DIMERIZAÇÃO DE LÂMPADAS FLUORESCENTE ATRAVÉS DA VAR IAÇÃO DA FREQÜÊNCIA EM REATOR ELETRÔNICO COM CONVERSOR BO OST

INTEGRADO COM INVERSOR MEIA PONTE

Morais, J. S., Morais, A. S., Lodo, R. A., Custódio, A. G., Vincenzi, F. R. S., Vieira Junior, J. B. and Freitas, L. C. G..

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU)

Av. João Naves de Ávila, 2160 - Bloco 3N - Campus Santa Mônica CEP: 38400-902 Uberlândia, MG, Brasil

e-mail: 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 o estágio 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 freqüência de acionamento dos interruptores do conversor. Resultados experimentais e de simulação computacional são apresentados ao final deste artigo.

Palavras-Chave - Boost, Dimerização, Lâmpada Fluorescente, PFC, Reator Eletrônico, Variação da Freqüência.

DIMMING OF FLUORESCENT LAMPS THROUGH CHANGES IN FREQUENCY ELECTRONIC BALLAST WITH BOOST

CONVERTER WITH INTEGRATED HALF BRIDGE INVERTER

Abstract - This paper presents an electronic ballast for

high power factor used to trigger and control the brightness of fluorescent. 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 drive frequency of the converter switches. Experimental results and computer simulation are presented to the end of this article.

1 Keywords - Boost, Dimerization, Fluorescent, PFC,

electronic ballast, variation of the frequency.

I. INTRODUÇÃO

Com o aumento sistemático do consumo de energia elétrica, acompanhado de uma política de racionalização do uso desta energia e as lâmpadas constituindo-se uma das cargas mais expressivas para consumidores residenciais, o aumento da eficiência dessas cargas vem sendo amplamente estudado.

Por isso cresce 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 reatores eletrônicos apresentam grandes desafios, que 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 freqüência 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.

Fig. 1. Diagrama de blocos de um reator eletrônico com alto fator de

potência.

II. REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS FLUORESCENTES

A Fig. 1 ilustra o diagrama de blocos de um típico reator eletrônico com alto fator de potência.

Como se pode observar na Fig. 1, um conversor padrão

possui dois estágios ativos, um denominado PFC (correção de fator de potência) e outro inversor (responsável por tornar uma tensão continua em alternada). Mas neste artigo 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.

Na estrutura PFC+Inversor integrada, o numero de interruptores diminui de 3 para 2.

Em [1] são apresentados maiores detalhes deste conversor integrado. Neste artigo vislumbramos operar este conversor utilizando uma técnica de dimerização variando a freqüência 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 FLUORESCENTE

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, [2] determinou uma equação geral de quarto grau para a tensão sobre a lâmpada, onde é apresentada na equação (1).

2 3 4

0 1 2 3 4( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )V T P v T v T P v T P v T P v T P= + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ (1)

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 da equação (2).

( ) ( )2 ,,

V T PR T P

eq P= (2)

A Fig. 4 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

processada por ela. Com o estágio “boost” em condução descontínua (DCM) pode-se controlar a potência fornecida pelo conversor à carga (lâmpada + filtro LCC) através da variação da freqüência de chaveamento [3], [4].

Aumentando-se a freqüência de chaveamento do conversor a potência fornecida à lâmpada diminui, entretanto diferentemente de uma carga linear a tensão sobre a lâmpada aumenta quando a potência diminui.

Em [5] 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.

Fig. 2. Reator eletrônico proposto.

Fig. 4. Modelo da lâmpada fluorescente utilizado em simulação.

TABELA I Componentes Utilizados

CARACTERÍSTICAS DO P ROJETO

V�� � 127rms P� � 36W

f� � 60Hz f� � 55KHz

V�� � 200V V� � 105rms

Q� � 0,491 u � 3,73 PARÂMETROS DO REATOR

Boost L�� � 1,52mH

Circuito de estabilização LCC

C� � 100nF

L� � 1,54mH

C� � 9,4nF

Capacitores C� � 47μF C � 47μF

Filtro de Entrada LC L�� � 1,55mH C�� � 540nF

Semicondutores, chaves e diodos

S�, S → IRF840 D�aD� → 1N4007 D� → UF4007

Em simulação observou-se que para controlar a potência

sobre a lâmpada de 36W (potência nominal) até a aproximadamente 13,5W (37,5% da potência nominal) foi necessária uma elevação da freqüência de 55kHz até 150kHz respectivamente mantendo a razão cíclica constante e igual a 0,43.

As Fig. 12 e Fig. 13 apresentam as formas de onda obtidas da simulação e a Fig. 14 apresenta as formas de onda obtidas experimentalmente do conversor da Fig. 11, com freqüência de chaveamento de 55kHz e razão cíclica de 0,43 (43%).

