21 a 25 de Agosto de 2006 Belo Horizonte - MG Reator Eletrônico Unificado para Lâmpadas Fluorescentes Marcos Antonio Danella CPFL mdanella@cpfl.com.br André Luiz Simões CDC Eletronics ME andrelsimoes@uol.com.br RESUMO Este trabalho apresenta o resultado do uso de reatores eletrônicos unificados, de alto fator de potência, para lâmpadas fluorescentes independente da potência e formato da lâmpada. Apresenta também sugestões de comercialização/aplicação do equipamentos em grande escala e proposta para clientes de baixa renda. O conceito básico é centralizar parte do circuito no que chamamos de módulo central e a partir dele, distribuir uma rede de alta freqüência para várias lâmpadas fluorescentes, independente da potência individual, atualmente até o limite de 1.200W para cada módulo. Com este novo processo é possível aumentar ainda mais a economia de energia nos sistemas onde são utilizadas lâmpadas fluorescentes, proporcionando aumento da sua vida útil e diminuindo drasticamente os custos de manutenção. Para clientes de baixa renda a aplicação poderá ser uma forma de garantir a continuidade do uso de lâmpadas mais eficientes, uma vez que será necessário somente trocar o bulbo, em caso de queima, o que é competitivo comparado com lâmpadas incandescentes. PALAVRAS-CHAVE Reator, alto fator de potência, lâmpadas fluorescentes, economia de energia. 1. INTRODUÇÃO Este projeto tem tecnologia 100% nacional e foi elaborado em parceria com o INEP (Instituto de Eletrônica de Potência) e a Universidade Federal de Santa Catarina, através de seu inventor, o Senhor Eurípedes Martins Simões, que possui patente no Brasil e em vários outros países. A idéia teve como referência os sistemas de ar-condicionado centrais, onde o ar é refrigerado em um ponto central isolado e depois distribuído. Usando o mesmo conceito, os reatores centrais de alto fator de potência, são ligados à rede AC de 220V, longe das luminárias, e cabe a eles a função de retificar, filtrar, estabilizar a tensão e corrigir o fator de potência. Após esta etapa, temos uma tensão de saída estabilizada para as lâmpadas em 400V e 30 khz. 1/7
O sistema apresenta flexibilidade em relação ao tipo de lâmpada utilizada, aceitando várias potências diferentes para uma única instalação. Em cada lâmpada é acoplado um pequeno circuito ignitor, que é ativado apenas na partida. O sistema elimina o uso de reatores individuais junto às lâmpadas, que neste caso são substituídos por estes ignitores, eliminando as perdas por aquecimento características dos atuais reatores eletrônicos. Pelo fato do projeto proposto gerar menos calor no ambiente, os sistemas de ar-condicionado são menos exigidos, proporcionando economia de energia também neste aspecto. Também é possível incorporar ao reator central, dispositivos de dimerização, luz de emergência e sensores ópticos, podendo também ser controlado por computador. 2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO REATOR CENTRAL Em 1999, a Universidade Federal de Santa Catarina, através do INEP Instituto de Eletrônica de Potência, apresentou em seminário os resultados técnicos laboratoriais do projeto do Reator Central Unificado. 2.1. Reator eletrônico convencional Para efeito de comparação, apresentamos o funcionamento de um reator eletrônico convencional: Figura 1 reator eletrônico convencional As principais características dos reatores eletrônicos convencionais são alta eficiência, longa vida da lâmpada, alta eficiência luminosa, pouco volume e peso, alto fator de potência, possível controle de luminosidade e alto custo. Atualmente para lâmpadas fluorescentes compactas, verifica-se no mercado que as de menor preço e, portanto, as mais procuradas, tem baixo fator de potência, podendo gerar problemas para as redes de distribuição de energia elétrica em caso de alta escala de uso. 2/7
