ACIONAMENTO DE LÂMPADAS FLUORESCENTE ATRAVÉS DE REA TOR ELETRÔNICO COM CONVERSOR BOOST DUPLAMENTE INTEGRADO

Custódio, A. G, Morais, J. S., Morais, A. S., Lodo, R. A., 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)

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Resumo - Este artigo apresenta uma nova topologia

para reator eletrônico de alto fator de potência utilizado para acionar 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. Resultados de simulação computacional são apresentados ao final deste artigo.

Palavras-Chave - Boost, Lâmpada Fluorescente, PFC,

Reator Eletrônico.

DRIVE THROUGH FLUORESCENT LAMP ELECTRONIC BALLAST WITH BOOST

CONVERTER WITH INTEGRATED HALF BRIDGE INVERTER

Abstract - This paper presents a new topology for

electronic ballast high power factor used to drive fluorescent lamps. The converter used has a single power processing stage where the stage power factor correction stage and drive the lamp are integrated. The integration aims to simplify the drive power and therefore make it economically more attractive. Results of computer simulations are presented to the end of this article.

1Keywords - Boost, Fluorescent, PFC, electronic

ballast.

I. INTRODUÇÃO

A iluminação é responsável por, aproximadamente, 24% do consumo de energia elétrica no setor residencial, 44% no setor comercial e serviços públicos e 1% no setor industrial. Em relação aos serviços públicos, aproximadamente dois terços são utilizados para iluminação de ruas, Pode-se, então, dizer que a iluminação pública é responsável por cerca de 3,3% de toda a eletricidade consumida no Brasil.

Vários trabalhos desenvolvidos mostram que a iluminação ineficiente é comum no Brasil. Uma combinação de lâmpadas, reatores e refletores eficientes, associados a hábitos saudáveis na sua utilização, podem ser aplicados para reduzir o consumo de energia elétrica. [10]

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, simples, com baixo custo atendendo às especificações das normas de regulamentação do setor de iluminação (NBR 5413).

Diante desse cenário, este trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento e otimização da topologia de um reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes apresentando 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, utilizamos a resistência e a capacitância da lâmpada.

II. REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS FLUORESCENTES

A 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 conforme [6] e ainda temos a redução de dois Indutores ao trazer o Lboost e o capacitor Cf para o estagio anterior a ponte de diodos.

Fig. 2. Reator eletrônico proposto.

Em [6] são apresentados maiores detalhes deste conversor

integrado. Neste artigo vislumbramos a simplificação da topologia do circuito.

III. DESCRIÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO PROPOSTO

O circuito de potência do conversor utilizado é mostrado na Figura 1. O reator eletrônico proposto é composto por uma fonte de tensão monofásica, pelo filtro de entrada representado por um capacitor e pelo próprio indutor de boost que está integrado a ponte de diodos, a integração do indutor de boost com os diodos da ponte retificadora proporciona a correção do fator de potência. O circuito inversor é formado pelas chaves M1 e M2 e pelos capacitores C1 e C2. A utilização da chave M1, simultaneamente pelo conversor boost que por sua vez esta integrado ao filtro de entrada com o circuito inversor, caracteriza a dupla integração destas etapas de processamento de potência.

O filtro de entrada é responsável pela atenuação das harmônicas de alta freqüência provenientes do chaveamento, a integração do filtro de entrada com o estagio boost propicia a redução de dois indutores em comparação a topologia proposta em [1].

O capacitor Cp e a resistência RLamp representam o Starter (Circuito Ressonante), onde em altas frequências temos a capacitância tendendo a zero propiciando o melhor caminho para passagem de corrente, já em baixas frequências o caminho da corrente será pela resistência, ambos os dispositivos indispensáveis para implementar o modelo proposto.

IV. MODOS DE OPERAÇÃO

Este conversor boost opera no modo de condução descontinua (DCM) da corrente, ou seja, a corrente no indutor de boost durante um período de chaveamento cresce linearmente enquanto o interruptor M1 estiver fechado, assim que este é comandando a abrir a corrente decresce linearmente até se tornar nula, durante um pequeno intervalo de tempo a corrente no indutor de boost será nula.

Outro modo de operação em que este conversor poderá trabalhar é o modo de operação crítico (CCM), neste modo de operação não existe o intervalo de tempo em que a corrente será nula, assim que a corrente atingir o valor zero o

interruptor será comandado a conduzir e a corrente cresce linearmente novamente. Este modo de operação tem como vantagens frente ao anterior, melhor fator de potência, melhor rendimento e como desvantagem a complexidade da estratégia de controle conforme [6].

V. ETAPAS DE OPERAÇÃO DO CONVERSOR

As etapas de operação a seguir apresentam o funcionamento do conversor operando no modo de condução descontinuo. Entretanto a operação do mesmo no modo de condução crítica é idêntica excluindo-se a 5ª etapa, passando diretamente da 4ª para a 1ª. As etapas de operação apresentadas abaixo são para a condução dos diodos D1 e D3.

Fig. 3. Primeira Etapa de Operação.

1ª Etapa [t0, t1] – Esta etapa começa quando a chave M2 é desligada e a chave M1 é ligada em modo ZVS (Zero Voltage Switch). A tensão de entrada é aplicada ao indutor LBoost. Consequentemente a corrente IBoost aumenta linearmente, considerando que a tensão permanece aproximadamente constante durante um período de chaveamento. A corrente IM1 é igual a soma das correntes IBoost e IL , e circula através do diodo D5 , ver Figura 3.

