RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC

ETAPA 1 – 2014

PROIECT PCCA NR. 60 / 2014

Dispozitiv inovativ de protecţie a reţelei de energie electrică faţǎ de consumatorii electronici cu factor de putere redus

“Innovative power grid protection device against low power factor electronic loads”

- IEDPFC -

Director de proiect, CO – UTC-N

Asist.dr.ing. Petre Dorel TEODOSESCU

Responsabil de proiect P1 – ICPE-CA

Dr.ing. Marin DORIAN

2014

Rezumat etapa I

Activități desfașurate:

• Analiza studiilor realizate la nivel european sau mondial cu privire la modul de dispersie a echipamentelor electronice la nivel de consumatori casnici şi industriali; tendinţele de viitor ale reglementărilor în domeniu.

• Analiza tehnică a 3 circuite electronice de putere cu utilizate in aplicații de mică putere. • Modelare și simulare software a celor 3 circuite analizate tehnic, pentru stabilirea

performanțelor acestora. • Identificare a 2 topologii de convertoare cu potențial interesant pentru analiza mai

detaliată. • Au fost dezvoltate, construite și testate 2 circuite electronice pentru utilizare în iluminat

de mică de putere cu LED. • A fost dezvoltat un stand de măsurare și analiză a circuitelor electronice utilizate în lămpi

pentru ilumint - CFL, încarcatoare de laptop, tablete și telefoane mobile, în vederea comportamentului față de rețeaua de energie electrică.

• A fost dezvoltat un circuit în configurație Boost, controlat cu un circuit integrat specializat pentru funcția de PFC.

• Au fost diseminate rezultatele în două lucrări științifice – o lucrare de revistă ISI (IF 1.056) și o lucrare de conferință IEEE.

• Analiză performante pentru tehnologii semiconductoare de ultimă generație: tranzitoare GaN și SiC, diode SiC.

• Realizare teste practice în vederea redactării unei lucrări stiințifice.

Rezultate obținute:

• Lucrare științifică publicată în revistă ISI – IET Electronics Letters • Lucrare științifică comunicată și publicată în cadrul unei conferințe IEEE • Interviu - Material editorial realizat pentru revista Electronics Letters la invitația

redactorilor revistei. • Raport: Analiza studiilor realizate la nivel european sau mondial cu privire la modul de

dispersie a echipamentelor electronice la nivel de consumatori casnici şi industriali, tendinţele de viitor ale reglementărilor în domeniu.

• Raport științific și tehnic Etapa I

Raport științific în extenso

1. Studii realizate la nivel european sau mondial cu privire la modul de

dispersie a echipamentelor electronice la nivel de consumatori casnici şi industriali; tendinţele de viitor ale reglementărilor în domeniu.

Analize detaliate se vor regăsi în Raportul : Analiza studiilor realizate la nivel european sau mondial cu privire la modul de dispersie a echipamentelor electronice la nivel de consumatori casnici şi industriali; tendinţele de viitor ale reglementărilor în domeniu.

Consumul de energie electrică şi posibilităţi de reducere a acestuia pe dispozitivele digitale. Rolul Uniunii Europene ca lider în standardizarea acestuia În ultimul deceniu, factorii de decizie atât la nivel de stat cât şi la nivel european (şi chiar

global) au mărit brusc nivelul şi aria de acoperire a standardelor de performanţă privind eficienţa energetică, folosind atât legislaţia, cât şi reglementările aplicate în diverse domenii. Cerinţele de creştere a eficienţei energetice s-au răsfrânt asupra bunurilor comerciale de folosinţă îndelungată,cum ar fi: automobile, aparate electrocasnice, şi chiar clădiri, precum şi bunuri de capital utilizate de industrie, cum ar fi: echipamente electrice (motoare electrice etc.), mijloace de transport (camioane grele, etc.).

Comisia Europeana pentru Energie - Intelligent Energy Europe - European Commission (IEE) a efectuat analize economice ale multora dintre aceste standarde de performanţă a eficienţei energetice, cu accent pe impactul asupra costurilor consumatorilor. IEE a comandat, de asemenea, sondaje de opinie cu privire la atitudinile consumatorilor faţă de eficienţa energetică în general şi a standardelor de performanţă. S-a obţinut în mod constant un puternic sprijin public pentru creşterea eficienţei energetice prin intermediul unor standarde şi astfel analiza economică efectuată arată că acest sprijin public este regăsit în economie prin standardele adoptate. Totodată analiza economică arată că standardele mai ridicate salvează consumatorii de cheltuirea unor sume considerabile de bani, pentru că tehnologiile de economisire a energiei reduc facturile la energie mai mult decât creşterea preţurilor la bunurile de folosinţă îndelungată.

