DI M M IN G O F F L U O R ESC E N T L A MPS E L E C T R O NI C B A L L AST W I T H B O OST

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1 DI M E RI Z A Ç Ã O D E L Â MPA D AS F L U O R ES E N T E A T R A V ÉS D A V A RI A Ç Ã O D A R A Z Ã O I L I A E M R E A T O R E L E T R Ô NI O O M O N V E RSO R B O OST IN T E G R A D O A O IN V E RSO R M E I A PO N T E Morais, J. S., Morais, A. S., Lodo, R. A., ustódio, A. G., Vincenzi, F. R. S., Vieira Junior, J. B. and Freitas, L.. G.. Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU) Av. João Naves de Ávila, Bloco 3N - ampus Santa Mônica EP: Uberlândia, MG, Brasil josuemorais@gmail.com Resumo - Este artigo apresenta um reator eletrônico de alto fator de potência utilizado para acionar e controlar a luminosidade de lâmpadas fluorescentes. O conversor utilizado apresenta um único estágio de processamento da energia onde o estágio de correção de fator de potência e de acionamento da lâmpada foram integrados. A integração visa simplificar a estrutura de potência do conversor e conseqüentemente torná-lo economicamente mais atrativo. O controle da luminosidade é proporcionado pela variação da razão cíclica do acionamento dos interruptores do conversor. Resultados experimentais e de simulação computacional são apresentados ao final deste artigo. Palavras-have - Reator Eletrônico, Boost, PF, Lâmpada Fluorescente, Dimerização, Variação da Razão íclica. DI M M IN G O F F L U O R ES E N T L A MPS T H R O U G H H A N G ES IN F R E Q U E N Y E L E T R O NI B A L L AST W I T H B O OST O N V E R T E R W I T H IN T E G R A T E D H A L F BRID G E IN V E R T E R Abstract - This paper presents an electronic ballast for high power factor used to trigger and control the brightness of fluorescent lamps using a digital control. The converter used has a single processing stage where the energy stage power factor correction stage and drive the lamp are integrated. The integration aims to simplify the power converter and thus make it economically more attractive. The brightness control is provided by varying the duty cycle of the converter switches. Experimental results and computer simulation are presented to the end of this article. 1 Keywords - Electronic Ballast, Boost, PF, Fluorescent Lamp, Dimming, hance duty cycle. I. INTRODUÇÃO resce cada vez mais o interesse em relação às características de consumo de energia e distorções harmônicas dos reatores eletrônicos, que são os responsáveis pela alimentação das lâmpadas fluorescentes. Na área de Eletrônica de Potência os desafios a respeito dos reatores eletrônicos se resumem em desenvolver uma estrutura de elevada eficiência, com baixo custo atendendo às especificações das normas de regulamentação do setor de iluminação. Diante desse cenário, este trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento de um reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes com controle digital da intensidade luminosa variando a razão cíclica de operação do conversor e que apresente para a rede elétrica um elevado fator de potência e uma baixa distorção harmônica na corrente. Neste âmbito, para representar a lâmpada fluorescente nas simulações, escolheu-se um modelo dinâmico, já abordado por outros autores, que será analisado e avaliado para as condições deste trabalho. II. REATORES ELETRÔNIOS PARA LÂMPADAS FLUORESENTES A A Fig. 1 ilustra o diagrama de blocos de um típico reator eletrônico com alto fator de potência. omo se pode observar na Fig. 1, um conversor padrão Fig. 1. Diagrama de blocos de um reator eletrônico com alto fator de potência. possui dois estágios ativos, um denominado PF (correção de fator de potência) e outro inversor (responsável por tornar uma tensão continua em alternada). Mas neste artigo

