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Este trabalho apresenta pesquisa relativa à modelagem de lâmpadas de descarga. A metodologia desenvolvida fornece meios de se construir modelos baseados em ferramentas inteligentes, especificamente através de redes neurais artificiais, de forma a representar o dispositivo com características que descrevam seus aspectos operacionais, bem como o comportamento de tais dispositivos diante de eventos relacionados à qualidade da energia elétrica. Um modelo matemático do conjunto lâmpada-reator, caracterizado como carga não-linear foi implementado inicialmente através da ferramenta SIMULINK®, integrante do pacote de software MATLAB®, e os resultados de simulações obtidas com este modelo são apresentados e comparados com os dados de operação obtidos experimentalmente, servindo como base de modelo para a lâmpada de descarga estudada e ponto de partida para a modelagem baseada em ferramentas computacionais inteligentes. Como contribuição, foi proposta a arquitetura de um modelo baseado em um conjunto de redes neurais artificiais destinado a representar a operação do conjunto lâmpada de descarga e reator. Empregando a massa de dados obtida através de ensaios realizados em diversas condições operacionais, e com o auxílio do pacote de software MATLAB®, realizou-se o treinamento de duas redes neurais artificiais que em conjunto foram capazes de representar com elevado grau de fidelidade o comportamento de uma lâmpada de descarga, incluindo as respostas transitórias a eventos relacionados à qualidade da energia elétrica. Comparado com o modelo matemático, o modelo neural proposto demonstrou maior facilidade de aplicação e boa representação do dispositivo e exigiu esforço computacional consideravelmente menor para simulações envolvendo grandes períodos de tempo e elevado número de dispositivos. Além destas vantagens, a metodologia adotada possibilita a obtenção de modelos de outras famílias de lâmpadas de descarga a partir de dados experimentais apenas, sem necessidade de conhecimento dos dados físicos e construtivos do dispositivo. O elevado desempenho do modelo obtido permitiu a simulação de conjuntos de lâmpadas de descargas inseridos em um sistema de distribuição em tempos de simulação muito menores que os exigidos pelo modelo matemático, justificando sua aplicação nas representações desta família de cargas inseridas nos sistemas elétricos de potência. A representação do comportamento do dispositivo frente a distúrbios de qualidade da energia também se mostrou como uma ferramenta útil para estudos mais complexos no sistema de distribuição. / This work presents research related to the modeling of discharge lamps. This methodology made possible to build models based on intelligent tools, specifically artificial neural networks, to represent the device characteristics concerning operational aspects as well as the behavior of such devices facing power quality events. The mathematical model of a lamp-reactor, characterized as an non-linear load, was implemented using SIMULINK® toolbox, part of the software MATLAB®. The simulation results obtained from this model are compared with data obtained experimentally, serving as a base model for discharge lamps as well as a starting point for the modeling tools based on computational intelligence. As a contribution, an architecture of a model based on artificial neural networks designed to represent the operation of the discharge lamp and reactor was proposed. Employing the data obtained from tests performed under various operating conditions, and with the aid of the software MATLAB®, the training of two neural networks was performed. These networks were able to represent with high fidelity the behavior a discharge lamp, including the response to transient events related to power quality. Comparing to the mathematical model, the neural model demonstrated greater adaptation and good representation of the device and required a considerably lower computational effort for simulations involving large periods of time and a great number of devices. Besides these advantages, the methodology allows to obtain models from other families of discharge lamps from experimental data only, without the knowledge of the physical data of the device. The high performance of the neural model allowed the simulation of a group of discharge lamps in a distribution system with simulation time much smaller than those required by the mathematical model, justifying its application in electric power systems. The representation of such a device facing power quality disturbances also proved to be a useful tool for more complex studies in a distribution system.

