DESENVOLVIMENTO DE UM PRÉ-REGULADOR COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA E REDUZIDA DISTORÇÃO HARMÔNICA DE CORRE NTE

PARA APLICAÇÕES EM CARGAS NÃO-LINEARES

Fabrício A. Borges e Luiz C. G. Freitas

Universidade Federal de Uberlândia (UFU) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT)

Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) Uberlândia, MG, Brasil 38400-902

e-mail: fabricioaborges@gmail.com. lcgfreitas@yahoo.com.br

Resumo - Este artigo apresenta o desenvolvimento de

um pré-regulador boost atuando como corretor do fator de potência monofásico para cargas não-lineares. O conversor corrente alternada-corrente contínua (CA-CC) é composto de ponte retificadora não-controlada e um conversor tipo Boost. O controle é feito por um circuito integrado que controla a corrente de entrada e ao mesmo tempo regula a tensão de saída contínua. Este pré-regulador foi projetado para trabalhar nominalmente com uma potência fornecida de 450 W, fator de potência (FP) unitário com qualquer tipo de carga e baixa distorção harmônica na corrente (DHTI) de entrada. Neste trabalho é apresentado o dimensionamento do circuito de potência e de controle, além de simulações computacionais utilizando o software PSIM® e os resultados experimentais preliminares obtidos com protótipo desenvolvido. Resultados experimentais complementares serão apresentados na versão final deste trabalho.

Palavras-Chave – Corretor de Fator de Potência (PFC), Conversor CC-CC tipo Boost, Distorção Harmônica de Corrente, Retificador monofásico.

DEVELOPMENT OF A PREREGULATOR WITH HIGH POWER FACTOR AND LOW HARMONIC CURRENT DISTORTION FOR APPLICATIONS IN NON-LINEAR LOADS Abstract – This paper presents the development of a

preregulator boost acting as a single-phase power factor corrector to nonlinear loads. The converter AC-DC is composed of non-controlled bridge rectifier and a boost converter. The control is done by integrated circuit that controls the input current while regulating the continuous output voltage. This preregulator is designed to work with a nominal power of 450W, unit power factor (PF) with any type of load and low harmonic distortion of input current (DHT I). This paper presents the design of the power and control circuits and computation simulations using PSIM® and the final results made in the prototype.

1 Keywords – DC-DC Boost Converter, Harmonic

Distortion of Current, Power Factor Corrector (PFC), Single-phase rectifier.

I. INTRODUÇÃO

Com o surgimento da Eletrônica de Potência nos anos 60, iniciou-se uma nova era dos equipamentos eletro-eletrônicos baseados nos semicondutores controlados e não controlados, que hoje em dia são produzidos em larga escala. A utilização destes equipamentos nas fontes de alimentação originou a diminuição da qualidade da energia elétrica. Tal fato ocorreu e ainda ocorre, devido à presença de um primeiro estágio de conversão denominado como estágio retificador, podendo ser controlados ou não controlados dependendo dos semicondutores utilizados.

Estes conversores são utilizados para a realização da conversão da tensão alternada proveniente da rede CA de alimentação em tensão contínua, necessária para alimentação dos estágios de potência seguintes. Por este motivo, a corrente nestes equipamentos já não apresenta linearidade em relação à tensão de entrada caracterizando-os como cargas não-lineares.

Nestes equipamentos, a corrente de alimentação fica com formato descontínuo e pulsado, injetando na rede CA de entrada um elevado conteúdo harmônico de corrente, trazendo consequências adversas nos sistemas elétricos, como por exemplo: aquecimento e redução na vida útil de transformadores e motores de indução, a distorção da forma de onda da tensão da rede, falhas nos sistemas de proteção, erro na leitura de medidores de energia elétrica tipo indução, possíveis condições de ressonância nas instalações, erros nas relações de transformações e nos ângulos de fases dos TPs e TCs convencionais (eletromagnéticos), dentre outras.

Nessas considerações baseia-se o desafio de propor um conversor que realize a correção do fator de potência drenando correntes senoidais da rede CA de alimentação com reduzido conteúdo harmônico com vistas a eliminar todos os efeitos nocivos para o sistema de distribuição descritos anteriormente. Além disso, este conversor deve primar por operar com alta frequência de chaveamento, reduzido volume e tamanho. Para atingir esses fins, será utilizada a estratégia de controle da corrente de entrada do conversor denominada controle por corrente média. O conversor deverá suprir a

potência demandada, operar com alto fator de potência e baixa distorção harmônica da corrente.

II. RETIFICADOR BOOST MONOFÁSICO PROPOSTO

O retificador boost proposto é composto por um retificador monofásico não controlado associado em série com um conversor monofásico chaveado, utilizado por [10] e ilustrado na Figura 1.

