IDENTITY BADGES SHOULD BE WORN WHENEVER YOU ARE IN PRACTICE
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Los resultados experimentales de la topología del nuevo conformador de corriente muestra que las formas de onda de corriente son similares a la de los conformadores de corriente tipo serie reportados en la literatura. Un punto importante es conocer las diferencias y similitudes que comparten ambos esquemas de conformadores en cuanto a su topología empleada.
La primera observación cae sobre el valor del resistor libre de pérdidas, RLF, de ambas topologías. Para el nuevo conformador, el valor de RLFP se determina por.
(
)
(
)
max max max max 2 minsin
2
1
c c gp r PP
D
V
RLF
θ
θ
π
•
•
−
−
=
Mientras que la topología del conformador serie, el valor de RLFS se calcula de acuerdo
con lo reportado en [ 2 ] tomando en cuenta la misma potencia de entrada:
(
max max)
max 2 minsin
2
c c g r SP
V
RLF
θ
θ
π•
•
−
=
Dividiendo amabas ecuaciones:
(1 D
max)
RLF
RLF
SP
=
−
Es decir, el valor de RLFP es (1-Dmax) veces más chico que RLFS. Lo que repercute que los
valores de LB y LD para el nuevo conformador también sean multiplicados por el mismo factor:
(1 D
max)
L
L
BP=
BS⋅
−
(1 D
max)
L
L
DP=
DS⋅
−
Sin embargo, el transformador del convertidor principal del CCTS se puede reducir para tener sólo dos devanados, en cambio con el CCTP es imprescindible la existencia de un tercer devanado, Naux, para que la topología funcione.
Otra desventaja que presenta la nueva topología es la necesidad del filtro EMI para obtener una señal de corriente limpia de los armónicos de alta frecuencia; en el CCTS no es necesario añadirlo. Sin embargo el filtro EMI que se emplea es pequeño, en este caso, se emplearon valores de LEMI=530uH y CEMI=0.47uF.
Con respecto a la célula CFP que ambos esquemas de conformadores, en el CCTP se emplea un diodo y dos inductores. En cambio en el CCTS se emplean dos diodos y dos inductores. En lo que se refiere al parámetro de la eficiencia, ambos esquemas la presentan de manera muy similar. De acuerdo con lo reportado en [ 3 ] la eficiencia que se obtiene para un conformador a 50W de salida y 110Vrms de entrada la eficiencia es de alrededor del 82%. En cambio en el nuevo conformador la eficiencia oscila alrededor del 84% sin tomar en cuenta las pérdidas debidas al control, además de que ambos convertidores cumplen con el contenido armónico establecido por la norma IEC-61000-3-2.
Otro parámetro de interés en los sistemas de alimentación conmutados, es la tensión que se presenta en el capacitor de almacenamiento a bajas potencias de operación. El nuevo CCTP
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Capítulo V
tiene la capacidad de la retroalimentación del bus de tensión de acuerdo con lo reportado en [ 1 ], lo que le permite mantener un valor de la tensión el capacitor a un valor establecido. Prueba de ello está en los resultados experimentales que se mostraron anteriormente, Fig.V.14, en donde a bajas potencias, por ejemplo 10W, la tensión en el capacitor de almacenamiento se mantuvo en el valor de diseño a plena potencia. Esta característica es independiente si el convertidor principal es operado en MCD o MCC.
En la tabla C.1 se muestran un resumen de las ventajas y desventajas de ambas topologías de conformadores de corriente.
Tabla C.1 Comparación entre el CCTP y el CCTS
Parámetro CCTS CCTP Tamaño LD y LB LBS LDS
(1 D
max)
L
L
BP=
BS⋅
−
(1 D
max)
L
L
DP=
DS⋅
−
Devanados del transformador √ Se puede reducir a dos Es necesario un tercer devanado Requerimientos de Filtro EMI Mínimas Pequeño (LEMI=530uH, CEMI=0.47uF)
Célula CFP Utiliza dos diodos y dos inductores Utiliza un diodo y dos inductores Eficiencia Ambos presentan eficiencia similares
Capacidad de retroalimentación dela
tensión en CB No reportado
Si, independiente si el convertidor principal es operado en MCD o MCC IEC-61000-3-2 Ambos cumplen normatividad
V.8 Referencias
[ 1 ] J. Quian, Q. Zhao, F.C. Lee. “Single-Stage Single Switch Power-Factor-
Correction AC/DC Converters with DC-Bus Voltage Feedback for Universal Line Applications”. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, No. 6,
November 1998; pp. 1079-1088.
[ 2 ] J. Sebastián, A. Fernández, P. J. Villegas, M. M. Hernando and S Ollero. “Design
of an AC/DC Converter Based on a Flyback converter with Active Input Current Shaper”, IEEE Applied Power Electronics Conference, 1999, pp. 84-90. [ 3 ] J. Sebastián, A. Fernández, P. J. Villegas, M. M. Hernando and J. M. Lopera. “A
New Input Current Shaping Technique Using Converters Operating In Continuous Conduction Mode”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.
