é obtido a capacitância equivalente (C ss + C ig ) para o valor projetado para o filtro na seção 3. O projeto do filtro LC é baseado no princípio que se deseja que a fundamental e 3ª harmônica sejam injetadas sem atenuações (i) e com o mínimo de defasagem possível (ii). Fazendo f o é igual a freqüência da 3ª harmônica, f 3h, devemos escolher adequadamente a freqüência de corte do filtro, definida como f n0, equação, para que (i) seja atendida. f no f 0 α (3) Dessa maneira, o fator α escolhido foi 6. Utilizando a equação podemos terminar que Q > 0.70 para que f a > f 3h e assim atenda (ii). As equações redefinidas para a freqüência de corte e o fator de qualidade em função da indutância L e da capacitância C e α são as respectivas: f o πα LC Fig. 7: Esquemático do circuito de ignição implementado A resposta em freqüência do circuito ressonante é dada pela a equação: V V lamp inv ( jω) ( jω) onde ω ω O ω + ω OQ (4) 3

4 O ω (5) Q L C R L ω O ig (6) Antes da ignição, o comportamento da lâmpada é caracterizado por um circuito aberto (Q ). Posteriormente, o circuito ressonante sem carga fornece a tensão necessária para a ignição da lâmpada. Para os valores de projeto L833µH, C ig 5nF e f ig 73kHz, a tensão necessária para ignição é obtida. A Figura 8 apresenta a resposta em freqüência do processo de ignição. Fig. 9: Forma de onda de tensão aplicada à lâmpada na ignição. Fig. 8: Resposta em freqüência do filtro LC ig. 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Um reator eletrônico acionando uma lâmpada GE Lucalox LU50/00/D/40 foi implementado. oram realizados testes para as freqüências fundamentais de 3kHz e 3,5kHz, como f PWM 3.768Hz. Os valores dos componentes do filtro LC implementado são L840µH, C05nF. Sendo CC ig +C ss, onde C ig 5nF/3,kV e C ss 00nF/50V. A Figura 9 mostra a tensão medida na lâmpada durante a ignição. A freqüência de ignição utilizada foi de 73kHz. bserva-se que o pico da tensão de ruptura é de aproximadamente de 750V. A tensão e a corrente da lâmpada em regime, operando em condições nominais (00V rms e,5a rms ), com a freqüência fundamental de 3,5kHz e f PWM 3.768Hz, são mostradas na Figura 0. As Figuras e apresentam o espectro harmônico da corrente e tensão, respectivamente, onde se pode observar que a 3ª harmônica injetada via PWM na tensão da lâmpada é 3.% da fundamental. Já a corrente apresenta a 3ª harmônica com o valor de 9.7%. Fig. 0: Formas de onda de tensão e corrente medido na lâmpada Pode-se observar através dos resultados experimentais que a THD depende da freqüência de chaveamento. Fig : Espectro harmônico da tensão com f pwm 3768Hz Fig : Espectro harmônico da corrente com f pwm 3768Hz De acordo com [], uma faixa de ocorrência da

5 ressonância acústica para lâmpada de 50W está centrada em 3,3kHz. Para avaliar a eficácia da técnica foram realizados testes para as freqüências fundamentais de 3kHz e 3,5kHz, na qual não observou-se a ressonância acústica. Alguns testes foram realizados para freqüências menores que 3kHz onde também não observou-se a ressonância acústica. Dessa forma, pode-se afirmar que a técnica não excita o fenômeno da ressonância acústica. A Figura 5 apresenta a fotografia do arco elétrico da lâmpada operando em 3,5kHz (freqüência fundamental), sem ressonância acústica. Finalmente, a forma de onde de tensão da saída do inversor operando com PWM três níveis é mostrada na Figura 6. Vários testes foram realizados: ) numa faixa de freqüência onde ocorre a ressonância acústica; ) numa faixa onde não se observa a ressonância acústica. Em todos os testes realizados a ressonância acústica não foi observada. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES MEC pela bolsa de doutorado do aluno Lenin Martins Ferreira Morais. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA Fig 3: Arco elétrico da lâmpada operando, com a freqüência fundamental de 3.5kHz, sem ressonância acústica. Fig. 4: Forma de onda da tensão de saída do inversor. [] Groot, J. de and Vliet, J. van., 986, The High-Pressure Sodium Lamp, Philips Technical Library. [] S. Ben-Yaakov and M Gulko, Design and performance of an electronic ballast for high-pressure sodium (HPS) lamps. IEEE Transaction on Industrial Electronics 997, Vol.44, n.4, pp [3] F.J Ferrero et al., Analysis and design of an ac/ac resonant converter as a high pressure sodium lamp ballast. Industrial Electronics Society IECON 998, Vol., pp [4] C. Brañas et al., Contributions to the design and control of LCsCp resonant invert to drive high-power HPS lamp. IEEE Transactions on Industrial Electronics 000, Vol.47, n.4, pp [5] Q. Mso et al., MHz Operation of voltage fed inverter for HID lamps using distributed constant line. IEEE Transaction on Industrial Applications 998, Vol.34, No. 4, July/August 998. [6] A. Soares and A.J. Perin, Reator Eletrônico Para Lâmpadas de Vapor de Sódio de Alta Pressão de 400W Sem Ressonância Acústica VI Induscon 004, Joinville,Brasil Anals [7] L. Laskai; P. Enjeti and I. Pitel, White noise modulation of highfrequency high-intensity discharge lamp ballasts. IEEE Transaction on Industrial Applications, Vol. 34, No. 3, p , May/June 998 [8] W. Yan; Y. K. E. Ho and S. Y. R HUI, Investigation on methods of eliminating acoustic resonance in small wattage high-intensity-discharge (HID) lamps. IEEE Industry Application Society Annual Meeting IAS, 000,Roma, Italy [9] M. Ponce et al., Electronic ballast for HID lamps with high frequency squarewave to avoid acoustic resonance. IEEE Applied Power Electronics Conference, APEC, Anaheim, 00 Vol., pp [0] Márcio CÓ et al., Microcontrolled electronic gear for low wattage metal halide (MH) and High pressure (HPS) lamps. IEEE Industry Application Society Annual Meeting, IAS 0, Pittsburgh, USA, 00 [] J.M Alonso et al., Evaluation of High-Frequency Sinusoidal Waveform Superposed with 3rd Harmonic for Stable Operation of Metal Halide Lamps. IEEE Industry Application Society Annual Meeting, IAS 0, Pittsburgh, USA, 00, pp [] Y. Jiang, J. Zhou and Z. Qian, A novel single stage switch PFP converter with constant power control for ballast for medium HID lamps. IEEE 000, Anals p [3] Melis, J. Electronic ballast design for HID lamps. [4] L. Oliveira, Desenvolvimento de um sistema de energia ininterrupta monofásico, MCs. dissertation, PPGEE, UFMG, BR, 003 [5] IEC (995-03) Standards on Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 3, Section : Limits for Harmonic Current Emission, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, Apr CONCLUSÃO O artigo apresenta uma técnica de injeção controlada de harmônicas utilizando modulação PWM. O inversor em ponte completa 3 níveis utilizando PWM assimétrico com um filtro LC projetado para proporcionar a ignição da lâmpada e a operação em regime. Uma das principais características da técnica proposta é a simplicidade da síntese da forma de onda da tensão aplicada à lâmpada. A injeção de harmônica à fundamental de tensão é utilizada para se evitar a ressonância acústica. A amplitude da terceira harmônica com /3 da amplitude da fundamental não só evita a ressonância acústica e reduz o fator de crista da corrente aplicada à lâmpada. 5