(Corrección del Factor de Potencia) 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

CC/CC Corrección del Factor de Potencia vC ½ig½ ig ½ig½ vC ig 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. 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 Corrección del Factor de Potencia ½ig½ vC ig CC/CC vC 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: Corrección del Factor de Potencia Factor de Potencia (FP): (siempre válida) Sólo en régimen senoidal: (no vale en este caso)

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

ig 3450 W 2070 W ig Vg Corrección del Factor de Potencia Vg Si el FP es bajo, la potencia disponible en cada toma de corriente es menor que la nominal, que corresponde a un consumo senoidal 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 Ig_ef = 15 A, Vg_ef = 230 V Corrección del Factor de Potencia 3450 W Si en otra aplicación la corriente no es senoidal y/o no está en fase con la tensión (FP¹1), la potencia máxima que se puede obtener de esa instalación depende del FP. Supongamos que el FP=0,6; entonces: ig Vg 2070 W

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 (y en todo el mundo): Corrección del Factor de Potencia 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

Corrección del Factor de Potencia Norma EN 61000-3-2 (IEC 61003-2) Potencia > 75 W Potencia < 16 A / fase (3680 W) Eq. portátil? Si Clase B La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales Las fuentes de alimentación son, en general, Clase A o Clase D No Iluminación? Si Corrección del Factor de Potencia Clase C No ¿PC, TV, monitor P<600 W? Si Clase D No Clase A

Corrección del Factor de Potencia Límites para la Clase A y la 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 Corrección del Factor de Potencia (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)

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 Corrección del Factor de Potencia 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

ig L ig C ig R C Vg Corrección del Factor de Potencia + Vg - + Vg - Circuitos 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) L C ig Vg + - ig Vg Corrección del Factor de Potencia Características Sencillos Bajo coste (sobre todo R) Buen rendimiento (sobre todo L) Muy útiles para baja potencia Pero pesados y voluminosos (L) o disipativos (R) C R ig Vg + -

Corrección del Factor de Potencia 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 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 Corrección del Factor de Potencia 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

Corrección del Factor de Potencia Circuitos 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 LF Ld Convertidor CC/CC Cualquier convertidor CC/CC con transformador o bobina de varios devanados Corrección del Factor de Potencia Ld LF Ejemplo basado en un convertidor de retroceso

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

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/CC Vg ig ig Vg Req Corrección del Factor de Potencia Si la tensión de entrada es senoidal Corriente de entrada senoidal ig Vg Garantizan: - Bajo contenido armónico - Cumplimiento de cualquier norma - Alta extracción de potencia de la red

(Emulador de Resistencia) 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) Corrección del Factor de Potencia vg(t) Ecuaciones: ig(t) vg(t)=Vgsen(wt) pg(t)=VgIgsen2(wt) ig(t)=Igsen(wt) pg(t) vo(t)»Vo po(t)=Voio(t) io(t)

io(t) = po(t)/Vo = pg(t)/Vo = VgIgsen2(wt)/Vo = 2Iosen2(wt) 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 Corrección del Factor de Potencia Vo pg(t) ig(t) vg(t) io(t) Io po(t) Po

Emulador de Resistencia Propiedades del Emulador de Resistencia (I) Vo »cte. Emulador de Resistencia Vo vg(wt) m(wt) = Vo = Vo/ Vg vg(wt) çsin(wt)ç Corrección del Factor de Potencia 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) Con d = 1 el cociente es infinito Elevador Reduct.-Elev., Flyback, SEPIC Zeta y Cuk Todos ellos valen como Emuladores de Resistencia

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

Corrección del Factor de Potencia Control 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 Corrección del Factor de Potencia - 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

Corrección del Factor de Potencia 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 vref1 Corrección del Factor de Potencia La tensión de referencia fija la forma de onda de la corriente de entrada. Ejemplos: ½ig½ vref1 ½ig½ vref1

vref1 = km·vA·½k1vg½ vA vg ½ig½ ½k1vg½ ½k1vg½ Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Convertidor CC/CC ½ig½ vg vref1 vA ½k1vg½ ½k1vg½ La tensión ½k1vg½fija la forma de onda de la tensión de referencia vref1 vref1 = km·vA·½k1vg½ Corrección del Factor de Potencia vA La tensión vA fija la amplitud de la tensión de referencia vref1 ½ig½ vref1 La tensión de referencia vref1 fija la forma de onda y la amplitud de la corriente de entrada

vA vg ig ½k1vg½ Corrección del Factor de Potencia Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Convertidor CC/CC vref1 vg ½k1vg½ ig ½ig½ Vo Filtro pasa-bajos vref2 k2Vo Corrección del Factor de Potencia vA 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

Corrección del Factor de Potencia 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 Filtrando suficientemente, vA no tiene rizado y vref1 es senoidal Si el filtrado es insuficiente, vA tiene mucho rizado y vref1 se distorsiona 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 Corrección del Factor de Potencia

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

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

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

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

Corrección del Factor de Potencia Comparación de Emuladores de Resistencia Control por multiplicador Control como seguidor de tensión 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 Mayores pérdidas en el MOSFET (DCM)