SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN
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Sistemas Electrónicos para iluminación
Grupo de Electrónica Industrial Jesús Cardesín Miranda
SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN
PARTE V: CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
REDELÉCTRICA
CONSUMO DE CORRIENTE
LOS BALASTOS ELECTRÓNICOS SON CARGAS NO LINEALES.
(FUENTE MUY IMPORTANTE DE INTERFERENCIAS)
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v
I t
v
I t
v
I t
LA ETAPA DE ENTRADA DEL BALASTO ELECTRÓNICO TIENE UN EFECTO IMPORTANTE EN LA FORMA DE LA CORRIENTE
¡¡IMPORTANTE!!
LA CORRIENTE DEJA DE SER SENOIDAL
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¿Equipo trifásico equilibrado?
¿Regulador de luz de lámparas incand.?
¿Equipo de audio?
¿Soldadura por arco no profesional?
¿Herramienta portátil?
¿Equipo de iluminación?
¿PC o monitor?
¿Receptor de TV?
CLASE A
CLASE B
CLASE C
CLASE D
IEC 61000-3-2
NO
NO
NO
NO
SI
SI
SI
SI
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Límites armónicos impuestos por la norma IEC 61000-3-2 Clase C
(Equipos de Iluminación)
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CO
NT
RO
L
Elevador (BOOST)como PFC
v
I t
•Con el control adecuado se puede emular el comportamiento de una resistencia.
•Tensiones de bus elevadas (p.e. 400 V)
CO
NT
RO
L
Reductor (BUCK)como PFC
v
I t
•Siempre existen zonas muertas en la forma de corriente.•Con ángulos de conducción mayores de 130º se puede cumplir la normativa.
•Tensiones de bus pequeñas (p.e. 120 V)
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Control de corriente promediado (UC3854).
CONVERTIDOR
ELEVADOR
(CCM)V
o
O
Filtro
Pasabajos
CB
Vrefv
-
VC
Vrefi
-
+
- Doble lazo de regulación: tensión y corriente.- INCONVENIENTES: - Multiplicador analógico.
- Lazo de tensión lento.
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Diagrama funcional de conexionado
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Implementación.
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CONV. ELEVADOR
UC3854
Ejemplo 400V-250W
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+
+
-
+400 V
Masa
Tierra
IC2
MC34262P
8 5
7
4
126
3FASE
NEUTRO
TIERRA
Filtro EMI
Corrector PFCBoost trabajando en la frontera CCM/DCM
Integrado especializado MC 34262 P
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El convertidor opera en la frontera entre DCM y CCM.
(Esfuerzos de corriente elevados).
El valor medio es siempre proporcional a la tensión de entrada.
(Emulador de resistencia).
tON=cte.
Frecuencia de conmutación variable.
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Ejemplo de aplicación
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Pasos de diseño
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Pasos de diseño
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Control como seguidor de tensión.
CONVERTIDOR
CC/CC
(DCM)V
o
Filtro
Pasabajos
CB
Vref
-Verrv
Control
PWM
+
- Lazo de regulación UNICO: tensión.- VENTAJA: - Simplicidad.- INCONVENIENTES: - Elevados esfuerzos de corriente, (DCM)
- Lazo de tensión lento.
- Funcionamiento:DCM.
- fC =cte.
- D=cte.
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Convertidores válidos operando en DCM:
- Flyback. Corriente de entrada senoidal).
- SEPIC. (Corriente de entrada senoidal).
- Reductor (BUCK). (Corriente de entrada NO senoidal).C
ON
TR
OL
v
I t
•Siempre existen zonas muertas en la forma de corriente.
•Con ángulos de conducción mayores de 130º se puede cumplir la normativa.
•Tensiones de bus pequeñas (p.e. 120 V)
Reductor (BUCK) como PFC:
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El integrado puede ser uno estándar PWM: p.e. UC3525
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Diagrama de bloques
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Ejemplo de diseñoEtapa de potencia:
CO
NT
RO
L
v
I t
L
Cbus
Vbus
220V-240Vrms
(±20%, 50Hz)
Especificaciones:
Tensión europea, Ve:
(220V-240Vrms, ±20%, 50Hz).
Vbus.
Pbusmax.
Funcionamiento en DCM (PFC).
Frecuencia de conmutación (fC).
El prerregulador corrector del factor de potencia se diseñará para operar SIEMPRE en DCM a lo largo del ciclo de red.
Se diseñará en las condiciones más desfavorables para el funcionamiento en DCM:
Vemin = 0,8*220V = 176Vrms
2 =80%
Pbusmax= (1,1*PLA)/ 2
Vbus
C
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10.000 S = 500 . 20 S (fRED = 50 Hz)
20 S (fOSC = 50 KHz)
Forma de corriente
iL(t)
HIPÓTESIS: Tensión de entrada constante para de cada ciclo de conmutación.
