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. 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 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 2: Seqüência dos estágios da Aplicação. O conversor elevador operando como PFP é apresentado na figura 3, onde as malhas de controle de tensão e corrente estão representadas. Figura 3: PFP com controle por Corrente Média. 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 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. V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 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. VI CONCLUSÃO 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. Figura 4 – Circuito implementado Figura 5 – Pré Regulador de Fator de Potência Figura 6 – Tensão e corrente de entrada em retificador convencional. Figura 7 – Tensão e corrente na entrada do PFP.