DESENVOLVIMENTO DE UM PRÉ-REGULADOR COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA E REDUZIDA DISTORÇÃO HARMÔNICA DE CORRENTE PARA APLICAÇÕES EM CARGAS NÃO-LINEARES

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1 DESENVOVIMENTO DE UM PRÉ-REGUADOR COM EEVADO FATOR DE POTÊNCIA E REDUZIDA DISTORÇÃO HARMÔNICA DE CORRENTE PARA APICAÇÕES EM CARGAS NÃO-INEARES Fabrício A. Borges e uiz C. G. Freitas Universiae Feeral e Uberlânia (UFU) Faculae e Engenharia Elétrica (FEET) Núcleo e Pesquisa em Eletrônica e Potência (NUPEP) Uberlânia, MG, Brasil fabricioaborges@gmail.com. lcgfreitas@yahoo.com.br Resumo - Este artigo apresenta o esenvolvimento e um pré-regulaor boost atuano como corretor o fator e potência monofásico para cargas não-lineares. O conversor corrente alternaa-corrente contínua (CA-CC) é composto e ponte retificaora não-controlaa e um conversor tipo Boost. O controle é feito por um circuito integrao que controla a corrente e entraa e ao mesmo tempo regula a tensão e saía contínua. Este préregulaor foi projetao para trabalhar nominalmente com uma potência fornecia e 450 W, fator e potência (FP) unitário com qualquer tipo e carga e baixa istorção harmônica na corrente (DHT I ) e entraa. Neste trabalho é apresentao o imensionamento o circuito e potência e e controle, além e simulações computacionais utilizano o software PSIM e os resultaos experimentais preliminares obtios com protótipo esenvolvio. Resultaos experimentais complementares serão apresentaos na versão final este trabalho. Palavras-Chave Corretor e Fator e Potência (PFC), Conversor CC-CC tipo Boost, Distorção Harmônica e Corrente, Retificaor monofásico. DEVEOPMENT OF A PREREGUATOR WITH HIGH POWER FACTOR AND OW HARMONIC CURRENT DISTORTION FOR APPICATIONS IN NON-INEAR OADS Abstract This paper presents the evelopment of a preregulator boost acting as a single-phase power factor corrector to nonlinear loas. The converter AC-DC is compose of non-controlle brige rectifier an a boost converter. The control is one by integrate circuit that controls the input current while regulating the continuous output voltage. This preregulator is esigne to work with a nominal power of 450W, unit power factor (PF) with any type of loa an low harmonic istortion of input current (DHT I ). This paper presents the esign of the power an control circuits an computation simulations using PSIM an the final results mae in the prototype. 1 Keywors DC-DC Boost Converter, Harmonic Distortion of Current, Power Factor Corrector (PFC), Single-phase rectifier. I. INTRODUÇÃO Com o surgimento a Eletrônica e Potência nos anos 60, iniciou-se uma nova era os equipamentos eletro-eletrônicos baseaos nos semiconutores controlaos e não controlaos, que hoje em ia são prouzios em larga escala. A utilização estes equipamentos nas fontes e alimentação originou a iminuição a qualiae a energia elétrica. Tal fato ocorreu e aina ocorre, evio à presença e um primeiro estágio e conversão enominao como estágio retificaor, poeno ser controlaos ou não controlaos epeneno os semiconutores utilizaos. Estes conversores são utilizaos para a realização a conversão a tensão alternaa proveniente a ree CA e alimentação em tensão contínua, necessária para alimentação os estágios e potência seguintes. Por este motivo, a corrente nestes equipamentos já não apresenta lineariae em relação à tensão e entraa caracterizano-os como cargas não-lineares. Nestes equipamentos, a corrente e alimentação fica com formato escontínuo e pulsao, injetano na