As Lampadas compactas e as fluorescentes são as que mais geram harmônicas, vejam estudos:

Danos das lâmpadas Fluorescentes Danos das lâmpadas Fluorescentes

Estudo feito por: Eduardo da Costa Sousa 

 

O aumento do consumo no Brasil aparte com problemas de abastecimento de energia elétrica na década de 90, durante um período de más condições hidrológicas causou uma preocupação e instou uma pesquisa sobre formas de redução de consumo. A qualidade de energia não era uma prioridade, cargas não eram tão sensíveis, nem os processos existentes exigiam tanto na qualidade do fornecimento de energia elétrica. A preocupação sobre a qualidade do abastecimento de energia aumentou, principalmente no setor industrial, com o aumento da concorrência nos mercados nacionais e no exterior. A qualidade e a quantidade da produção tornaram-se um item para distinguir o lucro. Desta forma, a qualidade do fornecimento de energia e a continuidade das linhas de produção tornaram-se mais importantes. Este trabalho pretende mostrar resultados de um estudo da teoria sobre lâmpadas fluorescentes compactas com reator integrado, e algumas consequências da sua utilização generalizada.

 

A cidade de Los Angeles - EUA - PADRONIZAM AS LÂMPADAS DE INDUÇÃO PARA ILUMINAÇÃO PÚBLICA, e um dos motivos principais é a baixa distorção harmonica. 

Sobre as harmonicas: o reator da lâmpada de Indução tem um alto valor tecnológico por isso que não apresenta esta interferência, ao contrário das lâmpadas incandescentes são principalmente as fluorescentes e compactas as grandes causadoras deste tipo de problema.

 

Desde a sua introdução no mercado consumidor em 1938, as lâmpadas fluorescentes, são conhecidas pela confiabilidade nos quesitos que mais tocam o consumidor final: luminosidade e economia. Estas qualidades caracterizaram um afronte à tecnologia dominante na época, as lâmpadas incandescentes, usadas desde 1879.

Assim, devido à crescente demanda por lâmpadas, à introdução de modelos compactos, à fabricação em larga escala e consequente redução de custo unitário, as lâmpadas fluorescentes vêm gradativamente substituindo as ineficientes lâmpadas incandescentes. As lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) destacamse neste sentido, uma vez que podem ser diretamente conectadas ao soquete tipo E-27. No Brasil, o uso deste tipo de lâmpada foi amplamente intensificado e incentivado durante a crise energética de 2002.

No tocante à eficiência energética, fica evidente a superioridade das lâmpadas fluorescentes quando comparadas com as lâmpadas incandescentes. Entretanto, quando se observam os efeitos das lâmpadas fluorescentes sobre a qualidade da energia elétrica do sistema onde elas são empregadas, verifica-se certo comprometimento, devido ao surgimento de distorções indesejadas na rede. Estas distorções são compostas de frequências múltiplas ou submúltiplas da fundamental (60 [Hz]), e são conhecidas como harmônicas.

O efeito resultante da soma desses sinais dá origem ao fenômeno da distorção harmônica, que pode ser fonte de diversos inconvenientes, como queima de motores, por exemplo. É evidente que a qualidade da energia elétrica fornecida pelas concessionárias pode ser questionada em situações em que estes níveis são elevados. Um suprimento de energia elétrica com níveis consideráveis de distorção pode comprometer o funcionamento de equipamentos eletrônicos. O controle das distorções harmônicas é, portanto, objetivo tanto das concessionárias de energia elétrica quanto de seus clientes.

Há tempos, a qualidade da energia elétrica preocupa. Muito tem sido feito para identificar distorções de cargas não lineares industriais e minimizar os seus efeitos sobre os sistemas elétricos. Entretanto, a literatura técnica tem atentado pouco para as distorções das cargas não lineares presentes no setor residencial e comercial.

Até alguns anos atrás, essa insuficiente preocupação da literatura técnica fazia algum sentido, pois as maiores cargas, principalmente do setor residencial, eram de aquecimento e iluminação (através de lâmpadas incandescentes), que apresentam um comportamento linear. Com o aumento do uso de cargas não lineares (lâmpadas fluorescentes compactas, computadores, televisores, carregadores de bateria e outros), nas residências e comércios, espera-se que a geração de correntes harmônicas nesses setores torne-se expressiva quando comparada à geração das mesmas correntes no setor industrial, contribuindo sobremaneira para a distorção não linear total do sistema elétrico e, consequentemente, para a depreciação da qualidade da energia elétrica.

Para diagnosticar as harmônicas presentes na rede, faz-se necessário conhecer as origens das distorções. Por conseguinte, com o avanço do estudo da geração de harmônicas, verificou-se que as lâmpadas fluorescentes são, em parte, responsáveis pela introdução dessa distorção indesejada nas redes de distribuição de energia elétrica.

As lâmpadas fluorescentes compactas têm como principais vantagens o baixo consumo de energia e a longa vida útil. Suas principais desvantagens são o baixo fator de potência e a alta distorção harmônica. Como as concessionárias de energia e seus consumidores vêm mostrando uma maior preocupação, de um lado, com a redução do consumo de energia e, de outro, com a qualidade da energia fornecida, misturam-se sentimentos antagônicos em relação às LFC’s.

O objetivo deste trabalho é avaliar as distorções na forma de onda da corrente das lâmpadas fluorescentes compactas. Para tanto, são analisados fator de potência, forma de onda da tensão, forma de onda da corrente, distorção harmônica total, potência ativa consumida e quantidade de iluminamento.

1 2. Distorções Harmônicas na Rede Elétrica

2.1. Distorções da Forma de Onda

Distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime permanente na frequência fundamental, da forma de onda puramente senoidal, caracterizada principalmente pelo conteúdo do espectro harmônico.

Existem cinco tipos principais de distorções da forma de onda: Nível C;

Harmônicas;

Inter-harmônicas;

Notching;

Ruído.

A presença de uma tensão ou corrente contínua em um sistema de alimentação alternada é denominada de nível C. Isso pode ocorrer como resultado de uma perturbação geomagnética ou assimetria dos conversores eletrônicos de potência. A presença de corrente contínua em redes de corrente alternada pode ter um efeito prejudicial ao induzir o núcleo dos transformadores, fazendo com que saturem mesmo em operação normal. Isso causa o aquecimento e a redução da vida útil do transformador. A figura 1 apresenta uma forma de onda distorcida na presença de um nível C.

Figura 1 - Forma de onda distorcida na presença de um nível C.

