ASPECTOS A CONSIDERAR NA APLICAÇÃO DE LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS
COM RESPEITO A CONSERVAÇÃO/QUALIDADE DE ENERGIA
Tadeu Lima dos Santos (1) Márcio Zamboti Fortes (2) Erick Scabelo Entringer (3)
Resumo
Vem se tornando cada vez mais comum a utilização de lâmpadas fluorescen-tes, tubulares ou compactas (TFT ou TFC), nas residências e pequenos esta-belecimentos. Devido à redução do custo na aplicação destes equipamentos e a grande difusão das oportunidades de redução de consumo de energia elétri-ca mantendo o fluxo luminoso necessário, a troelétri-ca de iluminação inelétri-candescente por fluorescentes compactas se tornou uma rotina. É comprovada que esta op-ção é realmente uma soluop-ção, mas, aspectos relacionados à qualidade de e-nergia devem ser avaliados e o profissional de manutenção deve estar atento para as características destes novos dispositivos de iluminação que estão sen-do aplicasen-dos. Este trabalho tem como objetivo propiciar ao profissional de ma-nutenção que efetua estas trocas, uma avaliação do espectro harmônico de dois destes equipamentos: reator eletrônico alimentando lâmpada fluorescente tubular T-8 de 20 W e lâmpadas fluorescentes compactas diversas alimentadas diretamente pela rede. Avaliam-se as distorções harmônicas totais e ilustram-se os espectros harmônicos e a forma de onda distorcida transferida à rede. Cabe ressaltar que este trabalho apresentará resultados da avaliação de oito dispositivos de fabricantes diferentes para cada teste, sendo que o mercado brasileiro já oferece ao consumidor mais de duzentos fornecedores e que o PROCEL já possui norma de certificação para estes equipamentos.
1 - Introdução
Motivado pela crise energética que atingiu o país em 2001, as pequenas em-presas e consumidores passaram a fazer ações de eficientização energética visando a redução do consumo de energia elétrica. Todavia essas ações, por muitas vezes, são dirigidas por pessoas que não possuem a qualificação ne-cessária, levando por muitas vezes, a aplicação de equipamentos de eficiência reduzida. Essa baixa eficiência pode ser vista através da análise do espectro harmônico formado pelos equipamentos, sabendo-se que autos conteúdos harmônicos comprometem a redução de energia desejada.
É importante destacar a importância do PROCEL, Programa de Conservação de Energia Elétrica, da Eletrobrás, que foi responsável pela orientação das em-presas interessadas por tomar ações de eficientização energética, buscando a redução de seus gastos com energia elétrica, e por consequência, diminuir o custo do produto final. Essa ajuda se deu através da criação da criação do selo PROCEL, que classifica os produtos de acordo com sua eficiência, palestras, minicursos, convênios, materiais informativos e outras ações, que buscam auxi-liar e orientar os profissionais a reconhecer e melhor aplicar os equipamentos eficientes.
Dentro de um momento que oferece muitas soluções de eficientização das em-presas, estabelecimentos comerciais e residências, esses se viram atraídos pela oportunidade de economia através do uso de iluminação eficiente. Essa ação de eficientização simples leva a redução significativa das instalações, tendo um custo reduzido, se comparado à outras ações de redução de consu-mo possíveis, e sem grandes dificuldades técnicas para implantação.
Por conta dessas ações para buscar maior eficiência energética no setor de iluminação, pode-se notar alguns pontos negativos em relação à qualidade de energia pelo uso de equipamentos eletrônicos com baixa eficácia. Dentro des-ses equipamentos, destacam-se os reatores eletrônicos e as lâmpadas fluores-centes compactas (LFC).
De acordo com [1], a definição de qualidade de energia está relacionada às alterações causadas no sistema elétrico pela alteração da tensão, corrente, frequência que resulte na falha ou alteração do funcionamento dos equipamen-tos. Esses problemas vêm se agravando pelo aumento do numero de cargas não-lineares no sistema e a grande sensibilidade dos equipamentos a distúr-bios na qualidade de energia.
Em relação ao uso do conjunto reator eletrônico/ lâmpada fluorescente tubu-lar (LFT) é evidente a superioridade em relação ao consumo de energia em comparação com a utilização de lâmpadas incandescentes. A lâmpada incan-descente, por ter sua iluminação dada pelo aumento de temperatura da resis-tência - no caso o filamento da lâmpada -, trata-se de um circuito simples e uma resistência, não tendo assim, nenhuma perda da qualidade de energia por distorções na forma de onda. Enquanto que o uso do conjunto reator/lâmpada fluorescente, por envolver frequências múltiplas e submúltiplas da fundamental, chamados harmônicos, podem gerar problemas ao sistema elétrico como: queima de motores e mau funcionamento de equipamentos eletrônicos sensí-veis [2].