2.2. Reator eletrônico unificado configuração geral Figura 2 reator eletrônico unificado As principais características dos reatores eletrônicos unificados testados e propostos nesse trabalho são alta eficiência, alto fator de potência, prolongamento da vida útil das lâmpadas, alta eficiência luminosa, pouco volume e peso, tensão de saída DC regulada e limite de corrente no chaveamento. 2.3. Resultados laboratoriais No INEP foram testados modelos de reatores eletrônicos unificados com as seguintes características: Número de Lâmpadas: 20 Potência da Lâmpada: PL = 60 W Tensão RMS Lâmpada: VL = 110 V Tensão de Ignição: Vig = 1100 V Potência de Saída do Inversor: Po = 1,2 kw Tensão AC de Entrada: VAC = 220 V Tensão DC do Barramento: VDC = 300 V Freqüência de Chaveamento: fs = 30 khz Freqüência da rede: f = 60 Hz Os resultados demonstraram que o sistema manteve todas as características de alta performance definidas. Apresentaram também uma redução do custo de instalação em comparação com o sistema tradicional com características similares. Portanto, os resultados práticos obtidos no protótipo de laboratório confirmarem a operação eficiente do sistema proposto. 3/7
3. CASO PRÁTICO 3.1. Sede da ELEKTRO Eletricidade e Serviços S.A. Em 2001 a ELEKTRO construiu sua sede administrativa, incorporando uma Central de Teleatendimento, um COD - Centro de Operação do Sistema de Distribuição, todas as atividades financeiras, de engenharia, suprimentos, comercial, recursos humanos, sistemas de informática e respectivas Diretorias e Presidência, em Campinas (SP), constituindo-se de três prédios com cerca de 9.000 m 2 de área construída. Em toda as áreas são utilizadas lâmpadas fluorescentes, sendo 800 unidades com potência de 55 W (PLL), ligadas em 74 unidades de reatores unificados de 1200 W cada. As ligações unificadas variam de 10 a 18 lâmpadas por reator, dependendo das características físicas de cada área ocupada. Algumas fotos a seguir detalham a aplicação nas áreas internas e os modelos dos reatores: Foto 1 reator unificado Foto 2 conjunto de reatores ligados Foto 3 Dados de placa 4/7
Foto 4 instalações internas da ELEKTRO Foto 5 instalações internas da ELEKTRO Decorrido cinco anos de aplicação, verificaram-se os seguintes pontos favoráveis: - A vida útil das lâmpadas tem sido em média de 20.000 horas (16 horas x 365 dias x 4 anos), com índice de queima muito baixo; - A luminosidade tem permanecido padronizada, isto é, não existe diferença de iluminamento entre lâmpadas; - O fator de potência continua alto, próximo a 0,95; - A troca dos reatores tem sido feita de forma mais ágil, visto que estão todos acessíveis em compartimentos centrais, sem necessidade de interferência no forro das áreas de trabalho; - O nível de ruído é nulo, uma vez que os reatores não ficam nas áreas de trabalho. Atribui-se a maior vida útil das lâmpadas à característica de tensão de saída regulada do reator, uma vez que não há nenhuma flutuação aplicada às lâmpadas. Contribuem ainda como pontos positivos: a redução da estrutura do forro na instalação e a redução do consumo de energia para condicionamento do ar, visto que não há transferência de calor de reatores convencionais nos locais de trabalho. Em função da escala de produção e comercialização serem pequenas, as manutenções tem sido efetuadas pela empresa fabricante, que também se situa em Campinas. Para tanto, a ELEKTRO mantém 5% das unidades em estoque, utilizadas enquanto as recuperações são efetuadas. 4. SUGESTÕES DE APLICAÇÃO A aplicação de maior resultado do ponto de vista de eficiência energética, redução de custos de implantação e manutenção se dá em larga escala. Isto quer dizer que quanto maior a instalação a ser iluminada, maior será o ganho comparativo entre os reatores convencionais e o unificado, conforme demonstrado. Portanto para áreas de escritório, comércio, áreas públicas (garagens, rodoviárias, escolas, etc) instalações industriais com uso de lâmpadas fluorescentes o reator eletrônico unificado demonstra maior ganho em escala considerável. 5/7
Em outra vertente, que no momento é o foco de aplicação dos recursos dos Programas de Eficiência Energética, regidos pela Lei 9.991/00 e regulados pela ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, podemos considerar o uso de reatores unificados para maior duração das ações dos projetos voltados para os clientes de baixo poder aquisitivo. Explicando melhor, as ações de eficiência energética no uso final de iluminação para clientes de baixa renda tem sido realizadas através da doação de lâmpadas fluorescentes compactas, variando entre os modelos de 9 a 15 W, porém com reator acoplado ao bulbo da lâmpada. As experiências de campo têm demonstrado que essas ações permitem uma redução significativa da demanda do sistema, bem como a enorme redução de consumo de energia elétrica, sendo uma das ações de menor custo por kw retirado do sistema (cerca de R$ 508,00/kW retirado). Porém essas ações têm vida útil muito