NOVAESTRUTURADEREATORELETRÔNICOPARALÂMPADASFLUORESCENTESUSANDO TÉCNICASDEINTEGRAÇÃOPARACORREÇÃODOFATORDEPOTÊNCIA
MARCOS A.I.MARTINS*,CLAUDINOR B.NASCIMENTO**,JOABEL MOIA*, ARNALDO J.PERIN* *Instituto de Eletrônica de Potência (INEP), Departamento de Engenharia Elétrica
Universidade Federal de Santa Catarina
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Abstract ⎯ This paper presents a new topology for an electronic ballast with high power factor applied to fluorescent lamps,
based on the concept Charge Pump, where stand out some characteristics as: reduction of the production cost due to smaller count of components, low harmonic distortion in the input current, lower current in the switches and lower dc bus voltage. Be-sides, the principal characteristic of this new topology is its simplicity and the great possibility to compact. The methodology for the condition of unity power factor and the experimental results of a prototype using lamps fluorescent type PL-26W are pre-sented in this paper to verify the theory and proving the technical viability of the proposed topology.
Keywords ⎯ Electronic ballast, Fluorescent lamps, High power factor, Charge pump.
Resumo ⎯ Este trabalho apresenta uma nova topologia para um reator eletrônico com alto fator de potência aplicado a lâmpadas
fluorescentes, baseado no conceito “Charge pump”, onde se destacam algumas características tais como: redução dos custos de produção por possuírem menor quantidade de componentes, baixa distorção harmônica na corrente de entrada, menor corrente nos interruptores e baixo valor de tensão sobre o capacitor do barramento cc. Além disso, a principal característica desta nova to-pologia é a sua simplicidade e a grande possibilidade de compactação. A Metodologia de cálculo para a condição de fator de po-tência e os resultados experimentais de um protótipo utilizando lâmpadas fluorescentes tipo PL-26W, são apresentados neste tra-balho validando a teoria e comprovando a viabilidade técnica da proposta.
Palavras-chave⎯ Reator eletrônico, Lâmpadas fluorescentes, Correção do fator de potência, “Charge pump”.
1 Introdução
Atualmente a preocupação com a qualidade da energia elétrica fornecida pela rede pública é enorme. Praticamen-te todos os equipamentos eletrônicos possuem um conver-sor eletrônico em seu interior, onde a energia proveniente da rede elétrica na forma senoidal é transformada em dife-rentes formas e níveis, as quais são utilizadas efetivamente pelo equipamento eletrônico. A grande maioria destes con-versores eletrônicos, por questões meramente econômicas, causa um deterioramento na forma de onda da tensão da rede elétrica, pelo fato da corrente não ser senoidal. Por este motivo, ocorre a necessidade de utilização de algum dispositivo ou técnica para a correção do fator de potência (Ray, 1989; Alves, 1996), de modo a minimizar o conteú-do harmônico da energia fornecida pela rede pública e, com isso, manter o fator de potência próximo da unidade.
A busca por redução de custos é sempre incansável, e o mercado de iluminação não é exceção. Esta nova pro-posta topológica vem se apresentar como uma solução altamente viável para uma fatia bastante grande do merca-do de energia elétrica, que possui cerca de 20% da energia consumida por fontes de iluminação artificial.
O uso de reatores eletrônicos operando em alta fre-qüência é visivelmente atraente (Hammer, 1985), quando se leva em conta um menor consumo de energia. Esta
re-dução no consumo de energia é obtida através do seu alto rendimento e de uma maior eficiência luminosa (lm/W), onde é possível obter uma mesma quantidade de lumens na lâmpada sem a necessidade da aplicação da potência nominal (Coaton, 1997). Outra grande vantagem da opera-ção em alta freqüência é que o peso e o volume dos ele-mentos magnéticos reduzem proporcionalmente com o aumento da freqüência de operação. Além disso, não apre-sentam ruído audível e efeito estroboscópico.
A solução proposta neste trabalho utiliza vários con-ceitos já consagrados na área de projetos de reatores ele-trônicos para lâmpadas fluorescentes, tais como: integra-ção dos estágios do inversor e de correintegra-ção do fator de po-tência, “Charge pump”, mais especificamente “Continuous Input Current – Charge Pump Power Factor Correction” (CIC-CPPFC) (Qian, 1997). Estas técnicas e conceitos altamente discutidos e relatados apresentam grandes van-tagens citadas em (Qian, 1997; Qian, 2000).
