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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA

DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

EM ENGENHARIA ELÉTRICA


ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE ALTA PRESSÃO

DE VAPOR METÁLICO COM SISTEMA DE

ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA

Dissertação submetida à

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

como parte dos requisitos para a

obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica


Marcelo Toss

Porto Alegre, Dezembro 2004



ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE ALTA PRESSÃO

DE VAPOR METÁLICO COM SISTEMA DE

ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA
MARCELO TOSS
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

_____________________________________

Fernando Soares dos Reis, Dr. Ing.

Orientador

_____________________________________

Ricardo N. Prado, Dr. Eng.

_____________________________________

Vicente Mariano Canalli, Dr. Ing.



Dedico este trabalho:


Ao meu pai, Aldo Toss, referência de vida pessoal pela honestidade, seriedade e perseverança.

A minha mãe, Odete Catarina Zanotto Toss, pelo amor e apoio sempre presente em minha vida.

A minha noiva, Sâmua Elisa Georg, pelo incondicional companheirismo, incentivo e compreensão.




Agradecimentos

À Deus por guiar o meu caminho e conceder a força necessária para a superação de mais uma etapa.

Ao Prof. Fernando Soares dos Reis pela orientação, incentivo e revisão deste trabalho.

A todos os demais professores do PPGEE em especial os professores Fausto Bastos Líbano e Vicente Mariano Canalli pela seriedade que conduziram os seus trabalhos, contribuindo para a solidez de minha formação.

Ao colega Anderson Soares dos Santos, companheiro desta caminhada e antes de tudo um amigo.

Agradeço ao Gerson Teixeira pelo apoio, conselhos e principalmente pelo exemplo de luta incansável em busca dos objetivos.

À INTRAL S.A. pelo incentivo, apoio e confiança depositados na minha pessoa e no meu trabalho.

Agradeço a todos os colegas da Engenharia de Produto da Intral S.A e do LEPUC, pelo companheirismo e agradável convivência .

À Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, em especial ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica PPGEE, por proporcionarem a oportunidade de realização deste trabalho.

A todos os funcionários do PPGEE que sempre se mostraram prestativos, auxiliando minha caminhada.

À minha família, meu pai Aldo e minha mãe Odete Catarina, pelo conforto nas horas difíceis, incentivo e dedicação que tiveram durante estes anos da minha vida.

Às minhas irmãs, Daniela e Vanessa, pelo torcida e pensamento positivo.

À minha noiva Sâmua, pelo amor , carinho e compreensão pelas horas que fiquei ausente.

Agradeço a todas pessoas que, de uma forma ou de outra, dedicaram seu tempo e disposição para ajudar e assim contribuíram para o sucesso deste trabalho.

Resumo da Dissertação apresentada a PUCRS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE ALTA PRESSÃO

DE VAPOR METÁLICO COM SISTEMA DE

ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA
Marcelo Toss

Dezembro 2004


Orientador: Fernando Soares dos Reis, Doutor.

Linha de Pesquisa: Eletrônica Industrial, Automação e Controle.

Palavras-chaves: Reator Eletrônico, Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão, Ressonância Acústica e Eletrônica de Potência.

Número de Páginas: 117.


RESUMO: O presente trabalho apresenta a análise, projeto e implementação de um reator eletrônico de alta freqüência para lâmpada de vapor metálico com sistema de eliminação de ressonância acústica. Atualmente as lâmpadas de vapor metálico vêm atraindo muita atenção, por que oferecem alta eficácia e excelente propriedade de cor. O trabalho inicia com uma revisão bibliográfica que apresenta os diversos métodos propostos para eliminação do fenômeno chamado de ressonância acústica porque o maior desafio para o desenvolvimento de um reator eletrônico confiável para lâmpadas de vapor metálico é superar a ressonância acústica. O trabalho também apresenta um método de projeto de reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão utilizando o filtro ressonante LC série L paralelo. Extensivos experimentos utilizando reatores eletrônicos foram realizados com lâmpadas de vapor metálico de 70W das principais marcas comercializadas no mercado brasileiro com o objetivo de determinar um método para eliminar a ressonância acústica que abrangesse todas as marcas testadas. Após a determinação do método, um reator protótipo foi desenvolvido, as características de performance do reator eletrônico protótipo foram comparadas com as de um reator eletromagnético e os resultados obtidos comprovam as vantagens apresentadas por essa nova tecnologia.

Abstract of Dissertation presented to PUCRS as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering


STUDY AND DEVELOPMENT OF AN ELECTRONIC BALLAST FOR HIGH PRESSURE METAL HALIDE LAMPS WITH A SYSTEM TO AVOID ACOUSTIC RESONANCE

Marcelo Toss

December 2004
Supervisor: Fernando Soares dos Reis, Ph.D.