2 estudamos a aplicabilidade de um conversor com estas etapas integradas conforme apresentado na Fig. 2 no qual estes dois estágios ativos serão substituídos por apenas um. Fig. 1. Diagrama de blocos de um reator eletrônico com alto fator de potência. Na estrutura PF+Inversor integrada, o numero de interruptores diminui de 3 para 2 conforme [6]. Fig. 2. Reator eletrônico proposto. Em [6] são apresentados maiores detalhes deste conversor integrado. Neste artigo vislumbramos operar este conversor utilizando uma técnica de dimerização variando a razão ciclica de trabalho dos interruptores. Tanto o modelo integrado quanto o não integrado possuem como estágios: filtros de entrada e saída, e retificador. III. MODELAGEM DA LÂMPADA FLUORESENTE Quando os reatores eletrônicos operam em um ponto fixo de operação, ou seja, tensão e corrente constantes e conseguintemente potência constante, a lâmpada pode ser modelada como uma simples resistência elétrica de valor constante o que torna a analise do sistema simples. Por outro lado, quando o mesmo deve atuar sobre a lâmpada variando a sua luminosidade, o ponto de operação da lâmpada não será mais constante, as características V-I (tensão - corrente) são alteradas durante uma operação dimerizada (variação da intensidade luminosa), cujo método que o modelo deve admitir é uma resistência variável, em função do valor eficaz da potência do processo. Através dos dados experimentais e utilizando um software especifico, [8] determinou uma equação geral de quarto grau para a tensão sobre a lâmpada, que é apresentada em (1). (1) Fig. 3. Modelo da lâmpada fluorescente utilizado em simulação. Para projetos de reatores eletrônicos, é importante obter a resistência equivalente da lâmpada, a qual será usada em simulações para analisar a potência processada pelo reator, durante a operação dimerizada. Esta resistência equivalente (Req(T,P)) pode ser facilmente obtida através de (2).. (2) A Fig. 3 apresenta este modelo montado em simulação para representar o comportamento da lâmpada fluorescente. IV. MÉTODO DE DIMERIZAÇÃO Para promover o controle da luminosidade de uma lâmpada fluorescente precisa-se controlar a potência descontínua (DM) pode-se controlar a potência fornecida pelo conversor à carga (lâmpada + filtro L) através da variação da razão cíclica do chaveamento conforme [2], [3] e [7]. O controle por variação da razão cíclica consiste em comandar os interruptores M1 e M2 de modo complementar. Assim, para diminuir a potência fornecida à lâmpada basta diminuir a razão cíclica do interruptor M1 e aumentar a razão cíclica do interruptor M2. Por exemplo, se inicialmente temos DM1 = 0,45 e DM2 = 0,45 para diminuir a potência na

3 lâmpada podemos fazer DM1 = 0,35 e DM2 = 0,55, operando de modo complementar nos interruptores [3] e [6]. Em [9] foi analisado este método de dimerização e neste artigo vislumbramos avaliar este método para o conversor integrado supracitado. V. RESULTADOS Os resultados de simulação e experimentais para uma lâmpada de 36 W foram obtidos de acordo com os parâmetros apresentados na Tabela 1. TABELA I OMPONENTES UTILIZADOS ARATERÍSTIAS DO PROJETO V in 127Vrms P 0 36W fl 60Hz f S 55kHz V1 200V V 0 105Vrms Qs 0,491 u 3,73 PARÂMETROS DO REATOR Boost LBoost 1,52mH ircuito de estabilização L S 100nF apacitores Filtro de Entrada L L S 1,54mH P 9,4nF 1 47 F 2 47 F L in 1,55mH respectivamente, para uma freqüência fixa de 55 khz. Para esta razão cíclica (0,27), a corrente na lâmpada perde quase que totalmente sua característica senoidal e o fator de crista, que mede a relação entre o valor de pico e o valor eficaz da corrente, ultrapassa o máximo valor permitido que é de 1,7. As Fig. 5 e Fig. 6 apresentam as formas de onda obtidas da simulação e a Fig. 7 apresenta as formas de onda obtidas experimentalmente do conversor da Fig. 4, com freqüência de chaveamento de 55kHz e razão cíclica de 0,43 (43%). A Fig. 5 