Circuitos de Iluminação

1DEEC- Armínio Teixeira

CIRCUITOS DE ILUMINAÇÃO

Lâmpadas de incandescência

Em virtude da temperatura muito elevada do filamento em funcionamento (até

2500 ºC) a sua resistência varia em grandes proporções conforme a lâmpada

está apagada ou acesa.

Sendo a resistência a frio baixa, tem como resultado uma ponta de corrente no

acendimento que pode atingir 10 a 15 vezes a corrente nominal durante

alguns ms a algumas dezenas de ms.

Esta solicitação diz respeito quer às lâmpadas de incandescência normais, quer

às lâmpadas de halogéneo; ela implica reduzir o número máximo de lâmpadas

que podem ser alimentadas por um mesmo dispositivo tal como um

telerruptor, um contactor modular ou um relé.



Na prática intervêm diferentes factores para que este máximo teórico não seja

atingido: impedância não desprezável da fonte e dos elementos do circuito

(condutores, disjuntor, contactos do casquilho).

Por outro lado a constante de tempo do circuito opõe-se a que a corrente tome

instantâneamente um valor elevado, o que dá ao filamento o tempo necessário

para o seu aquecimento, implicando um aumento de resistência.

No entanto, a amplitude máxima atingida pela corrente é ainda um múltiplo

elevado da corrente nominal: 8 a 11 vezes.

Este fenómeno tem evidentemente uma curta duração pois que, num tempo

muito curto, o filamento atinge a sua temperatura normal de funcionamento.

Este efeito deve ser tomado em atenção quando da escolha de disjuntores para

a protecção de canalizações que alimentem um grande número de lâmpadas de

incandescência.



Lâmpadas de halogéneo de tensão reduzida

Certas lâmpadas de halogéneo de potência baixa são alimentadas em tensão

reduzida (12 ou 24 Volt) por intermédio de um transformador ou de um

conversor electrónico.

Com um transformador, ao fenómeno da variação de resistência do filamento

acresce o fenómeno da magnetização. A corrente de ligação pode atingir 50 a

70 vezes a corrente nominal durante alguns ms.

A utilização de reguladores de fluxo colocados a montante reduz fortemente

esta solicitação.

Na protecção destes circuitos de alimentação de transformadores de tensão

reduzida devem ser utilizados disjuntores modulares com curva de disparo dos

relés electromagnéticos do tipo D (10 a 20 In).



Lâmpadas fluorescentes

O balastro magnético

As lâmpadas fluorescentes necessitam de uma limitação da intensidade do

arco, sendo esta função realizada por uma indutância (balastro magnético)

colocado em série com a lâmpada (ver figura).

Esta disposição é a mais utilizada nas aplicações domésticas em que o número

de lâmpadas é limitado. Nenhuma solicitação particular é aplicada aos

interruptores.



O arrancador

A função do arrancador é dupla: assegurar o pré-aquecimento dos eléctrodos

da lâmpada, e gerar uma sobretensão para o arranque da descarga da

lâmpada. Esta sobretensão é gerada pela abertura de um contacto (lâmina

bimetálica) que interrompe a corrente que circula no balastro magnético.

Durante o funcionamento do arrancador (cerca de 1 s) a corrente absorvida

pela armadura é de cerca 2 vezes a corrente nominal.



A compensação

A corrente absorvida pelo conjunto lâmpada + balastro sendo essencialmente

indutiva, tem um factor de potência muito baixo (0,4 a 0,5).

Nas instalações com uma grande quantidade de lâmpadas fluorescentes é

necessário prever uma compensação para melhorar o factor de potência.

Para grandes instalações de iluminação pode ser prevista uma compensação

centralizada com baterias de condensadores, mas é mais frequente esta

compensação ser realizada ao nível de cada armadura mediante diferentes

esquemas (ver figura).

Os condensadores de compensação são então normalmente dimensionados de

forma a que o factor de potência global seja superior a 0.86.

No caso mais frequente, o da compensação paralela, a sua capacidade é em

média de 1 µF por 10 W de potência activa para qualquer tipo de lâmpada.



As solicitações da compensação

O esquema de compensação em paralelo implica solicitações no acendimento

da lâmpada. Estando o condensador inicialmente descarregado a colocação sob

tensão provoca uma sobreintensidade.

Aparece igualmente uma sobretensão, em virtude do circuito constituído pelo

condensador e pela indutância da alimentação.

Dá-se de seguida um exemplo:

Consideremos um conjunto de 50 lâmpadas fluorescentes de 36 W cada uma:

-Potência activa total = 1800 W;

-Potência aparente = 2 KVA;

-Corrente eficaz total = 9 A;

-Corrente de ligação = 13 A.