Bunurile de consum de folosinţă îndelungată, cum ar fi automobile, echipamentele de încălzire, de aer condiţionat şi bunurile de capital, cum ar fi mijloacele grele de transport, au primit, pe bună dreptate, cea mai mare atenţie în procesul de integrarea a acestora ca politică energetică. Combustibilul utilizat în automobile şi camioane utilitare uşoare reprezintă cea mai mare cheltuială de energie unică de uz casnic, ajungând la peste 2150Euro în 2012. Costul motorinei utilizate pentru camioane grele şi mijlocii, care este plătită ]n final de către consumatori în preţul bunurilor şi serviciilor prestate, a fost de aproape 1200Euro în 2012. Cheltuielile pentru energia utilizată acasă (încălzire, răcire, apă caldă, aparate electrice) a fost de aproximativ 2.000Euro în acelaşi an, încălzirea fiind cu costul cel mai mare, urmată de apă caldă şi aer condiţionat.

Cu toate acestea, componenta cu cea mai rapidă creştere din consumul naţional de energie este categoria aparatelor electrice, care includ un mix de aparate de iluminat, inclusiv, televizoare şi alte electronice de consum. Mai mult decât atât, în această categorie largă, segmentul cu cea mai mare creştere a consumului de energie este reprezentat de aşa-numitele dispozitive digitale de uz

casnic, care includ calculatoarele, conexiunile la internet şi dispozitivele de reţea video. Studiile au analizat importanţa tot mai mare şi potenţialele beneficii pentru consumatori prin adoptarea standardelor de eficienţă care să acopere şi aceste dispozitive.

Având în vedere creşterea dramatică a consumului de energie electrică a acestor dispozitive digitale de uz domestic, au început să atragă atenţia factorilor de decizie şi, având în vedere modelul istoric de dezvoltare a standardelor din Europa şi din lume, nu ar fi surprinzător dacă Uniunea Europeana preia problema de stabilire a standardelor pentru aceste dispozitive. Uniunea Europeana a jucat în mod tradiţional un rol de lider într-o serie de domenii, inclusiv pentru aparate şi clădiri, dar şi pentru maşini.

Deşi iniţiativele din Uniunea Europeana sunt frecvent conduse şi apreciate prin impactul lor asupra mediului, se va realiza că obiectivele de mediu în mare măsură sunt atinse prin reducerea consumului de energie. În primul rând se urmăresc preocupările legate de mediu, dar la fel de bine ele sunt atinse prin îndeplinirea criteriile economice de cost-beneficiu. În timp ce IEE recunoaşte şi apreciază importanţa costurilor totale sociale ale consumului de energie, studiul realizat s-a concentrat întotdeauna pe un nivel economic mai restrâns, mai precis testul consumatorului (buzunarul acestuia). Deci întrebarea a fost: "cum să beneficiem de reducerea facturilor la energie în comparaţie cu costul pentru adaptarea tehnologiilor energetice emergente, care este impactul direct asupra buzunarului consumatorului?"

Creşterea importanţei dispozitivelor digitale de uz casnic

Aşa cum se arată în graficul din Fig 1, cantitatea de energia electrică consumată de dispozitive digitale de uz casnic a crescut de cinci ori între 2000 şi 2010. Estimarea realizată a consumului la nivel european în 2013 a fost în medie de 800kWh pentru dispozitive digitale de uz casnic, bazată pe media ponderată, medie a prezenţei acestor dispozitive în gospodării. Astfel, la nivel mondial, se multiplică această estimare a numărului de gospodării ce utilizează astfel de dispozitive cu numărul mediu de dispozitive pe gospodărie şi se împarte la numărul total de gospodării.

Creşterea consumului de energie electrică a acestor dispozitive este determinată atât de creşterea penetrării acestor dispozitive în gospodării precum şi utilizarea tot intensivă a acestor dispozitive în gospodării, aşa cum se arată în graficul din Fig. 1. Tot mai multe gospodării au tot mai multe dispozitive pe care le folosesc tot mai des pentru perioade de timp din ce în ce mai mari pentru a-şi îndeplini sarcinile şi astfel rezultă un consum tot mai mare de energie. În 2010 au fost mai mult de 120 de milioane de gospodării, unde unele gospodării au avut mai mult de un dispozitiv. Astfel, în analiza nivelurilor viitoare de penetrare, se poate lua în calcul că unele dintre aceste dispozitive vor deveni mai degrabă personale (telefoane mobile cu internet) decât de uz casnic.

