Rectificadores com factor de potência quase unitário

Rectificadores com factor de potência quase unitário

Escola Superior Tecnologia de Setúbal Instituto Politécnico de Setúbal CAUTL, IST, Universidade Técnica Lisboa R. Vale de Chaves, Estefanilha, 2910 Setúbal

J. Fernando Silva

CAUTL – Centro Automática Univ.Técnica Lisboa IST, Máquinas Eléctricas e Electrónica de Potência

Av. Rovisco Pais, 1, 1049-001, Lisboa

Este trabalho tem por objectivo apresentar as principais topologias dos rectificadores com factor de potência quase unitário. Assim, serão abordadas as principais topologias monofásicas e trifásicas deste tipo de rectificadores, ou seja, os grupos 1 e 2 dos tipos elevador (Boost), redutor (Buck) e redutor-elevador (Buck-Boost), procurando apresentar as suas principais vantagens e desvantagens.

Introdução

Os rectificadores convencionais, construídos com díodos e/ou tiristores, apresentam geralmente factores de potência reduzidos e correntes de entrada com um conteúdo harmónico elevado, dando origem a perturbações na rede de energia eléctrica e por vezes a distúrbios nas redes de comunicações. No sentido de minorar estes problemas, normas internacionais recentes impõe limites ao conteúdo harmónico que os rectificadores podem introduzir na rede eléctrica. O cumprimento destas normas exige normalmente conversores CA/CC, designados “rectificadores de alto factor de potência”, que aplicando técnicas por modulação de largura de impulso (PWM), permitem obter factores de potência quase unitários e conteúdos harmónicos da corrente de entrada reduzidos. Assim, nesta revisão, serão abordadas as principais topologias monofásicas e trifásicas dos rectificadores de um (grupo 2) e de dois andares (grupo 1), e dos tipos elevador (Boost), redutor (Buck) e redutor-elevador (Buck-Boost), procurando apresentar as suas principais vantagens e desvantagens.

Modos de condução

Para que os rectificadores tenham uma corrente de entrada com baixo teor harmónico e factor de potência quase unitário, é necessário utilizar técnicas de comutação forçada. Estas técnicas permitem controlar activamente as correntes de entrada através da utilização de semicondutores totalmente comandados. Estas técnicas activas são designadas por Correctores do Factor de Potência (PFC – Power Factor Correction), e permitem controlar o(s) semicondutor(es) totalmente comandado(s) de forma a que a corrente de entrada siga uma corrente de referência sinusoidal. Os modos básicos de controlo para os correctores de factor de potência, são o modo de controlo em corrente e o modo de controlo em tensão. Para cada um destes modos de controlo, existem dois tipos de condução, ou seja: • MCD - Modo de condução descontínua (DCM – Discontinuous Conduction Mode)

No modo de condução descontínua, o componente de armazenamento de energia (bobina ou condensador) que juntamente com o(s) semicondutor(es) totalmente comandado(s) permitem obter uma corrente de entrada sinusoidal, é totalmente descarregado ao fim de um ciclo de comutação. No caso de um conversor onde o elemento armazenador seja uma bobina (por exemplo um rectificador do tipo elevador), durante cada ciclo de comutação a corrente na referida bobina sobe até um determinado valor de pico, o qual é proporcional à tensão de alimentação, descarregando posteriormente até atingir o valor de zero (figura 1 a)).

No modo de condução contínua, o componente de armazenamento de energia (bobina ou condensador) que juntamente com o(s) semicondutor(es) totalmente comandado(s) permitem obter uma corrente de entrada sinusoidal, não é totalmente descarregado ao fim de um ciclo de comutação. No caso de um conversor onde o elemento armazenador seja uma bobina (por exemplo um rectificador do tipo elevador), durante cada ciclo de comutação a corrente na referida bobina sobe até um determinado valor acima ou igual ao valor de referência, descarregando posteriormente até atingir um determinado valor abaixo da mesma referência, mas acima de zero. Assim, o valor instantâneo da corrente na bobina tenderá a aproximar-se do seu valor médio, cuja forma de onda é isomorfa da tensão de alimentação (figura 1 b)), sendo tanto mais próxima desta quanto maior for a frequência de comutação ou o valor desta bobina.

imed

t ilinha

a) Modo de condução descontínua

imed

t ilinha

a) Modo de condução contínua

Figura 1. Forma de onda da corrente de entrada.

