Autor Tópico: Como o circuito Boost PFC Converter melhora a qualidade de energi  (Lida 1339 vezes)

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                                                               Este artigo foi traduzido do original em Inglês!


 Fontes de alimentação lineares, mesmo as com filtragem passiva têm baixo fator de potência e altas correntes harmônicas. Saiba mais sobre o conversor de correção de fator de potência (PFC), um circuito que pode melhorar a qualidade de energia das fontes de alimentação.Informação relacionada

Calculando o Fator de Potência:
 
 Todos os dispositivos eletrônicos necessitam de fontes de alimentação para converter a tensão CA da rede em tensão DC para eletrônicos. As fontes de alimentação lineares, mesmo as com filtragem passiva, têm um baixo fator de potência e introduzem correntes harmônicas no sistema.
O efeito global de uma única fonte de alimentação não é grande, mas quando você considera os milhões de tais suprimentos em uso, o efeito combinado sobre a qualidade de energia dessas fontes de alimentação pode ser substancial. Podemos melhorar essa situação usando fontes de alimentação que incorporam circuitos de correção de fator de potência, o que aumenta o fator de potência e reduz as correntes harmônicas. O conversor de correção de fator de potência de impulso é um circuito que pode ser adicionado às fontes de alimentação para melhorar significativamente a sua qualidade de energia.
 Fator de potência e correção do fator de potência

Um tipo de correção de fator de potência  (PFC) envolve correção passiva, onde a potência reativa de um sistema é compensada pela adição de um componente que usará uma quantidade igual, mas oposta, de potência reativa. Por exemplo, se uma carga é indutiva com uma potência reativa de 1.754 kVAR, então o sistema exigiria uma carga capacitiva com uma potência reativa de 1.754 kVAR para se opor à indutância.
Uma maneira de implementar este tipo de correção de fator de potência é ter um grande banco de capacitores que podem ser trocados no circuito quando necessário. Este tipo de correção de fator de potência funciona bem para cargas lineares em grandes escalas onde o custo do sistema de correção de fator de potência pode ser absorvido pelo tamanho e custo do sistema global.
Em escalas muito menores - por exemplo, fontes de alimentação individuais - o fator de potência também é importante. É importante não porque qualquer fonte de alimentação individual tem um grande efeito sobre o sistema, mas porque há tantas fontes de alimentação. Ainda mais desafiador é o fato de que essas fontes de alimentação são cargas não-lineares, portanto, o fator de potência não pode ser corrigido simplesmente adicionando componentes reativos (ou seja, capacitores ou indutores).
Para garantir que os dispositivos eletrônicos não tenham um efeito cumulativo significativo sobre o fator de potência da rede, padrões internacionais como EN61000-3-2 e Energy Star 80 Plus estabelecem limites na degradação do fator de potência e distorção harmônica introduzida pelas fontes de alimentação.
Um artigo anterior mostrou que os filtros passivos simples não são suficientes para melhorar adequadamente o fator de potência ou distorção harmônica. Em vez disso, devemos usar um circuito de fator de potência ativo que força a corrente CA a rastrear a tensão CA.
 O conversor de correção de fator de potência Boost

Um dos circuitos PFC ativos mais comuns é chamado de conversor PFC de amplificação, que é um circuito relativamente simples e de baixo custo. Os únicos componentes extras que são necessários além dos usados ​​em um conversor AC-DC linear são um interruptor (geralmente um FET), um diodo e um indutor.
A Figura 1 abaixo mostra um conversor PFC de aumento. Você pode ver que é essencialmente uma fonte de alimentação linear com um conversor de impulso inserido entre o retificador eo capacitor de filtro.
 

Figura 1. Circuito do conversor PFC Boost

 
O objectivo geral do conversor PFC de impulsão é desligar e ligar rapidamente o interruptor (S 1 ) e com um ciclo de trabalho variável para tornar a corrente de entrada (i ac ) sinusoidal e em fase com a tensão de entrada (v ac ) .
 Operação do Boost PFC Converter

O circuito PFC de impulso cicla rapidamente entre dois estados. O primeiro estado ocorre quando S 1 está fechado, como mostrado na Figura 2. Quando neste estado, o indutor está sendo energizado pelo lado AC do circuito através do retificador, e assim a corrente do indutor estará aumentando. Ao mesmo tempo, o diodo D pfc torna-se polarizado inversamente (porque seu ânodo é conectado ao terra através de S 1 ), e a energia é fornecida à carga pelo capacitor.
 Figura 2. Conversor PFC de impulso com o interruptor (S [size=0px]1 ) fechado

 
A Figura 3 mostra o segundo estado, que ocorre quando S 1 está aberto. Neste estado, o indutor desenergiza (a corrente diminui) à medida que fornece energia à carga e para recarregar o capacitor.
 