Research Field: Power Electronics, Automation and Control.

Keywords: Electronic Ballast, HID Lamp, Acoustic Resonance, and Power Electronics.

Number of Pages: 117.


ABSTRACT: A high frequency electronic ballast for metal halide lamps with acoustic resonance avoidance is discussed in this work. Metal halide lamps have attracted much attention in recent years, because they offer high efficacy and excellent color properties. This work start with a bibliographical revision focused in the different method proposed to eliminate the phenomenon called acoustic resonance, once the biggest challenge to develop reliable electronic ballast for metal halide lamps is overcome the acoustic resonance. This work also presents a method to design electronic ballast for HID lamps using a LC series C parallel resonant filter. Extensive experiments using resonant type electronic ballast have been conducted on 70W metal halide lamps using the main available lamps in the Brazilian market to determine one valid method to avoid the acoustic resonance phenomenon for all tested lamps. After that, an electronic ballast prototype was developed, the electrical characteristics of the implemented electronic ballast were compared with the conventional electromagnetic ballast electrical characteristics and the obtained results proved the advantages of this new technology.

SUMÁRIO


Dedico este trabalho: iv

Agradecimentos v

índice de figuras xii

índice de tabelas xviii

Lista de símbolos xix

Introdução xxi

1 Lâmpadas de descarga xxvii

1.1 Introdução xxvii

1.2 Princípio de funcionamento das lâmpadas de descarga de baixa pressão xxviii

1.3 Lâmpada de descarga de alta intensidade xxix

1.4 Lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão xxix

1.5 Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão xxx

1.6 Lâmpada de vapor metálico xxxii

1.7 Lâmpadas de descarga, meio ambiente e saúde xxxiii

1.8 Fundamentos de Luminotécnica xxxiv

1.9 Comparação entre a lâmpada vapor metálico e a lâmpada fluorescente xli

1.10 Comparação entre a lâmpada vapor metálico e a lâmpada de mercúrio xlii

1.11 Comparação entre a lâmpada vapor metálico e a lâmpada de sódio xliii

1.12 Utilização de lâmpadas de vapor metálico e segurança xliv

1.13 Conclusão xlviii

2 Lâmpada de vapor metálico liii

2.1 Introdução liii

2.2 Composição química da lâmpada de vapor metálico liv

2.3 Estrutura da lâmpada vapor metálico palito de dois pinos lvi

2.4 Princípio de Funcionamento lvii

2.5 Influência da variação de tensão no desempenho da lâmpada lviii

2.6 Fluxo luminoso lx

2.7 Reatores Magnéticos lxi

2.8 Ignitores para operar com reatores magnéticos lxiii

2.9 Modos de ignição para lâmpadas de HID com reatores eletrônicos lxvi

2.10 Fenômeno da Ressonância Acústica lxxi

2.11 Métodos para eliminar a ressonância acústica lxxiii

2.12 Método escolhido para eliminar a ressonância acústica lxxiv

2.13 Conclusão lxxv

3 Análise qualitativa lxxx

3.1 Introdução lxxx

3.2 Topologia do reator eletrônico para lâmpada de vapor de metálico lxxx

3.3 Conclusão lxxxix

4 Análise quantitativa xciii

4.1 Introdução xciii

4.2 Análise do circuito ressonante utilizado na topologia xciv

4.3 Circuito de variação da freqüência de operação cv

4.4 Conclusão cvii

5 Projeto e simulação cxi

5.1 Introdução cxi

5.2 Procedimento de projeto cxi

5.3 Simulação do circuito cxx

5.4 Conclusão cxxv

6 Resultados Experimentais cxxix

6.1 Introdução cxxix

6.2 Protótipo Implementado cxxix

6.3 Dimensional do reator protótipo cxxx

cxxx

6.4 Ignição da lâmpada cxxxi



6.5 Forma de onda da corrente e tensão sobre a lâmpada cxxxiv

6.6 Medição da janela livre de ressonância acústica cxxxiv

6.7 Medição da taxa de variação de freqüência versus eliminação da ressonância acústica cxxxvi

6.8 Comparativo sobre os parâmetros elétricos de um reator eletromagnético versus o reator eletrônico proposto cxxxvii

6.9 Sensibilidade a variação de tensão de alimentação de um reator eletromagnético versus o reator eletrônico proposto cxl

6.10 Conclusão cxlii

7 Conclusões finais cxliii

8 Próximos trabalhos cxlv

9 Referências Bibliográficas cxlvi





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