estudo e caracterização de regulador de tensão para iluminação · alteração dos balastros...

Estudo e Caracterização de Regulador de Tensão

para Iluminação

Diogo André Vieira da Silva Miranda

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. Doutor Duarte de Mesquita e Sousa

Júri

Presidente: Prof. Doutora Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro


Vogal: Prof. Doutor João Augusto Santos Joaquim

Novembro 2014

i

Agradecimentos

Todo o tipo de investigação, em especial no caso de Dissertações como esta, é um processo

solitário mas que não seria possível sem o contributo e apoio de várias pessoas, às quais eu gostaria

de agradecer.

Agradeço aos meus pais por todo o apoio, força e amor que me deram ao longo da vida, em

especial ao longo desta tese.

Agradeço ao Professor Doutor Duarte Mesquita pelas valiosas contribuições para a

Dissertação.

Ao Fábio Silva, André Miranda e Pedro Ramalhosa agradeço a informação prestada sobre o

equipamento alvo de estudo na Dissertação.

Por último agradeço o apoio e motivação dos meus amigos que me acompanharam ao longo

deste trabalho, em especial, à Beatriz Ferreira, ao Diogo Carranço e ao Filipe Ferreira.

iii

Resumo

Nesta Dissertação, intitulada, ―Estudo e Caracterização de Regulador de Tensão para

Iluminação‖, realiza-se um estudo sobre o funcionamento de um Otimizador Energético e Regulador

de Tensão que alimenta diferentes tipos de equipamentos de iluminação. Os equipamentos de

iluminação utilizados são lâmpadas fluorescentes, lâmpadas de vapor de mercúrio, lâmpadas de

iodetos metálicos e lâmpadas de vapor de sódio. O estudo é efectuado considerando que todas as

lâmpadas possuem balastro electromagnético.

O objectivo principal deste estudo é estabelecer um modelo e simulá-lo de forma a

caracterizar todas as grandezas eléctricas quer no regulador quer nos equipamentos de iluminação.

Com base nestas informações pode-se inferir o valor de poupança energética associada à utilização

deste regulador para diferentes equipamentos de iluminação. Com auxílio do programa de simulação

referido é também possível investigar novas valências que podem potenciar o regulador.

Conclui-se com esta Dissertação que é possível reduzir os custos de iluminação

significativamente sem efectuar alterações dispendiosas aos equipamentos de iluminação, tais como

alteração dos balastros electromagnéticos por balastro electrónicos, bem como é possível

desenvolver outras melhorias neste tipo de reguladores, em investigações futuras.

Palavras-chave: Regulador de Tensão, Lâmpadas de Descarga, Balastro Electromagnético,

Simulação, Eficiência Energética.

iv

Abstract

In this Dissertation, entitled, ―Study and Characterization of Voltage Regulator for Illumination‖,

a study was carried out on the operation of one Energy Optimizer and Voltage Regulator that feeds

different types of illumination equipment. The illumination equipment studied were fluorescent lamps,

mercury vapour lamps, metal-halide lamps and sodium vapour lamps. This study is only done for

lamps with conventional ballast.

The main purpose of this study is to establish a simulation model and implement it in

simulation in order to characterize all electrical quantities, either in the regulator or in the lightning

equipment. Based on the information provided by the simulation we can infer the value of the energy

savings associated with this regulator for different lighting equipment. With the aid of the simulation

program is also possible to investigate new services for potentiate the voltage regulator.

With this Dissertation, we can conclude that is possible to reduce the lighting costs

significantly without making expensive changes in the lighting equipment, such as change the

conventional ballasts for electronic ballasts. It is also possible to do further research to discover new

improvements for the regulator.

Keywords: Voltage Regulator, Discharge Lamps, Electromagnetic Ballast, Simulation, Energy

Efficiency

v

Abreviaturas

EDP

CA

CC

S1-S5

FAQ

PF

T

P

Q

S

f

X

THD

PIB

GDP

USD

LED

Energias de Portugal

Corrente Alternada

Corrente Contínua

Interruptores de comutação de nível

Questões Frequentes (Frequently Asked Questions)

Factor de potência (Power Factor)

Temperatura

Potência Activa

Potência Reactiva

Potência Complexa

Frequência da rede eléctrica

Reactância

Distorção Harmónica Total (Total Distortion Harmonic)

Produto Interno Bruto

Produto Interno Bruto (Gross Domestic Product)

Dólares Americanos (United States Dollars)

Díodo emissor de luz (Light Emitting Diode)

vi

Símbolos

UN

VOUT

VIN

a1-a8

Te

Pin

Pelastic

Pcond

Prad

q

k

RL

VL/vL

iL

RB

LB

vele

T0

Ta

A,B,C,D

VN1-N5

Vef

Vef 1ªH

Ief

Ief 1ªH

vB

IIN

IPRI

ISEC

t

Imax%,3ªH

Tensão Nominal

Tensão de Saída

Tensão de Entrada

Constantes ajustáveis do modelo da lâmpada

Temperatura do electrão

Potência eléctrica de entrada na lâmpada

Potência associada às perdas de colisão elástica na lâmpada

Potência associada às perdas de condução térmica na lâmpada

Potência associada às perdas de radiação na lâmpada

Carga do electrão

Constante de Boltzmann

Resistência interna da lâmpada

Queda de tensão na lâmpada

Corrente na lâmpada

Resistência do balastro

Indutância do balastro

Queda de tensão no eléctrodo da lâmpada

Temperatura do tubo da lâmpada

Temperatura ambiente

Parâmetros da equação da queda de tensão no eléctrodo da lâmpada

Tensão de saída do regulador no nível de regulação designado

Desfasamento entre a tensão e corrente

Valor eficaz da tensão

Valor eficaz da primeira harmónica de tensão

Valor eficaz da corrente

Valor eficaz da primeira harmónica de corrente

Desfasagem entre a primeira harmónica de tensão e de corrente

Queda de tensão no balastro

Corrente de entrada

Corrente no primário do regulador

Corrente no secundário do regulador

Tonelada

Valor máximo da 3ª harmónica de corrente em percentagem da fundamental

vii

Índice

Agradecimentos .........................................................................................................................................i

Abstract.................................................................................................................................................... iv

Abreviaturas .............................................................................................................................................v

Símbolos .................................................................................................................................................. vi

Índice de Figuras ..................................................................................................................................... ix

Índice de Tabelas .................................................................................................................................... xi

1. Introdução ............................................................................................................................................ 1

1.1. Objectivos ..................................................................................................................................... 4

1.2. Estrutura da Dissertação .............................................................................................................. 5

2. Estado da Arte ..................................................................................................................................... 7

2.1. Reguladores de tensão ................................................................................................................ 7

2.1.1. Reguladores Electromecânicos ............................................................................................. 7

2.2.2. Reguladores Electrónicos ..................................................................................................... 9

2.2.3. Reguladores de Transformador de Ferro ressonante ......................................................... 11

2.2. Reguladores de Fluxo Luminoso ................................................................................................ 12

3. Descrição de Equipamentos ............................................................................................................. 15

3.1. Otimizador Energético e Regulador de Tensão ......................................................................... 15

3.2. Equipamentos de Iluminação ..................................................................................................... 17

3.2.1. Lâmpadas Fluorescentes .................................................................................................... 19

3.2.2. Lâmpada de Vapor de Mercúrio .......................................................................................... 21

3.2.3. Lâmpada de Iodetos Metálicos ........................................................................................... 24

3.2.4. Lâmpada de Vapor de Sódio ............................................................................................... 24

4. Implementação dos Modelos ............................................................................................................ 27

4.1. Regulador de Tensão ................................................................................................................. 27

4.2. Lâmpadas ................................................................................................................................... 31

4.2.1. Lâmpada Fluorescente ........................................................................................................ 31

4.2.2. Lâmpada de Vapor Mercúrio ............................................................................................... 33

4.2.3. Lâmpada de Iodetos Metálicos ........................................................................................... 34

4.2.4. Lâmpada de Vapor de Sódio ............................................................................................... 35

4.3. Manual de Simulação ................................................................................................................. 36

4.3. Análise dos Resultados de Simulação ....................................................................................... 36

4.4. Estudo de Caso .......................................................................................................................... 40

5. Propostas para melhoria da Eficiência Energética e Qualidade de Energia .................................... 43

5.1. Factor de Potência ..................................................................................................................... 43

5.2. Autotransformador ...................................................................................................................... 44

5.3. Distorção Harmónica .................................................................................................................. 47

6. Conclusão .......................................................................................................................................... 49

viii

7.Bibliografia .......................................................................................................................................... 51

ix

Índice de Figuras

Fig. 1 – Relação entre o PIB (GDP) de um país e o consumo para os países da União Europeia

(2009) [1] ................................................................................................................................................. 1 Fig. 2 – Quantidade de iluminação produzida por diferentes tipos lâmpadas ........................................ 3 Fig. 3 - Esquema de um Regulador Electromecânico [11] ...................................................................... 7 Fig. 4 - Conexão Buck ............................................................................................................................. 8 Fig. 5 - Conexão Boost ............................................................................................................................ 8 Fig. 6 - Modelo exemplificativo do regulador de indução magnética [12] ............................................... 9 Fig. 7 - Esquema estabilizador electrónico [11] .................................................................................... 10 Fig. 8 - Esquema exemplificativo de Conversor CA-CC-CA [13] .......................................................... 10 Fig. 9 - Gráfico Eficiência vs. Carga de um Transformador de Ferro Ressonante [15] ........................ 11 Fig. 10 – Variação de parâmetros eléctricos: Potência (verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso

(vermelho) com a tensão para as lâmpadas de iodetos metálicos [18] ................................................ 13 Fig. 11 - Variação de parâmetros eléctricos: Potência (verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso

(vermelho) com a tensão para as lâmpadas de vapor de mercúrio [18] ............................................... 13 Fig. 12 - Variação de parâmetros eléctricos: Potência (verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso

(vermelho) com a tensão para as lâmpadas de sódio de baixa pressão [18] ....................................... 13 Fig. 13 - Variação de parâmetros eléctricos: Potência (verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso

(vermelho) com a tensão para as lâmpadas fluorescentes [18] ........................................................... 13 Fig. 14 - Exemplo de aplicação de um sensor de movimento [19] ....................................................... 14 Fig. 15– Esquema do regulador ............................................................................................................ 16 Fig. 16 – Esquema simplificado de simulação ...................................................................................... 18 Fig. 17 – Fluxograma do processo de computação da solução............................................................ 20 Fig. 18 – Queda de tensão no eléctrodo para uma frequência de operação de 50Hz ......................... 23 Fig. 19 – Modelo de Simulação para lâmpada genérica ....................................................................... 27 Fig. 20 – Desfasagem entre a tensão e a corrente ............................................................................... 29 Fig. 21 – Corrente pedida à rede .......................................................................................................... 31 Fig. 22 – Co-seno do ângulo de desfasagem ....................................................................................... 31 Fig. 23 – Potência Complexa pedida à rede ......................................................................................... 31 Fig. 24 – Potência Activa pedida à rede ................................................................................................ 31 Fig. 25 – Tensão na lâmpada fluorescente [26] .................................................................................... 32 Fig. 26 – Tensão na lâmpada fluorescente (simulador) ........................................................................ 32 Fig. 27 – Corrente na lâmpada fluorescente [26] .................................................................................. 32 Fig. 28 – Corrente na lâmpada fluorescente (simulador) ...................................................................... 32 Fig. 29 – Tensão na lâmpada de mercúrio [28]..................................................................................... 33 Fig. 30 – Tensão na lâmpada de mercúrio (simulador) ........................................................................ 33 Fig. 31 – Corrente na lâmpada de mercúrio [28]................................................................................... 33 Fig. 32 – Corrente na lâmpada de mercúrio (simulador) ...................................................................... 33 Fig. 33 – Tensão na lâmpada de iodetos metálicos [28] ....................................................................... 34 Fig. 34 – Tensão na lâmpada de iodetos metálicos (simulador)........................................................... 34 Fig. 35 – Corrente na lâmpada de iodetos metálicos [28] ..................................................................... 34 Fig. 36 – Corrente na lâmpada de iodetos metálicos (simulador)......................................................... 34 Fig. 37 – Tensão na lâmpada de vapor de sódio (simulador) ............................................................... 35 Fig. 38 – Corrente na lâmpada de vapor de sódio (simulador) ............................................................. 35 Fig. 39 – Tensão e Corrente na lâmpada de vapor de sódio [32] ......................................................... 35 Fig. 40 – Representação do sentido das correntes e tensões convencionadas ................................... 37 Fig. 41 – Evolução dos valores da potência activa, potência complexa e temperatura com a alteração

do nível de regulação ............................................................................................................................ 37 Fig. 42 – Evolução dos valores do factor de potência e cos(ɸ) com a alteração do nível de regulação

