1. Curs 10
CIRCUITE DE CORECŢIE A FACTORULUI DE PUTERE (PFC) TRIFAZATE
10.1. REDRESORUL TRIFAZAT IDEAL ŞI REZISTORUL TRIFAZAT FĂRĂ PIERDERI
10.2. CIRCUITE PFC TRIFAZATE CU MAI MULTE ÎNTRERUPĂTOARE ACTIVE
10.2.1. Circuite PFC trifazate de tip Buck
10.2.2. Circuit PFC trifazate tip Boost
10.2.3. Circuite PFC trifazate de tip Buck-Boost
10.2.4. Circuite PFC trifazate utilizând trei circuite monofazate
10.3. CIRCUITE PFC TRIFAZATE BAZATE PE CONVERTOARE C.C.-C.C. CU UN SINGUR ÎNTRERUPĂTOR
ACTIV
10.3.1. Circuit PFC trifazat de tip Boost DCM cu un singur întrerupător activ.
10.4. REDRESORUL VIENNA
10.5. COMANDA CIRCUITELOR PFC TRIFAZATE
2. CURS 10
10.1. REDRESORUL TRIFAZAT IDEAL ŞI REZISTORUL TRIFAZAT FĂRĂ PIERDERI
Sursa trifazată de tensiune vede la bornele ei o sarcină simetrică rezistivă, de valoare Re pe fiecare fază.
Fig. 10.1. Redresor trifazat ideal, fără pierderi
𝑢𝑢𝑅𝑅 = 𝑈𝑈𝑀𝑀 sin 𝜔𝜔𝜔𝜔
𝑢𝑢𝑆𝑆 = 𝑈𝑈𝑀𝑀 sin �𝜔𝜔𝜔𝜔 − 2𝜋𝜋
3� �
𝑢𝑢𝑇𝑇 = 𝑈𝑈𝑀𝑀 sin �𝜔𝜔𝜔𝜔 − 4𝜋𝜋
3� �
3. CIRCUITE PFC TRIFAZATE
Puterea instantanee pe fiecare fază este dată atunci de:
𝑝𝑝𝑅𝑅(𝑡𝑡) =
𝑢𝑢𝑅𝑅
2
(𝑡𝑡)
𝑅𝑅𝑒𝑒
=
𝑈𝑈𝑀𝑀
2
2𝑅𝑅𝑒𝑒
(1 − cos 2𝜔𝜔𝜔𝜔)
𝑝𝑝𝑆𝑆(𝑡𝑡) =
𝑢𝑢𝑆𝑆
2
(𝑡𝑡)
𝑅𝑅𝑒𝑒
=
𝑈𝑈𝑀𝑀
2
2𝑅𝑅𝑒𝑒
�1 − cos �2𝜔𝜔𝜔𝜔 − 4𝜋𝜋
3� ��
𝑝𝑝𝑇𝑇(𝑡𝑡) =
𝑢𝑢𝑇𝑇
2
(𝑡𝑡)
𝑅𝑅𝑒𝑒
=
𝑈𝑈𝑀𝑀
2
2𝑅𝑅𝑒𝑒
�1 − cos �2𝜔𝜔𝜔𝜔 − 2𝜋𝜋
3� ��
Ca şi în cazul monofazat, puterea instantanee are o componentă continuă şi o armonică pe dublul frecvenţei reţelei.
Puterea instantanee totală consumată este suma celor trei puteri instantanee pe faze:
𝒑𝒑𝒊𝒊(𝒕𝒕) = 𝒑𝒑𝑹𝑹(𝒕𝒕) + 𝒑𝒑𝑺𝑺(𝒕𝒕) + 𝒑𝒑𝑻𝑻(𝒕𝒕) = 𝟑𝟑
𝑼𝑼 𝑴𝑴
𝟐𝟐
𝟐𝟐𝑹𝑹𝒆𝒆
= 𝒑𝒑𝒐𝒐(𝒕𝒕)
unde s-a ţinut cont că cos 𝛼𝛼 + cos �𝛼𝛼 − 2𝜋𝜋
3� � + cos �𝛼𝛼 − 4𝜋𝜋
3� � = 0 , ∀𝛼𝛼 ∈ ℝ.
4. CURS 10
10.2. Circuite PFC trifazate cu mai multe întrerupătoare active
Din punct de vedere topologic, puntea trifazată poate fi constituită din comutatoare de putere comandate, la
care se adaugă eventual şi alte comutatoare de putere comandate, pe partea de curent continuu (spre ieşire), sau
din comutatoare de putere necomandate (diode) însoţite de câte un întrerupător comandat în serie pe fiecare fază la
care se adaugă eventual şi alte comutatoare de putere comandate, pe partea de curent continuu (spre ieşire).
10.2.1. Circuite PFC trifazate de tip Buck
Topologia acestui tip de convertor este prezentată în Fig. 10.2.