Com:

-Capacidade total: C = 175 µF;

-Uma indutância de linha (correspondente a uma corrente de

curto-circuito de 5 kA): L = 150 µH;

A corrente de ligação máxima na colocação sob tensão é igual a:

A corrente de ligação teórica, quando da colocação sob

tensão, pode portanto atingir 27 vezes a corrente de pico em

funcionamento normal.

O andamento da tensão e da corrente no acendimento é dado na figura

seguinte para o fecho de um interruptor no máximo da tensão da rede.

AL

CVI

c350

10150

101752230

6

6

max=

×

×××==

−

−





Há portanto um risco de soldadura dos contactos dos dispositivos

electromecânicos de comando (telerruptor, contactor, disjuntor).

O quadro seguinte apresenta as vantagens e desvantagens dos diferentes

esquemas de compensação.



Na realidade, as solicitações são em geral menos severas, em virtude da

impedância dos cabos.

A norma CEI 60669-1 indica as capacidades a tomar em consideração na

concepção dos interruptores, para uma corrente de curto-circuito presumida

de 3 kA:

- calibre < 6 A: 70 µF;

- calibre >= 6 A: 140 µF.

Solicitação particular quando do acendimento de vários grupos de lâmpadas

fluorescentes

Quando um grupo de lâmpadas fluorescentes se encontra já ligado, os

condensadores de compensação destas lâmpadas, já sob tensão, participam na

corrente de ligação de um segundo conjunto de lâmpadas: eles amplificam o

pico de corrente no interruptor de comando no momento do acendimento do

segundo grupo.



O quadro seguinte indica a amplitude do primeiro pico de corrente, para

diferentes valores da corrente de curto-circuito presumida Icc:

Verifica-se que o pico de corrente pode ser multiplicado por 2 ou 3, conforme

o número de lâmpadas já em serviço no momento da ligação do último grupo

de lâmpadas.

O acendimento sequencial por grupo de lâmpadas é no entanto recomendado

para reduzir o pico de corrente no interruptor geral.

6326166161442

6246076071428

5755565581414

320250233140

Icc= 6000 AIcc = 3000 AIcc = 1500 A

Pico de corrente de ligação (A)Número de lâmpadas ligadas(2º grupo)Número de lâmpadas já em serviço



Uma evolução tecnológica

Os balastros magnéticos mais recentes são de perdas reduzidas. O seu

circuito magnético foi optimizado mas o principio de funcionamento

permanece o mesmo.

A tabela seguinte indica a potencia máxima absorvida pelo conjunto lâmpada

+ balastro para cada uma das classes de balastros:

-B1 (magnéticos de muito baixas perdas);

-B2 (magnéticos de perdas reduzidas);

-C (magnéticos standard)

-D (magnéticos com altas perdas).

Uma Directiva da U.E., consequência directa do protocolo de Kyoto veio

estabelecer as disposições aplicáveis à eficiência energética dos balastros.

Por esta directiva os balastros do tipo D , de maior consumo energético

deixaram de poder ser utilizados a partir de 20 de Maio de 2002.



A directiva prevê ainda que em Novembro de 2005 passará a ser proibida a

venda de balastros da classe C (magnéticos standard).

Até ao fim de Dezembro de 2005 será realizado um inquérito junto dos

fabricantes de balastros. Se esse inquérito confirmar que a percentagem de

balastros electrónicos é inferior a 55% do total de balastros fabricados está

prevista a possibilidade dos balastros magnéticos de perdas reduzidas e de

muito baixas perdas serem igualmente proibidos.

A directiva considera ainda que a prazo o mercado dos balastros electrónicos

tenderá a ser composto unicamente por balastros electrónicos da classe A:

- classe A1: electrónicos com regulação de fluxo;

- classe A2: electrónicos com baixas perdas;

- classe A3: electrónicos standard;

Uma tabela mais adiante indica a potência máxima absorvida para o conjunto

lâmpada + balastro electrónico.





Balastros electrónicos

Os balastros electrónicos são utilizados em substituição dos balastros

magnéticos para a alimentação das lâmpadas fluorescentes (incluindo aqui

as lâmpadas fluorescentes compactas) e algumas outras lâmpadas de

descarga. Asseguram igualmente a função de arrancador e não necessitam

de condensador de compensação. Apareceram em meados dos anos 80.

O principio do balastro electrónico (ver figura) consiste em alimentar o arco

da lâmpada por um dispositivo electrónico que gera uma tensão alternada

de forma rectângular.

Distinguem-se os dispositivos de baixa frequência ou híbridos, cuja

frequência está compreendida entre 50 e 500 Hz e os dispositivos de alta

frequência cuja frequência está compreendida entre 20 e 60 kHz.

A alimentação do arco por uma tensão de alta frequência permite eliminar

totalmente o fenómeno de cintilação e o efeito estroboscópico.