............................................................................................................................................................... 38

x

Fig. 43 – Evolução dos valores da corrente total, no primário e no secundário com a alteração do nível

de regulação .......................................................................................................................................... 38 Fig. 44 – Evolução dos valores da tensão de saída e na lâmpada com a alteração do nível de

regulação ............................................................................................................................................... 39 Fig. 45 – Evolução dos valores da corrente no primário e da temperatura na lâmpada com a alteração

do nível de regulação ............................................................................................................................ 39 Fig. 46 – Evolução dos valores da distorção harmónica da corrente à entrada e saída do regulador

com a alteração do nível de regulação ................................................................................................. 40 Fig. 47 – Variação da Tensão Eléctrica ao longo de um dia [36] ......................................................... 45 Fig. 48 – Regulador com autotransformador......................................................................................... 45 Fig. 49 – Tensão na saída do regulador com alimentação de 207 V ................................................... 46 Fig. 50 – Tensão na saída do regulador com alimentação de 253 V ................................................... 46 Fig. 51 – Tensão eficaz na saída do regulador com alimentação de 207 V ......................................... 46 Fig. 52 – Tensão eficaz na saída do regulador com alimentação de 253 V ......................................... 46 Fig. 53 – Fluxo luminoso ao longo do tempo numa lâmpada fluorescente [24] .................................... 49 Fig. 54 – Fluxo luminoso ao longo do tempo numa lâmpada de alta pressão de sódio e numa lâmpada

de iodetos metálicos [24] ....................................................................................................................... 49

xi

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Valores de iluminância de referência [16] ............................................................................ 12 Tabela 2 - Valores de iluminância recomendados pela Norma DIN 5035 [17] ..................................... 12 Tabela 3 – Tensão de saída para cada nível de regulação segundo Documentação Técnica [24] ..... 17 Tabela 4 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada fluorescente T8 de 36W .......................................... 21 Tabela 5 – Parâmetros para a equação da queda de tensão do eléctrodo da lâmpada, f=50Hz ........ 22 Tabela 6 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada de mercúrio de 50W ................................................ 23 Tabela 7 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada de iodetos metálicos de 35W .................................. 24 Tabela 8 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada de vapor de sódio de 70W ...................................... 25 Tabela 9 – Tabela comparativa dos valores de tensão na saída do regulador Teóricos vs. Simulados

............................................................................................................................................................... 28 Tabela 10 – Tabela comparativa da diferença de tensão entre níveis de regulação ........................... 28 Tabela 11 – Comparação dos valores do factor de potência e cos ɸ para 2 lâmpadas T8 de 36W .... 30 Tabela 12 – Dados Simulados e Experimentais para 2 lâmpadas T8 de 36W ..................................... 30 Tabela 13 – Descodificação dos nomes dos ficheiros de simulação .................................................... 36 Tabela 14 – Dados para instalação real e resultados de simulação para 208 lâmpadas fluorescentes

T8 de 36W ............................................................................................................................................. 40 Tabela 15 – Resultados simulados com e sem condensador............................................................... 44 Tabela 16 – Limite da injecção de harmónicas na rede, adaptada da norma IEC 61000-3-2 [39]....... 47 Tabela 17 – Valores simulados das harmónicas de corrente ............................................................... 48 Tabela 18 – Análise económica e ambiental de uma instalação com Wattguard [40] ......................... 49

1

1. Introdução

A energia eléctrica faz parte de quase todas as actividades desenvolvidas pelo Homem, em

casa, no trabalho, em actividades de lazer e muitas outras se podem referir.

O consumo de energia está directamente relacionado com o PIB por capita, ou seja, com a

riqueza do país [1]. O PIB de um país apresenta-se como um indicador, para primeira aproximação,

do bem-estar da sociedade [2].

Fig. 1 – Relação entre o PIB (GDP) de um país e o consumo para os países da União Europeia (2009) [1]

Denota-se assim que a energia eléctrica é absolutamente fundamental para uma sociedade

cada vez mais evoluída.

Acontece que as fontes tradicionais de produção de energia eléctrica são escassas,

nomeadamente os combustíveis fósseis como o petróleo, gás e carvão. Visto os combustíveis fósseis

não estarem uniformemente disponíveis por todo o planeta Terra, são alvo de disputas entre as várias

nações.

Por parte da sociedade em geral aumentaram também preocupações de ordem ambiental,

como a redução das emissões de dióxido de carbono para a atmosfera.

Surge assim a necessidade do Homem procurar novas formas e fontes de energia.

Se por um lado se opta pela procura de fontes alternativas de energias, comummente

designadas Energias Renováveis, como por exemplo Eólica e Solar, por outro lado existem outras

energias alternativas em que é discutível o seu estatuto de Energia Renovável, como a Hídrica e a

Nuclear. Considerar a Energia Hídrica como uma energia renovável não é consensual uma vez que

para a geração da mesma é alterado o ecossistema da área onde o empreendimento é construído

bem como o habitat natural da fauna do curso de água correspondente [3]. A Energia Nuclear devido

a criação de produtos de reacção radioactivos de difícil tratamento e de depender, na realidade, de

um combustível, o urânio enriquecido, não é considerada uma energia renovável.

2

Outra forma de maximizar a energia disponível à sociedade, é através da redução do

consumo dos equipamentos existentes, designando-se essa linha de acção como medidas de

eficiência energética.

Segunda a EDP Distribuição [4], ―a eficiência energética passa pela utilização de energia da

forma mais racional (económica) possível, sem prejuízo do nível de conforto ou da qualidade de vida.

Trata-se de evitar o desperdício de energia e pode ser alcançada, nomeadamente, através da

alteração de alguns comportamentos e da utilização de equipamentos que consumam menos

energia. Os principais benefícios da eficiência energética são a poupança na fatura de energia e a

melhoria do meio ambiente.‖

As medidas de eficiência energética existem nas mais diversas áreas, a título de exemplo

referem-se algumas:

Construção/Remodelação: escolha de materiais e isolamentos adequados de forma a

minimizar energia necessária para aquecimento/arrefecimento dos edifícios.

Aquecimento de Águas Sanitárias: Alteração do sistema existente para um mais

eficiente, incluindo-se painéis solares de aquecimento de água ou caldeiras de

biomassa.

Modificações nos sistemas de iluminação: instalação de lâmpadas mais eficientes ou

utilização de sistemas de gestão de iluminação.

Este estudo foca-se numa medida de melhoria de eficiência energética relacionada com a

iluminação.

Estima-se que cerca de 19% [5] da energia gasta no mundo tenha como fim a iluminação,

sendo essa percentagem ainda maior em edifícios destinados à indústria e serviços. Existem

actualmente diversas soluções para reduzir esse consumo sem perda de conforto por parte dos

utilizadores desses espaços e com uma redução efectiva da factura energética para os

consumidores.

Uma das formas mais conhecida é a substituição das lâmpadas incandescentes (com uma

classe de eficiência inferior a C) [6] por lâmpadas mais eficientes. Na europa foi proibida a venda

deste tipo de lâmpadas incandescentes desde 2012.

Na indústria e no comércio, como os custos de iluminação são bastante elevados iniciou-se a

substituição das lâmpadas incandescentes muito antes de 2012 por lâmpadas mais eficientes.

Antes de mais é importante definir eficiência de uma lâmpada. A eficiência de cada lâmpada é

definida pela relação Lúmen por Watt, ou seja, a quantidade de luz emitida pela lâmpada por cada

unidade de energia gasta. Apresenta-se de seguida um gráfico com essa informação para diferentes

lâmpadas [7].

3

Fig. 2 – Quantidade de iluminação produzida por diferentes tipos lâmpadas

As lâmpadas LED continuam com custos muito superiores a outras tecnologias já existentes

[8]. As lâmpadas que apresentam uma maior eficiência energética, excluindo as LED, são as

lâmpadas fluorescentes, as lâmpadas de vapor de sódio e as lâmpadas de iodetos metálicos, três dos

quatro tipos que podem ser objecto de poupanças energéticas com o regulador em estudo. O tipo de

lâmpada que falta são as lâmpadas de vapor de mercúrio, que têm uma eficiência mais baixa que as

restantes.

Estes quatro tipos de lâmpadas necessitam de um arrancador e de um balastro para acender

a lâmpada e mantê-la em funcionamento. A maioria das lâmpadas utiliza um balastro

electromagnético. Existe também um outro tipo de balastro, relativamente recente, que é o balastro

electrónico. De seguida apresenta-se vantagens e desvantagens dos balastros electromagnéticos e

electrónicos [9].

Balastro:

Electromagnético:

o Vantagens:

- Baixo custo;

- Longo tempo de vida (>30 anos a 105 °C);

- Robusto;

- Suporta condições climatéricas extremas como alta humidade, grandes

variações de temperatura e de iluminação;

- Amigo do Ambiente (bobinas magnéticas são recicláveis)

- Custos de manutenção baixos.

o Desvantagens:

- Não reguláveis (no passado);

- Não há lugar a poupanças energéticas (no passado);

- Cintilação luminosa (Flickering).

4

Electrónicos:

o Vantagens:

- Reguláveis;

- Poupanças energéticas;

- Lâmpadas não produzem cintilação luminosa.

o Desvantagens:

- Custo relativamente elevado;

- Tempo de vida pequeno (normalmente entre 1 a 5 anos);

- Pouca resiliência a condições climatéricas extremas;

- Construído com materiais tóxicos ou não biodegradáveis não recicláveis;

- Custos de manutenção e reparação elevados.

Considerando que este estudo [9] já tem alguns anos, alguns dos problemas apontados para

os balastros, quer electrónicos quer electromagnéticos, têm vindo a ser melhorados. Mas existe uma

questão, que não foi referida, e que continua a condicionar a migração para os balastros electrónicos:

o facto de se pretender alterar os balastros electromagnéticos por electrónicos tem custos que, para

grandes estabelecimentos de comércio e indústria, serão proibitivos, uma vez que obriga à

substituição do balastro e remoção do arrancador de todas as lâmpadas, em muitos casos implicando

também a substituição da luminária.

Surge assim a necessidade de equacionar uma terceira via. Esta passa por reduzir o

consumo energético sem necessitar de alterações de grande monta nas instalações existentes. Na

sequência desta linha de raciocínio, pretende este estudo incidir sobre um sistema de gestão de

iluminação, em particular, sobre um otimizador energético e regulador de tensão para iluminação.

Com vista a simplificar a referência ao otimizador energético e regulador de tensão ao longo desta

dissertação o mesmo será referido apenas por regulador de tensão ou pela sua designação

comercial, Wattguard.

1.1. Objectivos

Como principais objectivos do presente estudo podem ser identificados os seguintes pontos:

Estudo de reguladores de tensão existentes no mercado e do seu modo de

funcionamento.

Estudo e caracterização do regulador de tensão Wattguard.

Compilação de modelos eléctricos dinâmicos de lâmpadas.

Aferição da poupança energética associada a este regulador.

Criação de um simulador do regulador.

Avaliação de aspectos a melhorar no regulador.

5

1.2. Estrutura da Dissertação

Para além do capítulo inicial onde se introduz o tema em estudo, se refere os objectivos

pretendidos com a tese e a estrutura da mesma, existem mais cinco capítulos e anexos.

No Capítulo 2, intitulado Estado da Arte, efectua-se o estudo dos equipamentos de gestão de

tensão existentes no mercado bem como é explicado o seu funcionamento. Este estudo dos

equipamentos já existentes no mercado serve para enquadrar no mercado o regulador Wattguard e

ser um ponto de partida para melhorias a considerar para o mesmo. São igualmente apresentados

conceitos sobre iluminação bem como a variação dos parâmetros eléctricos relativamente a

diferentes lâmpadas. Estes conceitos são importantes para se entender que lâmpadas são mais ou

menos sensíveis à alteração da sua alimentação e a perda de fluxo luminoso que daí advêm para

cada tipo de lâmpada.

