Avaliação de Lâmpadas LED (lighting emitting diode) em termos de Qualidade de Energia Elétrica. Entidade:

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1 Título Avaliação de Lâmpadas LED (lighting emitting diode) em termos de Qualidade de Energia Elétrica. Registro Nº: 283 Entidade: GETEQ - Grupo de Estudos em Tecnologias e Qualidade. Autores do Trabalho Técnico Nome Pais Artur B. Kruse BRASIL kruse.tecnica@gmail.com Daniel G. Filippon BRASIL daniel@filipponengenharia.com.br Darcy Casa BRASIL dicel@terra.com.br Ernani Maglia BRASIL magliaeng@gmail.com Fernando Reis da Cunha BRASIL cunhac3e@yahoo.com.br Guilherme A. D. Dias BRASIL gaddias@terra.com.br Marcos A. Splett BRASIL marcossplett@ig.com.br Paulo G. Dalosto BRASIL pdalosto@pdalosto.com.br Palavras chave: Lâmpadas LED (lighting emitting diode), medição de QEE, harmônicas Resumo: Este Trabalho Técnico apresenta o resultado dos estudos, as características básicas das chamadas lâmpadas LED (lighting emitting diode) e as medidas de QEE Qualidade da Energia Elétrica (preponderantemente harmônicas) que foram realizadas nas mesmas. 1 / 7

2 1. Introdução: Este Trabalho Técnico foi escrito na busca de melhor informar os futuros usuários das chamadas lâmpadas LED que se espera tenham em curto espaço de tempo (1 ou 2 anos) utilização como a ocorrida com as lâmpadas compactas [1]. Da mesma forma como ocorreu com as lâmpadas compactas, os grandes atrativos das lâmpadas LED são a eficiência energética associada e o grande tempo de vida. Mais, tais lâmpadas LED são também previstas para substituir diretamente as lâmpadas incandescentes, sendo compatíveis com as bases existentes. Assim sendo, os fabricantes estão prevendo o emprego de tais lâmpadas para uso residencial, comercial, industrial e finalidades decorativas. Para a elaboração deste artigo, foram empregadas lâmpadas cedidas por três fabricantes mundiais de lâmpadas. Tais fabricantes fazem as seguintes afirmações sobre as suas lâmpadas LED: Economia de energia: até 80% de economia de energia se comparada com as lâmpadas dicróicas padrão de halogênio de baixa potência (W) e lâmpadas incandescentes. Baixo custo de manutenção: vida longa de horas, até 45 vezes maior do que as lâmpadas incandescentes, até 25 vezes maior que as lâmpadas alógenas tradicionais e até 10 vezes maior do que as lâmpadas fluorescentes compactas. Luz de alta qualidade: agradavelmente clara ou confortavelmente quente sem calor, UV ou infravermelho no feixe de luz. Fácil instalação: as lâmpadas LED são compatíveis com as luminárias para lâmpadas incandescentes e dicróicas. Retorno do investimento (payback) em curto espaço de tempo: Em aplicações com uso em 18 até 24 horas por dia, o retorno do investimento se dá em menos de 1 ano. Lâmpadas Avaliadas. As lâmpadas avaliadas tem as características apresentadas a seguir: 7 Watts, 110 a 250 Volts, 65 ma, 440/500 candelas, dpf=0,50 7 Watts, 110 a 250 Volts, 65 ma, 135/155 lúmens, dpf=0,50 7 Watts, 110 a 250 Volts, 65 ma, 440/500 candelas, dpf=0,50 Uma visão típica do aspecto físico de tais lâmpadas está apresentado na Figura 1. Fig. 1. Visão do aspecto físico de lâmpadas LED. Algumas características típicas das lâmpadas LED comparadas com outros modelos estão apresentados nas Figuras 2 e 3. Lâmpadas refletoras incandescentes 60W 40 W Fig. 2. Lâmpadas LED x incandescentes. Lâmpadas LED 7W Na Figura 2, está apresentado o gráfico entre intensidade luminosa (candela) e ângulo de lâmpadas LED e lâmpadas incandescentes. 2 / 7

