TOE-50: Correção do fator de potência para cargas não lineares · Operação como PFP –...

TOE-50: Correção do fator de

potência para cargas não lineares

Prof. Cassiano Rech

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1

Capítulo 4

• Correção ativa do fator de potência

Principais métodos utilizados

Conversor boost em modo de condução descontínua

Conversor boost em modo de condução contínua

2 Prof. Cassiano Rech

• O conversor boost operando no modo de condução descontínua pode

operar como pré-regulador de fator de potência

• Neste modo de operação, a corrente no indutor é nula durante uma

parte do período de comutação

• O circuito opera com uma freqüência de comutação constante e a

amplitude da tensão de saída é determinada pela razão cíclica do

interruptor

• A razão cíclica é calculada a partir da realimentação da tensão de saída

e de um controlador proporcional-integral (PI), via modulação por

largura de pulso (PWM)

• A malha de corrente é dispensada neste modo de operação, pois a

forma de onda da corrente no indutor seguirá naturalmente a forma de

onda da tensão de entrada 3 Prof. Cassiano Rech

Introdução


Conversor boost:

Estrutura básicas

• Diferentes representações do conversor boost

Vin S

Db

R

L iL io

+

Vo

_

C

iD

iS

Vin S

Db L iL iD

Vo

iS

S

Db

IL

iD

Vo

iS


Boost em condução descontínua:

Tensão CC

1ª ETAPA: Carga do indutor

t0 ≤ t ≤ t1 (0 ≤ t ≤ ton)

Lin

diV L

dt

inL

Vi t t

L

Vin S

Db L iL iD

Vo

iS

No instante t0, o interruptor S entra em

condução. Durante esta etapa, o indutor L

armazena energia proveniente da fonte Vin.

A corrente no indutor cresce linearmente

até atingir seu valor de pico em t1.



Tensão CC

2ª ETAPA: Descarga do indutor

t1 ≤ t ≤ t2 (0 ≤ t ≤ td)

No instante da abertura do interruptor S,

em t = t1, o diodo boost Db entra em

condução, transferindo energia para a fonte

de saída Vo. Durante este tempo, o indutor

L e a fonte Vin fornecem energia para a

carga, desmagnetizando o indutor. A

corrente no indutor diminuirá linearmente

até ser nula em t = t2.

Lin o

diV L V

dt

maxin o

L

V Vi t I t

L

L iL iD

Vin S

Db

Vo

iS



Tensão CC

3ª ETAPA: Repouso

t2 ≤ t ≤ t3

Nesta etapa, o interruptor S e o diodo Db

estão bloqueados. A fonte Vin não fornece

energia durante esta etapa e a corrente no

indutor é nula. A corrente na carga é

fornecida pelo capacitor.

Vin S

Db L iL iD

Vo

iS


• Baixas perdas por comutação

Bloqueio natural do diodo boost

Entrada em condução do interruptor em zero de corrente

• Elevadas perdas em condução devido aos elevados picos de corrente

• Ganho estático dependente da carga


Características

2

12

o in

in o

V V D

V f LI

• Valor de pico da corrente no indutor boost

é diretamente proporcional à tensão de

alimentação

• O valor de pico da corrente no indutor

apresentará uma envoltória senoidal

retificada em fase com a tensão de

entrada retificada



Operação como PFP

max in

DTI t v t

L

iL(t)

vin(t) S

Db L

D1 D2

D3 D4

Cf

Lf

Cr Ro



Operação como PFP

• O intervalo de diminuição da corrente, de seu valor de pico até zero, em cada

período de comutação, é:

maxin o

L

V Vi t I t

L

in

d

o in

v tt DT

V v t

0in o

in d

v t VDTv t t

L L

• Existe uma máxima razão cíclica que ainda permite condução descontínua, a

qual é determinada no pico da tensão de entrada:

max 1D onde: p

o

V

V

11


Operação como PFP - Projeto

Cálculo do indutor boost normalizado

21

pbL

Onde:

2

121

2

22atg

1

Ganho estático para condição de tensão máxima na entrada e α:

p

o

V

V

Cálculo do capacitor de saída:

Prof. Cassiano Rech 12

osb

or

VffL

DVC

8

2

Cálculo do indutor boost (Lb)

so

pb

bfP

VLL

p

2

2

Para o cálculo da razão cíclica deve-se conhecer a corrente média na carga:

p

bso

V

LfID

2



Operação como PFP – Sistema de controle

• O conversor boost em condução descontínua deve regular a tensão de saída,

mantendo a corrente de entrada com reduzida THD e em fase com a tensão

de entrada

• Para regular a tensão de entrada é necessário medir apenas a tensão de

saída, pois a corrente de entrada segue naturalmente a forma de onda da

tensão de entrada

Compensador Modulador Conversor

Sensor

Saída Entrada

+ _

Metodologia de projeto

• Especificações iniciais:

• Tensão eficaz da rede elétrica;

• Valor de pico da tensão da rede elétrica;

• Tensão média na carga;

• Potência média na carga;

• Ondulação de tensão na carga;

• Frequência de comutação;

• Frequência da rede elétrica.


VVin 220

2 inp VV

VVo 400

WPo 300

oo VV 05,0

kHzfs 50

Hzf 60


Prof. Cassiano Rech 15 15

Ganho estático para condição de tensão máxima na entrada:

p

o

V

V

286,1

Portanto,

1

778,0

Onde:

2

121

2

22atg

034,4



Cálculo do indutor boost (Lb)

so

pb

bfP

VLL

p

2

2

Cálculo do indutor boost normalizado :

256,0pbL

21

pbL

HLb 263



Para o cálculo da razão cíclica deve-se conhecer a corrente média na carga:

o

oo

V

PI AIo 75,0

Como isso:

p

bso

V

LfID

2 222,0D

Cálculo do capacitor de saída:


osb

or

VffL

DVC

8

2

FCr 136

Resultados

Tensão e corrente na fonte alternada de entrada.


Time

84.0ms 86.0ms 88.0ms 90.0ms 92.0ms 94.0ms 96.0ms 98.0ms 100.0ms-4.0A

0A

4.0A

-400V

0V

400V

Vin

Iin

Resultados

Corrente no indutor boost.


Time

84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms83ms 100ms-2.0A

0A

2.0A

4.0A

6.0A

Ip = 5,40A

Ief = 1,88A

I(lb)

Resultados

Tensão e potência na carga.


Time

84.0ms 86.0ms 88.0ms 90.0ms 92.0ms 94.0ms 96.0ms 98.0ms 100.0ms

Po

298.0

298.2

298.4

298.6

V(Vo)

380V

390V

400V

410V

Resultados


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47

In/I

1

Orden das Harmônicas

Análise Harmônica

Resultados

Cálculo Simulação

Ipico (A) (indutor boost) 5,26 5,4

Ief (A) (indutor boost) 1,84 1,88

Vo (V) 400 398

Po (W) 300 298,3

FP -- 0,96



Bibliografia

• J. A. Pomilio, “Pré-reguladores de fator de potência”.

Disponível em: < www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/>

• L. Schuch, “Sistema CA/CC com um conversor PWM

bidirecional para interface entre o barramento CC e o

banco de baterias”, Dissertação de Mestrado, UFSM.

• A. L. Batschauer, A. C. Neto e C. A. Petry “Conversor

BOOST operando em condução descontínua e malha

aberta aplicado à correção de fator de potência” , UFSC,

Florianópolis – 2000.

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