Download Datos Generales Nombre del Proyecto CONVERTIDOR SEPIC

Datos Generales
Nombre del CONVERTIDOR SEPIC AISLADO COMO RECTIFICADOR CON
CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
Proyecto
Semillero
SICEP
Área del
Proyecto
Ingenierías
Ingeniería Eléctrica:
Subárea del Electrónica,
Telecomunicaciones, y sus
Proyecto
derivadas
Tipo de
Proyecto
Proyecto de Investigación
Subtipo de
Proyecto
Investigación Terminada
Grado
Décimo Seme
Programa
Académico
Ingeniería Electrónica
Email
[email protected] Teléfono
Tolima
Nodo
3004560177
Integrantes :
[1103949325-ALEJANDRO JOSE CABEZA CABEZA]
Instituciones a las que pertenece :
[890704382-UNIVERSIDAD DE IBAGUE]
Datos Específicos del Proyecto
Introducción
La inclusión de microredes con fuentes renovables de energía como la energía eólica y la
energía solar fotovoltaica juega un papel importante en las nuevas tecnologías de distribución
de energía. Utilizando este concepto, es posible brindar suministro eléctrico a pequeñas
comunidades en sectores rurales, a plantas de producción agroindustria, a centros de educación
rurales y en general a zonas aisladas donde el suministro energético es escaso. Es aquí donde el
uso de convertidores de potencia tiene una gran importancia, ya que estos dispositivos son los
encargados de adecuar los niveles de voltaje de las fuentes de energía que normalmente son
bajos y tienen niveles variables, a niveles de distribución regulados de corriente continua que
pueden llegar a valores entre 380 y 400 VDC. Algunas configuraciones de microredes permiten
la interconexión del sistema de distribución DC con la red eléctrica existente en cuyo caso se
requieren convertidores AC-DC. Por lo tanto, el estudio de estos convertidores con la capacidad
de operar a factor de potencia unitario, supone un desafío actual en el sentido que previenen la
contaminación en las redes de distribución de AC y a la vez posibilitan el desarrollo del
concepto de distribución en DC.
Planteamiento del Problema
La sociedad moderna depende de manera crítica del suministro de energía eléctrica. La
creciente preocupación por la disponibilidad de energía primaria y el desgaste de la
infraestructura de transmisión de energía eléctrica y las redes de distribución, son un tema cada
vez más desafiante en cuanto a seguridad, fiabilidad y calidad. Debido a que este suministro se
enfrenta a dificultades como el agotamiento en forma gradual de los combustibles fósiles, la
baja eficiencia, el aumento masivo de dispositivos electrónicos y la contaminación ambiental, se
puede identificar una nueva tendencia hacia la generación de la energía en forma distribuida
usando fuentes no convencionales. Entre estas, se pueden mencionar la energía eólica, la
energía solar fotovoltaica, las turbinas de biogás y otras, las cuales se pueden integrar a la red
eléctrica convencional reduciendo al mismo tiempo algunos problemas de esta. Dichos sistemas
pueden funcionar de manera no autónoma, es decir, interconectados a la red eléctrica
convencional, o de manera autónoma, desconectados de la red eléctrica, caso que normalmente
corresponde a una falla en la red. Esta distinción, permite hablar de sistemas autónomos de
pequeña escala que pueden o no conectarse a la red, los cuales se estudian bajo el concepto de
microredes. La implementación de las microredes busca la eliminación de la contaminación en
la red eléctrica y el aumento en la eficiencia de la misma en aplicaciones en que la distorsión
armónica y el factor de potencia son la principal preocupación. Para ello, se requieren
convertidores AC-DC que ofrezcan factor de potencia unitario, y en consecuencia una reducida
distorsión armónica en la corriente. Estos convertidores son llamados rectificadores con
Corrección de Factor de Potencia (de la sigla en inglés: Power Factor Correction (PFC)).