CONCLUSIONES
Hoy en día, con la proliferación de equipos electrónicos tanto caseros, comerciales e industriales conectados a la red eléctrica, el tema de la corrección del factor de potencia ha llegado a convertirse en un tópico de interés debido a que la mayoría de estos equipos requieren una tensión de CD para operar a partir de la tensión de CA que proporciona la red eléctrica. El problema se origina cuando estos equipos emplean convertidores CA/CD mediante un simple puente rectificador y su capacitor de filtrado a la salida del mismo, lo que trae consigo el deterioro
CONCLUSIONES
de la forma de onda de corriente con un bajo factor de potencia y un rico contenido armónico. Para mejorar el factor de potencia de estos convertidores ciertas regulaciones como la IEC-61000-3-2 se han promulgado con el objetivo de limitar el contenido armónico de la corriente inyectada a la línea por estos equipos contaminantes.
En la actualidad una de las técnicas atractivas para la corrección del factor de potencia es el empleo de convertidores CA/CD en una sola etapa de conversión especialmente en aplicaciones de baja potencia. Los convertidores CA/CD en un sola etapa integran la etapa CFP con el convertidor CD/CD, mientras que el diseño del control va enfocado a proporcionar la regulación necesaria a la tensión de salida y la corrección del factor de potencia se logra automáticamente basado en el principio de operación del convertidor.
Una de las soluciones en una sola etapa la constituyen los “Active Input Current Shapers” -por su denominación en inglés– ó conformadores de corriente. Esta familia resulta interesante como una solución a futuro de mediano plazo, debido a la tendencia que tiene la norma en la actualidad de restringirse a equipos electrónicos específicos de aplicaciones masivas, además de características de costo eficiencia. Es decir, sólo es necesario cumplir con normatividades sin la necesidad de drenar un corriente senoidal a la línea.
El principal objetivo de estos esquemas es obtener una buena eficiencia a un bajo costo cumpliendo cuando menos con las normas internacionales. Esto se logra haciendo que el ángulo de conducción de los diodos del puente rectificador aumente.
Este tema de tesis introduce y propone una nueva topología en la familia de los conformadores de corriente en el área de investigación de fuentes de alimentación conmutadas. En general, la nueva topología sigue haciendo uso del concepto de conformación de la corriente es decir, reciclar o recircular un porcentaje de la energía empleada por el convertidor para así poder realizar la corrección del factor de potencia de manera natural y poder cumplir con las normas internacionales.
Los conformadores de corriente típicos reportados en la literatura recirculan parte de la energía de entrada, conectando en serie una salida adicional del transformador del convertidor principal entre el puente rectificador y el capacitor voluminoso CB. La nueva topología del
conformador también emplea una salida adicional para recircular la energía, pero a diferencia del conformador típico, esta salida adicional se conecta en paralelo entre el puente rectificador y el capacitor voluminoso, es decir, sólo se modificó la manera de conectarse. Sin embargo, este sencillo cambio hace que la forma de operación de la topología sea diferente a la del conformador típico. Por otro lado, debido a la forma en que se conecta, a la nueva topología del conformador se decidió titularlo como “Conformadores de Corriente Tipo Paralelo”, CCTP.
En la familia de soluciones de los conformadores de corriente existe un compromiso entre la eficiencia y la DAT, y por consiguiente con el factor de potencia, es decir, ya que los conformadores de corriente recirculan parte de la energía de entrada para realizar la corrección del factor de potencia de manera natural, dependiendo del porcentaje de energía que se recircule, se tendrá un repercusión en la eficiencia. A mayor porcentaje de energía recirculada mejor será la DAT (baja) y el FP (alto), pero se deteriorará la eficiencia. Por consiguiente, los conformadores de corriente siempre procesarán la energía más de una vez para realizar la corrección del factor de potencia. En vista de este compromiso, los conformadores de corriente no van enfocados a drenar una corriente puramente senoidal, si no cumplir con las normas internacionales.
El nuevo conformador de corriente resulta atractivo debido a que su corriente de entrada en MCC reduce el tamaño del filtro EMI. Además, la nueva topología al igual que el CCTS hace uso de un inductor extra, LD, para ayudar a darle forma a la corriente de entrada. La función de
este inductor es aumentar el tiempo en que el inductor LB opera en MCC y así de esta manera
aumentar el ángulo de conducción de los diodos del puente rectificador. El efecto de LD sobre la
tensión en el bus de CD resulta ser bastante aceptable.
Debido a que el nuevo conformador de corriente resulta difícil obtener un sistema de ecuaciones que describan las características del circuito a partir del balance de energía, se llevó a cabo un análisis de las formas de onda de la topología, para de ahí partir y encontrar un circuito equivalente de la etapa de entrada. Con el circuito equivalente que se obtuvo fue posible describir el comportamiento de la corriente de entrada, además de calcular otros parámetros como: potencia y corriente de entrada. Con el circuito equivalente, también fue posible proponer los pasos de diseño en base con el análisis de las formas de onda y las consideraciones de la topología.
