Tema 5: Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia
Grupo de Sistemas Electrónicos de Alimentación (SEA)
SEA_uniovi_CFP_00
Universidad de Oviedo
Área de Tecnología Electrónica
A partir de los años 70, el número de cargas no lineales conectadas a la red ha venido aumentando constantemente. Ejemplos: sistemas de audio y video, ofimática, electrodomésticos, comunicaciones, etc.
• Todos los equipos electrónicos necesitan una fuente de alimentación
• El circuito de entrada más habitual es el rectificador de doble onda con filtro por condensador
La corriente de entrada no es senoidal
Situación actual
ig
vC
ig
CC/CCvC
ig
ig
SEA_uniovi_CFP_01
Consecuencia:
• Al haber gran cantidad de equipos electrónicos conectados a la red de distribución de energía eléctrica (“cargas electrónicas” y, por tanto, cargas no lineales) el contenido armónico puede llegar a ser muy alto si no se hace algo para corregir este comportamiento
• Al ser “no senoidal” la corriente de entrada, la definición tradicional (para corrientes senoidales) del FP ya no tiene sentido:
ig
vC
ig
CC/CCvC
ig
ig
cosFPSPFP_
SEA_uniovi_CFP_02
Problemas asociados a un alto contenido armónico
Los armónicos provocados afectan a otros equipos conectados a la red y pueden incluso dañarlos
Carga
Equipo Electrónico
Impedancia de la red
RedCarga
Carga
ig
Vg_vacío
Vg_carga
Distorsión
Vg_carga
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Normas sobre CFP
El problema es realmente grave Normativa internacional para limitar el contenido armónico en la red
EE.UU
IEEE 519: Limita el contenido armónico que cada USUARIO puede inyectar a la red. Se mide en el punto de conexión (PCC) del usuario a la red
Europa
EN 61000-3-2: Limita el contenido armónico de cada equipo individual
• Se clasifican los equipos en 4 grupos:• Clase B: Equipos portátiles
• Clase C: Equipos de iluminación
• Clase D: TV, PC y Monitores
• Clase A: El resto de equipos
• En cada clase se limita el valor eficaz de cada armónico comprendido entre el 2º y el 40º
SEA_uniovi_CFP_04
Norma EN 61000-3-2
Eq. portátil?
Iluminación?
¿PC, TV, monitor
P<600 W?
Si
No
No
No
Clase B
Clase C
Clase D
Clase A
• Potencia > 75 W
• Potencia < 16 A / fase (3680 W)
Si
Si
• La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales
• Las fuentes de alimentación son, en general, Clase A o Clase D
SEA_uniovi_CFP_05
Armónico Clase A [A] Clase D [mA/W]
3 2,3 3,4
5 1,14 1,9
7 0,77 1,0
9 0,40 0,5
11 0,33 0,35
13 0,21 0,296
15 n 39 2,25/n 3,85/n
Límites para la Clase A y la Clase D
Importante:• Los límites de la Clase A son absolutos [A]• Los límites de la Clase D son relativos [mA/W]• Como consecuencia, la Clase D es mucho más estricta en potencias relativamente pequeñas (por ejemplo, 100-400 W)
(Valores eficaces)
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Soluciones para cumplir la norma EN 61000-3-2
• No es necesario tener una corriente de entrada senoidal para cumplir la norma
• Como consecuencia, se pueden usar un gran número de circuitos para cumplirla
• Se clasifican en:
- Circuitos Pasivos
- Circuitos Activos
Circuitos Pasivos
• Sólo utilizan componentes pasivos (R, L, C) para suavizar la corriente de entrada
Circuitos Activos
• Utilizan semiconductores (transistores y diodos) además de componentes pasivos
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Circuitos Activos
Emuladores de resistencia
