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Lâmpadas fluorescentes e distorções harmônicas: eficiência energética e qualidade de energia

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Edição 49, Fevereiro de 2010

Por Benedito A. Luciano, Francisco Paulo F. de Sousa, Igor S. M. Torres e Tarso V. Ferreira

Lâmpadas fluorescentes e distorções harmônicas: eficiência energética e qualidade de energia

Estudo sobre as formas de onda de lâmpadas fluorescentes compactas com reatores eletrônicos, tomando como referências lâmpadas incandescentes

Desde sua introdução no mercado consumidor, em 1938, as lâmpadas fluorescentes são conhecidas pela confiabilidade nos quesitos que mais tocam ao 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, a introdução de modelos compactos, a fabricação em larga escala e a consequente redução de custo unitário, as lâmpadas fluorescentes vêm gradativamente substituindo as ineficientes lâmpadas incandescentes. As lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) destacam-se neste sentido, uma vez que podem ser diretamente conectadas a soquetes tipo E-27. No Brasil, o uso deste tipo de lâmpada foi amplamente intensificado e incentivado durante a crise energética de 2001.

 

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 em que 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 harmônicos.

 

A soma dos harmônicos apresenta-se nas ondas de corrente e tensão como distorções. Sua presença nos sistemas elétricos pode causar diversos inconvenientes, como queima de motores e mau funcionamento de equipamentos eletrônicos sensíveis, por exemplo. Apesar de não existirem normas brasileiras acerca dos níveis de harmônicos permitidos em sistemas de distribuição, é evidente que a qualidade da energia elétrica fornecida pelas concessionárias pode ser questionada em situações em que estes níveis são elevados. O controle das distorções harmônicas é, portanto, objetivo tanto das concessionárias de energia elétrica quanto de seus clientes.

 

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

 

O objetivo deste trabalho é avaliar as distorções na forma de onda de corrente de lâmpadas fluorescentes de diferentes tecnologias e fabricantes. Para tanto, são analisados fator de potência, forma de onda de tensão, forma de onda de corrente, distorção harmônica total (DHT), potência ativa consumida e quantidade de iluminamento.

 

Lâmpadas fluorescentes e incandescentes

As lâmpadas fluorescentes tubulares (LFT) são compostas por um tubo de vidro revestido de material a base de fósforo, preenchido com gás à baixa pressão. Para proporcionar seu funcionamento correto, as LFT requerem o emprego de alguns acessórios, como starter e reator. Existem ainda as LFC que apesar de apresentarem um custo um pouco mais elevado que as LFT se mostram mais adequadas para uso doméstico devido às suas dimensões reduzidas e à facilidade de instalação.

 

O processo de funcionamento, tanto nas LFT quanto nas LFC, baseia-se em descargas elétricas bruscas para a ionização do gás, formação do arco no ambiente gasoso e excitação do fósforo. Todavia, enquanto naquelas o acionamento depende do reator e do starter, nestas geram-se as descargas a partir de circuitos eletrônicos. As LFT também podem utilizar reatores eletrônicos, amplamente empregados atualmente. Na Figura 1, é apresentada uma visão do circuito interno de uma LFC.

Figura 1 – Circuito interno de uma LFC 15 W

 

As lâmpadas incandescentes, por sua vez, consistem de um filamento de tungstênio envolvido em uma mistura de gases inertes dentro de um bulbo de vidro. Na lâmpada incandescente (LI), a energia luminosa é obtida pela emissão de radiação de seu filamento, que é levado à incandescência devido à elevação de sua temperatura, causada pela passagem da corrente elétrica. Por não necessitar de equipamento auxiliar para o seu funcionamento, a LI pode ser conectada diretamente à rede de distribuição de energia elétrica, desde que submetida ao nível de tensão para o qual foi projetada.

 

As LI, quando em regime térmico permanente, apresentam-se como uma resistência linear e constante. Dessa maneira, a forma de onda da corrente que nelas se estabelece é a mesma da tensão imposta. Com isso, o fator de potência de uma LI é sempre unitário, o que raramente acontece com as LFT, devido à presença do reator (fortemente indutivo). Essa propriedade das LI pode ser vista como uma vantagem sobre as LFT.

