Tema 5: Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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Tema 5: Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia Grupo de Sistemas Electrónicos de Alimentación (SEA) SEA_uniovi_CFP_00 Universida d de Oviedo Área de Tecnología Electrónica

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Grupo de Sistemas Electrónicos de Alimentación (SEA). Universidad de Oviedo. Área de Tecnología Electrónica. Tema 5: Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia. SEA_uniovi_CFP_00. v C. ½ i g ½. i g. ½ i g ½. CC/CC. v C. i g. Situación actual. - PowerPoint PPT Presentation

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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

Page 2: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 3: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 4: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

SEA_uniovi_CFP_03

Page 5: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 6: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 7: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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)

SEA_uniovi_CFP_06

Page 8: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

SEA_uniovi_CFP_07

Page 9: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

SEA_uniovi_CFP_08

Page 10: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 11: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 12: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 13: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 14: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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)

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Page 15: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 16: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 17: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 18: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

SEA_uniovi_CFP_17

Page 19: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 20: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 21: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

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Page 22: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

Page 23: Tema 5:  Convertidores CA/CC con Corrección del Factor de Potencia

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

SEA_uniovi_CFP_22