Curs 10

CIRCUITE DE CORECŢIE A FACTORULUI DE PUTERE (PFC) TRIFAZATE 10.1. REDRESORUL TRIFAZAT IDEAL ŞI REZISTORUL TRIFAZAT FĂRĂ PIERDERI 10.2. CIRCUITE PFC TRIFAZATE CU MAI MULTE ÎNTRERUPĂTOARE ACTIVE

10.2.1. Circuite PFC trifazate de tip Buck 10.2.2. Circuit PFC trifazate tip Boost 10.2.3. Circuite PFC trifazate de tip Buck-Boost

10.2.4. Circuite PFC trifazate utilizând trei circuite monofazate 10.3. CIRCUITE PFC TRIFAZATE BAZATE PE CONVERTOARE C.C.-C.C. CU UN SINGUR ÎNTRERUPĂTOR ACTIV

10.3.1. Circuit PFC trifazat de tip Boost DCM cu un singur întrerupător activ.

10.4. REDRESORUL VIENNA 10.5. COMANDA CIRCUITELOR PFC TRIFAZATE

CURS 10 10.1. REDRESORUL TRIFAZAT IDEAL ŞI REZISTORUL TRIFAZAT FĂRĂ PIERDERI Sursa trifazată de tensiune vede la bornele ei o sarcină simetrică rezistivă, de valoare Re pe fiecare fază.

Fig. 10.1. Redresor trifazat ideal, fără pierderi

𝑢𝑢𝑅𝑅 = 𝑈𝑈𝑀𝑀 sin𝜔𝜔𝜔𝜔

𝑢𝑢𝑆𝑆 = 𝑈𝑈𝑀𝑀 sin�𝜔𝜔𝜔𝜔 − 2𝜋𝜋3� �

𝑢𝑢𝑇𝑇 = 𝑈𝑈𝑀𝑀 sin�𝜔𝜔𝜔𝜔 − 4𝜋𝜋3� �

CIRCUITE PFC TRIFAZATE

Puterea instantanee pe fiecare fază este dată atunci de:

𝑝𝑝𝑅𝑅(𝜔𝜔) =𝑢𝑢𝑅𝑅2 (𝜔𝜔)𝑅𝑅𝑒𝑒

=𝑈𝑈𝑀𝑀2

2𝑅𝑅𝑒𝑒(1 − cos 2𝜔𝜔𝜔𝜔)

𝑝𝑝𝑆𝑆(𝜔𝜔) =𝑢𝑢𝑆𝑆2(𝜔𝜔)𝑅𝑅𝑒𝑒

=𝑈𝑈𝑀𝑀2

2𝑅𝑅𝑒𝑒�1 − cos�2𝜔𝜔𝜔𝜔 − 4𝜋𝜋

3� ��

𝑝𝑝𝑇𝑇(𝜔𝜔) =𝑢𝑢𝑇𝑇2 (𝜔𝜔)𝑅𝑅𝑒𝑒

=𝑈𝑈𝑀𝑀2

2𝑅𝑅𝑒𝑒�1 − cos�2𝜔𝜔𝜔𝜔 − 2𝜋𝜋

3� ��

Ca şi în cazul monofazat, puterea instantanee are o componentă continuă şi o armonică pe dublul frecvenţei reţelei. Puterea instantanee totală consumată este suma celor trei puteri instantanee pe faze:

𝒑𝒑𝒊𝒊(𝒕𝒕) = 𝒑𝒑𝑹𝑹(𝒕𝒕) + 𝒑𝒑𝑺𝑺(𝒕𝒕) + 𝒑𝒑𝑻𝑻(𝒕𝒕) = 𝟑𝟑𝑼𝑼𝑴𝑴𝟐𝟐

𝟐𝟐𝑹𝑹𝒆𝒆= 𝒑𝒑𝒐𝒐(𝒕𝒕)

unde s-a ţinut cont că cos𝛼𝛼 + cos�𝛼𝛼 − 2𝜋𝜋3� � + cos�𝛼𝛼 − 4𝜋𝜋

3� � = 0 , ∀𝛼𝛼 ∈ ℝ.

CURS 10 10.2. Circuite PFC trifazate cu mai multe întrerupătoare active Din punct de vedere topologic, puntea trifazată poate fi constituită din comutatoare de putere comandate, la care se adaugă eventual şi alte comutatoare de putere comandate, pe partea de curent continuu (spre ieşire), sau din comutatoare de putere necomandate (diode) însoţite de câte un întrerupător comandat în serie pe fiecare fază la care se adaugă eventual şi alte comutatoare de putere comandate, pe partea de curent continuu (spre ieşire).

