TOE-50: Correção do fator de
potência para cargas não lineares
Prof. Cassiano Rech
1
Capítulo 4
• Correção ativa do fator de potência
Principais métodos utilizados
Conversor boost em modo de condução descontínua
Conversor boost em modo de condução contínua
2 Prof. Cassiano Rech
• O conversor boost operando no modo de condução descontínua pode
operar como pré-regulador de fator de potência
• Neste modo de operação, a corrente no indutor é nula durante uma
parte do período de comutação
• O circuito opera com uma freqüência de comutação constante e a
amplitude da tensão de saída é determinada pela razão cíclica do
interruptor
• A razão cíclica é calculada a partir da realimentação da tensão de saída
e de um controlador proporcional-integral (PI), via modulação por
largura de pulso (PWM)
• A malha de corrente é dispensada neste modo de operação, pois a
forma de onda da corrente no indutor seguirá naturalmente a forma de
onda da tensão de entrada 3 Prof. Cassiano Rech
Introdução
4 Prof. Cassiano Rech
Conversor boost:
Estrutura básicas
• Diferentes representações do conversor boost
Vin S
Db
R
L iL io
+
Vo
_
C
iD
iS
Vin S
Db L iL iD
Vo
iS
S
Db
IL
iD
Vo
iS
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Boost em condução descontínua:
Tensão CC
1ª ETAPA: Carga do indutor
t0 ≤ t ≤ t1 (0 ≤ t ≤ ton)
Lin
diV L
dt
inL
Vi t t
L
Vin S
Db L iL iD
Vo
iS
No instante t0, o interruptor S entra em
condução. Durante esta etapa, o indutor L
armazena energia proveniente da fonte Vin.
A corrente no indutor cresce linearmente
até atingir seu valor de pico em t1.
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Boost em condução descontínua:
Tensão CC
2ª ETAPA: Descarga do indutor
t1 ≤ t ≤ t2 (0 ≤ t ≤ td)
No instante da abertura do interruptor S,
em t = t1, o diodo boost Db entra em
condução, transferindo energia para a fonte
de saída Vo. Durante este tempo, o indutor
L e a fonte Vin fornecem energia para a
carga, desmagnetizando o indutor. A
corrente no indutor diminuirá linearmente
até ser nula em t = t2.
Lin o
diV L V
dt
maxin o
L
V Vi t I t
L
L iL iD
Vin S
Db
Vo
iS
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Boost em condução descontínua:
Tensão CC
3ª ETAPA: Repouso
t2 ≤ t ≤ t3
Nesta etapa, o interruptor S e o diodo Db
estão bloqueados. A fonte Vin não fornece
energia durante esta etapa e a corrente no
indutor é nula. A corrente na carga é
fornecida pelo capacitor.
Vin S
Db L iL iD
Vo
iS
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• Baixas perdas por comutação
Bloqueio natural do diodo boost
Entrada em condução do interruptor em zero de corrente
• Elevadas perdas em condução devido aos elevados picos de corrente
• Ganho estático dependente da carga
Boost em condução descontínua:
Características
2
12
o in
in o
V V D
V f LI
• Valor de pico da corrente no indutor boost
é diretamente proporcional à tensão de
alimentação
• O valor de pico da corrente no indutor
apresentará uma envoltória senoidal
retificada em fase com a tensão de
entrada retificada
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Boost em condução descontínua:
Operação como PFP
max in
DTI t v t
L
iL(t)
vin(t) S
Db L
D1 D2
D3 D4
Cf
Lf
Cr Ro
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Boost em condução descontínua:
Operação como PFP
• O intervalo de diminuição da corrente, de seu valor de pico até zero, em cada
período de comutação, é:
maxin o
L
V Vi t I t
L
in
d
o in
v tt DT
V v t
0in o
in d
