PREREGULATOARE PENTRU CORECTIA FACTORULUI DE PUTERE(PFC)

Preregulatoarele sunt utilizate in general pentru puteri pana la 1,5Kw,in locul redresorului comandat PWM.Ele asigura un current absorbit cvasisinusoidal.

                              Fig. 1 Filtru pasiv - schema

Preregulatorul poate ut iliza una din configuratiile de chopper cunoscute: buck,boost sau buck-boost.

Utilizarea structurii buck este limitata.

Fig. 2 Montajul buck

Montajul nu poate asigura o corectie optimala a factorului de putere , pentru ca apar intrruperi in curentul de intrare indata ce tensiunea la intrare scade sub tensiunea de iesire.

El poate fi utilizat cand sunt necesare tensiuni scazute la iesire si factorul de putere poate avea valori moderate.Curentul choppat poate genera zgomote considerabile in linie, iar tensiunea maxima de intrare apare la bornele intrerupatorului T, ceea ce pune probleme de comanda.

Convertorul boost este cel mai utilizat in cadrul PFC, deoarece el opereaza in mod continuu, nu choppeaza curentul de intrare si inductanta L actioneaza ca si filtru al curentului.

Comanda tranzistorului T, aflat in montaj emitor comun este usor de facut, cu un semnal avand masa ca referinta, iar tensiunea la bornele lui T limitata la valoarea tensiunii de iesire.

Montajul boost avand un current de varf mai mic decat in celelalte structuri, este indicat sa fie utilizat pentru puteri mari.Dezavantajul major este ca nu asigura o protectie simpla la scurtcircuit.

Fig. 3 Montajul boost

Montajul buck-boost furnizeaza tensiuni mai mari sau mai mici decat cea de intrare.

Fig. 4 Montajul buck-boost

El ofera avantajul posibilitatii de limitare a curentului.Dezavantajul este ca opereaza in mod discontinuu, ceea ce poate duce la curenti de varf de doua pana la patru ori curentul mediu de linie.Zgomotele create pun probleme serioase.Din aceasta cauza e utilizat in aplicatii de foarte mica putere, pana la 1500W, pentru balasturile lampilor fluorescente si sursele de alimentare ale calculatoarelor.

2 Preregulator utilizand structura boost

Implementarea structurii boost pentru corectarea formei de unda a curentului absorbit de un redresor monofazat- bialternanta este prezentata in Fig.5.

Fig. 5 Redresor bialternanta cu preregulator, avand structura boost

Codensatorul C micsoreaza riplul tensiunii de iesire u_ies si inmagazineaza energia ceruta de sistem.

Curentul la intrare este sinusoidal si in faza cu u ,deci la iesirea puntii redresoare u_d si i_d = i_L trebuie sa fie in faza.

Cu Û = √2U; i = √2I puterea la intrarea convertorului va fi :

p_in(t) = u(t)∙i(t)=√2Usinωt√2Isinωt = 2UIsin²ωt = 2UI∙

Fig. 6 Tensiunea u_d si curentul i_d

Capacitatea C avand o valoare mare ,tensiunea la iesire se poate presupune continua u_ies = Ū_ies; deci ,puterea la iesire va fi :

                        p_ies(t) = Ū_ies∙i_D (t)

dar: i_D(t) = i_c(t)+I_S

Daca consideram ca in fiecare moment p_in(t) = p_ies(t), rezulta:

Ū_ies[i_C(t)+I_S] = UI-UIcos2ωt sau i_D (t) = i_C(t) +I_S =

avand :

 Ī_D = I_S =

si curentul prin condensator

 i_c(t) = - cos2ωt = - Ī_Dcos2ωt = I_scos2ωt

Ondulatia tensiunii se poate calcula cu relatia :

                       

∆u_ies = ∫i_C(t)∙dt = - sin2ωt

Curentul de intrare fiind cel care este controlat prin intermediul lui T, spunem ca in acest caz comanda se face in modul current.

Obtinerea semnalului de comanda pentru tranzistorul T in cadrul controlerului se face pe principiul urmator: i_Lref este valoarea dorita pentru curentul i_L si are aceeasi forma cu u_d = |u|.

Dar valoarea curentului i_L,depinde de sarcina, de puterea absorbita de aceasta, putere care nu este cunoscuta si se poate modifica in timp.

