Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE

Transcript

1 Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE Normative europee sulle armoniche in rete. Power Factor Correctors

2 Argomenti trattati Cenni sulle normative relative all impatto armonico dei carichi Dispositivi per la correzione del fattore di potenza (Power Factor Correctors, PFC) Struttura di un PFC tipo Boost Dimensionamento del filtro di uscita di un PFC PFC di tipo flyback

3 Limiti Normativi L Unione Europea (UE) si è dotata di norme armonizzate al fine di garantire l uniformità delle caratteristiche dei prodotti immessi nel mercato europeo Tra queste,, le EN limitano l impatto armonico dei carichi, definendo i valori massimi della distorsione di tensione e/o corrente ammessa Normative simili vengono applicate in altri mercati (USA, Giappone)

4 IEC Carichi con corrente nominale <16 A / fase A: carichi generici B: macchine utensili portatili C: sistemi d illuminazione D: carichi che assorbono correnti con forme d onda speciali Per ogni classe vengono definiti i valori massimi (relativi o assoluti) delle correnti armoniche ammesse

5 Forma d onda speciale i i pk 1 π π π π ωt 2 Sono in classe D i carichi la cui corrente (in valore assoluto) permane entro l area evidenziata per oltre il 95% del tempo π

6 LIMITI per le Classi A e B Ordine delle armoniche Dispari <= n <= 39 Pari <= n <= 40 Classe A [A] /n /n Classe B [A] /n /n

7 LIMITI per la Classe C (> 25 W) Ordine delle armoniche n <= n <= 39 Valore massimo espresso come percentuale della componente fondamentale della corrente di ingresso 2 30 λ λ è il fattore di potenza

8 LIMITI per la Classe D Ordine delle armoniche n <= n <= W < P < 600 W [ma/w] /n P > 600 W [A] /n Nessuna limitazione per apparecchi con P < 75 W

9 NOTE I carichi vanno compensati individualmente La classe D è la più penalizzata (limiti espressi in termini relativi alla fondamentale per P < 600 W) Può essere conveniente adottare metodi correttivi per rientrare in classe A (limiti( espressi in termini assoluti)

10 Motivazioni delle normative diffusione crescente dei carichi distorcenti peggiore utilizzazione delle reti reti (basso fattore di potenza) neutro (sistemi trifase con carichi distorcenti monofase) sovraccarico del filo neutro distorsione della tensione di rete errori di misura interventi delle protezioni malfunzionamento dei carichi

11 Corrente assorbita da un raddrizzatore i g u s L S u g L g U i I i L S = 0.2mH L g = 0 THD(u g ) = 0.3% THD(i g ) = 180% PF = 0.48 U i = 324V i g u s t

12 Dispositivi di correzione attiva del fattore di potenza PFC Power Factor Correctors PFP Power Factor Preregulators regulators Assorbono dalla rete a c.a. una corrente poco distorta ed erogano una tensione continua preregolata regolata (precisione limitata) Gli schemi non isolati tipicamente forniscono una tensione continua di valore elevato (centinaia di V)

13 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo

14 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo PF 2 P R I = = = S UI R I U

15 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo PF 2 P R I = = = S UI R I U I = I 2 n n= 1

16 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo PF 2 P R I = = = S UI R I U I 2 n = I = n= 1 n= 1 U R 2 n 2

17 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo PF 2 P R I = = = S UI R I U I 2 Un = In = = 2 R n= 1 n= 1 1 R 2 n= 1 U 2 n

18 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo PF 2 P R I = = = S UI R I U I 2 Un = In = = 2 R n= 1 n= 1 1 R 2 n= 1 U 2 n = U R

19 NOTA: Fattore di potenza di un carico resistivo PF 2 P R I = = = S UI R I U I 2 Un = In = = 2 R n= 1 n= 1 1 R 2 n= 1 U 2 n = U R Per un carico resistivo PF = 1 anche se la tensione è deformata

20 Controllo dei PFC Obiettivo del controllo di un PFC (o PFP) è di imprimere i g proporzionale a u g (carico resistivo equivalente), così da ottenere PF = 1 Vantaggi conformità alle norme migliore utilizzazione dei componenti (minimi stress di corrente e tensione)

21 Convertitore cc/cc di tipo Boost i r U i L S D C U o I o

22 Convertitore cc/cc di tipo Boost i r U i L S M U 1 = = Uo 1 δ i D C U o Funzionamento CCM I o δ = duty cycle

23 Convertitore cc/cc di tipo Boost i r U i L S M U 1 = = Uo 1 δ i D C U o Funzionamento CCM I o δ = duty cycle La topologia boost è idonea all impiego nei PFC perchè consente di mantenere costante la tensione d uscita anche per ampie variazioni della tensione d ingresso (0 < U i < U imax )

