Corectoare Electron Ice Ale Factorului de Putere

download Corectoare Electron Ice Ale Factorului de Putere

of 18

Transcript of Corectoare Electron Ice Ale Factorului de Putere

Ministerul Educaiei al Republicii Moldova Universitatea Tehnic a Moldovei Catedra de Electromecanic i Metrologie

RAPORTLa disciplina:Convertoare i echipamente electronice

Tema: Corectoare electronice ale factorlui de putere

A efectuat:

st. gr. IE 011 Ciclul II -Masterat Constantin Macovei

A verificat:

dr. conf. univ: Valeriu Blaj

Chiinu 2011

GENERALITI Este cunoscut din electrotehnica ca intre tensiunea de la bornele unui receptor de curent alternativ si curentul care trece prin receptor exista un defazaj, exprimat prin unghiul daca unghiul =0, curentul si tensiunea sunt in faza si receptoarele sunt rezistive. Daca unghiul >0 (s-a ales sensul pozitiv, sensul trigonometric de parcurgere a unghiurilor de la fazorul sunt inductive. Daca unghiul P. Pentru instalatiile de furnizare a energiei electrice este avantajos ca in consumatorii pe care ii alimenteaza sa se gaseasca atat receptoarele inductive (care absorb puterea reactiva), cat si receptoare capacitive (care debiteaza putere reactiva), astfel ca factorii de putere ai consumatorilor sa fie cat mai apropiati de unitate.

EFECTELE FACTORULUI DE PUTERE SCZUT Un factor de putere redus are o serie de consecine negative asupra funcionrii reelei electrice, printre care: - creterea pierderilor de putere activ; - investiii suplimentare; - creterea pierderilor de tensiune n reea; - reducerea capacitii instalaiilor energetice. Ca idee principal, n cazul alimentrii unui receptor (consumator) de putere activa i de cos, linia electric trebuie s transporte un curent electric I (4):

I=

S cos U

(4)

Rezulta ca o data cu scaderea factorului de putere creste curentul transportat de retea, bineinteles in ipoteza aceleiasi puteri active absorbite. Cresterea curentului are drept consecinte: - necesitatea maririi sectiunii conductoarelor ce trebuie transportate de acest curent ; - necesitatea supradimensionarii aparatajului de actionare (intreruptoare, contactoare) si de protectie (sigurante fuzibile, relee termice), parcurse de acest curent. Deci instalatiile in care factorul de putere este scazut sunt neeconomice, costa scump. - datorita cresterii pierderii de putere pe retelele electrice de distributie cai de transport este necesar ca agregatele din centralele electrice sa fie supradimensionate pentru a acoperi si acest consum suplimentar. Iata principale consecine ale unui factor de putere sczut n reea: a) Supradimensionarea instalaiilor de producere, transport i distribuie a energiei electrice i implicit, creterea valorilor de investiii. Dimensionarea se face pe baza intensitii curentului electric. Pentru o aceeai putere activ, odat cu scderea factorului de putere, respectiv cu creterea puterii reactive crete curentul, ceea ce duce la majorarea dimensiunilor elementelor instalaiei. b) Creterea pierderilor de putere activ. Pierderile de putere variaz direct proporional cu ptratul puterii reactive i invers proporional cu ptratul factorului de putere:

P2 P = ZI = Z 2 U cos 2 2

(5)

c) Scderea capacitii de ncrcare a instalaiilor cu putere activ. Pentru o anumit putere aparent S, pe msur ce crete puterea reactiv Q, scade puterea activ P. Dar, conform cu relaia de definiie a puterii reactive, puterea reactiv crete atunci cnd crete sin, deci cnd crete unghiul de defazaj i scade factorul de putere cos.

Consumatorii care au bobine cu inductane mari (unele maini electrice, transformatoare etc.) defazeaz mult curentul absorbit, n urma tensiunii (unghi de defazaj mare), astfel nct cer o important putere reactiv, fcnd ca prin aceasta s scad factorul de putere al sursei care alimenteaz reeaua care nu poate da n consecin dect o putere activ P mic. De aici interesul de a avea un factor de putere ct mai mare la consumatori. Elementele reelei electrice care alimenteaz consumatorul cu o putere activ P1 la un factor de putere cos se dimensioneaz pentru producerea, transportul sau/i transformarea puterii aparente S=P1/ cos. mbuntirea factorului de putere la o valoare cos1 face posibil mrirea puterii active ce poate fi consumat cu aceeai structur a reelei electrice la valoarea P2=Scos1. d) Creterea pierderilor de tensiune n reea. Pe lng scderea capacitii de ncrcare a reelei, transportul puterii reactive produce pierderi de tensiune suplimentare fa de cele produse de puterea activ; odat cu creterea valorii puterii reactive Q creste i valoarea pierderilor de tensiune, ceea ce conduce la necesitatea supradimensionrii seciunii conductoarelor reelei.

