ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Correcção do factor de potência · CORRECÇÃO DO FACTOR DE POTÊNCIA...

IST-DEEC 2003 Prof Beatriz Vieira Borges

Correco do factor de potnciaELECTRNICA DE POTNCIA

CORRECO DO FACTOR DE POTNCIACORRECO DO FACTOR DE POTNCIA

vI

1 2

4 3

iI +

-

Conversor

dc-dc

or

dc-ac

carga

idc

vdc2

vI (tenso de entrada)

iI (corrente de entrada)

t

vIiI

2 t

vdcidc

BaixoBaixo Factor de Factor de PotnciaPotncia

Alta Alta distorodistoro dada correntecorrente de de entradaentrada



Corrente e tenso na redeSoma Estatistica das Correntes



vI

1 2

4 3

iI +

-

idc

vdciI

idc

Espectro tpico da corrente de entrada

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Ordem da harmnica

Am

pl. d

a ha

rm. d

a co

rren

te e

m %

da

1

harm

nic

a

Rectificador com filtragem capacitiva convencional

THD=136%

Factor de distorso=59%

2)(11THD+



idc

vI

1 2

4 3

iI +

-

vdc

iI

Rectificador com filtragem capacitiva convencional

Tenso de entrada = 120V

Corrente disjuntor = 80% de 15A

Factor de potncia = .55

Rendimento = .98

Potncia fornecida = 776W

Rectificador com factorde potncia unitrio

Vdc

idc IO

_

+

_

vI

+iI

vI

Tenso de entrada = 120V

Corrente disjuntor = 80% de 15A

Factor de potncia =.99

Rendimento = .93

Potncia fornecida = 1325W

iI( t)



Baixo factor de potncia e distorso de baixa frequnciaBaixoBaixo factor de factor de potnciapotncia e e distorsodistorso de de baixabaixa frequnciafrequncia

A A quantidadequantidade de de potnciapotncia queque podepode ser ser debitadadebitada pelapela rederede de de tensotenso alternadaalternada ficafica limitadalimitada

interfernciainterferncia com o com o equipamentoequipamento elctricoelctrico ((sobresobre--correntescorrentes e e sobresobre--tensestenses dentrodentro do do conversorconversor););

interfernciainterferncia com com outrooutro equipamentoequipamento elctricoelctrico;;

CorrentesCorrentes de de cilculaocilculao no no neutroneutro elevadaselevadas..

CENELEC CENELEC -- normasnormas



Equipamento trifsico

equilibrado

Ferramenta porttil

Equipamento de iluminao

Forma de onda especial

e potncia menor que

600W

Motor com controlo de

faseCLASSE D

CLASSE A

CLASSE B

CLASSE C

No

No

No

NoNo

NormaIEC 1000-3-2



CLASSE DNorma

IEC 1000-3-2Ipico

0,35 Ipico

0 /3 2/3 t

Um equipamento de classificado de CLASSE D se a corrente alternada de entrada couber dentro da rea tracejada pelo menos 95% da durao de cada meio perodo.

A sinusoide a azul no de um equipamento de classe D,

A corrente a vermelho (tpica de um rectificador com filtro capacitivo) de classe D.



CLASSE D

NormaIEC 1000-3-2

Limites das harmnicas da corrente de entrada

0.55.60.491.071.1550.7771.9101.711.1453.430PF3.452.33

Classe D (mA/W)

Classe C(% fun.)

Classe B(A rms)

Classe A(A rms)

n

--2.76/n1.84/n8



Corrigir o factor de potncia Diminuir a distorso de baixa frequncia

da corrente de entrada

SOLUES SOLUES PASSIVASPASSIVAS

SOLUESSOLUESACTIVASACTIVAS

Para cumprir as normas necessrio:



robustas econmicas baixa potncia elevadas dimenses e

peso problemas de arranque qualidade mdia da

corrente de entrada

menos robustas menos econmicas baixa e alta potncia pequenas dimenses e

peso sem problemas de

arranque boa qualidade da

corrente de entrada

SOLUES SOLUES PASSIVASPASSIVAS

SOLUES SOLUES ACTIVASACTIVAS



operao ideal compatibilidade

universal potncia elevada pouco econmica intil a 50 Hz se for

passiva baixo rendimento

mais econmico rendimento mais

elevado passiva or activa compatibilidade

dependente das normas baixa potncia

CorrenteCorrente de de entradaentradaSinusoidalSinusoidal

CorrenteCorrente de de entradaentradanono SinusoidalSinusoidal



Rectificador ideal desejvel que o rectificador seja visto como uma carga resistiva aos terminais da rede de tenso alternada

Factor de potncia unitrio

A corrente de entrada com a mesma forma da tenso

Re)()( tvti acac =

)(tiac

)(tvac Re+

_Emulador de resistncia



Controlo de Potncia no Rectificador Ideal

A potncia aparentemente consumida pelo Re transferida para os terminais CC de sada. Para controlar a potncia de sada necessrio ajustar o valor de Re

)Re()(

2,

control

EFacmdia v

VtP =

)(tiac

)(tvac )Re( controlv+

_



Rectificador Ideal

O Rectificador ideal no tem perdas e no armazena energia internamente. Assim a potncia instantnea de entrada iguala a potncia instantnea de sada. Como a potncia instantanea independente das caractersticas da carga (CC), o andar de sada comporta-se como uma fonte de potncia.