ree CA e entraa um elevao conteúo harmônico e corrente, trazeno consequências aversas nos sistemas elétricos, como por exemplo: aquecimento e reução na via útil e transformaores e motores e inução, a istorção a forma e ona a tensão a ree, falhas nos sistemas e proteção, erro na leitura e meiores e energia elétrica tipo inução, possíveis conições e ressonância nas instalações, erros nas relações e transformações e nos ângulos e fases os TPs e TCs convencionais (eletromagnéticos), entre outras. Nessas consierações baseia-se o esafio e propor um conversor que realize a correção o fator e potência renano correntes senoiais a ree CA e alimentação com reuzio conteúo harmônico com vistas a eliminar toos os efeitos nocivos para o sistema e istribuição escritos anteriormente. Além isso, este conversor eve primar por operar com alta frequência e chaveamento, reuzio volume e tamanho. Para atingir esses fins, será utilizaa a estratégia e controle a corrente e entraa o conversor enominaa controle por corrente méia. O conversor everá suprir a

2 potência emanaa, operar com alto fator e potência e baixa istorção harmônica a corrente. II. RETIFICADOR BOOST MONOFÁSICO PROPOSTO O retificaor boost proposto é composto por um retificaor monofásico não controlao associao em série com um conversor monofásico chaveao, utilizao por [10] e ilustrao na Figura 1. As vantagens e se utilizar o conversor CC-CC boost em cascata com o estágio retificaor são a utilização e menos componentes e filtragem, possibilita a aplicação e várias técnicas e controle e circuito e potência relativamente fácil a imensionar. Outros pontos positivos a utilização este circuito são que a corrente e entraa passa pelo inutor, possibilitano a técnica e controle e corrente manipulano sua forma e ona, e a tensão sobre as chaves é a tensão e saía o circuito. Fig. 3. Tensão e corrente CA e entraa quano tene a zero. Este conversor fará com que a corrente e entraa o retificaor seja uma senóie similar à forma e ona a tensão e entraa, isto é, corrente e tensão evem apresentar a mesma forma e ona e estar em fase. III. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO O conversor boost ou elevaor é conhecio por operar em uas fases istintas e acoro com o estao a chave. Uma fase e acumulação e energia e outra e transferência esta energia para a carga [1]. Para fazer uma análise simplificaa e um períoo e funcionamento vamos supor que o conversor trabalha em moo e conução contínuo, os componentes são perfeitos e a tensão e saía é constante, esquematizao na figura 4. Fig. 1. Arranjo topológico o retificaor Boost monofásico proposto. Sabemos que o retificaor monofásico e ona completa, conforme ilustrao na Figura 2, opera no moo escontínuo e conução (DCM Discontinuous Conuction Moe). Fig. 2. Retificaor monofásico e ona completa. A operação em DCM é obtia quano o inutor e filtro é muito pequeno e o capacitor e filtro é muito grane. No limite, quano o valor o inutor tente a zero e o valor o capacitor tene ao infinito, a corrente CA e entraa se aproxima e uma função impulso, conforme a ilustra a Figura 3. Dessa forma, sempre que o capacitor e filtro for grane e o inutor e filtro for pequeno, o circuito retificaor monofásico operará em DCM. As formas e ona a tensão e corrente e entraa o circuito a Figura 2 são vistos na Figura 3. A corrente apresenta uma alta taxa e istorção harmônica, seno que o foco principal e nosso trabalho é a correção esta corrente. Este objetivo será concluío inserino-se um conversor Boost em