U = ZI = Z

P U cos

(6)

e) Scderea numrului de receptori conectai la bornele centralelor:

n=

I m I mU cos = I P

(7)

Rezulta ca este important ca receptoarele si instalatiile electrice sa functioneze cu un factor de putere cat mai ridicat. CONSUMATORI DE PUTERE REACTIV Marea majoritate a sarcinilor electrice consuma nu numai putere activa, ci si puterereactiva; in cazul motoarelor si transformatoarelor, este necesara pentru magnetizare, iar n cazul convertizoarelor statice, pentru control si comutatie. a) Liniile electrice aeriene sunt consumatoare de putere reactiva datorita inductantei proprii L, dar si generatoare de putere reactiva datorita capacitatii lor fata de pamnt C. In ansamblu, bilantul puterii reactive poate fi excedentar sau deficitar, n functie de raportul dintre cele doua componente. b) Motoare electrice. Puterea reactiva absorbita de un motor asincron este determinata n mare parte de puterea reactiva absorbita la mers n gol Q0 , puterea reactiva absorbita de un motor asincron variaza putin cu sarcina. Puterea reactiva la mersul n gol se poate determina n raport cu puterea nominala Pn si numarul de poli. c) Transformatoare electrice. Un transformator cu puterea aparenta S absoarbe puterea reactiva Q compusa din puterea reactiva de mers n gol Q0 si puterea reactiva asociata tensiunii de scurtcircuit si ncarcarii transformatorului. d) Lampile cu descarcari n vapori metalici n scheme cu balast inductiv, necompensate.1 m tensiunea la bornele e) Executarea unor reparatii necorepunzatoare la motoare: motorului este proportionala cu numarul de spire n crestatura statorului, w1. Reducerea

U = f (w )

acestuia determina o crestere a fluxului m , n cosecinta a solenatiei de magnetizare si consecutiv a curentului de magnetizare, ducnd la cresterea puterii reactive consumate. METODE DE REDUCERE A CONSUMULUI DE PUTERE REACTIV Marirea factorului de putere sau, cum se spune, mbunatatirea factorului de putere pentru o instalatie data va duce la micsorarea curentului total absorbit si prin aceasta, la posibilitatea de a conecta noi receptori la aceeasi retea. n cazul unei instalatii noi proiectate, lund toate masurile ca factorul de putere sa fie ct mai mare, instalatia proiectata va fi mai economica (sectiunea conductoarelor mai mica, puterea postului de transformare mai mica). n prezent, puterile cerute de ntreprinderi de la sistemul energetic sunt din ce n ce mai mari. n consecinta, problema factorului de putere are o importanta deosebita. mbunatatirea factorului de putere se poate face pe doua cai: 1. prin masuri organizatorice, cu ajutorul carora factorul de putere este marit fara nici un fel de investitii; 2. prin producerea puterii reactive la fata locului prin utilizarea unor surse specializate de putere reactiva. n practic msurilor organizatorice li s-a conferit denumirea de metode naturale de reducere a consumului de putere reactiv: MIJLOACE NATURALE DE REDUCERE A CONSUMULUI DE PUTERE REACTIV Sursa principala a consumului de putere reactiva este n utilizarea motoarelor asincrone si a transformatoarelor n regim de ncarcare redusa. a) Motoare electrice Reducerea consumului de putere reactiva se obtine prin utilizarea rationala a motoarelor electrice, astfel nct sa fie ncarcate, pe ct posibil, la o putere de cel putin 0,75 din puterea lor nominala, astfel: 1. nlocuirea motoarelor subncarcate cu motoare de putere mai mica, ncarcate ct mai aproape de sarcina nominala; 2. functionarea cu nfasurarile statorului n conexiunea stea n perioadele de sarcina redusa sub 1/3 din sarcina nominala revenind la conexiunea normala triunghi n perioadele de sarcina nominala. Aceasta se admite numai la motoarele la care ncarcarea nu depaseste (0,4 , 0,5) din puterea nominala si se poate aplica numai la motoarele la care pornirea se face cu comutator steatriunghi. Trebuie amintit nsa ca, trecnd de la conexiunea stea, cuplul de pornire si cuplul maxim al motorului scade de trei ori. n instalatiile electrice moderne, la care sarcina motorului variaza n decursul timpului, se utilizeaza comutatoarele stea-triunghi automate, care la scaderea sarcinii motorului schimba conexiunile pe stea, iar la cresterea sarcinii, revin pe conexiunea triunghi n mod automat, n functie de curentul care trece prin motor;