Em Descrição de Equipamentos, Capítulo 3, é explicado o modo de operação do regulador

Wattguard bem como o modelo adoptado para simulação. São também apresentados modelos de

simulação de diversos equipamentos de iluminação. Estes modelos são essenciais para a obtenção

de curvas e resultados de forma a caracterizar o funcionamento do regulador na alimentação de

diferentes tipos de lâmpadas.

No Capítulo 4, Implementação dos Modelos, comprova-se a correspondência dos modelos

com os resultados experimentais, de forma a verificar o correcto funcionamento dos modelos e

permitir a obtenção de outros dados não documentados. Explica em detalhe as simulações criadas, a

forma de usar os programas de simulação bem como são analisados os resultados das simulações

realizadas.

No Capítulo 5, Propostas de melhoria da Eficiência Energética e Qualidade de Energia, são

apresentadas algumas soluções para melhorar o Regulador e introduzir novas valências ao mesmo.

No Capítulo 6, Conclusão, resume-se e confirma-se a temática analisada através da

avaliação do regulador comercial em estudo.

Finalmente nos Anexos são incluídas as Fichas de Resultados com a evolução temporal das

grandezas eléctricas simuladas e valores caracterizadores do funcionamento do regulador com os

diferentes equipamentos de iluminação utilizados. São também apresentados os esquemas de

simulação utilizados.

7

2. Estado da Arte

A tensão eficaz para alimentar os equipamentos eléctricos deve estar compreendida entre

+10% e -15% da tensão normalizada [10] (Un), i.e. 230V Fase-Neutro. Quando a tensão de

alimentação aumenta, o consumo do equipamento eléctrico também aumenta. Este aumento é

prejudicial para o equipamento uma vez que diminui a longevidade do mesmo, bem como aumenta os

custos energéticos de funcionamento. Com a diminuição da tensão os equipamentos não funcionarão

para as condições nominais para que foram projectados. Por exemplo no caso dos equipamentos de

iluminação estes irão emitir menor fluxo luminoso.

Para certas aplicações a redução do nível de tensão pode ser interessante, como mais à

frente será referido. Sendo assim, torna-se importante a regulação do nível de tensão para um valor

estabilizado.

2.1. Reguladores de tensão

Existem variadas formas para regular a tensão eléctrica. Os reguladores de tensão mais

usuais dividem-se em três tipos:

Electromecânicos

Electrónicos

Transformador de Ferro Ressonante

2.1.1. Reguladores Electromecânicos

Os Reguladores Electromecânicos podem ser constituídos por um transformador com núcleo

ferro magnético, um auto transformador (Variac), um servomotor e um sistema de controlo.

Fig. 3 - Esquema de um Regulador Electromecânico [11]

O transformador principal, transformador do tipo Redutor-Elevador (Buck-Boost), com auxílio

do auto transformador, reduz ou aumenta a tensão de saída do regulador (Vout).

8

O nome Redutor-Elevador do transformador deve-se ao seu modo de funcionamento. Se a

tensão de saída for inferior ao desejado soma-se uma tensão no secundário do transformador de

forma a subi-la, no que se designa por conexão Elevador. Se, pelo contrário a tensão estiver mais

elevada do que o pretendido é preciso induzir uma tensão contrária no secundário para reduzir a

tensão de saída, o que corresponde à conexão Redutor.

De seguida apresentam-se exemplos dessa actuação.

Fig. 4 - Conexão Buck

Fig. 5 - Conexão Boost

O sistema de controlo é responsável por verificar se a tensão de saída está de acordo com o

pretendido e actuar sobre o servomotor que por sua vez altera a relação de transformação no auto

transformador.

Este tipo de regulador tem uma boa resposta a grandes correntes de curto-circuito embora

seja lenta. A demora na resposta do regulador é derivada da inércia mecânica do grupo servomotor

auto transformador, que pode ser prejudicial em algumas aplicações.

É de frisar que este tipo de regulador é usado tradicionalmente para a média tensão.

Outro tipo de Regulador Electromecânico é o regulador de indução magnética [12].

É construído como uma máquina rotativa. No estator teremos o enrolamento primário do

transformador e no rotor o enrolamento do secundário. O rotor é accionado pelo servomotor como no

regulador anterior.

9

Na figura seguinte apresenta-se o modelo do regulador.

Fig. 6 - Modelo exemplificativo do regulador de indução magnética [12]

O sistema de controlo actua no servomotor de forma a aumentar ou diminuir a ligação

magnética entre o circuito primário e secundário, aumentando ou diminuindo assim a tensão na saída

do regulador.

A maior desvantagem dos reguladores electromecânicos é a manutenção necessária para os

componentes mecânicos.

2.2.2. Reguladores Electrónicos

Os reguladores Electrónicos são utilizados há muitos anos nos computadores e outros

equipamentos de baixa potência, porque representam uma solução económica.

Com o desenvolvimento dos semicondutores a utilização deste tipo de reguladores para

potências mais elevados começou a tornar-se viável.

A vantagem principal deste tipo de estabilizadores é a velocidade de actuação no ajuste do

nível de tensão, uma vez que é apenas necessário actuar sobre os sinais de comandos dos

interruptores.

Quanto mais elevada a precisão que se pretende no ajuste, mais semicondutores são

necessários. O aumento de semicondutores utilizados encarece significativamente o regulador

aumentando igualmente a sua complexidade. Deste modo é conveniente procurar um compromisso

entre os níveis de regulação que se pretendem e o custo.

10

Abaixo apresenta-se o esquema de um estabilizador electrónico [11] (Tap Changing).

Fig. 7 - Esquema estabilizador electrónico [11]

Este regulador utiliza também um transformador Redutor-Elevador. Na realidade este

regulador apresenta um funcionamento idêntico ao primeiro Regulador Electromecânico referido. A

única diferença é a substituição do auto transformador por um transformador onde no secundário

existem semicondutores ligados.

Além da rapidez de actuação deste regulador existem outras vantagens, nomeadamente a

redução significativa da manutenção, visto não existirem partes móveis, bem como a redução

substancial do ruído comparativamente aos reguladores electromecânicos.

Existe outro tipo de Regulador Electrónico que utiliza um sistema rectificador e um sistema

ondulador.

Este sistema (Double Conversion), utiliza um rectificador para transformar as tensões e

correntes de alternadas em tensão e corrente contínua e após essa conversão o ondulador recria um

sistema trifásico alternado.

Fig. 8 - Esquema exemplificativo de Conversor CA-CC-CA [13]

11

O regulador de tensão em questão necessita de um número fixo de semicondutores, seis

para a rectificação e doze para o ondulador. A solução anterior necessitava de um número de

semicondutores proporcional ao número de níveis de tensão de saída pretendidos.

A desvantagem deste regulador é a complexidade do circuito de disparo dos semicondutores.

Os reguladores electrónicos apresentam efectivamente boas eficiências, superiores a 95%

[14], e um bom isolamento da rede, especialmente no sistema Double Conversion.

2.2.3. Reguladores de Transformador de Ferro ressonante

Estes reguladores [15] são constituídos por um transformador com características especiais.

O objectivo é operar na região de fluxo saturado para que uma variação grande da tensão na entrada

do circuito não altere a tensão de saída.

Possuem diversas funções, tais como serem supressores de picos de tensão, protecção

contra curto-circuitos e criarem um isolamento entre a rede eléctrica e a carga.

É de notar que a tensão de saída destes reguladores não tem uma forma sinusoidal, em

especial quando a carga é não linear.

O Transformador de Ferro Ressonante diminui drasticamente a sua eficiência quando não

opera à carga nominal. A situação é verificada pela figura seguinte.

Fig. 9 - Gráfico Eficiência vs. Carga de um Transformador de Ferro Ressonante [15]

Quando existem correntes de arranque elevadas na carga, a tensão pode colapsar. Para

evitar este problema o transformador tem de ser operado a condições abaixo do nominal reduzindo

assim a eficiência do regulador.

Este regulador é assim recomendado para aplicações em que as cargas não tenham

correntes de arranque elevadas nem necessitem de uma forma de onda sinusoidal.

12

2.2. Reguladores de Fluxo Luminoso

Os reguladores de tensão podem ser utilizados como reguladores de fluxo luminoso. Com a

diminuição da tensão de alimentação dos equipamentos de iluminação é possível reduzir o fluxo

luminoso. A redução da tensão leva à potência absorvida pelo equipamento de iluminação também

diminua resultando em poupanças energéticas.

É necessário ter em conta que um nível mínimo de iluminância é imprescindível para garantir

a segurança específica de determinado local.

Apresenta-se abaixo tabelas com valores de referência de iluminância e valores de

iluminância recomendados.

Situação Iluminância (lux)

Verão ao meio-dia, sob um céu limpo 100 000

Iluminação Pública 5 - 30

Lua cheia, numa noite clara 0,25

Tabela 1 - Valores de iluminância de referência [16]

Nível Iluminância (Lux) Actividade

Descrição Exemplos

1 15

2

3

30

60

Orientação, só estadias

Temporárias Corredores

4

5

120

250

Tarefas visuais ligeiras

com contrastes elevados

Trabalhos em armazéns, estaleiros,

minas

Salas de espera, trabalhos de pintura e

polimento

6

7

500

750

Tarefas visuais normais

com detalhes médios

Trabalhos em escritórios,

processamento de dados, leitura

Tingimento de couro, rebarbagem de

vidro

8

9

1000

1500

Tarefas visuais exigentes

com pequenos detalhes

Desenho técnico, comparação de cores

Montagem de pequenos elementos em

electrónica

10

11

2000

3000

Tarefas visuais muito

exigentes com detalhes

muito pequenos

Montagem de documentos

miniaturizados, trabalhos de relojoaria,

gravação

Montagem fina, com tolerâncias muito

apertadas

12 ≥5000 Casos Especiais Salas de operações

Tabela 2 - Valores de iluminância recomendados pela Norma DIN 5035 [17]

13

A redução de tensão num equipamento de iluminação não afecta da mesma forma todos os

tipos de iluminação. Existem equipamentos mais sensíveis que outros, por exemplo as lâmpadas de

sódio de baixa pressão são mais sensíveis a uma redução de potência que as lâmpadas

fluorescentes.

Nos gráficos abaixo ilustram-se as variações nos parâmetros eléctricos para lâmpadas de

iodetos metálicos, lâmpadas de vapor de mercúrio, lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão e

lâmpadas fluorescentes.

Fig. 10 – Variação de parâmetros eléctricos: Potência

(verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso (vermelho) com a tensão para as lâmpadas de iodetos

metálicos [18]

Fig. 11 - Variação de parâmetros eléctricos: Potência

(verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso (vermelho) com a tensão para as lâmpadas de vapor de

mercúrio [18]


(verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso (vermelho) com a tensão para as lâmpadas de sódio

de baixa pressão [18]


(verde), Corrente (amarelo) e Fluxo Luminoso (vermelho) com a tensão para as lâmpadas

fluorescentes [18]

Verifica-se por exemplo que nas lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão é possível

reduzir significativamente a tensão sem uma redução significativa do fluxo luminoso, tal já não

acontece com as restantes lâmpadas supra mencionadas.

Para aumentar a poupança associada a estes reguladores é possível incluir outro tipo de

equipamento, tais como células fotoeléctricas e sensores de movimento.

14

Em zonas onde exista iluminação solar pode-se fazer uso desse facto e utilizar células

fotoeléctricas para que, à medida que a iluminação natural for diminuindo esta seja compensada com

iluminação artificial. Esta aplicação tem especial interesse em iluminação pública onde a regulação

horária se mostra muitas vezes desajustada. Para garantir a segurança nas vias públicas tende-se a

ligar a iluminação mais cedo do que realmente é necessário.

Os sensores de movimento são já utilizados em locais de estadias temporárias onde na

ausência de movimento a iluminação é desligada por completo. O desligar da iluminação pode não

ser recomendado em certas situações e locais, nomeadamente tendo em atenção razões de

segurança.

