Análise e Projeto da Topologia Integrada Sepic Meia Ponte com Controle de Fluxo Luminoso para o Acionamento de Lâmpadas Fluorescentes sem Eletrodos

Marcelo F. da Silva; Jeferson Fraytag; Marson E. Schlittler; Tiago B. Marchesan; J. Marcos Alonso; Ricardo N. do Prado

doi:10.18618/REP.2012.4.717729

Authors

Marcelo F. da Silva Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL
Jeferson Fraytag Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL
Marson E. Schlittler Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL
Tiago B. Marchesan Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL
J. Marcos Alonso Universidad de Oviedo, DIEECS - Tecnología Electrónica - ESPANHA
Ricardo N. do Prado Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2012.4.717729

Keywords:

fator de potência, Lâmpada Fluorescente Sem Eletrodos, Técnica de Integração

Abstract

Este artigo apresenta um reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes sem eletrodos (LFSE), no qual se elucidam as questões de projeto e desenvolvimento. O reator é destinado à alimentação de uma LFSE de 100 W em 250 kHz, com a possibilidade de controle da intensidade luminosa. A topologia proposta compõe-se por um conversor SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter), empregado como estágio pré-regulador de fator de potência (PFP), integrado a um inversor meia ponte (Half-Bridge) ressonante, utilizado como estágio de controle de potência (CP). A integração entre os dois estágios, acima descritos, é proposta neste trabalho, com o principal intuito de reduzir o número de interruptores ativos, aumentando, assim, a confiabilidade do reator eletrônico proposto. Resultados experimentais ratificam a viabilidade da solução proposta, a qual atingiu-se uma faixa de controle de potência de aproximadamente 54% (100 W até 46 W). A topologia implementada possui elevado fator de potência (0,989) associado a uma baixa distorção harmônica de corrente (THD) (14,929%), sem o emprego de filtros de entrada adicionais para supressão da interferência eletromagnética (IEM). O rendimento experimental da topologia é de 87%, na potência nominal da lâmpada.

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Author Biographies

Marcelo F. da Silva, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL

nascido em 23/07/1970 em São Paulo-SP é engenheiro eletricista (1995), mestre (1999), doutorando e professor na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Realizou seu estágio doutoral na Universidade Oviedo, Espanha. Suas áreas de interesse são: conversores de potência, modelamento e controle de sistemas de iluminação, e novas topologias de conversores.

Jeferson Fraytag, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL

nascido em 02/04/1990 em Coronel Bicaco-RS, graduando em engenheira elétrica pela UFSM. Trabalha como bolsista pesquisador junto ao grupo DRE. Suas áreas de interesse são: integração e controle de conversores e sistemas de acionamento de lâmpadas. Atualmente é membro estudante da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência.

Marson E. Schlittler, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL

nascido em 08/06/1990 em Santa Cruz do Sul-RS, graduando em engenheira elétrica pela UFSM. Realizou estágio junto ao Fraunhofer Institute, em 2012. Atualmente trabalha como bolsista pesquisador junto ao grupo GEDRE. Suas áreas de interesse são: conversores de alta frequência e sistemas para o acionamento de lâmpadas.

Tiago B. Marchesan, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL

graduação em Engenharia Elétrica pela UFSM (2003) e doutorado em Engenharia Elétrica (2007) na área de Processamento de Energia pela mesma Universidade. Realizou seu doutorado com estágio na Universidad de Oviedo, Espanha. Atualmente, é Professor Adjunto do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria no Rio Grande do Sul. Já atuou como pesquisador da WEG T&D (Weg Transformadores), professor do curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS) e da Universidade do Noroeste do Estado do RS (UNIJUI). Atua, principalmente, seguintes áreas: Transformadores de Potência, nas Simulações em Elementos Finitos e Fontes Chaveadas.