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do conversor cujos valores eficazes são 127V e 328mA respectivamente. Fig. 5 (b) apresenta as tensões nos capacitores 1 e 2 e a resistência equivalente da lâmpada. A Fig. 6 (a) apresenta a tensão e a corrente na lâmpada fluorescente cujos valores eficazes são 105V e 350mA respectivamente. A Figura 13 (b) apresenta as correntes no indutor de Boost e no interruptor M1. A Figura 13 (c) apresenta a potência instantânea processada pela lâmpada. A Fig. 7 (a) representa a forma de onda da tensão e da corrente na entrada do reator eletrônico avaliado experimentalmente, sendo a tensão de 131 V eficaz e a corrente de aproximadamente 300 ma também eficaz. A Fig. 7 (b) mostra a forma de onda de tensão e corrente na lâmpada. Os resultados obtidos experimentalmente são apresentados na Tabela II. Para a freqüência de chaveamento 55 khz e razões cíclicas de 0,38 (38%) e 0,27 (27%). O teste para o sistema com D = 0,38 será apresentado com o intuito de ter-se um valor intermediário entre o máximo e o mínimo e assim permitir uma melhor análise do comportamento. Semicondutores, chaves e diodos S,S 1 2 in 540nF IRF840 D D 1 a 4 1N4007 D5 UF4007 A Fig. 4 apresenta o circuito eletrônico simulado no programa PSIM, onvém salientar que para representar a lâmpada foi utilizado o modelo descrito na Fig. 3. Fig. 5. (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) Tensões nos capacitores 1 e 2 e resistência equivalente da lâmpada. Fig. 4. Reator eletrônico dimerizado. Em simulação, observou-se que para controlar a potência sobre a lâmpada de 36 W (potência nominal) até aproximadamente 9,2 W (25,5% da potência nominal), foi necessária uma variação da razão cíclica de 0,45 a 0,27, Fig. 6. (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) orrentes no indutor de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada pela lâmpada.

4 Fig. 9. Tensão e corrente na lâmpada fluorescente para D=0, V/div 10mA/div a) b) Fig. 7. (a) Tensão e corrente na entrada do reator eletrônico proposto e (b) Tensão e corrente na saída. TABELA II RESULTADOS OBTIDOS EXPERIMENTALMENTE. Resultados Experimentais (F=55 KHZ) Fator de Potência (PF) 99,2% Distorção Harmônica Total (THD) 8,36% Eficiência ( ) 94,2% Fator de crista 1,57 A Fig. 8 apresenta a tensão e corrente na entrada do conversor, dimerizado com razão cíclica 0,38, cujos valores eficazes são 120,5 V e 203,6 ma, respectivamente. A Fig. 9 apresenta a tensão e a corrente na lâmpada fluorescente, cujos valores eficazes são 121,5 V e 170,8 ma, respectivamente. A Fig. 10 apresenta a tensão e corrente na entrada do conversor, dimerizado com razão cíclica 0,27, cujos valores eficazes são 120,5 V e 108,4 ma, respectivamente. A Fig. 11 apresenta a tensão e a corrente na lâmpada fluorescente, cujos valores eficazes são 132 V e 73,78 ma, respectivamente. O valor de pico chega a 140 ma, o fator de crista é dado por (3), lembrando que o maior valor permitido para o fator de crista é 1,7.. (3) 1. Resultados Experimentais Os resultados a seguir serão apresentados para a freqüência de chaveamento fixa em 55 khz e razão cíclica em 0,38 (38%) e em 0,27 (27%). Fig. 8. Tensão e corrente na entrada do conversor para D=0, V/div 20mA/div Fig. 10. Tensão e corrente na entrada do conversor para D=0, V/div 20mA/div