Harmônicas são tensões ou correntes senoidais de frequências que são múltiplos inteiros da frequência com que o sistema de abastecimento é projetado para funcionar (chamada de frequência fundamental; normalmente 50 ou 60 [Hz]). Ondas distorcidas periodicamente podem ser decompostas em uma soma da frequência fundamental com as harmônicas. A distorção harmônica origina-se nas características não lineares de dispositivos e cargas presentes no sistema elétrico. Os níveis de distorção harmônica são descritos pelo espectro harmônico completo com magnitudes e ângulos de fase de cada componente harmônico individual. Também é comum o uso de uma quantidade única, a distorção harmônica total como medida do valor eficaz da distorção harmônica. O artigo Std. IEEE 519-1992 fornece diretrizes para controle dos níveis de distorção harmônica de corrente e tensão em circuitos de distribuição e transmissão. A figura 2 apresenta uma forma de onda distorcida na presença de distorção harmônica:

Figura 2 - Forma de onda distorcida na presença de componentes harmônicas.

Tensões ou correntes com componentes de frequência que não são múltiplos inteiros da frequência com que o sistema de abastecimento é projetado para operar são chamadas de inter-harmônicas. Elas podem aparecer como frequências discretas ou como um espectro de banda larga. As inter-harmônicas podem ser encontradas em redes de todas as classes de tensão. As principais fontes de distorção inter-harmônica são os conversores estáticos de frequência, ciclo conversores, fornos de indução e dispositivos a arco. As inter-harmônicas são geralmente o resultado da conversão de frequência, muitas vezes não são constantes, mas variam com a carga. Distorções desta natureza causam cintilação luminosa em lâmpadas fluorescentes e telas de computadores, tal efeito é conhecido

Tensão Instantânea

Tempo[s] Amplitude [V] como flicker. A figura 3 demonstra uma onda distorcida na presença de interharmônicas:

Figura 3 - Forma de onda distorcida na presença de componentes inter-harmônicas.

Notching é uma perturbação periódica de tensão causada pelo funcionamento normal dos dispositivos eletrônicos de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Desde que o notching ocorra continuamente, pode ser caracterizado através do espectro harmônico da tensão afetada. As componentes de frequência associadas a esta distorção podem ser bastante elevadas e são dificilmente caracterizadas com equipamentos de medição normalmente utilizados para a análise harmônica. Notching ocorre quando a corrente comuta de uma fase para outra. Durante este período, há um curto-circuito momentâneo entre duas fases, puxando a tensão para valores próximos de zero, conforme permitido pela impedância do sistema. A figura 4 demonstra uma forma de onda distorcida na presença de notching:

Figura 4 - Forma de onda distorcida na presença de notching.

Tensão Instantânea

Tempo[s] Amplitude [V]

O ruído é definido como sinais elétricos indesejáveis contendo uma larga faixa espectral e frequências inferiores a 200 [kHz] sobrepostas ao sistema de alimentação. Ruídos em sistemas de potência podem ser causados por dispositivos eletrônicos de potência, circuitos de controle, equipamentos a arco, cargas com retificadores de estado sólido e fontes chaveadas. Basicamente, o ruído é constituído de qualquer distorção indesejável do sinal de potência que não pode ser classificada como distorção harmônica ou transitória. Distorções oriundas de ruídos perturbam dispositivos eletrônicos, como microcomputadores e controladores programáveis. O problema pode ser atenuado com o uso de filtros e transformadores de isolamento. A figura 5 apresenta uma forma de onda distorcida na presença de ruído:

Figura 5 - Forma de onda distorcida na presença de ruído.

2.2. Distorções Harmônicas

Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental. As distorções harmônicas vêm contra os objetivos da qualidade do suprimento promovido por uma concessionária de energia elétrica, que deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e frequência constantes. Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores que causam deformações no sistema supridor, prejudica não apenas o consumidor responsável pelo distúrbio, mas também outros conectados à mesma rede elétrica.

No passado não havia maiores preocupações com as distorções harmônicas.

Cargas com características não lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmônicas. Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência e com a utilização de métodos que buscam o uso mais racional da energia elétrica, o conteúdo harmônico presente nos sistemas tem-se elevado, causando uma série de efeitos indesejáveis em diversos equipamentos, comprometendo a qualidade e o próprio uso racional da energia elétrica.

Assim é de grande importância citar aqui os vários tipos de cargas elétricas com características não lineares que têm sido implantadas em grande quantidade no sistema elétrico brasileiro:

Circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga;

Fornos a arco;

Compensador estático do tipo reator saturado;

Motores de corrente contínua controlados por retificadores;

Motores de indução controlados por inversores com comutação forçada;

Processos de eletrólise através de retificadores não controlados;

Motores síncronos controlados por ciclo conversores;

Fornos de indução de alta frequência;

Cargas de aquecimento controladas por tiristores;

Computadores;

Eletrodomésticos com fontes chaveadas;

Lâmpadas fluorescentes compactas.

As distorções harmônicas causam muitos prejuízos às plantas industriais. De maior importância é a perda de produtividade e de vendas devido às paradas da linha de produção causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos ou fontes.

Segue uma relação mais detalhada destes prejuízos: Capacitores: queima de fusíveis e redução da vida útil;

Motores: redução da vida útil e impossibilidade de atingir potência máxima;

Fusíveis/Disjuntores: operações indevidas e componentes danificados;

Transformadores: aumento das perdas, causando redução da vida útil;

Medidores: possibilidade de medições errôneas e de maiores contas;

Telefones: interferências;

Máquinas síncronas: sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores;

Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido às múltiplas passagens por zero e falha na comutação de circuitos;

Carregamento exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam muitos aparelhos eletrônicos e possuem malhas de terra mal projetadas.

Um dos principais problemas causados por harmônicas, no entanto, se dá junto aos bancos de capacitores, que podem originar condições de ressonância, caracterizando uma sobretensão nos terminais das unidades capacitivas. Em decorrência desta sobretensão tem-se uma degradação do isolamento das unidades capacitivas, e em casos extremos, uma completa danificação dos capacitores. Além disso, consumidores conectados no mesmo ponto ficam submetidos a tensões perigosas, mesmo não sendo portadores de cargas poluidoras em suas instalações. Mesmo sem uma condição de ressonância, um capacitor é sempre um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas e sempre estará sujeito à sobrecarga e ao aquecimento excessivo, reduzindo assim a sua vida útil.

2.3. Fatores de Distorção Harmônica

O valor eficaz de uma forma de onda distorcida, por exemplo, de corrente, é dado pela expressão (1):

√ (1)

: valor eficaz da corrente;
 , , , , e : valores eficazes da componente fundamental e dos

Sendo: harmônicos nas diversas frequências múltiplas da fundamental.

A forma mais usual de exprimir o conteúdo harmônico de uma onda é através da distorção harmônica total (THD). Este índice, normalmente em valor percentual, é calculado pela expressão (2):

: Distorção Harmônica Total de Corrente;

Sendo: : ordem harmônica;

: valor eficaz da componente harmônica da corrente de ordem h; : valor eficaz da componente fundamental da corrente.