Fig. 14 - Exemplo de aplicação de um sensor de movimento [19]

Outro factor importante, para além da segurança dos espaços e das poupanças energéticas,

é o conforto visual das pessoas que usufruem dos espaços. A iluminação dos espaços não deve ser

inferior em 10% ao recomendado. A percepção de luz do olho humano não varia linearmente [20]. Só

variações superiores a 10% é que são detectadas pelas pessoas.

15

3. Descrição de Equipamentos

Uma das formas de analisar o Regulador de Tensão Comercial Wattguard é através de um

modelo de simulação. Este simulador é essencial para entender o funcionamento do regulador bem

como ser base de partida para outros estudos. Estudos esses que podem potenciar e optimizar o

funcionamento do regulador, permitindo maiores poupanças energéticas, bem como encontrar novas

funcionalidades para este. Alguns exemplos são apresentados no Capítulo 5.

Para efectuar o estudo do funcionamento do regulador de tensão Wattguard é necessário

modelar o próprio regulador e os diferentes equipamentos de iluminação. Cada equipamento de

iluminação é constituído pela lâmpada e por um sistema auxiliar, comummente designado por

balastro. Cada tipo de lâmpada tem uma construção diferente, por isso as equações baseadas nos

fenómenos físicos que ocorrem no seu interior têm de ser ajustadas caso a caso.

3.1. Otimizador Energético e Regulador de Tensão

O regulador Wattguard possui duas componentes que permitem aumentar a sua eficiência

energética. A primeira prende-se com o aumento do valor de iluminação produzido sem aumento da

potência consumida pela lâmpada. O princípio básico de uma lâmpada de descarga é o seguinte: ―os

electrões emitidos a partir dos cátodos e indo em direcção ao ânodo, colidem com átomos do gás, e

como resultado, geram fotões. Quando estes passam a barreira de revestimento de pó de fósforo

existente na lâmpada irá fornecer luz na faixa visível. Quanto maior a quantidade de fotões, maior o

número de lúmens e melhor o nível de iluminação. O objectivo é gerar o maior número de fotões

possível.‖ [21]

Tradicionalmente, para aumentar o número de fotões emitidos é necessário aumentar o

número de electrões. O aumento de electrões está por sua vez relacionado com o aumento de

corrente eléctrica, uma vez que a corrente é por definição o fluxo de cargas eléctricas [22].

O Wattguard consegue alterar o paradigma permitindo emitir os electrões, com maior rapidez

e facilidade, a partir dos eléctrodos das lâmpadas, aumentado assim a velocidade dos electrões

dentro dos tubos [21], ou seja, reduz a energia de saída de electrões aumentando o número de fotões

com a mesma energia consumida. Esta alteração na forma de emissão dos electrões faz com que

estes causem menos danos aos eléctrodos das lâmpadas de forma que o tempo de vida das

lâmpadas aumenta significativamente [21]. Esta alteração nos eléctrodos demora algum tempo a

ocorrer após a instalação do Wattguard, cerca de 50 a 500 horas dependendo da idade das

lâmpadas, e reverte no instante que o sistema é desligado.

Esta questão não é tomada em conta na simulação uma vez que não se extraí da simulação

resultados de iluminação produzida pelas lâmpadas.

16

A outra forma de poupança energética, e essa sim vai ser simulada, é através da redução da

tensão e da corrente nos equipamentos de iluminação. O procedimento de redução é da potência

fornecida pelo Wattguard é próximo do modo de funcionamento do primeiro regulador

electromecânico apresentado no Capítulo Estado de Arte.

O Regulador de Tensão Comercial é um equipamento trifásico disponível, actualmente, com

as seguintes potências 22,5kW / 30,0 kW /45 kW constituído por três transformadores metálicos de

7,5kW /10 kW / 15 kW, respectivamente [23]. Não se efectua para potências inferiores devido a

questões de custos vs. poupança. Contudo, na simulação será tratado através do seu equivalente

monofásico. Na realidade cada conjunto de lâmpadas é ligado a um dos transformadores existentes

no regulador operando em regime monofásico.

Por outro lado o modelo apenas considera a ligação de poucas lâmpadas (entre uma a quatro

lâmpadas) em cada simulação. Uma vez que se pretende estudar a forma como o regulador actua

sobre cada lâmpada é desnecessário aumentar a complexidade da simulação. Para estimar as

poupanças energéticas de uma determinada instalação será então necessário considerar um número

elevado de lâmpadas.

O regulador Wattguard, de uma forma simplificada, é constituído por um transformador

Elevador-Redutor e um conjunto de interruptores, responsáveis por efectuar a escolha do nível de

tensão à saída do regulador.

A imagem abaixo reflecte o esquema do regulador.

Rede AC

S5S4S3S2S1

Lâmpada+

Balastro

Bypass

Fig. 15– Esquema do regulador

Os interruptores têm um funcionamento mutuamente exclusivo, que se traduz em apenas um

deles se encontrar no estado fechado, estando obrigatoriamente os restantes interruptores no estado

aberto. O interruptor de desvio (Bypass), como o nome indica, quando activado retira de

funcionamento. O circuito do regulador efectuando a ligação directa da rede aos equipamentos de

iluminação. A activação de cada um dos restantes interruptores activa o nível de tensão

correspondente (SN activa o nível N).

17

Seguidamente apresentam-se os valores de referência da tensão de saída para cada nível de

regulação e para diferentes níveis de tensão de entrada.

Tensão de Entrada (V) Nível

220,0 225,0 230,0 235,0

5 195,3 204,1 204,1 208,6

4 190,7 199,3 199,3 203,7

3 186,1 190,3 194,5 198,8

2 181,5 185,6 189,8 193,9

1 176,9 180,9 185,0 189,0

Tabela 3 – Tensão de saída para cada nível de regulação segundo Documentação Técnica [24]

Denota-se que os valores de tensão de saída para o 4º e 5º nível de regulação são iguais

para as tensões de entrada de 225 V e 230 V. Assume-se que tal é um erro, sendo os valores

incorrectos referentes a 225 V, pois para as diferentes tensões de entrada a diferença entre as

tensões de saída do 3º e 4º nível são sempre inferiores a 5V excepto no caso dos 225V.

A redução de tensão no equipamento de iluminação é acompanhada com uma diminuição na

corrente reduzindo assim a potência consumida.

Para o dimensionamento do transformador a usar na simulação, assumiu-se que:

O nível de tensão da rede é igual a 230V;

A tensão nominal no primário do transformador é igual à diferença da tensão da rede e da

tensão de saída no nível 5 de regulação;

A tensão nominal no secundário:

o No enrolamento do interruptor S5 é igual ao nível de tensão da rede;

o No enrolamento ligado ao interruptor S4, a tensão de referência é tal que quando o nível

4 se encontra activo a queda de tensão no primário é igual à diferença entre a tensão da

rede e a tensão no nível 4 definido na Tabela 3;

o A linha de raciocínio referida na alínea anterior é idêntica para os restantes níveis.

3.2. Equipamentos de Iluminação

Há apenas lugar a poupanças energéticas quando o equipamento Wattguard é aplicado em

instalações com lâmpadas com balastro electromagnético [23]. Nos balastros electrónicos a aplicação

do Wattguard não aporta qualquer impacto negativo, apenas não implica poupanças. Deste modo,

não se realizaram estudos para lâmpadas com este tipo de balastros.

18

Este trabalho restringiu-se assim ao estudo das seguintes lâmpadas com balastro

electromagnético:

Fluorescentes;

Vapor de Mercúrio;

Iodetos Metálicos;

Vapor de Sódio.

A partir deste ponto considera-se que as lâmpadas referidas são sempre com balastro

electromagnético, salvo indicação contrária.

Cada tipo de lâmpada requer um modelo adequado, considerando-se que cada uma

apresenta funcionamento diferente, como já referido. Face ao funcionamento diferenciado as

poupanças de cada tipo de lâmpadas têm valores distintos, como por exemplo em [23] indica que nas

lâmpadas fluorescentes a poupança pode ascender a 45% e para as restantes lâmpadas analisadas

a poupança é da ordem de 25% a 30%.

Na simulação dos equipamentos de iluminação foi necessário modelar as lâmpadas e

naturalmente criar um modelo para os balastros das mesmas. Em todos os modelos utilizados, o

balastro é modelado como uma bobine em série com uma resistência.

O esquema de simulação é apresentado na Fig. 16.

AC Wattguard

Lâmp

ada

LB RB

Balastro

Fig. 16 – Esquema simplificado de simulação

O valor da bobine e da resistência do Balastro variam consoante o modelo/lâmpada utilizado.

É necessário ter em conta que os modelos utilizados têm simultaneamente de ser capazes de

simular a resposta dinâmica das lâmpadas, não só para a tensão nominal bem como para tensões

mais reduzidas, visto ser desta forma que o Wattguard reduz o consumo das mesmas.

19

3.2.1. Lâmpadas Fluorescentes

Face à complexidade dos fenómenos físicos que ocorrem nas lâmpadas fluorescentes,

algumas das interacções dos electrões não são completamente explicadas por modelos teóricos,

nomeadamente os fenómenos associados aos eléctrodos e ao brilho negativo das lâmpadas [25].

Assim optou-se, nesta dissertação, pela utilização de um modelo semi-empírico, menos complexo e

de mais fácil aplicação, comparativamente a modelos estritamente teóricos.

Este modelo [26] é baseado no seguinte pressuposto: após ser alimentada a lâmpada

estabelece-se no gás no seu interior, uma coluna de descarga positiva uniforme com secção

transversal circular. Verifica-se [27] que na coluna de descarga positiva as perdas de colisão elástica

e de radiação UV totalizam 93% das perdas totais de energia. Sendo assim o cálculo da temperatura

dos electrões na lâmpada pode ser feito através da diferença entre a energia total fornecida menos as

referidas perdas, à parte de uma constante, como apresentado na equação (1).

( ) (1)

Onde: Te representa a temperatura dos electrões; a1 a a8 são constantes do modelo; Pin a

potência eléctrica de entrada da lâmpada; Pelastic a potência associada às perdas de colisão elástica

na lâmpada; Prad a potência associada às perdas de radiação na lâmpada.

Como explicado detalhadamente no artigo [28] as perdas de radiação total podem ser

calculadas através de uma equação que relaciona estas perdas com a temperatura dos electrões,

conforme definido na equação (2).

(

) (2)

Sendo: q a carga do electrão; k a constante de Boltzmann.

As perdas de colisão elástica são proporcionais à energia do electrão, equação (3).

( ) (3)

Onde: T0 é a temperatura do tubo da lâmpada.

A condutividade eléctrica de descarga é proporcional à taxa de ionização por electrão por

átomo. Em lâmpadas fluorescentes o processo de ionização é denominado por ―ionização em duas

fases‖ [29], [30]. A expressão do processo de ionização possui uma parte algébrica e outra

exponencial [30]. Com base nesta expressão é possível calcular a resistência interna da lâmpada

através da equação (4).

⁄ (

) (4)

20

Sendo: RL a resistência interna da lâmpada.

O valor da corrente na lâmpada é obtido através da resolução da equação de circuito (5).

( ) ( ) (5)

Onde: vout é a tensão de saída do regulador; LB a reactância do balastro; iL a corrente na

lâmpada; RB a resistência do balastro; vele é a queda de tensão no eléctrodo da lâmpada.

Como a temperatura ambiente do meio influencia a temperatura da lâmpada foi obtida

experimentalmente a equação (6).

(6)

Sendo: Ta a temperatura ambiente.

Com base nas equações anteriores é possível calcular, a cada instante, a tensão, a corrente

e a temperatura da lâmpada.

Apresenta-se seguidamente o fluxograma do processo de computação da solução1.

Obter a1, … , a8

Te=a1∫Pin-Pelastic-Prad dt

RL=f(T)

Equações do circuito

ILamp , VLamp

Pin=RLILamp2

Pcon=f(T) Prad=f(T)

Fig. 17 – Fluxograma do processo de computação da solução

A resistência do circuito é constituída pela resistência do balastro, interna da lâmpada e do

fio. A resistência do fio é considerada desprezável nas simulações efectuadas, considera-se que os

fios ligados às lâmpadas são de tal forma pequenos que a sua resistência não é significativa

comparativamente à resistência interna da lâmpada mais balastro.