Fig. 1. Creşterea impactului utilizării dispozitivelor digitale de uz casnic privind energia electrică

Fig. 2 prezintă un al doilea mod de a descrie consumul de energie electrică a dispozitivelor

digitale de uz casnic. Ea prezintă consumul de energie electrică estimată a unei gospodării care are unul dintre următoarele dispozitive - un calculator cu un monitor, un laptop, un modem cu un router, un set de cablu cu cutie de cablu şi un DVR - şi foloseşte aceste dispozitive la nivel mediu. Având în vedere gradul de penetrare a acestor dispozitive, această gospodărie ar fi considerată model sau gospodărie "tipică". Două estimări au fost realizate, una din Germania, iar cealaltă estimare a fost realizată de Asociaţia Consumatorilor de Electronice. Ambele estimări ale consumului de energie electrică pentru această gospodărie "tipică", sunt destul de aproape de 800 kWh. Desigur, pe baza unei medii europene, unele gospodării nu au toate aceste dispozitive, iar unii au mai mult de unul. Prin urmare, media ponderată pare rezonabilă.

Consumul mediu ponderat anual al populației pe dispozitive digitale

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2000 2010 2013

kWh

Penetrarea și utilizarea de calculatoare, console de jocuri și de dispozitive pentru rețele de conexiune

54,5 54,5

16

54

11 15

49 49 57

924

6353

103101

152

132

109

88

48,5

87

220

97

63

135

48,2 43,5

150

0

50

100

150

200

250

Computer

Monitor

Notebook

Game C

onsoleAcce

ssRouter

STB

Computer

Monitor

Notebook

Game C

onsoleAcce

ssRouter

STB

2000 2010

Gospodarii cu dispozitive (milioane) Consumul anual mediu pe dispozitiv (kWh)

Fig. 2. Consumul anual pentru din fiecare din dispozitivele electronice de uz casnic

Aşa cum este prezentat în Fig. 3, se estimează că pe baza unei medii europene, până în

2013, dispozitivele digitale de uz casnic reprezintă cea mai rapidă sursă de creştere a cererii de energie electrică. De asemenea aceste dispozitive electronice de consum, au consumat aproximativ jumătate din energia pentru echipamentele de aer condiţionat şi două treimi din cea consumată de cele pentru refrigerare. Desigur, utilizarea de aer condiţionat este concentrată în anumite regiuni în timp ce utilizarea acestor dispozitive electronice de larg consum este larg răspândită în întreaga Europă. Dispersia consumului de energie electrică a acestor dispozitive digitale de uz casnic nu ar trebui să fie ignorată ca politica de mediu şi/sau în reducerea consumului de energie. Dimpotrivă, trebuie să se abordeze consumul global de energie electrică a dispozitivelor digitale de uz casnic. Astfel, dispozitive digitale de uz casnic reprezintă unul dintre cei mai mari utilizatori de uz casnic de energie electrică care nu au fost abordate de către standardele de energie. În timp ce se observă creşterea rapidă şi natura dispersată a utilizării acestor dispozitive, poate neluată suficient în considerare de factorii de decizie responsabili, este clar acum că acestes sunt un motor important al consumului de energie electrică .

Fig. 3. Consumul european mediu ponderat de energie electrică kWh / gospodărie

(Include toate gospodăriile)

0

200

400

600

800

1000

Cazul Germania CEA

kWh

/ an

Computer & Monitor LaptopGame Console Modem & RouterCutie Cablu DVR

Dispozitive digitale,

1% Caldura, 13%

Aer Conditionat,

15%

Apa Calda, 9%

Refigerare, 13%

Alte aplicatii,

49%

2001 Dispozitive digitale, 7%

Caldura, 9%

Aer Conditionat,

15%

Apa Calda,,, 10%

Refigerare, 11%

Alte aplicatii,

48%

2013

3.3. Costurile şi beneficiile potenţiale prin economisirea de energie electrică O analiză recentă din Germania, demonstrează un potenţial substanţial de economisire de

energie electrică pentru aceste dispozitive la un cost foarte atractiv. Aşa cum se arată în graficul din Fig. 4, o gospodărie tipică ar putea economisi aproape 300kWh pe an pentru un set de dispozitive. Aceasta este o reducere de mai mult de o treime din consumul de energie electrică. O trecere în revistă a altor estimări ale potenţialului economiilor de energie şi a costurilor tehnologice arată că aceste estimări sunt destul de rezonabile, chiar precaute în anumite privințe.