3 Lâmpadas halógenas 25 W 35 W 50 W Lâmpada LED 7 W Fig. 3. Lâmpadas LED x halógenas. Tal medição foi realizada com três lâmpadas de mesmo tipo em paralelo, para que tal medição apresentasse a precisão requerida. 2.2 Medição Realizada Os resultados mais representativos das medições realizadas estão sumarizados a seguir, tanto os resultados de regime permanente quanto os resultados de QEE. Na Figura 3, está apresentado o gráfico entre intensidade luminosa (candela) e ângulo de lâmpadas LED e lâmpadas halógenas. Observa-se, nas Figuras 2 e 3 a superioridade das lâmpadas LED sobre as lâmpadas incandescentes e halógenas, em termos de intensidade luminosa. 2. Desenvolvimento 2.1 Método de Avaliação Para realizar as avaliações nas lâmpadas LED foram utilizado os equipamentos e medidores descritos a seguir [2]. Medidor de Qualidade de Energia Elétrica: PQNode Spectrum Analyser: Software de Análise: PES-L2 Versão 2004 Fabricante: DRANETZ BMI (USA) Equipamento Auxiliar Digitalthermometer Greisinger GTH 1200 Alicate Yokogawa True rms O esquema de ligação conceitual para a realização das medições está apresentado na Figura V 127 I Medidor de Qualidade de Energia DRANETZ BMI 7 U L1 L2 L3 2.3 Resultados de Regime Permanente Os resultados mais representativos correspondentes aos valores de tensão, corrente, potência e fator de potência estão apresentados na Tabela I apresentada a seguir. TABELA I. GRANDEZAS MEDIDAS EM REGIME PERMANENTE. Grandeza Valor medido Tensão máxima 223,7 V Tensão média 175,0 V Corrente máxima 0,247 A Corrente média 0,200 A Potência ativa máxima 28,80 W Potência ativa média 17,60 W Potência aparente máxima 54,20 VA Potência aparente média 34,50 VA Potência reativa máxima 45,91 VAr Potência reativa média 29,60 Var Fator de potência máximo 0,541 Fator de potência médio 0,525 Fator de potência de deslocamento máximo 0,532 Fator de potência de deslocamento médio 0,514 As condições ambientais nas quais foram realizadas as medições foram: Temperatura ambiente média 26 o C Umidade relativa do ar média 62 % Transformador com seleção de tensão secundária para 220 V ou 127 V Lâmpadas LED L1, L2 e L3 Fig. 4. Esquema de ligação conceitual. 3 / 7

4 As temperaturas médias medidas nas entradas dos soquetes das lâmpadas LED foram: L1 = 62,3 o C L2 = 65,4 o C L3 = 61,0 o C Tais valores de temperatura apresentaram pequena dispersão. Somente para fins de visualização de uma das medidas de regime permanente, apresentamos a seguir os gráficos das medições da potência ativa, potência reativa e potência aparente W Strip Chart Report A1 2.4 Resultados de QEE: Para caracterizar a fonte empregada no local da medição, apresenta-se na Figura 4 a forma de onda da tensão do sistema elétrico empregado como alimentador da medição bem como a distorção harmônica apresentada pelo mesmo. Na Figura 5, são apresentados os resultados correspondentes a forma de onda da corrente e a respectiva distorção harmônica V 10.0A Va 0.0V 0.0A 0.0 W W 03/03/09 13:54:00 to 03/03/09 14:59:00 LAMP.PHILIPS.F.M2 Watts V -10.0A LAMP.PHILIPS.Q.M1 03/03/09 15:28:00.01 Distortion: THD=2.19% Odd=2.13% Even=0.51% 2.0% VAR Strip Chart Report A1 1.0% 0.0 VAR Fig. 6. Forma de onda da tensão do sistema elétrico 127 V no momento da medição e respectiva distorção harmônica VAR 03/03/09 13:54:00 to 03/03/09 14:59:00 LAMP.PHILIPS.F.M2 Volt-Amps Reactive VA Strip Chart Report A1 Observe-se que os valores da distorção harmônica da tensão, no momento da medição da lâmpada LED, foram os apresentados na Tabela II VA 0.0 VA 03/03/09 13:54:00 to 03/03/09 14:59:00 LAMP.PHILIPS.F.M2 Volt-Amps Fig. 5. Medições da potência ativa, potência reativa e potência aparente. 4 / 7