 

As principais características das LI são: baixa eficiência luminosa, de 10 lm/W a 12 lm/W; vida média muito curta, em torno de 1.000 horas; acendimento e reacendimento instantâneos; baixa resistência a choques mecânicos e vibrações.

 

De maneira geral, lâmpadas florescentes, mesmo as tubulares com reatores eletrônicos ou as compactas, possuem baixo fator de potência. Muitos fabricantes atestam que seus produtos possuem fator de potência próximo da unidade, mas esta propriedade refere-se a fator de potência como sendo apenas a defasagem entre as formas de onda de corrente e tensão. As distorções harmônicas de corrente inseridas no sistema devido aos chaveamentos dos circuitos eletrônicos não são abordadas nas embalagens.

 

Assim sendo, as LFC causam distorções na forma de onda da corrente na rede, o que, em baixos níveis, poderia não caracterizar um problema. No entanto, em níveis mais elevados, a circulação dessa corrente em elementos resistivos originará tensões que, somadas à fundamental, provocarão distorções na tensão fornecida. Esta situação pode se caracterizar quando há um grande número de LFC na instalação elétrica considerada.

 

Harmônicos e distorções harmônicas

Idealmente, a forma de onda de tensão fornecida pela concessionária aos seus consumidores é uma senóide, cuja frequência, dita frequência fundamental, vale 60 Hz. Os harmônicos são componentes senoidais de frequências múltiplas da frequência fundamental. Os inter-harmônicos são componentes senoidais, cujas frequências não são múltiplas da fundamental. Tanto os harmônicos como os inter-harmônicos são causados por elementos não lineares do sistema elétrico. Por elementos não lineares, entendem-se as cargas em que a relação entre os valores de tensão e de corrente não é linear, ou seja, não obedecem à lei de Ohm.

 

Na Figura 2 (d), pode-se observar como componentes harmônicos adicionam-se à forma de onda fundamental - Figura 2 (a) - distorcendo-a. Na Figura 2 (b), é apresentada a componente de quinto harmônico (300 Hz), e na Figura 2 (c) a componente de sétimo harmônico (420 Hz).

Figura 2 – Influência das distorções harmônicas

(a) Componente fundamental (60 Hz); (b) Quinto harmônico (300 Hz); (c) Sétimo harmônico (420 Hz); (d) Resultante da soma da componente fundamental com as harmônicas

 

Retificadores de tensão, conversores, inversores e equipamentos utilizados em plantas industriais são exemplos de equipamentos que drenam da rede elétrica correntes não lineares com elevado conteúdo harmônico. Além destes, geradores e transformadores da própria concessionária podem incorrer no mesmo problema. As cargas residenciais também podem gerar um nível significativo de harmônicos. Apesar de individualmente possuírem potências nominais baixas, o número de cargas residenciais é muito alto, e seus efeitos somados podem ser relevantes.

 

Em máquinas elétricas rotativas de corrente alternada, o maior efeito dos harmônicos é o aumento do aquecimento devido às maiores perdas no circuito magnético e no circuito elétrico, reduzindo, assim, sua eficiência e o torque disponível. Além disso, tem-se um possível aumento do ruído audível, quando comparado com uma alimentação senoidal. Em transformadores, assim como nas máquinas elétricas rotativas, componentes harmônicos na tensão aumentam as perdas do circuito magnético, enquanto harmônicos na corrente elevam as perdas no circuito elétrico. A elevação das perdas nos condutores elétricos deve-se, principalmente, ao efeito pelicular, que implica uma redução da área efetivamente condutora à medida que se eleva a frequência da corrente.

 

Segundo a publicação Power Electronics Handbook, de M. H. Rashid, uma forma de mensurar o grau de distorção harmônica é mediante o cálculo da Distorção Harmônica Total (DHT), definido como:

 

Em que os subscritos (1, 2, ..., n) indicam a ordem do harmônico e as incógnitas Vi representam os valores de tensão de pico para cada harmônica, sendo V1 a tensão de pico nominal.

