(Corrección del Factor de Potencia) Universidad de Oviedo Lección 7 Convertidores CA/CC...
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(Corrección del Factor de Potencia) Universidad de Oviedo Lección 7 Convertidores CA/CC monofásicos con baja inyección de armónicos en red Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia 4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación
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(Corrección del Factor de Potencia)
Universidad de Oviedo
Lección 7
Convertidores CA/CC monofásicos con baja inyección de armónicos en red
Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia
4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación
Co
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ia
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 era el rectificador de doble onda con filtro por condensador
La corriente de entrada no es senoidal
Situando el problema
ig
vC
ig
CC/CCvC
ig
ig
Co
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ote
nc
ia 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:
Factor de Potencia (FP):S
P
Aparente_Potencia
alRe_PotenciaFP
Sólo en régimen senoidal: cosS
PFP (no vale en este caso)
(siempre válida)
Co
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ia
Los armónicos provocados afectan a otros equipos conectados a la red y pueden incluso dañarlos
Problemas asociados a un alto contenido armónico
Carga
Equipo Electrónico
Impedancia de la red
RedCarga
Carga
Vg_vacío
Vg_carga
ig
Distorsión
Vg_carga
Co
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iaSi el FP es bajo, la potencia disponible en cada toma de corriente es menor que la nominal, que corresponde a un consumo senoidal
Ig_ef = 15 A, Vg_ef = 230 V
3450 W
2070 W
S
PFP 123015FPSP
Si en otra aplicación la corriente no es senoidal y/o no está en fase con la tensión (FP1), la potencia máxima que se puede obtener de esa instalación depende del FP. Supongamos que el FP=0,6; entonces:
ig
Vg
6,023015FPSP
Supongamos que la corriente máxima por la instalación es, por ejemplo, 15 A eficaces. Si en una aplicación la corriente es senoidal y está en fase con la tensión (FP=1), la potencia máxima que se puede obtener de esa instalación es:
ig
Vg
Co
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iaNormas sobre CFP
El problema es realmente graveNormativa 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 (y en todo el mundo):
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
Norma EN 61000-3-2
(IEC 61003-2)
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)
Co
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Si
Si
• La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales
• Las fuentes de alimentación son, en general, Clase A o Clase D
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)C
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ec
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ac
tor
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Po
ten
cia
(Valores eficaces)
Soluciones para cumplir la norma EN 61000-3-2C
orr
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de
Po
ten
cia
• 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
Co
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iaCircuitos Pasivos
• Idea básica: interponer una impedancia entre el rectificador y el condensador para suavizar la corriente de entrada
• Las impedancias más sencillas a colocar son las bobinas y / o las resistencias, estas últimas para potencias bajas (<200 W)
• Sencillos
• Bajo coste (sobre todo R)
• Buen rendimiento (sobre todo L)
• Muy útiles para baja potencia
• Pero pesados y voluminosos (L) o disipativos (R)
Características
ig
VgL
C
ig
Vg
+
-
C
Rig
Vg
+
-
Co
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iaCircuitos Activos
• Se trata de circuitos basados en convertidores CC/CC que consiguen obtener de la red una corriente con un patrón senoidal o cuasi-senoidal
• Hay gran cantidad de circuitos activos de este tipo. Los dos grupos más importantes son:
Circuitos con conformador de corriente de entrada y convertidor CC/CC en una única etapa
• El circuito en sí es bastante simple, pero su funcionamiento es complejo y difícil de estudiar
• No tienen corriente de entrada senoidal
• El convertidor completo tiene un buen comportamiento dinámico
• No son demasiado adecuados para trabajar con tensión de entrada universal
- Circuitos que integran en una única etapa un conformador de la corriente de entrada y un convertidor CC/CC (Single-Stage Input Current Shapers)
- Emuladores de Resistencia
Co
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iaCircuitos Activos: Ejemplo
Ejemplo de conformador de corriente de entrada y convertidor CC/CC en una única etapa
• Salida auxiliar conectada al transformador principal
• Es la que se encarga de conformar la corriente de entrada
Convertidor
CC/CC
LF Ld
Cualquier convertidor CC/CC con transformador o bobina de varios devanados
LdLF
Ejemplo basado en un convertidor de retroceso
Co
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iaCircuitos Activos: Ejemplo
