UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DESARROLLO DE UN EMULADOR RESISTIVO PARA UN REACTOR ELECTRÓNICO DE 80 WATT MIGUEL ALEJANDRO LAZCANO OLEA INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELÉCTRICO Abril 2003
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DESARROLLO DE UN EMULADOR RESISTIVO PARA UN REACTOR
ELECTRÓNICO DE 80 WATT
MIGUEL ALEJANDRO LAZCANO OLEA
INFORME FINAL DEL PROYECTO
PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO
DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR
AL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO ELÉCTRICO
Abril 2003
DESARROLLO DE UN EMULADOR RESISTIVO PARA UN REACTOR
ELECTRÓNICO DE 80 WATT
INFORME FINAL
Presentado en cumplimiento de los requisitos
para optar al título profesional de
INGENIERO ELÉCTRICO
otorgado por la
Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la
Universidad Católica de Valparaíso
MIGUEL ALEJANDRO LAZCANO OLEA
Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz CaballeroProfesor Correferente Sr. René Sanhueza Robles
Abril 2003
ACTA DE APROBACION
La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica haaprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado entreel primer y segundo semestre de 2002, y denominado:
DESARROLLO DE UN EMULADOR RESISTIVO PARA UN REACTOR
ELECTRÓNICO DE 80 WATT
Presentado por el Señor
MIGUEL ALEJANDRO LAZCANO OLEA
DOMINGO RUIZ CABALLERO
Profesor Guía
RENÉ SANHUEZA ROBLES
Segundo Revisor
HECTOR PEÑA MAC LEOD
Secretario Académico
Valparaíso, Abril 2003
Dedica a mi familia, a mi madre
Myriam Olea Faundez, a mi
padre Miguel Lazcano
Ahumada y a mi hermana Paola
Lazcano Olea, por su apoyo
incondicional a lo largo de mi
vida.
Mis sinceros agradecimientos a
Domingo Ruiz Caballero,
Reynaldo Ramos Astudillo y a
Katherine Godoy Briceño, por
todo el apoyo prestado durante
el desarrollo de este trabajo.
DESARROLLO DE UN EMULADOR RESISTIVO PARA UN REACTOR
ELECTRÓNICO DE 80 WATT
MIGUEL ALEJANDRO LAZCANO OLEA
Profesor Guía Sr. DOMINGO RUIZ CABALLERO
RESUMEN
En este trabajo, se desarrolla un emulador resistivo que está integrado en
una sola etapa con un reactor electrónico que alimenta dos lámparas
fluorescentes en forma complementaria, con el objeto de elevar el pobre factor de
potencia de entrada que presenta el reactor, para lo cual se estudian los
convertidores CC/CC básicos, trabajando en el modo discontinuo de conducción
de corriente y un circuito tipo bomba de carga simétrico, comparando las
características que estas topologías presentan al ser implementadas como
emulador resistivo del reactor, con el fin de seleccionar la mejor, en función de la
complejidad, tamaño, costos y facilidad de implementación del circuito.
Se realiza el proyecto físico del reactor electrónico integrado al emulador
resistivo, y se presentan los resultados experimentales obtenidos a partir del
circuito construido.
Finalmente, se efectúa el análisis económico del reactor electrónico
construido y se trazan las bases de la planificación de una línea de producción a
pequeña escala del reactor.
ii
Í N D I C E
Pág.
RESUMEN iÍNDICE iiÍNDICE DE FIGURAS v
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 1
REACTOR ELECTRÓNICO Y CONCEPTO DE EMULADOR RESISTIVO 21.1 INTRODUCCIÓN 21.2 EL REACTOR O BALLAST ELECTRÓNICO 21.3 EL CONCEPTO DE EMULADOR RESISTIVO 61.3.1 Modos de operación 101.3.2 Estrategias de control 111.3.3 Ventajas y desventajas 141.4 CONCLUSIÓN 15
CAPÍTULO 2
EMULADOR RESISTIVO BASADO EN LOS CONVERTIDORES CC/CCBÁSICOS 162.1 INTRODUCCIÓN 162.2 CONVERTIDORES CC/CC BÁSICOS 162.3 CONVERTIDORES REDUCTOR-ELEVADOR, SEPIC Y UK
EN CONDUCCIÓN DISCONTINUA Y FRECUENCIA CONSTANTE 192.3.1 Etapas de Operación 222.3.2 Corriente Media Instantánea de Entrada 272.3.3 Ecuaciones de Proyecto 282.3.4 Proyecto y simulación 322.4 INTEGRACIÓN DEL CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR
CON EL BALLAST ELECTRÓNICO 392.5 CONCLUSIÓN 40
CAPÍTULO 3
CIRCUITO TIPO BOMBA DE CARGA SIMÉTRICO OPERANDOCOMO EMULADOR RESISTIVO 413.1 INTRODUCCIÓN 413.2 EL CIRCUITO TIPO BOMBA DE CARGA SIMÉTRICO 413.2.1 Etapas de Operación 423.2.2 Principales Formas de Onda 53
iii