24 PFC Boost i g i r L D u g u r S C U i I i Raddrizzatore a doppia semionda Filtro

25 PFC Boost i g i r L D u g u r S C U i I i Raddrizzatore a doppia semionda Filtro La corrente assorbita è filtrata dall induttanza L, quindi le armoniche in AF non inquinano la rete

26 PFC Boost i g i r L D u g u r S C U o I o Raddrizzatore a doppia semionda Filtro Se i r > 0 in ogni istante (funzionamento CCM) allora il raddrizzatore a diodi conduce sempre

27 PFC Boost i g i r L D u g u r S C U o I o Raddrizzatore a doppia semionda Filtro Se i r > 0 in ogni istante (funzionamento CCM) allora il raddrizzatore a diodi conduce sempre u r = u g

28 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda i r i g D1 D 2 u g u r D 3 D 4

29 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda i r i g D 1 u g u r D 4 u g > 0 D 1 e D 4 on u r = u g e i g = i r

30 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda i g i r D 2 u g u r D 3 u g > 0 D 1 e D 4 on u r = u g e i g = i r u g < 0 D 2 e D 3 on u r = u g e i g = i r

31 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda i r i g D1 D 2 u g u r D 3 D 4 u g > 0 D 1 e D 4 on u g < 0 D 2 e D 3 on u r = u g

32 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda i r i g D1 D 2 u g u r D 3 D 4 u g > 0 D 1 e D 4 on u g < 0 D 2 e D 3 on u r = u g i g = i r sign(u g )

33 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda

34 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda Se i r > 0 : i g = i r sign(u g ) u r = u g = u g sign(u g )

35 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda Se i r > 0 : i g = i r sign(u g ) u r = u g = u g sign(u g ) Quindi se: i r = u R r eq i r u r t

36 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda Se i r > 0 : i g = i r sign(u g ) u r = u g = u g sign(u g ) Quindi se: i r u = r R i eq g = u R g eq i r u r i g u g t t

37 Funzionamento del raddrizzatore a doppia semionda Il controllo del PFC viene realizzato in modo da mantenere i r proporzionale ad u r i r u = r R i eq g = u R g eq i r u r i g u g t t

38 Schema del controllo (CCM)

39 Schema del controllo (CCM) i r u g u r U o I o U * o Driver FF S Q R CK Comp i * r X AR Molt

40 Schema del controllo (CCM) i r u g u r U o I o U * o Driver FF S Q R CK Comp i * r X AR Molt Il controllo è del tipo di corrente di picco

41 Schema del controllo (CCM) i r u g u r U o I o U * o Driver FF S Q R CK Comp i * r X AR Molt La forma d onda del riferimento di corrente è determinata dalla tensione raddrizzata

42 Schema del controllo (CCM) i r u g u r U o I o U * o Driver FF S Q R CK Comp i * r X AR Molt L ampiezza del riferimento di corrente è imposta dal regolatore di tensione per ottenere U o = U* o

43 LIMITE: Poichè il convertitore è di tipo boost, si ha che U o > max (u( r )

44 LIMITE: Poichè il convertitore è di tipo boost, si ha che U o > max (u( r ) Il convertitore cc/cc a valle del PFC deve includere un trasformatore abbassatore di tensione

45 Simulazione numerica del funzionamento di un PFC boost Tensione di ingresso... U g = 260 Vrms Tensione di uscita... U o = 450 V Corrente di uscita...i o = 100 A Frequenza di commutazione... f S = 5 khz Induttanza... L = 400 μh Capacità... C = 7 mf

46 Nel circuito simulato, l induttore e posto a monte del raddrizzatore per ridurre la sezione del nucleo. In quel caso la misura di tensione a monte dell induttanza deve essere raddrizzata prima di essere inviata al controllo. i r u g u r U o I o U * o Driver FF S Q R CK Comp i * r X AR Molt

47 Tensione e corrente di alimentazione

48 Tensione e corrente sull induttanza L

49 Correnti sullo switch e sull induttanza L

50 Correnti sullo switch e sull induttanza L espanse

51 Correnti su switch e diodo

52 Correnti su switch e diodo espanse

53 Corrente e tensione sullo switch

54 Corrente e tensione sul diodo

55 Corrente sul condensatore e Vout espanse

56 Potenze d ingresso e d uscita

57 Esempio di applicazione Specifiche del PFC: Tensione di ingresso... U g = Vrms Tensione di uscita... U o = 380 V Potenza di uscita... P o = 550 W Frequenza di commutazione... f S = 70 khz Induttanza... L = 500 μh Capacità... C = 450 μf