1. ntreruperea functionarii motorului pentru durate de mers n gol mai mari de 10 s (metoda se recomanda si la transformatoarele de sudura); 2. folosirea motoarelor sincrone la puteri peste 100 kW, daca nu este necesara reglarea turatiei. Motoarele sincrone pot functiona cu factor de putere cos = 1 si n plus, pot produce energie reactiva pe care o injecteaza n retea. - sincronizarea motoarelor asincrome mari. Aplicarea uneia sau alteia dintre metodele naturale este justificata pe baza unui calcul tehnicoeconomic. b) Transformatoare electrice Reducerea consumului de putere reactiva se obtine prin: 1. nlocuirea unui transformator subncarcat cu altul de putere mai mica (problema nlocuirii se pune la ncarcari sub 50% din puterea nominala mai mult de 1500 h/an); 2. functionarea transformatoarelor conectate n paralel n reteaua de distributie a unui consumator dupa un grafic de pierderi minime. SISTEME DE CORECIE A FACTORULUI DE PUTERE Pentru o utilizare raionala a energiei electrice este necesar de asigurat nite mijloace economice de generare, transport i distrbuie cu pierderi minime. Pentru realizarea acestui lucru trebuie de nlaturat din reelele electrice toi factorii care conduc la apariia pierderilor. Unul din aceti factori dup cum sa menionat este intirzierea fazei curentului fa de unde de tensiune, in cazul sarcinii inductive inductive, deoarece sarcina majoritar n cadrul reelelor industriale i casnice este activ-inductiv. Dac e s redm la scara de puteri acest fenomen, atunci acesta capta forma figurii urmtoare:

Fig.1 Coponentele de putere la nrzierea curentului fa de tensiune

Destinaia sistemelor de corecie a factorului de putere consta n compensarea defazrii unghiului . Aceasta conduce la micorarea curentului prin reea i la minimizarea pierderilor. Anticiparea necesar a curentului pe faz este posibil prin conectarea in paralel cu sarcina a unor bateri de condensatoare, care sa consume volumul de energie reactiv-capacitiv necesar, ns cu sens contrar. Deci are loc injectarea in reea a puterii reactive consumate de sarcina cu caracter inductiv.

. Fig. 2 Principiul compensrii prin condenstor a puterii reactive Curentul I1 absorbit de acest receptor este defazat n urma tensiunii U cu unghiul j. n paralel cu receptorul inductiv se leag un condensator de capacitate C. Pentru a vedea efectul condensatorului asupra factorului de putere, se traseazo diagram fazorial, ca n fig.2. Se ia drept origine de faz vectorul tensiunii U. Se traseaz apoi vectorul I1 absorbit de receptorul inductiv. Curentul I2 ce trece prin condensator este reprezentat printr-un vector defazat cu unghiul naintea vectorului tensiunii U. Curentul total I se obine din compunere vectorilor care reprezint curenii I1 i I2. Se vede din figur c vectorul curentului I este defazat fa de tensiunea U cu un unghi mai mic dect unghiul de defazaj j n cazul cnd nu exist condensator. S-a reuit cu ajutorul condensatorului s se obin un factor de putere cos mai mare dect factorul de putere iniial cos. n consecin condensatorul permite mbuntirea factorului de putere.Senzor putere activPutere necesar S

Senzor putere reactiv

Condensatoare pentru compensare

Fig.3 Modul de realizare a coreciei factorului de putere

mbuntirea factorului de putere cu ajutorul condensatorilor ntr-un regim deformant ridic probleme de care trebuie s se in seama. Prezena condensatorilor conduce la amplificarea regimului deformant, n sensul c dac tensiunile aplicate sunt periodice nesinusoidale curenii ce rezult sunt mult mai deformai. Datorit acestui fapt este posibil ca prin conectarea n reea a unor condensatori n scopul mririi factorului de putere s creasc sensibil puterea aparent ca urmare a creterii puterii deformante, rezultnd astfel un efect contrar, nedorit.

Fig.4 Spectru de puteri la luarea in consideraie a armonicilor n acest caz, puterea aparent capat o compnent deformant, rezultat din suma curenilor armonici, propulsai de sarcinile neliniare:

S 2 = P 2 + Q 2 + D2

(8)