Los resultados teóricos obtenidos y el análisis de las formas de onda se verificaron también por medio de simulaciones de la topología y posteriormente mediante un prototipo que se implementó físicamente para una potencia de 50W y 50V de salida con una tensión de entrada de entre 90Vrms y 127Vrms. Antes de operar la topología como conformador, se probó la topología sin la salida auxiliar, es decir, sólo operando el puente rectificador en cascada con el convertidor flyback, la finalidad de esta prueba fue de medir la eficiencia del total del sistema. La eficiencia obtenida a carga nominal fue de alrededor del 87%.
La topología respondió a los cálculos propuestos (eficiencia, ángulo de conducción en MCC). A carga nominal, la eficiencia obtenida fue de alrededor del 84% (sólo 3% inferior comparada sin operar la topología como conformador), el ángulo de conducción en MCC fue alrededor de 84º y un parámetro muy importante es la tensión del capacitor voluminoso, este valor se mantuvo por debajo de 160 V para una tensión de entrada de 110Vrms en todo el intervalo de potencias probado. Esta última característica se debe a que la topología emplea el concepto de retroalimentación del bus de tensión [ 1 ]. En términos de regulación ante cambios de carga, la topología respondió satisfactoriamente.
Debido a que el conformador realiza la CFP de manera natural (por la propia operación de la topología), el circuito de control resulta sencillo, ya que solo se preocupa por mantener una tensión de salida constante en la carga. El control empleado fue un control clasico.
En lo que respecta a las diferencias existentes entre la nueva topología del conformador y el conformador serie, es que el primero tiene la capacidad de mantener una tensión bastante constante en el bus de tensión de CD a bajas potencias de operación. Este parámetro es muy importante para las aplicaciones de tensión de línea universales, en donde resulta difícil mantener
la tensión por debajo de los 450VCD cuando la etapa CFP es operada en MCD y el convertidor
CD/CD en MCC. Otro punto a favor es el tamaño de los inductores empleados , que resulta ser (1- D) veces más pequeño comparado con el conformador serie. Por otro lado, una de las desventajas importantes que presenta el CCTP es la necesidad del filtro EMI, elemento que no es indispensable en el CCTS. Sin embargo, el filtro EMI que se emplea en el CCTP resulta ser pequeño.
Trabajos futuros
La nueva idea del conformador de corriente da lugar a una nueva familia de soluciones, a la del conformador de corriente tipo paralelo, es decir, el conformador de corriente implementado en este trabajo es sólo uno de tantos circuitos que se pueden obtener de la idea. En vista de esto, se pueden plantear algunos trabajos futuros:
1. La idea del nuevo conformador puede ser extrapolada a otros convertidores con
aislamiento galvánico como el forward y el medio puente, y así como también a los no aislados como el convertidor buck, o mediante un esquema con autotransformador, Fig. C.1.
CONCLUSIONES
2. También se puede aplicar la idea a circuitos rectificadores dobladores de tensión, que tiene el objetivo de disminuir el tamaño de los elementos pasivos e integrar un solo núcleo los inductores empleados.
3. La aplicación de la idea también se puede extrapolar a convertidores que manejen mayor cantidad de potencia como el medio puente, Fig.C.2, y así de esta forma hacer un mejor uso del transformador como los conformadores serie presentados en [ 2 ].
Fig. C. 1. Nuevo conformador con autotransfomador o de tres terminales con interruptor flotado
Vg D1 CB Q1 CO RL LB NP NS Naux * LD T1 T1 Vg CB Q1 Cdc RL LB Q2 n1 n2 n2 Ldc ns ns LD1 LD2 Vg CB Q1 Cdc RL LB Q2 n1 n2 n2 Ldc ns LD Vg CB Q1 Cdc RL LB Q2 n1 n2 n2 Ldc ns ns LD
Fig. C. 2. Nuevos conformadores en esquemas de medio puente
Otros logros
Este trabajo de investigación dio paso para su publicación en dos congresos internacionales, uno de ellos fue presentado en el congreso más importante de electrónica de potencia a nivel mundial, el “IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC 2002”, así como en el “IEEE International Power Electronics Congress, CIEP 2002”.
Implement an Active Input Current Shaper”, IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2002, pp. 1330-1336. Cairns, Australia
C. Hernández, J. López, N. Vázquez, E. Rodríguez, J. Arau. “The Parallel Active Input Current Shaper”, IEEE, International Power Electronics Congress, CIEP 2002, pp. 258- 263. Guadalajara, México.
Referencias
[ 1 ] J. Qian, Q. Zhao, F.C. Lee. “Single-Stage Single Switch Power-Factor- Correction AC/DC Converters with DC-Bus Voltage Feedback for Universal Line Applications”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, No. 6, November 1998.
[ 2 ] J. Sebastián, A. Fernández, P. J. Villegas, M. M. Hernando and J. M. Lopera. “Improved Active Input Current Shapers For Converters With Symmetrically Driven Transformer”, IEEE Applied Power Electronics Conference 2000.