Outro dispositivo que será analisado nesse trabalho são as lâmpadas fluores-centes compactas, que assim como as tubulares, são mais eficientes que as incandescentes, além de possuir vida útil mais longa, chegando a ser 100 ve-zes maior em alguns casos e ser até 80% mais eficientes. Porém esse tipo de equipamento possui um problema de chaveamento, que diminui sua vida útil. Esse problema não será estudado nesse trabalho.
Entre as diferenças entre as FLC´s e FLT´s pode-se citar o maior custo das lâmpadas tubulares, além de que para seu funcionamento seja necessário o uso de um reator eletrônico, o que não ocorre nos modelos compactos. Anali-sando a distribuição da luz, a lâmpada tubular leva vantagem, até mesmo por conta de suas dimensões maiores.
2 – Revisão Bibliográfica
Reator é um limitador de corrente utilizado nas lâmpadas fluorescentes e em outros dispositivos elétricos que necessitam limitar a intensidade da corrente elétrica que os atravessa durante o funcionamento. Os dois principais tipos de reatores utilizados são os eletromagnéticos e os eletrônicos.
Segundo [3], o reator, quando ligado, gera alta tensão nos filamentos, com o tempo de início de descarga que pode levar de um a dois segundos. Com a passagem de corrente no interior da lâmpada, a tensão cai para o valor nomi-nal. Tanto no tipo convencional de reator, como no tipo de partida rápida, a es-tabilização da descarga é feita graças à queda de tensão introduzida pelos rea-tores após a ignição.
Lâmpadas fluorescentes acionadas por reatores convencionais apresentam o fenômeno de estroboscopia, pois seguem o apagar e o acender da onda se-noidal. Esse fenômeno pode ser muito perigoso quando peças em movimento ou maquinas iluminadas têm movimento de rotação ou translação múltiplos ou submúltiplos da frequência da rede, normalmente 60 Hz. Atualmente as lâmpa-das fluorescentes são acionalâmpa-das por reatores eletrônicos, com uma série de vantagens.
Os reatores eletrônicos não necessitam de dispositivo de partida ou starter, pois também têm essa função. A alimentação em alta frequência permite elimi-nar efeito estroboscópico, sendo totalmente silenciosos e, quando em regime permanente controlam a tensão fornecida à lâmpada, independentemente das flutuações da linha.
Pode haver economia de energia da ordem de 5% a 10%, com aumento da vida útil das lâmpadas. Os fabricantes anunciam um rendimento de 92% (con-tra 85% nos reatores eletromagnéticos), com um fator de potência da ordem de 0,9 ou mais [3].
Neste artigo avaliam-se reatores de algumas empresas que comercializam es-tes dispositivos no Brasil.
Com relação às lâmpadas fluorescentes compactas, já existem mais de 200 fabricantes homologados para fornecimento no mercado brasileiro. Analisam-se para este estudo, amostras de fornecedores e potências diferentes, para ilustrar a diversidade encontrada no mercado.
3 – Materiais e Métodos
No primeiro experimento realizado foram analisados reatores eletrônicos exis-tentes no mercado, para aplicação de em um típica instalação em residências, comércios e empresas, acoplado em uma lâmpada tubular T-8, 20 W,em lumi-nária simples.
Neste ensaio foram analisados oito diferentes reatores eletrônicos de fabrican-tes distintos. As características fornecidas pelos fabricanfabrican-tes seguem a seguir na Tabela I, a seguir:
TABELA I. – DADOS DAS ETIQUETAS DOS REATORES DE MERCADO
Nº Potencia Tensão I F.P. F.F.L. F.E.