Curba rezultant a puterii deformante este compus din multitudinea de cureni armonici generai de caracterul neliniar al diferitor sarcini conectate la aceai reea, i evident ea nu este sinusoidala, ns ea provoac un deficit sau surplus de putere reactiv, n dependen de defazajul fa de vectorul puterii utile. Curenii armonici sunt prezeni n sistemul electric de alimentare de mai muli ani. Iniial, ei erau determinai de redresoarele cu mercur utilizate pentru a asigura conversia tensiunii alternative n tensiune continu pentru calea ferat i pentru acionri de tensiune continu cu vitez variabil din industrie. n ultimul timp clasa de tipuri i numrul de uniti de echipament care produce armonici a crescut foarte mult i va continua s creasc, astfel c proiectanii i birourile de studii trebuie acum s ia n consideraie foarte atent armonicile i efectele datorate lor. Tipuri de echipamente care genereaz armonici Curenii armonici sunt generai de sarcini neliniare. Acestea includ: Sarcini monofazate, de exemplu: surse de putere n comutaie (Swiched mode power supplies SMPS);

balasturi electronice pentru lmpile fluorescente; uniti mici de alimentare nentreruptibil (Uninterruptible power supplies UPS). Sarcini trifazate, de exemplu: acionri cu vitez variabil; uniti mari UPS. Armonici generate de SMPS Majoritatea echipamentelor electronice moderne utilizeaz surse n comutaie (SMPS). Acestea difer de sursele mai vechi n care tradiionalul transformator cobortor i redresorul sunt nlocuite cu o redresare direct comandat a alimentrii pentru a ncrca o baterie de condensatoare, din care curentul continuu pentru sarcin se obine, printr-o metod adecvat, la bornele de ieire, la tensiunea i valoarea cerut a curentului. Avantajul pentru productorul de echipamente este c dimensiunile, costul i greutatea sunt semnificativ reduse i unitatea energetic poate fi realizat practic pentru orice factor de form cerut. Dezavantajul n plus fa de celelalte tipuri este c n loc de current continuu, sursa, absoarbe din reeaua de alimentare un curent sub form de pulsuri de curent care conin o mare cantitate de armonici de rang trei i mai mari i componente de nalt frecven armonic. ntr-un sistem energetic ideal perfect curat formele curbelor de tensiune i de curent electric sunt perfect sinusoidale. n practic curenii nesinusoidali apar dac sarcina este neliniar n raport cu tensiunea aplicat. n cazul unui simplu circuit avnd numai sarcini liniare rezistive, inductive sau capacitive curentul care circul este proporional cu tensiunea aplicat (la o anumit frecven) astfel c, dac tensiunea aplicat este sinusoidal va circula un curent sinusoidal, aa cum este ilustrat n figura 5. Caracteristica de sarcin este dat de relaia dintre tensiunea Fig. 5 Forma curbei de curent electric ntr-o sarcin liniar aplicat i curentul care rezult n sarcin; cazul ilustrat n figura 9 corespunde unei sarcini liniare. De precizat c dac n circuit exist un element reactiv se va produce un defazaj ntre curba de tensiune i cea de curent; factorul de putere este redus, dar circuitul poate fi nc liniar. n figura 6 se prezint situaia n care sarcina este constituit dintr-un redresor i un condensator, ca la intrarea unei surse n comutaie (SMPS) tipice. n acest caz curentul circul numai cnd tensiunea de alimentare va depi tensiunea de la bornele condensatorului, de exemplu n apropierea punctului de maxim al curbei de tensiune,ceea ce se observ pe caracteristica de sarcin.

Fig. 6 Forma curbei curentului electric ntr-o sarcin neliniar

n practic, caracteristica de sarcin (precum i forma curbei de curent) vor fi mult mai complexe dect cele prezentate; pot fi asimetrii i histeresis, punctele de inflexiune i pantele se vor modifica odat cu ncrcarea. De aceea, pentru mbuntirea factorului de putere n regim deformant apare raional s se pun condiia minimizrii puterii complementare. O soluie care se aplic n practic cu bune rezultate const n folosirea filtrelor de armonici. Aceste filtre, realizate obinuit prin conectarea n serie cu condensatorii a unor bobine corespunztor alese, fiind acordate de frecvenele armonicelor care urmeaz s fie atenuate, reprezint teoretic un scurtcircuit pentru frecvenele respective (vezi fig.7):

Fig. 6 Compensator dinamic de putere reactiv

CORECTAREA FACTORULUI DE PUTERE N CONVERTOARELE AC-DC Redresoarele monofazate i trifazate, comandate i necomandate compun o surs major de cureni armonici ntr-o reea electric de distribuie. Redresoarele monofazate sunt deobicei de capacitate mic; sunt utilizate ntr-un numr mare i ntr-o gam variat de echipamente i prin urmare, prezint o amenintare mai grava cu armonice (a more serious harmonic threat) la nivelele 440V i 11KV ale reelelor electrice de distribuie. n plus, curenii armonici injectai de reeaua de distribuie electric sunt foarte duntori datorit coninutului triplu de armonici predominante. Figura urmtoare prezint un redresor monofazat ce furnizez unei surse n comutaie n sarcin i graficul curentului prin linia de alimentare a acestuia. Curentul este dominat de armonica a 3-a (deobicei n msur de 130%) i se obine o ncovoiere apreciabil corespunztoare vrfulului de tensiune.