58 Risultati sperimentali u g : THD = 3.2% i g : THD = 4.2% Power factor: U g i g [ms]

59 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC

60 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC p g = u i g g

61 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC p g = u i = g g U 2 g max R eq sin 2 ω ( t)

62 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC p g 2 Ug U max 2 g = ugig = sin ( ωt) = [ 1cos( 2ωt) ] R eq 2 R eq

63 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC p P g o 2 Ug U max 2 g = ugig = sin ( ωt) = [ 1cos( 2ωt) ] R eq = U I = o o U 2 g R eq 2 R eq La potenza media d ingresso eguaglia quella d uscita

64 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC p P g o 2 Ug U max 2 g = ugig = sin ( ωt) = [ 1cos( 2ωt) ] R eq = U I = o o U 2 g R eq 2 R eq La potenza media d ingresso eguaglia quella d uscita P P g P o t

65 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC p P g o Ug U max 2 g = ugig = sin ( ωt) = [ 1cos( 2ωt) ] R eq = U I = o o P U P g 2 2 g R eq 2 R eq Energia scambiata dal filtro capacitivo: W Po P o = = ω 2πf g P o t

66 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC P P g o o W = P = P ω 2πf g P o t

67 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC P P W Po P o = = g ω 2πfg P o t L energia associata alla potenza fluttuante viene scambiata tra rete e condensatore di filtro, generando un ondulazione di tensione

68 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC P P W Po P o = = g ω 2πfg P o t L energia associata alla potenza fluttuante viene scambiata tra rete e condensatore di filtro, generando un ondulazione di tensione C = U o W ΔU o

69 Dimensionamento del condensatore d uscita di un PFC C = U o W ΔU o per avere bassa ondulazione della tensione di uscita occorre usare grandi capacità ciò limita la banda passante del PFC

70 PFC con isolamento Includono un trasformatore AF e forniscono una tensione di uscita preregolata regolata di valore qualsiasi (generalmente < U gmax )

71 u g PFC con isolamento Includono un trasformatore AF e forniscono una tensione di uscita preregolata regolata di valore qualsiasi (generalmente < U i gmax ) g i r D u r S L μ C U o I o Filtro d ingresso Topologia Flyback

72 Corrente assorbita in un periodo di commutazione

73 Corrente assorbita in un periodo di commutazione Funzionamento discontinuo DCM

74 Corrente assorbita in un periodo di commutazione Funzionamento discontinuo DCM i g u g i r u r S L μ D C U o I o

75 Corrente assorbita in un periodo di commutazione Funzionamento discontinuo DCM i g u g i r u r S L μ D C U o I o u r i r i r = max u L r μ t on t on T S

76 Corrente assorbita in un periodo di commutazione Funzionamento discontinuo DCM i g u g i r u r S L μ D C U o I o t on u r T S i r i i r r = max u L r μ t = I r t max on T ur avg 2 = 2 f L S on S μ δ 2

77 Funzionamento discontinuo DCM Se δ viene mantenuto costante in tutto il periodo di rete si ha: u r t on i r i r = i r t max on T ur avg 2 = 2 f L S S μ δ 2 T S i r = ur avg R fsl ove: Req = 2 2 δ eq μ

78 Il convertitore Flyback in funzionamento discontinuo (con dutycycle e frequenza di commutazione costanti) garantisce PF = 1 si può usare un semplice controllo di tensione (PWM) è necessario utilizzare un filtro di ingresso per assorbire le armoniche AF contenute nella i r

79 Flyback Power Factor Preregulator regulator (PFP) i g i r S D u g u r L μ C U o I o Schema realizzativo in DCM PWM A r U * o

80 Corrente assorbita in DCM i g i r sign(u g )

81 Corrente assorbita in DCM i g i r sign(u g ) Problemi: fronti ripidi (disturbi RF) armoniche di corrente a frequenza f S e multiple

82 Conclusioni Le normative impongono la limitazione dell impatto armonico causato dagli alimentatori elettronici I Power Factor Correctors costituiscono una soluzione compatta ed efficace Essi però necessitano di uno stadio d ingresso switching, che incrementa complessità e costo del circuito e riduce il rendimento Inoltre possono generare armoniche della frequenza di commutazione e radiodisturbi