TESIS DOCTORAL
Titulo: Post-reguladores de alto rendimiento para la mejora de las características dinámicas de convertidores con corrección del factor de potencia.
Autor: Pedro José Villegas Saiz
Directores de Tesis: Marta María Hernando Álvarez y Francisco Javier Sebastián Zúñiga.
Presentada en: Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas de la Universidad de Oviedo.
Calificación: Sobresaliente Cum Laude.
Objetivos y Resumen de la Tesis:
La necesidad de cumplimiento de normas de inyección de armónicos de baja frecuencia ha impulsado el desarrollo y estudio de nuevas topologías de convertidores CA/CC y CA/CA que permitan satisfacer dichas normas a mínimo coste de rendimiento, fiabilidad, precio, dimensiones y peso. Existe un amplio abanico de soluciones propuestas que permiten escoger la más adecuada en función de cuál de los anteriores parámetros pese más en la decisión final. Una de las mejores soluciones consiste en conectar a la red un primer convertidor, llamado Emulador de Resistencia (ER), que consigue que la corriente demandada sea senoidal. Como es conocido, uno de los inconvenientes del ER es que su dinámica es necesariamente lenta, ya que el lazo de control tiene que filtrar el rizado de 100 Hz presente en el condensador de salida. Con el fin de mejorar estas características y al mismo tiempo reducir el tamaño del condensador de filtro, se hace necesario añadir una segunda etapa, lo que penaliza el rendimiento de la cadena conversora.
En el presente trabajo doctoral se pretende realizar algunas aportaciones en el campo de los circuitos post-reguladores utilizados con ER. Como paso previo a la realización de este trabajo se ha dado un repaso a la situación actual en la corrección del Factor de potencia en sistemas de alimentación monofásicos. Dentro de la filosofía de utilizar circuitos post-reguladores que no penalicen en exceso el rendimiento global de la cadena conversora, se presentan varias alternativas. Se persiguen dos objetivos en este trabajo. El primero dirigido hacia el estudio y ensayo de nuevas topologías de potencia para ser utilizadas como post-reguladores de alto rendimiento. Y finalmente el segundo encaminado a realizar un estudio sobre la problemática de la conexión en cascada de dos etapas de potencia.
De esta forma, en el capítulo primero se realiza un breve repaso sobre la situación actual existente en circuitos encargados de reducir el contenido armónico de baja frecuencia a la entrada de los sistemas de alimentación conectados a redes monofásicas. Este tipo de circuitos se suele designar con la denominación genérica de “Circuitos Correctores de Factor de Potencia”, denominación que no se ajusta muchas veces al objetivo final de dichos circuitos. Además se describe la normativa actual sobre armónicos de baja frecuencia y se realiza una clasificación básica de los circuitos Correctores de Factor de Potencia, con su principales ventajas y limitaciones, para dar paso en el siguiente capítulo a las soluciones propuestas en esta Tesis para la mejora de las características dinámicas de dichos circuitos.
En el segundo capítulo, se presentan los post-reguladores de alto rendimiento objeto de estudio en esta tesis (Reductor de dos entradas, conmutado serie Directo o Forward y Elevador) y se realiza un análisis estático, para obtener las ventajas e inconvenientes de su uso como post-reguladores, respecto al post-regulador clásico que es el Reductor. Por otra parte se van a analizar los post-reguladores desde el punto de vista de su uso con Emuladores de Resistencia (ER), con el fin de obtener el punto de funcionamiento optimo para dichos post-reguladores en aplicaciones de corrección de factor de potencia. Por último en el apartado de conclusiones se ha realizado una comparación entre los tres post-reguladores propuestos, tanto desde el punto de vista funcional como del tamaño de los convertidores.
En el capítulo tercero se va a realizar el estudio de pequeña señal de los post-reguladores de alto rendimiento objeto de esta tesis, y se van a aplicar el control modo tensión y el control con prealimentación de la tensión de entrada, con el objeto de caracterizar el comportamiento de los post-reguladores con estos modos de control ante variaciones de la tensión de entrada (audio-susceptibilidad), y de la carga (impedancia de salida).
En el cuarto capítulo se va a analizar el comportamiento de los post-reguladores de alto rendimiento con el uso del control modo corriente promediada. En primer lugar se va a proceder a la descripción del modo de control utilizado, indicando cuáles son las ventajas e inconvenientes que presenta. A continuación se va a realizar un análisis de la estabilidad de los lazos de realimentación, para posteriormente proceder a la obtención de la impedancia de salida y la audio-susceptibilidad de los post-reguladores con este modo de control. Como se comentó en el capitulo 2, la impedancia de entrada de los post-reguladores será obtenida en este capitulo y utilizada en el capitulo 6 para analizar la problemática de la adaptación de etapas. Por último se hará un resumen de las conclusiones obtenidas con el uso de este modo de control.
En el capítulo quinto se va a realizar el análisis del comportamiento de los post-reguladores de alto rendimiento con el uso del control de corriente de pico. En primer lugar se procederá a la descripción del control utilizado, indicando como en los casos anteriores, cuáles son las ventajas e inconvenientes que presenta. En segundo lugar se va a analizar la estabilidad de los lazos de realimentación, para posteriormente seguir con la obtención de las siguientes funciones características de pequeña señal: impedancia de salida de los post-reguladores y audio-susceptibilidad. En esta última función nos centraremos especialmente, ya que nos sirve para elegir la mejor opción de entre los pares post-reguladores - modos de control analizados. La impedancia de entrada de los post-reguladores será obtenida en este capítulo y analizada en el capitulo 6 para estudiar la problemática de la adaptación entre etapas. Por último se hará un resumen de las conclusiones obtenidas en este capitulo.
En el sexto capítulo se van a presentar los criterios de diseño para la cadena conversora (pre-regulador (ER) - post-regulador de alto rendimiento). Como ejemplo, se aplicarán estos criterios a la especificación de sistemas de alimentación distribuida. En primer lugar se realiza un estudio sobre los problemas que pueden aparecer por el hecho de conectar dos etapas en cascada, el ER y el post-regulador. En este capítulo se justifica también la necesidad de aumentar el ancho de banda ER, con el objetivo de tratar de reducir la diferencia entre la tensión o tensiones de entrada con la tensión de salida y así poder aumentar el rendimiento de los post-reguladores, todo ello siempre limitado por el contenido armónico de la corriente de entrada del ER que se debe mantener dentro de los limites impuestos por la norma. Por último se hará un estudio de los criterios de diseño de los post-reguladores: rechazo de las perturbaciones, respuesta transitoria, estabilidad. De estos criterios algunos ya fueron tenidos en cuenta en los ejemplos de diseño presentado con cada uno de los modos de control, quedando para este capítulo el análisis de las perturbaciones debidas a cambios en la carga.
Por último, en el capítulo séptimo, se exponen las aportaciones realizadas, así como algunas sugerencias para futuros trabajos de investigación.
Tesis doctoral en formato PDF (1):
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©Universidad de Oviedo| ©Pedro José Villegas Sáiz| Depósito Legal: AS-733/2002| ISBN: 84-8317-294-1
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