Fig. 7 Redresor monofazat necomandat dubla-alternan i formele de und Un numr mare de asemenea redresoare monofazate n sarcin ntr-o reea de distribuie ar rezulta ntr-o suprancrcare a conductorului nul datorat creterii coninutului triplu de armonici n conductorul nul. Graficul coninutului triplrii armonicelor induse de toate redresoarele necomandate vor fi mai mult sau mai puin n faz i prin urmare posibilitatea de anulare prin diferena de faz nu exist. Cu toate acestea, coninutul triplu de armonici n conductorul nul va fi suma triplrii coninutului de armonici ale tuturor redresoarelor necomandate n cele trei faze ale sistemului de distribuie (indiferent dac sarcinile redresoarelor sunt echilibrate sau nu ntre trei faze).

Folosirea electronicii de putere ntr-o gam larg de echipamente pentru birou/ acas/ echipamente industriale a rezultat n utilizarea n ultimii ani pe scar larg a redresoarelor necomandate n sarcini de joas tensiune i nalt tensiune ale reelelor de distribuie electrice. Acestea aspecte, mbinate cu standardele internaionale stricte pe nivelul de injectri de armonice permise, au rezultat n dezvoltarea de proiecte pentru corectarea factorului de putere activ pentru redresoarele monofazate i trifazate c.a-c.c. Sunt utilizate diverse scheme pasive de corectare, menite s mbunteasc factorul de putere i distorsiunile totale armonice ale redresoarelor necomandate monofazate la nivele de putere mic (tipic mai mic de 50W), n special n balastul electronic pentru lmpile fluorescente i lmpile compacte fluorescente (becuri economice). Corectarea factorului de putere activ este preferat la nivele de putere peste 50W. Vom pune accentul n acest document pe corecia factorului de putere activ, utiliznd tehnica de conversie boost n monofazat. Principiile, strategiile de control, analizele proiectrii etc., vor rmne valabile de asemenea pentru trifazic. Totui, pentru simplitate, toate explicaiile vor fi cu referire la monofazic. Prima parte a cursului va trata cele mai frecvente topologii i anume corectarea factorului de putere activ, iar a doua parte va acoperi convertoarele bilaterale AC-DC (based PFC(BC-PFC)). Redresor monofozat cu modularea duratei impulsului O schem simplificat a unui redresor monofazat cu modularea duratei impulsului de tip boost este prezentat mai jos. Pe linia de curent alternativ este o form de und complet redresat, utilizand o diod redresoare i ieirea redresat este aplicat etajului convertor de tip boost, care este controlat pentru a menine de o tensiune continu constant peste condensatorul de ieire mpotriva variaiilor curenilor continui n sarcin i asupra tensiunii alternative. Principiul de funcionare:Presupunem c printr-o strategie iniial adecvat de control, o tensiune continu VO (care ar trebui s fie mai mare dect maximul tensiunii de linie, cum ar fi Vm, pentru funcionarea corespunztoare a acestui convertor) a fost creat. Acum, dac inem comutatorul Q ON, curentul prin bobina L ncepe s creasc de la ce valoare iniial a avut, n mod instant, n momentul nchiderii comutatorului. Prin urmare, este posibil s cretem curentul prin L dup ce comutatorul este nchis. Apoi, dac deschidem comutatorul Q, curentul care era pe bobin la acel moment se va descrca pe C0 prin dioda D, deoarece curentul dintr-o bobin nu se poate scurge n mod instant ntr-un sistem lipsit de impulsuri de tensiune. Dar apoi, dac dioda D conduce tensiunea, bobina L i schimb polaritatea (deoarece V0 am presupus c este mai mare sau egal cu Vm) i prin urmare curentul prin ea descrete de la valoarea sa iniial. Cu toate acestea este posibil s cretem curentul prin bobina L, nchiznd comutatorul Q i s-l descretem, deschiznd Q. Dac este posibil s cretem sau s scdem curentul prin bobina L controlnd comutatorul Q, nseamn c este posibil s facem curentul prin bobin s urmreasc o form de unde predefinit, controlnd n mod adecvat perioadele de deschis/ nchis ale comutatorului. Aplicnd aceast strategie, curentul prin bobina L al acestui convertor este forat s urmreasc o form de und complet redresat. n cazul n care curentul prin bobina L este de forma undei redresate, curentul de linie n alternativ va fi pur sinusoidal i n faz cu tensiunea de alimentare, datorit procesului de modulare implicat n puntea redresoare. Acesta este principiul de funcionare al circuitului corector boost al factorului de putere, monofazat.