O valor da queda de tensão no eléctrodo da lâmpada não influencia significativamente a

queda total da tensão na lâmpada admitindo-se constante e igual a 10V.

Assume-se igualmente que a temperatura do gás é de 350K.

1 Adaptado do artigo [28]

21

Os parâmetros ajustáveis do modelo [26] variam consoante a lâmpada, quer potência quer

tipo. Para uma lâmpada fluorescente T8 de 36W os parâmetros a considerar são os seguintes2:

T8 36W

a1 40225,4 K/W

a2 119381,6 W

a3 4,669 V-1

a4 0,062 W/K

a5 6529,46 Ω

a6 0,264 V-1

a7 1,232

a8 0,683 K/W

LB 1,269 H

RB 50 Ω

Ta 297 K

Tabela 4 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada fluorescente T8 de 36W

Estes parâmetros podem ser obtidos para outras lâmpadas fluorescentes através de

algoritmos genéticos explicados no artigo que suporta este modelo [26]. Para o estudo que se

pretende efectuar não foi necessário obter parâmetros adicionais, não se aprofundando assim o

assunto. Informação adicional pode ser obtida em [31].

É também de frisar que o erro associado à utilização deste modelo para tensões iguais ou

superiores a 185 V (tensão mínima do regulador, nível de regulação 1) é sempre inferior a 10%, para

a tensão e para a corrente [26].

3.2.2. Lâmpada de Vapor de Mercúrio

O modelo da lâmpada de mercúrio [28] é próximo do modelo das lâmpadas fluorescentes. As

diferenças restringem-se à alteração da equação que define a tensão total da lâmpada e à introdução

de um modelo mais exacto para a tensão no eléctrodo da lâmpada. Ao contrário do que acontecia na

lâmpada fluorescente, na lâmpada de mercúrio a evolução da queda de tensão no eléctrodo é

conhecida em mais pormenor.

A equação da tensão total da lâmpada fica igual a:

( ) ( ) (7)

2 Mantiveram-se as mesmas casas decimais que constam no artigo consultado.

22

A única diferença é a remoção da constante a7 que existia no modelo anterior bem como a

não utilização da equação que relaciona a temperatura do tubo com a temperatura ambiente.

Considera-se a temperatura da lâmpada constante e igual a 1000 K.

Utilizou-se um valor constante para a queda de tensão do eléctrodo da lâmpada fluorescente.

No entanto, essa aproximação não é correcta para outros tipos de lâmpadas como as lâmpadas de

mercúrio e iodetos metálicos.

Considerar-se o valor da queda de tensão no eléctrodo da lâmpada constante, não se tem em

conta o efeito de histerese da característica V-I da lâmpada. Embora não se estude esse caso, é

importante referir que esta situação é particularmente importante para a análise de frequências

elevadas. Resultados experimentais [28] têm mostrado que a queda de tensão no eléctrodo tem uma

forte dependência com o tempo. Como um modelo numérico dinâmico não se encontra disponível, é

utilizado um modelo semi-empírico. A equação que define a queda de tensão no eléctrodo, em cada

meio ciclo da corrente é a seguinte:

( )

( ) (8)

Sendo: A,B,C e D parâmetros da equação da queda de tensão do eléctrodo da lâmpada; t é o

instante de tempo.

Os parâmetros da equação que definem a queda de tensão no eléctrodo podem ser

calculados para todas as frequências que a lâmpada opere através do seguinte conjunto de

equações:

(9)

(10)

(11)

(12)

Onde: f é a frequência da rede em Hertz.

Como o estudo que se pretende é apenas para a frequência da rede Europeia (f=50Hz) os

valores a considerar [28] são os seguintes:

Parâmetros

A 70 V

B 1500 s-1

C 6

D 1000 V/s

Tabela 5 – Parâmetros para a equação da queda de tensão do eléctrodo da lâmpada, f=50Hz

23

A queda de tensão no eléctrodo terá a seguinte forma [28]:

Fig. 18 – Queda de tensão no eléctrodo para uma frequência de operação de 50Hz

É necessário também ter em consideração que embora o modelo seja semelhante com o

aplicado às lâmpadas fluorescentes, os parâmetros [28] serão naturalmente diferentes3.

Mercúrio 50 W

a1 1994,62 K/W

a2 8490,1979 W

a3 1,910398 V-1

a4 0,001333 W/K

a5 739,9454 Ω

a6 3,343375 V-1

LB 4 0,70 H

RB 5 17,80 Ω

T0 1000 K

Tabela 6 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada de mercúrio de 50W

De forma idêntica ao explicado no modelo da lâmpada fluorescente os parâmetros ajustáveis

do modelo podem ser obtidos através de algoritmos genéticos.

Não existe informação relativamente ao erro deste modelo específico. Este modelo é idêntico

ao da lâmpada fluorescente, desconsiderado o efeito da temperatura ambiente para a temperatura do

tubo da lâmpada. Desta forma considera-se que o erro é igual ao desse modelo (lâmpada

fluorescente desprezando a temperatura ambiente) e que é sempre inferior a 10%, quer para a

tensão quer para a corrente, para tensões de alimentação iguais ou superiores a 185 V (tensão

mínima do regulador, nível de regulação 1) [26].

3 Mantiveram-se as mesmas casas decimais referidas no artigo.

4 Valor não referido no artigo, valor utilizado estimado de forma a adequar-se aos resultados do artigo

5 idem

24

3.2.3. Lâmpada de Iodetos Metálicos

O modelo da lâmpada de iodetos metálicos é idêntico ao modelo da lâmpada de mercúrio.

Relembram-se de seguida as equações que definem o modelo.

( ) (1)

(

) (2)

( ) (3)

⁄ (

) (4)

( ) ( ) (7)

( )

( ) (8)

Os parâmetros para este modelo [28] são6:

Iodetos Metálicos 35 W

a1 34827,66 K/W

a2 12804,93 W

a3 1,6148 V-1

a4 0,001 W/K

a5 33,34 Ω

a6 4,099 V-1

LB 1,199 H

RB 19,74 Ω

T0 1000 K

Tabela 7 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada de iodetos metálicos de 35W

Da mesma forma que para as lâmpadas de mercúrio considera-se que o erro associado à

utilização deste modelo para tensões iguais ou superiores a 185 V (tensão mínima do regulador, nível

de regulação 1) é sempre inferior a 10%, quer para a tensão e para a corrente [26].

3.2.4. Lâmpada de Vapor de Sódio

O modelo das lâmpadas de vapor de sódio [32] é idêntico aos anteriores uma vez que as

lâmpadas de vapor de sódio, de mercúrio e iodetos metálicos são equipamentos de iluminação do

mesmo tipo, de descarga de alta intensidade.


25

Os parâmetros para este modelo [32] são7:

Vapor de Sódio 70W

a1 6813,896 K/W

a2 6846,868 W

a3 0,71865 V-1

a4 0,32029 W/K

a5 1,23069 Ω

a6 2,03358 V-1

LB 8 0,49 H

RB 9 14,70 Ω

T0 1000 K

Tabela 8 – Parâmetros ajustáveis para lâmpada de vapor de sódio de 70W

Da mesma forma que para as lâmpadas de mercúrio e de iodetos de metálicos considera-se

que o erro associado à utilização deste modelo para tensões iguais ou superiores a 185 V (tensão

mínima do regulador, nível de regulação 1) é sempre inferior a 10%, quer para a tensão e para a

corrente [26].


8 Valor não referido no artigo, valor utilizado estimado de forma a adequar-se aos resultados do mesmo.

9 idem

27

4. Implementação dos Modelos

Após a definição de todos os modelos analisados é necessário naturalmente, proceder à

implementação dos mesmos.

Apresenta-se de seguida o modelo de blocos para a simulação de uma lâmpada genérica.

Fig. 19 – Modelo de Simulação para lâmpada genérica

No subcapítulo Manual de Utilização será explicado os modelos apropriados a utilizar para

cada simulação.

Após a simulação ser efectuada um conjunto de variáveis é enviada para a Área de Trabalho

(Workspace) do Matlab, para posterior tratamento por uma função que organiza os resultados da

simulação.

Para cada um dos elementos será realizada uma comparação com os resultados dos artigos

e fontes consultados de forma a comprovar a correcta implementação dos modelos utilizados.

4.1. Regulador de Tensão

O bloco do Regulador de Tensão é denominado por Wattguard. Este bloco é bastante simples

é a aplicação directa da Fig. 15. Consoante o nível de regulação pretendido a Função Wattguard

Function determina os interruptores que têm de ser ligados e desligados. Este bloco envia também

para a Área de Trabalho informação relativa à corrente que flui através do secundário do

transformador.

28

Explicado que está o bloco do regulador é então necessário comprovar o correcto

funcionamento do modelo. Tal é feito através da verificação dos valores de tensão nos diferentes

níveis de regulação. Este primeiro estudo foi efectuado com o regulador em vazio. Abaixo indicam-se

os dados presentes na Documentação Técnica (Teóricos) e os resultados da simulação.

Valores Teóricos [24] (V) Valores Simulados (V)

Tensão de Entrada Nível

220,0 225,0 230,0 235,0 220,0 225,0 230,0 235,0

5 195,3 204,1 204,1 208,6 195,2 199,7 204,1 208,6

4 190,7 199,3 199,3 203,7 190,7 195,0 199,3 203,7

3 186,1 190,3 194,5 198,8 186,1 190,3 194,5 198,8

2 181,5 185,6 189,8 193,9 181,6 185,7 189,9 194,0

1 176,9 180,9 185,0 189,0 177,0 181,0 185,1 189,1

Tabela 9 – Tabela comparativa dos valores de tensão na saída do regulador Teóricos vs. Simulados

Retomando a questão referida no capítulo anterior, Definição de Modelos, da tensão para o

nível 4 e 5 para a tensão de entrada de 225 V que deveria ter valores diferentes que para 230V.

Compare-se de seguida a diferença de tensão entre os níveis de regulação consecutivos.

Valores Teóricos (V) Valores Simulados (V)

Tensão de Entrada Nível

220,0 225,0 230,0 235,0 220,0 225,0 230,0 235,0

VN5-VN4 4,6 4,8 4,8 4,9 4,5 4,7 4,8 4,9

VN4-VN3 4,6 9 4,8 4,9 4,6 4,7 4,8 4,9

VN3-VN2 4,6 4,7 4,7 4,9 4,5 4,6 4,6 4,8

VN2-VN1 4,6 4,7 4,8 4,9 4,6 4,7 4,8 4,9

Tabela 10 – Tabela comparativa da diferença de tensão entre níveis de regulação

Verifica-se que se subtrair a tensão do nível 4 à tensão do nível 3, para uma tensão de

entrada de 225V, esse valor é incongruente com as subtracções entre os restantes níveis,

evidenciando um problema no valor de tensão no nível 4. Os valores de tensão nos níveis 4 e 5 para

225V nos resultados teóricos deveriam ser mais baixos como acontece nos resultados simulados.

Conclui-se assim que os resultados teóricos para 225V se encontram incorrectos para o nível de

regulação 4 e 5.

Embora existam diferenças entre os valores da Documentação Técnica e os valores

simulados, estas são de muito pequena ordem, nunca superiores 0,05%.

Esta comparação não prova o correcto funcionamento do regulador mas apenas que os

valores de tensão na saída são adequados. Para comprovar a fiabilidade do modelo da simulação do

regulador é necessário efectuar a comparação com dados experimentais.

29

Antes de mais é necessário considerar as diferenças entre os conceitos de factor de potência

e de cos ɸ. A definição de factor de potência é a relação entre a potência activa e aparente de uma

carga [33]. O cos ɸ é relacionado exclusivamente com a desfasagem entre a tensão e a corrente da

1ª harmónica, enquanto que o factor de potência tem também em conta as restantes harmónicas da

tensão e da corrente. Apresenta-se de seguida os cálculos das duas medidas de forma a esclarecer a

questão:

(13)

(14)

(15)

Sendo: P a potência activa; Vef 1ªH o valor eficaz da 1ª harmónica de tensão; Ief 1ªH o valor

eficaz da 1ª harmónica de corrente; é a desfasagem entre a tensão e a corrente; S a potência

aparente; Vef o valor eficaz da tensão; Ief o valor eficaz da corrente; PF o factor de forma.