3.2.3 Corriente Media Instantánea de Entrada 543.2.4 Ecuaciones de Proyecto 553.2.5 Etapa de Circulación Libre 573.2.6 Proyecto y simulación 593.3 CONCLUSIÓN 64
CAPÍTULO 4PROYECTO FÍSICO DEL EMULADOR RESISTIVO INTEGRADO AL CIRCUITO DEL BALLAST ELECTRÓNICO 654.1 INTRODUCCIÓN 654.2 PRESENTACIÓN DEL CIRCUITO A CONSTRUIR 654.3 PROYECTO FÍSICO 674.3.1 Interruptores de potencia S1 y S2 674.3.2 Diodos del Puente Rectificador 704.3.3 Diodos de Circulación Libre 714.3.4 Bobina Lr 744.3.5 Bobina Lf 784.3.6 Disipador 784.3.7 Circuito construido 834.4 RESULTADOS EXPERIEMENTALES 864.5 CONCLUSIÓN 90
CAPÍTULO 5EVALUACIÓN ECONÓMICA 915.1 INTRODUCCIÓN 915.2 MEDIOS DE PRODUCCIÓN 915.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN A PEQUEÑA ESCALA 945.3.1 Tareas del Personal de Montaje 945.3.2 En Cuanto al Bobinado 945.3.3 Fijación de los Componentes a la Placa de Circuito Impreso 955.3.4 Fijación de los Transistores Mosfet al Disipador 975.3.5 Planificación de la Producción 975.4 FLUJO DE CAJA ANTES DE IMPUESTO 985.5 FLUJO DE CAJA DESPUÉS DE IMPUESTO 1005.6 VENTAJAS DEL REACTOR ELECTRÓNICO PROPUESTO 1025.7 CONCLUSIÓN 104
CONCLUSIONES 105
iv
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 106
APÉNDICE A
TRANSFERENCIA DE POTENCIA A LA CARGA CONVERTIDORES REDUCTOR-ELEVADOR, SEPIC Y UK A-1
APÉNDICE BTRANSFERENCIA DE POTENCIA A LA CARGA CIRCUITO TIPO BOMBA DE CARGA SIMÉTRICO B-1
APÉNDICE C
CORRIENTE EN LA BOBINA Lr CIRCUITO BOMBA DE CARGA SIMÉTRICO EN UN PERÍODO DE CONMUTACIÓN C-1
APÉNDICE DCIRCUITOS SIMULADOS Y LISTADOS DE LOS PROGRAMAS D-1
APÉNDICE E
HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES E-1
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1-1 Circuito del ballast electrónico auto oscilante alimentando doslámparas en forma complementaria 4
Figura 1-2 Circuito del ballast electrónico alimentando dos lámparas usandoun driver de la familia IR215X 4
Figura 1-3 Tensión de red, corriente de entrada y tensión de salida en elballast 5
Figura 1-4 Esquema básico del ER y sus principales formas de onda 7
Figura 1-5 Modos de operación del ER: (a) continuo, (b) discontinuo y (c) crítico 10
Figura 1-6 Esquema básico del control con multiplicador 11
Figura 1-7 Esquema básico del control como seguidor de tensión 13
Figura 1-8 (a) Corriente de entrada en CCM y (b) Corriente de entrada enDCM 13
Figura 2-1 Convertidores CC/CC básicos: (a) Reductor de tensión,(b) Elevador de tensión, (c) Reductor-Elevador, (d) uk, (e) Sepic y (f) Zeta 16
Figura 2-2 Convertidor reductor-elevador 19
Figura 2.3 a) Convertidor Sepic. b) Convertidor uk 20
Figura 2-4 Etapas de operación convertidor reductor-elevador 23
Figura 2-5 Etapas de operación convertidor Sepic 25
Figura 2-6 Etapas de operación convertidor uk 26
Figura 2-7 Corriente de entrada en un semiperíodo de red convertidores:(a) reductor-elevador, (b) Sepic y uK 27
Figura 2-8 Tensión en L EQ durante un período de conmutación TS enconducción crítica 28
Figura 2-9 Corriente en la bobina L1 en un período de conmutación TS,convertidores Sepic y uk 30
Figura 2.10 Corriente y tensión de red en el convertidor reductor-elevadorcon filtro LC en la entrada 34
vi
Figura 2.11 Corriente de red en el convertidor reductor-elevador sin filtro LC en la entrada 35
Figura 2.12 Corriente y tensión de red en los convertidores Sepic y uk35
Figura 2-13 Tensión de salida en los convertidores reductor-elevador, Sepic y uk 36
Figura 2-14 Potencia de salida en los convertidores reductor-elevador, Sepic y uk. 36
Figura 2-15 Detalle de la corriente en la bobina Lbb. 37
Figura 2-16 Detalle de las corrientes en el interruptor S y en el diodo D en los convertidores Sepic y uk. 37
Figura 2-17 Detalle de la corriente en la bobina L1 en los convertidoresSepic y uk. 38
Figura 2-18 Convertidor reductor-elevador integrado con el circuito del ballast 39
Figura 3-1 Circuito tipo bomba de carga simétrico 42
Figura 3-2a) Circulación de corrientes primera etapa de operación circuito bomba de carga 43
Figura 3-2b) Circuito equivalente primera etapa de operacióncircuito bomba de carga 44
Figura 3-3 Segunda etapa de operación circuito bomba de carga:(a) circulación de corrientes, (b) circuito equivalente 46