10.2.1. Circuite PFC trifazate de tip Buck Topologia acestui tip de convertor este prezentată în Fig. 10.2.

Fig. 10.2. Circuit PFC trifazat de tip Buck

Structura circuitului este asemănătoare cu cea a unui invertor de curent. Avantajul structurii Buck este aici acela că tensiunea de ieşire poate să fie mai mică decât valoarea maximă a tensiunii de intrare.

CIRCUITE PFC TRIFAZATE

Fig. 10.3. Circuit PFC trifazat tip Buck cu punte necomandată

CURS 10

10.2.2. Circuit PFC trifazate tip Boost Topologia PFC trifazată tip Boost, cu punte trifazată formată din comutatoare comandate bidirecţionale în curent (funcţionare în două cadrane), este cel mai frecvent utilizată şi este prezentată în Fig. 10.4.

Fig. 10.4. Circuit trifazat PFC tip Boost cu comutatoare comandate În această topologie, diodele sunt plasate la intrare, în serie pe fiecare fază, rezultând un curent neîntrerupt la intrare. Observăm că structura circuitului este asemănătoare cu cea a unui invertor de tensiune. Tensiunea de ieşire trebuie să fie mai mare decât amplitudinea tensiunii de intrare, fiind vorba de o structură Boost.

CIRCUITE PFC TRIFAZATE

10.2.3. Circuite PFC trifazate de tip Buck-Boost Acest tip de circuit, realizat cu punte de comutatoare comandate, este prezentat în Fig. 10.5.

Fig. 10.5. Circuit PFC trifazat de tip Buck-Boost în punte cu întrerupătoare comandate

Întrerupătoarele utilizate sunt bidirecţionale în tensiune, deci avem pierderi mari de putere în conducţie, amplificate şi de valorile efective mari ale curenţilor prin comutatoarele comandate. Tensiunea de ieşire pentru acest tip de convertor este inversă ca polaritate faţă de structurile bazate pe Buck şi Boost.

CURS 10 10.2.4. Circuite PFC trifazate utilizând trei circuite monofazate

Fig. 10.6. Circuit PFC trifazat realizat cu trei circuite PFC monofazate

Se folosesc circuite de comandă individuale, obţinându-se comportamentul rezistiv pe fiecare fază. Ieşirile celor trei convertoare c.c.-c.c. pot fi conectate în serie sau în paralel.

CIRCUITE PFC TRIFAZATE

10.3. CIRCUITE PFC TRIFAZATE BAZATE PE CONVERTOARE C.C.-C.C. CU UN SINGUR ÎNTRERUPĂTOR ACTIV

Pentru controlul tensiunii de ieşire este necesară prezenţa în schemă a cel puţin un întrerupător

semiconductor comandat. O trăsătură comună a tuturor redresoarelor cu un singur întrerupător comandat este imposibilitatea vehiculării

bidirecţionale a puterii. De asemenea, aceste structuri necesită de regulă elemente reactive pentru filtrarea componentelor de înaltă

frecvenţă.

CURS 10 10.3.1. Circuit PFC trifazat de tip Boost DCM cu un singur întrerupător activ.

Fig. 10.7. Circuit PFC trifazat tip Boost DCM cu un singur comutator comandat

Comutatorul S1 este comandat la fel ca într-un convertor Boost. Atunci când S1 conduce, conduce câte o diodă din fiecare ramură a punţii şi se conectează astfel împreună toate terminalele din dreapta ale bobinelor L1, L2, L3. Curenţii iR, iS, iT prin cele trei faze ale sursei de alimentare cresc cu pante proporţionale cu tensiunile aplicate. Avantajul acestei structuri este comanda simplă, cu funcţionare la frecvenţă constantă, rezistenţa emulată putând fi modificată prin factorul de umplere. Dezavantajul constă în necesitatea plasării filtrului de radiofrecvenţă la intrare pentru eliminarea componentelor de înaltă frecvenţă cauzate de forma tipică, cu amplitudini mari, a curenţilor în DCM. Transferul puterii nu se poate face decât unidirecţional.

CIRCUITE PFC TRIFAZATE

10.4. REDRESORUL VIENNA Structura redresorului Vienna este arătată în Fig. 10.8.

Fig. 10.8. Redresor Vienna

Acest tip de redresor este un circuit cu trei comutatoare comandate, trifazat. Cele trei comutatoare sunt de obicei comandate cu o tehnică PWM, astfel încât curentul de intrare să urmărească tensiunile pe faze. Redresorul Vienna poate fi utilizat pentru îmbunătăţirea factorului de putere (PF) al unui redresor trifazat. Valoarea inductanţei de intrare critice este calculată pentru o sarcină nominală. Pentru acest redresor, tensiunea pe care trebuie să o suport fiecare comutator este jumătate din tensiunea totală de ieşire.

