Rectificadores com factor de potência quase unitário

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1 ectificadores com factor de potência quase unitár V. Fernão Pires Escola Superr Tecnologia de Setúbal Instituto Politécnico de Setúbal UTL, IST, Universidade Técnica Lisboa. Vale de haves, Estefanilha, 2910 Setúbal J. Fernando Silva UTL entro utomática Univ.Técnica Lisboa IST, Máquinas Eléctricas e Electrónica de Potência v. ovisco Pais, 1, , Lisboa Este trabalho tem por objectivo apresentar as principais topologias dos rectificadores com factor de potência quase unitár. ssim, serão abordadas as principais topologias monofásicas e trifásicas deste tipo de rectificadores, ou seja, os grupos 1 e 2 dos tipos elevador (Boost), redutor (Buck) e redutor-elevador (Buck-Boost), procurando apresentar as suas principais vantagens e desvantagens. Introdução Os rectificadores convencnais, construídos com díodos e/ou tiristores, apresentam geralmente factores de potência reduzidos e correntes de entrada com um conteúdo harmónico elevado, dando origem a perturbações na rede de energia eléctrica e por vezes a distúrbs nas redes de comunicações. No sentido de minorar estes problemas, normas internacnais recentes impõe limites ao conteúdo harmónico que os rectificadores podem introduzir na rede eléctrica. O cumprimento destas normas exige normalmente conversores /, designados rectificadores de alto factor de potência, que aplicando técnicas por modulação de largura de impulso (PWM), permitem obter factores de potência quase unitárs e conteúdos harmónicos da corrente de entrada reduzidos. ssim, nesta revisão, serão abordadas as principais topologias monofásicas e trifásicas dos rectificadores de um (grupo 2) e de dois andares (grupo 1), e dos tipos elevador (Boost), redutor (Buck) e redutor-elevador (Buck-Boost), procurando apresentar as suas principais vantagens e desvantagens. Modos de condução Para que os rectificadores tenham uma corrente de entrada com baixo teor harmónico e factor de potência quase unitár, é necessár utilizar técnicas de comutação forçada. Estas técnicas permitem controlar activamente as correntes de entrada através da utilização de semicondutores totalmente comandados. Estas técnicas activas são designadas por orrectores do Factor de Potência (PF Power Factor orrectn), e permitem controlar o(s) semicondutor(es) totalmente comandado(s) de forma a que a corrente de entrada siga uma corrente de referência sinusoidal. Os modos básicos de controlo para os correctores de factor de potência, são o modo de controlo em corrente e o modo de controlo em tensão. Para cada um destes modos de controlo, existem dois tipos de condução, ou seja: MD - Modo de condução descontínua (DM Discontinuous onductn Mode) M - Modo de condução contínua (M ontinuous onductn Mode)

2 No modo de condução descontínua, o componente de armazenamento de energia (bobina ou condensador) que juntamente com o(s) semicondutor(es) totalmente comandado(s) permitem obter uma corrente de entrada sinusoidal, é totalmente descarregado ao fim de um ciclo de comutação. No caso de um conversor onde o elemento armazenador seja uma bobina (por exemplo um rectificador do tipo elevador), durante cada ciclo de comutação a corrente na referida bobina sobe até um determinado valor de pico, o qual é proporcnal à tensão de alimentação, descarregando posterrmente até atingir o valor de zero (figura 1 a)). No modo de condução contínua, o componente de armazenamento de energia (bobina ou condensador) que juntamente com o(s) semicondutor(es) totalmente comandado(s) permitem obter uma corrente de entrada sinusoidal, não é totalmente descarregado ao fim de um ciclo de comutação. No caso de um conversor onde o elemento armazenador seja uma bobina (por exemplo um rectificador do tipo elevador), durante cada ciclo de comutação a corrente na referida bobina sobe até um determinado valor acima ou igual ao valor de referência, descarregando