Graficul din Fig. 5 arată că pentru gospodăriile casnice "tipice", costul realizării acestor îmbunătăţiri în domeniul eficienţei energetice ar fi mult mai mici decât valoarea energiei electrice economisite. Pentru fiecare dispozitiv individual, beneficiile depăşesc costurile. beneficiile fiind de 2,4 ori mai mare decât costul.

Pe scurt, propunerea înaintată Comisiei Europeana pentru Energie (IEE) pentru acest grup important de bunuri de folosinţă îndelungată esta una perfect argumentată.

Fig. 4. Consumul de energie electrică și potențialul de economisire

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Desktop PC & Monitor

Desktop integrat

Monitoare

Notebook

Cutii satelit

Acces internet

DVR si altele

Clienti wireless

Modem

Routere

Consola jocuri

Gospodarii "tipice"

kWh / an

Consumul de energie electrică şi potenţialul de economisire

Consum 2013

Potential de economisire

Fig. 5. Costurile şi beneficiile îmbunătăţirii eficienţei dispozitivelor digitale de uz casnic

Având în vedere rezultatul analizei cost-beneficiu extrem de pozitiv şi demonstraţia că

există numeroase tehnologii disponibile care ar putea satisface sau chiar nivelurile standard propuse, toate acestea reprezintă un bun punct de plecare. În examinarea efectuată asupra literaturii de specialitate, au fost identificate caracteristici care permit efectiv standardelor de performanţă să răspundă la barierele de piaţă şi imperfecţiunile care inhibă investiţiile în eficienţă. Nivelurile standardelor propuse iniţial urmează să acopere multe dintre caracteristicile produselor.

Tehnologia Neutră: o abordare prin tehnologie neutră a unui standard pe termen lung lansează competiţia în jurul valorii standardului care permite industriei să prezinte consumatorilor o gamă largă de opţiuni, la cel mai mic cost posibil.

Produs neutru: standardele de performanţă sunt stabilite pentru diferite niveluri de performanţă şi caracteristici. Prin urmare, standardele pot cuprinde preferinţele cumpărătorului şi nu încearcă să le înlocuiască. Nivelul standardelor reprezintă terenul de joc pentru eficienţa dispozitivelor.

Receptiv la nevoile industriei: Stabilirea unui standard de performanţă pe termen lung recunoaşte necesitatea de a menţine standardele în contact cu realitatea. Standardele trebuie să fie stabilite la un nivel agresiv moderat, care este în mod clar benefic, realizabil şi poate lua în considerare modificările dinamice ale tehnologiei.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Desktop PC & Monitor

Desktop integrat

Monitoare

Notebook

Cutii cablu

Cutii satelit

Acces internet

DVR si altele

Clienti wireless

Modem

Routere

Consola jocuri

Gospodarii "tipice"

Euro / an

Costul ciclului de viaţă şi avantajele reducerii consumului de energie electrică

Costul tehnologiei pe unitate

Ciclul de viata pe unitate

Receptiv la nevoile pieţei: stabilirea standardelor, în conformitate cu nevoile pieței.. Standardele nu necesită schimbări radicale în tipurile sau dimensiunea echipamentelor din industrie, astfel, întreaga gamă de opţiuni vor fi disponibile pe piaţă.

Concluzii Creşterea numărului de electronice de consum (dispozitive digitale) în ţara de origine

concomitent cu un nivel de utilizare mai ridicat a acestora au dus şi la o creştere semnificativă a consumului de energie în ultimii zece ani. Este o oportunitate pentru consumatori de a economisi direct prin facturile de energie printr-o tehnologie neutră. Aceste standarde trebuie să încurajeze adoptarea în produse a tehnologiilor eficiente de economisire a energiei. Uniunea Europeană a impus naţiunilor standardele de eficienţă energetică pentru vehicule, clădiri, aparate şi alte electronice. Acum acesta poate fi din nou un lider pentru a trece mai departe la standardele de eficienţă și de ce nu standarde de performanță pentru electronice de consum şi dispozitive digitale.

