Universidad de Oviedo Leccin 7 Convertidores CACC monofsicos

Universidad de Oviedo Lección 7 Convertidores CA/CC monofásicos con baja inyección de armónicos en red (Corrección del Factor de Potencia) Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia 4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

Situando el problema 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. Corrección del Factor de Potencia • 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 v. C ½ig½ ig v. C CC/CC ½ig½ ig La corriente de entrada no es senoidal

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: Factor de Potencia (FP): Sólo en régimen senoidal: (siempre válida) (no vale en este caso)

Problemas asociados a un alto contenido armónico Los armónicos provocados afectan a otros equipos conectados a la red y pueden incluso dañarlos Corrección del Factor de Potencia ig Equipo Electrónico Impedancia de la red Distorsión Vg_carga Carga Vg_vacío Carga Red Vg_carga Carga

Si el FP es bajo, la potencia disponible en cada toma de corriente es menor que la nominal, que corresponde a un consumo senoidal Corrección del Factor de Potencia 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: Vg Ig_ef = 15 A, Vg_ef = 230 V ig 3450 W Si en otra aplicación la corriente no es senoidal y/o no está en fase con la tensión (FP¹ 1), la potencia máxima que se puede obtener de esa instalación depende del FP. Supongamos que el FP=0, 6; entonces: Vg ig 2070 W

Normas sobre CFP El problema es realmente grave Normativa internacional para limitar el contenido armónico en la red Corrección del Factor de Potencia 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 • Potencia > 75 W (IEC 61003 -2) Corrección del Factor de Potencia Eq. portátil? • Potencia < 16 A / fase (3680 W) Si Clase B • La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales No Iluminación? Si Clase C No ¿PC, TV, monitor P<600 W? Si Clase D No Clase A • Las fuentes de alimentación son, en general, Clase A o Clase D

Corrección del Factor de Potencia Límites para la Clase A y la Clase D Armónico Clase A [A] Clase D [m. A/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 (Valores eficaces) Importante: • Los límites de la Clase A son absolutos [A] • Los límites de la Clase D son relativos [m. A/W] • Como consecuencia, la Clase D es mucho más estricta en potencias relativamente pequeñas (por ejemplo, 100 -400 W)

Soluciones para cumplir la norma EN 61000 -3 -2 • No es necesario tener una corriente de entrada senoidal para cumplir la norma Corrección del Factor de Potencia • 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

Circuitos Pasivos • Idea básica: interponer una impedancia entre el rectificador y el condensador para suavizar la corriente de entrada Corrección del Factor de Potencia • Las impedancias más sencillas a colocar son las bobinas y / o las resistencias, estas últimas para potencias bajas (<200 W) ig + - L Vg ig Vg C Características ig + - Vg • Sencillos • Bajo coste (sobre todo R) R • Buen rendimiento (sobre todo L) C • Muy útiles para baja potencia • Pero pesados y voluminosos (L) o disipativos (R)

Circuitos 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 Corrección del Factor de Potencia • Hay gran cantidad de circuitos activos de este tipo. Los dos grupos más importantes son: - 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 Circuitos 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 Activos: Ejemplo Corrección del Factor de Potencia LF Ejemplo de conformador de corriente de entrada y convertidor CC/CC en una única etapa • Salida auxiliar conectada al transformador principal Ld • Es la que se encarga de conformar la corriente de entrada Convertidor CC/CC Cualquier convertidor CC/CC con transformador o bobina de varios devanados LF Ejemplo basado en un convertidor de retroceso Ld

Circuitos Activos: Ejemplo LF Ld Resultados experimentales Corrección del Factor de Potencia (prototipo de “Active Input Current Shaper” desarrollado por el Grupo SEA de la Universidad de Oviedo) ig (A) 0, 4 ig EN 61000 -3 -2 Clase D 0, 3 0, 2 0, 1 Forma de onda real 0 3 5 7 9 Armónico 11 13 15 17 19 21 23 25 Interesados visitar: http: //www. unioviedo. es/sebas/Pagina_web_personal/Investigacion/Curriculum/Publicaciones/Revistas_IEE E_con_menu. htm

Circuitos Activos Emuladores de Resistencia Corrección del Factor de Potencia Son convertidores que, vistos desde la red, emulan el comportamiento de una resistencia: la corriente que demandan es proporcional a la tensión aplicada ig Vg ig CA/CC Si la tensión de entrada es senoidal ig Vg Vg Req Corriente de entrada senoidal • Garantizan: - Bajo contenido armónico - Cumplimiento de cualquier norma - Alta extracción de potencia de la red