Este artigo apresenta uma nova versão para os concei-tos citados, onde alguns dos elemenconcei-tos do tanque resso-nante são dispostos de maneira integrada a outras etapas do reator, como o filtro de entrada e o circuito limitador de corrente. A estrutura é topologicamente mais simples e reduzida e ainda conseguindo manter todas as boas carac-terísticas de sua estrutura predecessora.
2 Evolução Topológica
A topologia proposta é uma derivação da apresentada por (Nascimento, 2005), aonde se chegou à topologia que apresenta um circuito simétrico que, por sua vez, foi base-ada no trabalho de (Moisin, 1997) (Fig. 1). A topologia simétrica apresentada em (Pereira, 2004) tem como carac-terísticas o indutor Lin conectado do lado ca do retificador
e um dos diodos da ponte retificadora assume a função do diodo Dy (Fig. 1). Os capacitores Cin são dispostos em
paralelo com os diodos da ponte retificadora, configurando assim a simetria do circuito (Fig. 2).
A partir da topologia apresentada por (Nascimento, 2005) e com mais algumas alterações, obteve-se a topolo-gia proposta neste artigo, onde o capacitor Cd em série
com a lâmpada foi eliminado pois, além dele, os capacito-res Cf1 e Cf2 possuem a mesma função, que é a de filtro
para a corrente de entrada em baixa freqüência e de filtro dos níveis cc dos circuitos ressonantes na saída do inver-sor em alta freqüência. Mas, a mais significativa ausência é a do indutor “ballast” que normalmente aparece em série com a lâmpada. Sua função no tanque ressonante passa a ser assumida pelos indutores de entrada Lin1 e Lin2, neste
caso não estando mais acoplados como na topologia pre-decessora (Nascimento, 2005), passando assim a agregar diversas funções, como a de filtro de entrada, de limitador de corrente da lâmpada e ainda participam da partida da lâmpada.
Lf Lamp m s ( ) g V t Lr f C in L 2 D 1 D D3 4 D y D in C r C d C 1 T T 1 D 2 T 2 T D B C
Fig. 1 - Topologia baseada no trabalho de (Moisin, 1997).
Lf Lamp m ( ) g V t Lr f C in L 2 D 1 D D3 4 D r C d C 1 T T 1 D 2 T 2 T D B C 1 C 2 C
Fig. 2 - Topologia apresentada em (Pereira, 2004).
Lamp m ( ) g V t 2 D 1 D D3 4 D r C 1 T T 1 D 2 T 2 T D B C 1 f C 2 f C 1 in L 2 in L 1 P C 2 P C 1 s 2 s
Fig. 3 - Topologia proposta.
Esta topologia, além de possuir um baixo fator de crista da corrente na lâmpada, o que não é comum nas topologias ditas “Charge-pump”, possui também um nú-mero bastante reduzido de componentes. Outra caracterís-tica importante desta topologia é a colocação dos capacito-res em paralelo com os diodos da ponte retificadora de modo que, além de manter a simetria do circuito, consegue uma melhor distribuição de energia entre os capacitores do circuito. Sendo assim, proporciona menor tensão de bar-ramento e melhora ainda mais o fator de potência com a redução das amplitudes das componentes de alta freqüên-cia.
Pode-se notar claramente que esta nova topologia a-presenta um número bastante reduzido de componentes, o que proporciona grande possibilidade de compactação, representando baixos investimentos na estrutura mecânica de acoplamento do reator na luminária. Isto viabiliza a correção do fator de potência em lâmpadas fluorescentes compactas.
A partir da topologia proposta será realizada uma aná-lise a fim de se obter as etapas de funcionamento e os e-quacionamentos matemáticos juntamente com a metodolo-gia apresentada por (Nascimento, 2004), onde é possível obter os valores dos elementos de potência, respeitando a condição de fator de potência unitário e as boas qualidades do CIC-CPPFC.
3 Princípio de Funcionamento
Como o princípio de funcionamento do circuito é o mesmo para o semi-ciclo positivo e negativo da rede, e também em função da simetria do circuito em um período de comutação em alta freqüência, apresenta-se apenas me-tade das etapas de um período de comutação dentro do semi-ciclo positivo da rede.
Durante a descrição das etapas de funcionamento e do equacionamento, foram consideradas algumas simplifica-ções para a análise do circuito:
• A ondulação da tensão VBBB (tensão sobre CBBB) será
desprezada;
• A tensão nos terminais da fonte de entrada vg(t)
se-rá considerada constante durante um período de comutação;
• A corrente de entrada será considerada constante em todo o período de comutação;
• As correntes dos circuitos ressonantes serão consi-deradas fontes de correntes igualmente ideais; • Todos os componentes serão considerados ideais.