As vantagens de se utilizar o conversor CC-CC boost em cascata com o estágio retificador são a utilização de menos componentes de filtragem, possibilita a aplicação de várias técnicas de controle e circuito de potência relativamente fácil a dimensionar. Outros pontos positivos da utilização deste circuito são que a corrente de entrada passa pelo indutor, possibilitando a técnica de controle de corrente manipulando sua forma de onda, e a tensão sobre as chaves é a tensão de saída do circuito.

Fig. 1. Arranjo topológico do retificador Boost monofásico

proposto.

Sabemos que o retificador monofásico de onda completa, conforme ilustrado na Figura 2, opera no modo descontínuo de condução (DCM – Discontinuous Conduction Mode).

Fig. 2. Retificador monofásico de onda completa.

A operação em DCM é obtida quando o indutor de filtro é muito pequeno e o capacitor de filtro é muito grande. No limite, quando o valor do indutor tente a zero e o valor do capacitor tende ao infinito, a corrente CA de entrada se aproxima de uma função impulso, conforme a ilustra a Figura 3.

Dessa forma, sempre que o capacitor de filtro for grande e o indutor de filtro for pequeno, o circuito retificador monofásico operará em DCM.

As formas de onda da tensão e corrente de entrada do circuito da Figura 2 são vistos na Figura 3. A corrente apresenta uma alta taxa de distorção harmônica, sendo que o foco principal de nosso trabalho é a correção desta corrente. Este objetivo será concluído inserindo-se um conversor Boost em série com o retificador, controlando a comutação da chave de modo a obter a corrente de entrada desejada.

Fig. 3. Tensão e corrente CA de entrada quando L tende a zero.

Este conversor fará com que a corrente de entrada do

retificador seja uma senóide similar à forma de onda da tensão de entrada, isto é, corrente e tensão devem apresentar a mesma forma de onda e estar em fase.

III. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO

O conversor boost ou elevador é conhecido por operar em duas fases distintas de acordo com o estado da chave. Uma fase de acumulação de energia e outra de transferência desta energia para a carga [1]. Para fazer uma análise simplificada de um período de funcionamento vamos supor que o conversor trabalha em modo de condução contínuo, os componentes são perfeitos e a tensão de saída é constante, esquematizado na figura 4.

Fig. 4. Conversor boost em modelo simplificado.

Para tempo (t) e módulo da razão cíclica (α) variando de 0<t<αT, a chave está fechada, onde há um aumento da corrente que passa pelo indutor estocando energia em forma de energia magnética. O diodo D1 fica bloqueado e a carga é desconectada da fonte, como é visto no circuito 1 da Figura 5.

minLe

L

t

LeL

ItL

Vi

d

diLVV

+=

==

0

0

=−=

=

d

sd

t

i

VV

V

Onde: VL – tensão sobre o indutor Ve – tensão de entrada Vt – tensão sobre a chave Vd – tensão sobre o diodo Vs – tensão de saída iL – corrente que passa pelo indutor id – corrente que passa pelo diodo L – valor da indutância

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Para tempo (t) variando de αT<t<T, a chave abre e o

indutor fica em série com a fonte. Sua f.e.m. adiciona-se à da fonte (efeito elevador) e a corrente passa pelo diodo D1, pelo capacitor e chega à carga como pode ser visto no circuito 2 da Figura 5. Ocorre então a transferência de energia acumulada no indutor para a carga, onde isso só é possível se a tensão de saída for maior que a tensão de entrada. Para este estágio os valores de tensões e correntes nos componentes são vistos nas equações abaixo:

( ) ( ) maxLes

L

LseL

ITtL

VVi

dt

diLVVV

+−×−−

=

=−=

α

0

0

===

q

d

st

i

V

VV

Onde: iq – corrente que passa pela chave T – um período da comutação α – fator de multiplicação para a razão cíclica

Fig. 5. Estágios de operação do conversor Boost.

O Boost irá operar no modo de condução contínua (MCC), onde a chave não deixa a corrente que passa pelo indutor se anular. Variamos o tempo de condução da chave para variar a quantidade de energia estocada no indutor e se este tempo é bem curto, a amplitude dos “dentes” será também pequena, como visto na Figura 6.

Fig. 6. Corrente de entrada no conversor Boost em MCC.

IV. ESTRATÉGIA DE CONTROLE UTILIZADA

A técnica de controle utilizada se baseia na imposição da corrente de linha de entrada com baixa DHTI e elevado fator de potência (FP). Desta forma, a estratégia de controle se concentra em impor uma corrente de referência para ter uma corrente senoidal na entrada do pré-regulador.