Os conversores operando no modo de condução descontínua (MCD), têm tido uma aceitação muito grande em equipamentos de electrónica de potência para a correcção do factor de potência, porque permite dispensar o controlador de corrente em cadeia fechada, pelo que, muitos circuitos integrados PWM existentes no mercado para fontes de alimentação comutadas podem ser utilizados como controladores. Além disso, as perdas de comutação são reduzidas porque o semicondutor totalmente comandado é colocado à condução com corrente nula, as estratégias de controlo são simples e o custo de produção é baixo. Contudo, os conversores operando no modo de condução descontínua, apresentam algumas desvantagens importantes, como a elevada interferência electromagnética, a elevada relação entre os valores máximos e médios de corrente ou tensão para os semicondutores de potência totalmente comandados, a elevada capacidade e baixo valor de resistência série equivalente dos condensadores de saída. Os conversores operando no modo de condução contínua (MCC), passaram, então, a ser uma referência no equipamento de electrónica de potência para a correcção do factor de potência, devido à possibilidade de utilizar conversores de elevada potência, à redução de harmónicas de corrente ou tensão de entrada e às reduzidas exigências na filtragem EMI. No entanto,

os conversores a operar neste modo de condução (MCC), apresentam como desvantagem a necessidade de um controlador de corrente em cadeia fechada que pode ser complexo, e deverá ter em conta as perturbações da rede de alimentação.

Rectificadores PWM do tipo elevador

Os rectificadores do tipo elevador (também designados de “BOOST”), são caracterizados pelo facto de apresentarem características similares aos conversores CC-CC do tipo elevador, ou seja, a sua tensão de saída é sempre superior ao maior valor da tensão de entrada. De facto, estes rectificadores poderão ser compostos por uma ponte a díodos seguido de um conversor CC-CC do tipo elevador (conversor ditos do grupo 1 ou de dois andares de conversão), ou por um único conversor de entrada em que integra as funções de rectificador e corrector do factor de potência (conversor ditos do grupo 2 ou de um andar de conversão). Os rectificadores do tipo elevador, são muito atractivos pelo facto de apresentarem algumas topologias muito simples e/ou requererem semicondutores de potência minimizada em relação à potência de saída, simplicidade dos circuitos de controlo, elevado rendimento e alta fiabilidade. No entanto, estes rectificadores apresentam duas grandes desvantagens, a incapacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e impossibilidade de efectuar a protecção contra curto-circuitos na carga.

Os rectificadores monofásicos do tipo elevador em ponte compostos por um único semicondutor de potência totalmente comandado, apresentam-se como uma das mais simples estruturas topológicas [1]. Na figura 2.3 a), é apresentada a estrutura clássica deste tipo de rectificadores de duplo estágio de conversão. Este tipo de rectificadores apresenta como principais desvantagens, a necessidade de utilizar um semicondutor totalmente comandado de elevada capacidade em corrente e baixos rendimentos devido aos dois estágios de conversão de potência [2]. Para aumentar o rendimento e utilizar semicondutores de potência dimensionados para menores tensões e correntes, existem topologias que se integram no grupo 2 (figura 2.3 b)), ou seja, apenas necessitam de um único estágio de conversão para atingir os objectivos pretendidos [3].

C A R G A VO D1 D2 VS Co _ + D3 D4 S Do Ls , Rs io id is VCo VDo iCo

a) com duplo estágio de conversão

D1 D2 D3 D4 S1 S2 CO VS is C A R G A VO _ + Ls , Rs io iCo id

b) com um único estágio de conversão

Figura 3. Rectificador elevador monofásico.

Os rectificadores apresentados na figura 3 admitem uma tensão e corrente unidireccional no lado CC, pelo que, a transferência de energia nestes conversores é unidireccional. No entanto, para certo tipo de

aplicações, é fundamental utilizar um rectificador com capacidade de transferência de energia bidireccional. Neste caso, para permitir uma corrente bidireccional do lado CC, é normalmente utilizado um rectificador composto por um inversor comutado de quatro quadrantes (figura 5) com uma bobina ligada entre a fonte de alimentação alternada e o conversor [4]. Através da análise deste rectificador, é possível verificar que este.

D3 D4 S3 S4 L CO D1 S1 D2 S2 VS C A R G A VO _ + io iCo id is

Figura 5. Rectificador elevador com capacidade de transferência de energia bidireccional .

