pré regulador de fator de potência

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
PRÉ REGULADOR DE FATOR DE POTÊNCIA
Leonardo de Abreu Godinho, Marcelo Giovanni B. de Martino,
Júlio César Marques de Lima e Fernando Soares dos Reis
Resumo - O conteúdo deste trabalho trata de um tema de suma importância técnica no que tange a qualidade de
energia elétrica. A energia elétrica é gerada nas usinas dentro de estritos padrões de qualidade, seguindo normas
internacionais, apesar disto é bastante comum que a tensão da concessionária chegue até nossos lares e
industrias apresentando uma elevada distorção harmônica. Por que então a tensão da rede se degrada? Devido
basicamente a impedância da rede elétrica e ao tipo de carga a ela conectada. A impedância da rede elétrica
comercial é de responsabilidade da concessionária de energia elétrica e seu valor ideal seria nulo, o qual nada
mais é que um valor inatingível, assim reduções na impedância da rede elétrica implicam em pesados
investimentos. As cargas conectadas a rede elétrica podem ser basicamente de dois tipos: lineares e não lineares.
As cargas lineares não injetam harmônicos na rede elétrica já as não lineares injetam. Hoje a maioria das cargas
são não lineares. Nas residências tem-se os equipamentos de áudio, vídeo, os reatores eletrônicos, os
equipamentos de informática e mais um sem fim de equipamentos eletrônicos. Nos setores de comercio e serviços
também encontram-se os equipamentos citados anteriormente e muitos outros como máquinas copiadoras,
centrais telefônicas e outros. As industrias tem os circuitos retificadores, inversores, gradadores inseridos em
suas máquinas e equipamentos introduzindo através destes conversores um elevado conteúdo harmônico na rede
elétrica. Para solucionar este problema a utilização de filtros se faz necessária, existem os filtros passivos que
utilizam indutores, capacitores e resistores e os filtros ativos de potência. Os filtros tem como função eliminar ou
minimizar estes harmônicos. A utilização dos filtros também implica em custo adicional. Portanto, neste trabalho a
proposta é adquirir conhecimento em sistemas não lineares que não introduzem harmônicos na rede elétrica, os
Prerreguladores do Fator de Potência tem esta missão.
I. INTRODUÇÃO
Fala-se muito em qualidade de energia e racionamento. Estes assuntos estão interrelacionados, já que
melhorando a qualidade da energia que se consome, é possível um maior aproveitamento da energia gerada,
fazendo com que se reduzam custos de transmissão, distribuição e geração por unidade de energia consumida. O
baixo fator de potência das instalações implica que boa parte da energia produzida não está sendo usada para
gerar trabalho. Alguns circuitos, introduzem harmônicas de corrente na rede elétrica fazendo com que a tensão da
rede perca as características senoidais desejadas para o bom funcionamento de muitos equipamentos. Neste
contexto, serão apresentados os motivos que levam a redução do fator de potência, conseqüências geradas, e as
soluções para o problema. A solução proposta consiste na utilização de um Pré-Regulador de Fator de Potência
utilizando um conversor elevador operando no modo de condução contínuo com controle por corrente média, com
a finalidade de substituir fontes retificadoras convencionais presentes na maioria dos equipamentos hoje em dia.
No presente trabalho são apresentadas as etapas de funcionamento, descrição do circuito de controle do
conversor e dimensionamento dos componentes. Por fim são expostos os resultados experimentais que validam o
estudo.
Analisando o diagrama de blocos do PFP (figura 3) pode-se afirmar que o correto funcionamento deste
circuito depende do CI UC3854 o qual tem como missão a geração dos sinais de referência de corrente, tensão e a
geração do sinal PWM.
A referência de corrente é o resultado da multiplicação do sinal de erro de tensão pela tensão retificada de
entrada, ajustando assim, a amplitude da corrente de referência conforme a variação da carga, devido a variação
na tensão de saída. Com isto se conclui que a carga não necessita ter um valor constante.
- Realimentação da tensão de entrada: a rede retificada é atenuada com o uso de um divisor de tensão
externo e filtrada por um filtro passa baixa, informando ao multiplicador-divisor um nível CC proporcional ao valor
eficaz da tensão de entrada. Através desta entrada ajusta-se a amplitude da corrente de referência conforme a
tensão de entrada, com a intenção de tornar o controle mais rápido. Trata-se de um controle direto (Feed-Forward).
Portanto, quando houver acréscimo de carga a amplitude da corrente de referência cresce, ou ainda, se
mantivermos carga constante e a tensão de rede cair, implica na elevação da amplitude da mesma. Garante-se
assim uma tensão de saída praticamente constante.
A corrente de entrada é amostrada através de um resistor shunt. Está amostra da corrente é então filtrada,
para eliminar a sua componente de alta frequencia, e comparada com a corrente de referência senoidal. O
resultado é uma tensão de controle a qual irá gerar o sinal PWM necessário para o controle do transistor MOSFET.