série com o retificaor, controlano a comutação a chave e moo a obter a corrente e entraa esejaa. Fig. 4. Conversor boost em moelo simplificao. Para tempo (t) e móulo a razão cíclica (α) variano e 0<t<αT, a chave está fechaa, one há um aumento a corrente que passa pelo inutor estocano energia em forma e energia magnética. O ioo D1 fica bloqueao e a carga é esconectaa a fonte, como é visto no circuito 1 a Figura 5. V i = V e i = Ve = t + I V = 0 V = V = 0 One: V tensão sobre o inutor V e tensão e entraa Vt tensão sobre a chave V tensão sobre o ioo Vs tensão e saía i corrente que passa pelo inutor i corrente que passa pelo ioo valor a inutância i t s t min (1) (2) (3) (4) (5)

3 Para tempo (t) variano e αt<t<t, a chave abre e o inutor fica em série com a fonte. Sua f.e.m. aiciona-se à a fonte (efeito elevaor) e a corrente passa pelo ioo D1, pelo capacitor e chega à carga como poe ser visto no circuito 2 a Figura 5. Ocorre então a transferência e energia acumulaa no inutor para a carga, one isso só é possível se a tensão e saía for maior que a tensão e entraa. Para este estágio os valores e tensões e correntes nos componentes são vistos nas equações abaixo: i V = Ve Vs = (6) t ( Vs Ve ) i = ( t αt ) + I (7) max V = V (8) V i q t = 0 = 0 One: i q corrente que passa pela chave T um períoo a comutação α fator e multiplicação para a razão cíclica s (9) (10) Fig. 6. Corrente e entraa no conversor Boost em MCC. IV. ESTRATÉGIA DE CONTROE UTIIZADA A técnica e controle utilizaa se baseia na imposição a corrente e linha e entraa com baixa DHTI e elevao fator e potência (FP). Desta forma, a estratégia e controle se concentra em impor uma corrente e referência para ter uma corrente senoial na entraa o pré-regulaor. Será aplicaa a estratégia e controle por corrente méia instantânea proposta por [2] e posteriormente aplicaa por [3,5]. A estrutura possui três malhas, seno uma interna e uas externas. A malha interna ou e corrente tem a função e impor uma corrente e referência pelo controle a razão cíclica (Trailing-ege moulation). As malhas externas são compostas por: uma malha e realimentação (Feeback) que regula a magnitue a corrente e referência por meio e um multiplicaor que mantém a tensão e saía constante, e a malha Feeforwar responsável por gerar o formato a referência a partir a tensão retificaa na saía a ponte retificaora e compensar eventuais variações a tensão e entraa. O circuito e potência associao ao controle poe ser visto na figura 7. Foi escolhia esta estratégia e controle, pois ela apresenta as seguintes vantagens: É muito utilizaa pelos fabricantes e circuitos integraos PFC; Proporciona uma corrente e entraa em fase com a tensão; A moulação é realizaa por razão cíclica; A corrente no retificaor boost é controlaa iretamente através a malha e corrente; Controle o fluxo e potência é realizao por meio a amplitue a corrente e referência; Fig. 5. Estágios e operação o conversor Boost. O Boost irá operar no moo e conução contínua (MCC), one a chave não eixa a corrente que passa pelo inutor se anular. Variamos o tempo e conução a chave para variar a quantiae e energia estocaa no inutor e se este tempo é bem curto, a amplitue os entes será também pequena, como visto na Figura 6. Fig. 7. Conversor boost em cascata com a ponte retificaora, controlao por corrente méia. V. APICAÇÃO DA ESTRATÉGIA DE CONTROE Para valiar a estratégia e controle e o circuito e potência o retificaor, utilizamos o programa computacional PSIM, que é um simulaor e circuitos elétricos.