1 20 127/220 0,23/0,14 0,6 0,9 4,55 2 22/21 127/220 0,33/0,17 0,53/0,49 0,9 4,10/4,30 3 23/22 127/220 0,34/0,18 0,54/0,56 0,95 4,13/4,30 4 22/21 127/220 0,33/0,17 0,53/0,49 0.9 4,10/4,30 5 21 127/220 0,28/0,19 0,58/0,57 1,0 - 6 20/18 127/220 0,27/0,16 0,56/0,51 0,9 - 7 19 127/220 0,27/0,16 0,55 0,9 4,7 8 18/17 127/220 0,15/0,09 0,96/0.93 0,9 5,00/5,29 sendo: Potência–W(Watts); Tensão–V(Volts); I–A(Amperes); F.P.–Adimensional; F.F.L.–Lm(Lumen);
F.E.–Lm/W(Lumen por Watt).
onde: F.F.L., Fator de Fluxo Luminoso, é a razão entre a quantidade de luz que certa lâmpada emite conectada ao reator em questão e a quantidade de luz
que a mesma lâmpada emitiria ao ser ligada em um reator padrão de referên-cia.
F.E. é o fator de eficácia, valor que mede o desempenho do reator, sua eficiên-cia em transferir a energia para a lâmpada. É a razão entre o fator de fluxo lu-minoso multiplicado por 100 e a potência total do circuito (W) [4].
Alguns espaços estão vazios pois as informações não foram fornecidas pelo fabricante.
Nas Figuras 1 e 2, alguns aspectos da forma de onda bem distintos encontra-dos nos ensaios.
Figura1 – Aspecto da forma de onda encontrada no equipamento 4.
Figura 2 – Aspecto da forma de onda encontrada no equipamento 1.
Analisando-se as Figuras 1 e 2 pode-se notar como o aspecto da forma de on-da varia de um equipamento para outro, mesmo que, como visto, na Tabela I, eles tenham características semelhantes, de acordo com o fabricante;
enquan-to que no equipamenenquan-to 4 a forma de onda tem seu valor de pico quase 4 vezes maior que o valor nominal, o equipamento 1 tem esse mesmo valor 2 vezes maior; no equipamento 4 após alcançar o valor de pico, esse passa um longo período com a corrente zero, enquanto no equipamento 1 esse tempo é menor. As Figuras 3 e 4 ilustram os aspectos do gráfico de espectro harmônico dos exemplos de dois equipamentos ensaiados. Através deles pode-se notar como o valor, em relação ao harmônico fundamental, dos harmônicos impares vari-am; No equipamento 4 o valor, em relação ao fundamental, do terceiro harmô-nico era de 70% e havia harmôharmô-nicos com pelo menos 5% do fundamental até o 39° harmônico, enquanto no equipamento 1 o valor do terceiro harmônico era 50 % do valor da fundamental e existiam harmônicos com até 5% do funda-mental no 23°harmônico.
Figura 3. Aspecto do gráfico de espectro harmônico do Equipamento 5
No segundo experimento foram ensaiadas oito modelos de diferentes fabrican-tes de lâmpadas fluorescenfabrican-tes compactas(FLC), encontradas em mercados e estabelecimentos comerciais especializados em materiais eletrônicos. Esses equipamentos são utilizados em grande escala em residências, pequenas em-presas e comércios. Todos os equipamentos são adequados ao bocal E-27, padrão em residências e comércios e utilizado nos ensaios. Cabe ressaltar que dois dessas LFCs não possuíam selo PROCEL, que garante sua eficiência. Foram feitos ensaios com lâmpadas do modelo tradicional e espiral.
A seguir, na Tabela II, encontram-se os dados fornecidos pelos fabricantes nas embalagens ou nos respectivos sites.
TABELA II – DADOS DAS ETIQUETAS DOS LFC´s N Potencia Tensão I TEMP.
COR F.F.L. F.E. 7 8 9 10 11 12 14 20 20 15 11 11 127 127 220 220 220 220 - - 0,153 0,113 0,087 0,095 6400 4000 6500 6500 6500 6500 - - 1094 746 547 580 - - 55 50 50 53 sendo: Potência–W(Watts); Tensão–V(Volts); I–A(Amperes);
Temperatura de Cor–°C(graus Celsius); F.F.L.–Lm(Lumen);
F.E.–Lm/W(Lumen por Watt).
Observa-se na tabela II que alguns espaços vazios nas amostras 7 e 8, que são as duas amostras sem selo PROCEL.
Para todos os equipamentos ensaiados o fator de potência era 0,5 ou superior, segundo os fabricantes.
As Figuras 5 e 6 ilustram dois aspectos da forma de onda bem distintos en-contrados através das medições realizadas.
Figura 5. Aspecto da Forma de Onda encontrada no Equipamento 9.
Figura 6. Aspecto da Forma de Onda encontrada no Equipamento 7.
