Este documento descreve uma patente para um reator eletrônico de estágio único para lâmpadas de alta intensidade de descarga (HID) de 70W. O reator usa um circuito de fator de potência corrigido (PFC) combinado com controle de corrente alternada (IACQ) para fornecer potência constante à lâmpada de forma eficiente e com baixa distorção harmônica total. O projeto visa reduzir o volume e aumentar a eficiência em comparação com reatores convencionais, melhorando o desempen

1. Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Elétrica
Reator Eletrônico para Lâmpadas de
Alta Intensidade de Descarga
Patente Nº 123456
Início:01/10/2006
Previsão do término:01/10/2010
Requerentes: André Luiz Fuerback, M. Sc.
Arnaldo José Perin, Dr. Ing.
Instituto de Eletrônica de Potência

2. Reatores – Prós e Contras
Reatores Reatores
Convencionais Eletrônicos
Volume ↑ Volume ↓
Eficiência ↓ Eficiência ↑
Robustez ↑ Custo ↑
Custo ↓ ∆Po cte
Sensível ∆Vin ↑ Lâmpada Sens ∆Vin ↓
HID–MH Correção
Ressonância
∆Po Dimmerização
Ressonância
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3. Objetivo
Construção de uma estrutura de estágio único
para o acionamento de Lâmpadas de Vapor
Metálico(MH) de 70W.
Estudo das características
elétricas das lâmpadas HID─MH;
Levantamento das estruturas já
utilizadas;
Determinação da técnica de
acionamento mais adequada;
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4. Lâmpada HID ─ MH?
Vapor Hg
(1-20atm)
I
Tubo de Descarga + → MH Br
Aditivos
Sílica ou Cerâmico
(0.01–0.1atm)
Cl
20W ≤ PO ≤ 1.8kW
Maior Densidade Espectro Eletromagnético
[W/cm3]
Tipo de Eficiência Temp. de Vida Útil
Lâmpada [Lm/W] IRC cor [K] [h]
Incandescente 10 – 15 100 2500 1000
Fluorescente 55 – 85 65 – 85 4000 – 5000 7500
Halógena 25 – 45 100 2900 – 3100 4000
Sódio 80 – 140 20 – 25 1900 – 2100 30000
Mercúrio 45 – 60 40 – 48 3900 – 4500 20000
Metálico 75 – 100 70 – 90 3000 – 6000 20000
Elevados
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5. Lâmpada HID ─ MH! Resistor?
Precisão
C He,MH
V Lo σ r He,MH
I Lo
P irr
∆T ºC (r) ∆σ r (r)
Modelo Incremental Modelo do Plasma
R eq C,P r ,R L
ro Ressonânica
HF
R Los −
ZL (s) = τ R eq Acústica ∆r?
s+1
τ LF
T ºC (r)
Plasma P Lum R(r) I L ,V L
Simplicidade PL
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6. Ressonância acústica! Como evitar?
Evitando-se as oscilações de potência do
arco
CC → Cataforese
∆σr T
E
“Separação dos Gases”
Eletrodo
Reignição
C
∆TºC
RA
∆Po + LF
“Senoidal”
O
S
C
Deformação
∆RL Arco
AC Z L →R L
Perturbações
Destrutivas HF
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7. Potência Constante! CC+AC?
• Controle Linear (corrente CC);
• “–∆RL” → Oscilações na transição;
∆I L
• Maximizar ── → ∆P < 5% ∆I L
o
∆t ──
∆t
Ressonância em Largo Espectro
dI L
-----
dt
7

8. Estruturas PFC + CC + IACQ
↓ Volume
Eficiência↑
THD
∆I L
──
∆t
Dois Estágios ─ Aprox. Inicial
THD
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9. Estrutura Estágio Único PFC+IACQ
“Linear” Inversão
Ressonante Baixa Freqüência
50 < f inv <
fo → fs f o << 700
fs
Corrente
Entrada
f fund = 2f s
Corrente
Saída
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10. PFC “Linear” - Projeto
• Devido ao MCD de I Lf a corrente
de entrada é função de P O ;
Vp PO
• α = ▬▬ → 1 reduz-se a THD;
VO
• I SWT = I Bal + I Lf e há a comutação
fo = fs/6
forçada do interruptor
Corrente Média ▬ TINV ativo
 β2  π 
⋅  + atan 
1   − β ⋅ π − 1
ψ 1( α , D) α − ( 2⋅ D − 1) ⋅ D ⋅ 
2
  
 2 2  2  2 
 β −1   β − 1  
 θ2  π 
⋅  + atan 
1   − θ ⋅ π − 1
ψ 2( α , D) α + ( 2⋅ D − 1) ⋅ ( 1 − D) ⋅ 
2
  
 2 2  2  2 
 θ −1   θ − 1  
θ ( α , D) :=
2 Corrente Média Normalizada
α + ( 2⋅ D − 1)
VB
2
Ion ( ψ 1 + ψ 2) Io
2⋅ π⋅ fs ⋅ Lf
β ( α , D) :=
α − ( 2⋅ D − 1)
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11. PFC “Ressonante” - Projeto
• A elevação de f o permite a
redução
dos elementos passivos de
entrada; PO(α,D) ?
Vp
• α = ▬▬ → 1 reduz-se a THD;
VO
• I SWT = I Bal + I Lf e há a comutação
fo = fs/1.3
forçada do interruptor ativo
Solução Analítica?
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12. Referências
Cataforese
oFischer E. “Axial Segregation of additives in mercury-metal-halide
arcs”. Journal of Applied Physics, Vol 47,Nº 7, 1976;
oLee A. Cross, Robert K. Willis, Loren L. Funk, M. Cem Gokay “Cataphoretic
distributions in metal-halide-He discharges”. Journal of Applied Physics,
Vol. 47, Nº 6, Jun 1976;
Modelos
oBem-Yaakov, Sam “Modeling the High-Frequency Behavior of a
Fluorescent Lamp”. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 45, Nº 6,
Dec 1998;
oJohn F. Waymouth “Metal Halide Lamps”. Proceedings of the IEEE, Vol 59, Nº
4, April 1971;
Alimentação Onda Quadrada
oChing R. Lee, Kuan H. Chen, Chin S. Moo “Operanting Characteristics of Small-
Wattage Metal Halide Lamps with Square Wave Current from 50Hz to
50kHz”. IAC, 2003, 38th IAS Annual Meeting, Vol 2, Oct 2003;
oWarren P. Moskowitz, Joseph A. Olsen “Method for Measuring Ripple Generated by
na HID Ballast”. 10th Int. Symposium Science & Techn. Light Sources, Tolouse, July 2004.
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