Corrección del Factor de Potencia 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 Vg ig La potencia aparente es: S = Vgef · Igef El factor de potencia será: Factor de potencia: ?
Corrección del Factor de Potencia 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 THD = 0% Senoidal THD = 100% No Senoidal THD = 200% No Senoidal (Gp:) Factor de Cresta (Gp:) Factor de Forma Otras definiciones:
Corrección del Factor de Potencia 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 Situación actual (Gp:) ½ig½ (Gp:) vC (Gp:) ig (Gp:) CC/CC (Gp:) vC (Gp:) ½ig½ (Gp:) 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: (Gp:) ½ig½ (Gp:) vC (Gp:) ig (Gp:) CC/CC (Gp:) vC (Gp:) ½ig½ (Gp:) ig
Corrección del Factor de Potencia Problemas asociados a un alto contenido armónico Los armónicos provocados afectan a otros equipos conectados a la red y pueden incluso dañarlos (Gp:) Carga (Gp:) Equipo Electrónico Impedancia de la red Red (Gp:) Carga (Gp:) Carga ig Vg_vacío Vg_carga (Gp:) Distorsión (Gp:) Vg_carga
Corrección del Factor de Potencia 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_ef = 15 A, Vg_ef = 230 V 3450 W 2070 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: (Gp:) ig (Gp:) Vg (Gp:) ig (Gp:) Vg
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 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 Eq. portátil? Iluminación? ¿PC, TV, monitor P<600 W? Si No No No (Gp:) Clase B (Gp:) Clase C (Gp:) Clase D (Gp:) Clase A Potencia > 75 W Potencia < 16 A / fase (3680 W) Corrección del Factor de Potencia Si Si La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales Las fuentes de alimentación son, en general, Clase A o Clase D
Límites para la Clase A y la Clase D 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 (Valores eficaces)
Soluciones para cumplir la norma EN 61000-3-2 Corrección del Factor de Potencia 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
Corrección del Factor de Potencia 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) Sencillos Bajo coste (sobre todo R) Buen rendimiento (sobre todo L) Muy útiles para baja potencia Características (Gp:) ig (Gp:) Vg (Gp:) L (Gp:) C (Gp:) ig (Gp:) Vg (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) C (Gp:) R (Gp:) ig (Gp:) Vg (Gp:) + (Gp:) –
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 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 – 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 Activos Ejemplo de convertidor de una sola etapa Cualquier convertidor CC/CC con transformador Salida auxiliar conectada al transformador principal Es la que se encarga de conformar la corriente de entrada Convertidor CC/CC LF Ld (Gp:) Ld (Gp:) LF
Corrección del Factor de Potencia Circuitos Activos (Gp:) Ld (Gp:) LF (Gp:) 9 (Gp:) 5 (Gp:) 11 (Gp:) 15 (Gp:) 19 (Gp:) 23 (Gp:) 0 (Gp:) 0,1 (Gp:) 0,2 (Gp:) 0,3 (Gp:) 0,4 (Gp:) 3 (Gp:) 7 (Gp:) 13 (Gp:) 17 (Gp:) 21 (Gp:) 25 (Gp:) Armónico (Gp:) (A) (Gp:) EN 61000-3-2 (Gp:) Clase D (Gp:) Forma de onda real Resultados experimentales (prototipo de “Active Input Current Shaper” desarrollado por el Grupo SEA de la Universidad de Oviedo) ig ig
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 (Gp:) CA/CC (Gp:) Vg ig ig Vg Req Si la tensión de entrada es senoidal Corriente de entrada senoidal Son circuitos interesantes si P > 500 W Garantizan: – Bajo contenido armónico – Cumplimiento de cualquier norma – Alta extracción de potencia de la red (Gp:) ig (Gp:) Vg
Corrección del Factor de Potencia 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
Convertidor CC/CC (Emulador de resistencia) Vo io(t) Io ig(t) vg(t) Corrección del Factor de Potencia Concepto del Emulador de Resistencia vg(t)=Vgsen(wt) ig(t)=Igsen(wt) pg(t)=VgIgsen2(wt) 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: vo(t)»Vo io(t) po(t)=Voio(t) (Gp:) pg(t) (Gp:) ig(t) (Gp:) vg(t)