Fig. 8 Redresor monofozat cu modularea duratei impulsuluiBuclele de control Condiiile ideale de control ale circuitului corector al factorului de putere n starea de echilibru sunt (i) meninerea unei tensiuni de ieire pur continue de valoare constant i (ii) meninerea unui forme de und a curentului de intrare pur sinusoidal. La echilibru, sarcina n curent continuu absoarbe energie de pe condesator cu o rat medie constant i tensiunea condensatorului poate fi meninut constant doar dac puterea provenit de la diod este egal cu puterea medie de ieire. Sarcina n curent continuu nu este necesar s fie ntotdeauna liniar i puterea la intrare nu este nici ea constant clip de clip. Prin urmare, chiar dac puterile medii sunt egale valorile instantanei nu sunt i diferena se va propaga spre condensator, producnd astfel un riplu de c.a. prin acesta. Folosirea unor condensatoare de valori mari poate reduce ns acest riplu la un nivel acceptabil. Acesta este bucla de control a tensiunii cea care asigur c puterea de intrare de pe partea de c.a. este egal cu puterea de ieire cerut plus pierderi, la o tensiune de ieire specificat. Aceast bucl detecteaz tensiunea de ieire, crete curentul extras din linie dac tensiunea de ieire tinde s scad de la valoarea impus i scade curentul extras din partea de c.a. cnd tensiunea de ieire tinde s creasc. ns bucla de control a tensiunii nu poate cere circuitului PFC s extrag puterea necesar de la o form de und a unui curent arbitrar. Forma de und a curentului de linie ar trebui s fie pur sinusoidal, sau n mod echivalent, curentul prin bobina L trebuie s fie de forma unei undei redresate. Prin urmare, numai amplitudinea acestei forme de unde redresate este variabila ce poate fi stabilit de bucla de control a tensiunii. Trebuie s mai existe o bucl de control pentru a stabili dac curentul prin bobin are forma de und dorit i dac amplitudinea este cea comandat de bucla de control a tensiunii. Bucla de control a curentului ndeplinete aceste funcii. Astfel, avem dou bucle de control cea din exterior, bucla de control a tensiunii care urmrete tensiunea de ieire i stabilete amplitudinea undei de curent redresate care ar trebuie s treac prin bobina boost i bucla de control a curentului, cea din interior, care urmrete curentul prin bobina boost i l foreaz s urmreasc forma de und dorit, cu amplitudinea stabilit de bucla din exterior.

Strategii de control al curentului Exist abordri diferite asupra controlului formei de und a curentului bobinei boost. Ele pot fi n mare clasificate n metode discontinue de conducere i metode continue de conducere. n metodele discontinue de conducere, curentul prin bobin scade la zero ori de cte ori comutatorul este inut nchis. Acesta este dechis doar atunci cnd curentul prin bobin atinge valoarea zero, sau rmne la zero pentru mai mult timp. n strategiile continue de conducere, curentul prin bobin rmne mai mare ca zero tot timpul. Vom detalia n cele ce urmeaz dou metode rspndite din ambele strategii. PFC care utilizeaz comanda prin controlul timpului de conducie, cu comutaie la curent zero prin inductor Schema de principiu a circuitului corector al factorului de putere care utilizeaz tehnica timpului constant de conducie a tranzistorului comutator Q i comutaie la curent zero prin inductan este dat n Fig. 9. Ca i n cazul anterior, circuitul de for este un circuit ridictor. Funcionarea corect a circuitului PFC presupune o tensiune de ieire cu cel puin 30V mai mare dect amplitudinea tensiunii reelei de c. a. , adic:

V2 2V1 + 30

(9)

Tranzistorul Q se comand s conduc un timp ton constant, dup care se comand blocarea sa pn cnd se sesizeaz, cu traductorul de curent R0 anularea curentului prin inductor, iL. n acest moment, se d o nou comand de conducie a tranzistorului Q dup care funcionarea se repet. Formele de und corespunztoare acestui mod de comand sunt date n Fig. 9

Fig. 9 Schema de principiu a circuitului PFC care folosete comanda cu timp constant de conducie a tranzistorului Q i comutaia sa direct la curent nul prin inductor Timpul de comutaie se va calcula cu relaia:

tON =

2 LP2 V12

(10)