A mesma formulação é utilizada para a tensão, obtendo-se a expressão (3):

: Distorção Harmônica Total de Tensão;

Sendo: : ordem harmônica;

: valor eficaz da componente harmônica da tensão de ordem h; : valor eficaz da componente fundamental da tensão.

Caso seja necessário determinar a distorção individual provocada por uma componente harmônica específica, as expressões (4) e (5) são usadas:

: distorção harmônica de tensão da componente de ordem h;
: distorção harmônica de corrente da componente de ordem h.

Onde:

Para a rede básica de energia, o Operador Nacional do Sistema (ONS) estabelece desde 2002 parâmetros de qualidade para a tensão suprida. Mas, do ponto de vista do consumidor, as restrições a serem consideradas são, na imensa maioria, as do sistema de distribuição, as quais ainda estão em discussão.

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), através do documento

“Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica”, propõe valores para a distorção harmônica da tensão no sistema de distribuição.

2.4. Conceitos de Potência com Cargas Não Lineares

Com a introdução das cargas não lineares no sistema elétrico, não cabe mais falar apenas em potência ativa (P) e reativa (Q). Assim, quando da existência de componentes harmônicas, uma terceira parcela de potência que não produz trabalho irá aparecer. Esta parcela tem sido denominada de potência de distorção (D).

Em um sistema elétrico trifásico com cargas lineares, tem sido utilizada a expressão (6) que relaciona a potência aparente (S), a potência ativa e reativa:

(6)

Porém, em se tratando de cargas não lineares, a potência de distorção passa a existir e a expressão (7) deve ser utilizada:

(7)

Essa nova situação pode ser visualizada através do chamado tetraedro de potências, que leva em consideração a presença da potência de distorção, sendo assim uma representação espacial, conforme visto na figura 6:

Figura 6 - Tetraedro de potências.

2.5. Fator de Potência

O fator de potência tem sido historicamente abordado como sendo a eficiência em se realizar um trabalho, com uma potência ativa, a partir de certa ocupação do sistema elétrico traduzida como potência aparente.

O fator de potência (FP) é universalmente conhecido pela expressão (8):

Para um sistema elétrico com cargas lineares, o fator de potência coincide com o (onde é o ângulo entre tensão e corrente), quando pode ser então denominado fator de potência de deslocamento ( ) ou, simplesmente, fator de deslocamento.

No caso do sistema possuir cargas não lineares, a expressão para o fator de potência continua sendo dada pela expressão (8), porém, a potência aparente a ser utilizada é aquela calculada pela expressão (7), contemplando a potência de distorção. Assim, conforme mostra a figura 6, têm-se agora as seguintes expressões:

: fator de potência de deslocamento;

Onde:

: fator de distorção; : fator de potência verdadeiro.

De forma geral, o fator de deslocamento é um componente do fator de potência e representa a razão entre a potência ativa e a potência aparente da fundamental, o que coincide com o cosseno do ângulo entre as fundamentais de corrente e tensão. Cabe, entretanto ressaltar que, se houver componentes harmônicas de corrente e tensão de mesma ordem, o ângulo não será necessariamente o ângulo entre as fundamentais.

A atual regulamentação brasileira do fator de potência estabelece que o mínimo fator de potência das unidades consumidoras alimentadas em baixa tensão é de 0,92. Conforme foi visto anteriormente, as componentes harmônicas da corrente também contribuem para o aumento da corrente eficaz, de modo que elevam a potência aparente sem produzir potência ativa. Assim, uma correta medição do fator de potência deve levar em conta a distorção da corrente, e não apenas a componente reativa (na frequência fundamental), o que não ocorre em grande parte dos medidores, embora os aparelhos digitais tenham condição de fazê-lo, mesmo com algum grau de erro.

21 3. Lâmpadas Fluorescentes Compactas – Estado da Arte

3.1. As Lâmpadas no Mercado

As lâmpadas utilizadas na iluminação são classificadas de acordo com o seu mecanismo básico de produção de luz. São elas: a) Lâmpadas incandescentes: seu princípio de funcionamento baseia-se na emissão de luz pela incandescência de um filamento superaquecido através da passagem de uma corrente elétrica. Em temperaturas mais elevadas, os átomos são excitados e passa a existir a emissão de luz na faixa visível quando estes decaem para um estado de menor energia. Portanto, o filamento de uma lâmpada incandescente deve ser projetado para que a sua temperatura alcance a incandescência e a porcentagem da radiação emitida na faixa do espectro visível. A figura 7 ilustra o esquema de uma lâmpada incandescente convencional.

Figura 7 - Lâmpada incandescente convencional.

b) Lâmpadas à descarga: uma lâmpada à descarga apresenta um invólucro translúcido, conhecido como tubo de descarga, em cujas extremidades existem eletrodos, que podem ser hastes metálicas ou filamentos, cuja função é emitir elétrons quando aquecidos. No interior do tubo, existe uma mistura de gases com vapor ou vapores metálicos a uma dada pressão. Ao se aplicar uma diferença de potencial externa, os elétrons emitidos pelo eletrodo negativo são acelerados em direção ao eletrodo positivo, colidindo no caminho, com átomos do vapor metálico. Colisões elásticas provocam aumento de temperatura sem quebrar a estabilidade do átomo, ao passo que as inelásticas provocam sua ionização. O decaimento do átomo para o seu estado de menor energia é acompanhado da emissão de radiação. A luz emitida pelas lâmpadas à descarga apresenta, em geral, uma distribuição espectral discreta, contendo as raias características dos átomos que compõem o vapor metálico. A figura 8 mostra alguns exemplos de lâmpadas à descarga de baixa pressão.

Figura 8 - Lâmpadas à descarga de baixa pressão.

3.2. Lâmpadas Fluorescentes Tubulares

Uma vez que o princípio de funcionamento das LFC’s é o mesmo da lâmpada fluorescente tubular (LFT), será descrevido o funcionamento básico e as principais características desta última, de modo a esclarecer os conceitos que nos serão necessários no decorrer do trabalho.

A LFT é uma lâmpada à descarga de baixa pressão, na qual a luz é predominantemente produzida por pós fluorescentes ativados pela energia ultravioleta da descarga. A lâmpada, geralmente em forma de bulbo tubular longo, com um eletrodo em cada extremidade, contém vapor de mercúrio sob baixa pressão, com uma pequena quantidade de gás inerte para facilitar a partida. Quando a lâmpada é ligada, a passagem de corrente elétrica através dos filamentos causa o aquecimento dos mesmos e a liberação de elétrons. Esses elétrons se movimentam de um eletrodo para o outro em altíssima velocidade, estabelecendo uma descarga elétrica (arco) no vapor de mercúrio. Esta descarga emite quase que totalmente radiação ultravioleta (invisível ao olho humano) que por sua vez, será convertida em luz visível pelo pó fluorescente ou pó de fósforo que reveste a superfície interna do bulbo. É a composição deste pó fluorescente que determina a qualidade e a quantidade de luz, as alternativas de cor e a eficiência na reprodução de cores.