O gerador PWM é composto de um comparador, um gerador de onda dente de serra e um circuito de driver
apropriado para comandar um transistor MOSFET de potência.
Outras funções complementares do circuito integrado são:
- Tensão de referência estabilizada;
- Circuitos de proteção;
- Circuito inibidor compatível com lógica TTL;
- Soft-Start.
IV. PROJETO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA
O circuito implementado, está representado na figura 4.
- Indutor: 1mH
- Capacitor de armazenagem: 470uF
- Tensão de entrada AC: 127~220V
- Tensão de saída DC: 400V
- Potência na entrada: 250W
II. PRÉ REGULADOR DO FATOR DE POTÊNCIA
Os pré-reguladores do fator de potência consistem na união de um conversor CC-CC acoplado à saída de
uma ponte retificadora a diodo sem o capacitor de filtro, para que a tensão de entrada seja continua, porém
pulsante, e um circuito de controle do transistor que monitora tensão de saída e a corrente de entrada gerando um
sinal de controle para o transistor a fim de que os valores instantâneos da onda de corrente de entrada sigam a
tensão senoidal de entrada momento a momento, eliminando-se assim a distorção harmônica da corrente. A
função principal do PFP é emular uma resistência, ou seja, visto pela rede, o PFP se comporta como se fosse uma
resistência.
Figura 1: Conversor Elevador (Boost).
O conversor elevador é o mais utilizado para ser usado em um PFP como mostra a Figura 1. Existem muitas
técnicas de controle para os conversores com a finalidade de implementar um pré-regulador do fator de potência.
São algumas delas:
- Controle de corrente media.
- Controle por seguidor de tensão.
- Controle FM
- Controle por histerese
Figura 4 – Circuito implementado
Os valores dos elementos do circuito de controle foram calculados e testados de acordo com as informações
fornecidas pelo fabricante do Circuito Integrado (UC3854).
A figura 5 apresenta o protótipo do Pré regulador do Fator de Potência implementado utilizando o conversor
elevador.
Devido as crescentes pesquisas nesta área, algumas empresas lançaram circuitos integrados dedicados
para este fim. Dois exemplos:
- Farchild Semicondutors Corp. ( FAN 7527)
- Unitrode Corp. (UC1854, UC2854 e UC3854)
III. PFP COM CONTROLE POR CORRENTE MÉDIA (OU CONTROLE POR MULTIPLICADOR)
Para o PFP desenvolvido neste trabalho foi utilizado um conversor elevador operando no modo de condução
contínuo com um controle por corrente média e modulação por largura de pulso.
Para realizar este controle foi usado o circuito integrado UC3854 da Unitrode. O PFP desenvolvido foi
concebido para implementar a fonte de alimentação de um reator eletrônico para uma Lâmpada de Alta Pressão de
Vapor de Sódio – HPS de 250W para iluminação pública. O PFP foi desenvolvido para operar com tensões da rede
na faixa de 100 a 240 V e para atender as especificações do reator eletrônico: Tensão de entrada de 400V e a
potência de 250W. A disposição em blocos dos componentes para ascender a lâmpada de HPS pode ser vista na
figura 2.
Figura 5 – Pré Regulador de Fator de Potência
V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Figura 2: Seqüência dos estágios da Aplicação.
A figura 6 apresenta a forma de onda da tensão e da corrente na entrada de um retificador monofásico
convencional com filtro capacitivo. A partir desta figura se pode observar que só existe corrente circulando pela
rede elétrica durante os picos da rede. Resultando assim em uma corrente rica em componentes harmônicos. O
funcionamento corretivo do PFP pode ser visto na figura 7 onde se observa que a corrente segue a tensão. A
componente de alta freqüência presente na forma de onda da corrente pode ser facilmente filtrada e é resultado do
chaveamento do transistor.
O conversor elevador operando como PFP é apresentado na figura 3, onde as malhas de controle de tensão
e corrente estão representadas.
Figura 6 – Tensão e corrente de entrada em retificador convencional.
Figura 7 – Tensão e corrente na entrada do PFP.
VI CONCLUSÃO
Figura 3: PFP com controle por Corrente Média.
Neste projeto foi implementado um PFP operando no modo de condução continuo para uma ampla faixa de
variação da tensão de entrada de 100 a 240 V. Os resultados experimentais mostrados na figura 7 demonstram que
este circuito se comporta como um emulador de resistência eliminando desta forma a injeção de componentes
harmônicos na rede elétrica.
A utilização deste tipo de circuito em todas as fontes chaveadas minimizaria em muito os atuais problemas
de injeção de harmônicos na rede elétrica. Com a entrada em vigor de normas mais restritas espera-se que isto
venha a ocorrer em um futuro próximo.