(Gp:) Emulador de resistencia (Gp:) Vo (Gp:) io(t) (Gp:) Io (Gp:) ig(t) (Gp:) vg(t) Corrección del Factor de Potencia Concepto del Emulador de Resistencia (Gp:) po(t) (Gp:) Po (Gp:) io(t) (Gp:) Vo (Gp:) Io 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 (Gp:) pg(t) (Gp:) ig(t) (Gp:) vg(t)
La relación de transformación m(wt) cambia desde Vo/ Vg hasta infinito m(wt)= Vo = Vo/ Vg vg(wt) çsin(wt)ç (Gp:) Vo »cte. (Gp:) Emulador de Resistencia (Gp:) Vo (Gp:) vg(wt) (Gp:) vg(wt) Corrección del Factor de Potencia Propiedades del Emulador de Resistencia (I) El convertidor que se utilice debe cumplir esta propiedad (no todos lo hacen) Elevador Reduct-Elev. / Flyback Con D = 1 el cociente es infinito
Corrección del Factor de Potencia Propiedades del Emulador de Resistencia (II) r(wt)= Vo = io(wt) (Gp:) io(t) (Gp:) Vo (Gp:) IO Vo »cte. Emulador de Resistencia Vo vg(wt) vg(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 R=Vo/Io Io io(t) R r(wt) = R 2sin2(wt) Vo 2Iosen2(wt)
Convertidor CC/CC La referencia fija la forma de la corriente de entrada Corrección del Factor de Potencia Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador vref1 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 ½ig½ ½ig½ ½ig½ vref1 vref1
Convertidor CC/CC Corrección del Factor de Potencia Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador vref1 ½ig½ ½ig½ vref1 ½k1vg½ vA (Gp:) vg (Gp:) ½k1vg½ vref1 = kmk1vA½vg½ La tensión ½k1vg½ fija la forma de onda de la tensión de referencia vref1 (Gp:) vA La tensión vA fija la amplitud de la tensión de referencia vref1 La tensión de referencia vref1 fija la forma de onda y la amplitud de la corriente de entrada
Convertidor CC/CC Corrección del Factor de Potencia Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador vref1 (Gp:) vg (Gp:) ½k1vg½ vA Filtro pasa-bajos vref2 k2Vo 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 (Gp:) ig (Gp:) ½ig½ (Gp:) vref1 Vo
Corrección del Factor de Potencia Si vA tuviera mucho rizado, entonces vref1 no sería senoidal y la corriente de entrada estaría distorsionada vg(t) vA(t) Vo(t) vg(t) vA(t) Vo(t) Luego la corriente de entrada será senoidal Si el filtro fuese ideal, vA no tendría rizado Si vA tiene mucho rizado, la corriente se distorsiona Tipos de control de Emuladores de Resistencia: Control por multiplicador vref1 vref1 Luego la corriente de entrada estará distorsionada
Corrección del Factor de Potencia 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 Es necesario implementar el filtro pasa-bajos por las mismas razones que en el caso anterior (Gp:) Controlador convencional (Gp:) Filtro pasa-bajos (Gp:) Convertidor CC/CC (Gp:) vref Vo
igm (Gp:) igm (Gp:) iS (Gp:) iL Corrección del Factor de Potencia Topologías con Control por seguidor de tensión Reductor-Elevador trabajando en MCD Escala de frec. de conmutación La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es El Flyback se comporta de forma similar (Gp:) iS (Gp:) iL (Gp:) ½igm½ Escala de frec. de red vg(wt) Vo
Corrección del Factor de Potencia Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando en MCD a frecuencia constante igm iL La corriente de entrada no es exactamente senoidal aunque lo sea la tensión de entrada (Gp:) iL ½igm½ (Gp:) igm (Gp:) vg(wt) Escala de frec. de conmutación Escala de frec. de red (no demostrada aquí) Vo
Corrección del Factor de Potencia Topologías con Control por seguidor de tensión Elevador trabajando continuamente en el modo límite entre MCD y MCC Escala de frec. de conmutación Escala de frec. de red igm vg(wt) (Gp:) iL (Gp:) ½igm½ (Gp:) ton (Gp:) toff Conclusiones: La corriente de entrada es senoidal si la tensión lo es La frecuencia es variable, ya que toff depende de vg(wt) (Gp:) igm (Gp:) iL (Gp:) Vo
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 Muchas pérdidas en el MOSFET (DCM) Corrección del Factor de Potencia Comparación de Emuladores de Resistencia Control por multiplicador Control como seguidor de tensión