posterrmente até atingir um determinado valor abaixo da mesma referência, mas acima de zero. ssim, o valor instantâneo da corrente na bobina tenderá a aproximar-se do seu valor méd, cuja forma de onda é isomorfa da tensão de alimentação (figura 1 b)), sendo tanto mais próxima desta quanto mar for a frequência de comutação ou o valor desta bobina. ilinha imed ilinha imed t a) Modo de condução descontínua a) Modo de condução contínua Figura 1. Forma de onda da corrente de entrada. t Os conversores operando no modo de condução descontínua (MD), têm tido uma aceitação muito grande em equipamentos de electrónica de potência para a correcção do factor de potência, porque permite dispensar o controlador de corrente em cadeia fechada, pelo que, muitos circuitos integrados PWM existentes no mercado para fontes de alimentação comutadas podem ser utilizados como controladores. lém disso, as perdas de comutação são reduzidas porque o semicondutor totalmente comandado é colocado à condução com corrente nula, as estratégias de controlo são simples e o custo de produção é baixo. ontudo, os conversores operando no modo de condução descontínua, apresentam algumas desvantagens importantes, como a elevada interferência electromagnética, a elevada relação entre os valores máximos e méds de corrente ou tensão para os semicondutores de potência totalmente comandados, a elevada capacidade e baixo valor de resistência série equivalente dos condensadores de saída. Os conversores operando no modo de condução contínua (M), passaram, então, a ser uma referência no equipamento de electrónica de potência para a correcção do factor de potência, devido à possibilidade de utilizar conversores de elevada potência, à redução de harmónicas de corrente ou tensão de entrada e às reduzidas exigências na filtragem EMI. No entanto,

3 os conversores a operar neste modo de condução (M), apresentam como desvantagem a necessidade de um controlador de corrente em cadeia fechada que pode ser complexo, e deverá ter em conta as perturbações da rede de alimentação. ectificadores PWM do tipo elevador Os rectificadores do tipo elevador (também designados de BOOST ), são caracterizados pelo facto de apresentarem características similares aos conversores - do tipo elevador, ou seja, a sua tensão de saída é sempre superr ao mar valor da tensão de entrada. De facto, estes rectificadores poderão ser compostos por uma ponte a díodos seguido de um conversor - do tipo elevador (conversor ditos do grupo 1 ou de dois andares de conversão), ou por um único conversor de entrada em que integra as funções de rectificador e corrector do factor de potência (conversor ditos do grupo 2 ou de um andar de conversão). Os rectificadores do tipo elevador, são muito atractivos pelo facto de apresentarem algumas topologias muito simples e/ou requererem semicondutores de potência minimizada em relação à potência de saída, simplicidade dos circuitos de controlo, elevado rendimento e alta fiabilidade. No entanto, estes rectificadores apresentam duas grandes desvantagens, a incapacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e impossibilidade de efectuar a protecção contra curto-circuitos na carga. Os rectificadores monofásicos do tipo elevador em ponte compostos por um único semicondutor de potência totalmente comandado, apresentam-se como uma das mais simples estruturas topológicas [1]. Na figura 2.3 a), é apresentada a estrutura clássica deste tipo de rectificadores de duplo estág de conversão. Este tipo de rectificadores apresenta como principais desvantagens, a necessidade de utilizar um semicondutor totalmente comandado de elevada capacidade em corrente e baixos rendimentos devido aos dois estágs de conversão de potência [2]. Para aumentar o rendimento e utilizar semicondutores de potência dimensnados para menores tensões e correntes, existem topologias que se integram no grupo 2 (figura 2.3 b)), ou seja, apenas necessitam de um único estág de conversão para atingir os objectivos pretendidos [3]. D o i d V S i s L s, s S V V o o V O V S i s Ls, s id O V O a) com duplo estág de conversão Figura 3. ectificador elevador monofásico. b) com um único estág de conversão Os rectificadores apresentados na figura 3 admitem uma tensão e corrente unidireccnal no lado, pelo que, a transferência de energia nestes conversores é unidireccnal. No entanto, para certo tipo de