2. Analiză tehnico-economică. Simulari software preliminare

În concordanță cu obiectivele propuse în această etapă, a fost realizat un studiu tehnic al topologiilor de convertoare utilizate în industrie și la nivel de cercetare stiințifică pentru aplicații de mică putere cu funcția suplimentară de corectare a factorului de putere (PFC). În acest sens a fost identificate câteva soluții care sunt preferate în utilizare, datorită complexității relativ scăzute, dar mai ales datorită confortului oferit de o tehnologie cunoscută, matură. Analiza a aratat că topologiile utilizate sunt cu precădere cu două etaje ce permit un control mai riguros al parametrilor. În legătură cu topologiile utilizate pentru PFC putem discuta de convertoare clasice Buck, Buck-Boost, Boost și Flyback. Pentru puteri reduse, topologia Flyback pare cea mai atractivă soluție pentru mediul economic deoarece este o topologie într-un singur etaj se poate controla direct printr-un circuit integrat specializat de corectare a factorului de putere. Aceste circuite integrate ofera foarte multă flexibilitate și prin faptul că sunt dezvoltate de mai bine de 10 ani, de mai toate companiile producătoare de componente electronice, tehnologia este una matură, fiabilă și performantă. Totuși aceste circuite integrate sunt dezvoltate pentru aplicațiile unde reglementarile în viguare obligă la aplicarea corectării factorului de putere, deci pentru puteri cel puțin medii (>75W). Astfel, aplicarea acestor circuite integrate la puteri mici, de ordinul waților, prezintă limitări la nivel de performață în ceea ce privește funcția de PFC. În aceste aplicații, de regulă, nivelul de deformare al curentului este de peste 20%, totuși prezintă o îmbunătățire semnificativă față de situația clasică de redresor și filtrare capacitivă, ce are un factor de deformare THD de peste 80%.

Un dezavantaj major al topologiei Flyback este randamentrul relativ scăzut de aprox. 80%, ceea ce permite apariția unor temperaturi ridicate la nivelul echipamentelor ce utilizează această topologie. Și circuitele în două etaje, chiar daca randamentrul pe fiecare etaj este unul bun, la nivel general convertorul prezintă un randament de numai 75 % - 85 %, ceea ce ne duce la performante asemănătoare convertorului Flyback într-un singur etaj cu PFC.

Topologia de circuit pentru PFC cu cele mai bune performanțe este circuitul Boost, unde randamentul poate depași 95%. Pentru acest convertor tensiunea de ieșire este mai ridicată decât cea de la intrare. Pentru aplicații unde tensiunea de lucru este una ridicată, la puteri medii, convertorul Boost cu PFC este soluția optimă. Având în vedere aplicațiile de mică putere, unde tensiunea de ieșire este una la nivel de maxim zeci de volți, topologia Boost ce ridică tensiunea până la valori de aproximativ 400V iar apoi printr-un etaj secundar aceasta să fie coborâtă, nu este una foarte potrivită. O abordareinginerească ar fi utilizarea unui convertor Buck pentru funcția PFC, urmat de un convertor Flyback pentru stabilizarea tensiunii de ieșire la valori de orinul voltilor sau decilor de volți.

O altă topologie ce permite funcția de PFC, este redresorul cu factor de putere unitar , ce permite construirea unui curent sinusoidal și în fază cu tensiunea. Acest redresor poate avea diferite configutații, în semi-punte sau punte integral comandată. Aceasta din urma prezintă funcționalități precum circulație de putere bidirecțională, în timp ce în semi-punte se realizează funția de PFC dar intr-o configurație mai simpla, deci costuri mai reduse. De asemenea circulația bidirecțională de energie, în aplicații de mică putere este o funcție mai puțin importantă, astfel în ceea ce privețte redresoarele cu factor de putere unitar, configurația în semi-punte merită analizată în cadrul proiectului într-un mod mai detaliat. Mai mult, această topologie are avantajul utilizării unui redresor cu tranzitoare, astfel randamentul poate crește în comparație cu circuitele ce utilizează la intrare redresoare doar cu diode. În mod obișnuit, redresoarele cu factor de putere unitar sunt convertoare ce funcționează în regim Boost, astfel apare din nou în discuție necesitatea unui convertor secundar pentru coborârea tensiunii de la ieșire.

În afară de topologie Flyback controlată cu un circuit specializat de PFC, celelalte topologii sunt topologii ce necesită 2 etaje de conversie ceea ce ridică problema convertorului de stabilizare și adaptarea tensiunii de ieșire în concordanță cu aplicațiile de putere redusă. Pentru aceasta funcție , datorită complezității și costurilor scăzute, topologia Flyback este cea mai des utilizată. Pentru puteri mai mari, topologia Push-Pull este preferată, configurație care face parte tot din categoria convertoarelor Buck-Boost precum convertorul Flyback. O a treia opțiune, sunt convertoarele rezonante LLC în semipunte , care nu au fost luate în considerare pentru aplicații de mică și foare mică putere. Totuși în iluminatul electronic cu LED, această topologie este agreată pentru aplicații de peste 50W, astfel proiectul își va propune analiza posibilității implementării acestei topologii și la puteri de wati sau zeci de wați, în convertoare universale cu funcția suplimentară de PFC și stabilizarea tensiunii de ieșire.