Concepto del Emulador de Resistencia io(t) ig(t) Corrección del Factor de Potencia vg(t) Convertidor CC/CC (Emulador de Resistencia) Io Vo 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) vg(t) ig(t) pg(t) Ecuaciones: vg(t)=Vgsen(wt) ig(t)=Igsen(wt) vo(t)» Vo io(t) pg(t)=Vg. Igsen 2(wt) po(t)=Voio(t)

Corrección del Factor de Potencia Concepto del Emulador de Resistencia 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 = Vg. Igsen 2(wt)/Vo = 2 Iosen 2(wt) siendo: Io = Vg. Ig/(2 Vo) = Vgef. Igef/Vo = Pg/Vo vg(t) ig(t) pg(t) io(t) Vo Io po(t) Po

Propiedades del Emulador de Resistencia (I) Corrección del Factor de Potencia vg(wt) m(wt) = Vo V » cte. o Emulador de Resistencia Vo vg(wt) = Vo / V g çsin(wt)ç La relación de transformación m(wt) cambia desde Vo/ Vg hasta infinito El convertidor que se utilice debe cumplir esta propiedad • Elevador • Reduct. -Elev. , Flyback, SEPIC Zeta y Cuk (no todos lo hacen) Con d = 1 el cociente es infinito Todos ellos valen como Emuladores de Resistencia

Propiedades del Emulador de Resistencia (II) Corrección del Factor de Potencia vg(wt) io(t) vg(wt) Vo » cte. Emulador de Resistencia Vo R R=Vo/Io r(wt) Vo io(t) Io IO r(wt) = Vo io(wt) = Vo 2 Io sen 2(wt) = R 2 sin 2(wt) La carga resistiva que ve el convertidor, r(wt), 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

Control de los Emuladores de Resistencia Hay dos formas de conseguir que un convertidor se comporte como Emulador de Resistencia: Corrección del Factor de Potencia - 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

Tipos 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 Corrección del Factor de Potencia ½ig½ vref 1 ½ig½ Convertidor CC/CC La tensión de referencia fija la forma de onda de la corriente de entrada. Ejemplos: vref 1 ½ig½

Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador ½ig½ Corrección del Factor de Potencia vg Convertidor CC/CC ½k 1 vg½ vref 1 La tensión ½k 1 vg½fija la forma de onda de la tensión de referencia vref 1 ½ig½ v. A vref 1 = km·v. A·½k 1 vg½ v. A La tensión v. A fija la amplitud de la tensión de referencia vref 1 La tensión de referencia vref 1 fija la forma de onda y la amplitud de la corriente de entrada

Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador ½ig½ vg Convertidor CC/CC Corrección del Factor de Potencia ig Vo ½k 1 vg½ k 2 V o vref 1 v. A Filtro pasa-bajos vref 2 Se implementa un segundo lazo de realimentación que obliga a que la tensión de control v. A 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

Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Si v. A tuviera mucho rizado, entonces vref 1 no sería senoidal y la corriente de entrada estaría distorsionada Corrección del Factor de Potencia Filtrando suficientemente, v. A no tiene rizado y vref 1 es senoidal Si el filtrado es insuficiente, v. A tiene mucho rizado y vref 1 se distorsiona vg(t) Vo(t) v. A(t) vref 1 Luego la corriente de entrada será senoidal Luego la corriente de entrada estará distorsionada

Control por seguidor de tensión Corrección del Factor de Potencia 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 Convertidor CC/CC Vo Controlador convencional Es necesario implementar el filtro pasa-bajos por las mismas razones que en el caso anterior Filtro pasa-bajos vref

Topologías con Control por seguidor de tensión Reductor-Elevador trabajando en MCD Corrección del Factor de Potencia vg(wt) igm i. S i. L_max Escala de frec. de red i. S Vo i. L ½igm½ Escala de frec. de conmutación • La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es • El Flyback se comporta de forma similar

Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando en MCD a frecuencia constante Corrección del Factor de Potencia vg(wt) igm Escala de frec. de red igm i. L Vo ½igm½ Escala de frec. de conmutación (no demostrada aquí) • La corriente de entrada no es exactamente senoidal aunque lo sea la tensión de entrada

Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando continuamente en el modo límite entre MCD y MCC Corrección del Factor de Potencia vg(wt) igm Escala de frec. de red igm Vo i. L ½igm½ i. L_max ton toff Escala de frec. de conmutación Conclusiones: • La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es • La frecuencia es variable, ya que toff depende de vg(wt)

Comparación de Emuladores de Resistencia Corrección del Factor de Potencia Control por multiplicador C C C D D D Puede trabajar con más topologías Corriente de entrada senoidal Pérdidas más bajas en el transistor (MCC) Sensor de corriente Multiplicador Más caro Control como seguidor de tensión C C D D D 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)