4 aplicações, é fundamental utilizar um rectificador com capacidade de transferência de energia bidireccnal. Neste caso, para permitir uma corrente bidireccnal do lado, é normalmente utilizado um rectificador composto por um inversor comutado de quatro quadrantes (figura 5) com uma bobina ligada entre a fonte de alimentação alternada e o conversor [4]. través da análise deste rectificador, é possível verificar que este. id is L S3 O Figura 5. ectificador elevador com capacidade de transferência de energia bidireccnal. Tal como os rectificadores monofásicos, também os conversores / trifásicos do tipo elevador poderão ser classificados no grupo 1 ou 2 (dupla ou única etapa de conversão). Os rectificadores do grupo 1 apresentam uma estrutura similar ao monofásico, ou seja, são compostos por uma ponte trifásica a díodos e um conversor / do tipo elevador (figura 6 a)) [5]. ontudo, estes rectificadores só apresentam algum interesse quando operados no modo de funcnamento descontínuo (MD), pelo que se encontram bastante limitados. Outra das grandes desvantagens desta montagem, deve-se ao facto do semicondutor totalmente comandado S suportar uma corrente muito elevada. Para reduzir a corrente que o semicondutor totalmente comandado tem de suportar, foi proposta uma nova estrutura topológica composta por três semicondutores de potência totalmente comandados (figura 6 b)). Esta topologia integra-se no grupo de conversores / do grupo 2, ou seja, apenas necessitam de um único estág de conversão para atingir os objectivos pretendidos [6]. id V i s1 V i s2 3 i s3 L s, s L s, s L s, s D5 S DO i d O V is1 V is2 3 i s3 S6 O a) com duplo estág de conversão Figura 6. ectificadores trifásicos do tipo elevador. b) com um único estág de conversão Estes rectificadores trifásicos apresentam apenas transferência de energia unidireccnal. ontudo, para certo tipo de aplicações é necessár utilizar um rectificador com capacidade de transferência de energia bidireccnal. Nestas circunstância, é normalmente utilizado um ondulador de tensão trifásico com três bobinas ligadas na entrada entre as fontes alternadas de alimentação e o conversor, conforme se verifica na figura 7 [7].

5 i d S3 S5 V V 3 i s1 i s2 i s3 D5 O S6 Figura 7. ectificador trifásico com seis semicondutores totalmente comandados e com capacidade de transferência de energia bidireccnal. ectificadores PWM do tipo redutor Os rectificadores do tipo redutor (também designadas de BUK), são caracterizados por apresentarem características típicas dos conversores - do tipo redutor, ou seja, a sua tensão de saída é sempre inferr ao mar valor da tensão de entrada. Estes rectificadores têm sido na generalidade preteridos relativamente aos rectificadores do tipo elevador, uma vez que apresentam rendimentos inferres, mais complexidade dos circuitos de controlo e taxas de distorção harmónica das correntes de entrada normalmente superres. ontudo, estes rectificadores apresentam duas grandes vantagens, a capacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e a possibilidade de efectuar a protecção contra curto-circuitos na carga. Os rectificadores monofásicos do tipo redutor do grupo 1, apresentam-se como uma das mais simples estruturas topológicas, sendo formados por uma ponte de díodos e um único semicondutor de potência totalmente comandado (figura 8 a)) [8]. Este tipo de rectificadores apresenta como desvantagens principais, a necessidade de utilizar um semicondutor de potência totalmente comandado de elevada capacidade em corrente e um baixo