Fig. 10.2. Circuit PFC trifazat de tip Buck
Structura circuitului este asemănătoare cu cea a unui invertor de curent.
Avantajul structurii Buck este aici acela că tensiunea de ieşire poate să fie mai mică decât valoarea maximă a
tensiunii de intrare.
6. CURS 10
10.2.2. Circuit PFC trifazate tip Boost
Topologia PFC trifazată tip Boost, cu punte trifazată formată din comutatoare comandate bidirecţionale în curent
(funcţionare în două cadrane), este cel mai frecvent utilizată şi este prezentată în Fig. 10.4.
Fig. 10.4. Circuit trifazat PFC tip Boost cu comutatoare comandate
În această topologie, diodele sunt plasate la intrare, în serie pe fiecare fază, rezultând un curent neîntrerupt la
intrare.
Observăm că structura circuitului este asemănătoare cu cea a unui invertor de tensiune.
Tensiunea de ieşire trebuie să fie mai mare decât amplitudinea tensiunii de intrare, fiind vorba de o structură Boost.
7. CIRCUITE PFC TRIFAZATE
10.2.3. Circuite PFC trifazate de tip Buck-Boost
Acest tip de circuit, realizat cu punte de comutatoare comandate, este prezentat în Fig. 10.5.
Fig. 10.5. Circuit PFC trifazat de tip Buck-Boost în punte cu întrerupătoare comandate
Întrerupătoarele utilizate sunt bidirecţionale în tensiune, deci avem pierderi mari de putere în conducţie,
amplificate şi de valorile efective mari ale curenţilor prin comutatoarele comandate.
Tensiunea de ieşire pentru acest tip de convertor este inversă ca polaritate faţă de structurile bazate pe Buck
şi Boost.
8. CURS 10
10.2.4. Circuite PFC trifazate utilizând trei circuite monofazate
Fig. 10.6. Circuit PFC trifazat realizat cu trei circuite PFC monofazate
Se folosesc circuite de comandă individuale, obţinându-se comportamentul rezistiv pe fiecare fază.Ieşirile celor trei
convertoare c.c.-c.c. pot fi conectate în serie sau în paralel.
9. CIRCUITE PFC TRIFAZATE
10.3. CIRCUITE PFC TRIFAZATE BAZATE PE CONVERTOARE C.C.-C.C. CU UN SINGUR ÎNTRERUPĂTOR
ACTIV
Pentru controlul tensiunii de ieşire este necesară prezenţa în schemă a cel puţin un întrerupător
semiconductor comandat.
O trăsătură comună a tuturor redresoarelor cu un singur întrerupător comandat este imposibilitatea vehiculării
bidirecţionale a puterii.
De asemenea, aceste structuri necesită de regulă elemente reactive pentru filtrarea componentelor de înaltă
frecvenţă.
10. CURS 10
10.3.1. Circuit PFC trifazat de tip Boost DCM cu un singur întrerupător activ.
Fig. 10.7. Circuit PFC trifazat tip Boost DCM cu un singur comutator comandat
Comutatorul S1 este comandat la fel ca într-un convertor Boost. Atunci când S1 conduce, conduce câte o diodă din
fiecare ramură a punţii şi se conectează astfel împreună toate terminalele din dreapta ale bobinelor L1, L2, L3.
Curenţii iR, iS, iT prin cele trei faze ale sursei de alimentare cresc cu pante proporţionale cu tensiunile aplicate.
Avantajul acestei structuri este comanda simplă, cu funcţionare la frecvenţă constantă, rezistenţa emulată
putând fi modificată prin factorul de umplere.
Dezavantajul constă în necesitatea plasării filtrului de radiofrecvenţă la intrare pentru eliminarea componentelor de
înaltă frecvenţă cauzate de forma tipică, cu amplitudini mari, a curenţilor în DCM. Transferul puterii nu se poate face
decât unidirecţional.
11. CIRCUITE PFC TRIFAZATE
10.4. REDRESORUL VIENNA
Structura redresorului Vienna este arătată în Fig. 10.8.
Fig. 10.8. Redresor Vienna
Acest tip de redresor este un circuit cu trei comutatoare comandate, trifazat. Cele trei comutatoare sunt de
obicei comandate cu o tehnică PWM, astfel încât curentul de intrare să urmărească tensiunile pe faze.
Redresorul Vienna poate fi utilizat pentru îmbunătăţirea factorului de putere (PF) al unui redresor trifazat.
Valoarea inductanţei de intrare critice este calculată pentru o sarcină nominală. Pentru acest redresor, tensiunea pe
care trebuie să o suport fiecare comutator este jumătate din tensiunea totală de ieşire.
