Diseño y simulación mediante PSIM® de un convertidor Boost corrector del factor de potencia

En este trabajo, presentamos fundamentalmente, el empleo de PSIM® como herramienta de simulación de sistemas electrónicos de Potencia; concretamente se realiza la implementación y simulación de un sistema corrector del factor de potencia (PFC) basado en un convertidor elevador (Boost), el cual emplea un esquema de control en modo corriente y en modo tensión.

El Reto:

PSIM® ha sido desarrollado para diseñar y analizar sistemas electrónicos de potencia, control de motores, y simulación de sistemas dinámicos. Los modelos de simulación creados con PSIM® proporcionan una interfaz fácil de usar y una simulación rápida con muy pocos problemas de convergencia, pueden contener circuitos con diferentes dominios físicos, electrónica de potencia, control analógico y digital, circuitos magnéticos, fuentes de alimentación, control de motores, sistemas de conversión de energía y sistemas de control. PSIM® cubre simulación a nivel del circuito y simulación a nivel de sistema. 

Su interfaz de usuario consta de tres programas: esquemático (SIMCAD), simulador propiamente dicho (PSIM), y el programa de visualización de formas de onda (SIMVIEW). 

PSIM® divide el circuito a simular en cuatro bloques: bloque de potencia, bloque de control, sensores, y controladores de conmutación. El bloque de potencia se compone de dispositivos de conmutación, ramas RLC, transformadores e inductores acoplados. El bloque de control contiene componentes en el dominio de s y z, componentes lógicos (tales como puertas lógicas y flip flops), y componentes no lineales (tales como multiplicadores y divisores). Los sensores son utilizados para la medida de variables eléctricas y como interfaz para los bloques de control. Las señales de excitación son generadas por los bloques de control y enviadas a los bloques de potencia a través de los controladores de conmutación.

En la dirección Web: http://www.powersimtech.com, puede descargarse una versión de evaluación de PSIM®.

Corrección del factor de potencia

El mal comportamiento frente a la red de los sistemas electrónicos y el consumo de armónicos de intensidad, provoca la degradación del factor de potencia. 

Tomando como base un rectificador monofásico en puente con carga resistiva y filtro capacitivo, realizaremos una corrección del factor de potencia sobre este simple ejemplo de carga no lineal. El rectificador junto con el filtro capacitivo presentan frente a la red, un comportamiento típicamente no lineal, aunque no por esto menos empleado, ya que se utiliza en cualquier aplicación donde sea necesaria una conversión CA-CC, como en alimentación de motores de CC, y fuentes de alimentación (lineales y conmutadas). 

Para mejorar dicho factor de potencia, el acoplamiento de la carga al rectificador, se realiza mediante un convertidor CC-CC elevador (Boost), tal y como se muestra en la figura 1. 

Se consigue un elevado factor de potencia si se hace conmutar al MOSFET de forma que la intensidad de entrada sea prácticamente senoidal y en fase con la tensión de la red. Un control en modo de corriente hace que la señal de referencia para la intensidad por la inductancia sea un seno rectificado, ya que se obtiene del producto de una señal con forma de onda senoidal, y una señal constante que representa el error de tensión de salida, como se observa en la figura 2. Con esto se consigue, además, que la intensidad de referencia sea proporcional al error de tensión de salida.

En cuanto a los valores de los componentes pasivos del convertidor, estos dependen de la potencia que manejen y del rizado de intensidad o tensión en los mismos [2-3]. El valor de la inductancia viene dado por la ecuación 1, para las condiciones de intensidad de entrada más desfavorables, es decir, para la menor tensión eficaz de entrada: 

En esta ecuación Vin es la tensión eficaz de entrada, Vin es el ciclo de servicio, ∆I es el rizado de intensidad y ∫s es la frecuencia de conmutación. En aplicaciones con tensiones de entrada senoidales el valor del ciclo de servicio viene dado por la ecuación 2.

El valor del condensador necesario puede ser calculado a partir de la ecuación 3.

En esta ecuación Po es la potencia de salida del sistema, ∆t es el tiempo de mantenimiento de carga, Vo es la tensión de salida y Vo,min es la mínima tensión permitida a la salida, que coincide con la máxima tensión presente en la entrada del convertidor, ya que esta topología no permite una tensión de salida menor que la de entrada.