Assim como no primeiro experimento, nesse também se percebe, através das Figuras 5 e 6 distinções entre os aspectos da forma de onda entre os ensaios realizados. Analisa-se que para o equipamento 9, o valor de pico é menor que duas vezes maios que o valor nominal, enquanto no equipamento 7 o valor de pico é duas vezes maior que o valor nominal. Percebe-se, também, que o valor da corrente no equipamento 9 se torna praticamente constante e igual a zero entre seus valores de pico positivo e negativo. Enquanto no equipamento 7 o valor da corrente oscila entre pequenos valores, ora positivos, ora negativos.
Figura 8. Aspecto do gráfico de espectro harmônico do Equipamento 9.
Através das Figuras 7 e 8 podem-se notar as mudanças nos aspectos dos grá-ficos de espectros harmônicos de dois equipamentos. Analisando-se estes po-de-se perceber como os valores, em relação ao harmônico fundamental, dos harmônicos impares variam; No equipamento 7 o valor, em relação ao funda-mental, do terceiro harmônico era de 55% e havia harmônicos com pelo menos 5% do fundamental até o 15° harmônico, enquanto no equipamento 9 o valor do terceiro harmônico era 47 % do valor da fundamental e existiam harmônicos com até 5% do fundamental no 7° harmônico.
4 – Considerações finais e conclusão
Conclui-se, a partir do estudo realizado, que para diferentes modelos de reato-res de diferentes fabricantes, que os reato-resultados encontrados divergem bastan-te, mesmo que as informações fornecidas pelos próprios fabricantes sejam si-milares. Observou-se que quanto maior o fator de potência fornecido pelo fabri-cante, maior o conteúdo harmônico medido. Esse estudo serve para mostrar a disparidade da qualidade dos produtos disponíveis no Brasil.
Com relação aos harmônicos criados pelo reator eletrônico, nota-se grande disparidade nos valores encontrados em cada modelo, principalmente no 3° harmônico.
Entretanto, nos ensaios realizados com as LFC´s não se nota tamanha ça nos valores obtidos. Nas lâmpadas compactas não se notou grande mudan-ça nos espectros harmônicos, apesar de serem encontrados, em alguns casos, harmônicos em quase todas as frequências múltiplas, todavia isso não alterou, aparentemente, o consumo do dispositivo.
Analisando os valores eficazes das correntes não se notam grandes variações nos valores dentro de cada experimento.
De forma mais ampla, pode-se chegar a conclusão que é necessário se intensi-ficar os processos de fiscalização da qualidade dos dispositivos ensaiado, visto que houve grande mudança, em alguns aspectos, nos equipamentos testados. A aplicação dos dispositivos ensaiados, apesar de a principio levar ao resultado desejado, acarretam em distúrbios que causam no sistema elétrico conteúdo harmônico indesejado. O profissional de manutenção tendo conhecimento dos
resultados de ensaios como os apresentados neste estudo, pode identificar os produtos mais adequados a sua instalação, com dois enfoques: qualidade de energia (entender e interpretar resultados gerados por conteúdos harmônicos oriundos do sistema de iluminação) e conservação de energia (saber escolher os equipamentos com menor consumo). É importante destacar que o uso des-ses equipamentos no Brasil gira em torno de 150 milhões de unidades (soman-do-se LFC´s e LFT´s), e se vêem necessários estudos buscando minimizar os efeitos harmônicos criados no sistema elétrico.
Esse estudo encontrou resultados e conclusões que entram em conformidade com os estudos realizados por Watson et al.[5] e Atkinson-Hope e Stimpson[6]. Bibliografia:
[1] Revista Lumière, Edição 61, maio, 2003.
[2] Benedito A. Luciano, “Lâmpadas fluorescentes e distorções harmônicas: eficiência energética e qualidade de energia”
[3] Pereira, D. G. ;“Iluminação Teoria e Projeto”, 2° Edição, 2009.
[4] LUMICENTER. “Reatores eletrônicos: tecnologia a serviço da eficiência”, Acesso em 23/02/2011
http://www.lumicenteriluminacao.com.br/pt/reatores/conceitos.html.
[5] N.R.Watson. T.Scott e S. Hirsch, “Compact Fluorescent Lamps (CFL) – Implications for Distribution Networks”. Relatório Técnico, Energy Sector Man-agement Assistance Program, Washington.
[6] G. Atkinson-Hope e S.D.Stimpson, “Harmonic Distortion caused by Com-pact Fluorescent Light on Electrical Networks”. Artigo Técnico. Cape Peninsula University of Technology, Cape Town, South Africa