Esquema de princípio de uma lâmpada alimentada por um balastro electrónico



O balastro electrónico é totalmente silencioso.

No decurso do período de pré-aquecimento da lâmpada de descarga este

balastro fornece à lâmpada uma tensão crescente, impondo uma corrente

quase constante. Em regime permanente, ele regula a tensão aplicada à

lâmpada independentemente das flutuações da tensão da rede.

Sendo o arco alimentado nas condições óptimas de tensão resulta uma

economia de energia de 5 a 10% e um aumento da duração de vida da

lâmpada. Por outro lado o rendimento de um balastro electrónico pode

ultrapassar os 93%, enquanto que o rendimento médio de um balastro

magnético anda à volta dos 85%.

O factor de potência é elevado (> 0,95).

O balastro electrónico permite igualmente assegurar a função de variação do

fluxo luminoso. A variação da frequência permite com efeito fazer variar a

amplitude da corrente no arco e portanto a intensidade luminosa.



Solicitações

Corrente de ligação

A principal solicitação dos balastros electrónicos nas redes consiste na elevada

corrente de ligação na colocação sob tensão, ligada à carga inicial dos

condensadores de filtragem. O quadro seguinte dá-nos a ordem de grandeza

das correntes de ligação, dependente da tecnologia utilizada.

Na realidade, em virtude das impedâncias da cablagem, a corrente de ligação

para um conjunto de lâmpadas é bem inferior a estes valores, da ordem de 5

a 10 In durante menos de 5 ms. Contrariamente aos balastros magnéticos

esta corrente de ligação não é acompanhada de sobretensão.



Distorção harmónica

Para os balastros associados às lâmpadas de descarga de maior potência a

corrente absorvida da rede apresenta uma fraca taxa de distorção harmónica

(< 20% em geral e <10% para os dispositivos mais evoluídos).

Por outro lado os dispositivos associados às lâmpadas de fraca potência, em

particular as lâmpadas fluorescentes compactas absorvem uma corrente muito

deformada (ver figura). A taxa de distorção harmónica pode atingir os 150%.

Nestas condições, a corrente eficaz absorvida da rede é igual a 1,8 vezes a

corrente correspondente à potência activa da lâmpada, o que corresponde a

um factor de potência de 0,55.



Forma da corrente absorvida por uma lâmpada fluorescente compacta


A fim de equilibrar a carga entre as diferentes fases, os circuitos de iluminação

são em geral ligados entre as fases e o neutro de forma equilibrada. Nestas

condições, a forte taxa de harmónicas de ordem 3 e múltiplos de 3 pode

provocar uma sobrecarga do condutor neutro.

A situação mais desfavorável conduz a uma corrente de neutro que pode atingir

√3 vezes a corrente em cada fase.

Os limites de emissão harmónica para os sistemas de iluminação são fixados

pela norma CEI 61000-3-2 Por exemplo para os dispositivos de potência

superior a 25 W, a percentagem de harmónico de ordem 3 deve ser inferior a

30% da corrente fundamental.




Correntes de fuga

Os balastros electrónicos dispõem em geral de condensadores colocados

entre os condutores de alimentação e a terra. Estes condensadores de anti-

parasitagem são responsáveis pela circulação de uma corrente de fuga

permanente da ordem de 0,5 a 1 mA por balastro. Isto leva a limitar o

número de balastros que é possível alimentar por um dispositivo diferencial.

Quando da colocação sob tensão, a carga inicial destes condensadores pode

provocar igualmente a circulação de um pico de corrente cuja amplitude pode

atingir alguns amperes durante 10 ms. Este pico de corrente pode provocar o

disparo intempestivo de dispositivos mal adaptados.



Conclusão

Para o dimensionamento de circuitos com iluminação fluorescente, se nada for

especificado em contrário, deve-se considerar a potência dos balastros

magnéticos como sendo 25% da potência das lâmpadas.

Para os balastros electrónicos, esta potência é menor, da ordem dos 5 a 10%.

Deve também considerar-se o factor de potência do circuito considerado para o

cálculo da corrente máxima admissível na canalização.

Para o dimensionamento da protecção contra contactos indirectos temos de

considerar, além da corrente de fuga correspondente à classe de isolamento

das armaduras utilizadas, uma corrente de fuga da ordem de 0,5 a 1 mA por

balastro.

No caso de serem utilizados contactores para o comando de circuitos de

iluminação temos na tabela seguinte o máximo número de lâmpadas que

podem ser utilizadas com contactores de 16 A, 25 A, 40 A e 63 A.







Uma forma rápida de calcular a potência em VA de um circuito de iluminação

com lâmpadas de descarga, a partir da potência instalada em W, consiste em

multiplicar este valor por um factor 1,8 para se ter em atenção a potência da

lâmpada + potência do balastro, o factor de potência da montagem e a

influência da distorção harmónica.

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