Son convertidores que, vistos desde la red, emulan el comportamiento de una resistencia: la corriente que demandan es proporcional a la tensión aplicada
CA/CCVg
ig ig
Vg Req
Si la tensión de entrada es senoidal Corriente de entrada senoidal
• Son circuitos interesantes si P > 500 W
• Garantizan:
- Bajo contenido armónico
- Cumplimiento de cualquier norma
- Alta extracción de potencia de la red
igVg
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Emuladores de resistencia
Hay dos formas de conseguir que un convertidor se comporte como Emulador de resistencia:
- De forma natural (seguidor de tensión)Algunos convertidores, trabajando de un modo concreto, tienen este comportamiento de forma natural. Se comportan como seguidores de tensión. Ejemplos:
• Elevador
• Reductor-Elevador
• Flyback
• SEPIC y Cuk (éstos no los hemos estudiado)
- Mediante un control adecuado (por ejemplo, con el uso de un multiplicador analógico en el control)El sistema de control del convertidor puede obligar a que la corriente de entrada siga un cierto patrón. Si el patrón coincide con la tensión de entrada, el circuito será un emulador de resistencia
SEA_uniovi_CFP_09
Convertidor CC/CC
(Emulador de resistencia)
Vo
io(t) Io
ig(t)
vg(t)
Concepto del Emulador de Resistencia
vg(t)=Vgsen(t)
ig(t)=Igsen(t)pg(t)=VgIgsen2(t)
Vo es constante
Con relación al convertidor CC/CC, suponemos lo siguiente:
• Su rendimiento es igual a 1
• Presenta incapacidad de almacenar energía en periodos tan largos como el de red (no hay ni bobinas ni condensadores capaces de hacerlo)
Ecuaciones:
vo(t)Vo
io(t)po(t)=Voio(t)
pg(t)
ig(t)vg(t)
SEA_uniovi_CFP_10
Emulador de resistencia
Vo
io(t) Io
ig(t)
vg(t)
Concepto del Emulador de Resistencia
po(t)Po
io(t)
Vo
Io
Como pg(t)= po(t), ya que suponemos rendimiento unidad e incapacidad de almacenar energía en periodos tan largos como el de red, tenemos:
io(t) = po(t)/Vo = pg(t)/Vo = VgIgsen2(t)/Vo = 2Iosen2(t)
siendo: Io = VgIg/(2Vo) = VgefIgef/Vo = Pg/Vo
pg(t)
ig(t)vg(t)
SEA_uniovi_CFP_11
La relación de transformación m(t) cambia desde Vo/ Vg hasta infinito
m(t)=Vo =
Vo/ Vg
vg(t) sin(t)
Vocte.Emulador de
Resistencia
Vovg(t)
vg(t)
Propiedades del Emulador de Resistencia (I)
El convertidor que se utilice debe cumplir esta propiedad (no todos lo hacen)
Elevador
Reduct-Elev. / Flyback
d11
VV
g
0
d1d
VV
g
0
Con D = 1 el cociente es infinito
SEA_uniovi_CFP_12
Propiedades del Emulador de Resistencia (II)
r(t)=Vo
=
io(t)
io(t)
Vo
IO
Vocte.Emulador de
Resistencia Vo
vg(t)vg(t)
La carga resistiva que ve el convertidor, r(t), cambia desde R/2 hasta infinito
Como consecuencia, el convertidor que se utilice debe poder trabajar en vacío (r = ). Hay convertidores de tipo resonante que no pueden trabajar en estas condiciones, por lo que no pueden usarse como Emuladores de Resistencia
R=Vo/Io
Ioio(t)
R
r(t)
= R
2sin2(t)
Vo
2Iosen2(t)
SEA_uniovi_CFP_13
ConvertidorCC/CC
La referencia fija la forma de la corriente de entrada
Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
vref1
Se implementa un primer lazo de realimentación en el circuito de control que obliga a los interruptores a conmutar de forma que la corriente de entrada siga un cierto patrón
ig
ig
vref1
ig
vref1
SEA_uniovi_CFP_14
ConvertidorCC/CC
Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
vref1
ig
ig
vref1
k1vg
vA
vg
k1vgvref1 = kmk1vAvg