 

Material e métodos

Material

Cinco modelos diferentes de lâmpadas foram avaliados durante os ensaios. Dentre eles, lâmpadas fluorescentes compactas, fluorescentes tubulares e uma lâmpada incandescente. Esta última foi tomada como referência. Uma breve descrição destes modelos é apresentada na Tabela 1.

 

Tabela 1 – Lâmpadas utilizadas

Métodos

As medições foram realizadas em uma bancada didática para medidas elétricas e fez-se uso de parte de seu instrumental, a saber, amperímetro, voltímetro, wattímetro e medidor de fator de potência, conforme apresentado na Figura 3. Os instrumentos da bancada serviram apenas como referência durante a realização dos ensaios, dado que não são true RMS. As informações utilizadas para pós?processamento e resultados foram registradas com auxílio de um osciloscópio TDS 2014, com taxa de amostragem de 1 Gs/s, juntamente com uma ponta de prova amperimétrica, com alcance entre 50 mA e 100 A e resposta de frequência de DC a 1 kHZ.

 

Para cada um dos arranjos de lâmpadas empregados foram registrados os valores instantâneos de potência, fator de potência, e iluminamento a um metro de distância. Foram registradas também as formas de onda de tensão e corrente. De posse destas informações, efetuou-se o cálculo da DHT das formas de onda, a eficiência luminosa a um metro e o percentual de perdas, segundo as equações (1), (2) e (3), respectivamente.

 

Para a medição do nível de iluminamento foi empregado um luxímetro posicionado a um metro da fonte luminosa, perpendicularmente ao plano no qual a lâmpada estava instalada.

 

Após a preparação das amostras a serem empregadas no experimento, as lâmpadas foram instaladas na bancada e submetidas à sua tensão nominal de operação (220 V). É importante salientar que a tensão de alimentação do laboratório já continha uma DHT de 4,7%.

 

Figura 3 – Bancada utilizada nas medições


Resultados

Os resultados das medições para a LI são apresentados na Tabela 2.

 

As formas de onda de tensão e corrente relativas a essa lâmpada podem ser observadas na Figura 4.

 

Tabela 2 – Resultados coletados – LI

Figura 4 – Formas de onda de corrente e tensão – LI

 

Como esperado, a LI de 60 W apresentou fator de potência unitário, DHT de tensão e corrente de 4,7%, advindos da tensão aplicada. Sendo o sinal de tensão aplicado o mesmo para todos os dispositivos, a DHT da tensão se repete para os demais casos. Ainda como esperado, a eficiência luminosa da LI foi baixa.

 

Na Tabela 3 são apresentados os resultados das medições realizadas com a LFC de 15 W de fabricante tradicional. A forma de onda de corrente e da tensão aplicada para esta LFC é exibida na Figura 5.

 

Tabela 3 – LFC de fabricante tradicional


Figura 5 – Formas de onda de corrente e tensão – LFC de fabricante tradicional

 

Apesar de a potência demandada pela LFC ser um quarto da potência demandada pela LI, e da sua eficiência ser 5,5 vezes maior, é claramente perceptível o baixo fator de potência e a forte distorção harmônica de corrente inserida. Além disso, 13,33% da potência consumida pela lâmpada representam perdas.

 

Na Tabela 4 são apresentados os valores das medidas realizadas com a LFC de 15 W de fabricante pouco conhecido. A forma de onda de corrente e da tensão aplicada para esta lâmpada é exibida na Figura 6.

 

Tabela 4 – LFC de fabricante pouco conhecido


Figura 6 – Formas de onda de corrente e tensão – LFC de fabricante pouco conhecido

 

Para as LFT, os ensaios foram realizados com reator indutivo e starter, bem como com reator eletrônico de partida rápida e alto fator de potência. No caso da LFT com reator indutivo e starter, os valores das medições são apresentados na Tabela 5. As formas de onda de tensão e corrente para este arranjo são apresentadas na Figura 7.

 

Tabela 5 – LFT com reator indutivo e starter



Figura 7 – Formas de onda de corrente e tensão – LFT com reator indutivo e starter

 

Os resultados da Tabela 5 apresentam uma DHT de corrente relativamente baixa quando comparada a das LFC. No entanto, a eficiência luminosa foi inferior a das LFC e o percentual de perdas foi maior. Este alto percentual de perdas pode ser atribuído ao reator indutivo, que apresenta perdas ôhmicas e magnéticas. Além disso, pode-se observar uma corrente de quase 1 A, que também pode ser atribuída à demanda do reator indutivo por reativos.