Os eletrodos são constituídos de um filamento de tungstênio espiralado revestido com material emissivo de elétrons. A figura 9 ilustra a produção de luz visível em uma lâmpada fluorescente:

Figura 9 - Produção de luz visível em uma lâmpada fluorescente tubular.

3.3. Lâmpadas Fluorescentes de Última Geração

A grande evolução das lâmpadas fluorescentes ao longo dos anos tem ficado por conta da redução do diâmetro dos bulbos. Quanto menor for o bulbo, maior a possibilidade de aproveitamento óptico dos refletores, pois haverá maior área livre para reflexão, permitindo melhor eficiência das luminárias. Além disso, o menor diâmetro torna maior a probabilidade de colisões entre elétrons livres e os átomos de mercúrio e diminui a corrente elétrica da lâmpada.

Outro fato importante foi, para alguns tipos de lâmpadas, a substituição do fósforo comum, com eficiência luminosa de até 70 [lm/W] pelo trifósforo, elevando-a para até 100 [lm/W].

Esta nova geração de lâmpadas fluorescentes tem sua melhor eficiência traduzida por um menor consumo. Computando as reduções de potência da lâmpada, perdas no reator e nas luminárias, pode-se chegar a uma economia de aproximadamente 30%, em relação às lâmpadas tradicionais.

3.4. Reatores Eletromagnéticos

Os reatores eletromagnéticos fazem parte da primeira geração de reatores. São constituídos por um núcleo de aço silício (com baixas perdas) e bobinas de fio de cobre esmaltado, impregnados com resina de poliéster e com carga mineral, tendo grande poder de isolamento e dissipação térmica. A figura 10 apresenta alguns modelos de reatores eletromagnéticos:

Figura 10 - Modelos de reatores eletromagnéticos.

Conhecidos como reatores “pesados”, são divididos em duas categorias por princípio de funcionamento:

Partida convencional: precisam de um “starter” para o acendimento da lâmpada. Indicados para locais úmidos, de baixa temperatura ou sem condições de aterramento;

Partida rápida: não há a necessidade de “starter” e a lâmpada acende rapidamente (desde que associada ao uso de uma luminária de chapa metálica devidamente aterrada). Nesse tipo, os filamentos são aquecidos constantemente pelo reator, o que facilita o acendimento da lâmpada em curto espaço de tempo. Indicados para ambientes agressivos como, por exemplo, locais onde se faz galvanoplastia.

Há divergências quanto ao futuro dos reatores eletromagnéticos. Alguns fabricantes acreditam que acabarão sendo definitivamente substituídos, pois a tecnologia dos reatores eletrônicos está em plena evolução e conquista cada vez mais espaço. Há fabricantes, entretanto que afirmam que ainda há o que evoluir na tecnologia eletromagnética, mas reatores deste tipo ainda serão largamente consumidos por um bom tempo. Defendem que a família dos reatores eletrônicos está limitada industrialmente à potência de 150 [W] e se restringe, na maioria dos casos, à iluminação interna. O serviço pesado fica por conta dos reatores eletromagnéticos que, além de atenderem a todos as potências (até 3500 [W]), são extremamente resistentes, tanto a intempéries atmosféricas quanto às oscilações da rede elétrica, com vida útil superior a 20 anos. Esta é uma das razões pelas quais em lâmpadas à descarga de alta pressão, como as de vapor de mercúrio ou sódio, são normalmente utilizados reatores do tipo eletromagnético.

3.5. Reatores Eletrônicos

Os reatores eletrônicos são aqueles constituídos por componentes eletrônicos (capacitores, indutores, resistores, circuitos integrados e outros). Operam em alta frequência (de 20 [kHz] a 50 [kHz]), proporcionando economia de energia, pois os reatores eletrônicos têm menores perdas elétricas, comparados com os reatores eletromagnéticos. A figura 1 ilustra um exemplo de reator eletrônico presente no mercado:

Figura 1 - Modelo de reator eletrônico.

Presentes no mercado desde meados dos anos 80 são o que há de mais moderno em termos de reatores para lâmpadas à descarga. No Brasil, a empresa Begli iniciou o desenvolvimento de reatores eletrônicos nacionais para lâmpadas fluorescentes, de forma pioneira, em 1985.

Conhecidos como reatores “leves”, os eletrônicos apresentam inúmeras vantagens em relação aos eletromagnéticos, entre as quais:

São mais compactos;

Mais leves;

Consomem menos energia;

Aumentam a vida útil das lâmpadas;

Eliminam efeitos estroboscópicos;

São mais eficazes;

Apresentam versões diferenciadas de acendimento;

Proporcionam uma luz com cor mais estável.

Quanto ao acendimento da lâmpada, podem ser:

Partida rápida ou programada: o acendimento controla eletronicamente o sistema de pré-aquecimento dos filamentos da lâmpada. O reator gera uma pequena tensão em cada filamento e, em seguida, uma tensão de circuito aberto surge entre os extremos da lâmpada. O tempo entre a energização do reator e o acendimento das lâmpadas fluorescentes ocorre em torno de 1 a 2,5 segundos.

Partida instantânea: nesse sistema não há o pré-aquecimento dos filamentos. O reator gera diretamente a tensão de circuito aberto para o acendimento instantâneo das lâmpadas fluorescentes.

Independente do tipo de partida, o reator deve assegurar as características necessárias para o correto funcionamento da lâmpada, sem comprometer sua vida útil. Suas principais características são:

Alto fator de potência (os de qualidade superior);

Alta frequência (elimina o efeito estroboscópico e o de cintilação);

Baixa carga térmica, que resulta em economia de energia;

Aumento da vida útil da lâmpada em 50%;

Possibilidade de dimerização e utilização de sistemas inteligentes, com redução no consumo de energia de até 70% em comparação com os eletromagnéticos.

Tais características dependem, entretanto, da qualidade de projeto e fabricação do produto. O fato de o reator ser eletrônico, não significa, necessariamente, que corresponderá a todas as vantagens que se espera de um modelo desta tecnologia.

Por serem equipamentos eletrônicos de alta frequência, podem causar interferências que vão desde ruídos no rádio ou estremecimento de imagem da televisão, até o colapso de sistema de computadores, comunicação, segurança, monitores hospitalares, entre inúmeros outros, caso não possuam filtros contra estas interferências.

Os reatores eletrônicos de baixa performance são conhecidos como “acendedores eletrônico”, porque acendem a lâmpada única e exclusivamente, espalhando sujeira (tecnicamente chamada de componentes harmônicas) na corrente elétrica. Normalmente são de menor custo, de baixo fator de potência e reduzem a vida útil da lâmpada em 50%. Nessa linha mais barata de reatores existem alguns que até são de alto fator de potência, o que não deve ser confundido com alta performance. Os reatores eletrônicos de alta performance possuem alto fator de potência, filtros harmônicos e proteções contra sobretensão, sobrecorrente e condições anormais.