Figura 3-4a) Circulación de corrientes tercera etapa de operaciónCircuito bomba de carga 47
Figura 3-4b) Circuito equivalente tercera etapa de operaciónCircuito bomba de carga 48
Figura 3-5 Cuarta etapa de operación circuito bomba de carga:(a) circulación de corrientes, (b) circuito equivalente 49
Figura 3-6 Quinta etapa de operación circuito bomba de carga:(a) circulación de corrientes, (b) circuito equivalente 51
Figura 3-7 Sexta etapa de operación circuito bomba de carga:(a) circulación de corrientes, (b) circuito equivalente 52
Figura 3-8 (a) Corriente de red, (b) corriente de salida, (c) corriente en la bobina Lr, (d) corriente en los interruptores S1 y S2 53
vii
Figura 3-9 Corriente de entrada y su valor medio 54
Figura 3-10 Circuitos propuestos para eliminar la e tapa de circulación libre 59
Figura 3-11 Corriente y tensión de entrada con filtro LC 61
Figura 3-12 Corriente de entrada sin filtro LC 61
Figura 3-13 Tensión de salida 62
Figura 3-14 Potencia de salida 62
Figura 3-15 Corriente en la bobina Lr 63
Figura 3-16 Detalle de la corriente en la bobina Lr en el máximo 63
Figura 3-17 Detalle de la corriente en la bobina Lr en el mínimo 64
Figura 4-1 Circuito bomba de carga integrado al ballast electrónico alimentando dos lámparas 66
Figura 4-2 Formas de onda de corriente en los interruptores S1 y S2 67
Figura 4-3 Forma de onda de corriente diodos de circulación libre 72
Figura 4-4 Layout del circuito 85
Figura 4-5 Foto del circuito construido 85
Figura 4-6 Tensión y corriente de red 86
Figura 4-7 Tensión en C0 87
Figura 4-8 Tensión en S1 87
Figura 4-9 Tensión en lámpara 1 88
Figura 4-10 Corriente en el circuito serie-resonante 1 88
Figura 4-11 Corriente en la bobina Lr 89
Figura 4-12 Detalle de la corriente en la bobina Lr:(a) en su máximo y (b) en su mínimo 89
Figura 5-1 Proceso de fijación de componentes 96
Figura 5-2 VAN v/s TRMA después de impuesto 102
Figura 5-3 Rendimiento luminoso en función de la frecuencia deoperación 103
viii
Figura A-1 Tensión en la bobina LEQ en un período de conmutación TS A-2
Figura A-2 Corriente en los diodos durante un período de conmutación TS A-3
Figura A.3 Corriente de salida instantánea i0(t), media instantánea 0( t)y media I0 A-4
Figura B-1 Corriente de salida instantánea B-2
Figura B-2 Corriente de salida instantánea i0(t), media instantánea 0( t) ymedia I0 B-3
Figura C-1 Circuito equivalente para la primera etapa deoperación [t0, t1] C-3
Figura C-2 Circuito equivalente para la cuarta etapa de operación [t3, t4] C-5
Figura C-3 Circuito equivalente para la tercera etapa de operación [t2, t3] C-7
Figura C-4 Circuito equivalente sexta etapa de operación [t5, t6] C-7
Figura C-5 Corriente en la bobina Lr durante un período de conmutación TS C-8
Figura D-1 Circuito simulado convertidor reductor-elevador D-2
Figura D-2 Circuito simulado convertidor Sepic D-2
Figura D-3 Circuito simulado convertidor uk D-3
Figura D-4 Circuito simulado circuito tipo bomba de carga simétrico D-3
INTRODUCCIÓN
Los reactores o ballast utilizados en los sistemas para la operación de
lámparas fluorescentes, cumplen con la función de limitar la corriente y también
permiten obtener la tensión de ignición de la lámpara.
En el sistema tradicional, la lámpara es alimentada a la frecuencia de red
(50 o 60 Hz), produciéndose el conocido efecto estroboscópico y el típico
zumbido que acompaña a las lámparas fluorescentes.
En los sistemas electrónicos de operación de lámparas fluorescentes,
estas son alimentadas en alta frecuencia, eliminándose el zumbido y el efecto
estroboscópico, entre otros beneficios.
Sin embargo, los sistemas electrónicos, presentan un pobre factor de
potencia de entrada, por lo que se hace necesario el diseño de una etapa que
mejore esta situación y que permita satisfacer las normas internacionales con
respecto al factor de potencia.
Este es el caso del reactor electrónico de 80 watt analizado en este
trabajo, por lo que surge la necesidad de desarrollar un circuito que eleve el
factor de potencia del reactor, objetivo de esta tesis de titulación, sin
incrementar, en gran medida, la complejidad del sistema, evitando de esta forma,
aumentar el tamaño, los costos y el proceso de implementación,.