El bloque ‘Sistema de control’ es un sistema enmascarado que implementa el lazo de control de la figura 2.

Implementación del convertidor CC-CC con PSIM®

La implementación realizada con PSIM® en la figura 3, esta compuesta básicamente de las etapas de potencia y de control mostradas en la figura 2. 

Los dos interruptores nos permiten simular el circuito para las dos condiciones más desfavorables de frecuencia y tensión de la red monofásica, de forma que en principio la etapa de potencia se alimenta con una fuente sinusoidal de 240Vrms y 65Hz, y al cabo de 2 segundos la fuente la alimentación será de 100Vrms y 47Hz hasta el final de la simulación (4 segundos). La etapa de rectificación esta compuesta por un puente y un filtro. 

La etapa de control del MOSFET esta compuesta por un sistema automático de control realimentado y esta diseñado mediante dos redes PID, una para el control de tensión y otra para la intensidad. 

La entrada del seno de referencia Vin se toma de un medidor aislado, Vref es una señal constante de 400V, VR es la tensión en la resistencia de carga e IL la intensidad por el inductor. 

H(s) son los bloques de las funciones de transferencia del PID de tensión, intensidad y el bloque del filtro respectivamente.

Implementación del sistema de control

En cuanto a los parámetros que conforman los compensadores, el valor de la ganancia proporcional del lazo de intensidad debe cumplir la ecuación 4.

Donde Vosc es el valor máximo de la rampa estabilizante. Con esto se consigue que la máxima pendiente descendente de intensidad en la inductancia, se haga igual a la pendiente de la rampa estabilizante, condición necesaria para la estabilidad del sistema. 

Por otro lado, el valor de la ganancia integral del lazo de intensidad se calcula de modo que provoque un suficiente margen de fase. Para ello se puede considerar que la función de transferencia del sistema a compensar tiene la forma dada en la ecuación 5.

Por otro lado, el filtro paso-bajo del compensador del lazo de intensidad debe introducir un polo a una frecuencia ligeramente superior a la frecuencia de conmutación, con la finalidad de filtrar las señales de alta frecuencia. 

Los valores del compensador del lazo de tensión deben hacer que el rizado de tensión presente en el condensador de salida, sea muy bajo en el lazo de control, eligiendo para ello un valor de ganancia proporcional pequeño, de lo contrario distorsionaría la señal de referencia de la intensidad por la inductancia. 

En el valor de la ganancia integral debe introducirse un cero a frecuencias bajas (del orden del Hz), consiguiéndose así un margen de fase aceptable.

Especificaciones para el PFC y parámetros de simulación

Se simula un sistema corrector del factor de potencia con las siguientes especificaciones: Potencia de salida de 300 W, frecuencia de red de 47 a 65 Hz, frecuencia de conmutación 50KHz y rizado de intensidad comprendido entre un 20 y un 30%.

Esto requiere un convertidor con una inductancia de 1mH y un condensador de 470 µF. Las condiciones de la simulación serán las más desfavorables. Estas son: 

1º-  Una tensión de red de 100Vrms, frecuencia de 47Hz, resistencia de carga de 300 W, que provocan el máximo rizado de tensión a la salida y el mayor consumo de intensidad. 

2º-  Tensión de red de 240Vrms, frecuencia de red a 65Hz, resistencia de carga de 300 W, que provocan el mínimo rizado de intensidad en la bobina y un peor factor de potencia.

Se realizará un análisis transitorio con un tiempo final de 4 segundos, lo cual permite observar la evolución de la tensión de salida, teniendo en cuenta los cambios producidos en las condiciones de entrada. Los parámetros de simulación se muestran en la figura 4.

Resultados de la simulación

En las siguientes figuras se pueden observar los resultados de la simulación obtenidos del sistema PFC. 

Conclusiones

El uso de PSIM® para la simulación de circuitos de potencia proporciona resultados correctos, y nos permite la interacción entre circuitos electrónicos, bloques de control y sensores de una manera muy sencilla e intuitiva, por lo que este simulador resulta muy adecuado tanto para iniciarnos en el diseño y simulación de circuitos electrónicos como para realizar proyectos a nivel industrial. 

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