DIMERIZAÇÃO DE LÂMPADAS FLUORESCENTE ATRAVÉS DA VARIAÇÃO
DO TEMPO DE CONDUÇÃO DO “BOOST” EM REATOR ELETRÔNICO COM
CONVERSOR BOOST INTEGRADO AO INVERSOR MEIA PONTE
Morais, J. S., Morais, A. S., Lodo, R. A., Custódio, A. G., Vincenzi, F. R. S., Vieira Junior, J. B. andFreitas, 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 do tempo de condução do boost que estará operando em modo de condução critica. Resultados de simulação computacional são apresentados ao final deste artigo.
Palavras-Chave - Reator Eletrônico, Boost, PFC,
Lâmpada Fluorescente, Dimerização, Variação da Razão Cíclica.
DIMERIZATION LAMPS FLUORESCENT
THROUGH CHANGE OF TIME DRIVING
THE "BOOST" IN ELECTRONIC BALLAST
WITH BOOST CONVERTER INTEGRATED
HALF BRIDGE INVERTER
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 conduction time of the boost that will be operating in critical conduction mode. Experimental results and computer simulation are presented to the end of this article.
1
Keywords - Electronic Ballast, Boost, PFC, Fluorescent
Lamp, Dimming, Chance duty cycle.
I. INTRODUÇÃO
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 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 o tempo de condução do estagio “boost” 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 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.
Fig. 1. Diagrama de blocos de um reator eletrônico com alto fator de potência.
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 o tempo de condução do estágio “boost”.
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 Pv 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 P R 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. Neste artigo este controle será feito atuando no estágio “boost”, alterando o tempo de condução do mesmo sem sair do modo de condução crítica (CCM). Neste caso, a frequência e a razão cíclica serão variáveis e a atuação será na energia fornecida para a carga [5].
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.
TABELA I Componentes Utilizados CARACTERÍSTICAS DO PROJETO in V 127 RMS 0
P
36W
Lf
60Hz
f
S
55kHz
C1 V 200V V0 105RMSFig. 2. Reator eletrônico proposto.
Fig. 4. Modelo da lâmpada fluorescente utilizado em simulação.
s Q 0, 491
u
3, 73
PARÂMETROS DO REATOR Boost Boost L 1, 52mH Circuito de estabilização LCCC
S
100nF
S L 1, 54mH P C 9, 4nF Capacitores 1 C 47 F 2 C 47 F Filtro de Entrada LC in L 1, 55mH in C 540nF Semicondutores, chaves e diodos S ,S1 2IRF840 1D
aD
4
1N4007
5 D UF4007Em simulação, observou-se que para controlar a potência sobre a lâmpada de 36 W (potência nominal), até aproximadamente 11 W (30,5% da potência nominal), nas condições supra citadas, foi necessário diminuir o tempo de condução (ton) para
5
s
. Já com um tempo de condução de11
s
atingiu-se o patamar de 37 W.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 frequência 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. 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.
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. 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 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. 15 e a Fig. 16 apresentam as formas de onda obtidas da simulação do conversor da Fig. 2, com tempo de condução em 11s e o conversor “boost” operando no modo de condução crítica (CCM).
A Fig. 15 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do conversor, cujos valores eficazes são 125 V e 342 mA,
respectivamente. A Fig. 15 (b) apresenta as tensões nos capacitores C1 e C2, e a Fig. 15 (c) apresenta a resistência equivalente da lâmpada.
Fig. 15 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) Tensões nos capacitores C1 e C2, (c) Resistência equivalente da
lâmpada.
A Fig. 16 (a) apresenta a tensão e a corrente na lâmpada fluorescente, cujos valores eficazes são 128 V e 434 mA, 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, (c) Potência instantânea processada
pela lâmpada.
A operação desta estrutura de conversor no modo CCM apresenta sérios inconvenientes. Em CCM a freqüência é variável, por conseguinte, para um mesmo tempo de condução, a tensão aplicada ao ramo LCC é assimétrica durante um ciclo da rede elétrica. Observando a Fig. 15 e a Fig. 16, pode-se notar que resistência equivalente da lâmpada não é constante e que a tensão aplicada sobre a mesma é assimétrica.
A Fig. 17 e a Fig. 18 apresentam as formas de onda obtidas da simulação do conversor da Fig. 2, com tempo de condução em
5
s
e o conversor “boost” operando no modo de condução crítica (CCM).A Fig. 17 (a) apresenta a tensão e a corrente de entrada do conversor, cujos valores eficazes são 125 V e 158 mA, respectivamente. A Fig. 17 (b) apresenta as tensões nos capacitores C1 e C2, e a Fig. 17 (c) apresenta a resistência equivalente da lâmpada.
Fig. 17 – (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) Tensões nos capacitores C1 e C2, (c) Resistência equivalente da lâmpada.
A Fig. 18 (a) apresenta a tensão e a corrente na lâmpada fluorescente, cujos valores eficazes são 141 V e 103 mA, respectivamente. A Fig. 18 (b) apresenta as correntes no indutor de “boost” e no interruptor M1. A Fig. 18 (c) apresenta a potência instantânea processada pela lâmpada.
Fig. 18 – (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor de “boost” e no interruptor M1, (c) Potência instantânea processada
pela lâmpada.
O valor eficaz da corrente na lâmpada é de 103 mA, enquanto o valor de pico chega a 130 mA, o fator de crista é 1,26 que é menor que o valor máximo permitido de 1,7.
VI. CONCLUSÕES
Este artigo apresentou um modelo de simulação para a lâmpada fluorescente, método de dimerização variando o tempo de condução do de um estagio “boost” utilizando 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.
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 40% à 100% da potência nominal, tanto experimentalmente quanto em simulações.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Morais, Aniel S. ; Morais, J. S. ; Vincenzi, F. R.S. ; VIEIRA JUNIOR, João Batista ; Custódio, A. G. . REATOR ELETRÔNICO DIMERIZÁVEL PARA
LÂMPADA FLUORESCENTE UTILIZANDO
CONVERSOR BOOST INTEGRADO COM
INVERSOR MEIA PONTE. In: III INIC Júnior / XIII INIC / IX EPG, 2009, São José dos Campos SP. XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica, IX Encontro Latino Americano de Pós Graduação e III Encontro Latino Americano de iniciação Científica Júnior, 2009. v. 0. p. 1-6.
[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.
[6] MORAIS, A.S. Novas Topologias, Análises, Projeto e Experimentação de Fontes de Alta Freqüência para Lâmpadas Fluorescentes Tubulares. Dissertação, UFU - 2004.