Por lo tanto, el reactor diseñado en este trabajo deberá satisfacer las
normas de factor de potencia y, además, cumplir con las especificaciones de
proyecto, para lo cual, se verificarán estas condiciones a través de simulaciones
digitales y mediciones realizadas al circuito construido.
Después de verificar los aspectos técnicos, se deberán conocer los costos
de implementación del circuito y su rentabilidad, para lo cual se realizará una
evaluación económica.
CAPÍTULO 1
REACTOR ELECTRÓNICO Y CONCEPTO DE EMULADOR RESISTIVO
1.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo, se presenta el reactor o ballast electrónico de 80 watt,
dando a conocer sus características de operación principales y se determina su
factor de potencia, explicándose las causas que hacen que este factor este fuera
de norma en el ballast.
Se expone el concepto de emulador resistivo (ER) enfocado a la
necesidad de mejorar el pobre factor de potencia que presenta el ballast.
1.2 EL REACTOR O BALLAST ELECTRÓNICO
El principio de funcionamiento de los ballast’s electrónicos, es el de
alimentar la lámpara fluorescente con una frecuencia elevada, lo que trae una
serie de ventajas [1], [3] con respecto al sistema tradicional. En la Figura 1-1, se
ilustra el ballast electrónico para dos lámparas [1]. Esta topología tiene una
ventaja adicional en comparación con el sistema electrónico convencional: las
lámparas quedan operando en forma complementaria entre sí.
El circuito del ballast electrónico, ilustrado en la Figura 1-1, puede ser
dividido en cinco bloques de acuerdo a su función específica. El bloque I es un
rectificador monofásico de onda completa no controlado en paralelo con un gran
filtro capacitivo; convierte la señal CA en una señal CD. El bloque II es un
inversor medio-puente; convierte la señal CD en una señal CA de alta
frecuencia. En el bloque III, señales de control son derivadas de las corrientes
resonantes, a través de un transformador de corriente (Tr) con tres embobinados
(Np-Ns1-Ns2), así, las bases de los interruptores son alimentadas con la señal
derivada de Tr a través de las resistencias de base (Rd1, Rd2), obteniéndose una
3
operación auto oscilante. Otra forma de control de los interruptores (figura 1-2)
es mediante circuitos integrados (CI) auto oscilantes [15], [16], [17] (por ejemplo:
IR2151/52/55/67, IR51HD420), método que presenta una serie de ventajas en
relación a la operación auto oscilante [17], destacándose el hecho que en el
ballast auto oscilante, la frecuencia de conmutación teórica con que se proyecta
el circuito, difiere en un rango importante de la frecuencia real obtenida a partir,
ya sea, de simulaciones o de mediciones tomadas al circuito físico, en cambio,
con el control a través de los CI mencionados, la frecuencia teórica es
prácticamente idéntica a la real. Esta diferencia adquiere relevancia a la hora de
proyectar un emulador resistivo que esté integrado con el circuito del ballast en
una sola etapa, ya que la ganancia del emulador resistivo depende de la razón
cíclica y ésta, a su vez, de la frecuencia. Otra diferencia relevante, es que en el
ballast implementado con CI, las lámparas trabajan en forma independiente una
de la otra, es decir, si una lámpara falla o falta, el circuito eléctrico no se
interrumpe, y la otra lámpara sigue operando en forma normal; en cambio, en el
ballast auto oscilante la frecuencia de conmutación depende de todos los
parámetros del circuito, luego, si una lámpara falla o falta la frecuencia varía, por
lo que no se puede hablar de que las lámparas trabajan en forma independiente
(pero si trabajan en forma complementaria).
Además, el ballast auto oscilante requiere de un circuito de partida (bloque
V) compuesto por un diac, un diodo de descarga Dd, y una red RC (RS-CS).
Por estas razones y para efecto de todos los análisis, el proyecto del
circuito se realizará considerando frecuencia de conmutación impuesta y, en el
proyecto físico, el control de los interruptores se implementará a través del CI
IR2151. En la referencia [2] se explica el diseño del ballast con frecuencia
impuesta.
Finalmente, en el bloque IV, la carga serie-paralelo resonante RLC, está
compuesta por el tanque serie resonante L-C (Lsr, Csr) y un condensador Cpr en
paralelo con la respectiva lámpara.
4
Figura 1-1 Circuito del ballast electrónico auto oscilante alimentando dos
lámparas en forma complementaria.
Figura 1-2 Circuito del ballast electrónico alimentando dos lámparas usando
un driver de la familia IR215X.