Resultados experimentales(prototipo de “Active Input Current Shaper” desarrollado por el Grupo SEA de la Universidad de Oviedo)
LdLF
ig
95 11 15 19 230
0,1
0,2
0,3
0,4
3 7 13 17 21 25Armónico
(A)
EN 61000-3-2
Clase D
Forma de onda real
ig
Interesados visitar: http://www.unioviedo.es/sebas/Pagina_web_personal/Investigacion/Curriculum/Publicaciones/Revistas_IEEE_con_menu.htm
Co
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iaCircuitos 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
• Garantizan:
- Bajo contenido armónico
- Cumplimiento de cualquier norma
- Alta extracción de potencia de la red
igVg
Co
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ia
vg(t)=Vgsen(t)
ig(t)=Igsen(t)
Concepto del Emulador de Resistencia
Convertidor CC/CC
(Emulador de Resistencia)
Vo
io(t) Io
ig(t)
vg(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:
pg(t)=VgIgsen2(t)
vo(t)Vo
io(t)
pg(t)
vg(t)ig(t)
po(t)=Voio(t)
Co
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iaConcepto del Emulador de Resistencia
io(t)Io
po(t)
Po
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) Vo
La relación de transformación m(t) cambia desde Vo/ Vg hasta infinito
Vocte.Emulador de
Resistencia
Vovg(t)
vg(t)
m(t) =Vo
=Vo/ Vg
vg(t) sin(t)
Co
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iaPropiedades del Emulador de Resistencia (I)
El convertidor que se utilice debe cumplir esta propiedad (no todos lo hacen)
• Elevador
•Reduct.-Elev., Flyback,
SEPIC Zeta y Cuk
d1
1
V
V
g
0
d1
d
V
V
g
0
Con d = 1 el cociente es infinito
Todos ellos valen como Emuladores de Resistencia
Co
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ia
r(t) =Vo
io(t)
io(t)
Vo
IO
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
Propiedades del Emulador de Resistencia (II)
Emulador de
Resistencia Vo
vg(t)vg(t)
Vocte.
R=Vo/Io
Ioio(t)
R
r(t)
= R
2sin2(t)=
Vo
2Iosen2(t)
Co
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iaControl de los 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, Zeta y Cuk
- 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
Convertidor
CC/CC
La tensión de referencia fija la forma de onda de la corriente de entrada.Ejemplos:
Co
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iaTipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
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
vref1
Co
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iaTipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
Convertidor
CC/CCigvg
vref1 = km·vA·k1vgvref1
vA
k1vg
k1vg
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
ig
vref1
La tensión de referencia vref1 fija la forma de onda y la amplitud de la corriente de entrada
Co
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iaTipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
vA Filtro pasa-bajos
vref2
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
k2Vo
Convertidor
CC/CC
vref1
vg
k1vg
ig
ig
vref1
Vo
Co
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ia
Si vA tuviera mucho rizado, entonces vref1 no sería senoidal y la corriente de entrada estaría distorsionada
Filtrando suficientemente, vA no tiene rizado y vref1 es senoidal
Si el filtrado es insuficiente, vA tiene mucho rizado y vref1 se distorsiona
Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador
vg(t)
vA(t)
Vo(t)
Luego la corriente de entrada será senoidal
vref1
vg(t)
vA(t)
Vo(t)
vref1
Luego la corriente de entrada estará distorsionada
Co
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iaControl 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
Convertidor
CC/CC
vref
Vo
Co
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iaTopologías con Control por seguidor de tensión
Reductor-Elevador trabajando en MCD
• La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es
• El Flyback se comporta de forma similar
)t(vL2
Tddi
2
1)t(i g
2
max_Lgm
igm
Escala de frec. de red
vg(t) igm iS iLVo
Escala de frec. de conmutación
iS
iL
igm
iL_max
Co
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iaTopologías con Control por seguidor de tensión
Elevador trabajando en MCD a frecuencia constante
• La corriente de entrada no es exactamente senoidal aunque lo sea la tensión de entrada
iLigm
Escala de frec. de conmutación
igm
vg(t)
Escala de frec. de red
)t(vV
)t(vV
L2
Td)t(i
go
go2
gm
(no demostrada aquí)
igm
iL
Vo
Co
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iaTopologías con Control por seguidor de tensión
Elevador trabajando continuamente en el modo límite entre MCD y MCC
Escala de frec. de red
igmvg(t)
)t(vL2
Tdi
2
1)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
iL
Vo
)t(vV
Lit
go
max_Loff
Escala de frec. de conmutación
iL
igm
ton toff
iL_max
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
Mayores pérdidas en el MOSFET (DCM)
Co
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iaComparación de Emuladores de Resistencia
Control por multiplicador
Convertidor
CC/CC
Filtro pasa-bajos
vref2
Convertidor
CC/CC
Filtro pasa-bajos
vref2
Control como seguidor de tensión
Controlador convencional
Filtro pasa-bajos
Convertidor
CC/CC
vref
Controlador convencional
Filtro pasa-bajos
Convertidor
CC/CC
vref