Este trabalho apresenta pesquisa relativa à modelagem de lâmpadas de descarga. A metodologia desenvolvida fornece meios de se construir modelos baseados em ferramentas inteligentes, especificamente através de redes neurais artificiais, de forma a representar o dispositivo com características que descrevam seus aspectos operacionais, bem como o comportamento de tais dispositivos diante de eventos relacionados à qualidade da energia elétrica. Um modelo matemático do conjunto lâmpada-reator, caracterizado como carga não-linear foi implementado inicialmente através da ferramenta SIMULINK®, integrante do pacote de software MATLAB®, e os resultados de simulações obtidas com este modelo são apresentados e comparados com os dados de operação obtidos experimentalmente, servindo como base de modelo para a lâmpada de descarga estudada e ponto de partida para a modelagem baseada em ferramentas computacionais inteligentes. Como contribuição, foi proposta a arquitetura de um modelo baseado em um conjunto de redes neurais artificiais destinado a representar a operação do conjunto lâmpada de descarga e reator. Empregando a massa de dados obtida através de ensaios realizados em diversas condições operacionais, e com o auxílio do pacote de software MATLAB®, realizou-se o treinamento de duas redes neurais artificiais que em conjunto foram capazes de representar com elevado grau de fidelidade o comportamento de uma lâmpada de descarga, incluindo as respostas transitórias a eventos relacionados à qualidade da energia elétrica. Comparado com o modelo matemático, o modelo neural proposto demonstrou maior facilidade de aplicação e boa representação do dispositivo e exigiu esforço computacional consideravelmente menor para simulações envolvendo grandes períodos de tempo e elevado número de dispositivos. Além destas vantagens, a metodologia adotada possibilita a obtenção de modelos de outras famílias de lâmpadas de descarga a partir de dados experimentais apenas, sem necessidade de conhecimento dos dados físicos e construtivos do dispositivo. O elevado desempenho do modelo obtido permitiu a simulação de conjuntos de lâmpadas de descargas inseridos em um sistema de distribuição em tempos de simulação muito menores que os exigidos pelo modelo matemático, justificando sua aplicação nas representações desta família de cargas inseridas nos sistemas elétricos de potência. A representação do comportamento do dispositivo frente a distúrbios de qualidade da energia também se mostrou como uma ferramenta útil para estudos mais complexos no sistema de distribuição. / This work presents research related to the modeling of discharge lamps. This methodology made possible to build models based on intelligent tools, specifically artificial neural networks, to represent the device characteristics concerning operational aspects as well as the behavior of such devices facing power quality events. The mathematical model of a lamp-reactor, characterized as an non-linear load, was implemented using SIMULINK® toolbox, part of the software MATLAB®. The simulation results obtained from this model are compared with data obtained experimentally, serving as a base model for discharge lamps as well as a starting point for the modeling tools based on computational intelligence. As a contribution, an architecture of a model based on artificial neural networks designed to represent the operation of the discharge lamp and reactor was proposed. Employing the data obtained from tests performed under various operating conditions, and with the aid of the software MATLAB®, the training of two neural networks was performed. These networks were able to represent with high fidelity the behavior a discharge lamp, including the response to transient events related to power quality. Comparing to the mathematical model, the neural model demonstrated greater adaptation and good representation of the device and required a considerably lower computational effort for simulations involving large periods of time and a great number of devices. Besides these advantages, the methodology allows to obtain models from other families of discharge lamps from experimental data only, without the knowledge of the physical data of the device. The high performance of the neural model allowed the simulation of a group of discharge lamps in a distribution system with simulation time much smaller than those required by the mathematical model, justifying its application in electric power systems. The representation of such a device facing power quality disturbances also proved to be a useful tool for more complex studies in a distribution system.

The master’s thesis is devoted to exploiting of gas-discharge lamps and their dependence on frequency of the supply current. The first part describes the theory of discharge, its types and properties, terms of its origin, and ways of its exploitation. The second part concerns electrical ballast systems of gas discharge light sources, inductive (reactive) and electronic ballasts, principles of their functioning, advantages and disadvantages, and the comparison of their properties. The following chapters deal with low-pressure and high-pressure gas-discharged lamps, compare their properties and describe exploitation of fluorescent lamps. Before conducting the experiment we have described the influence of frequency of the supply current on fluorescent tube lamps. Preparations for laboratory measuring have been also implemented. During the experiment the two types of lamps have been analyzed, the results of the research are summed up in the conclusion.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents and analyzes a new family of electronic ballasts to supply metal halide lamps applied to interior lighting systems. These lamps present the best light quality among the high intensity discharge lamps, and its compactness results a good choice for interior lighting systems application. The electrical characteristics of the high intensity discharge lamps are evaluated, and it is presented an alternative for supplying these lamps in a safe and reliable way. This alternative consists of using high frequency DC/DC converters in order to supply the lamp with a low frequency, symmetrical square waveform. A family of electronic ballasts is presented, which all the topologies are obtained from the differential connection of DC/DC converters. The analysis of these proposed and designed systems brings the main advantages and disadvantages of using each topology, related both to the components design and to the restrictions implied by each topology. / Esse trabalho apresenta e analisa uma nova família de reatores eletrônicos capazes de acionar lâmpadas de multivapor metálico com tubo de descarga cerâmico. Essas lâmpadas apresentam, dentre as lâmpadas de descarga em alta pressão, a melhor qualidade do fluxo luminoso, além de se tratar de lâmpadas compactas, caracterizando-as como uma ótima alternativa a ser aplicada em sistemas de iluminação de ambientes interiores. As características das lâmpadas de descarga em alta pressão, com relação ao acionamento e controle, são avaliadas, e uma alternativa é apresentada para se alimentar tais lâmpadas de forma segura e confiável, através da utilização de conversores CC/CC operando em alta freqüência para alimentar a lâmpada com uma tensão quadrada, simétrica e em baixa freqüência. Dessa forma, uma família de reatores eletrônicos é apresentada, sendo que todas as topologias são derivadas da técnica de conexão diferencial de conversores CC/CC bidirecionais. O estudo de todos os sistemas propostos e implementados tem por finalidade caracterizar as principais vantagens e desvantagens do emprego de cada topologia apresentada, com relação ao dimensionamento de componentes e limitações impostas por cada topologia.