5
El ballast electrónico, al igual que la mayoría de los equipos electrónicos
conectados a la red eléctrica de distribución de baja tensión, equipos cada vez
más utilizados en los lugares de trabajo y en los hogares, como por ejemplo
videos, televisores, fotocopiadoras, computadores, fax, etc., posee como etapa
de entrada (bloque I) la tradicional topología formada por un rectificador
monofásico tipo puente y un gran filtro capacitivo. El fin de esta estructura es
rectificar la tensión alterna de la red eléctrica (220 VRMS – 50 Hz) y filtrarla, para
obtener una tensión continua y de valor cercano al máximo valor de la tensión de
red. Debido a los instantes de carga del condensador en cada semiciclo de la
tensión de alimentación, la corriente exigida a la fuente por la carga, está
compuesta por pulsos alternados de corta duración y elevado valor, como se
muestra en la figura 1-3 (circula corriente sólo cuando la tensión de entrada
supera al valor instantáneo de la tensión del condensador). Esta forma de onda
dista mucho de ser sinusoidal y por tanto, su contenido armónico (TDH) es
bastante elevado, produciendo con esto un pobre factor de potencia (FP),
típicamente comprendido entre 0,4 a 0,6, lo que significa un mal
aprovechamiento energético. Las normas internacionales fijan el límite para el
FP en 0,93, luego, es necesario diseñar una etapa que permita elevar el FP del
ballast electrónico, objetivo de esta tesis de titulación.
Figura 1-3 Tensión de red, corriente de entrada y tensión de salida en el
ballast.
6
En particular, las especificaciones del ballast electrónico son una tensión
continua de alimentación de 310 [V], una frecuencia de conmutación de 50
[KHz], una potencia de 80 [W] y un factor de utilización de los interruptores (o
razón cíclica “D”) igual 0,5. De las simulaciones digitales realizadas al circuito del
ballast, se obtienen un ángulo de desplazamiento de 10,6º y una distorsión
armónica total (THD) igual a 223,9%.
Una expresión general del FP para cargas con alimentación sinusoidal
viene dada por la ecuación (1-1).
2TDH1
cosFP+
φ= (1-1)
Reemplazando en la ecuación (1-1) los datos obtenidos a partir de las
simulaciones digitales del ballast, se determina que su FP es igual a 0,4.
Existen diversas soluciones para la reducción del contenido armónico,
entre las cuales están aquellas cuyo principio de funcionamiento se basa en el
concepto de emulador resistivo (ER). Este tipo de soluciones tienen como
objetivo principal mejorar la forma de onda de la corriente de entrada, haciendo
que la misma presente una baja distorsión armónica, posibilitando tener corrientes
de formato sinusoidal, en fase con la tensión y, por ende, un elevado factor de
potencia.
1.3 EL CONCEPTO DE EMULADOR RESISTIVO
El esquema básico del ER, consiste en interponer un convertidor CC/CC
entre el puente de diodos y el filtro capacitivo (figura 1-4). Este convertidor debe
comportarse de forma tal que sea visto por la fuente de alimentación como una
resistencia, logrando, de esta manera, que la corriente de entrada sea el reflejo
de la forma de onda de la tensión de entrada, por lo tanto, la corriente de red ya
7
no estará compuesta por pulsos alternados, sino que, presentará un formato
sinusoidal y en fase con la tensión de red, obteniéndose un factor de potencia
unitario. Por esta razón, al convertidor se le llama emulador resistivo y también
está extendida la denominación de prerregulador del factor de potencia (PFP) [10].
El esquema del ER de la figura 1-4 se divide en los siguientes bloques: el bloque I
corresponde a la red eléctrica de baja tensión; el bloque II al rectificador
monofásico no controlado de onda completa; el bloque III al convertidor CC/CC;
el bloque IV es un filtro de corriente continua que suaviza la salida de tensión en
CC; y el bloque V corresponde a la carga, que en este caso es el ballast
electrónico de 80 watt.
Una segunda forma de implementar un ER, es a través de los circuitos tipo
bomba de carga [2], [3], [11], [14], [18] también conocidos por su nombre anglo-
sajón de “Charge Pump”, tópico que se abordará en el capítulo 3.
Figura 1-4 Esquema básico del ER y sus principales formas de onda.
8
Se deben tener presente ciertas consideraciones con respecto al ER:
1. Se admite que todos los elementos que componen al convertidor son ideales:
a) Interruptores de potencia y diodos ideales, es decir, no presentan tiempo
de conmutación y se comportan como cortocircuito cuando están
conduciendo y como circuito abierto cuando están bloqueados.
b) Las bobinas sólo se caracterizan por su inductancia propia (L).
c) Los condensadores se caracterizan por su capacidad (C).
2. Al asumir (1) se tiene que la potencia entregada a la carga, es igual a la
potencia absorbida de la red de distribución, es decir, el convertidor no presenta
pérdidas (rendimiento unitario).
3. Toda la componente alterna de la corriente de salida es absorbida por el
condensador de salida C0, por lo que la tensión de salida V0 es considerada
constante.
4. La frecuencia de conmutación del convertidor (típicamente comprendida entre
50 y 250 KHz), es muchísimo más alta que la frecuencia de red (50 ó 60 Hz) y
que la frecuencia de la tensión a la entrada del convertidor (100 ó 120 Hz), por
esta causa, es razonable admitir la hipótesis de que la tensión a la entrada del
convertidor permanece constante durante un ciclo de conmutación, hipótesis
conocida con el nombre de “cuasiestatismo”.
