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

1. 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

2. vC ½ig½ ig ½ig½ CC/CC vC ig Situación actual 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 SEA_uniovi_CFP_01

3. vC ½ig½ ig ½ig½ CC/CC vC ig • 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: SEA_uniovi_CFP_02

4. Equipo Electrónico Distorsión Carga Carga Carga Vg_carga Problemas asociados a un alto contenido armónico Los armónicos provocados afectan a otros equipos conectados a la red y pueden incluso dañarlos ig Impedancia de la red Vg_vacío Red Vg_carga SEA_uniovi_CFP_03

5. Normas sobre CFP Normativa internacional para limitar el contenido armónico en la red El problema es realmente grave 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

6. Clase B Clase A Clase D Clase C Norma EN 61000-3-2 • Potencia > 75 W • Potencia < 16 A / fase (3680 W) Si Eq. portátil? • La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales • Las fuentes de alimentación son, en general, Clase A o Clase D No Si Iluminación? No ¿PC, TV, monitor P<600 W? Si No SEA_uniovi_CFP_05

7. Límites para la Clase A y la Clase D (Valores eficaces) • 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) SEA_uniovi_CFP_06

8. 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

9. Vg CA/CC Vg ig 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 ig ig Vg Req Corriente de entrada senoidal Si la tensión de entrada es senoidal • Son circuitos interesantes si P > 500 W • Garantizan: • - Bajo contenido armónico • - Cumplimiento de cualquier norma • - Alta extracción de potencia de la red SEA_uniovi_CFP_08

10. 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

11. vg(t) ig(t) pg(t) Concepto del Emulador de Resistencia io(t) Io ig(t) Convertidor CC/CC (Emulador de resistencia) Vo 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: vg(t)=Vgsen(wt) pg(t)=VgIgsen2(wt) ig(t)=Igsen(wt) vo(t)»Vo po(t)=Voio(t) io(t) SEA_uniovi_CFP_10

12. io(t) Io ig(t) Emulador de resistencia Vo vg(t) vg(t) Vo ig(t) io(t) Io pg(t) po(t) Po 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 = VgIgsen2(wt)/Vo = 2Iosen2(wt) siendo: Io = VgIg/(2Vo) = VgefIgef/Vo = Pg/Vo SEA_uniovi_CFP_11

13. vg(wt) vg(wt) Vo Vo »cte. Emulador de Resistencia Propiedades del Emulador de Resistencia (I) Vo/ Vg Vo m(wt)= = vg(wt) çsin(wt)ç La relación de transformación m(wt) cambia desde Vo/ Vg hasta infinito El convertidor que se utilice debe cumplir esta propiedad (no todos lo hacen) Elevador Con D = 1 el cociente es infinito Reduct-Elev. / Flyback SEA_uniovi_CFP_12

14. Vo io(t) IO Propiedades del Emulador de Resistencia (II) io(t) Io vg(wt) vg(wt) Vo »cte. Emulador de Resistencia R Vo R=Vo/Io r(wt) Vo R Vo r(wt)= = = io(wt) 2Iosen2(wt) 2sin2(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 SEA_uniovi_CFP_13

15. 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 Convertidor CC/CC ½ig½ La referencia fija la forma de la corriente de entrada vref1 vref1 vref1 ½ig½ ½ig½ SEA_uniovi_CFP_14

16. vg ½k1vg½ vA Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Convertidor CC/CC ½ig½ ½k1vg½ vref1 = kmk1vA½vg½ vref1 La tensión ½k1vg½ fija la forma de onda de la tensión de referencia vref1 vA La tensión vA fija la amplitud de la tensión de referencia vref1 vref1 La tensión de referencia vref1 fija la forma de onda y la amplitud de la corriente de entrada ½ig½ SEA_uniovi_CFP_15

17. vg ig ½ig½ ½k1vg½ vref1 Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Convertidor CC/CC Vo k2Vo vref1 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 SEA_uniovi_CFP_16

18. Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Si vA tuviera mucho rizado, entonces vref1 no sería senoidal y la corriente de entrada estaría distorsionada Si vA tiene mucho rizado, la corriente se distorsiona Si el filtro fuese ideal, vA no tendría rizado vg(t) vg(t) Vo(t) Vo(t) vA(t) vA(t) vref1 vref1 Luego la corriente de entrada estará distorsionada Luego la corriente de entrada será senoidal SEA_uniovi_CFP_17

19. Convertidor CC/CC Controlador convencional Filtro pasa-bajos vref 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 Vo Es necesario implementar el filtro pasa-bajos por las mismas razones que en el caso anterior SEA_uniovi_CFP_18

20. igm iS iL iL iS ½igm½ Topologías con Control por seguidor de tensión Reductor-Elevador trabajando en MCD vg(wt) igm Vo Escala de frec. de red Escala de frec. de conmutación • La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es • El Flyback se comporta de forma similar SEA_uniovi_CFP_19

21. vg(wt) igm iL Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando en MCD a frecuencia constante igm Vo iL ½igm½ Escala de frec. de red Escala de frec. de conmutación (no demostrada aquí) • La corriente de entrada no es exactamente senoidal aunque lo sea la tensión de entrada SEA_uniovi_CFP_20

22. igm Vo iL ½igm½ iL ton toff Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando continuamente en el modo límite entre MCD y MCC vg(wt) igm Escala de frec. de red Escala de frec. de conmutación • Conclusiones: • La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es • La frecuencia es variable, ya que toffdepende de vg(wt) SEA_uniovi_CFP_21

23. Comparación de Emuladores de Resistencia Control como seguidor de tensión Control por multiplicador • 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) • Puede trabajar con más topologías • Corriente de entrada senoidal • Pérdidas más bajas en el transistor (MCC) • Sensor de corriente • Multiplicador • Más caro SEA_uniovi_CFP_22