rendimento associado a dois estágs de conversão de potência. De forma a reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica da corrente de entrada, é utilizado o rectificador de estág único e com quatro semicondutores totalmente comandados (figura 8 b)) [9]. i is L f, f f i f i rec v f i o i i s Lf, f f i f irec v f S3 o a) com duplo estág de conversão dispositivo semicondutor com capacidade de bloque inversa Figura 8. ectificador redutor. b) com um único estág de conversão Os rectificadores trifásicos do grupo 1 apresentam uma estrutura topológica muito simples e composta por apenas um único semicondutor totalmente comandado (figura 9) [10]. No entanto, as taxas de distorção harmónica das correntes de entrada são normalmente muito elevadas, uma vez que apenas existe corrente em cada uma das fases que liga à ponte de díodos durante um período de 2π 3 por

6 cada me ciclo. Outra das grandes desvantagens associadas a este tipo de rectificadores, é a necessidade de um semicondutor totalmente comandado de elevada corrente. V V 3 i s1 i s2 i s3 L s, s L s, s L s, s i f1 i rec1 i rec2 i f2 i rec3 i f3 D5 i V Vo i o F F F Figura 9. ectificador trifásico do tipo redutor de dois estágs de conversão. Para reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica das correntes de entrada, é utilizado o rectificador de estág único de seis semicondutores totalmente comandados (figura 10) [11]. i S3 V V 3 is1 is2 is3 Ls, s irec1 Ls, s i f1 irec2 Ls, s i f2 irec3 i f3 F F F S5 S6 o dispositivo semicondutor com capacidade de bloque inversa Figura 10. ectificador trifásico do tipo redutor com seis semicondutores totalmente comandados. ectificadores PWM do tipo redutor elevador Um terceiro tipo de rectificadores, são os conversores / do tipo redutor-elevador. om este tipo de rectificadores é possível obter tensões de saída com valor superr, igual ou inferr ao mar valor da tensão de entrada. omo os rectificadores do tipo redutor, também estes rectificadores apresentam duas grandes vantagens quando comparados com os do tipo elevador, ou seja, têm a capacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e a possibilidade de efectuar uma protecção contra curto-circuitos na carga. omo se verificou com os rectificadores anterres, também os conversores / monofásicos do tipo redutor-elevador do grupo 1, se apresentam como uma das mais simples estruturas topológicas [12] (figura 11 a)). Tal como os rectificadores equivalentes apresentados nos pontos anterres, estes rectificadores apresentam como desvantagens principais, a necessidade de um semicondutor de potência totalmente comandado de elevada corrente, e um baixo rendimento devido à associação série de duas etapas de conversão de potência. Para um controlo mais eficaz da forma da corrente de entrada, é utilizado um rectificador de estág único com quatro semicondutores totalmente comandados (figura 11 b). Utilizando frequências de comutação idênticas em cada uma destas três topologias, verifica-se que este último rectificador permite obter taxas de distorção harmónica para a corrente de entrada inferres às dos anterres [12].

7 is Lf, f f i f i rec v f V i V I Vo o i s Lf, f f i f irec v f S3 i o i a) com duplo estág de conversão dispositivo semicondutor com capacidade de bloque inversa Figura 11. ectificador redutor-elevador. b) com um único estág de conversão Os rectificadores trifásicos do tipo redutor-elevador também poderão ser do grupo 1 ou 2. elativamente aos rectificadores trifásicos do grupo 1, verifica-se que estes apresentam uma estrutura topológica muito simples e composta por apenas um único semicondutor de potência totalmente comandado (figura 12) [13]. No entanto, estes rectificadores apresentam as desvantagens do duplo estág de conversão, ou seja, o semicondutor totalmente comandado tem de suportar uma corrente muito elevada e as taxas de distorção harmónica das correntes de entrada são normalmente bastante elevadas. Outra das