5. Los elementos reactivos del convertidor se calculan para la frecuencia de
conmutación y, por lo tanto, son capaces de almacenar energía sólo en
períodos del orden de conmutación, y no pueden almacenar energía para
períodos tan largos como el de red.
6. La tensión obtenida de la red eléctrica de baja tensión es considerada como
una sinusoide perfecta.
7. La resistencia que emula el convertidor es representada por RE.
Se define [10] como “resistencia vista por el ER” r( t), al cuociente entre la
tensión a su salida V0, y la corriente que entrega i0( t) y se expresa en la ecuación
(1-2).
9
( ) ( )tsen2R
tr2
0
ω⋅=ω (1-2)
Cabe destacar, que R0 representa la resistencia de carga, la que se define
como el cuociente entre la tensión continua de salida y la componente continua de
la corriente de salida.
De la ecuación (1-2) se concluye que el ER ve a su salida una resistencia de
carga que es distinta de R0, y que además, es muy variable pues los valores que
toma están comprendidos entre R0/2 e infinito.
La ganancia o relación de transformación del ER, definida [10] como el
cuociente entre la tensión constante de salida V0 y la tensión variable de entrada
vE( t), corresponde a la expresada en la ecuación (1-3).
( ) )t(senG
|tsen|VV
=t)(v
V=t)(m V
E
0
E
0
ω=
ω⋅ωω (1-3)
Donde VE es igual a la amplitud de la tensión de entrada y GV es la razón
entre V0 y VE.
De la ecuación (1-3), se concluye que la ganancia del ER es variable, y que
los valores que toma están comprendidos entre GV (mínimo) e infinito (máximo).
Por lo tanto, para que un convertidor CC/CC pueda operar como ER, debe
satisfacer simultáneamente las ecuaciones (1-2) y (1-3). Por ejemplo, el convertidor
reductor (Buck) no satisface (1-3) para todo t, ya que cuando la tensión de
entrada es menor que la de salida, este convertidor no puede funcionar
correctamente, luego no puede ser usado como un ER ideal, ya que el mismo no
puede operar para todos los valores de t. Entre los convertidores que sí
satisfacen las ecuaciones (1-2) y (1-3), se pueden nombrar a los convertidores
elevador (Boost), reductor–elevador (Buck-Boost), Sepic, uk y Zeta [4], [5], [6], [8],
[10], [15].
10
1.3.1 Modos de operación
Básicamente, los convertidores CC/CC pueden operar en dos modos de
conducción distintos:
a) Modo de conducción continuo de corriente (CCM).
b) Modo de conducción discontinuo de corriente (DCM).
Cuando la corriente que circula por el diodo del convertidor CC/CC no
alcanza a extinguirse durante el período de tiempo en el cual el interruptor está
bloqueado (tOFF), el convertidor trabaja en el modo de conducción continuo de
corriente. Cuando la corriente que circula por el diodo se anula en un momento
determinado a lo largo del período de tiempo en el cual el interruptor está
bloqueado (tOFF), el convertidor trabaja en el modo de conducción discontinuo de
corriente. Cuando el convertidor trabaja en la frontera de ambos modos, se puede
distinguir una tercera forma de operación denominada como “modo de conducción
crítico”. En la figura 1-5, se aprecian las formas de onda de la corriente en el diodo
durante un período de conmutación (TS) para cada modo de operación.
(a) (b) (c)
Figura 1-5 Modos de operación del ER (a) continuo, (b) discontinuo y (c) crítico.
11
1.3.2 Estrategias de control
Para ser considerado ER, el convertidor debe cumplir dos requisitos [8]: la
corriente de entrada debe ser sinusoidal y la tensión de salida debe ser controlada.
Dependiendo del modo de operación del convertidor, se distinguen dos
métodos de control que permiten satisfacer estas condiciones. Ambos métodos se
describen a continuación.
a) Control con multiplicador: Cuando el convertidor está trabajando en el CCM, los
requisitos planteados son satisfechos mediante la realización física de un lazo de
control de corriente de entrada, con referencia sinusoidal rectificada y a través de
un lazo de tensión externo, regulando la tensión de salida en el valor deseado. Este
tipo de control es conocido con el nombre de “control con multiplicador” y se ilustra
en la figura 1-6.
En cuanto al lazo de corriente, es posible implementar diversos modos de
control [8], como el control con histéresis variable, el control de la corriente
máxima o el control por corriente media.
Figura 1-6 Esquema básico del control con multiplicador.
12
El último de los controles nombrados, es decir, el control por corriente
media, garantiza un funcionamiento ideal del emulador resistivo en el modo de
conducción continuo [8]. En la figura 1-8 a) se ilustra la corriente de entrada que
se obtiene cuando se implementa este tipo de control.
La técnica de control por corriente media, consiste básicamente en aplicar
un filtrado adecuado a la corriente de entrada, de tal forma que se obtenga una
imagen del valor medio de esta, la cual es comparada con la señal de referencia
sinusoidal. Este es el tipo de realización física del lazo de corriente que utiliza el
circuito integrado UC 3854 de Unitrode [8].
b) Control como seguidor de tensión: Ciertas topologías de convertidores CC/CC,
como los convertidores reductor-elevador, Sepic y uk trabajando en el DCM
[10], o bien, el convertidor elevador trabajando en el modo de conducción crítico
[8], presentan la propiedad de que el valor medio de la corriente de entrada es
proporcional a la tensión de entrada, siempre y cuando se mantenga el tiempo
de conducción del interruptor de potencia constante.