5 TABELA II. HARMÔNICAS DA TENSÃO. Ordem harmônica Valor medido em 127 V Valor medido em 220 V 1 Fundamental ,89 1,70 0,85 0,13 0,11 0,08 0,13 0,09 0,18 0,09 0,02 0,12 1,60 0,75 0,12 0,02 0, V 0.0V 10.0A Va 0.0A V -10.0A LAMP.PHILIPS.Q.M1 03/03/09 16:06:00.01 Distortion: THD=1.83% Odd=1.79% Even=0.40% 2.0% 1.0% Fig. 7. Forma de onda da tensão do sistema elétrico 220 V no momento da medição e respectiva distorção harmônica. Da análise das Figuras 6, 7 e Tabela II, verifica-se que a distorção harmônica da tensão individual (5ª) foi de 1,7 % para 127 V e 1,6 % para 220 V, sendo a distorção harmônica total da ordem de 2,19 % para 127 V e 1,83 % para 220 V. Tais valores se mantiveram praticamente iguais durante as medições realizadas. 22.4V 1.1A Ia -2.6V -0.1A -27.6V -1.4A LAMP.PHILIPS.Q.M1 03/03/09 15:28:00.01 Distortion: THD=89.57% Odd=89.45% Even=4.65% 61.0% 30.5% Fig. 8. Forma de onda da corrente com lâmpada LED ligada em 127 V e respectiva distorção harmônica. 5 / 7

6 A forma de onda de corrente nas lâmpadas LED em 127 V e respectiva distorção harmônica estão apresentadas na Figura 8. A forma de onda de corrente nas lâmpadas LED em 220 V e respectiva distorção harmônica estão apresentadas nas Fig V -0.4V 1.0A -0.0A -35.0V -1.0A LAMP.PHILIPS.Q.M1 03/03/09 16:06:00.01 Distortion: THD=115.49% Odd=115.24% Even=7.65% 67.0% 33.5% Ia Fig. 9. Forma de onda da corrente com lâmpada LED ligada em 220 V e respectiva distorção harmônica. TABELA III. HARMÔNICAS DA CORRENTE. Ordem harmônica Valor medido em 127 V Valor medido em 220 V 1 Fundamental ,96 39,11 30,37 13,70 8,27 8,97 17,49 18,67 13,49 4,35 9,61 15,90 13,23 5,41 2,67 6,49 3,63 1,74 4,02 1,76 0,89 1,42 1,41 1,37 66, ,41 28,98 18,32 12,08 11,88 12,69 15,13 16,34 17,48 16,11 13,74 10,39 7,47 5,54 4,90 4,57 3,44 1,70 0,84 1,08 1,35 1,09 Observe-se que os valores da distorção harmônica da corrente nas lâmpadas LED para 127 e 220 V foram os apresentados na Tabela III. 6 / 7

7 3. Conclusões: Avaliando-se as aplicações já existentes de lâmpadas LED, como por exemplo, em Supermercados, verifica-se que existe uma redução considerável do consumo de potência e energia. Tal redução de consumo na instalação, mesmo com o baixo fator de potência apresentado pelas lâmpadas LED, permite verificar que tal correção se torna de pequena monta. Segundo a IEEE Std 519 [3] o limite de distorção harmônica total de tensão (THD) de 5 % para sistemas de baixa tensão está atendido pelas lâmpadas LED analisadas. Considerando-se que para a mesma norma citada o maior valor de distorção harmônica total (TDD) é de 20 %, pode-se verificar que tal valor é superado pelas lâmpadas LED (TDD 89 %). Tal constatação permite que se tome como regra, analisar via simulação, o sistema elétrico previamente a implantação, de um grande número de lâmpadas LED, em sistemas comerciais e industriais. Tal procedimento permitirá que, caso necessário, sejam tomadas precauções econômicas para mitigar eventuais problemas de níveis elevados de harmônicas. Analogamente, as considerações e constatações sobre o fator de potência das lâmpadas LED, pode-se concluir que mesmo com a distorção harmônica sendo elevada, devido ao baixo consumo de tal iluminação, não se espera que o impacto das harmônicas repita o mesmo comportamento das lâmpadas compactas. 4. Referências Bibliográficas: [1] DIAS, G. A. D. Harmônicas em Sistemas Industriais (segunda edição). 2. ed. Porto Alegre: EDIPUCRS, v p. [2] DIAS, G. A. D.; TELLÓ, Marcos ; SONÁLIO, F. V. ; BEHLE, F. K. ; SANTANA, B. ; CASA, D.. Harmonic Filtering and Power Factor Improvement on Illumination Systems with. In: International Conference on Harmonics and Quality Power, 2004, Lake Placid, NY, USA. International Conference on Harmonics and Quality Power, v. 1. [3] IEEE Std IEEE Recommended Practices and Requirements for for Harmonic Control in Electrical Power Systems. 7 / 7