Técnicamente, estos aparatos sustituyen a los convencionales rectificadores con diodos o
tiristores y filtros capacitivos o capacitivo-inductivos evitando el consumo de corrientes con alto
contenido armónico y factores de cresta elevados. Tanto el sector industrial como el académico
en el campo de la electrónica de potencia, han enfocado sus estudios en pro de mejorar la
calidad de energía, desarrollando técnicas para la corrección de factor de potencia y la
mitigación del contenido armónico. Para evaluar dichas mejoras, se han establecido estándares
internacionales tales como las normas IEC 61000-3-2 [1], e IEEE 519 [2], que limitan la
distorsión armónica permisible en la línea eléctrica y que se adoptan en las normatividades
nacionales como el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE). En este marco, el
uso de las microredes AC, microredes AC y microredes híbridas abre la posibilidad de disponer
de buses de distribución de corriente continua con diferentes niveles de tensión los cuales
pueden ser alimentados por fuentes distribuidas o por la red de distribución AC a través de un
rectificador. Por supuesto, este rectificador debe ofrecer características que permitan brindar
niveles altos de confiabilidad, eficiencia y calidad de energía. Si consideramos que la primera
aproximación a la solución confiable tiene en cuenta aislamiento galvánico y reducido número
de componentes, entonces, ¿cuál es la topología más apropiada y la estrategia de control más
simple que pueden ser integradas para conseguir las propiedades deseadas?
Objetivo General
Diseñar e implementar un rectificador con corrección de factor de potencia basado en un
convertidor SEPIC aislado con control en modo deslizante para la regulación de tensión, que
permita la conexión a una microred de 400 VDC.
Objetivo Específicos
? Diseñar e implementar un rectificador electrónico basado en la topología de convertidor
SEPIC aislado con corrección del factor de potencia y baja distorsión armónica de corriente. ?
Diseñar e implementar un sistema de control híbrido (analógico-digital) que permita la
corrección de factor de potencia y la inyección de potencia en un bus de corriente continua de
400 VDC. ? Evaluar mediante simulación y verificación experimental en laboratorio la
funcionalidad, el desempeño dinámico, la eficiencia y los indicadores de calidad de energía del
convertidor.
Referente Teórico
La corrección del factor de potencia (PFC por sus siglas en inglés: Power Factor Correction) es
uno de los temas más importantes en la actualidad de la electrónica de potencia. El factor de
potencia se define como la relación entre la potencia real y la potencia aparente, donde la
potencia real es el promedio, durante un ciclo, del producto instantáneo de la corriente y voltaje,
la potencia aparente es el producto del valor RMS de la corriente y el valor RMS del voltaje. Si
la corriente y el voltaje son sinusoidales y están en fase, el factor de potencia es unitario. Así
que el factor de potencia se debe mantener en la unidad o lo más cercano posible a la unidad. La
corrección de factor de potencia se realiza dando la forma apropiada a la corriente de entrada
del rectificador. Hoy en día, son muy diversas las técnicas que se utilizan para realizar este
control, reduciendo la adición de problemáticas de calidad de energía relacionados con los
nuevos equipamientos electrónicos. Esto conduce a que muchos esfuerzos académicos e
industriales se enfoquen actualmente en conseguir la corrección del factor de potencia de
manera local en las cargas [3]. Con el tiempo, de hecho, todos los dispositivos tendrían que
asegurar la corrección del factor de potencia en su entrada, en función de regulaciones más
estrictas en cuanto a la calidad de energía y en los límites de la distorsión armónica (THD) en la
corriente de entrada. Por lo general, los rectificadores PFC están conformados por un puente
rectificador a la entrada seguido de un convertidor DC-DC operando a alta frecuencia. El
convertidor DC-DC suele ser de una topología convencional no aislada: ?boost?, ?buck? y
?buck-boost?; o aislada: ?fly-back?, ?Forward? o ?push-pull? [4]. Sin embargo, esta topología
convencional puede cambiar y dar lugar a topologías más eficientes y con menor número de
partes [5]. Una de estas topología es la SEPIC y en esta investigación se presenta la versión
aislada, es decir, con un transformador de aislamiento con una relación de trasformación de 2,
con un número reducido de elementos y además sin puente rectificador a la entada del
convertidor, una de las ventajas de esta topología que la hace eficiente ante las demás topologías
mencionada anteriormente, es su posibilidad de tener a su salida una tensión de voltaje menor,
igual o mayor a la de su entrada. Para el sistema de control del rectificador SEPIC aislado, se
implementó el método de control en modo deslizante, este consiste en forzar a la corriente de
entrada a seguir una forma de onda sinusoidal dentro de una banda de histéresis limitada por un
delta.