Esta propiedad determina que estas topologías sean emuladores
resistivos naturales, pues, la corriente media a la entrada sigue a la tensión de
entrada de forma natural. Por esta razón, el tipo de control usado en este caso,
se denomina control como seguidor de tensión y su esquema básico se ilustra en
la figura 1-7. De esta manera, ya no es necesario el lazo de control de la
corriente de entrada presente en el control con multiplicador, por lo que resulta un
circuito más sencillo de implementar, lo que conlleva, a su vez, a un importante
ahorro en el circuito de mando.
En la figura 1-8 b) se ilustra la corriente de entrada que se obtiene a partir
de un convertidor elevador, el que esta trabajando en el modo de conducción
crítico.
13
Figura 1-7 Esquema básico del control como seguidor de tensión.
(a) (b)
Figura 1-8 (a) Corriente de entrada en CCM, (b) Corriente de entrada en DCM.
Como se puede apreciar a partir de las figuras 1-8 a) y b), en el DCM
aumenta el rizado en la corriente de entrada en comparación con el CCM, puesto
que la corriente de entrada varía entre un valor máximo y cero en cada período
de conmutación, lo que implica ruido eléctrico, haciéndose necesario el diseño
de un filtro de entrada. Cabe destacar que los convertidores Sepic y uk,
trabajando en el DCM, pueden ser diseñados de forma tal que la corriente de
entrada no se anule a lo largo de un período de conmutación [10], obteniéndose
un rizado de corriente menor, facilitándose así, el filtrado de la misma.
14
1.3.3 Ventajas y desventajas
Si comparamos el control como seguidor de tensión con el control con
multiplicador, podemos deducir las ventajas e inconvenientes del primero frente al
segundo:
a) En el control como seguidor de tensión no es necesario realizar el lazo de
control de la corriente de entrada como en el control con multiplicador,
dando como resultado un circuito más sencillo, barato y de menor tamaño.
b) En el control como seguidor de tensión, aumenta el rizado de corriente en la
entrada del convertidor en comparación con el control con multiplicador, por
lo que se hace necesario utilizar un filtro de entrada (a excepción de los
convertidores Sepic y uk).
c) Al trabajar en el DCM o en el modo de conducción crítica, los valores
máximos de las corrientes son más elevados, al igual que las pérdidas en
la salida de conducción del interruptor de potencia y en la entrada en
conducción del diodo. Esta condición, restringe el DCM a sistemas de
baja de potencia, como es el caso del ballast de 80 watt. Para altas
potencias se requiere implantar el CCM para no perjudicar el rendimiento
del circuito.
d) En ambos sistemas de control, se observa la presencia, en el lazo de
realimentación de tensión, de un filtro pasabajos. Este es necesario para
filtrar el rizado de baja frecuencia de la tensión de salida, para que la
señal de error del lazo de control de tensión sea siempre constante y así
no distorsionar la corriente de entrada. El filtro pasabajos afecta la
dinámica del sistema.
e) En el control como seguidor de tensión no se debe realizar ninguna
operación analógica (multiplicaciónes ó divisiones), por lo que el ER
podría funcionar en redes de frecuencia más altas que las típicas de 50 ó
60 Hz, como por ejemplo, 400 Hz utilizadas en aviónica [10].
15
1.4 CONCLUSIÓN
En este capítulo, se presentó la necesidad de desarrollar un emulador
resistivo para ser aplicado a un ballast electrónico para lámparas fluorescentes,
explicándose sus principios de operación, destacándose que ciertas topologías
de convertidores CC/CC como los convertidores reductor-elevador, Sepic y uk
al operar en el modo de conducción discontinuo de corriente, se comportan como
emuladores resistivos naturales, eliminándose la necesidad de diseñar el lazo de
control de corriente de entrada presente en el control con multiplicador, dando
como resultado circuitos más sencillos, de menores costo y tamaño y más fáciles
de implementar. Este hecho, sumado a que el ballast electrónico es de baja
potencia, lleva a que, en este trabajo, el estudio de los convertidores sea en el
modo discontinuo de conducción de corriente.
En el capítulo 2 se analiza el emulador resistivo implementado con los
convertidores CC/CC básicos.
CAPÍTULO 2
EMULADOR RESISTIVO BASADO EN LOS CONVERTIDORES CC/CCBÁSICOS
2.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se presenta el estudio comparativo de los convertidores
CC/CC básicos, de manera de seleccionar el convertidor que presente las
mejores características desempeñándose como emulador resistivo del ballast
electrónico de 80 watt.
2.2 CONVERTIDORES CC/CC BÁSICOS
En la figura 2-1 se ilustran los seis convertidores básicos de la familia de
los convertidores CC/CC sin aislamiento galvánico.