Re)()()()(

2 tvtptitv ac==

)(tiac

)(tvac )Re( controlv+

_)(tvO

Re)( 2acvtp =

+

_

)(tiO

Entrada alternada Sada Contnua

))(Re()(

2

tvvtpcontrol

ac=

controlv



Equaes do Rectificador Ideal

Quando ligado a uma carga resistiva R, os valores eficazes das tenses e correntes esto relacionados da seguinte forma

)()()( tptitv OO =

Re,

RVV

efac

Oef =

))(Re()(

2

tvvtpcontrol

ac=

))(Re()()(

tvtvti

control

acac =

Re, R

II

Oef

efac =



Realizao de um Rectificador Ideal

vO(t)

iI(t) iO(t)

_

+

_

vI

+iac

Vac(t)

Controlador

d(t)

1:M(d(t))

RC

Conversor CC-CC

OBJECTIVO: Controlar o factor de ciclo de um conversor CC-CC, por forma que a corrente de entrada seja proporcional tenso de entrada



Emulador de ResistnciapI( t)

pO( t)PO

vIac( t)

iIac( t)

iO( t)IO

VO

IO

referencia de entrada

Loop da tenso de sada

+

-

Emulador de Resistncia

(conversor cc-cc)

iI

vI

i

VO

Loop de corrente de entrada

+

-

vI(ac)

iI(ac)



Formas de onda

pI( t)pO( t)

PO

vIac( t)

iIac( t)

iO( t)IO

VO

iI( t)vI( t)

M (d(t))

( ) tVtv II sin=

( ) ( )( ) ( )tVV

tvtvtdM

I

O

I

O

sin)( ==

( ) ( )tVtv IIac sin=

( ) ( ) ( )tItVtp III sinsin= ( ) ( ) ( )tvtitp OOO =

I

O

VVM =min



M (d(t))

( ) ( )( ) ( )tVV

tvtvtdM

I

O

I

O

sin)( ==

I

O

VVM =min

Para evitar distoro na vizinhana da passagem por zero da tenso de entrada, o conversor dever ser capaz de produzir M

A expresso de M (t) despreza a dinmica do conversor

Conversores boost e buck-boost podem ser utilizados



Propriedades do emulador de resistncia:

+

-

+

-

( )t

MtV

Vvvtm

I

O

I

O

sinsin===

vI( t)iI( t)

IO

Emuladorde

Resistncia(conversor

cc-cc)

iI

vI

i

VO

VO

A relao de converso m(t) varia de VO/VIa infinito



+

-

+

-

( ) ( ) tR

tivtr

O

O2sin2

==

A resistncia de carga vista pelo conversorr(t), varia de R/2 a infinito

IOiI

vI

iO( t)

VO

Propriedades do emulador de resistncia:

Emuladorde

Resistncia(conversor

cc-cc)



Consequncias propriedades do ER :

2. A resistncia de carga vista pelo conversor r(t), varia de R/2 a infinito

ZVS - no pode ser usado como ER porque no pode ser usado em vazio.

( )t

Rti

vtrO

O2sin2)(

==

1. A relao de converso m(t) varia de VO/VI a infinito

Um conversor redutor no pode ser usado como ER porque a sua relao de converso varia de 0 a 1.

Um conversor resonante srie no pode ser usado como ER porque a sua relaotenso frequncia varia de 0 to 1.

( )t

MtV

Vvvtm

I

O

I

O

sinsin===



iI( t)

iI IO

_

+

_

vI dcdc--dc or dcdc or dc--ac ac converterconverterVO

+

vI( t)

iIav( t)

CFPsCFPs baseadosbaseados no no conversorconversor BoostBoost

O O conversorconversor boost boost processaprocessa 100%100% dada potnciapotnciade de sadasada

O O conversorconversor boostboost projectadoprojectado parapara a a potnciapotnciade de picopico queque o o dobrodobro dada potnciapotncia de de sadasada

RendimentoRendimentobaixobaixo

CustoCusto elevadoelevado

t

t



+

IOiI

vI VO

_

+

_

convertrconvertr

cccc--cc cc ouou cccc--cacaiB

O O conversorconversor boost boost processaprocessa maismais do do queque50%50% dada potnciapotncia de de sadasadaO O conversorconversor boostboost podepode ser ser projectadoprojectadoparapara a a potnciapotncia de de picopico queque o o igualigual potnciapotncia de de sadasada

MelhorMelhor RendimentoRendimento

BaixoBaixo custocusto

vI( t)

iI( t)

iB( t)iB (av)( t)

iIav( t) t

t

t = /4 = /4

CFPsCFPs baseadosbaseados no no conversorconversor BoostBoost



RvO(t)

iI(t) iO(t)

_

+

_

vI

+iac

Vac(t)

d(t) C

Conversor ampliador

+_

X RS

PWMVcontrol (t) vI (t) iI (t)

vref (t)

va (t)

v (t) G (s)compensador

controlador



Variao do factor de ciclo no rectificador com compensao por conversor ampliador

( ) ( )( ) ( )tVV

tvtvtdM

I

O

I

O

sin)( ==

IO VVM 1

( ))(1

1)(td

tdM

=

O

I

Vtvtd )(1)( =

No MCC a relao de converso

No MCC o factor de ciclo dado por



Ripple da corrente na bobina

Componente mdia da forma de onda da corrente na bobina

O conversor opera no MCC quando

Considerando a expresso da variao do factor de ciclo

e substituindo d(t) pelo seu valor

na expresso anterior obtm-se: ( )

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