Tal como os rectificadores monofásicos, também os conversores CA/CC trifásicos do tipo elevador poderão ser classificados no grupo 1 ou 2 (dupla ou única etapa de conversão). Os rectificadores do grupo 1 apresentam uma estrutura similar ao monofásico, ou seja, são compostos por uma ponte trifásica a díodos e um conversor CC/CC do tipo elevador (figura 6 a)) [5]. Contudo, estes rectificadores só apresentam algum interesse quando operados no modo de funcionamento descontínuo (MCD), pelo que se encontram bastante limitados. Outra das grandes desvantagens desta montagem, deve-se ao facto do semicondutor totalmente comandado S suportar uma corrente muito elevada. Para reduzir a corrente que o semicondutor totalmente comandado tem de suportar, foi proposta uma nova estrutura topológica composta por três semicondutores de potência totalmente comandados (figura 6 b)). Esta topologia integra-se no grupo de conversores CA/CC do grupo 2, ou seja, apenas necessitam de um único estágio de conversão para atingir os objectivos pretendidos [6].

D1 D2 VS1 CO VS2 VS3 D3 D4 D5 D6 DO C A R G A VO _ + S is1 is2 is3 io id Ls , Rs Ls , Rs Ls , Rs

a) com duplo estágio de conversão

VS1 LS VS2 LS VS3 LS D4 S4 D2 D2 S2 D1 D6 S6 D3 CO C A R G A VO _ + io id is1 is2 is3

b) com um único estágio de conversão

Figura 6. Rectificadores trifásicos do tipo elevador.

Estes rectificadores trifásicos apresentam apenas transferência de energia unidireccional. Contudo, para certo tipo de aplicações é necessário utilizar um rectificador com capacidade de transferência de energia bidireccional. Nestas circunstância, é normalmente utilizado um ondulador de tensão trifásico com três bobinas ligadas na entrada entre as fontes alternadas de alimentação e o conversor, conforme se verifica na figura 7 [7].

VS1 LS VS2 LS VS3 LS D4 S4 D3 S3 D2 S2 D1 S1 D6 S6 D5 S5 CO C A R G A VO _ + io id is1 is2 is3

Figura 7. Rectificador trifásico com seis semicondutores totalmente comandados e com capacidade de

transferência de energia bidireccional.

Rectificadores PWM do tipo redutor

Os rectificadores do tipo redutor (também designadas de BUCK), são caracterizados por apresentarem características típicas dos conversores CC-CC do tipo redutor, ou seja, a sua tensão de saída é sempre inferior ao maior valor da tensão de entrada. Estes rectificadores têm sido na generalidade preteridos relativamente aos rectificadores do tipo elevador, uma vez que apresentam rendimentos inferiores, mais complexidade dos circuitos de controlo e taxas de distorção harmónica das correntes de entrada normalmente superiores. Contudo, estes rectificadores apresentam duas grandes vantagens, a capacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e a possibilidade de efectuar a protecção contra curto-circuitos na carga.

Os rectificadores monofásicos do tipo redutor do grupo 1, apresentam-se como uma das mais simples estruturas topológicas, sendo formados por uma ponte de díodos e um único semicondutor de potência totalmente comandado (figura 8 a)) [8]. Este tipo de rectificadores apresenta como desvantagens principais, a necessidade de utilizar um semicondutor de potência totalmente comandado de elevada capacidade em corrente e um baixo rendimento associado a dois estágios de conversão de potência. De forma a reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica da corrente de entrada, é utilizado o rectificador de estágio único e com quatro semicondutores totalmente comandados (figura 8 b)) [9].

Lo Co D1 D3 D2 D4 Cf Do iC irec vC f f Lf, Rf S1 is VS C A R G A VO _ + io iCo iLo iDo

a) com duplo estágio de conversão

Lo Co S3 Cf iC irec vC f f Lf, Rf is VS C A R G A VO _ + io iCo iLo S4 S1 S2 dispositivo semicondutor com capacidade de bloqueio inversa

b) com um único estágio de conversão

Figura 8. Rectificador redutor.

Os rectificadores trifásicos do grupo 1 apresentam uma estrutura topológica muito simples e composta por apenas um único semicondutor totalmente comandado (figura 9) [10]. No entanto, as taxas de distorção harmónica das correntes de entrada são normalmente muito elevadas, uma vez que apenas existe corrente em cada uma das fases que liga à ponte de díodos durante um período de

2π

3

cada meio ciclo. Outra das grandes desvantagens associadas a este tipo de rectificadores, é a necessidade de um semicondutor totalmente comandado de elevada corrente.

D1 D2 VS1 VS2 VS3 D3 D4 D5 D6 is1 is2 is3 Ls , Rs Ls , Rs Ls , Rs CF CF CF Lo Co Do S1 C A R G A VO _ + io iCo iLo iDo iC _f1 iC _f2 iC _f3 irec1 irec2 irec3 VLo VCo

Figura 9. Rectificador trifásico do tipo redutor de dois estágios de conversão.

Para reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica das correntes de entrada, é utilizado o rectificador de estágio único de seis semicondutores totalmente comandados (figura 10) [11].