Se apenas existisse a componente fundamental, ou seja, na ausência de harmónicas para

além da fundamental, o valor eficaz da tensão e corrente da 1ª harmónica seria igual ao valor eficaz

total da tensão e da corrente, respectivamente.

Para fazer estes cálculos foi desenhado o bloco de simulação Power Factor 50Hz. Para além

de obter um inúmero conjunto de dados é responsável pelo cálculo da potência activa, potência

complexa, desfasamento entre a tensão e a corrente e factor de potência. No início da simulação

desconhece-se o desfasamento entre a tensão e a corrente sendo necessário obter essa informação.

O tempo entre a tensão se anular e a corrente se anular é o desfasamento entre a tensão e a

corrente. Como se apresenta na figura seguinte.

Fig. 20 – Desfasagem entre a tensão e a corrente

Δ𝑡

30

Os restantes cálculos necessários são efectuados de acordo com as equações (13), (14) e

(15).

As restantes grandezas, relativamente à entrada do regulador, enviadas para o Área de

Trabalho pela função Power Factor 50Hz são: distorção harmónica da tensão, distorção harmónica da

corrente, valor eficaz da tensão, valor eficaz da 1ª harmónica da tensão e valor eficaz da corrente.

Neste momento não se comprovou ainda que os modelos das lâmpadas se encontram

correctamente replicados na simulação. Tomou-se como referência o modelo da lâmpada

fluorescente.

Os resultados apresentados de seguida são referentes a duas lâmpadas fluorescentes do tipo

T8 de 36W.

Embora o factor de potência tenha um valor diferente do cos ɸ, estes valores são

semelhantes, tal como se pode verificar na tabela seguinte.

Nível PF cos ɸ Diferença (%)

Bypass 0,60 0,61 -2,8

3 0,68 0,69 -1,5

2 0,69 0,70 -2,0

Tabela 11 – Comparação dos valores do factor de potência e cos ɸ para 2 lâmpadas T8 de 36W

Verifica-se que a diferença não é significativa, de qualquer forma o valor correcto a considerar

é o factor de potência.

Dados Simulados Dados Experimentais [34]

Nível Vef (V) Ief (A) S (Va) P (W) cos ɸ Vef (V) Ief (A) S (Va) P (W) cos ɸ

Bypass 230,0 0,86 197,81 117,89 0,61 230 0,78 180 89 0,50

3 194,4 0,54 125,07 85,27 0,69 193 0,52 101 59 0,59

2 189,7 0,51 116,87 80,51 0,70 186 0,48 90 55 0,61

Tabela 12 – Dados Simulados e Experimentais para 2 lâmpadas T8 de 36W

A discrepância dos valores simulados e experimentais era expectável uma vez que a lâmpada

e balastro que serviram de base à obtenção dos parâmetros para simulação não são os mesmos que

foram utilizados nos ensaios experimentais. Na realidade nenhuma lâmpada é igual a outra, os

processos de fabrico têm sempre erros associados, bem como diferentes fabricantes produzem

lâmpadas com características ligeiramente diferentes. A estas questões há a acrescentar o facto de

que embora o modelo seja adequado, não deixa de ser uma aproximação e de ter sempre um erro

associado.

31

Sendo assim, não se torna interessante comparar valores absolutos mas a tendência dos

dados com a alteração do nível de regulação utilizado, como se apresenta de seguida.

Fig. 21 – Corrente pedida à rede

Fig. 22 – Co-seno do ângulo de desfasagem (quadrados dados experimentais [34]; losangos dados simulados)

Fig. 23 – Potência Complexa pedida à rede

Fig. 24 – Potência Activa pedida à rede (quadrados dados experimentais [34]; losangos dados simulados)

Comparando os dados experimentais e simulados verifica-se que o andamento dos mesmos

é idêntico, comprovando assim que a simulação é uma boa aproximação à realidade.

4.2. Lâmpadas

4.2.1. Lâmpada Fluorescente

O modelo da lâmpada fluorescente contém a informação das constantes que são utilizadas

pelas equações (1) a (6) bem como do balastro.

No bloco de simulação FL Model encontram-se as funções que implementam essas mesmas

equações. È necessário realçar três aspectos deste bloco:

O primeiro prende-se com a definição da função que implementa a equação no

eléctrodo. Consoante a corrente tem sentido positivo, negativo ou é nula coloca a

tensão do eléctrodo em +10V, -10V e 0, respectivamente.

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Bypass 3 2

Co

rre

nte

(A

)

Nível de Regulação

0,5

0,6

0,7

0,8

Bypass 3 2

Co

s (ɸ

)


90

110

130

150

170

190

Bypass 3 2Po

tên

cia

Co

mp

lexa

(V

A)


50

70

90

110

Bypass 3 2

Po

tên

cia

(W)


32

A queda de tensão do equipamento de iluminação é dada pela soma da queda de

tensão na lâmpada com a queda de tensão no eléctrodo.

Por último, a temperatura na lâmpada vai variar ao longo do tempo com o aumento e

diminuição da corrente ao longo do tempo, considerando-se a temperatura inicial

igual à temperatura ambiente. Daí advém a necessidade de resolver a equação

número (1) da seguinte forma:

∫ ( ) (16)

Apresentam-se seguidamente as imagens obtidas no artigo que define o modelo da lâmpada

fluorescente [26] e os resultados obtidos em simulação.

Fig. 25 – Tensão na lâmpada fluorescente [26]

Fig. 26 – Tensão na lâmpada fluorescente (simulador)

Fig. 27 – Corrente na lâmpada fluorescente [26]

Fig. 28 – Corrente na lâmpada fluorescente (simulador)

As simulações foram efectuadas para uma tensão de alimentação de 220V, a mesma tensão

que foi utilizada no artigo [26]. Verifica-se que o simulador reproduz fielmente o modelo presente no

artigo. Comprovando assim não só a correcta simulação da lâmpada fluorescente bem como do

regulador.

33

4.2.2. Lâmpada de Vapor Mercúrio

A simulação da lâmpada de vapor mercúrio é semelhante à da lâmpada fluorescente só

alterando dois aspectos. Um deles é o facto de não existir correcção da temperatura do tubo da

lâmpada com a temperatura ambiente. O outro aspecto prende-se com a queda de tensão no

eléctrodo. Ao contrário do modelo da lâmpada fluorescente, onde se considera o valor, em módulo,

constante, neste terá uma evolução dada pela equação (8). Esta equação é definida para cada ciclo

da corrente. Foi por esse motivo necessário adicionar um bloco que reinicia um temporizador em

cada ciclo de corrente. A questão de se utilizar um bloco Transport Delay, tem a ver com limitações

do Simulink que não admite que exista realimentação da informação, pois a corrente encontra-se

directamente relacionada com o valor da tensão do equipamento de iluminação. Este atraso temporal

é de 1x10-5

segundos de forma a não influenciar os resultados da simulação.

De seguida apresenta-se as imagens obtidas no artigo que define o modelo da lâmpada de

mercúrio [28] e os resultados obtidos em simulação.

Fig. 29 – Tensão na lâmpada de mercúrio [28]

Fig. 30 – Tensão na lâmpada de mercúrio (simulador)

Fig. 31 – Corrente na lâmpada de mercúrio [28]

Fig. 32 – Corrente na lâmpada de mercúrio (simulador)

Verifica-se que a simulação reproduz os resultados do artigo em questão.

34

4.2.3. Lâmpada de Iodetos Metálicos

O modelo da lâmpada de iodetos metálico é igual ao da lâmpada de vapor de mercúrio,

alterando apenas os valores dos parâmetros.

Abaixo apresentam-se as imagens obtidas no artigo que define o modelo da lâmpada de

iodetos metálicos [28] e os resultados obtidos em simulação.

Fig. 33 – Tensão na lâmpada de iodetos metálicos [28]

Fig. 34 – Tensão na lâmpada de iodetos metálicos (simulador)

Fig. 35 – Corrente na lâmpada de iodetos metálicos [28]

Fig. 36 – Corrente na lâmpada de iodetos metálicos (simulador)

Verifica-se que a simulação reproduz os resultados do artigo [28].

35

4.2.4. Lâmpada de Vapor de Sódio

O modelo da lâmpada de vapor de sódio é idêntico aos anteriores, apenas alterando os

parâmetros a utilizar.

Abaixo apresentam-se as imagens obtidas no artigo que define o modelo da lâmpada de

vapor de sódio [32] e os resultados obtidos em simulação.

Fig. 37 – Tensão na lâmpada de vapor de sódio

(simulador)

Fig. 38 – Corrente na lâmpada de vapor de sódio (simulador)

Fig. 39 – Tensão e Corrente na lâmpada de vapor de sódio [32]

Mais uma vez se comprova a fiabilidade da simulação comparando com os resultados

teóricos [32].

36

4.3. Manual de Simulação

Antes de se utilizar as simulações é necessário executar, em Matlab, o ficheiro init.m que

limpa a Área de Trabalho bem como a Janelas de Comandos (Command Window). Após efectuadas

as simulações e obtidos os resultados é aconselhado utilizar o ficheiro finish.m.

Cada tipo de lâmpada tem um ficheiro dedicado bem como algumas situações especiais que

serão apresentadas mais à frente nesta dissertação. De seguida apresenta-se uma tabela que serve

de guia na escolha da simulação a realizar, consoante a situação pretendida.

Nome da simulação Descrição

WG1FL Regulador a alimentar uma lâmpada fluorescente

WG1ML Regulador a alimentar uma lâmpada de mercúrio

WG1MHL Regulador a alimentar uma lâmpada de iodetos metálicos

WG1HPSL Regulador a alimentar uma lâmpada de alta pressão de sódio

WG1each Regulador a alimentar quatro lâmpadas, uma de cada tipo de lâmpada

modelada

WG1each_with_cond Regulador com condensador na entrada a alimentar quatro lâmpadas, uma

de cada tipo de lâmpada modelada

WG1FL_variac Regulador com autotransformador no secundário a alimentar uma lâmpada

fluorescente

Tabela 13 – Descodificação dos nomes dos ficheiros de simulação

Devido ao facto dos blocos que efectuam os cálculos que têm de ser inicializados e para

fornecer valores fidedignos as simulações têm de ter um tempo de simulação no mínimo de 0,08

segundos.

Para a selecção do nível de regulação pretendido deve-se abrir o ficheiro de simulação

desejado e alterar o valor do bloco Nível para o pretendido. O valor 0 representa o modo de operação

Bypass e de 1 a 5 o nível de regulação 1 a 5, respectivamente. Caso seja escolhido um valor

diferente destes o regulador desliga todos os interruptores não alimentado os equipamentos de

iluminação.

Para consulta dos gráficos resultantes da simulação devem ser usados os blocos disponíveis

para o efeito (scopes). Para obter os resultados numéricos da simulação deve ser executado o

ficheiro values.m que retorna os valores das grandezas apresentadas nos anexos A a D.

4.3. Análise dos Resultados de Simulação

Nos Anexos A a D apresentam-se as fichas com informação detalhada dos resultados

relativamente a cada tipo de lâmpada e nível de regulação.

37

As evoluções temporais das grandezas eléctricas avaliadas nas diferentes lâmpadas são

equivalentes, situação prevista, uma vez que os modelos utilizados são idênticos. Apenas as

lâmpadas fluorescentes têm uma pequena alteração no modelo, situação já referida no Capítulo 3.

É importante identificar o sentido convencionado das grandezas calculadas. Essa definição é

apresentada na Fig. 40.

Rede AC S5S4S3S2S1

Bypass

VIN

ISEC

IPRI

IIN

Balastro

VOUT

VB

VL

Fig. 40 – Representação do sentido das correntes e tensões convencionadas

Constata-se, nos anexos referidos, que em todos os casos, e como esperado, que a

aplicação de um nível de regulação mais baixo produz uma diminuição não só da tensão de saída

mas também da potência pedida à rede e da temperatura da lâmpada. Como exemplo apresenta-se

gráficos para o caso da lâmpada fluorescente.

Fig. 41 – Evolução dos valores da potência activa, potência aparente e temperatura com a alteração do nível de regulação

Denota-se que a potência complexa tem uma maior variação do nível de regulação 5 para o

nível de Bypass que a potência activa. Esta situação deve-se à correcção de factor de potência que o

regulador realiza.