Frecvena comutaiilor f k =

1 se schimb de la un ciclu la altul i cea mai redus frecven Tk

trebuie s fie peste gama audio. Ca o prim aproximaie, n multe aplicaii se consider frecvena de 30 kHz. Din cele artate mai sus rezult c circuitul de comand trebuie s genereze corespunztor durata ton i s sesizeze anularea curentului prin inductor. n Fig. 9, sesizarea anulrii curentului iL se realizeaz folosind traductorul de curent R0 i etajul comparator Comp. 2. n momentul n care iL =0 , ieirea comparatorului Comp.2 devine 1 logic, aceasta determinnd pe de, o parte, setarea bistabilului de ieire, i pe de alt parte, prin ieirea Q a bistabilului, declanarea rampei GTLV. Durata ton, dat de relaia (101), este generat folosind comparatorul Comp.1 de la a crui intrare neinversoare se aplic tensiunea n ramp, produs de GTLV. La intrarea sa inversoare, se aplic tensiunea de la amplificatorul de eroare AEV2 a buclei de reglare a tensiunii de ieire V2. Timpul ton se va modifica pn cnd tensiunea V2 va rmne la o valoare fix, prescris prin tensiunea Vref. Dac puterea la ieire P2 va crete, aceasta va avea ca efect scderea tensiunii V2 i deci creterea tensiunii la ieirea AEV2. Bascularea lui Comp.1 n 1 logic se va produce mai trziu, deci timpul ton va crete, producnd creterea amplitudinii curentului i1, iar n final tensiunea V2 va crete, revenind la valoarea prescris. Circuitul va rspunde corespunztor i n cazul unor variaii ale tensiunii de intrare V 1. S presupunem, de exemplu, c V1 crete. Tensiunea V2 va crete i, ca efect, tensiunea de la ieirea AEV2 va scdea. Printr-un proces similar celui descris anterior timpul t on va scdea, amplitudinea curentului i1 va scdea, conducnd la revenirea tensiunii V2 la valoarea prescris. Bascularea bistabilului de ieire n starea Q = 0 logic va genera descrcarea condensatorului din GTLV i trecerea acestui circuit n starea de ateptare. Avantajele acestui circuit PFC, care utilizeaz comanda cu ton constant i comutaie la curent zero prin inductor sunt: circuitul de comand este mult mai simplu, necesitnd o singur bucl de reglaj, nemaifiind necesare blocurile multiplicator i cvadrator; construcia traductorului de curent este puin pretenioas, fiind necesar doar sesizarea trecerii prin zero a curentului; valoarea inductanei L este redus; dioda D comut invers, iar tranzistorul Q comut direct la curent zero. Printre dezavantaje, menionm: frecvena de comutaie este variabil; curentul maxim repetitiv prin inductor i prin tranzistorul comutator este dublul amplitudinii curentului de intrare ; comutaia direct a diodei i, n special, comutaia invers a tranzistorului comutator se fac la curent ridicat; necesitatea unui condensator de intrare, care s reduc riplurile curentului de linie i1;

Cu toate dezavantajele prezentate, simplitatea circuitului de comand i, implicit, preul redus au fcut ca acest tip de PFC s aib o rspndire foarte mare. Au fost elaborate circuite integrate specializate pentru acest tip de comand printre care amintim: Siemens TDA 4814, 4816, Unitrode UC 3852, Motorola MC 33261, 33262, SGS Thomson L 6560 etc. PFC care utilizeaz comanda prin controlul valorii medii a curentului absorbit Schema de principiu a circuitului corector al factorului de putere care utilizeaz comanda prin controlul valorii medii a curentului absorbit este dat n Fig.10. Circuitul de for este, de fapt, un convertor ridictor de c.c. alimentat cu o tensiune obinut de la un redresor n punte, nefiltrat, condensatorul de filtraj, Ce, fiind mutat la ieirea convertorului. Tranzistorul Q se comand la frecven constant, fixat de un oscilator de tensiune n dini de ferstru. Frecvena oscilatorului este ridicat, situat n gama 20 300 kHz. Factorul de umplere al impulsurilor de comand se modific automat, astfel nct curentul mediu prin inductor s aib forma dorit. Dac aceast form de und ar corespunde unui curent ce parcurge o rezisten conectat la bornele unei puni redresoare, atunci curentul absorbit de la reea ar fi sinusoidal i n faz cu tensiunea reelei, adic s-ar obine un factor de putere de valoare foarte mare. Aadar, forma de und a curentului dorit repet la alt scar forma de und a tensiunii redresate Vd, care, de fapt, i este folosit n acest scop. Circuitul de comand al etajului PFC are ca bloc central un regulator de curent al crui amplificator de eroare este notat n Fig. 10 cu AEC. La intrarea neinversoare a amplificatorului, se aplic curentul de referin iL , avnd forma de und similar cu Vd, deci este dat de ecuaia:* iL = 2 I1 sin wt

(11)

La intrarea inversoare a amplificatorului AEC, se aplic tensiunea de pe rezistorul R0, folosit ca traductor al curentului iL ce parcurge inductorul. Tensiunea de la ieirea AEC, impreun cu tensiunea n dini de ferstru de la un oscilator se apcilca blocului MID.