2ª Etapa [t1, t2] – Esta etapa começa quando a corrente no diodo D5 é anulada e passa a circular pela chave M1. A corrente IBoost continua a aumentar linearmente. A corrente na chave M1 é igual à soma das correntes IBoost e IL, ver Figura 4.

Fig. 4. Segunda Etapa de Operação.

3ª Etapa [t2, t3] – Esta etapa começa quando a chave M1 é desligada, e conseqüentemente a corrente IM1 passa a circular pelo diodo D6, e a chave M2 é ligada em modo ZVS. A corrente IBoost decresce linearmente enquanto carrega os capacitores C1 e C2. No instante t3, a corrente IM2 circulando pelo diodo D6 se torna nula, ver Figura 5.

Fig. 5. Terceira Etapa de Operação.

Fig. 6. Quarta Etapa de Operação.

4ª Etapa [t3, t4] – Esta etapa começa quando a corrente IM2 que circulava pelo diodo D6 atinge zero e passa a circular através da chave M2. A corrente IBoost continua decrescendo linearmente até atingir zero, ver Figura 6.

5ª Etapa [t4, t5] – Esta etapa tem início quando a corrente IBoost se torna nula. A corrente IL circula através da chave M2, ver Figura 7. Esta etapa de operação não existirá no modo de condução crítico.

Fig. 7. Quinta Etapa de Operação.

Para condução dos diados D2 e D4 foram obtidas as

mesmas etapas de operação verificadas na condução dos diodos D1 e D4.

A Figura 8 apresenta as formas de onda esperadas para o conversor proposto, onde tem-se a Tensão no Gate da Chave M1 representada por VGm1, a Tensão no Gate da Chave M2 representada por VGm2, a Tensão na Chave M1 representada por Vm1, a Tensão na Chave M2 representada por Vm2, a tensão no barramento representada por V, a corrente no Indutor de Boost representada por IBoost, as correntes IM1 e IM2 que representam as correntes nas Chaves M1 e M2 e IL que é a corrente circulante o no circuito de estabilização (Circuito Ressonante).

Fig. 8. Formas de onda das tensões e correntes do conversor proposto.

VI. MÉTODO DE DIMERIZAÇÃO

Para promover o controle da luminosidade de uma lâmpada fluorescente precisa-se controlar a potência processada por esta lâmpada, devido às características dos reatores boost operando em modo de condução descontínua (DCM) ou crítica (CCM), pode-se controlar a potência fornecida pelo conversor à carga (lâmpada + filtro LCC) através da variação da freqüência de chaveamento ou da variação da razão cíclica, uma terceira alternativa é a combinação das duas ações variar a freqüência e a razão cíclica simultaneamente conforme [2], [3], e [7].

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.

VII. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO

Os resultados de simulação para o equivalente a uma lâmpada de 36 W foram obtidos de acordo com os parâmetros apresentados na Tabela 1.

TABELA I

COMPONENTES UTILIZADOS CARACTERÍSTICAS DO P ROJETO

V�� � 127Vrms P� � 36W

f� � 60Hz

f� � 55Khz

V�� � 200V

V� � 105Vrms

Q� � 0,491 u � 3,73

PARÂMETROS DO REATOR

Boost Lboost � 1,5mH

Circuito de estabilização LCC C� � 100nF

C� � 9,4nF

Capacitores C1 � 33µF C2 � 33µF

Filtro de Entrada LC L�� � 1,55mH CF � 1,5µF

Semicondutores, chaves e diodos

S�, S → IRF840 D1,D2,D3eD4 � UF4007

A Fig. 9 apresenta o circuito eletrônico simulado no

programa PSIM®, Convém salientar que para representar a lâmpada foi utilizada a resistência e a capacitância característica da lâmpada fluorescente.

Fig. 9. Reator eletrônico com conversor Boost duplamente

integrado. As Figura 10 e Figura 11 apresentam as formas de onda

obtidas da simulação do conversor da Figura 9 com freqüência de chaveamento 55KHz .

A Figura 10 (A) apresenta a tensão e a corrente de entrada do conversor cujos valores eficazes são 127V e 328mA respectivamente. Figura 10 (B) apresenta as tensões nos capacitores C1 e C2 e a resistência equivalente da lâmpada.

Fig. 10. (a) Tensão e corrente na entrada do conversor, (b) e (c) Tensões nos capacitores C1 e C2, e (d) resistência equivalente da

lâmpada.

Fig. 11. (a) Tensão e corrente na lâmpada, (b) Correntes no indutor de Boost e no interruptor M1 e (c) Potência instantânea processada

pela lâmpada. A Figura 11 (A) apresenta a tensão e a corrente na

lâmpada fluorescente cujos valores eficazes são 105V e 350mA respectivamente. A Figura 11 (B) apresenta as correntes no indutor de Boost e no Interruptor M1. A Figura 11 (C) apresenta a potência instantânea processada pela lâmpada.

VIII. CONCLUSÕES

Este artigo apresentou um reator eletrônico com conversor Boost duplamente integrado de alto fator de potência utilizado para acionar uma lâmpada fluorescente. O conversor utilizado apresenta um estágio de correção de fator de potência integrado ao estágio de retificação e ao estágio de acionamento da lâmpada.

O próximo passo será a implementação em laboratório deste conversor e o estudo da variação da freqüência de acionamento dos interruptores do conversor para avaliar a potência processada pela lâmpada e sua luminosidade.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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