Será aplicada a estratégia de controle por corrente média instantânea proposta por [2] e posteriormente aplicada por [3,5]. A estrutura possui três malhas, sendo uma interna e duas externas. A malha interna ou de corrente tem a função de impor uma corrente de referência pelo controle da razão cíclica (Trailing-edge modulation). As malhas externas são compostas por: uma malha de realimentação (Feedback) que regula a magnitude da corrente de referência por meio de um multiplicador que mantém a tensão de saída constante, e a malha Feedforward responsável por gerar o formato da referência a partir da tensão retificada na saída da ponte retificadora e compensar eventuais variações da tensão de entrada. O circuito de potência associado ao controle pode ser visto na figura 7.

Foi escolhida esta estratégia de controle, pois ela apresenta as seguintes vantagens:

• É muito utilizada pelos fabricantes de circuitos integrados PFC;

• Proporciona uma corrente de entrada em fase com a tensão;

• A modulação é realizada por razão cíclica; • A corrente no retificador boost é controlada

diretamente através da malha de corrente; • Controle do fluxo de potência é realizado por

meio da amplitude da corrente de referência;

Fig. 7. Conversor boost em cascata com a ponte retificadora,

controlado por corrente média.

V. APLICAÇÃO DA ESTRATÉGIA DE CONTROLE

Para validar a estratégia de controle e o circuito de potência do retificador, utilizamos o programa computacional PSIM®, que é um simulador de circuitos elétricos.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Realizamos simulações da estratégia de controle escolhida em modelo simplificado, utilizando componentes discretos para facilitar o entendimento e interpretação dos resultados.

Inicialmente o pré-regulador foi dimensionado para fornecer uma potência de saída de 92W , com tensão de entrada de 25Vac e tensão de saída 50Vdc . Os circuitos de potência e controle foram desenhados na tela do editor de esquemas do PSIM®, visto na Figura 8. O controle será responsável por manter verdadeiras estas grandezas elétricas citadas acima, juntamente com a forma de onda da corrente de entrada senoidal.

Fig. 8. Circuito de potência e de controle do retificador proposto. Para implementação deste controle na montagem de um

protótipo, escolhemos como controlador o circuito integrado (CI) UC3854B, que realiza o controle do conversor boost operando como corretor de fator de potência (PFC) [5,6]. Ele utiliza a técnica de controle de corrente média, já apresentada neste documento, com maior precisão e confiabilidade. Este integrado é recomendado para o controle de conversores com potência máxima entregue à carga de 2KW, sendo portanto, adequado à nossa aplicação que é de 450W de saída.

O modelo final do retificador terá como parâmetros principais:

TABELA I Especificações do circuito

Tensão máxima de entrada (V)ac 42 Tensão mínima de entrada (V)ac 38

Frequência da Rede (Hz) 60 Tensão de saída (V)dc 67 Potência de saída (W) 450

Rendimento (%) 85 Frequência de comutação (Hz) 100000

Variação da corrente no indutor (%) 10 Variação da tensão de saída (%) 6

Os componentes do retificador foram dimensionados

baseando-se nas notas de aplicação do integrado UC3854B e o circuito foi montado no PSIM® para novas simulações, como pode ser visto na figura 9. Este pré-regulador será aplicado em uma máquina conversora, vista pela rede como uma carga não linear. Ele corrigirá o fator de potência desta

máquina para o valor unitário e sua corrente de entrada terá um baixo THD.

Como o pré-regulador será inserido em série com o circuito da máquina, foi necessário adaptá-lo para não ocorrer problemas elétricos em ambos. O circuito PFC foi projetado para trabalhar com terra flutuante, ou seja, a parte negativa do circuito não poderia ser ligada ao terra da máquina para haver uma referência. Logo todos os sinais colhidos do circuito de potência para uso no controle deverão ser tratados por amplificadores diferenciais como mostra a figura 10.

Fig. 9. Circuito de potência e controle utilizando o integrado

UC3854B.

Fig. 10. Medida da tensão de saída sem amplificador diferencial (A) e com amplificador (B).

VI. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO

Com as especificações de projeto e parâmetros dos elementos calculados, foi montado o circuito utilizando o

programa computacional PSIM®. Os principais resultados das simulações obtidas são apresentados a seguir. As Figuras 11 e 12 mostram as formas de onda da tensão e corrente de entrada do circuito com controle feito por componentes discretos, visto na figura 8.

Fig. 11. Corrente de entrada no retificador e tensão de saída.

Fig. 12. Em vermelho a corrente de entrada no retificador e em azul

a tensão de entrada.