Metodología
La acción de investigación comienza con una indagación académica y comercial con el fin de
conocer el estado del arte del problema. Posteriormente se hace un diseño preliminar y se
realiza la justificación teórica del mismo. Seguidamente se hace una verificación mediante
simulación y luego de implementan los circuitos para hacer una validación experimental. Como
paso final se analizan los resultados obtenidos y se documentan en un informe.
Resultados
Los resultados experimentales obtenidos a partir de la implementación de un prototipo del
rectificador propuesto de 100 W. Se utilizan inductores L1 y L2 de 2 mH y un condensador C1
de 1 µF. Las relaciones de transformación n2/n1 y n3/n1 son definidas como 2. Se utilizó como
entrada una tensión de red reducida de 24 V ? 0.5 A @ 60 Hz con una salida de 64 Vdc,
logrando un FP (Factor de potencia) de 0.98 y THD (distorsión armónica) de 4.4%. Con una
tensión de red de 50 V ? 0.5 A @ 60 Hz con una salida de 200 Vdc, logrando un FP de 0.98 y
THD de 4.3 %. Como entrada, una tensión de red de 100 V ? 0.5 A @ 60 Hz con una salida de
400 Vdc, logrando un FP de 0.98 y THD de 4.7%. Como entrada, una tensión de red reducida
de 24 V ? 0.75 A @ 60 Hz con una salida de 95 Vdc, logrando un FP de 0.98 y THD de 4.3%.
Con una tensión de red de 50 V ? 0.75 A @ 60 Hz con una salida de 260 Vdc, logrando un FP
de 0.99 y THD de 4.2 %. Con una tensión de red de 100 V ? 0.75 A @ 60 Hz con una salida de
400 Vdc, logrando un FP de 0.99 y THD de 4.3 %.
Conclusiones
- Las topologías de los convertidores sin puente de diodos se posicionan como primera opción a
la hora de hacer rectificación con corrección de factor de potencia. El rectificador utilizado se
clasifica en este grupo promisorio de convertidores. - El uso del convertidor seleccionado
permite la operación deseada como rectificador con corrección de factor de potencia conectado
a un bus DC. El circuito tiene un reducido número de componentes, lo que reduce las pérdidas
por conducción y conmutación aumentando la eficiencia. - El sistema de control propuesto es
compatible con la topología de convertidor seleccionada y permite garantizar un
comportamiento estable del sistema para el rango de operación deseado. La implementación
electrónica del control es simple y puede ser optimizada.
Bibliografía
[1[ Estándar IEC 61000 3-2. [Online]. Disponible: http://www.iec.ch [2] Estándar ?IEEE 519?
[Online]. Disponible: http://www.ieee.org [3] C. Qiao and K. M. Smedley, ?A topology survey
of single-stage power factor corrector with a boost type input-current-shaper,? IEEE Trans.
Power Electron., vol. 16, no. 3, pp. 360?368, May 2001. [4] A. Emadi, A. Khaligh, Z. Nie, and
J. Lee, ?Integrated Power Electronic Converters and Digital Control?. Ed. CRC press, 2009. pp.
1-30. [5] A. J. Sabzali, E. H. Ismail, and S. Member, ?A New Bridgeless PFC Sepic and Cuk
Rectifiers with Low Conduction and Switching Losses Abbas A. Fardoun,? Power Electron.
Drive Syst., pp. 550?556, 2009.