Totuși, aplicațiile de mică putere au ca limitare foarte mare costurile, astfel anumite aplicații unde costurile trebuie limitate cât se poate de mult, soluții de PFC cu circuite pasive trebuie luate în considerare. În acest sens circuitele Faley-fill prezintă cele mai evidente avantaje. Utilizarea lor în tandem cu un convertor flyback poate crește performanța acestuia din urmă cu 5 până la 10 procente în ceea ce însemană randamentul în comparație cu topologia de Flyback cu PFC într-un singur etaj de conversie și îmbunătățiri reale ale formei curentului de intrare, deci factor de putere crescut, respectiv factor de distorsiune mai redus.

Pentru a îndeplinii obiectivele asumate în cadrul proiectului, în cadrul etapei urmatoare, idea generalizată este de identificare a unei soluții , unei topologii într-un singur etaj dar la care randamentul de conversie sa depașască 90%. Rezulatele preliminare obținute în cadrul acestei etape, cele 2 lucrări științifice publicate, arată ca aceste obiective sunt realiste, dar pentru

aplicații universale sunt necesare cercetări mai amănunțite. În Fig. 6, Fig. 7, și Fig. 8 sunt prezentate covertoarelor Boost, Buck respective Flyback, prevăzute cu funcția de corectare a factorului de putere, analizate prin modelare și simulare Orcad-Pspice.

Fig. 6. Model simplificat al convertorului Convertor Boost cu PFC

Fig. 7. Model simplificat al convertorului Convertor Buck cu PFC

U8+

-

OUT

0

0

U2

+

-

OUT

M1

L1

Rsarcina

V2

FREQ = 50VAMPL = 324VOFF = 0

AC =

D1 D2

D3 D4

D5

C1

0

R7

R8

R4

R5

U3

+

-

OUT

I N 1

I N 2O U T

V3

FREQ = 50VAMPL = 1VOFF = 0

AC =

0

V4

R9

M2

L2

Rsarcina1

V5

FREQ = 50VAMPL = 324VOFF = 0

AC =

Dbreak

D6 D7

Dbreak

D8

Dbreak

D9

0

C2

R10

R11

R14

D10

U9+

-

OUT

0

0

U10

+

-

OUT

R24

R25

U11

+

-

OUT

I N 1

I N 2O U T

V11

FREQ = 50VAMPL = 1VOFF = 0

AC =

0 V12

Fig. 8. Model simplificat al convertorului Flyback cu PFC

3. Cercetare preliminara Model Experimental

În urma analizei tehnice, topologia de redresor cu factor de putere unitar a devenit un

obiectiv al cercetării și în acest sens a fost construit un prototip de test în laborator. Circuitul de control a fost implementat cu ajutorul circuitului integrat specializat pentru corectarea factorului de putere, de la compania Texas Instruments UCC3817. În mod uzual acest circuit integrat este utilizat în controlul unui preconvertor PFC Boost, in timp ce aplicația finală urmărită în cazul nostru este o topologie complet diferită. S-au realizat primele teste la nivel de funționare în regim de preconvertor Boost (Fig.9 ) dar rezultatele preliminare nu au fost foarte încurajatoare. Astfel, vom analiza în etapa următoare modalități de adaptare a acestui circuit la topologia propusă (redresor cu factor de putere unitar), provocarea constând în adaptarea la topologia diferită dar mai ales la nivelul de putere redusă.

M3

L3

Rsarcina2

V8

FREQ = 50VAMPL = 324VOFF = 0

AC =

D11 D12

D13 D14

0

C3

R15

R16

R19

D15

L4

0U12+

-

OUT

0

U13

+

-

OUT

R28

R29

U14

+

-

OUT

I N 1

I N 2O U T

V13

FREQ = 50VAMPL = 1VOFF = 0

AC =

0 V14

R30

1Meg

Fig. 9. Schema electronică circuit electronic construit la nivel de laborator

O a doua topologie de circuit electronic ce a fost modelat, simulat și realizat practic este circuitul din Fig. Această topologie a fost demonstrata ca o soluție cu rezultate deosebite pentru aplicații de mică putere în ilumintat cu diode electroluminiscente (LED). Rezultatele obținute pe baza analizelor matematice, a simularilor, respectiv a măsuratorilor practice au fost diseminate in cadrul articolului stiințific Resonant LED driver with inherent constant current and power factor correction publicat în revista IET Electronics Letters (IF 1.068). De asemenea pe baza acestui articol, comitetul de redacție al revistei a înaintat o invitație de a publica un material editorial special, publicat la începutului volumului cu numarul 50. Acestă invitație a fost onorată, iar interviul este publicat în aceeași revistă, fiind acesibil online și pe site-ul revistei.