200

300

400

500

600

700

800

900

40

50

60

70

80

90

100

110

N1 N2 N3 N4 N5 Bypass

T (

k)

P(W

)

S(V

a)

Potência Activa

Potência Aparente

Temperatura

38

Fig. 42 – Evolução dos valores do factor de potência e cos(ɸ) com a alteração do nível de regulação

Constata-se deste modo que, com a utilização do regulador o factor de potência melhora

significativamente. Este resultado não é efectivamente o ideal, na verdade o valor deveria ser próximo

do unitário. Existir um factor de potência que seja menor que a unidade representa um aumento da

factura energética, uma vez que é necessário efectuar o pagamento da energia reactiva associada.

Por outro lado a questão pode ser corrigida com recurso a equipamentos auxiliares. Normalmente,

nas instalações industriais, para se efectuar esta correcção recorre-se à instalação de baterias de

condensadores. Esta situação será abordada com mais detalhe no capítulo seguinte.

O facto da corrente pedida à rede possuir um valor eficaz ligeiramente inferior à soma das

correntes eficazes no equipamento de iluminação e no secundário do regulador, deve-se à

concepção e construção do regulador. O secundário é responsável por reduzir a tensão à saída do

regulador, considerando que absorve parte da energia que deveria ser entregue ao equipamento de

iluminação numa situação sem regulação (Bypass). Essa energia é então injectada na entrada do

regulador sendo solicitada menos corrente à rede.

Fig. 43 – Evolução dos valores da corrente total, no primário e no secundário com a alteração do nível de regulação

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75


Factor de Potência Rede

cos(ɸ) Rede

0,02

0,022

0,024

0,026

0,028

0,03

0,032

0,034

0,25

0,27

0,29

0,31

0,33

0,35

0,37

0,39

0,41

0,43

0,45


Co

rre

nte

no

Se

cu

nd

ári

o (

A)

Co

ren

te T

ota

l e

no

Pri

má

rio

(A

)

Corrente Total

Corrente no Primário

Corrente no Secundário

39

Com a diminuição da tensão aplicada ao equipamento de iluminação ter-se-á um pequeno

aumento da tensão da lâmpada. É preciso ter em conta que embora essa situação ocorra em cada

instante a soma da queda de tensão no balastro com a queda de tensão na lâmpada é igual à tensão

de saída do regulador.

(14)

Onde: VB é a queda de tensão no balastro; VL é a queda de tensão na lâmpada.

Fig. 44 – Evolução dos valores da tensão de saída e na lâmpada com a alteração do nível de regulação

A temperatura da lâmpada diminui mesmo com o aumento da tensão, o que se deve ao facto

de a temperatura da lâmpada se encontrar relacionado com a corrente na lâmpada e não com a

tensão.

Fig. 45 – Evolução dos valores da corrente no primário e da temperatura na lâmpada com a alteração do nível de regulação

As harmónicas de tensão injectadas na rede são de tal forma pequenas que não são motivo

de preocupação. Em nenhuma das lâmpadas nunca passa os 0,03% de distorção harmónica total,

valores em conformidade com a legislação em vigor, como será revisitado no capítulo seguinte.

108

110

112

114

116

118

120

122

180

185

190

195

200

205

210

215

220

225

230

N1 N2 N3 N4 N5 BypassT

en

sã

o n

a L

âm

pa

da

(V

)

Te

ns

ão

de

Sá

ida

(V

)

Tensão de Saída

Tensão na Lâmpada

500

550

600

650

700

750

800

850

900

0,25

0,27

0,29

0,31

0,33

0,35

0,37

0,39

0,41

0,43

0,45


Te

mp

era

tura

(K

)

Co

rre

nte

no

Pri

má

rio

(A

)

Corrente no Primário

Temperatura

40

As harmónicas de corrente são mais altas que as de tensão.

Fig. 46 – Evolução dos valores da distorção harmónica da corrente à entrada e saída do regulador com a alteração do nível de regulação

Comparativamente à situação de Bypass existe um valor mais elevado de harmónicas com a

utilização do regulador, em especial nos níveis mais baixos de regulação. O regulador consegue

absorver parte dessas harmónicas, embora não todas. As harmónicas de corrente embora elevadas

também não são preocupantes. Este assunto será também revisitado no capítulo seguinte.

4.4. Estudo de Caso

Após as análises dos dados anteriores efectuou-se um estudo de caso numa instalação de

208 lâmpadas fluorescentes T8 de 36W cada. É de recordar que o regulador tem uma instalação

trifásica, estando as 208 lâmpadas divididas pelas 3 fases (embora não se garanta que estejam

divididas igualmente pelas 3 fases). Apresentam-se de seguida alguns dados dos referidos ensaios.

Instalação Real Simulação

Nível Vef

(V)

Ief

(A)

S

(kVa)

P

(kW) FP

Vef

(V)

Ief

(A)

S

(kVa)

P

(kW) FP

Bypass 235,8 122,91 28,98 10,21 0,71 235,8 93,35 22,01 11,73 0,53

2 193,2 82,45 15,96 6,46 0,87 178,5 51,50 10,03 7,60 0,75

Tabela 14 – Dados para instalação real e resultados de simulação para 208 lâmpadas fluorescentes T8 de 36W

O valor da tensão e do factor de potência apresentados na tabela representam o valor médio

das 3 fases enquanto a corrente, a potência complexa e activa são a soma das grandezas das 3

fases.

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17


THD

(%

)

THD Corrente Entrada

THD Corrente Saída

41

Tanto nos resultados reais como na simulação verifica-se uma redução substancial do

consumo e melhoria do factor de potência comutando do nível de Bypass para o nível 2. O ensaio foi

efectuado 30 minutos em cada um dos níveis. Os desvios detectados nos ensaios anteriores

continuam a ser responsáveis pelos desvios nos valores apresentados em conjunto com outros novos

factores, como a queda de tensão ao longo da instalação alimentado as diferentes lâmpadas a

tensões ligeiramente diferentes.

A poupança em termos de energia activa é 3,75kWh, para um período de 30 minutos,

comparativamente à não utilização do equipamento. Considerando o preço por kWh de 0,1029 euros,

tendo em conta dados da EUROSTAT para indústrias de média dimensão. e um período de operação

de 40 horas semanais, obtêm-se uma redução mensal nos custos de iluminação de cerca de 136€. É

preciso ter em conta que neste estudo não se encontrava ligada toda a alimentação servida pelo

equipamento, ou seja existem bastante mais lâmpadas que as 208 lâmpadas, bem como não é tido

em conta as poupanças associadas à energia reactiva e à redução da manutenção necessária.

43

5. Propostas para melhoria da Eficiência Energética e Qualidade de

Energia

Foram identificados no Capítulo 4, algumas situações passíveis de melhorar no regulador,

nomeadamente:

Factor de Potência.

Distorção Harmónica da corrente relativamente elevada.

Além desta questão constata-se a viabilidade de adicionar outras funcionalidades ao

equipamento. Como exemplo, refere-se a introdução de um autotransformador para estabilização da

tensão da rede.

Apresentamos seguidamente algumas propostas para melhorar o regulador de tensão.

5.1. Factor de Potência

A questão do Factor de Potência é delicada uma vez que implica um custo relativo à energia

reactiva fornecida pela rede. Caso essa energia seja fornecida pelo próprio local de consumo, esse

custo pode ser reduzido ou até eliminado.

A solução clássica para este problema passa pela instalação de uma bateria de

condensadores à entrada do local de consumo para gerar a energia reactiva necessária. Neste caso

instala-se um condensador na entrada de tensão do regulador para evitar que o sistema de

iluminação (regulador mais equipamento de iluminação) tenha um factor de potência baixo.

O condensador necessita ser dimensionado de acordo com a carga existente. A análise é

realizada para uma instalação dotada de 4 equipamentos de iluminação, cada tipo de lâmpada

simulada. Primeiramente, é necessário conhecer o valor da potência reactiva absorvida pelo sistema

bem como a tensão de alimentação que se considera igual a 230V, de forma a calcular a reactância

necessária do condensador. O valor da potência reactiva é igual a 322,00 Var. Apresentam-se

seguidamente os cálculos:

(17)

(18)

Na realidade, não existe um condensador puro, existe sempre uma resistência do material,

embora seja pequena. Na simulação assumiu-se uma resistência de 1Ω.

44

Indicam-se seguidamente os resultados do sistema sem correcção do factor de potência e

com condensador.

Nível N1 N1 C/ Cond.

Corrente no Secundário (A) 0,40 0,40

Corrente Total (A) 1,79 0,94

Corrente na Lâmpada (A) 2,14 2,14

Tensão de Saída (V) 184,29 184,29

Factor de Potência Rede 0,60 0,95

cos(ɸ) Rede 0,61 0,99

P (W) 246,14 205,31

Q (Var) 322,00 35,82

S (Va) 409,13 215,12

THD Corrente Entrada (%) 8,68 16,85

THD Corrente Saída (%) 8,96 8,96

THD Tensão Entrada (%) 0,01 0,02

THD Tensão Saída (%) 0,13 0,13

Tabela 15 – Resultados simulados com e sem condensador

Verifica-se que, com a instalação do condensador ainda existe algum consumo de energia

reactiva com origem na rede eléctrica, mas é apenas um consumo residual. Aumentado o valor da

capacidade do condensador essa necessidade pode ser suprimida. Confirma-se igualmente que a

corrente pedida à rede diminui, reduzindo-se os esforços térmicos a que os cabos de alimentação

estão sujeitos. Por outro lado a distorção harmónica da corrente aumenta significativamente.

O maior inconveniente desta solução prende-se com a necessidade do dimensionamento

adequado do condensador. Um subdimensionamento conduz a um factor de potência baixo e um

sobredimensionamento a uma injecção de potência reactiva na rede que também tem custos

associados.

5.2. Autotransformador

A forma como o regulador diminui o consumo dos equipamentos de iluminação verifica-se

através da redução simultânea da tensão e corrente fornecida ao mesmo.

Nas simulações realizadas anteriormente considerou-se a tensão de alimentação, tensão da

rede, como uma sinusóide perfeita dotada de valor eficaz igual a 230 V (Tensão Fase-Neutro). Esta

situação não se verifica na realidade. Deixando de parte a questão da existência de harmónicas na

tensão da rede, ou seja, que a forma de onda da tensão não é uma sinusóide perfeita, a análise recai

sobre a variação do valor eficaz da tensão.

45

Segundo a Norma NP EN 50 160 ―a variação da tensão permitida, em condições normais de

exploração, não considerando as situações subsequentes a defeitos e interrupções de alimentação, é

de +/- 10%, que corresponde a 207 V e 253 V, em 95% do período de uma semana.‖ [35] Com o

aumento do nível de tensão da rede a poupança do equipamento pode ser anulada, com uma maior

tensão de entrada a tensão de saída será também mais elevada. Por outro lado com a redução da

tensão da rede a tensão de saída do regulador pode-se reduzir de tal forma que o equipamento de

iluminação não tenha condições para continuar a funcionar. De seguida apresenta-se um exemplo da

variação da tensão eléctrica ao longo do dia.

Fig. 47 – Variação da Tensão Eléctrica ao longo de um dia [36]

Actualmente o regulador possui uma função que previne o equipamento de iluminação de se

desligar caso a tensão de alimentação seja muito baixa. Essa acção é efectuada através da

comutação do interruptor de selecção de nível de regulação para Bypass, sendo que esta solução

não é a ideal.

A solução com autotransformador passa por remover do secundário os interruptores de

selecção de nível e substituir por um autotransformador, como apresentado na figura seguinte.

Rede AC

Lâmpada+

Balastro

Bypass

Fig. 48 – Regulador com autotransformador

46

Seguidamente apresentam-se dois exemplos de utilização do regulador com

autotransformador, um com redução do nível de tensão da rede (207V) e outro com aumento (253V).

Fig. 49 – Tensão na saída do regulador com alimentação de 207 V

Fig. 50 – Tensão na saída do regulador com alimentação de 253 V

Fig. 51 – Tensão eficaz na saída do regulador com alimentação de 207 V

Fig. 52 – Tensão eficaz na saída do regulador com alimentação de 253 V

As duas simulações foram conduzidas com o nível de regulação parametrizado no nível 1 e

com uma lâmpada fluorescente. O defeito, subida ou descida da tensão, ocorre no instante 0,04 s.