Uma enorme vantagem dos reatores eletrônicos é poderem ser dimerizáveis em uma ampla faixa. Este avanço tecnológico permite o controle do nível da iluminação fluorescente, o que era impossível até então. Pode-se conseguir uma economia de energia de até 70% em relação a um sistema com os reatores eletromagnéticos. Os modelos dimerizáveis podem ser usados em conjunto com sensores de presença e de movimento, possibilitando a integração a sistemas de controle e gerenciamento inteligente.

3.6. Correção das Distorções Harmônicas e do Fator de Potência Verdadeiro para Reatores Eletrônicos

Os sistemas de iluminação que utilizam reatores eletrônicos normalmente possuem fator de potência de deslocamento alto (0,90 a 0,95), porém, devido à distorção da forma de onda da corrente, o fator de potência verdadeiro é baixo, normalmente na faixa de 0,46 a 0,57. No entanto, a flexibilidade oferecida pelos circuitos eletrônicos possibilita elaborar configurações que permitem operar o conversor eletrônico com elevado fator de potência e dimensionar o circuito de entrada de forma a limitar os harmônicos injetados na rede.

Encontram-se no mercado os reatores eletrônicos de baixo fator de potência verdadeiro (valores entre 0,46 e 0,57) e os reatores eletrônicos com alto fator de potência verdadeiro (valores de 0,9 a 0,9) sendo que estes últimos custam de 2 a 3 vezes o valor dos primeiros, variando em função do fabricante e das características de correções tais como transientes, distorção harmônica total e fator de potência verdadeiro.

No mercado brasileiro, o setor residencial, normalmente adquire o reator de baixo fator de potência, devido ao custo, ao desconhecimento técnico, bem como pelo fato de não haver taxação do consumo de energia não ativa para estes consumidores.

Existem inúmeros circuitos que executam a correção de distorção harmônica e do fator de potência verdadeiro através de componentes passivos (capacitores e indutores).

Há também a correção do fator de potência verdadeiro de forma ativa, através de conversor de reforço (Boost converter) que utiliza circuito integrado comercial com esta função específica, tais como da Motorola, Siemens, Silicon General. A correção ativa tem um custo mais elevado em relação à correção passiva.

3.7. Comparativo entre Eletromagnéticos e Eletrônicos

A principal vantagem dos reatores eletrônicos em relação aos eletromagnéticos é a economia de energia devido ao aumento da eficiência da lâmpada (alimentada em alta frequência) e do conversor/inversor (pela flexibilidade e elevada eficiência intrínseca dos circuitos eletrônicos).

A alimentação em alta frequência reduz a oscilação do fluxo luminoso na lâmpada e elimina quase por completo o efeito estroboscópico. Em alta frequência, este efeito praticamente desaparece devido à inércia do revestimento de fósforo das lâmpadas fluorescentes, que não consegue mais acompanhar as variações de excitação impostas pela frequência de operação.

Outras vantagens do reator eletrônico sobre o reator eletromagnético são a redução do efeito flicker, a redução dos ruídos audíveis, pequenas perdas, dimensões e peso reduzidos.

Dentre as desvantagens do reator eletrônico, as altas frequências de chaveamento dos transistores geram harmônicos no espectro de altas frequências que podem causar interferência em comunicação de rádios, equipamentos médicos sensíveis e computadores. Porém, a maior desvantagem do reator eletrônico é o custo, bem maior em relação ao eletromagnético.

3.8. Lâmpadas Fluorescentes Compactas

Em 1983, os dois maiores fabricantes de lâmpadas da Europa, Philips e Osram, introduziram um novo tipo de lâmpada no mercado, que se tornou a base para uma nova e bem sucedida família de novos produtos na tecnologia de iluminação: a lâmpada fluorescente compacta (LFC).

Na década que se seguiu, ocorreram muitos aperfeiçoamentos nas LFC’s, como o desenvolvimento das lâmpadas com reatores e starters integrados e os avanços nos circuitos eletrônicos de controle. Atualmente é possível encontrar LFC’s na faixa de 5 a 5 [W] e 250 a 4800 [lm] respectivamente, proporcionando um aumento nas aplicações destas lâmpadas.

As LFC’s com reatores integrados apareceram pela primeira vez em 1986, com um projeto muito compacto e bocal de rosca E-27, abrindo o caminho para a substituição das lâmpadas incandescentes.

Quatro fatores contribuíram enormemente para o atual estado da arte das LFC’s:

As características e novos desenvolvimentos das lâmpadas fluorescentes comuns;

A tecnologia dos reatores eletrônicos;

As tecnologias de iluminamento em bulbos menores e de menor diâmetro;

A miniaturização dos componentes eletrônicos.

3.9. Características Gerais das LFC’s

A LFC tem o mesmo princípio de funcionamento das lâmpadas fluorescentes tubulares, acrescentando-se a alta eficiência e longa durabilidade. Apesar de existirem LFC’s com reatores eletromagnéticos, as LFC’s, em sua grande maioria, operam com reator eletrônico que trabalha na faixa de 20 a 50 [kHz].

Atualmente as LFC’s são disponíveis com bocal E-14 e E-27 além das baionetas tipo B22, com tensões de 100 a 240 [V]. Alguns modelos podem ser operados em corrente contínua. Para a grande maioria das LFC’s não se recomenda a operação em circuitos com dimmers, timers eletrônicos e fotocélulas. Para tais aplicações, devem-se verificar com o fabricante as possibilidades.

As LFC’s apresentam excelente reprodução de cores, com índices de 85% o que garante seu uso em locais onde a fidelidade é fundamental. Apresentam ainda tonalidade de cor adequada para cada ambiente, obtida graças à tecnologia do pó trifósforo, com opções de 2700 [K] e 4000 [K], com aparência de cor mais branca, indicada para ambientes ativos onde se pretende estimular a produtividade e o consumo.

Como nas fluorescentes tubulares, as LFC’s necessitam de valores elevados de tensão para a partida da lâmpada. Isto é conseguido através de um circuito ressonante série, pois o indutor existente, que é de dimensões muito reduzidas quando comparado ao indutor do reator eletromagnético, não tem capacidade de energia suficiente para a ignição das lâmpadas. A figura 12 ilustra alguns modelos de LFC’s presentes no mercado nacional:

Figura 12 - Modelos de LFC's.

3.10. Comparativo Entre LFC’s e Lâmpadas Incandescentes

As LFC’s consomem em torno de 75% a menos de potência ativa em comparação com as lâmpadas incandescentes para um mesmo fluxo luminoso. Cabe observar que estes são valores médios, podendo existir variações para mais ou para menos de acordo com cada fabricante.