În cea ce privește principiul de funcționare, circuitul realizează funcția de corectare a factorului de putere într-un mod natural fără a utiliza un circuit de comandă specializat. De asemenea, circuitul permite obținerea unui curent constant pentru alimentarea LED, aspec critic în tot ce însemană performanțe ridicate ale acestor dispozitive de iluminat. Topologia este una

într-un singur etaj, fără a utiliza în procesul de conversie nici un transformator, astfel randament obținut este de aproximativ 90%, totul la un preț de produție extrem de competitiv. Astfel, rezultatele obținute în urma ceercetărilor și mai apoi publicate sunt în perfectă corelare cu obiectivele proiectului, chiar în anumite privințe depășesc așteptările. În cea ce privește această topologie în etapele următoare se va analiza modaliatatea de implementare și pentru alte aplicații urmărite în cadrul proiectului. În Fig. 10 și Fig. 11 sunt prezentate schemele electronice ale driverelor LED dezvolate, în timp ce în Fig.12 , și Fig. 13 sunt prezentate formele de undă caracterisitice, respectiv perfromențele generale obținute.

D2

D4

AC

Cres

Lres

L1

C2

C1

LED String 1

LED String 2

D1

D3

Discrete, Self-oscilationg, Control Circuit

T1

T2

si

ci

LEDi

suLEDu

ACi

DCu

Fig. 10. Driver LED fără filtru capacitiv pe partea de ieșire

D2

D4

ACLres

C2

C1

D1

D3

Discrete,Self-oscilationg, Control Circuit

T1

T2

si

ci

LEDi

su

LEDu

LED String 1

LED String 2

DLED1

C3 C4

L1DLED2

'LEDi

'LEDu

Cres

ACi

Fig. 11. Driver LED cu filtru capacitiv pe partea de ieșire

a b

c d

Fig. 12. Forme de undă; a,b,c – Driver LED fără filtru; d- Driver LED cu filtru

Driver Factor de

putere

THD

(%)

Randament electric

(%)

Eficacitate luminoasă

(lm/W)

Driver LED fără filtru 0.985 16.66 90.19 110

Driver LED cu filtru 0.986 16.06 88.98 116

Fig.13. Rezultate drivere LED

]/4[: divmstime

]/500[: divmAiLED

]/50[: divVuLED

]/100[: divVus

]/4[: divmstime ]/4[: divmstime

]/4[: divstime µ

]/150[: divVuAC

]/10[:)( divmAiFFT AC

]/50[: divmAiAC

]/200[: divmAiLED

]/20[: divVuLED]/50[: divVus

]/50[:' divmAiLED

]/10[:' divVuLED

În cadrul lucrării publicate și prezentate la conferința International Universities Power Engineering Conference (UPEC), a fost realizat un studiu cu privire la impactul pozitiv pe care un dispozitiv electronic pentru comanda LED il poate avea la nivel rețelei de distribuție a energiei electrice. Comparația este realizata între 4 tipuri de sarcini de mică putere, un dispozitiv de iluminat CFL, un încărcător de laptop, un bec incadescent și o variantă a dispozitivului de iluminat cu LED, dezvoltat și prezentat în lucrarea publicată în revista IET Electronics Letters.

a

b

c

d

e

f

Fig. 14.Forme de undă ale mărimilor de intrare pentru sarcinile considerate. a- CFL;b-încărcător de laptop;CFL+încărcator laptop;d- un bec incadescent ; e-LED; f- Analiză armonică sarcini.

0

10

20

30

40

50

60

70

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

NBC CFL NBC + CFL IL LED

Harmonic Amplitudine (mA)

Harmonic Order

Sunt luate în calcul 6 cazuri de comparație Fig.15 , în care obiectivul este de arăta că circuitul electronic dezvoltat pentru LED are un efect pozitiv asupra calității energiei electrice într-o microrețea. Acest efect pozitiv este chiar mai accentuat și în comparție cu o sarcina ideală, o sarcină rezistivă (corpul de iluminat incadescent). Conform rezultatelor prezentate în Fig. 16, în toate cazurile corpul de iluminat cu LED are un efect de reducere a distoriunilor cauzate de sarcinile neliniare alăturate.