Razonable si fOSC >> fRED
ue(t)ue(t)
Forma de corriente
ie(t)
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FORMAS DE ONDA DE LA CORRIENTE DE ENTRADA:Operación en DCM
RED
ENVOLVENTEDE MÁXIMOS
VALORPROMEDIADO
ie(t)
C
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Ejemplo de diseño
Funcionamiento en DCM a alta frecuencia:
S
ue
L
iL(t)
Vbus
ie(t) I
bus
vL
+
-
L
iL(t)
Vbus
iD(t)
Ibus
vL
+
-D
Interruptor cerrado (ON):
Interruptor abierto (OFF):ie(t)
DTT
ON OFF
MANDO
iL(t)
iD(t)
D'T
uL(t)
ue-V
bus
-Vbus
C
BUSeeavg
fL
DVVi
2
2
BUSC
eBUSeBUSLavg
VfL
DVVVii
2
2
BUSC
BUSeDavg
VfL
DVVi
2
22
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Ejemplo de diseño
Como la tensión de entrada es senoidal, las formas de onda de las corrientes medias, evolucionarán en el tiempo:
1
2
2
2)(
2
bus
e
C
eLavg
V
tsenV
fL
DtsenVti
bus
bus
bus
e
C
eCavg
V
P
V
tsenV
fL
DtsenVti
1
2
2
2)(
2
busLavgCavg Iiti )(
C
eeavg
fL
DVbustsenVti
2
2)(
2Entrada:
Bobina:
Condensador:iL(t) I
bus
iC(t)
Cbus
L
22
CC t
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Ejemplo de diseño
La potencia entregada a la salida será:
2
2
0
11C
C
φπ
φπ
eeavg
π
eeavgbus t)d(ωt)(ωvt)(ωiπ
t)d(ωt)(ωvt)(ωiπ
P
C
CCebus
fL
senVDP
2
)(22
operando:
Ángulo de conducción, C:
e
busC
V
Varcsen
22 (en radianes).
¿fC, D y L?
busC
e VsenV
)2
(2
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Ejemplo de diseño
v
I t
Interesa que los esfuerzos de corriente sean lo mínimos posible y que siempre funcione en DCM y D=Cte.
En el momento de cresta debe estar en frontera DCM-CCM:
D =cte
iL(t)
iLavg
(t) C
Ciclo de trabajo, D:
eMIN
busCCMMAX
V
VDD
2Al operar en CCM:
Cbus
CCbus
fP
senVL
4
)(2
Con lo que se puede obtener la L necesaria para entregar una determinada potencia y para el DMAX:
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Ejemplo de diseño
El condensador se calcula según unas especificaciones de rizado, DUC:
iCavg
(t)
iLavg
(t)
uC(t)
2
UC
busLavgCavg Ititi )()(
tdtiC
U Cavg
bus
C
2
1
)(1
Esfuerzos máximos de tensión en los semiconductores:
Transistor:
Diodo:
121 ;0)( tiCavg
eds VV 2max
edinv VV 2max
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Ejemplo de diseño
ReguladorAe(s)
MODULADOR PWM1/Vm
CONVERTIDORBUCKAC(s)
REALIMENTACIÓN
d+
-
REFERENCIA
Gbc(s)
"Divisor resistivo"
"Regulador PID"
VC VBUS
ES NECESARIO REGULAR LA TENSIÓN DE SALIDA.
CUANDO LA POTENCIA DISMINUYE ES NECESARIO DISMINUIR EL CICLO DE TRABAJO (d) PARA ESTABILIZAR LA TENSIÓN DEL BUS
REGULACIÓN:
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Ejemplo de diseñoEtapa de control:
CONV.
BUCK
DRIVER
PWM
+Ucc
-Ucc
UREF
Ve
UC3525
C2 C
1R1
R2
R1
CBUS
RBUS
(regulador)V
m
- Función de transferencia de la etapa de potencia:
Gbc(s)=(Vbus/VC) Ve=0
- Diseño del regulador.
- Diseño del driver con aislamiento galvánico.
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Ejemplo de diseño
Función de transferencia de la etapa de potencia: Gbc(s)=(Vbus/VC) Ve=0
busobus
busocbc
RrCs
RrgsG
//1
//)(
)(2
cc
mbus
seC sen
VVL
DTVg
22
22
22
11
busebus
se
bus
bus
o VVVL
DTV
V
P
r
donde:
- 40
- 20
0
20
40
60
dB
Gbc
(s)
0,01 0,1 1 10 100 1k
Hz
10k
Ejemplo:
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Ejemplo de diseño
Diseño del regulador:
- Estabilidad a lo largo de la vida útil de la lámpara (MF = 45º).
- Reducido ancho de banda, (10-20Hz).
- Error de posición nulo (acción integral).
Topología del regulador:
Vbus
Vref
R1
C1
C2
Vc
Función de transferencia:
21
2112111
11
1)(
1)(
CC
CCSRCCSR
CSRsAe
fZ
fP
112
1
CRfZ
21
2112
1
CC
CCR
fP
R11.^ ^
2111 // RRR
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Ejemplo de diseño
Diseño del lazo de realimentación:
- La ganancia de lazo,H(s) = Gbc(s)··Ae(s), debe ser la de un integrador pasando por 0 dB con un margen de fase de 45º.
- 180
- 135
H(s)
·Ae(s)
0,1 1 10 100 1k
Hz
grados
(fase)
- 80
- 60
- 40
- 20
0
20
40
60
80
H(s)
·Ae(s)
dB
0,1 1 10 100 1k
Hz
(magnitud)
- 90
- 45
0
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Ejemplo de diseño
Driver con aislamiento:
+Vcc
n
n
n
D1 D2
D3 D4
D5
D6
D7
D8
R1
R2
S2D9
S1
SALIDA A
SALIDA B
D1...D8: 1N4148
D9: zener 18V
R1: 18
R2: 5k6
S2: BC557
n: 22 (E10)