Verificamos pelos resultados da simulação que a forma de onda da corrente de entrada é uma senóide simétrica à forma de onda da tensão de entrada, não havendo defasamento entre as mesmas. As malhas de corrente e tensão trabalham bem, mantendo os níveis de potência transferida à carga, corrente de entrada e tensão de saída compatível ao que foi especificado no projeto. Podemos observar também na Figura 13, as formas de onda da corrente de entrada no retificador e da tensão de saída, com o controle feito pelo integrado UC3854B, mostrado na Figura 9.

Fig. 13. Em vermelho a corrente de entrada no retificador e em azul

a tensão de saída.

VII. PROTÓTIPO IMPLEMENTADO

Para verificação experimental foi implementado um protótipo de 450W do conversor proposto, conforme a maquete da figura 14.

Fig. 14. Idealização do protótipo a ser implementado em

laboratório.

Todo o esquema do circuito foi desenhado utilizando a ferramenta Capture do software Orcad ® e os componentes escolhidos foram preferencialmente SMD (Superficial monting device) para reduzir o tamanho e volume do conversor e aproximá-lo de um produto final que pode ser fabricado em escala industrial.

O formato estrutural do conversor (circuito impresso + dissipador) foi projetado de acordo com sua localização no interior da máquina a que ele foi aplicado. O circuito de potência é isolado galvanicamente do circuito de controle sendo este, alimentado por uma parte do circuito responsável por fornecer ±12Vdc e +5Vdc.

Todo o projeto foi desenvolvido no centro de pesquisa e desenvolvimento em eletrônica de potência da empresa Bruker BioSpin, financiadora de todas a etapas do projeto, tendo obtido como produto final o protótipo mostrado na Figura 15.

Fig. 15. Retificador pré-regulador PFC de 450W.

VIII. RESULTADOS DOS ENSAIOS

Os ensaios foram feitos a plena carga com 450W de potência de saída. Um transformador monofásico foi usado

para abaixar a tensão de 220Vac para 40Vac e como ponte retificadora foi utilizado o componente 36MB20A.

Os resultados foram muito satisfatórios, onde o fator de potência medido foi unitário e THD da corrente de entrada menor que 3%. Podemos observar na figura 17 as formas de onda da corrente e tensão de entrada do retificador totalmente em fase e também verificamos a tensão de saída contínua do conversor. Já na figura 16, ao realizar-se o ensaio com menor potência e sem o controle PFC, podemos observar a não linearidade da corrente de entrada do retificador.

Fig. 16. Em azul a corrente de entrada do retificador e em

vermelho a tensão retificada.

(a) Em azul escuro e rosa, a corrente e a tensão de entrada do retificador. Em

azul claro a tensão de saída do conversor.

(a) Em azul escuro e rosa, a corrente e a tensão de entrada do retificador.

Fig. 17. Principais resultados dos ensaios realizados.

IX. CONCLUSÕES

Neste trabalho foi apresentado o estudo e implementação de um pré-regulador com elevado fator de potência e reduzida THD de corrente para aplicação em cargas não-lineares.

O pré-regulador dimensionado é formado por um conversor boost em cascata com uma ponte retificadora não-controlada monofásica. A estratégia de controle adotada foi o controle por corrente média, técnica utilizada pelo integrado UC3854. O controle aplicado ao conversor boost garante uma tensão de saída contínua maior que a tensão de entrada, podendo esta variar em uma faixa determinada em fase de projeto. O pré-regulador foi dimensionado para fornecer à carga uma máxima potência de 450W, baixa ondulação residual na tensão contínua de saída, fator de potência unitário e THD da corrente menor que 5%.

Um protótipo em configuração industrial foi construído para sua inserção nas máquinas conversoras para qual ele foi projetado. Este corretor apresenta componentes de precisão, isolação galvânica entre o circuito de controle e o de potência, confiabilidade, robustez e está de acordo com as normas de certificação americanas UL. Resultados experimentais complementares serão apresentados na versão final deste trabalho.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] G. Seguier, F. Labrique, R. Bausiere, “Les convertisseurs de l’électronique de puissance – La conversion continu-continu”, Editions Lavoisier, 1997, 2ième édition.

[2] L. H. Dixon, “Average Current Mode Control of Switching Power Supplies”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM700,1990 (Reprinted in subsequent editions of the Manual).

[3] L. H. Dixon, “High Power Factor Preregulator for Off -Line Supplies”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM600, 1988 (Reprinted in subsequent editions of the Manual).

[4] R. Mammano, “Switching Power Supply Topology Voltage Mode vs. Current Mode”, Unitrode Design Note DN-62, 1994.

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[7] R.B. Ridley, “Average small-signal analysis of the boost power factor correction circuit”, VPEC Seminar Proceedings, 1989, pp 108-120.

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[9] H. R. Larico, “Conversor Boost Controlado em Corrente Aplicado ao Retificador Monofasico”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, 2007.