Verifica-se que o autotransformador actua rapidamente corrigindo o valor de tensão à saída

do regulador. O tempo de estabilização da tensão é inferior a 2 períodos da rede.

Na realidade pode demorar um pouco mais, pois é necessário ter em conta as constantes

mecânicas do autotransformador, desprezadas nesta análise. Outra situação desprezada é a tensão

de saída não ter o valor pretendido, dependendo naturalmente da diferença de tensão entre cada

tomada do autotransformador.

Este sistema implica custos acrescidos face à introdução do autotransformador e do circuito

de comando do mesmo, mas por outro lado permite a utilização de um transformador Elevador-

-Redutor de construção mais fácil, uma vez que prescinde das diversas tomadas no secundário do

transformador.

Esta solução permite igualmente a criação de mais níveis de regulação adequados à situação

pretendida, além dos originais cinco níveis predefinidos. Permite também compensar a pequena

diminuição do fluxo luminoso emitido pela lâmpada e que ocorre ao longo da vida útil dos

equipamentos de iluminação.

47

5.3. Distorção Harmónica

O problema da Distorção Harmónica acaba muitas vezes por não se verificar pois embora

existam harmónicas na tensão e, neste caso em especial, na corrente, não deixam de satisfazer os

regulamentos em vigor. Por vezes o restante equipamento existente no local de consumo absorve

parte destas harmónicas. Alguns estudos prevêem até a redução quase total das harmónicas devido

à existência de outros equipamentos, é o caso dos computadores que produzem uma terceira

harmónica quase em oposição de fase da gerada pelas lâmpadas fluorescentes [37].

Caso as harmónicas sejam muito elevadas o comercializador da rede de distribuição irá

obrigar à instalação de equipamento apropriado, nomeadamente filtros, com o intuito de evitar a

emissão de harmónicas para a rede.

Segundo a norma NP EN 50 160, ―a THD da tensão de alimentação (incluindo os harmónicos

até à ordem 40) não deve ultrapassar 8%‖ [38]. Sendo que os valores de THD obtidos em simulação

não ultrapassam os 0,03% e consideram não apenas as harmónicas até à ordem 40, como na norma

é definido, mas sim todas as harmónicas não existe incumprimento da mesma.

O mesmo não acontece com a THD da corrente. Os valores do THD da corrente são mais

elevados. Para definição dos limites das harmónicas de corrente a ser injectadas na rede deve ser

seguida a norma IEC 61000-3-2. De seguida apresenta-se a tabela com os limites referidos

Harmónicas

(n)

Limite

(% da Fundamental)

2 2

3 30xPF

5 10

7 7

9 5

11 3

13 3

15≤n≤39 3

Tabela 16 – Limite da injecção de harmónicas na rede, adaptada da norma IEC 61000-3-2 [39]

Esta norma só se aplica para uma corrente inferior a 16A por fase, o que é perfeitamente

adequado para o caso em estudo. Para correntes entre 16A e 74A teriam de se usar os valores de

referência da norma IEC 61000-3-12.

O estudo é efectuado utilizando a mesma instalação de 4 equipamentos de iluminação para o

nível 1 de regulação com o condensador, situação que apresentava um THD de corrente mais

elevado. Recorde-se que o factor de potência para este caso era de 0,95 sendo o limite para a

terceira harmónica igual a:

(19)

48

Apresentam-se de seguida os resultados para as harmónicas nessa situação.

Harmónicas

(n)

Corrente

(% da Fundamental)

2 0,12

3 16,01

5 4,82

7 1,81

9 0,71

11 0,25

13 0,14

15 0,11

Tabela 17 – Valores simulados das harmónicas de corrente

Para as harmónicas superiores à 15ª não são apresentados resultados porque são inferiores

aos valores desta.

Verifica-se desta forma que o equipamento cumpre as normas, no que diz respeito aos limites

de injecção de corrente na rede eléctrica.

Caso as harmónicas de corrente fossem preocupantes, dependendo da potência total da

instalação e da capacidade do barramento da subestação onde se liga a instalação de absorver as

mesmas, poderia ser necessário a instalação de filtros adequados.

Atendendo ao aumento dos padrões de qualidade de energia, pode no entanto vir a não

cumprir esses padrões futuros, sendo por isso um assunto interessante a avaliar em estudo posterior.

49

6. Conclusão

A realização do presente trabalho possibilitou analisar detalhadamente o regulador de tensão

Wattguard bem como identificar a importância da existência de reguladores como este.

Os reguladores permitem uma redução efectiva dos custos nomeadamente através da

diminuição do consumo dos equipamentos de iluminação, como verificado no Capítulo 5, assim como

pelo aumento do tempo de vida das lâmpadas. Os gráficos abaixo [24] reflectem o tempo de vida das

lâmpadas fluorescentes, de alta pressão de sódio e de iodetos metálicos com e sem a utilização do

regulador estudado.

Fig. 53 – Fluxo luminoso ao longo do tempo numa

lâmpada fluorescente [24]

Fig. 54 – Fluxo luminoso ao longo do tempo numa

lâmpada de alta pressão de sódio e numa lâmpada de iodetos metálicos [24]

Verifica-se um aumento muito significativo do tempo de vida dos equipamentos de

iluminação. Não só pela redução da potência entregue mas também pela alteração na emissão dos

electrões a partir dos eléctrodos, como descrito no Capítulo 3.

Para além do aumento do tempo de tempo de vida, que diminui a manutenção necessária, os

custos de energia descem substancialmente, como se verifica no exemplo seguinte de uma

instalação real onde foi instalado o regulador.

Payback (anos) 1,52

Investimento (€) 13 050

Economia Anual Média (€) 10 252

Economia Total 10 anos (€) 102 518

Redução Anual (kWh) 70 264

Redução Anual de CO2 (t) 38

Tabela 18 – Análise económica e ambiental de uma instalação com Wattguard [40]

Verifica-se também uma redução significativa da pegada ecológica da instalação pela

diminuição das emissões de carbono associadas à energia poupada.

50

Compreender o funcionamento do regulador foi vital para potenciar todas as funcionalidades

do equipamento bem como introduzir novas valências, nomeadamente as referidas no Capítulo 6.

O presente estudo e o simulador concebido em resultado do mesmo, demonstram uma boa

correspondência com a realidade, conforme constado no Capítulo 4. Entendendo-se assim, ser este

estudo importante para trabalhos futuros com vista a melhorar o regulador.

É absolutamente fundamental o desenvolvimento de equipamentos como este, inseridos

numa vertente de incremento da eficiência energética, no sentido de utilizar racionalmente a energia

eléctrica, e por conseguinte, os recursos naturais.

51

7.Bibliografia

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Estudo e Caracterização de Regulador de Tensão

para Iluminação

Diogo André Vieira da Silva Miranda

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Anexos


Júri

Presidente: Prof. Doutora Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro


Vogal: Prof. Doutor João Augusto Santos Joaquim

Novembro 2014

ii

Anexo A – Lâmpada Fluorescente

Gráfico das imagens das grandezas eléctricas simuladas no regulador e no equipamento de

iluminação.

Fig. 55 – Corrente no primário do regulador no nível 1

Fig. 56 – Corrente no secundário do regulador no nível 1

Fig. 57 – Corrente fornecida pela rede no nível 1

Fig. 58 – Tensão na saída do regulador no nível 1

Fig. 59 – Tensão aplicada na lâmpada no nível 1

Fig. 60 – Temperatura no interior da lâmpada no nível 1

iii

De seguida apresentam-se diversos valores que caracterizam o funcionamento do regulador

com uma lâmpada fluorescente de 36W de potência.

Nível N1 N2 N3 N4 N5 Bypass

Corrente no Secundário (A)

0,023 0,025 0,028 0,031 0,032 0

Corrente na Lâmpada (A)

0,265 0,280 0,300 0,319 0,338 0,429

Corrente Pedida à Rede

(A) 0,262 0,275 0,288 0,303 0,319 0,429

Tensão na Lâmpada (V)

121,77 119,64 117,81 116,16 114,68 108,70

Tensão de Saída (V)

184,98 189,77 194,46 199,25 204,05 230,00


0,74 0,72 0,70 0,69 0,67 0,60

cos(ɸ) Rede 0,75 0,73 0,71 0,69 0,68 0,60

P (W) 44,62 45,57 46,59 47,79 49,09 58,80

S (VA) 60,31 63,24 66,32 69,69 73,33 98,66

THD Corrente Entrada (%)

12,84 12,46 12,06 11,63 11,2 8,87

THD Corrente Saída (%)

16,29 14,85 13,69 12,71 11,87 8,87

THD Tensão Entrada (%)

0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

THD Tensão Saída (%)

0,03 0,02 0 0 0 0,01

Temperatura (K)

662,72 688,77 712,3 734,43 755,09 852,52

Tabela 19 – Valores caracterizantes do funcionamento do regulador com uma fluorescente

iv

Anexo B – Lâmpada de Vapor de Mercúrio


iluminação.







v


com uma lâmpada de mercúrio de 50W de potência.



0,093 0,094 0,092 0,088 0,081 0


0,633 0,659 0,684 0,709 0,734 0,867


(A) 0,566 0,590 0,614 0,641 0,671 0,867


89,89 89,78 89,67 89,56 89,47 89,01


184,84 189,65 194,35 199,16 203,98 230,00


0,59 0,57 0,56 0,55 0,54 0,48

cos(ɸ) Rede 0,59 0,58 0,57 0,55 0,54 0,48

P (W) 76,61 77,83 79,23 80,85 82,66 96,16

S (VA) 130,28 135,59 141,24 147,50 154,24 199,41


6,46 6,4 6,33 6,23 6,13 5,44


7,14 6,91 6,69 6,49 6,29 5,44


0,01 0 0,02 0,01 0,01 0,01


0,03 0,02 0 0 0 0,01

Temperatura (K)

4139,92 4170,7 4199,77 4228,07 4258,05 4396,85

Tabela 20 – Valores caracterizantes do funcionamento do regulador com uma lâmpada de mercúrio

vi

Anexo C – Lâmpada de Iodetos Metálicos


iluminação.







vii


com uma lâmpada de iodetos metálicos de 35W de potência.



0,0344 0,039 0,041 0,042 0,042 0


0,371 0,387 0,403 0,419 0,435 0,517


(A) 0,352 0,363 0,375 0,388 0,404 0,517


90,56 89,89 89,28 88,70 88,16 85,67


184,93 189,73 194,43 199,23 204,03 230,00


0,58 0,56 0,54 0,52 0,51 0,44

cos(ɸ) Rede 0,58 0,56 0,55 0,53 0,51 0,44

P (W) 46,94 46,71 46,66 46,72 47,08 52,19

S (VA) 81 83,42 86,16 89,33 92,89 118,81


7,6 7,55 7,47 7,35 7,21 6,23


8,96 8,55 8,18 7,85 7,54 6,23


0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02


0,02 0,02 0 0 0 0,01

Temperatura (K)

2934,67 2952,55 2968,28 2984,39 2999,38 3072,33

Tabela 21 – Valores caracterizantes do funcionamento do regulador com uma lâmpada de iodetos metálicos

viii

Anexo D – Lâmpada de Vapor de Sódio


iluminação.







ix


com uma lâmpada de alta pressão de sódio de 70W de potência.



0,150 0,146 0,140 0,131 0,119 0


0,888 0,928 0,965 1,003 1,041 1,240


(A) 0,774 0,813 0,853 0,897 0,943 1,240


94,48 93,94 93,41 92,87 92,34 89,62


184,75 189,56 194,28 199,10 203,93 230,00


0,61 0,60 0,59 0,57 0,56 0,50

cos(ɸ) Rede 0,62 0,61 0,59 0,58 0,56 0,50

P (W) 109,44 112,17 114,99 118,08 121,26 141,27

S (VA) 177,97 186,87 196,16 206,24 216,92 285,15


8,69 8,54 8,37 8,19 8 6,92


9,35 9,02 8,72 8,42 8,15 6,92


0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01


0,05 0,04 0 0 0 0,01

Temperatura (K)

1185,49 1191,35 1196,81 1202,42 1207,66 1233,83

Tabela 22 – Valores caracterizantes do funcionamento do regulador com uma lâmpada de alta pressão de sódio