5 A Tabela III apresenta os principais resultados experimentais obtidos para a dimerização do conversor estudado com a variação da razão cíclica. TABELA III RESULTADOS EXPERIMENTAIS OM VARIAÇÃO DA RAZÃO ÍLIA I Razão íclica P in (W) P Lamp (W) V Lamp (V) Lamp (ma) 0,38 35,6 31, ,27 22,9 7, ,9 33,4 Fig. 11. Tensão e corrente na lâmpada fluorescente para D=0, V/div 5mA/div A Fig. 12 apresenta a tensão e a corrente de entrada e saída do conversor para D=0,38. A Fig. 13 apresenta a tensão e a corrente de entrada e saída do conversor para D=0,27. om a diminuição da razão cíclica do conversor, a potência processada pela lâmpada sofreu diminuição conforme esperado. Em laboratório foi possível constatar a diminuição da luminosidade da lâmpada. Para o ensaio com variação da razão cíclica, observaramse discrepâncias ainda mais significativas que aquelas do caso anterior, o que sugere que o modelo utilizado pode não ser o melhor modelo para este tipo de análise. É importante salientar que até então este modelo vem sendo utilizado para analisar o comportamento de lâmpadas fluorescentes em reatores eletrônicos dimerizáveis, com pré-reguladores separados do estágio inversor. O conversor integrado proposto apresenta não somente maior complexidade em sua análise, como pode ser que exija um modelo mais apurado para a lâmpada. VI. ONLUSÕES a) b) Fig. 12. (a) Tensão e corrente na entrada do conversor para D=0,38 e (b) Tensão e corrente na saída do conversor para D=0,38. Este artigo apresentou um modelo de simulação para a dimerização de lâmpadas fluorescentes variando a razão cíclica das chaves com um reator eletrônico integrado (estágio inversor integrado com estágio de correção de fator de potência), sendo este último apresentado por [6]. O intuito deste trabalho foi aplicar neste reator eletrônico integrado o método de dimerização apresentado, avaliando tanto o modelo da lâmpada adotado para simulação através de comparativos experimentais, quanto à aplicabilidade do reator em questão nestas condições de operação. Verificamos que para a razão cíclica com valores abaixo de 0,38 o conversor perde o fator de crista e isto se dá, pois ele perde a característica de comutação suave. Portanto para que ele trabalhe numa faixa de 100% a 30% da excursão da luminosidade e atendendo as normas de fator de crista este modo não é indicado. onstatou-se também, que a representatividade do modelo adotado nas simulações com os resultados obtidos experimentalmente não foi o mais adequado. REFERÊNIAS BIBLIOGRÁFIAS a) b) Fig. 13. (a) Tensão e corrente na entrada do conversor para D=0,27 e (b) Tensão e corrente na saída do conversor para D=0,27 [1] Morais, Aniel S. ; Morais, J. S. ; Vincenzi, F. R.S. ; VIEIRA JUNIOR, João Batista ; ustódio, A. G.. REATOR ELETRÔNIO DIMERIZÁVEL PARA LÂMPADA FLUORESENTE UTILIZANDO ONVERSOR BOOST INTEGRADO OM INVERSOR MEIA PONTE. In: III INI Júnior / XIII INI / IX EPG, 2009, São José dos ampos SP. XIII Encontro Latino Americano de Iniciação ientífica, IX Encontro Latino Americano de Pós Graduação e III Encontro Latino Americano de iniciação ientífica Júnior, v. 0. p [2] HEN, Y.-T.; LIN, W.-M.; LIU, Y.-H. Analysis and Design of a Dimmable Electronic Ballast ontrolled by a Switch-ontrolled

6 apacitor. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 52, No 06, p , [3] HUI, S. Y. R.; LEE M. L.; HUNG H. S.- Electronic Ballast with Wide Dimming Range, High PF, and Low Electronics, v. 16, No 04, p , [4] KAISER, W. onversor Eletrônico de Elevada Eficiência para a Alimentação de Lâmpadas Fluorescentes Tubulares. Tese de Doutorado, USP [5] KAISER, W.; MARQUES, R. P.; ORREA, A. F. Impact of urrent rest Factor at High and Low Frequency Operation on Fluorescent v. 1, p , [6] MORAIS, A.S. Novas Topologias, Análises, Projeto e Experimentação de Fontes de Alta Freqüência para Lâmpadas Fluorescentes Tubulares. Dissertação, UFU [7] TSENG, M. H.; YANG, H. T.; HIU, H. J.; MOU, S.. Single-Stage Voltage Source harge Pump Electronic Ballast with Switched- apacitor Dimmer for Multiple Fluorescent Lamps. Power onversion onference (P '07), p , [8] WAKABAYASHI, F. T.; ANESIN,. A. An Improved Design Procedure for L Resonant Filter of Dimmable Electronic Ballasts, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 20, No 05, p , [9] BEDIN, J. Reatores Eletrônicos Dimerizáveis Para Lâmpada Fluorescente om Elevado Fator de Potência. Dissertação, UFS