La tensión k1vgfija la forma de onda de la tensión de referencia vref1
vA
La tensión vA fija la amplitud de la tensión
de referencia vref1
La tensión de referencia vref1 fija la forma de onda y la amplitud de la corriente
de entradaSEA_uniovi_CFP_15
ConvertidorCC/CC
Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
vref1
vg
k1vg
vA Filtro pasa-bajos
vref2
k2Vo
Se implementa un segundo lazo de realimentación que obliga a que la tensión de control vA tenga el valor necesario para que la corriente de entrada suponga el aporte de potencia preciso para tener la tensión deseada en la carga, Vo. El rizado de la tensión de salida se suprime por filtrado
ig
ig
vref1
Vo
SEA_uniovi_CFP_16
Si vA tuviera mucho rizado, entonces vref1 no sería senoidal y la corriente de entrada estaría distorsionada
vg(t)
vA(t)
Vo(t)
vg(t)
vA(t)
Vo(t)
Luego la corriente de entrada será senoidal
Si el filtro fuese ideal, vA no tendría rizado
Si vA tiene mucho rizado, la corriente se distorsiona
Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
vref1 vref1
Luego la corriente de entrada estará distorsionada
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Control por seguidor de tensión
Con este sistema sólo es necesario implementar un lazo de tensión, ya que la corriente de entrada tiene, de manera natural, la misma forma de onda que la tensión de entrada. Esto sólo ocurre en determinadas topologías de convertidores y en determinados modos de operación
Es necesario implementar el filtro pasa-bajos por las mismas razones que en el caso anterior
Controlador convencional
Filtro pasa-bajos
ConvertidorCC/CC
vref
Vo
SEA_uniovi_CFP_18
igmigm iS iL
Topologías con Control por seguidor de tensión
Reductor-Elevador trabajando en MCD
Escala de frec. de conmutación
• La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es
• El Flyback se comporta de forma similar
iS
iL
igm
Escala de frec. de red
)t(vL2
Tddi21)t(i g
2
max_Lgm
vg(t) Vo
SEA_uniovi_CFP_19
Topologías con Control por seguidor de tensión
Elevador trabajando en MCD a frecuencia constante
igm
iL
• La corriente de entrada no es exactamente senoidal aunque lo sea la tensión de entrada
iLigm
igmvg(t)
Escala de frec. de conmutación
Escala de frec. de red
)t(vV)t(vV
L2Td)t(i
go
go2
gm
(no demostrada aquí)
Vo
SEA_uniovi_CFP_20
Topologías con Control por seguidor de tensión
Elevador trabajando continuamente en el modo límite entre MCD y MCC
Escala de frec. de conmutación
Escala de frec. de red
igmvg(t)
iLigm
ton toff)t(v
L2Tdi
21)t(i gmax_Lgm
Conclusiones:• La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es
• La frecuencia es variable, ya que toff depende de vg(t)
igm
iLVo
)t(vVLi
tgo
max_Loff
SEA_uniovi_CFP_21
Puede trabajar con más topologías
Corriente de entrada senoidal
Pérdidas más bajas en el transistor (MCC)
Sensor de corriente
Multiplicador
Más caro
Sin sensor de corriente
Sin multiplicador
Más barato
Bajas pérdidas en el diodo
Sólo ciertas topologías
No siempre corriente senoidal
Muchas pérdidas en el MOSFET (DCM)
Comparación de Emuladores de Resistencia
Control por multiplicador Control como seguidor de tensión
ConvertidorCC/CC
Filtro pasa-bajos
vref2
ConvertidorCC/CC
Filtro pasa-bajos
vref2
Controlador convencional
Filtro pasa-bajos
ConvertidorCC/CC
vref
Controlador convencional
Filtro pasa-bajos
ConvertidorCC/CC
vref
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