1ª Etapa – (t0~t1): Na etapa que antecede a esta, os
diodos D1 e D4 estavam conduzindo juntamente com T1.
Em t0, a corrente em Lin2 inverte de sentido, provocando a
passagem de corrente pelo capacitor CP1.
A 1ª etapa inicia exatamente quando a corrente em CBBB
chega a zero levando D4 ao bloqueio naturalmente. A
par-tir deste instante, começa a ocorrer a variação de carga em CP1, reduzindo a tensão em seus terminais. Como a tensão
comutação, a tensão sobre Lin1 e Lin2 varia de acordo com a
tensão do capacitor CP1, fazendo com que estes elementos
entrem em ressonância.
Esta etapa termina quando T1 é comandado a bloquear
e T2 é comandado a conduzir. ( ) g V t Cf1 2 f C 1 in L 2 in L 1 P C 2 P C 1 s 2 s Lamp i
Fig. 4 - 1ª Etapa de operação.
2ª Etapa – (t1~t2): Em t1, T2 é comandado a conduzir.
Como as correntes dos indutores Lin1 e Lin2 não podem
variar instantaneamente, o diodo DT2 passa a conduzir a
corrente de carga juntamente com o capacitor CBBB, que
so-fre um aumento instantâneo de corrente. A corrente em Lin2 e CP1 volta a inverter de sentido, elevando o valor de
tensão nos terminais de CP1.
Esta etapa termina quando a corrente na carga chega a zero e a tensão no capacitor CP1 alcança o seu valor de
grampeamento VBBB, polarizando diretamente o diodo D4
que entra em condução.
( ) g V t Cf1 2 f C 1 in L 2 in L 1 P C 2 P C 1 s 2 s Lamp i
Fig. 5 - 2ª Etapa de operação.
3ª Etapa – (t2~t3): Em t2, a corrente na carga se
inverte e o diodo D4 entra em condução. Nesta etapa CP1 e
CP2 estão com tensão grampeada e igual a VBBB e as
corren-tes nos diodos D1 e D4 diminuem e aumentam
respectiva-mente, segundo a variação de carga de CBBB. Esta etapa
ter-mina quando a corrente em CBBB se anula e D1 bloqueia
na-turalmente. ( ) g V t Cf1 2 f C 1 in L 2 in L 1 P C 2 P C 1 s 2 s Lamp i
Fig. 6 - 3ª Etapa de operação.
As formas de onda referentes às etapas descritas são apresentadas na Fig. 7. Lamp i 1 Lin i 2 Lin i 1 CP i 1 Lin v 1 CP v 0 t t1t2 t3 t4t5 t6 t t t t t t
Fig. 7 - Principais formas de onda.
4 Análise Matemática
A análise matemática é realizada através da observa-ção das etapas de operaobserva-ção, as quais representam o princí-pio de funcionamento do reator. Com a análise matemática será possível definir os parâmetros principais do reator apresentado. Pode-se observar que não há a necessidade de analisar todas as etapas, visto que algumas são repetiti-vas em termos de análise matemática e, por isto, não tem influência nos resultados das grandezas que serão calcula-das. Sendo assim, serão utilizadas somente as etapas que estão entre os tempos t0 e t3. Neste intervalo de tempo,
ocorre a variação de carga no capacitor CP1, permitindo
que as equações definidas nestas etapas determinem os valores dos indutores Lin1 e Lin2, e dos capacitores CP1 e
CP2. Como a variação de carga do capacitor CP1 é idêntica
à variação de CP2, não há necessidade de se repetir a
análi-se para o intervalo de tempo onde ocorre esta variação. Portanto, as equações que determinam CP1 são as mesmas
que definem CP2, e as que determinam Lin1 são as mesmas
que definem Lin2.