Figura 3. Ampliar o conversor PFC com o interruptor (S 1 ) aberto

 
(Observe que tanto a Figura 2 como a Figura 3 mostram apenas a metade positiva do ciclo de tensão de entrada. A metade negativa seria idêntica, exceto que a corrente estaria fluindo através dos outros dois diodos do retificador.)
O ciclismo entre os dois estados é feito em uma alta freqüência que é pelo menos nas dezenas de kHz, mas é muitas vezes uma ordem de grandeza (ou mesmo mais) maior do que isso. O ciclo de ida e volta entre estados é feito rapidamente e de uma maneira que mantém uma tensão de saída constante e controla a corrente média do indutor (e subseqüentemente a corrente AC média).
Uma vez que a corrente do indutor está a aumentar no estado 1 e a diminuir no estado 2, o ciclo de trabalho determina a quantidade de tempo que a corrente do indutor aumenta em relação à quantidade de tempo que a corrente do indutor diminui. Assim, variando o ciclo de trabalho, a corrente média do indutor pode ser ajustada. Ao fazer esta corrente média atual a corrente esperada, você pode obter uma melhoria significativa no fator de potência e distorção harmônica total (THD).
Para um sistema ideal, a corrente de indutor esperada seria uma onda senoidal rectificada ea corrente de entrada de CA esperada seria uma onda senoidal. Devido à natureza de comutação do sistema e à dificuldade em obter um rastreamento perfeito da corrente esperada, a corrente de entrada CA (I ac ) não será uma onda sinusoidal ideal ea corrente indutora (I (L) ) não será um ideal Onda sinusoidal rectificada, mas será em vez disso olhar algo como isto:
 
Figura 4. Corrente AC e corrente indutora de um conversor PFC de amplificação

 
Estas correntes são a forma geral que deveriam ser (sinusoid / rectificado sinusoid), mas uma coisa que se destaca é que as linhas dos sinais parecem grossas. Esta espessura ocorre porque durante um ciclo a corrente aumenta e, em seguida, rampas para baixo como a corrente média é controlada para rastrear a tensão sinusoidal de referência.
A ampliação da corrente do indutor revela as correntes crescentes e decrescentes do indutor à medida que o sistema alterna entre os dois estados.
 Um meio ciclo da corrente indutora de um conversor PFC de aumento height=217Figura 5. Visão ampliada da corrente do indutor em um conversor PFC de amplificação

 Boost Sistema de Controle PFC

O controle de malha fechada é necessário para garantir que a tensão de saída é mantida ea corrente AC é sinusoidal e em fase com a tensão CA. Está além do escopo deste artigo descrever como o sistema de controle foi projetado, mas a Figura 6 dá uma idéia geral do sistema geral; Ele mostra um circuito PFC de aumento com um bloco de controlador que aceita quatro entradas e gera uma saída modulada em largura de pulso (PWM) aplicada à porta de S 1 .
 
Figura 6. Circuito do conversor PFC de impulso com sistema de controle

 
O sistema de controle mostrado na Figura 6 requer três coisas:medição da tensão de saída (V dc ) para garantir que ele seja mantido ao nível de referência (V ref )[/c]
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  • Medição da tensão CA para fornecer uma referência para a corrente do indutor
  • Medição da corrente média do indutor para garantir que ele rastreia a tensão AC retificada
O sistema de controlo seria tipicamente um sistema de controlo PI ou PID que assegura que a diferença entre os sinais de referência e os sinais necessários é tão pequena quanto possível.
Os resultados de um projeto bem sucedido são fator de poder melhorado e THD, assim como uma tensão de saída regulada. A tensão e corrente AC para um conversor PFC de amplificação são mostradas na Figura 7.
 
Tensão e corrente AC após a correção do fator de potência height=407Figura 7. Tensão e corrente AC

 
Você pode ver que a corrente ea tensão estão perto de estar em fase e que a corrente tem uma forma sinusoidal geral com distorção mínima.
A análise deste sistema indica que o factor de potência é apenas inferior a 0,99 e o THD é cerca de 10%. Estes números indicam que a qualidade de energia é bastante boa e que seria suficiente para satisfazer os requisitos de corrente harmônica da IEC 61000-3-2, bem como os requisitos de fator de potência do Energy Star 80 Plus.
 Conclusão

As fontes de alimentação lineares têm um efeito negativo na qualidade de energia de um sistema elétrico. A adição de filtros passivos à fonte de alimentação pode melhorar a qualidade de energia, mas não o suficiente para atender às especificações de qualidade de energia, como as da IEC 61000-3-2 e Energy Star 80 Plus. A correção ativa do fator de potência é necessária para atender a essas especificações, e uma das maneiras mais baratas e mais comuns de implementar a correção ativa do fator de potência é usando um conversor PFC de aumento.
O conversor PFC de aumento utiliza um elemento de comutação para forçar a entrada de corrente alternada a ser sinusoidal e em fase com a tensão de entrada. O exemplo utilizado neste artigo mostrou que uma melhoria significativa da qualidade de energia de uma fonte de alimentação pode ser obtida usando um conversor PFC de amplificação.


16 de dezembro de 2016 por David Williams

Fonte original:https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/
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