Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This paper presents the development of an electronic ballast for high intensity discharge lamps, using the differential connection technique applied to Flyback converters. The power factor correction stage was implemented by a Buck-Boost converter operating in discontinuous conduction mode. Subsequently, the integrating converters technique was used to simplify the power circuit, making the power factor correction stage and Flyback converters share the same active switches. The proposed circuit was dynamically modeled, in order to obtain the mathematical parameters that govern the behavior of the ballast, obtaining the differential equations relating the voltage and current in the lamp, due to the variation of both the input voltage as the duty cycle. Digital control of the output current provided the use of a low cost microcontroller, the compensating system was designed in discrete time from the use of an integrator and a low frequency bandwidth. For effective control of lamp power, an external loop that regulates the circuit current reference was implemented. The practical implementation of the electronic ballast was performed, in order to verify the proposed control performance. / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um reator eletrônico para alimentar lâmpadas de descarga em alta pressão, utilizando a técnica de conexão diferencial aplicada aos conversores Flyback. A etapa de correção de fator de potencia foi implementada através de um conversor Buck-Boost operando em modo de condução descontinuo. Posteriormente, foi utilizada a técnica de integração de conversores para simplificar o circuito de potência, fazendo com que a etapa de correção do fator de potencia e os conversores Flyback compartilhassem os mesmos interruptores ativos. O circuito proposto foi modelado dinamicamente a fim de obter os parâmetros matemáticos que regem o comportamento do reator, obtendo as equações diferenciais referentes à tensão e corrente na lâmpada, em função da variação, tanto da tensão de entrada como da razão cíclica. O controle digital da corrente de saída proporcionou a utilização de um dispositivo microcontrolado de baixo custo, sendo o compensador do sistema projetado em tempo discreto a partir da utilização de um integrador e uma banda passante de baixa frequência. Para o efetivo controle da potência na lâmpada foi adicionada uma malha externa que regula a referência de corrente do circuito. Foi realizada a implementação prática do reator eletrônico a fim de verificar a performance do controle proposto.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-10-14Bitstream added on 2014-06-13T20:27:55Z : No. of bitstreams: 1 ferreira_cs_me_ilha.pdf: 2485161 bytes, checksum: 08f725b1be1ea7769c8c4f79b5fa8d98 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho trata do desenvolvimento e implementação de um sistema de iluminação fluorescente com gerenciamento automático baseado em reatores eletrônicos aplicados a múltiplas lâmpadas fluorescentes. O foco desta pesquisa é direcionado ao desenvolvimento de uma plataforma automática de gerenciamento e supervisão, propiciando o controle de luminosidade, acionamento remoto e também acionamentos programáveis de acordo com o expediente de trabalho do local e condições de iluminação natural do ambiente, além de prover aumento de vida útil das lâmpadas fluorescentes, em função de protocolo proposto para préaquecimento e ignição. Foram acoplados ao sistema sensores de luminosidade e de presença, permitindo a obtenção dos dados necessários para a atuação automática. O controle por calha das lâmpadas fluorescentes é feito por um microcontrolador AtMega8 da ATMEL, o qual é responsável pela automação do sistema. A plataforma de gerenciamento e monitoração utiliza um microcomputador para que seja executado o aplicativo desenvolvido, o qual provê uma interface amigável ao usuário. Assim, um protocolo de comunicação foi desenvolvido para que haja uma comunicação de dados confiável, oferecendo robustez e alta confiabilidade ao controle do sistema de iluminação. Para o processamento dos dados, foi utilizado o barramento serial de comunicação full duplex com padrão RS232 e RS485 com transmissão assíncrona. Adicionalmente, o sistema funciona no sistema mestre-escravo, sendo o microcomputador responsável por enviar endereçamentos e ordens de ação aos microcontroladores, os quais identificam os endereçamentos e dados, executam a ação programada e envia dado de monitoramento ao microcomputador, quando requisitado pelo usuário. / In this work, the development and implementation of an illumination fluorescent system with automatic management based on electronic ballast applied to multiple fluorescent lamps are presented. This research is directed in the development of the management and supervision of an automatic platform, allowing the control of luminosity, the remote actuation and also the programmable actuation according with the local business work and conditions of natural light of the environment. In addition, the ballast will provide the increase in the average lifetime for fluorescent lamps, considering a proposed protocol to pre-heating and ignition. The automatic actuation of the system is allowed by the coupling, of the luminosity and presence sensors. The control of fluorescent lamps by channel is executed by an ATMEL’s AtMega8 microcontroller, which is responsible for the system automation. The management and monitoring platform uses a microcomputer with purpose to execute the implemented application, which will provide a friendly interface to the user. Thus, a protocol of communication was developed to allow a reliable communication of data, providing robustness and high reliability to the control of lighting system. Considering the processing of data acquired, was used a Serial Bus of communication with full duplex standard RS232 and RS485, with asynchronous transmission. Additionally, the system works in the master-slave mode, and the microcomputer is responsible for sending addresses and orders of action to microcontrollers, which identify and address data, in order to perform the programmed action to it, and in order to send data to the microcomputer, when requested by the user.