Aplicación del convertidor reductor a la corrección del factor de potencia en estructuras conversoras de dos etapas

Abstract

La necesidad del cumplimiento de las normas de inyección de armónicos de baja frecuencia ha impulsado el desarrollo y estudio de nuevas topologías de convertidores CA/CC y CA/CA que permitan satisfacer dichas normas a un mínimo coste de rendimiento, fiabilidad, precio, tamaño y peso. Una de las mejores soluciones consiste en conectar a la red un primer convertidor llamado prerregulador correcto del factor de potencia, que consigue que la corriente demandada sea senoidal. Como es conocido, uno de los inconvenientes del prerregulador correcto del factor de potencia es que su dinámica es necesariamente lenta, ya que el lazo de control tiene que filtrar el rizado de 100 Hz presente en el condensador de salida. Con el fin de mejorar estas características y al mismo tiempo reducir el tamaño del condensador del filtro, se hace necesario añadir una segunda etapa, lo que penaliza el rendimiento de la cadena conversora. Por este motivo, una de las líneas de investigación más activa de esta área de la Electrónica de Potencia consiste en la búsqueda de topologías en una única etapa que permitan obtener una dinámica rápida del convertidor. Sin embargo, existen aplicaciones con determinadas especificaciones de diseño que no hacen viable las soluciones en una etapa, recurriéndose a la solución en dos etapas. Un ejemplo de ello son las nuevas futuras especificaciones de las fuentes de alimentación de equipos informáticos y de telecomunicaciones que requieren, además de la corrección del factor de potencia, una baja tensión de salida (5V, 3, 3V, etc.) con regulación rápida, mayores potencias, aislamiento galvánico. Otras de las especificaciones, que más van a limitar el diseño del convertidor son el llamado rango tensiones de entrada universal (85V-265V), y el tiempo de mantenimiento de la tensión de salida ante fallos de red de breve duración (hold-up time). En el presente trabajo doctoral se pretende realizar algunas aportaciones en el campo de los sistemas de alimentación con corrección el factor de potencia con estructuras de dos etapas. Como paso previo a la realización de este trabajo, se ha dado un repaso a la situación actual en la corrección del factor de potencia en sistemas de alimentación monofásicos. Se describe la normativa actual sobre armónicos de baja frecuencia y se realiza una clasificación básica de los circuitos correctores del factor de potencia, con sus principales ventajas y limitaciones. Se presenta la problemática del diseño de fuentes de alimentación para equipos informáticos y de telecomunicaciones de nueva generación y se presenta la estructura en dos etapas como la más adecuada cuando se incluyen especificaciones de tensión de entrada universal y tiempo de mantenimiento ante fallos de red de breve duración (hold-up time). Con el objetivo de buscar una topología que maximice la relación rendimiento/coste, se describen, analizan estáticamente y se comparan teóricamente las dos topologías que más se ajustan a las necesidades propuestas: topología sepic y reductora (buck). De dicha comparación se deduce que el prerregulador reductor corrector del factor de potencia es la topología más interesante y también se deduce el rango de tensiones intermedias de bus más adecuadas. La forma de onda de la corriente de entrada no será senoidal. Por ello, se analiza el cumplimiento de la normativa actual sobre armónicos de baja frecuencia y se busca la forma de onda de la corriente de entrada que minimiza en contenido armónico. Finalmente, se describen, analizan y ensayan diversas variantes de la topología reductora a fin de determinar cuál de ellas es la que maximiza la relación rendimiento/coste del prerregulador. Se propone un modelo promediado de pequeña señal de prerregulador reductor corrector del factor de potencia aplicando el control como seguidor de tensión y se realiza el estudio de pequeñas señal, se analiza la estabilidad del lazo de tensión, se caracteriza el comportamiento del prerregulador con este método de control ante variaciones de la tensión de entrada (audio-susceptibilidad) y de la carga (independencia de salida). El estudio se realiza tanto para carga resistiva como para carga regulada, como es el caso de un segundo convertidor CC/CC regulado conectado en cascada. Los resultados se contrastan con resultados experimentales y de simulación. Por otra parte, el interés técnico que se deriva del control por multiplicador sugiere igualmente la obtención de un modelo promediado de pequeña señal y el posterior análisis de pequeña señal. Se presentan los criterios de diseño de la cadena conversora (prerregulador-convertidor CC/CC). Como ejemplo de diseño, se aplicarán estos criterios a la especificación de fuentes de alimentación de baja tensión de salida (3, 3V) con regulación rápida, tensión de entrada universal, especificaciones de tiempo de mantenimiento mínimo ante fallos de red de breve duración y correción del factor de potencia. Un objetivo de diseño interesante consiste en reducir el tamaño del condensador de bus al máximo posible. Se analizará la estabilidad de la conexión en cascada en función del condensador intermedio de bus. Por otra parte, también se analiza la influencia del aumento del ancho de banda en el transitorio de la tensión de bus y en el contenido armónico inyectado a la red de distribución, determinando el máximo ancho de banda que permite el cumplimiento de la norma. En los últimos años, el interés en el desarrollo de sistemas electrónicos de alimentación de balastos para todo tipo de lámparas es cada día más importante. Así, se estudia la aplicación del prerregulador reductor corrector del factor de potencia controlado como seguidor de tensión a sistemas electrónicos de alimentación de balastos electrónicos de media y alta potencia. Se realiza una breve introducción al mundo de la iluminación electrónica, indicando aquellas topologías más utilizadas como inversor resonante. Además, se determina la tensión máxima de bus que permite el cumplimiento de la norma específica de inyección de armónicos. Entre las topologías inversoras más utilizadas, el inversor en puente completo resonante con control de corriente resonante se presenta como una buena solución a la alimientación de lámparas de alta intensidad de descarga. Se comenta su principio de funcionamiento y su metodología básica de diseño, planteando como ejemplo de diseño de un balasto electrónico con corrección del factor de potencia para una lámpara de sodio de alta presión de 250 W. Será deseable un control de la potencia entregada a la lámpara. Así, se obtendrá la función de transferencia de la etapa de potencia en lazo abierto y se cerrará el lazo de control, asegurando la estabilidad a lo largo de la vida útil de la lámpara. También se obtendrá la impedancia de entrada del inversor resonante, tanto en cadena abierta como cerrada, parámetro muy importante para analizar la estabilidad del acoplamiento. Se diseña el prerregulador reductor corrector del factor de potencia y se realiza el análisis de pequeña señal utilizando el modelo promediado de pequeña señal que se ha propuesto en este trabajo. Se estudia la estabilidad del lazo de tensión, se realiza el análisis de audio-susceptibilidad y se determina la impedancia de salida. Además, se estudiará la estabilidad del acoplamiento entre el prerregulador reductor corrector del factor de potencia y el inversor resonante. Finalmente, se exponen otras posibles aplicaciones dentro del campo de la Iluminación Electrónica como es el caso de la alimentación de sistemas y señalización basados en la utilización de redes de diodos LED de alta eficiencia.