The master’s thesis is devoted to exploiting of gas-discharge lamps and their dependence on frequency of the supply current. The first part describes the theory of discharge, its types and properties, terms of its origin, and ways of its exploitation. The second part concerns electrical ballast systems of gas discharge light sources, inductive (reactive) and electronic ballasts, principles of their functioning, advantages and disadvantages, and the comparison of their properties. The following chapters deal with low-pressure and high-pressure gas-discharged lamps, compare their properties and describe exploitation of fluorescent lamps. Before conducting laboratory experiments the influence of frequency of the supply current on different properties of gas-discharge lamps was described. Besides, simulation of basic electric parameters of high-pressure gas-discharged lamps was implemented in the program SIMULINK/MATLAB. As a result, the received graphs show the dependence of current, voltage and electric power on time. Another simulation included building of dynamic current-voltage characteristics at various frequencies of the supply current. Preparations for the laboratory experiment and the experiment itself were implemented. Compact and tube low-pressure fluorescent lamps were measured. The received graphs show the influence of change in frequency of the current on the operational parameters of the discharge light sources.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The study of the best utilization of high intensity discharge lamps deals with the great global concern with energy efficiency. Electronic ballasts are the current devices that can make the good use of high luminous efficacy and the long useful life of these lamps. This work aims to develop an electronic ballast to supply high intensity discharge lamps. In order to avoid the acoustic resonance phenomenon occurrence, the lamp is supplied with low frequency square waveform. Power control and voltage inversion stage in the lamp are developed by the biflyback inverter topology. The analysis and design of this topology were performed, as well as the development of resonant inversion methodology of the lamp voltage. It is proposed one study, qualitative and quantitative, of active converters to provide the power factor correction, and their integration with the biflyback inverter topology. Buck biflyback inverter topology is chosen to the implementation of practical experiments, in order to validate the present work. The converter modeling, considering the lamp dynamic, such as the stability analysis and theoretical control strategy of current and lamp power are presented. Experimental results show that the proposed electronic ballast has the follow characteristics: high power factor (0.97), low input current harmonic distortion, high efficiency (88%) and not visible occurrence of acoustic resonance phenomenon. / O estudo do melhor aproveitamento das características das lâmpadas de descarga em alta pressão vem ao encontro da grande preocupação mundial com a eficientização energética. Reatores eletrônicos são os dispositivos atuais que melhor aproveitam a alta eficácia luminosa e longa vida útil dessas lâmpadas. Este trabalho visa o desenvolvimento de um reator eletrônico para a alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão. De modo a não excitar a ocorrência do fenômeno de ressonância acústica, a alimentação da lâmpada é realizada através de forma de onda de corrente quadrada em baixa frequência. Os estágios de controle de potência e inversão da tensão na lâmpada são realizados pela topologia biflyback inversora. A análise e projeto desta topologia foram realizados, assim como o desenvolvimento de uma metodologia de inversão ressonante da tensão da lâmpada. É proposto um estudo, qualitativo e quantitativo, dos conversores ativos para correção do fator de potência, e a integração destes, com a topologia biflyback inversora. A topologia buck biflyback inversora foi escolhida para a realização de experimentos práticos para a validação do trabalho. A modelagem do conversor, considerando a dinâmica de uma lâmpada de descarga em alta pressão de sódio foi realizada. Assim como a análise da estabilidade e estratégias de controle da corrente e da potência na lâmpada. Os resultados experimentais comprovam que o reator eletrônico proposto apresenta as características desejadas de: alto fator de potência (0,97), atendimento da norma IEC61000-3-2 para o nível das harmônicas da corrente de entrada, elevado rendimento (88%) e não excitação visível do fenômeno de ressonância acústica.