curta, cerca de um a dois anos, tendo em vista a duração média das lâmpadas e o baixo poder aquisitivo dos clientes beneficiados, que retornam ao uso de lâmpadas incandescentes de menor custo de aquisição. Com base nesta experiência propõe-se o uso de um reator eletrônico unificado que permita a ligação de até quatro lâmpadas compactas, tornando as ações de eficiência em iluminação para clientes de baixa renda mais perenes que as ações atuais. A idéia é fornecer um reator eletrônico unificado e até quatro bulbos de lâmpadas fluorescentes compactas, junto com a instalação de soquetes específicos para esses tipos de bulbos. Dessa forma somente poderão ser trocados os bulbos queimados por outros de mesma característica e portanto também eficientes. Uma avaliação de custos efetuada em 10/abril/2006, na região de Campinas (SP) apresentou os seguintes valores: - Custo de uma lâmpada fluorescente compacta com reator integrado 11 W = R$ 8,80/unidade - Custo de um bulbo de lâmpada fluorescente compacta de 11 W = R$ 3,40/unidade - Custo do ignitor para cada bulbo de lâmpada fluorescente compacta = $ 7,00/unidade - Custo estimado de um reator eletrônico unificado de 100 W = R$ 70,00/unidade (*) Obs: (*) = valor estimado de fabricação em baixa escala. Verifica-se que, com base na pesquisa feita nesse momento, a economia obtida entre a lâmpada com reator integrado e o bulbo com o ignitor não é suficiente para cobrir os custos do reator unificado. Porém, considerando uma vida útil do reator de 5 anos e a queima da lâmpada com reator integrado ocorrendo em 2 anos, temos, no mínimo a economia de subsídio de energia elétrica por três anos, no mínimo, o que representa um valor de R$ 96,67. Considerando o mercado de clientes baixa renda da ELEKTRO, por exemplo: - Consumo médio de clientes baixa renda: 98 kwh/mês (média anualizada março/2006); - Percentual de consumo de Iluminação: 24% ou 23,5 kwh/mês; - Potencial de economia considerando troca de 60 W incandescente por 11 W fluorescente: 81,6%; - Potencial de economia de energia mensal: 19,2 kwh/mês; 6/7
Essa economia potencial equivale a uma redução de subsídio de R$ 2,69/mês, ou R$ 32,26/ano e R$ 96,77 em três anos, o que é suficiente para cobrir os custos atuais do reator unificado (considerando-se o subsídio de R$ 350 210 = 140/MWh). Como potencial de replicação, se considerarmos os dados de dezembro/2005 enviados a ANEEL pelas distribuidoras, cerca de 3,4 milhões de clientes se enquadram no critério de baixa renda, com consumo entre 80 e 220 kwh, recebendo subsídio. Utilizando-se a referência de economia de energia elétrica de 19,2 kwh/mês por cliente, teremos um potencial de economia de 783,36 GWh/ano, correspondente a uma redução de subsídios de R$ 109 milhões anuais. 5. CONCLUSÕES O uso de reatores eletrônicos unificados é vantajoso do ponto de vista de grandes áreas e sistemas de iluminação, conforme comprovado pelo caso real da sede da ELEKTRO, que se encontra em operação a mais de cinco anos, demonstrando sua aplicação prática. Os custos utilizados como referência para as unidades de reatores unificados tem grande possibilidade de serem reduzidos, caso haja possibilidade de fabricação e distribuição em grande escala, o que permitirá sua potencialização de aplicação em todo o país. Os resultados técnicos dos exames laboratoriais feitos pelo INEP não foram incluídos nesse trabalho, mas encontram-se a disposição com os autores e com a Universidade Federal de Santa Catarina, que prestou os serviços de testes para o detentor da patente (registrada a mais de 10 anos). Mas, um ganho adicional e um real diferencial pode ser a aplicação dos reatores eletrônicos unificados em projetos de eficiência energética, dentro dos Programas de Eficiência Energética regulados pela ANEEL, de forma a tornar perene o uso de lâmpadas fluorescentes em unidades residenciais classificadas como baixa renda. Dessa forma, sugere-se a distribuição desses equipamentos junto com os kits de regularização de instalações internas, que seriam compostos de soquetes e bulbos de lâmpadas fluorescentes compactas. Essas ações devem ser acrescidas das ações de incentivo ao comércio local para manterem em venda os bulbos de lâmpadas compactas, bem como reatores unificados, visando a mudança do mercado de forme definitiva e a redução de consumo e custos ao setor elétrico e diretamente aos clientes de baixo poder aquisitivo. 7/7