Sistemas Electrónicos de Alimentación (Presentacion Powerpoint) (página 2)

Partes: 1, 2

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:) –

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

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

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

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

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)
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)

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)

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

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
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
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
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

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

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

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

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

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)
Comparación de Emuladores de Resistencia
Control por multiplicador
Control como seguidor de tensión