J. Marcos Alonso, Universidad de Oviedo, DIEECS - Tecnología Electrónica - ESPANHA

nascido em Gijón, Espanha, possui graduação em Engenharia Industrial e Doutorado pela Universidade de Oviedo, Espanha, em 1990 e 1994, respectivamente. De 1990 a 1994 trabalhou como Professor Assistente no Departamento de Eletrônica da Universidade de Oviedo. De 1997 a 2007 foi Professor Associado no mesmo departamento, onde desde 2007 é Professor Catedrático. Alonso é coautor de mais de 250 artigos publicados em congressos e jornais internacionais. Prof. Alonso foi premiado pelo governo espanhol no Programa de Intensificação de Atividades de Pesquisa, no período de 2008-2012. Também recebeu o prêmio intitulado Early Career Award, da IEEE Industrial Electronics Society em 2006. Seus interesses incluem: reatores eletrônicos, modelagem de lâmpadas de descarga, conversores eletrônicos para aplicações eletrostáticas e geração de ozônio, topologias para correção do fator de potência.

Ricardo N. do Prado, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM - GEDRE - BRASIL

nascido em Itapiranga-SC em 1961. Graduação em Engenharia Elétrica pela UFSM (1984). Mestrado e Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em 1987 e 1993, respectivamente. De 1987 a 1992 trabalhou como Professor Assistente na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é Professor Associado junto ao Departamento de Processamento de Energia Elétrica da UFSM. Em 1997 fundou 0 grupo GEDRE. De 2005 a 2006 realizou estágio pós-doutoral junto ao Fraunhofer Institute, Alemanha. É autor de mais de 200 artigos técnicos publicados em congressos nacionais e internacionais e revistas. Seus tópicos de interesse incluem: conversores estáticos, lâmpadas de descarga de alta e baixa pressão, eficiência luminosa, reatores eletrônicos, LEDs como fontes de luz e correção do fator de potência. Dr. Prado é membro fundador da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, membro da Sociedade Brasileira de Automática e de várias sociedades da IEEE. Também é revisor da Revista Eletrônica de Potência, Revista Brasileira de Automática e de várias revistas da IEEE.

References

R. R., Verderber; O. C., Morse; F. M., Rubinstein; "Performance of electronic ballast and controls with 34 and 40 Watt F40 fluorescent lamps" IEEE Trans. on Industry Applications, vol.25, pp.1049-1059, Nov. 1989. https://doi.org/10.1109/28.44241 DOI: https://doi.org/10.1109/28.44241

National Resources Canada. "Commercial and Institutional Retrofits Technical Information Fluorescent Lamp And Ballast Options", Out. 2002.

R. N., do Prado; S. A, Bonaldo; M. C., Moreira; D. L. R., Vidor; "Electronic ballast with a high power factor for fluorescent lamps", Power Electronics Specialists Conference, PESC 96 Record, 27th Annual IEEE, vol.2, pp.1215-1220, Jun. 1996.

Osram Sylvania. "Quicktronic PowersenseTM 15 Dimming". Digital Catalog: Electronic T5 Fluorescent Controllable Lighting Systems, pp. 4.04. Jan. 2011

Philips. "Philips Q. Induction Lighting Systems", Digital Catalog p.3. Information for Original Equipment Manufacturers, Jul 2007.

C. S., Moo, T. F., Lin; Y. C., Hsieh; "Single-stage high power factor electronic ballast for fluorescent lamps with constant power operation". Electric Power Applications, IEEE Proceedings, Set. 2001.

J. E., Piper; "Operations and Maintenance Manual for Energy Management", Published ME Sharpe, ISBN 0765600501, 9780765600509, 2009.

V., Godyak, & J. Shaffer; "Endura: A new high output electrodeless fluorescent light source". Institute for Low Temperature Plasma Physics Greifswald Proc 8th Int. Symp. On Light Sources, pp. 14-23 Fev. 1998.

Endura, Osram. "The high performance electrodeless fluorescent lamp Quicktronic intelligent". Digital Catalog, p. 102, Nov. 2005.

Portaria INMETRO 267/2009; "Reatores Eletrônicos Alimentados em Corrente Alternada para Lâmpadas Fluorescentes Tubulares Retilíneas, Circulares e Compactas". Instituto Nacional de Metrologia. Normalização e Qualidade Industrial, 2009.

IEC 61000-3-2. "Limits for harmonic current emissions Part 3-4: Limits" International Standards, International Electrotechnical Commission, Ed. 3, 2005.