VS1 VS2 VS3 is1 is2 is3 Ls , Rs Ls , Rs Ls , Rs CF CF CF iCf1 iCf2 iCf3 irec1 irec2 irec3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 Lo Co C A R G A VO _ + io iCo iLo dispositivo semicondutor com capacidade de bloqueio inversa

Figura 10. Rectificador trifásico do tipo redutor com seis semicondutores totalmente comandados.

Rectificadores PWM do tipo redutor elevador

Um terceiro tipo de rectificadores, são os conversores CA/CC do tipo redutor-elevador. Com este tipo de rectificadores é possível obter tensões de saída com valor superior, igual ou inferior ao maior valor da tensão de entrada. Como os rectificadores do tipo redutor, também estes rectificadores apresentam duas grandes vantagens quando comparados com os do tipo elevador, ou seja, têm a capacidade de limitar os crescimentos abruptos da corrente de entrada e a possibilidade de efectuar uma protecção contra curto-circuitos na carga.

Como se verificou com os rectificadores anteriores, também os conversores CA/CC monofásicos do tipo redutor-elevador do grupo 1, se apresentam como uma das mais simples estruturas topológicas [12] (figura 11 a)). Tal como os rectificadores equivalentes apresentados nos pontos anteriores, estes rectificadores apresentam como desvantagens principais, a necessidade de um semicondutor de potência totalmente comandado de elevada corrente, e um baixo rendimento devido à associação série de duas etapas de conversão de potência. Para um controlo mais eficaz da forma da corrente de entrada, é utilizado um rectificador de estágio único com quatro semicondutores totalmente comandados (figura 11 b). Utilizando frequências de comutação idênticas em cada uma destas três topologias, verifica-se que este último rectificador permite obter taxas de distorção harmónica para a corrente de entrada inferiores às dos anteriores [12].

Lo Co D1 D3 D2 D4 Cf Do iC irec vC f f Lf, Rf S1 is VS C A R G A VO + _ io iCo iDo ILo VCo VDo VLo

a) com duplo estágio de conversão

Lo Co S3 Cf iC irec vC f f Lf, Rf is VS C A R G A VO _ + io iCo iDo S4 S1 S2 dispositivo semicondutor com capacidade de bloqueio inversa Do iLo

b) com um único estágio de conversão

Figura 11. Rectificador redutor-elevador.

Os rectificadores trifásicos do tipo redutor-elevador também poderão ser do grupo 1 ou 2. Relativamente aos rectificadores trifásicos do grupo 1, verifica-se que estes apresentam uma estrutura topológica muito simples e composta por apenas um único semicondutor de potência totalmente comandado (figura 12) [13]. No entanto, estes rectificadores apresentam as desvantagens do duplo estágio de conversão, ou seja, o semicondutor totalmente comandado tem de suportar uma corrente muito elevada e as taxas de distorção harmónica das correntes de entrada são normalmente bastante elevadas. Outra das desvantagens deste tipo de rectificadores, é a operação no modo de funcionamento descontínuo (MCD), pelo que se encontram bastante limitados em potência.

D1 D2 VS1 VS2 VS3 D3 D4 D5 D6 is1 is2 is3 Ls , Rs Ls , Rs Ls , Rs CF CF CF LO CO Do S1 C A R G A VO _ + io iCo iDo iLo iC_f1 iC_f2 iC_f3 irec1 irec2 irec3 VCf1 VCo VLo

Figura 12. Rectificador trifásico do tipo redutor-elevador de dois estágios de conversão.

O rectificador de estágio único de seis semicondutores de potência totalmente comandados (figura 13) permite reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica das correntes de entrada [14].

VS1 VS2 VS3 is1 is2 is3 Ls , Rs Ls , Rs Ls , Rs CF CF CF iCf1 iC_f2 iCf3 irec1 irec2 irec3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 C A R G A VO _ + io LO CO Do iCo iDo iLo

Figura 13. Rectificador trifásico do tipo redutor-elevador com seis semicondutores totalmente comandados.

Conclusões

Neste trabalho foram apresentados os principais tipos de rectificadores PWM monofásicos e trifásicos de factor de potência quase unitário. Estes rectificadores são normalmente classificados em

elevadores, redutores ou redutores elevadores, respectivamente consoante a sua tensão de saída seja apenas superior ao máximo valor da tensão de saída, apenas inferior, ou superior ou inferior a esse valor máximo. A generalidade destes rectificadores permite regular a tensão de saída e controlar as correntes de entrada de forma a apresentarem uma taxa de distorção harmónica reduzida e um factor de potência quase unitário.

Referências

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