Fig. 10 Circuitul corector al factorului de putere care utilizeaz comanda prin controlul valorii medii a curentului absorbit Acesta furnizeaz impulsuri de comand tranzistorului comutator Q. Frontul cresctor al acestor impulsuri se produce pe frontul cztor al tensiunii n dini de fierstru. Acesta este i

momentul intrrii n conducie al lui Q. Frontul cztor al impulsului de comand, adic momentul blocrii lui Q, se petrece n momentul n care rampa dintelui de ferstru egaleaz tensiunea de la ieirea amplificatorului de eroare pentru reglarea curentului, AEC. Formele de und ale mrimilor care intervin la acest tip de circuit PFC sunt date n Fig.10. Pe axa timpului, au fost marcate intervalele n care tranzistorul Q se afl n conducie. ntruct frecvena de lucru este ridicat, putem presupune c pe, o perioad T, tensiunea de reea este constant i are valoarea:

vdk = 2V1 sin wt

(12)

Revenind acum la generarea curentului iL* dat de relaia (11) i presupunnd un curent absorbit de la reea perfect sinusoidal i n faz cu tensiunea reelei, egalitatea puterilor de la intrare i ieire va fi dat de ecuaia:

V1 I1 = V2 I 2 ,

2 I1 =

2V2 I 2 * 2V2 I2 , iL = sin wt V1 V1

(13)

Drept msur a puterii de ieire V2I2, se folosete tensiunea de la ieirea unui al doilea amplificator de eroare, Vev, care este inclus n bucla de reglare automat a tensiunii de ieire V2. Revenind la Fig. 10, se constat c, folosind divizorul R1 R3 i condensatoarele Ce1 i Ce2, se obine la bornele rezistorului R3 o tensiune proporional cu V1. Aceast tensiune este ridicat la ptrat i apoi aplicat la intrarea demultiplicatoare C a blocului multiplicator. Pe de alt parte, folosind divizorul R4 R5, se aplic, la intrarea multiplicatoare B, o tensiune proporional cu vd. La cealalt intrare multiplicatoare, se aplic tensiunea de la ieirea amplificatorului de eroare AEV2. Semnalul de la ieirea etajului multiplicator va fi:* iL =

AB vev k1V1 sin wt k3vev = = sin wt C k2V12 V

(14)

Folosirea tensiunii vev n locul puterii de ieire V2I2 este justificat de urmtorul raionament. Dac puterea disipat la ieire crete, tensiunea V2 va avea tendine s scad, deci tensiunea de la ieirea amplificatorului de eroare, vev, va crete avnd ca efect creterea amplitudinii curentului iL* n regim staionar, puterile de la intrare i ieire sunt egale. Avantajele acestui tip de PFC sunt: frecvena de funcionare este constant; interferenele influeneaz puin funcionarea circuitului; curentul absorbit este aproape sinusoidal, fr deformri suprtoare la trecerile prin zero. Printre dezavantaje, enumerm: este necesar folosirea unui traductor de curent; necesit dou bucle de reglare; necesit un bloc de ridicare la ptrat i unul multiplicator, care conduc la scumpirea circuitului de comand.

Fiind o soluie destul de rspndit, numeroase firme au realizat circuite integrate specializate de acest tip de comand, printre care amintim Unitrode UC 3854, Siemens TDA 4815, TDA 4819, Toshiba TA 2810, SGS Thomson L 4981. PFC cu PWM n figura 9, corecia factorului de putere are loc deasemenea pe acest principiu, comanda pe tranzistorul de putere fiind una cu modulat n durat a impulsurilor(PWM), realizat de microprocesor. Ca ideie la comparatorul Comp.1 tensiunea etalon Uref se compar cu o und triunghiular de frecven fS, de regul de ordinul kiloHertzilor i ampitudine Utr. Ct timp Utr este mai mic ca Uref grila tranzistorului este comandat i el se afl n conducie, dac Utr>Uref, atunci tranzistorul este blocat. Ca rezultat final curentul din bobin variaz n jurul curbei tensiunii de referin cu o abatere foarte mic(vezi fig.1.12). De menionat c cu ct frecvena undei triunghiulare va fi mai mare, cu att curentul bobine se va apropia mai tare de forma curentului de referin, iar gabaritele droselului vor fi mai mici.

Utr Uref

UQ iL iref

Fig.11 Comanda PWM cu modulare n durat a compensatorului de energie reactiv CONCLUZIE n urma implimentrii PFC n Sursele de putere n comutaie, dar i n majoritatea circuitelor eelctronice specializate are loc reducerea polurii reelei cu armonici de cureni, care la rndul lor nu snt altceva dect componentele puterii deformante, putere care intrnd n suma cu cea active i reactiv, maresc volumul energiei aparente S n reea. Deci aceasta realizare este direct proporional cu compensarea energiei reactive n reea, deci ea provoac urmtoarele avantaje: Micorarea curentului total n reea; Posibilitatea de conectarea a noi receptori la aceeai reea; Costul mai redus al instalaiilor proiectate de generare a energiei electrice; Ocolirea penalizrii de ctre distribuitor etc.