4.1 Considerações: g P v (t) = V sen(w t)⋅ ⋅ (1) Lamp P Lamp s i (t)=I ⋅sen(ω t+θ)⋅ (2) in1 in2 L L =L = 2 (3) P1 P2 C =C =C (4)
( )
( )
L Lin1 i t =i t (5) 4.2 Intervalo t0~t2: L Lamp 0 g B 0 0i (t)=I sen(θ) cos(ω t)+ v (t) -V + sen(ω t)+K Z ⋅ ⋅ ⋅ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⋅ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (6)
Onde: 2 Lamp s P Lamp C L I =(1- ω ) I 2 ⋅ ⋅ ⋅ (7) 0 0 0 0 1 1 ω = , C= e Z = Z ω C C L⋅ ⋅ L e
[
]
2 0 Lamp s 0 2 2 0 s 2 0 s Lamp 0 2 2 0 0 s ωK= I sen(ω t+θ)-sen(θ) cos(ω t)
ω -ω ω ω - I cos(θ) sen(ω t) ω ω -ω ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⎡ ⎤ ⋅ ⋅⎢ ⋅ ⋅ ⋅ ⎥ ⎣ ⎦ (8) 4.3 Intervalo t2~t3:
( )
g B L 2 v (t) -V i (t)= t-t +i (t ) L ⋅ L 2 (9) 4.4 Corrente Média: 2 3 2 t t Lmed 0 L t L r r 1 1 I = i (t) dt+ i (t) d T ⋅∫
⋅ T ⋅∫
⋅ t (10) Considerando que: 0 s s s t t ω φ dφ α= , t= , dt= e ω T =2π ω ω => ω ⋅ (11) Aproximando: s s 2 3 L 2 P P T T P t = , t = e i (t )=I =2 3 2 ⋅V 0 Tem-se:( )
[
]
2 B s 0 Lamp 2 0 Lamp 2 P 1 1-cos(α π) V + π α +1 72 L f 2π α Z I = α P 1 1 - - I 1-cos(α π) 3 V 2π α -1 ⎡ ⎡ ⋅ ⎤ ⋅ ⎢ ⎢ ⎥ ⋅ ⎢ ⎣ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⎦ ⋅⎢ ⎡ ⎤ ⎢ ⎢ ⋅ ⋅ ⎥⋅ ⋅ ⋅ ⎢ ⎣ ⎦ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦ (12)[
]
2 0 Lamp Lamp 2 2 P B s 0 P 1 α I + 1 1 I 1-cos(α π) + π α -1 2π α -1 3 V V = T 1-cos(α π) + 72 L 2π α Z ⎡ ⋅ ⋅ ⎡ ⋅ ⋅ ⎤⋅ ⋅ ⎤ ⎢ ⎢ ⎥ ⋅ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡ ⋅ ⎤ ⎢ ⋅ ⋅ ⋅ ⎥ ⎣ ⎦ (13) 4.5 Considerações de Projeto: in g g p (t)= v (t) i (t)⋅ (14) 2 s in g 0 T 1-cos(α π) P = v (t) + 72 L 2π α Z ⎡ ⋅ ⎤ ⋅ ⎢ ⋅ ⋅ ⋅ ⎣ ⎦⎥ (15) Considerando que: 0 in 0 1 P =η P e ω = =α ω C L ⋅ ⋅ ⋅ s Tem-se: 0 2 2 P s s 2 P 1 1 C = -1-cos(α π) η V f 72 L f ⎛ ⋅ ⎞ ⋅ ⎜ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⎟ ⋅ ⎝ ⎠ (16) e 2 P 2 2 0 s η V 1-cos(α π) 1 L= + 8 P f π α 18 ⋅ ⎡ ⋅ ⋅ ⎢ ⋅ ⋅ ⎣ ⋅ ⎦ 5 Resultados ExperimentaisPara comprovação experimental dos resultados obti-dos através da análise matemática, foi implementado um protótipo para alimentar uma lâmpada tipo PL-26W. Este protótipo foi projetado com circuito auto-oscilante para o comando dos interruptores, conforme mostra a Fig. 8.
Para lâmpadas com potência de 26W, as normas não exigem a correção do fator de potência. Mas, o intuito deste trabalho é demonstrar a viabilidade técnica da estru-tura, sendo que mesmo para baixas potências a estrutura é competitiva, pois possui custo muito baixo, devido ao re-duzido número de componentes, se comparado com outros reatores que apresentam correção do fator de potência.
Os parâmetros para cálculos dos elementos do circuito são: freqüência de comutação de 50 kHz, tensão de pico de entrada igual a 311V senoidal, rendimento de 90% e α=0,6 (Pereira,2004).
RB1 2 B R 1 R 2 R 3 R 4 R 1 s L 2 s L 5 R 1 C FS RT Diac Lamp ( ) g V t 2 D 1 D D3 4 D r C T1 D 2 T D B C 1 f C 2 f C 1 in L 2 in L 1 P C 2 P C 1 s 2 s 1 T 2 T 5 D s L
Fig. 8 - Circuito do protótipo montado.
