1. (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

2. 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

3. 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)

4. 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

5. 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

6. 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 : 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

7. Corrección del Factor de Potencia
Norma EN
(IEC )
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

8. 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, W)

9. Corrección del Factor de Potencia
Soluciones para cumplir la norma EN
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

10. 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 + -

11. 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

12. 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

13. 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
Clase D
Forma de onda real ig
Corrección del Factor de Potencia
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14. 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

15. (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)

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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)

28. 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)