A Fig. 12 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do conversor cujos valores eficazes são 127V e 328mA respectivamente. Figura 12 (b) apresenta as tensões nos capacitores C1 e C2 e a resistência equivalente da lâmpada.

Fig. 11 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) Tensões

nos capacitores C1 e C2 e resistência equivalente da lâmpada.

Fig. 12 – (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada

pela lâmpada.

A Fig. 13 (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. 14 (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) b) Fig. 14 – (a) Tensão e corrente na entrada do reator eletrônico

proposto e (b) Tensão e corrente na saída.

A Fig. 14 (b) mostra a forma de onda de tensão e corrente

na lâmpada. Os resultados obtidos experimentalmente são apresentados na Tabela II.

TABELA II

Resultados obtidos experimentalmente. RESULTADOS EXPERIMEN TAIS (F=55 KHZ) Fator de Potência (PF) 99,2%

Distorção Harmônica Total (THD) 8,36%

Eficiência (η) 94,2%

Fator de crista 1,57

As Fig. 15 e Fig. 16 apresentam as formas de onda obtidas

da simulação do conversor da Fig. 11, com freqüência de chaveamento de 150kHz e razão cíclica de 0,43 (43%).

A Fig. 15 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do conversor cujos valores eficazes são 127V e 137mA respectivamente. A Fig. 15 (b) apresenta a resistência equivalente da lâmpada. A Fig. 15 (c) apresenta as tensões nos capacitores C1 e C2.

Fig. 15 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b)

Resistência equivalente da lâmpada, (c) Tensões nos capacitores C1 e C2.

A Fig. 16 (a) apresenta a tensão e a corrente na lâmpada

fluorescente cujos valores eficazes são 126V e 118mA respectivamente. A Fig. 16 (b) apresenta as correntes no indutor de Boost e no interruptor M1. A Fig. 16 (c) apresenta a potência instantânea processada pela lâmpada.

Fig. 16 – (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada

pela lâmpada.

Já a Fig.17, a Fig. 18 e a Fig. 19, apresentam a tensão e a corrente experimentalmente na entrada e saída do conversor, para as freqüências de chaveamento de 70, 85 e 100 kHz respectivamente e razão cíclica fixa de 0,45 (45%).

Com o aumento da freqüência de chaveamento, a potência processada pela lâmpada sofreu diminuição conforme esperado. Em laboratório é possível constatar a diminuição da luminosidade da lâmpada.

a) b)

Fig. 17 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor a 70KHz e (b) Tensão e corrente na saída do conversor a 70KHz.

a) b) Fig. 18 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor a 85KHz e

(b) Tensão e corrente na saída do conversor a 85KHz.

a) b) Fig. 19 – (a) – Tensão e corrente na entrada do conversor a 100KHz

e (b) Tensão e corrente na saída do conversor a 100KHz.

A Tabela III apresenta os principais resultados experimentais obtidos para a dimerização com a variação da freqüência de chaveamento do conversor estudado.

TABELA III

Resultados experimentais com variação da freqüência. Freq.: (kHz) Pin (W) PLamp (W) VLamp (V) I Lamp

(mA) η%

55 39,3 37,05 114 325 94,2

70 34,67 21,47 122 176 62

85 29,85 17,3 132 131 58

100 26,3 14,6 135 108 55,5

VI. CONCLUSÕES

Este artigo apresentou um modelo de simulação para a lâmpada fluorescente, método de dimerização variando a freqüência e um reator eletrônico integrado (estágio inversor integrado com estágio de correção de fator de potência), sendo este último apresentado por.

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.

Constatou-se que a representatividade do modelo adotado nas simulações com os obtidos experimentalmente não foi o mais adequado e que para este conversor, às normas quanto ao fator de crista, foi atendida para uma faixa de 38% à 100% da potência nominal, tanto experimentalmente quanto em simulações.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] MORAIS, A.S. Novas Topologias, Análises, Projeto e Experimentação de Fontes de Alta Freqüência para Lâmpadas Fluorescentes Tubulares. Dissertação, UFU - 2004.

[2] WAKABAYASHI, F. T.; CANESIN, C. A. An Improved Design Procedure for LCC Resonant Filter of Dimmable Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps, Based on Lamp Model”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 20, No 05, p.1186-1196, 2005.

[3] CHEN, Y.-T.; LIN, W.-M.; LIU, Y.-H. Analysis and Design of a Dimmable Electronic Ballast Controlled by a Switch-Controlled Capacitor. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 52, No 06, p.1564-1572, 2005.

[4] HUI, S. Y. R.; LEE M. L.; CHUNG H. S.-H; HO, Y. K., “An Electronic Ballast with Wide Dimming Range, High PF, and Low EMI”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 16, No 04, p.465-472, 2001.

[5] BEDIN, J. Reatores eletrônicos dimerizáveis para lâmpadas fluorescentes com elevado fator de potência. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - INEP - UFSC, Florianópolis, 2008, 158p.