De acordo com as equações obtidas na análise mate-mática, obteve-se aos seguintes valores para o protótipo do reator: Lin1 = Lin2 = 2 mH CP1 = CP2 = 6, 8 nF Cr= 5, 4 nF Cf1 = Cf2=330 nF VB = 385 V
Os resultados experimentais são: Pin = 25,1 W Pout = 23,32 W VB = 400V η = 93 % THD = 6,1 % Fator de Potência = 0,996 Fator de Crista = 1,525 ⎤ ⎥ (17)
O espectro harmônico da corrente de entrada, confor-me os limites estabelecidos pela norma IEC 61000-3-2 Classe C são apresentados na Fig. 10. Pode se notar que o reator atende à norma estabelecida. A tensão e a corrente de entrada, que tende a ser senoidal, são apresentadas na Fig. 9. Com o acréscimo de um filtro de entrada para har-mônicos em alta freqüência, pode-se chegar a uma forma de onda da tensão e da corrente de entrada como a apre-sentada na Fig. 11.
O fator de crista na lâmpada é de 1,525, o que estabe-lece uma boa condição em vista do limite estabelecido pela norma, que é de 1,7, conforme pode ser verificado na Fig.
12. A tensão, a corrente e a potência da lâmpada são apre-sentadas na Fig. 13, onde se verifica que a potência forne-cida fica um pouco abaixo da nominal, conforme apresen-tado por (Coaton, 1997). O rendimento obtido com esta estrutura foi elevado em parte pela comutação suave na entrada em condução dos interruptores, conforme a Fig. 14, o rendimento do reator eletromagnético para este mes-mo tipo de lâmpada é aproximadamente igual a 70%.
A partida da lâmpada é do tipo instantâneo. Como a estrutura possui comando auto-oscilante e é desprovida de circuitos integrados, torna-se complexa a aplicação de pré-aquecimento programado, pois um dos focos principais desta estrutura é a redução dos custos de produção.
Fig. 9 - Tensão e corrente de entrada (t: 4ms/div; v: 100V/div; i: 200mA/div).
Fig. 10 - Espectro harmônico da corrente de entrada, conforme IEC 61000-3-2 Classe C.
Fig. 11 - Tensão e corrente de entrada com o acréscimo de um novo filtro de entrada para as freqüências elevadas (t: 4ms/div; v: 100V/div; i:
200mA/div).
Fig. 12 - Corrente na lâmpada com fator de crista igual a 1,525 (t: 10ms/div; i: 200mA/div).
Fig. 13 - Tensão, corrente e potência na lâmpada (t: 4μs/div; v: 50V/div; i: 200mA/div; p: 15W/div).
Fig. 14 – Tensão e corrente no interruptor durante a comutação (t: 4µs/div; v: 200V/div; i: 500mA/div).
Também foram realizados ensaios na esfera de inte-gração (OL IS-3900, fabricada pela Optronic Laboratori-es), onde foram obtidas medições de fluxo luminoso na lâmpada PL-26W. Utilizou-se não somente o protótipo montado mas, também, para efeito de comparação, um reator eletromagnético comercial.
Primeiramente, no reator eletromagnético, foi aplicada a tensão nominal da rede e, a partir dos valores obtidos nesta primeira medição, foram realizadas diversas medi-ções utilizando o protótipo operando em alta freqüência e com correção do fator de potência. Os resultados são apre-sentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Medições na esfera de integração.
Através dos dados apresentados na Tabela 1, pode-se verificar que o mesmo fluxo luminoso apresentado pelo reator eletromagnético comercial é obtido pelo protótipo com uma potência bastante inferior (alimentado em 207V). Outro ponto bastante interessante é que, ao aplicar a po-tência nominal projetada (23W) para a lâmpada com o protótipo do reator eletrônico, obtém-se um maior rendi-mento da estrutura (alimentado em 220V).
O fluxo luminoso para a potência nominal projetada (23W) é 33% mais elevado que o reator eletromagnético comercial, comprovando a tese apresentada em (Coaton, 1997).
Na última medição, pode-se notar que com o aumento da potência já não é mais tão significativo o aumento do fluxo luminoso, o que comprova a aplicação da potência de 23W como a melhor opção, pois obtém-se o fluxo lu-minoso nominal da lâmpada (1.548 lm)
6 Conclusão
Uma nova topologia de reator eletrônico para lâmpa-das fluorescentes foi apresentada. Através de conceitos consagrados dentro da área de projetos, e também utili-zando-se novas técnicas de integração, foi possível chegar a uma nova estrutura, onde as boas características das es-truturas anteriores foram preservadas e novas característi-cas foram incorporadas, tais como: simplicidade, redução de componentes e consequentemente redução de custos e de tamanho.
A topologia proposta foi analisada e um protótipo foi implementado para verificação das reais possibilidades da estrutura. Foi constatado que o reator, com comando auto-oscilante, apresenta grandes possibilidades de introdução no mercado de lâmpadas fluorescentes compactas com correção do fator de potência, pois obedece a todas as es-pecificações da norma IEC 61000-3-2 Classe C.
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