AC

)(tiNBC )(tiIL

AC

)(tiNBC )(tiLED

AC

)(tiCFL )(tiIL

AC

)(tiCFL )(tiLED

AC

)(tiCFL )(tiNBC)(tiIL

AC

)(tiCFL )(tiNBC )(tiLED

CASE I

CASE IV

CASE II

CASE V

CASE III

CASE VI

Non linear Load

Notebook Charger

Linear Load

Incadescent Lamp

Non linear Load

Notebook Charger

Linear LoadLED Lamp

Linear LoadIncadescent

Lamp

Non linear LoadCFL Lamp

Linear LoadLED Lamp

Non linear LoadCFL Lamp

Non linear Load

Notebook Charger

Linear LoadIncadescent

Lamp

Non linear LoadCFL Lamp

Non linear Load

Notebook Charger

Linear LoadLED Lamp

Non linear LoadCFL Lamp

)(tiGrid

)(tiGrid

)(tiGrid

)(tiGrid

)(tiGrid

)(tiGrid

a b Fig. 15. a-Reprezentare cazuri analizate; b-Formele de undă ale curentului (albastru) și a

tensiunii (roșu) de intrare

Crt. Load Configuration CASE THD (%)

1 Notebook Charger - 145.56

2 Compact

Fluorescent lamp (CFL)

- 85.5

3 Notebook + CFL - 94.22

4 Incandescent Lamp - 2.54

5 LED Lamp - 28.73

Comparison 1

6 Notebook Charger + Incandescent Lamp CASE I 72.31

7 Notebook Charger + LED Lamp

CASE IV 65.73

Comparison 2

8 CFL + Incandescent Lamp CASE II 58.66

9 CFL + LED Lamp CASE V 55.58

Comparison 3

10 Notebook Charger + CFL + Incandescent

Lamp CASE III 54.12

11 Notebook Charger + CFL + LED Lamp

CASE VI 48.83

a b

Fig. 16. a- Analiza armonică pentru cele 6 cazuri; b- Rezultate centralizate.

0102030405060708090

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

NBC + IL NBC + LEDHarmonic %

Harmonic Order

0102030405060708090

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

CFL + IL CFL + LED

Harmonic Order

Harmonic %

0102030405060708090

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

NBC + CFL + IL NBC + CFL + LEDHarmonic %

Harmonic Order

Gradul de realizare a obiectivelor

Obiectivele asumate pentru această etapă au fost în totalitate îndeplinite, chiar în

anumite aspecte acestea au fost depășite. Aici se face referire la rezultatele extraordinare obținute cu circuitul pentru comanda LED, care deschide oportunități deosebite în cercetare pentru etapele următoare. De asemenea, prin identificarea topologiei redresorului cu factor de putere unitar și a circuitului rezonant LLC au fost indeplinite obiectivele cu privire la identificarea a 2 circuite electronice cu atractivitate crescută în implementare. Trebuie specificat, că etapa de identificare de posibile noi topologii nu este încheiată, fiind necesare analize și asupra altor circuite.

Obiectivul priviind oportunitatea cercetărilor realizate în acest proiect, atât la nivel de calitate a energiei electrice cât și din punct de vedere performanțelor energetice ce trebuie indeplinite și de aceste sarcini de putere redusă, a fost îndeplinit prin realizarea raportului cu privire la modul de dispersie a echipamentelor electronice la nivel de consumatori casnici şi industriali, precum și tendinţele de viitor ale reglementărilor în domeniu.

Rezultatele diseminate prin lucrările științifice, recunoscute la nivel internațional depășesc previziunile, ceea întărește utilitatea și necesitatea acestui proiect de cercetare. Informații detaliate cu privire la rezultatele publicate se regăsesc la următoarele adrese: 1. Teodosescu, P.D., "Interview," Electronics Letters , vol.50, no.15, pp.1034, July 17 2014 doi:10.1049/el.2014.2410 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6856327&isnumber=6856325 URL: http://www.theiet.org/resources/journals/eletters/5015/petre-teodosescu.cfm 2. Teodosescu, P.D.; Bojan, M.; Marschalko, R., "Resonant LED driver with inherent constant current and power factor correction," Electronics Letters , vol.50, no.15, pp.1086,1088, July 17 2014 doi:10.1049/el.2014.1701 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6856357&isnumber=6856325 3. Teodosescu, P.D; Negrea, S.T; Bojan, M.; Marschalko, R., "Local grid power quality improvements by the use of a high power factor LED device," Power Engineering Conference (UPEC), 2014 49th International Universities , vol., no., pp.1,6, 2-5 Sept. 2014 doi:10.1109/UPEC.2014.6934777 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6934777&isnumber=6934581