v t VDTv t t
L L
• Existe uma máxima razão cíclica que ainda permite condução descontínua, a
qual é determinada no pico da tensão de entrada:
max 1D onde: p
o
V
V
11
Boost em condução descontínua:
Operação como PFP - Projeto
Cálculo do indutor boost normalizado
21
pbL
Onde:
2
121
2
22atg
1
Ganho estático para condição de tensão máxima na entrada e α:
p
o
V
V
Cálculo do capacitor de saída:
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osb
or
VffL
DVC
8
2
Cálculo do indutor boost (Lb)
so
pb
bfP
VLL
p
2
2
Para o cálculo da razão cíclica deve-se conhecer a corrente média na carga:
p
bso
V
LfID
2
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Boost em condução descontínua:
Operação como PFP – Sistema de controle
• O conversor boost em condução descontínua deve regular a tensão de saída,
mantendo a corrente de entrada com reduzida THD e em fase com a tensão
de entrada
• Para regular a tensão de entrada é necessário medir apenas a tensão de
saída, pois a corrente de entrada segue naturalmente a forma de onda da
tensão de entrada
Compensador Modulador Conversor
Sensor
Saída Entrada
+ _
Metodologia de projeto
• Especificações iniciais:
• Tensão eficaz da rede elétrica;
• Valor de pico da tensão da rede elétrica;
• Tensão média na carga;
• Potência média na carga;
• Ondulação de tensão na carga;
• Frequência de comutação;
• Frequência da rede elétrica.
Prof. Cassiano Rech 14
VVin 220
2 inp VV
VVo 400
WPo 300
oo VV 05,0
kHzfs 50
Hzf 60
Metodologia de projeto
Prof. Cassiano Rech 15 15
Ganho estático para condição de tensão máxima na entrada:
p
o
V
V
286,1
Portanto,
1
778,0
Onde:
2
121
2
22atg
034,4
Metodologia de projeto
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Cálculo do indutor boost (Lb)
so
pb
bfP
VLL
p
2
2
Cálculo do indutor boost normalizado :
256,0pbL
21
pbL
HLb 263
Metodologia de projeto
Prof. Cassiano Rech 17
Para o cálculo da razão cíclica deve-se conhecer a corrente média na carga:
o
oo
V
PI AIo 75,0
Como isso:
p
bso
V
LfID
2 222,0D
Resultados
Tensão e corrente na fonte alternada de entrada.
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Time
84.0ms 86.0ms 88.0ms 90.0ms 92.0ms 94.0ms 96.0ms 98.0ms 100.0ms-4.0A
0A
4.0A
-400V
0V
400V
Vin
Iin
Resultados
Corrente no indutor boost.
Prof. Cassiano Rech 20
Time
84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms83ms 100ms-2.0A
0A
2.0A
4.0A
6.0A
Ip = 5,40A
Ief = 1,88A
I(lb)
Resultados
Tensão e potência na carga.
Prof. Cassiano Rech 21
Time
84.0ms 86.0ms 88.0ms 90.0ms 92.0ms 94.0ms 96.0ms 98.0ms 100.0ms
Po
298.0
298.2
298.4
298.6
V(Vo)
380V
390V
400V
410V
Resultados
Prof. Cassiano Rech 22
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47
In/I
1
Orden das Harmônicas
Análise Harmônica
Resultados
Cálculo Simulação
Ipico (A) (indutor boost) 5,26 5,4
Ief (A) (indutor boost) 1,84 1,88
Vo (V) 400 398
Po (W) 300 298,3
FP -- 0,96
Prof. Cassiano Rech 23
24 Prof. Cassiano Rech
Bibliografia
• J. A. Pomilio, “Pré-reguladores de fator de potência”.
Disponível em: < www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/>
• L. Schuch, “Sistema CA/CC com um conversor PWM
bidirecional para interface entre o barramento CC e o
banco de baterias”, Dissertação de Mestrado, UFSM.
• A. L. Batschauer, A. C. Neto e C. A. Petry “Conversor
BOOST operando em condução descontínua e malha
aberta aplicado à correção de fator de potência” , UFSC,
Florianópolis – 2000.
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