Lección 9

1. Universidad de Oviedo Lección 9 Corrección del Factor de Potencia Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

2. Definiciones Hasta los años 70, las cargas conectadas a la red eran mayoritariamente lineales (R, L, C) • Iluminación incandescente: R • Motores: R-L • Hornos: R La corriente demandada era básicamente senoidal Debido a la presencia de la componente inductiva la corriente estaba desfasada pero era bastante senoidal Corrección del Factor de Potencia Vg Factor de potencia: ig La potencia aparente es:S = Vgef · Igef  El factor de potencia será:

3. Factor de Cresta Factor de Forma • Tradicionalmente (consumos senoidales provocados por cargas lineales) se ha asociado el FP al cos • Para mejorar el FP, el método usado era instalar baterías de condensadores para compensar el efecto inductivo • Este método se sigue usando hoy en día en instalaciones industriales con gran cantidad de motores instalados Distorsión armónica total (DAT) Total Harmonic Distortion (THD) Da una idea de lo cercana que está una forma de onda a una senoide Corrección del Factor de Potencia THD = 0% Senoidal THD = 100% No Senoidal THD = 200% No Senoidal Otras definiciones:

4. 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 Corrección del Factor de Potencia La corriente de entrada no es senoidal

5. vC ½ig½ ig ½ig½ CC/CC vC ig 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:

6. 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 Corrección del Factor de Potencia Vg_vacío Red Vg_carga

7. Vg ig Vg ig La potenciadisponible 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_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: 2070 W

8. 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 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

9. 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 Corrección del Factor de Potencia Iluminación? No ¿PC, TV, monitor P<600 W? Si No

10. Límites para la Clase A y la Clase D 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)

11. 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

12. R L Vg ig ig C C + Vg - ig + 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 (<200W) Corrección del Factor de Potencia Características • Sencillos • Bajo coste (sobre todo R) • Buen rendimiento (sobre todo L) • Muy útiles para baja potencia

13. 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 de una sola 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

14. Ld LF Circuitos Activos Ejemplo de convertidor de una sola 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 Corrección del Factor de Potencia

15. (A) 0,4 EN 61000-3-2 Clase D 0,3 0,2 0,1 Forma de onda real 0 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Armónico Ld LF Circuitos Activos Resultados experimentales (prototipo de “Active Input Current Shaper” desarrollado por el Grupo SEA de la Universidad de Oviedo) ig Corrección del Factor de Potencia ig

16. 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 Corrección del Factor de Potencia 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

17. 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) 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

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

19. 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 Corrección del Factor de Potencia

20. vg(wt) vg(wt) Vo Vo »cte. Emulador de Resistencia Propiedades del Emulador de Resistencia (I) Vo/ Vg Vo m(wt)= = Corrección del Factor de Potencia 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

21. 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 Corrección del Factor de Potencia 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

22. 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 Corrección del Factor de Potencia La referencia fija la forma de la corriente de entrada vref1 vref1 vref1 ½ig½ ½ig½

23. vg ½k1vg½ vA Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Convertidor CC/CC ½ig½ ½k1vg½ vref1 = kmk1vA½vg½ vref1 Corrección del Factor de Potencia 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

24. vg ig ½ig½ ½k1vg½ vref1 Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador Convertidor CC/CC Vo k2Vo Corrección del Factor de Potencia 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

25. 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) Corrección del Factor de Potencia Vo(t) Vo(t) vA(t) vA(t) vref1 vref1 Luego la corriente de entrada estará distorsionada Luego la corriente de entrada será senoidal

26. 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 Corrección del Factor de Potencia Es necesario implementar el filtro pasa-bajos por las mismas razones que en el caso anterior

27. igm iS iL iL iS ½igm½ Topologías con Control por seguidor de tensión Reductor-Elevador trabajando en MCD vg(wt) igm Vo Corrección del Factor de Potencia 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

28. vg(wt) igm iL Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando en MCD a frecuencia constante igm Vo iL Corrección del Factor de Potencia 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

29. 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 Corrección del Factor de Potencia 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)

30. Comparación de Emuladores de Resistencia Control como seguidor de tensión Control por multiplicador Corrección del Factor de Potencia • 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