12. CURS 10
Totuşi, inductanţa optimă de intrare necesară pentru a obţine o asemenea performanţă este destul de mare şi
această modalitate de operare este calculată pentru o sarcină fixă şi o inductanţă optimă de intrare fixă. De aceea,
tensiunea redresată este sensibilă la variaţiile sarcinii şi performanţe bune se obţin numai într-o gamă foarte limitată
a puterii la ieşire. Pentru a depăşi aceste limitări, au fost dezvoltate mai multe tehnici specifice de control.
Tehnica de comandă expusă aici este bazată pe principiul de operare al redresorului Vienna. Acesta este compus
din două părţi: un circuit activ de compensare şi un circuit convenţional de redresare. Armonicile redresate de
redresorul convenţional pot fi compensate de circuitul activ de compensare, care face ca PF de intrare să crească.
Puterea activă medie consumată de sarcină este furnizată de sursa de alimentare şi circuitul activ de compensare
nu livrează şi nu consumă putere activă. Atunci poate fi obţinut curentul de referinţă pentru compensare. Perioada
de conducţie pentru comutatoarele bidirecţionale este controlată utilizând HCC. În urma folosirii unei frecvenţe mari
de comutaţie, se poate reduce dimensiunea inductanţei. Această metodă de control nu necesită măsurarea
curentului pe partea de c.c., ceea ce reduce dimensiunea şi costul echipamentului. Prin folosirea acestei metode
rezultă o îmbunătăţire substanţială a PF, armonicele curentului de intrare sunt eliminate sau reduse pentru largi
variaţii ale sarcinii şi de asemenea este menţinută o constantă tensiune continuă la ieşire.
Topologia din Fig. 10.8 constă dintr-un redresor trifazat cu diode cu două condensatoare identice conectate în
paralel şi trei comutatoare bidirecţionale. Comutatoarele bidirecţionale sunt formate din patru diode şi un comutator
(de ex. MOSFET) în conexiunea din figură.
Aceste comutatoare bidirecţionale sunt controlate folosind HCC pentru a asigura forma dorită a curentului de
intrare, tensiune constantă la ieşire şi echilibrul tensiunii pe cele două condensatoare. Formele de undă ale
tensiunilor de intrare şi ale curentului pe o fază sunt arătate în figura următoare:
13. CIRCUITE PFC TRIFAZATE
10.5. Comanda circuitelor PFC trifazate
Comanda sau controlul convertoarelor de putere de obicei poate fi împărţită în trei părţi: modularea, controlul
curentului şi reglarea unei mărimi de ieşire (tensiunea de ieşire pentru cazul redresoarelor).
În aplicaţiile invertoarelor trifazate, dinamica sistemului este dictată de componente lente electromecanice sau
de componente reactive mari, astfel încât performanţa dinamică nu este foarte critică. Mai mult, reglarea de precizie
a curentului de c.a. nu este de multe ori foarte importantă. În contrast cu aceasta, obiectivul în aplicaţiile PFC îl
reprezintă tocmai controlul de precizie al curentului, care se doreşte să urmărească cât mai fidel forma tensiunii de
alimentare.
Toate tehnicile standard de comandă folosite pentru invertoare pot fi folosite şi pentru redresoare, cum ar fi
PWM sinusoidală, PWM cu undă modulatoare modificată, SVPWM.
Cel mai simplu control al curentului pentru circuite de tip Boost îl reprezintă controlul cu histerezis, care
combină modulaţia şi controlul curentului într-o singură funcţie. De asemenea această metodă asigură cea mai
largă bandă a buclei de reglare. Dezavantajul major este dependenţa frecvenţei de comutaţie de sarcină şi
interferenţa între faze, având ca rezultat o funcţionare neregulată a convertorului şi forme de undă neuniforme ale
curentului. Aceste probleme pot fi remediate prin controlul a doi curenţi linie-linie.
Controlul curentului mediu este des folosit în circuitele PFC. Deoarece sunt doar două variabile independente
de curent într-un sistem trifazat, trebuie controlaţi doar doi curenţi de intrare. Schema de modulaţie este deseori
calculată astfel încât comutatoarele corespunzătoare fazei prin care circulă cel mai mare curent să fie OFF,
reducând astfel cu 50% pierderile în comutaţie.
Reglarea se poate realiza cu circuite analogice sau digitale. Avantajul implementărilor digitale este acela că
variabilele de control sunt constante pentru regim staţionar şi sistem echilibrat, şi poate fi obţinută o bună calitate a
curentului în regim staţionar. În controlul analogic al curentului, variabilele de control se modifică în timp şi chiar
tensiunile de referinţă, ideale, pot fi discontinue în jurul trecerilor prin zero. De aceea trebuie folosite regulatoare
analogice de curent foarte rapide pentru a obţine o calitate bună a curentului, iar distorsiunile curentului sunt de
obicei mai mari decât în cazul controlului digital. În cazul implementării digitale, viteza buclei de reacţie e limitată de
întârzierile de calcul.