A praticidade de substituição imediata da lâmpada incandescente pela LFC conseguida pelas dimensões reduzidas e bocal de rosca E-27 é um grande diferencial a favor das LFC’s em comparação com as lâmpadas fluorescentes tubulares. Porém, o fator preponderante para a recomendação de substituição das lâmpadas incandescentes pelas LFC’s é a eficiência luminosa. Uma maior eficiência luminosa significa que, comparativamente, uma menor potência elétrica ativa é consumida pela lâmpada para produzir determinado iluminamento, liberando assim, capacidade nos sistemas de distribuição.

3.1. Normas Regulamentadoras

No Brasil, as LFC’s comercializadas apresentam altos valores de THD de corrente (acima de 100%) e baixo fator de potência verdadeiro. Um dos fatores que contribuem para isso é a falta de uma legislação mais rígida nesta questão. Por sua vez, os grandes fabricantes argumentam que, apesar de disporem da tecnologia, não implementam tal correção devido à limitação de volume, peso e, principalmente, custo.

Fora do Brasil, além das opções normais de mercado, os grandes fabricantes oferecem LFC’s com THD de corrente menores que 20% e fatores de potência verdadeiros maiores que 90%. Nos EUA, já em 1991, havia um consenso pela “ANSI Fluorescent Lamp and Ballast Committee” para lâmpadas fluorescentes tubulares de 120 [cm] e 240 [cm], que recomendava THD de corrente máximo de 32,5% e nível de 3° harmônico máximo de 27,5%.

Na Europa, as prescrições de desempenho para reatores eletrônicos, alimentados por tensão entre 100 [V] e 250 [V], nas frequências de 50 [Hz] ou 60 [Hz] e potência até 60 [W], são estabelecidas pela IEC-60969:1998 – “Self-ballasted lamps for general lighting services – performance requirements”.

No Brasil, o que existe na realidade é o PBE – Programa Brasileiro de

Etiquetagem. Um programa estabelecido pela ELETROBRAS, através do PROCEL, e que em parceria com o INMETRO, fornece um selo de qualidade e uma etiqueta de conservação de energia (ENCE). Este selo, chamado SELO PROCEL, e a etiqueta são concedidos aos equipamentos que atendem a requisitos mínimos estabelecidos e verificados em laboratório.

Em termos de fator de potência, o conjunto lâmpada-reator obtém o selo e a etiqueta se o fator de potência verdadeiro for maior ou igual a 0,5. Caso se deseje que a lâmpada contenha a indicação “Alto Fator de Potência”, este deverá ser igual ou superior a 0,92.

É importante observar que este padrão PROCEL/INMETRO é apenas sugestão, ou seja, o fabricante não é obrigado a atendê-lo para poder colocar seus produtos no mercado a menos que seja de seu interesse a obtenção da etiqueta de conservação e o selo PROCEL. De qualquer forma, não deixa de ser um avanço rumo a uma normalização, o que ocorre no Brasil sempre com um razoável atraso em relação à Europa e aos EUA.

 

3.12. Qualidade das LFC’s no Brasil

Apesar dos esforços do PROCEL/INMETRO, a falta de legislação no Brasil, sobre as LFC’s e outros equipamentos eletroeletrônicos de uso doméstico, facilita a proliferação de uma grande quantidade de equipamentos de baixa qualidade no que tange às grandezas elétricas. Isto pode ser comprovado pela proliferação de LFC’s asiáticas e de outras origens que inundam nosso mercado. Os grandes e tradicionais fabricantes ficam sem opção a não ser fornecer produtos similares para continuarem competitivos. Alguns fabricantes, inclusive de origem asiática, estão atendendo aos requisitos do PROCEL/INMETRO de forma a serem mais competitivos no mercado, pois apresentam o selo e etiqueta de qualidade, além de garantirem seus produtos por 1 ano. Outros fabricantes, que não possuem o selo PROCEL, garantem suas lâmpadas por apenas 6 meses ou até menos.

Apesar do avanço conseguido, os parâmetros exigidos pelo PROCEL/INMETRO, são ainda pouco exigentes, sendo necessária a implementação de uma normalização o mais breve possível.

Infelizmente, o brasileiro não tem o perfil de avaliar os equipamentos por outras características que não sejam o preço e o retorno imediato. Assim, ele não compara a qualidade dos produtos e, no caso das LFC’s, não tem a preocupação de verificar a durabilidade das mesmas, de forma a exigir um produto melhor e de maior vida útil.

35 4. Distorções Harmônicas Geradas por LFC’s

4.1. Formas de Onda e Espectro Harmônico

Independentemente do fabricante e da potência da lâmpada, a corrente elétrica de uma LFC típica, no mercado brasileiro, apresenta um alto índice de distorção harmônica. A figura 13 apresenta as formas de onda de tensão e corrente de uma LFC com alto THD de corrente e mostra o espectro harmônico da mesma.

Figura 13 - Formas de onda e espectro harmônico de corrente de uma LFC.

Verifica-se pelo espectro a forte presença do terceiro harmônico e de seus múltiplos, característica esta geral em muitas cargas não lineares baseadas em retificadores eletrônicos.

No Brasil inúmeras referências e catálogos de fabricantes apresentam THD de corrente alto para as LFC’s, valores estes que se situam normalmente acima de 100%. A grande maioria das lâmpadas comercializadas no Brasil nem ao menos apresenta na embalagem os valores de THD de corrente, prática comum já há muitos anos nos Estados Unidos e Europa. Como efeito direto da alta distorção de corrente, o fator de potência verdadeiro destas LFC’s fica na faixa de 0,46 a 0,57 enquanto o fator de potência de deslocamento está acima de 0,90, o que configura um maior carregamento do sistema elétrico.

4.2. Efeitos das LFC’s nos Sistemas de Potência

Neste trabalho tem-se como foco a análise dos efeitos das distorções harmônicas sobre diferentes equipamentos e dispositivos individuais em ambos os lados do sistema, de distribuição e de consumo. Este trabalho incide principalmente sobre os aspectos teóricos dos efeitos da LFC e seus principais indicadores de qualidade ao invés de práticas de medições.

Os indicadores de qualidade mais importantes e utilizados no sistema de potência são:

Distorção Harmônica Total (THD): Este fator pode ser calculado para tensão, corrente ou potência. Normalmente o THD da corrente é muito maior do que o THD da tensão para lâmpadas fluorescentes compactas, alcançando valores acima de 100%. Outros dispositivos eletrônicos também geram distorções harmônicas nos sistemas de potência. A figura 14 mostra o efeito do uso de lâmpadas fluorescentes compactas, juntamente com outros aparelhos elétricos residenciais.

Figura 14 - Efeito da LFC sobre o THDi quando usada ao lado de outros aparelhos eletrodomésticos.

pico ( da forma de onda com o seu valor médio ( em um

Fator de Crista (CF): é o indicador que mostra a relação entre o valor de determinado intervalo de tempo, como mostrado na equação (12). Este fator é especialmente importante para a análise do efeito das distorções harmônicas sobre equipamentos de proteção e controle, tais como relés.