desvantagens deste tipo de rectificadores, é a operação no modo de funcnamento descontínuo (MD), pelo que se encontram bastante limitados em potência. V V V S3 is1 is2 is3 Ls, s Ls, s Ls, s V f1 i f1 irec1 irec2 i f2 irec3 i f3 D5 V i L O V o i O V O F F F Figura 12. ectificador trifásico do tipo redutor-elevador de dois estágs de conversão. O rectificador de estág único de seis semicondutores de potência totalmente comandados (figura 13) permite reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica das correntes de entrada [14]. i S3 V V 3 is1 is2 is3 Ls, s Ls, s Ls, s i f1 irec1 irec2 i f2 irec3 i f3 S5 S6 LO i O F F F Figura 13. ectificador trifásico do tipo redutor-elevador com seis semicondutores totalmente comandados. onclusões Neste trabalho foram apresentados os principais tipos de rectificadores PWM monofásicos e trifásicos de factor de potência quase unitár. Estes rectificadores são normalmente classificados em

8 elevadores, redutores ou redutores elevadores, respectivamente consoante a sua tensão de saída seja apenas superr ao máximo valor da tensão de saída, apenas inferr, ou superr ou inferr a esse valor máximo. generalidade destes rectificadores permite regular a tensão de saída e controlar as correntes de entrada de forma a apresentarem uma taxa de distorção harmónica reduzida e um factor de potência quase unitár. eferências [1] Tsai, W., York-Yih, S. e Wue-Shyong S., Modelling and ontrol of Single Phase Switching Mode ectifiers with Near-Optimal Dynamic egulatn, IEEE Transactns on Power Electronics, vol. 2, Mar. 1987, p [2] Salmon, J., Techiques for Minimizing the Input urrent Distortn of urrent- ontrolled Single-Phase Boost ectifiers, IEEE Transactns on Power Electronics, vol. 8, no. 4, Jul. 1993, p [3] Meyer, J. e uffer,. Single-Phase ectifier with educed urrent ipple and Power Factor orrectn, in Proc. of EPE 97-7 th European onference on Power Electronics and pplicatns, vol. 2, Set. 1997, p [4] Mohan, N., Undeland, T. e obbins, W., Power Electronics: onverters, pplicatns and Design, New York, NY: John Wiley & Sons, [5] Prasad,., Phoivos, D. e Manias, S., n ctive Power Factor orrectn Technique for Three- Phase Dde ectifiers, IEEE Transactns on Power Electronics, vol. 6, no. 1, Nov. 1991, p [6] Prasad,. e Zgas, P., n ctive Power Factor orrectn Technique for Three-Phase Dde ectifiers, in Proc. of PES 89 - IEEE Power Electronics Specialists onference, Jun. 1989, p [7] Ooi, B., Salmon, J., Dixon, J. e Kulkarni,., Three-Phase ontrolled-urrent PWM onverter with Leading Power Factor, IEEE Transactns on Industrial pplicatns, vol. I-23, no. 1, Jan. 1987, p [8] Endo, H., Yamashita, T. e Sugiura, T., High-Power-Factor Buck onverter, in Proc. of PES 92 - IEEE Power Electronics Specialists onference, Jun. 1992, p [9] Zargari, N. e Joos,., urrent-ontrolled urrent Source Type Unity Power Factor PWM ectifier, in Proc. of IS th IEEE Industrial pplicatns Society nnual Meeting, Out [10] Ismail, H. e Erickson,., Single-Switch 3 PWM w Harmonics ectifiers, IEEE Transactns on Power Electronics, vol. 11, no. 2, Mar. 1996, p [11] Konishi, Y., rai, N., Kousaka, K. e Kumagai,, S., Large apacity urrent Source PWM onverter with Sinusoidal Inputs and High Power Factor, in Proc. of PES 92 - IEEE Power Electronics Specialists onference, Jun. 1992, p [12] Mechi,. e Funabiki, S., Step Up/wn to D onverter with Sinusoidal Source urrent - comparison of three types of configuratns, in Proc. of IEON 91 - IEEE Internatnal onference on Industrial Electronics ontrol and Instrumentatn, go. 1991, p [13] Pan,. e hen, T., Step-up/down Three-Phase Flyback to D onverter with Sinusoidal Input urrent and Unity Power Factor, IEE Proceedings Electric Power pplicatns, vol. 141, no. 2, Mar. 1994, pp [14] Nishida, Y., Maeda,. e Tomita, H., New Instantaneous-urrent ontroller for Three-Phase Buck-Boost and Buck onverters with PF Operatn, in Proc. of PE 95 - pplied Electronics onference and Expositn, March 1995, pp