En esta sección se describen las principales ventajas [1], [3] que se
obtienen al alimentar las lámparas fluorescentes con el reactor propuesto en
comparación con la operación de las lámparas a través del método tradicional.
a) Incremento de la eficiencia luminosa.
Cuando la frecuencia de operación de las lámparas fluorescentes se
incrementa más allá del límite de frecuencia audible (20KHZ), la intensidad
luminosa que entrega la lámpara se incrementa entre un 10 a un 30% en
comparación a la operación en baja frecuencia (50 o 60 Hz típicamente), para la
misma potencia de entrada lo que significa, que se puede lograr un importante
ahorro de energía eléctrica alimentando la lámpara en alta frecuencia ya que se
puede reducir la potencia de entrada entre un 10 a un 30%, obteniéndose, la
103
misma intensidad luminosa que a potencia nominal alimentando la lámpara en
baja frecuencia. En la figura 5-3 se muestra el rendimiento luminoso en función
de la frecuencia de operación en lámparas fluorescentes [20].
b) El parpadeo es eliminado.
Las lámparas fluorescentes operando en baja frecuencia (50 o 60 Hz), se
apagan cada vez que la tensión de red pasa por cero, produciéndose un
parpadeo de baja frecuencia (100 o 120 Hz), el cual podría ser notorio o irritante
para algunas personas, conocido como efecto estroboscópico, el que es
potencialmente peligroso en ambientes donde se trabajan con máquinas
rotatorias.
Cuando las lámparas fluorescentes operan en alta frecuencia la
constante de tiempo de la descarga es tan lenta que la lámpara no tiene
oportunidad de apagarse durante cada ciclo de operación, así, la luz de salida es
continua.
Figura 5-3 Rendimiento luminoso en función de la frecuencia de operación.
Lamp
Efficacy
[%] Frecuency [Hz]
104
c) El ruido audible es eliminado.
Debido a que el ballast electrónico opera en frecuencias sobre el rango
audible, el típico zumbido presente en los ballast que operan en la frecuencia de
red, causado principalmente por vibraciones mecánicas, es eliminado.
d) Elevado factor de potencia
Como se demostró y comprobó en el capítulo tercero a partir del análisis
cuantitativo y de las simulaciones del circuito y en el capítulo cuarto a partir de
los resultados experimentales, el ballast proyectado presenta un factor de
potencia cercano a la unidad, cumpliéndose con holgura las normas, evitándose
tener que pagar multas por bajo factor de potencia, además, del ahorro de
energía que un alto factor de potencia representa en comparación con sistemas
de bajo factor de potencia, como también se favorece el incremento en la calidad
de la energía y se evita posibles perturbaciones en la tensión de red, condición
que también es causal de multa.
5.7 CONCLUSIÓN
Fue presentado la evaluación económica de una empresa que produce el
reactor electrónico de alto factor de potencia proyectado en el capítulo cuarto,
determinándose, a partir del criterio del VAN, que bajo las condiciones
planteadas, el proyecto es rentable.
Además, se trazaron las bases de la planificación de una línea de
producción a pequeña escala del reactor y se explicaron las principales ventajas
que se obtienen al alimentar las lámparas fluorescentes con el reactor propuesto
en comparación con la operación de las lámparas a través del método
tradicional.
CONCLUSIONES
Fue desarrollado un emulador resistivo para un reactor o ballast
electrónico de 80 watt, el que presentaba un factor de potencia de 0,4.
En primera instancia se estudiaron los convertidores CC/CC básicos,
específicamente los convertidores reductor-elevador, Sepic y uk, en el modo
discontinuo de conducción de corriente y con frecuencia de conmutación
constante, desarrollándose una metodología de proyecto, concluyéndose que el
convertidor reductor-elevador era el que presentaba las mejores características
para ser implementado como emulador resistivo del reactor, proponiéndose el
circuito del reactor integrado a este convertidor en el capítulo segundo.
En segundo lugar se estudió un circuito tipo bomba de carga (“Charge
Pump) simétrico, desarrollándose una metodología de proyecto, concluyéndose
que el circuito se comportaba como emulador resistivo en forma natural y que
presentaba mejores características que el convertidor CC/CC reductor-elevador
en dicha función.
Luego, se llevó a cabo el proyecto físico del circuito tipo bomba de carga
simétrico integrado al reactor electrónico, alimentando dos lámparas
fluorescentes cada una de 40 watt y a una frecuencia de conmutación de 50
KHz, obteniéndose los resultados experimentales esperados, satisfaciéndose las
especificaciones de proyecto y logrando un factor de potencia de 0,98
aproximadamente, cumpliendo de esta manera con el objetivo principal de este
trabajo y con las normas internacionales que fijan un límite del factor de potencia
en 0,93.
Se realizó el análisis económico del reactor electrónico construido, el
cual arrojó, bajo las condiciones planteadas en el capítulo quinto, que el proyecto
de una empresa que fabrica el prototipo del reactor es rentable.
Finalmente, se trazaron las bases de la planificación de una línea de
producción a pequeña escala del reactor y se enumeraron los beneficios
implícitos en el uso del reactor.
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