Fator de potência: possui característica capacitiva devido ao capacitor presente no processo de retificação do reator eletrônico da LFC. Esta característica é uma vantagem em sistemas com uma elevada carga indutiva.

4.3. Efeitos das LFC’s na Distribuição

Esta seção estuda o efeito das lâmpadas fluorescentes compactas nos equipamentos de distribuição, que fornecem a energia de baixa tensão até os usuários finais e podem ser classificados com as seguintes categorias:

Transformadores: são utilizados no sistema de distribuição para alterar os níveis de tensão e corrente. Estes incluem transformadores de potência, de instrumentação e Auto-Boosters. Nos transformadores, tanto o núcleo quanto os enrolamentos são sensíveis às distorções harmônicas. A vida útil de um transformador depende das situações de funcionamento, percentual de carga e da temperatura de funcionamento. Componentes harmônicas de corrente podem aumentar o valor RMS da corrente e, consequentemente, as perdas jóulicas. As correntes harmônicas também causam a saturação do transformador. A fim de controlar o efeito das correntes harmônicas nos transformadores e motores elétricos, é recomendado não ter uma componente harmônica maior que 5% da corrente nominal do transformador.

Sistemas de transmissão: incluindo cabos de alimentação e condutores.

Devido ao efeito skin, a resistência dos condutores aumenta com o aumento da frequência. A LFC possui baixas componentes harmônicas de corrente em alta frequência, portanto a utilização de lâmpadas fluorescentes compactas tem um efeito pequeno sobre os condutores. Simulações mostram que a amplitude da corrente de uma LFC para frequências entre 1200 e 1800 [Hz] (20ª e 30ª ordem harmônica) é inferior a 1% do valor nominal.

Dispositivos eletrônicos: incluindo dispositivos de automação ou controle e os equipamentos que são utilizados para estabilizar os sistemas de energia. Como os dispositivos eletrônicos são utilizados para transmitir e receber dados, correntes de altas frequências podem causar desordem em seu funcionamento, tais como aumento do nível de ruído em sistemas de comunicação.

Sistemas de controle e proteção: tais como fusíveis, relés e disjuntores, que controlam ou protegem os sistemas de energia. Distorções harmônicas de corrente no sistema podem causar pré-aquecimento no fusível e problemas de funcionamento. Os fusíveis também podem ser afetados pelo calor resultante do efeito skin. Em disjuntores, que funcionam com base em di/dt, correntes harmônicas podem causar falhas inesperadas. Aqui, o fator de crista também é importante. Os solenoides também podem ser danificados por causa das harmônicas. Para relés as mudanças nos pontos de passagem por zero, da forma de onda da corrente e tensão, podem causar funcionamento indevido. Estes efeitos devem ser identificados através de experiências práticas.

4.4. Efeitos das LFC’s para os Consumidores

Os equipamentos do lado dos consumidores podem ser classificados em três diferentes categorias:

Máquinas elétricas: são dispositivos com característica indutiva, tais como motores e geradores. O calor gerado pelas componentes harmônicas da corrente pode causar danos aos enrolamentos da máquina, diminuindo a sua vida útil.

Dispositivos de medição: transformadores de potencial, transformadores de corrente e instrumentos eletrônicos. Como em transformadores de potência, correntes harmônicas de alta frequência podem causar a saturação precoce do núcleo do transformador e erros na medição. Dispositivos eletrônicos que trabalham com base no cruzamento por zero também são afetados pela distorção da forma de onda. Erros podem ocorrer durante o cálculo dos valores de tensão e corrente RMS. Mudanças no fator de potência e THD afetam o funcionamento dos equipamentos de medição.

Dispositivos de comunicação: a maioria dos sistemas de comunicação está equipada com filtros para reduzir o ruído gerado por componentes de alta frequência. Como as harmônicas acima de 1500 [Hz] são insignificantes em lâmpadas fluorescentes compactas, elas praticamente não afetam os sistemas de comunicação. Do mesmo modo elas não afetarão dispositivos eletrônicos do lado do consumidor. Algumas avarias em impressoras já foram relatadas. Dispositivos multimídia e televisores podem ser afetados quando utilizados na presença de harmônicas. Computadores pessoais são sensíveis a uma distorção de tensão de mais de 5%. No entanto, a utilização de dispositivos geradores de harmônicas não geram THD de tensão maior que 0,5%. Como os circuitos do reator eletrônico da LFC trabalha em 40 [kHz], eles podem afetar os dispositivos hospitalares. Também por causa do tipo de luz, a LFC não é recomendada em salas de operação.

40 5. Circuitos Típicos dos Reatores das LFC’s

5.1. Fator de Potência e Distorção Harmônica

Em um sistema linear, sem distorção, o fator de potência é determinado pela diferença de fase entre a tensão de entrada e a corrente. No entanto, o fator de potência de um dispositivo não linear, que tem uma forma de onda de corrente distorcida, é diferente.

Embora o fator de deslocamento e os níveis harmônicos sejam duas diferentes grandezas, o circuito que reduz os níveis de harmônicas geralmente também traz o fator de deslocamento mais próximo à unidade. Por esta razão, quando as pessoas falam sobre lâmpadas fluorescentes compactas de alto fator de potência, estão geralmente referindo-se às lâmpadas fluorescentes compactas com baixa distorção harmônica.

A figura 15 apresenta um diagrama de blocos típicos do reator de uma LFC disponível no mercado. O primeiro bloco contém a proteção, filtragem e componentes de limitação da corrente de pico. O bloco 2 é a ponte de diodos que realiza a retificação de onda completa convertendo a corrente alternada em corrente contínua. O bloco 3 é o capacitor de nivelamento com valor típico de 4,7 [μF] ou 10 [μF]. Ele fornece a tensão contínua de entrada do inversor para o tubo no bloco 4. O DIAC é para iniciar o inversor e o termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) para prolongar a vida útil do tubo. O PTC é dependente da temperatura com coeficiente de temperatura positivo. Quando a temperatura se eleva, a resistência do PTC aumenta. Os PTC’s são usados para prover uma rápida rajada de corrente no interior do tubo quando a LFC é ligada. O inversor normalmente opera entre 10 e 40 [kHz] e isso aparece como uma carga constante, tanto quanto um barramento de corrente contínua. Isso significa que, para investigar as correntes harmônicas na entrada de corrente alternada, apenas os três primeiros blocos precisam ser representados em pormenor, o inversor e o tubo podem ser representados por um resistor.

Figura 15 - Típico circuito de um reator eletrônico de uma LFC.