Pentru a putea obtine valoarea de referinta se considera ca sarcina poate fi modelata printr-o rezistenta echivalenta R_ech, incat puterea disponibila la iesire va fi:

                       

P_ies = Ū²_ies/R_ech

Puterea la intrare, marimile fiind sinusoidale si in faza:

P_in = UIcosφ = UI = UI/√2= UI_L/√2

Neglijand pierderile in convertor, pentru regimul stabilizat:

P_ies = P_in→I_L = Ū²_ies√2/R_echU

Valoarea maxima a curentului prin bobina I_L va fi construita pornind de la un regulator PI care controleaza tensiunea Ū_ies la bornele condensatorului C.

Amplitudinea lui i_Lref trebuie sa fie astfel incat sa mentina tensiunea de iesire la valoarea dorita U_iesref , indifferent de variatia curentului de sarcina si de fluctuatiile tensiunii de alimentare fata de valoarea nominala.Valoarea lui i_Lref se obtine masurand tensiunea redresata u_d = |u| ~U si multiplicand-o cu eroarea amplificata dintre tensiunea de iesire masurata U_iesmax si cea dorita U_iesref.

                                                          

                                     Fig. 7 Schema bloc de comanda a PFC

Mai departe valorile i_Lref si i_Lmasurata sunt aplicate unui comparator modulator, care transmite semnalul de comanda spre tranzistorul T in functie de raportul dintre cele doua valori.

Avand la dispozotie valorile i_Lref si i_Lmasurata , generarea semnalului de comanda in modul current in cadrul comparatorului modulator se poate face in mai multe feluri:

1.Comanda cu histerezis sau cu abatere constanta

Se alege o abatere constanta ε maxima admisibila pentru curentul i_L.

Cand iLmasurata < i_Lref - ε , T este comandat sa se inchida si curentul i_L creste.

Cand i_Lmasurata > i_Lref + ε , T se deschide si curentul i_L scade pentru ca se deschide dioda D.

Curentul i_L contine armonici de inalta frecventa datorita modularii prin comanda.

Fig. 8 Comanda cu histerezis

2.Comanda cu frecventa constanta

Frecventa de comutatie f_c a tranzistorului T este constanta.Tranzistorul T este inchis pana i_L atinge i_Lref , moment in care este deschis.Tranzistorul T este inchis din nou dupa o perioada T_c.Comutatia se face cu frecventa fixa f_c furnizata de un ceas.

Daca notam cu I_ond valoarea varf-varf a ondulatiei curentului pe o perioada T_c putem scrie:

                        t_on = |; t_off =

f_c =

rezulta:

                                    I_ond = |u|[Ū_ies -|u|]/Lf_cŪ_ies

                                   

                                   

Fig. 9  Comparator modulator cu frecventa constanta

                               |u| = 1/2Ū_ies→I_ondmax = Ū_ies/4f_cL

Fig.10    Variatia ondulatiei curentului

Comanda in mod de conductie critica ( sau discontinua)

Tranzistorul T se blocheaza cand i_Lmasurat = 2i_Lref si intra in conductie cand i_Lmasurat = 0.

La iesirea redresorului necomandat trebuie montat condensatorul C_d pentru eliminarea armonicilor continute in i_L , valoarea capacitatii sale fiind suficient de mica pentru a nu modifica forma tensiunii redresate u_d.

Fig. 11 Comparator modulator cu conductie critica(discontinua)

Acest tip de comanda este implementat in foarte multe circuite integrate dedicate corectoarelor factorului de putere.

           

Obsevatii:

Toate procedeele de comanda aratate permit sintetizarea formei de unda de tip "sinusoida redresata" pentru curentul i_L ,deci curentul absorbit va fi si el aproximativ sinusoidal.

Tensiunea de iesire uies la bornele capacitatii C contine o componenta cu pulsatia 2ωt care nu poate fi compensate prin comanda.

O frecventa f_c ridicata conduce la valori L scazute si posibilitatea filtrarii usoare a ondulatiei.Frecventa f_c se alege ca un compromise intre aceste avantaje si cresterea pierderilor de comutatie.

Tensiunea Ū_ies trebuie sa fie mai mare cu cel putin 10% fata de Û.

Condensatorul Cd de valoare mica poate fi utilizat pentru mentinerea ondulatiei de valoare mica.