C. M., Wang: "A Novel Single-Stage High-Power- Factor Electronic Ballast With Symmetrical Half- Bridge Topology Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.55, no.2, pp.969-972, Fev. 2008. https://doi.org/10.1109/TIE.2007.896556 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2007.896556

J. P., de Lopes; M. F., da Silva; M. A., Dalla Costa; F. E, Bisogno, R. N. do Prado; A. R. Seidel, *Feedforward Regulation Method for Self-Oscillating Electronic Ballast for Fluorescent Lamps" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.59, no.4, pp.1869-1878, Abril 2012. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2151819 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2151819

D. Lin; W., Yan; Hui, S.Y.R.; "Modeling of Dimmable Fluorescent Lamp Including the Tube Temperature Effects" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.58, no.9, pp.4145-4152, 2011. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2100333 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2100333

J. C. W., Lam, J. C. Y, Hui; P. K, Jain; "A Dimmable High Power Factor Single-Switch Electronic Ballast for Compact Fluorescent Lamps With Incandescent Phase- Cut Dimmers" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.59, no.4, pp. 1879-1888, 2012. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2141096 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2141096

A., Avestruz; J. J., Cooley; D., Vickery; J., Paris, Leeb, S. B.; "Dimmable Solid State Ballast With Integral Capacitive Occupancy Sensor" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.59, pp. 1739-1750, 2012. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2161057 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2161057

TE, Jang, H. J. Kim; "Dimming Control Characteristics of Electrodeless Fluorescent Lamps" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.56, no. 1, pp.93-100, Jan, 2009, https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2009577 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2009577

ANSI C82.11. "American National Standard For Lamp Ballast Ballast". Supplements, 2002.

F., Rubinstein; Siminovitch, M.; Verderber, R. "Fifty percent energy savings with automatic lighting High Frequency Fluorescent Lamp controls". IEEE Transactions on Industry Applications, vol.29, pp. 768-773, Ago. 1993. https://doi.org/10.1109/28.231992 DOI: https://doi.org/10.1109/28.231992

T. B., Marchesan, M. A., Dalla Costa, M. A.; Alonso, J. M.; Prado, R. N.; "Integrated zeta-flyback electronic ballast to supply high-intensity discharge lamps", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, n. 5, pp. 2918-2921, Mar. 2007. https://doi.org/10.1109/TIE.2007.899937 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2007.899937

T. F., Wu, Y.-C.; Su, Z.-Y. "Design consideration for single-stage electronic ballast with dimming feature". Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 37, pp. 1537-1543, Set. 2001 https://doi.org/10.1109/28.952532 DOI: https://doi.org/10.1109/28.952532

H. A. C., Braga; M. C. B., Rodrigues; Pinto, D. P.; Abreu, R.A.; Rosemback, R.H.; Fracetti, P.; Vicente, F.I.; "Degradação da Qualidade de Reatores Eletromagnéticos de Lâmpadas de Descarga", 9th IEEE/LAS International Conference on Industry Applications, São Paulo. IEEE Induscon Proceedings. São Paulo: IEEE - Seção Sul Brasil/USP, 2010.

N. R., Chagas; Da Silva, M.F. Schlittler, M.E Fraytag, J.; Do Prado, R.N.; Bisogno, F.E *Electrodeless fluorescent lamps model operated at high frequency". Industrial Electronics (ISIE), 2011 IEEE International Symposium on, pp.245 250, Jun 2011. https://doi.org/10.1109/ISIE.2011.5984165 DOI: https://doi.org/10.1109/ISIE.2011.5984165

E., Static: Tanach, V. "Investigation of the electrical discharge parameters in electrodeless inductive lamps with a re-entrant coupler and magnetic core" Plasma Sources Sci. Technology, pp. 465-473, Mai 2006. https://doi.org/10.1088/0963-0252/15/3/023 DOI: https://doi.org/10.1088/0963-0252/15/3/023

J.-C., Hsieh; Lin, J.; "Novel single-stage self-oscillating dimmable electronic ballast with high power factor correction" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.58, no. 1, pp.250 262, Jan, 2011. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2017104 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2017104

TF., Wu Chen, Y.-K. "A systematic and unified approach to modeling PWM DCDC converters based on the graft scheme". Industrial Electronics Control, and Instrumentation. IEEE IECON 22nd International Conference on, vol. 2, pp. 1041-1046, Ago, 1996.