CURS 10 Totuşi, inductanţa optimă de intrare necesară pentru a obţine o asemenea performanţă este destul de mare şi această modalitate de operare este calculată pentru o sarcină fixă şi o inductanţă optimă de intrare fixă. De aceea, tensiunea redresată este sensibilă la variaţiile sarcinii şi performanţe bune se obţin numai într-o gamă foarte limitată a puterii la ieşire. Pentru a depăşi aceste limitări, au fost dezvoltate mai multe tehnici specifice de control. Tehnica de comandă expusă aici este bazată pe principiul de operare al redresorului Vienna. Acesta este compus din două părţi: un circuit activ de compensare şi un circuit convenţional de redresare. Armonicile redresate de redresorul convenţional pot fi compensate de circuitul activ de compensare, care face ca PF de intrare să crească. Puterea activă medie consumată de sarcină este furnizată de sursa de alimentare şi circuitul activ de compensare nu livrează şi nu consumă putere activă. Atunci poate fi obţinut curentul de referinţă pentru compensare. Perioada de conducţie pentru comutatoarele bidirecţionale este controlată utilizând HCC. În urma folosirii unei frecvenţe mari de comutaţie, se poate reduce dimensiunea inductanţei. Această metodă de control nu necesită măsurarea curentului pe partea de c.c., ceea ce reduce dimensiunea şi costul echipamentului. Prin folosirea acestei metode rezultă o îmbunătăţire substanţială a PF, armonicele curentului de intrare sunt eliminate sau reduse pentru largi variaţii ale sarcinii şi de asemenea este menţinută o constantă tensiune continuă la ieşire.

Topologia din Fig. 10.8 constă dintr-un redresor trifazat cu diode cu două condensatoare identice conectate în

paralel şi trei comutatoare bidirecţionale. Comutatoarele bidirecţionale sunt formate din patru diode şi un comutator (de ex. MOSFET) în conexiunea din figură.

Aceste comutatoare bidirecţionale sunt controlate folosind HCC pentru a asigura forma dorită a curentului de intrare, tensiune constantă la ieşire şi echilibrul tensiunii pe cele două condensatoare. Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi ale curentului pe o fază sunt arătate în figura următoare:

CIRCUITE PFC TRIFAZATE

10.5. Comanda circuitelor PFC trifazate Comanda sau controlul convertoarelor de putere de obicei poate fi împărţită în trei părţi: modularea, controlul curentului şi reglarea unei mărimi de ieşire (tensiunea de ieşire pentru cazul redresoarelor).

În aplicaţiile invertoarelor trifazate, dinamica sistemului este dictată de componente lente electromecanice sau de componente reactive mari, astfel încât performanţa dinamică nu este foarte critică. Mai mult, reglarea de precizie a curentului de c.a. nu este de multe ori foarte importantă. În contrast cu aceasta, obiectivul în aplicaţiile PFC îl reprezintă tocmai controlul de precizie al curentului, care se doreşte să urmărească cât mai fidel forma tensiunii de alimentare. Toate tehnicile standard de comandă folosite pentru invertoare pot fi folosite şi pentru redresoare, cum ar fi PWM sinusoidală, PWM cu undă modulatoare modificată, SVPWM. Cel mai simplu control al curentului pentru circuite de tip Boost îl reprezintă controlul cu histerezis, care combină modulaţia şi controlul curentului într-o singură funcţie. De asemenea această metodă asigură cea mai largă bandă a buclei de reglare. Dezavantajul major este dependenţa frecvenţei de comutaţie de sarcină şi interferenţa între faze, având ca rezultat o funcţionare neregulată a convertorului şi forme de undă neuniforme ale curentului. Aceste probleme pot fi remediate prin controlul a doi curenţi linie-linie. Controlul curentului mediu este des folosit în circuitele PFC. Deoarece sunt doar două variabile independente de curent într-un sistem trifazat, trebuie controlaţi doar doi curenţi de intrare. Schema de modulaţie este deseori calculată astfel încât comutatoarele corespunzătoare fazei prin care circulă cel mai mare curent să fie OFF, reducând astfel cu 50% pierderile în comutaţie. Reglarea se poate realiza cu circuite analogice sau digitale. Avantajul implementărilor digitale este acela că variabilele de control sunt constante pentru regim staţionar şi sistem echilibrat, şi poate fi obţinută o bună calitate a curentului în regim staţionar. În controlul analogic al curentului, variabilele de control se modifică în timp şi chiar tensiunile de referinţă, ideale, pot fi discontinue în jurul trecerilor prin zero. De aceea trebuie folosite regulatoare analogice de curent foarte rapide pentru a obţine o calitate bună a curentului, iar distorsiunile curentului sunt de obicei mai mari decât în cazul controlului digital. În cazul implementării digitale, viteza buclei de reacţie e limitată de întârzierile de calcul.