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a family of integrated electronic ballasts applied to the public lighting system. The electronic ballasts are designed to supply High-Pressure Sodium lamps according to the desired lamp operation characteristics. The viability of use High-Pressure Sodium lamps in the public lighting system of Santa Maria city is studied along this work. Another topic addressed, is the acoustic resonance phenomenon occurrence. It is explained based on a large number of works previously presented in the literature, in order to choose for a reliable method to supply the lamp. The incremental impedance of the High-Pressure Sodium lamp is defined in the frequency domain. This model is used to analyze the lamp and ballast interaction. The presented integrated electronic ballasts to supply High-Pressure sodium lamps take the advantage of low cost and simplicity providing a stable lamp operation. / Este trabalho apresenta uma proposta de integração de conversores estáticos para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão (HPS), baseando-se, fundamentalmente, na viabilidade de aplicação deste tipo de lâmpadas a sistemas de iluminação pública. Ao longo do trabalho, é discutida a viabilidade de aplicação das lâmpadas HPS ao sistema de iluminação pública existente na cidade de Santa Maria- RS, evidenciando os parâmetros técnicos necessários ao projeto e desenvolvimento de reatores eletrônicos. A abordagem do fenômeno da ressonância acústica é feita de forma consistente, avaliando-se trabalhos previamente publicados, a fim de se chegar a um método confiável para se alimentar a lâmpada HPS sem a excitação deste fenômeno. Além disso, uma análise do modelo de pequenos sinais da lâmpada traz uma visão dos principais estágios a serem empregados no reator para garantir um funcionamento estável do sistema. A metodologia de integração proposta para alimentação de lâmpadas HPS, através de reatores eletrônicos, sem a excitação do fenômeno da ressonância acústica, busca a redução de custos e a simplicidade do sistema, sem deixar de considerar os procedimentos necessários a uma operação estável e confiável.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis presents the analysis and design of an electronic drive system for fluorescent induction lamps. This lighting technology, despite being patented since the 60s, is not widely diffused in the market context. However, it is an extremely attractive alternative due to long lifetime and high luminous efficiency. The analysis circuit consists of a power factor correction associated with a power control stage, which provides the lamp ignition and current limitation. An integration methodology is applied in order to reduce the number of active semiconductor switches. The resulting topology, called here SEPIC half-bridge, presents a shared switch able to act, both in the pre-regulator stage, as well as for the power control stage. The number of elements reduction also occurs by magnetic integration. In this case, the pre-regulator inductors are distributed in a single core. For electronic system flexibility, it was inserted the dimming capability, where the low frequency modulation technique was evaluated. This technique is suitable for high power variation rates and provides a stable operation. The topology is controlled by a feedback system ensuring a satisfactory response of the system when subjected to disturbances, in addition to ensuring the correct power to the lamp. The electronic ballast designed behavior was evaluated experimentally. In this situation, there was obtained a low input current distortion associated with a high power factor. The lamp power variation range was 70% (30 W to 100 W), with an average efficiency around 82%. / Neste trabalho de mestrado, apresenta-se a análise e o projeto de um sistema eletrônico de acionamento para lâmpadas fluorescentes de indução. Esta tecnologia de iluminação, apesar de ser patenteada desde a década de 60, ainda é pouco difundida em âmbito comercial. Entretanto, é uma alternativa extremamente atraente devido a longa vida útil e a elevada eficiência luminosa. O circuito analisado consiste de um estágio de pré-regulação do fator de potência associado a um estágio de controle de potência, capaz de prover as necessidades de partida e limitar a corrente aplicada à lâmpada. Para estes estágios, visando a redução do número de semicondutores ativos, é aplicada a metodologia de integração de interruptores. A topologia resultante, chamada de SEPIC half-bridge, apresenta um interruptor compartilhado, capaz de atuar tanto para o pré-regulador, quanto para o controle de potência. A redução do número de elementos se dá também pela integração de magnéticos. Nesta situação, os indutores do pré-regulador são distribuídos em um único núcleo. Buscando a flexibilidade do sistema eletrônico, neste foi inserido a capacidade de variação da intensidade luminosa, onde a técnica de modulação de baixa frequência foi avaliada. Tal técnica é apropriada para elevados índices de variação de potência, além de proporcionar uma operação estável do circuito. A topologia é controlada por um sistema de retroalimentação, capaz de garantir uma resposta satisfatória do sistema quando submetido a distúrbios, além de garantir a potência processada pela lâmpada. O comportamento do reator eletrônico projetado foi avaliado experimentalmente. Nesta situação, obteve-se uma baixa distorção da corrente de entrada e elevado fator de potência. A faixa de variação de potência foi de 70% (100 W à 30 W), com um rendimento médio de 82%.

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.