T-F., Wu Te-Hung Ye "Unified approach to developing single-stage power converters," Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, vol.34, no.1, pp.211 223, Jan., 1998. https://doi.org/10.1109/7.640279 DOI: https://doi.org/10.1109/7.640279

X. U., Xiaojun; Huang, A.Q. "A novel closed loop interleaving strategy of multiphase critical mode boost PFC converters Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2008. Twenty-Third Annual IEEE, Fev., 2008. https://doi.org/10.1109/APEC.2008.4522849 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2008.4522849

P. W., Tam, Stephen T. S. Lee, S. Y. Ron Hui, Henry S. H. Chung.; "Practical evaluation of dimming control methods for electronic ballasts". IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 21, pp. 1769 1775, Nov. 2006. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.882914 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.882914

G., D.; Alonso, J. M.: Garcia, J.; Campa, L.; Crespo, M.J.; Rico-Secades, M.; "PWM Series Dimming for Slow-Dynamics HPF LED Drivers: the High-Frequency Approach", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 59, no.4, pp. 1717-1727, 2012 https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2130503 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2130503

J. M. Alonso, M.A. Dalla Costa, J. Cardesin, J. Garcia. "Magnetic dimming of electronic ballast". IEEE Electronics Letters 9th, vol. 41, no.12, Jun. 2005. https://doi.org/10.1049/el:20058340 DOI: https://doi.org/10.1049/el:20058340

R.-L. Lin, Y.-T. Chem. "Phase-locked-loop-control- based electronic ballast for fluorescent lamps". IEE Proceedings Electronics Power Application, vol. 152, n3, pp. 669-676, Mai 2005. https://doi.org/10.1049/ip-epa:20045199 DOI: https://doi.org/10.1049/ip-epa:20045199

Y. N. Chang, Ching C. Lin, Shun Y. Chan, Shian N. Lin, Hung L. Cheng "A Novel design of U-shaped CCFL in T8 tube to replace traditional fluorescent lamp". IEEE 6th Conference on Industrial Electronics and Applications, pp. 1834-1939, 2011. https://doi.org/10.1109/ICIEA.2011.5975890 DOI: https://doi.org/10.1109/ICIEA.2011.5975890

S. Y. Ron Hui, Leung Ming Lee, Henry Shu Hung Chung, Y. K. Ho. "An electronic ballast with wide dimming range, high PF, and low EMI", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 16, n.4, pp. 465-472, Jul. 2001 https://doi.org/10.1109/63.931047 DOI: https://doi.org/10.1109/63.931047

A. R., Seidel, Bisogno, F.E.; Pappis, D.; Do Prado, R.N.; "Automatic luminous control for self-oscillating electronic ballast". Industry Applications Conference. 38th IAS Annual Meeting, Conference Record of the, vol. 2, pp. 773-778, 12-16 Out. 2003.

F. T., Wakabayashi; Canesin, C.A., "An improved design procedure for LCC resonant filter of dimmable electronic ballasts for fluorescent lamps, based on lamp model", Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 20, no. 5, pp. 1186-1196, Set. 2005. https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.854058 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.854058

J. M., Alonso; J. Calleja, F. J. Ferrero, E. Lopez, J. Ribas, M. Rico Secades, "Single-stage constant-wattage high power factor electronic ballast with dimming capability" in Proc. IEEE Power Electron. Specialist Conference, vol. 2, pp. 1330-1336, Mai 1998.

D. S. L. Simonetti; Sebastian, J.; Uceda, J.; "The discontinuous conduction mode SEPIC and Cuk power factor preregulators: analysis and design" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.44, no.5, pp.630-637, Out 1997. https://doi.org/10.1109/41.633459 DOI: https://doi.org/10.1109/41.633459

K., de Gussemé, David M. Van de Sype, Alex P. M. Van den Bossche. Jan A. Melkebeck "laput current distortion of CCM boost PFC converters operated in DCM" Industrial Electronics, IEEE Transactions an vol.54, 2, pp.858-865, Ahr. 2007. https://doi.org/10.1109/TIE.2007.892252 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2007.892252

M. F., Silva; N. B. Chagas, M. E. Schlitler, J. Fraytag, Tiago B. Marchesan, Fabio E. Bisogno, J. Marcos Alonso, Ricardo N. do Prado "Modelo Elétrico Equivalente para Limpadas Fluorescentes sem Eletrodos de Indução", Eletrônica de Potência, vol.17, à 1, pp.429 438, Dez 2011 - Fev 2012. https://doi.org/10.18618/REP.2012.1.429438 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2012.1.429438