 

Os resultados para a LFT com reator eletrônico de partida rápida e alto fator de potência podem ser observados na Tabela 6. Suas formas de onda de tensão e corrente são apresentadas na Figura 8.

 

Tabela 6 – LFT com reator eletrônico de partida rápida e alto fator de potência



Figura 8 – Formas de onda de corrente e tensão – LFT com reator eletrônico de partida rápida e alto fator de potência

 

Conforme esperado, a instalação do reator eletrônico de partida rápida e alto fator de potência compensou o fator de potência do conjunto. Todavia, os níveis de harmônicos novamente se elevaram. A ausência das características fortemente indutivas no circuito reduziu a demanda de corrente, mas ainda assim as perdas foram da ordem de um quarto.

 

Conclusões

De acordo com os estudos experimentais apresentados neste trabalho, pode-se constatar que a marca de lâmpadas fluorescentes compactas não demonstrou significativo diferencial para os dados aqui coletados.

 

Entretanto, verificou-se que esse tipo de lâmpada causa significativa distorção harmônica de corrente, uma vez que sua forma de onda apresenta o maior nível de harmônicas em relação à onda de tensão fornecida.

 

A diferença entre as DHT causadas pelas LFC do fabricante tradicional e do fabricante pouco conhecido foi mínima, o que pode ser esperado, uma vez que a legislação vigente não limita estes níveis.

 

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

 

Referências

* M. D. Teixeira et al. Análise do impacto de lâmpadas fluorescentes compactas na rede de distribuição; VII SBQEE – 2005.

 

* R. Barbosa et al., Manual de iluminação pública eficiente. Rio de Janeiro: IBAN- DUMA/ELETROBRÁS-PROCEL, 1988.

 

* R. R. Verderber; O. C. Morse; W. R. Alling, “Harmonics from compact fluorescent lamps”, Industry Applications, IEEE Transactions on, v. 29, Issue 3, May-June 1993 Page(s):670 – 674.

 

* R. Arseneau; M. Ouellette. “The Effects of Supply Harmonics on the Performance of Compact Fluorescent Lamps”, IEEE Trans. Power Delivery, v. 8, n. 2, April 1993, p. 473-479.

 

* F. F. Costa. Estimação de Harmônicos e Inter-Harmônicos em Sistemas Elétricos. Tese de Doutorado, UFCG, setembro 2005.

 

* J. A. Pomilio. Efeitos e Causas de Harmônicas no Sistema de Energia Elétrica – Parte II. O Setor Elétrico. São Paulo, p. 22 - 24, 15 nov. 2006.

 

* M. H. Rashid. Power Electronics Handbook; Academic Press Series in Engineering – 2001.

 

BENEDITO ANTONIO LUCIANO é engenheiro eletricista, mestre e doutor em engenharia elétrica pela Universidade Federal de Campina Grande – UFCG (antiga Universidade Federal da Paraíba – UFPB). Atuou como professor pesquisador visitante na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e, desde 1977, é professor dos cursos de graduação e de pós-graduação em engenharia elétrica da Universidade Federal de Campina Grande.

 

FRANCISCO P. F. SOUSA é técnico em telecomunicações e graduando do curso de engenharia elétrica da UFCG.

 

IGOR DE S. M. TORRES é graduando do curso de engenharia elétrica da Universidade Federal de Campina Grande. Também é aluno de iniciação científica e bolsista do Laboratório de Alta Tensão.

 

TARSO V. FERREIRA é bacharel e mestre em engenharia elétrica. Atualmente é doutorando na UFCG, onde também assumiu o cargo de professor substituto desde 2008.

 

Este trabalho foi originalmente apresentado durante a oitava edição da Conferência Brasileira sobre Qualidade de Energia Elétrica (VIII CBQEE), realizada entre os dias 2 e 5 de agosto de 2009 em Blumenau (SC).

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