Existe uma relação entre a geração de harmônicas e o custo, e muitas vezes o tempo de vida de uma LFC. A ondulação da tensão contínua, medida pelo fator de crista (valor de pico dividido pelo RMS), influencia na vida útil do tubo. Aumentar o capacitor do filtro DC reduz a ondulação, mas aumenta o nível de distorção da corrente alternada. Alguns outros projetos de reatores também reduzem o conteúdo harmônico, mas aumentam o fator de crista. Projetos mais sofisticados visando filtrar ou reduzir o conteúdo harmônico aumentam a complexidade e, portanto, o custo da LFC. Lâmpadas fluorescentes compactas podem ser divididas em quatro categorias principais em termos de circuito do reator e sua tentativa de melhorar o fator de potência.

5.2. Sem Correção do Fator de Potência

A figura 16 mostra uma LFC simples sem nenhuma filtragem e, portanto, nada para melhorar o fator de potência. Este circuito tem níveis muito elevados de distorção harmônica da corrente, que dependem do tamanho do capacitor do filtro DC, mas é o mais barato para a fabricação.

Figura 16 - Circuito do reator de uma LFC sem correção do fator de potência.

A figura 17 apresenta a forma de onda e o espectro harmônico da corrente para uma LFC sem correção do fator de potência.

Figura 17 - THD e espectro harmônico da corrente de uma LFC sem correção do fator de potência.

5.3. Controle Passivo do Fator de Potência

Uma forma de aumentar o fator de potência e reduzir o conteúdo harmônico da corrente de entrada do reator de uma LFC é o uso de filtragem passiva. Existem muitos tipos de arranjos de filtro passivo, um dos quais é mostrado na figura 18. Obviamente, quanto mais extensa a filtragem, melhor é a onda de corrente alternada, mas maior é o custo. A vantagem da técnica de filtragem passiva é a sua simplicidade e facilidade de implementação. No entanto, o grande problema é o tamanho físico e o peso, o que a torna pouco atraente, devido à limitação de espaço e a inerente perda de potência.

Figura 18 - Circuito do reator de uma LFC com filtragem passiva.

A figura 19 apresenta a forma de onda e o espectro harmônico da corrente para uma LFC com filtro passivo.

Figura 19 - THD e espectro harmônico da corrente de uma LFC com filtro passivo.

5.4. Valley-Fill

Outra solução possível é a utilização do circuito Valley-Fill (ou equivalente), mostrado na figura 20. Neste circuito, o capacitor de filtro após o retificador é dividido em dois diferentes capacitores C1 e C2, que são carregados e descarregados alternadamente usando três diodos. No entanto, este circuito contém um grande ripple de tensão contínua, que produz flutuação de potência e fluxo luminoso da lâmpada. Como resultado, este circuito causa a redução da vida útil da lâmpada.

Figura 20 - Circuito do reator de uma LFC com filtro Valley-Fill.

Um circuito Valley-Fill melhorado é mostrado na figura 21, este acrescenta dois pequenos capacitores idênticos C3 e C4 como um dobrador de tensão. Um resistor é conectado abaixo de C2, a fim de remover os picos da corrente de carga na tensão de pico. Esta é uma forma rentável de melhorar o fator de potência bem como reduzir o nível de injeção de correntes harmônicas.

(Parte 6 de 6)

Figura 21 - Circuito do reator de uma LFC com filtro Valley-Fill melhorado.

A figura 2 apresenta a forma de onda e o espectro harmônico da corrente para uma LFC com filtro Valley-Fill.

Figura 2 - THD e espectro harmônico de uma LFC com filtro Valley-Fill.

5.5. Controle Ativo do Fator de Potência

A filtragem ativa é o método mais avançado e caro de obter um alto fator de potência em um reator eletrônico. Uma chave controlada de alta frequência é normalmente usada para corrigir o fator de potência. A figura 23 mostra um conversor ativo do tipo Boost que pode ser operado no modo de condução descontínua com frequência e ciclo de trabalho constante para obtenção de um fator de potência próximo da unidade. Circuitos integrados específicos são fabricados para o controle da chave nesses reatores com controle ativo do fator de potência.

Figura 23 - Circuito do reator de uma LFC com controle ativo do fator de potência.

A figura 24 apresenta a forma de onda e o espectro harmônico da corrente para uma LFC com controle ativo do fator de potência.

Figura 24 - THD e espectro harmônico de uma LFC com controle ativo do fator de potência.

46 6. Considerações Finais

Conforme visto as lâmpadas fluorescentes compactas podem ter um impacto enorme na economia de energia. Contudo, o uso em massa das lâmpadas fluorescentes compactas em sistemas de energia deve ser cuidadosamente planejado, a fim de evitar qualquer efeito negativo inesperado sobre os outros equipamentos do sistema. Portanto, cuidados e cálculos extras são necessários nos sistemas de energia para o uso seguro das lâmpadas fluorescentes compactas. Aparelhos eletrônicos são afetados pela distorção harmônica e podem precisar de filtros protetores ou ser substituídos por outros mais avançados.

Quando o objetivo a ser atingido é a eficiência energética e a qualidade de energia elétrica em sistemas de iluminação com lâmpadas fluorescentes, há de ser levado em conta o desempenho do conjunto lâmpada-reator.

As políticas de incentivo à substituição de lâmpadas são de muita importância para a redução do gasto de energia no mundo todo. Poupar é importante também pelo aspecto de preservação da natureza. Porém é importante salientar que o problema das harmônicas também é preocupante. Assim, é de grande importância a avaliação das distorções harmônicas na implantação de políticas públicas de conservação de energia, onde a certificação das lâmpadas pode ter um papel fundamental com a verificação dos níveis de distúrbios causados.

47 7. Referências Bibliográficas

DUGAN, R.C.; MCGRANAGHAN, M.F.; SANTOSO, S.; BEATY, H.W. Electrical Power Systems Quality. Second Edition. EUA: Ed. McGraw-Hill, 2003.

JABBAR, R.A.; AL-DABBAGH, M.; MUHAMMAD, A.; KHAWAJA, R.H.; ARIF, M.R. Impact of Compact Fluorescent Lamp on Power Quality. IN: Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC'08), 2008.

JAHANIKIA, A.H.; ABBASPOUR, M. Studying the Effects of Using Compact Fluorescent Lamps in Power Systems. IN: 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2010.

RICHARD, M.K.; SEN, P.K. Compact Fluorescent Lamps and Their Effect on Power Quality and Application Guidelines. IN: Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), 2010.

WEI, Z.; WATSON, N.R.; FRATER, L.P. Modelling of Compact Fluorescent Lamps. IN: 13th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2008.

YONG, J.; CHEN, L.; NASSIF, A.B.; XU, W. A Frequency-Domain Harmonic Model for Compact Fluorescent Lamps. IEEE Transactions on Power Delivery, v. 25, n. 2, p. 1182-1189, Apr. 2010.

Estudo feito por: Eduardo da Costa Sousa

 

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Última modificação em Sexta, 12 Abril 2013 14:01
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