4 Realizamos simulações a estratégia e controle escolhia em moelo simplificao, utilizano componentes iscretos para facilitar o entenimento e interpretação os resultaos. Inicialmente o pré-regulaor foi imensionao para fornecer uma potência e saía e 92W, com tensão e entraa e 25Vac e tensão e saía 50Vc. Os circuitos e potência e controle foram esenhaos na tela o eitor e esquemas o PSIM, visto na Figura 8. O controle será responsável por manter veraeiras estas granezas elétricas citaas acima, juntamente com a forma e ona a corrente e entraa senoial. máquina para o valor unitário e sua corrente e entraa terá um baixo THD. Como o pré-regulaor será inserio em série com o circuito a máquina, foi necessário aaptá-lo para não ocorrer problemas elétricos em ambos. O circuito PFC foi projetao para trabalhar com terra flutuante, ou seja, a parte negativa o circuito não poeria ser ligaa ao terra a máquina para haver uma referência. ogo toos os sinais colhios o circuito e potência para uso no controle everão ser trataos por amplificaores iferenciais como mostra a figura 10. Fig. 8. Circuito e potência e e controle o retificaor proposto. Para implementação este controle na montagem e um protótipo, escolhemos como controlaor o circuito integrao (CI) UC3854B, que realiza o controle o conversor boost operano como corretor e fator e potência (PFC) [5,6]. Ele utiliza a técnica e controle e corrente méia, já apresentaa neste ocumento, com maior precisão e confiabiliae. Este integrao é recomenao para o controle e conversores com potência máxima entregue à carga e 2KW, seno portanto, aequao à nossa aplicação que é e 450W e saía. O moelo final o retificaor terá como parâmetros principais: TABEA I Especificações o circuito Tensão máxima e entraa (V)ac 42 Tensão mínima e entraa (V)ac 38 Frequência a Ree (Hz) 60 Tensão e saía (V)c 67 Potência e saía (W) 450 Renimento (%) 85 Frequência e comutação (Hz) Variação a corrente no inutor (%) 10 Variação a tensão e saía (%) 6 Os componentes o retificaor foram imensionaos baseano-se nas notas e aplicação o integrao UC3854B e o circuito foi montao no PSIM para novas simulações, como poe ser visto na figura 9. Este pré-regulaor será aplicao em uma máquina conversora, vista pela ree como uma carga não linear. Ele corrigirá o fator e potência esta Fig. 9. Circuito e potência e controle utilizano o integrao UC3854B. Fig. 10. Meia a tensão e saía sem amplificaor iferencial (A) e com amplificaor (B). VI. RESUTADOS DE SIMUAÇÃO Com as especificações e projeto e parâmetros os elementos calculaos, foi montao o circuito utilizano o

5 programa computacional PSIM. Os principais resultaos as simulações obtias são apresentaos a seguir. As Figuras 11 e 12 mostram as formas e ona a tensão e corrente e entraa o circuito com controle feito por componentes iscretos, visto na figura 8. VII. PROTÓTIPO IMPEMENTADO Para verificação experimental foi implementao um protótipo e 450W o conversor proposto, conforme a maquete a figura 14. Fig. 11. Corrente e entraa no retificaor e tensão e saía. Fig. 12. Em vermelho a corrente e entraa no retificaor e em azul a tensão e entraa. Verificamos pelos resultaos a simulação que a forma e ona a corrente e entraa é uma senóie simétrica à forma e ona a tensão e entraa, não haveno efasamento entre as mesmas. As malhas e corrente e tensão trabalham bem, manteno os níveis e potência transferia à carga, corrente e entraa e tensão e saía compatível ao que foi especificao no projeto. Poemos observar também na Figura 13, as formas e ona a corrente e entraa no retificaor e a tensão e saía, com o controle feito pelo integrao UC3854B, mostrao na Figura 9. Fig. 14. Iealização o protótipo a ser implementao em laboratório. Too o esquema o circuito foi esenhao utilizano a ferramenta Capture o software Orca e os componentes escolhios foram preferencialmente SMD (Superficial monting evice) para reuzir o tamanho e volume o conversor e aproximá-lo e um prouto final que poe ser fabricao em escala inustrial. O formato estrutural o conversor (circuito impresso + issipaor) foi projetao e acoro com sua localização no interior a máquina a que ele foi aplicao. O circuito e potência é isolao galvanicamente o circuito e controle seno este, alimentao por uma parte o circuito responsável por fornecer ±12Vc e +5Vc. Too o projeto foi esenvolvio no centro e pesquisa e esenvolvimento em eletrônica e potência a empresa Bruker BioSpin, financiaora e toas a etapas o projeto, teno obtio como prouto final o protótipo mostrao na Figura 15. Fig. 15. Retificaor pré-regulaor PFC e 450W. VIII. RESUTADOS DOS ENSAIOS Fig. 13. Em vermelho a corrente e entraa no retificaor e em azul a tensão e saía. Os ensaios foram feitos a plena carga com 450W e potência e saía. Um transformaor monofásico foi usao

6 para abaixar a tensão e 220Vac para 40Vac e como ponte retificaora foi utilizao o componente 36MB20A. Os resultaos foram muito satisfatórios, one o fator e potência meio foi unitário e THD a corrente e entraa menor que 3%. Poemos observar na figura 17 as formas e ona a corrente e tensão e entraa o retificaor totalmente em fase e também verificamos a tensão e saía contínua o conversor. Já na figura 16, ao realizar-se o ensaio com menor potência e sem o controle PFC, poemos observar a não lineariae a corrente e entraa o retificaor. Fig. 16. Em azul a corrente e entraa o retificaor e em vermelho a tensão retificaa. (a) Em azul escuro e rosa, a corrente e a tensão e entraa o retificaor. Em azul claro a tensão e saía o conversor. (a) Em azul escuro e rosa, a corrente e a tensão e entraa o retificaor. Fig. 17. Principais resultaos os ensaios realizaos. IX. CONCUSÕES Neste trabalho foi apresentao o estuo e implementação e um pré-regulaor com elevao fator e potência e reuzia THD e corrente para aplicação em cargas nãolineares. O pré-regulaor imensionao é formao por um conversor boost em cascata com uma ponte retificaora nãocontrolaa monofásica. A estratégia e controle aotaa foi o controle por corrente méia, técnica utilizaa pelo integrao UC3854. O controle aplicao ao conversor boost garante uma tensão e saía contínua maior que a tensão e entraa, poeno esta variar em uma faixa eterminaa em fase e projeto. O pré-regulaor foi imensionao para fornecer à carga uma máxima potência e 450W, baixa onulação resiual na tensão contínua e saía, fator e potência unitário e THD a corrente menor que 5%. Um protótipo em configuração inustrial foi construío para sua inserção nas máquinas conversoras para qual ele foi projetao. Este corretor apresenta componentes e precisão, isolação galvânica entre o circuito e controle e o e potência, confiabiliae, robustez e está e acoro com as normas e certificação americanas U. Resultaos experimentais complementares serão apresentaos na versão final este trabalho. REFERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS [1] G. Seguier, F. abrique, R. Bausiere, es convertisseurs e l électronique e puissance a conversion continu-continu, Eitions avoisier, 1997, 2 ième éition. [2]. H. Dixon, Average Current Moe Control of Switching Power Supplies, Unitroe Power Supply Design Seminar Manual SEM700,1990 (Reprinte in subsequent eitions of the Manual). [3]. H. Dixon, High Power Factor Preregulator for Off - ine Supplies, Unitroe Power Supply Design Seminar Manual SEM600, 1988 (Reprinte in subsequent eitions of the Manual). [4] R. Mammano, Switching Power Supply Topology Voltage Moe vs. Current Moe, Unitroe Design Note DN-62, [5] P. C. Too, UC3854 Controlle Power Factor Correction Circuit Design, Unitroe Application Note U-134, [6]. Balogh, UC3854A/B an UC3855A/B Provie Power imiting With Sinusoial Input Current for PFC Front Ens, Unitroe Design DN-66, [7] R.B. Riley, Average small-signal analysis of the boost power factor correction circuit, VPEC Seminar Proceeings, 1989, pp [8] I. Ozkaynak, Moeling an Stability Analysis of a PFC Subunit Using UC3854. [9] H. R. arico, Conversor Boost Controlao em Corrente Aplicao ao Retificaor Monofasico, Dissertação e Mestrao, Universiae Feeral e Santa Catarina, 2007.