Análise em redução de processamento redundante de energia em conversores de dois estágios para iluminação Led

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2018
Autor(a) principal: Spode, Nelson da Silva
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/0013000018nzj
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
Engenharia Elétrica
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/16567
Resumo: This work presents mathematics analysis, simulation and experimental results for two of the isolated converters, the forward and flyback, related to its potential concerning the realization of the reduced redundant power processing, or simply, R2P2. A publication from INMETRO establishes a series of technical requirements for LED based lighting systems. Some of the requirements are the compliance with IEC 61000-3-2 C Class, which limits the harmonic distortion for input current and, consequently, the power factor, as well as the compliance with CISPR15, which regulates the limits for electromagnetic interferences. These requirements, in special minimal luminous efficacy, suggest the use of R2P2 concept, because it can, theoretically, improve two stages drivers´ efficiency, and leads to reduction in size. Among the possible R2P2 basic configurations, the I-IIIB is the only one able to reduce the amount of reprocessed energy without degradation of power factor and THD. In this configuration, the power factor correction stage processes the entire input power and the second stage controls the energy to be delivered to the load and processes only a small fraction of the power supplied by the PFC stage. According to (SPIAZZI, 2016), many papers have been published and presented efficiency improvements in converters using the concept of R2P2 in a wrong way. The buck-boost converter would be the only non-isolated converter that could be connected in I-IIIB configuration due to the inverted output voltage. A meticulous analysis shows that a buck-boost converter in I-IIIIB configuration is, in fact, equivalent to a boost converter processing total output power, so it is a wrong implementation of R2P2 concept. The R2P2 implementation requires an isolated converter. A mathematical analysis, considering the conduction loss in circuit elements of forward and flyback converters is done normalized with respect to the boost converter processing all the load power and shows that it is theoretically possible to achieve better efficiency than a counterpart boost. The studies of cases presented here show that the isolated converters´ efficiencies are degraded when processing small energy due to the I-IIIB interconnection, and this affects R2P2 theorical benefits. Once the converters’ individual efficiencies are known, it is possible to calculate the maximum amount of energy that can be processed to achieve an increasing in efficiency. The executed tests, by simulation or by experimental prototypes, showed that only small improvements in efficiency are possible to achieve, on the other hand, smaller voltage stresses in components like output capacitors and diodes leads to advantages like smaller sizes or increased life cycles. Other aspects like reduction of overall converter size, cost and reliability could be taken into account to choose the R2P2 I-IIIB as an option for LED drivers.
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Some of the requirements are the compliance with IEC 61000-3-2 C Class, which limits the harmonic distortion for input current and, consequently, the power factor, as well as the compliance with CISPR15, which regulates the limits for electromagnetic interferences. These requirements, in special minimal luminous efficacy, suggest the use of R2P2 concept, because it can, theoretically, improve two stages drivers´ efficiency, and leads to reduction in size. Among the possible R2P2 basic configurations, the I-IIIB is the only one able to reduce the amount of reprocessed energy without degradation of power factor and THD. In this configuration, the power factor correction stage processes the entire input power and the second stage controls the energy to be delivered to the load and processes only a small fraction of the power supplied by the PFC stage. According to (SPIAZZI, 2016), many papers have been published and presented efficiency improvements in converters using the concept of R2P2 in a wrong way. The buck-boost converter would be the only non-isolated converter that could be connected in I-IIIB configuration due to the inverted output voltage. A meticulous analysis shows that a buck-boost converter in I-IIIIB configuration is, in fact, equivalent to a boost converter processing total output power, so it is a wrong implementation of R2P2 concept. The R2P2 implementation requires an isolated converter. A mathematical analysis, considering the conduction loss in circuit elements of forward and flyback converters is done normalized with respect to the boost converter processing all the load power and shows that it is theoretically possible to achieve better efficiency than a counterpart boost. The studies of cases presented here show that the isolated converters´ efficiencies are degraded when processing small energy due to the I-IIIB interconnection, and this affects R2P2 theorical benefits. Once the converters’ individual efficiencies are known, it is possible to calculate the maximum amount of energy that can be processed to achieve an increasing in efficiency. The executed tests, by simulation or by experimental prototypes, showed that only small improvements in efficiency are possible to achieve, on the other hand, smaller voltage stresses in components like output capacitors and diodes leads to advantages like smaller sizes or increased life cycles. Other aspects like reduction of overall converter size, cost and reliability could be taken into account to choose the R2P2 I-IIIB as an option for LED drivers.Este trabalho apresenta a análise matemática, simulação e testes práticos dos conversores isolados forward e flyback, em relação às suas potencialidades na realização do conceito da redução de processamento redundante de energia, ou simplesmente R2P2, acrônimo em língua inglesa para “Reduced Redundant Power Processing”. A publicação da portaria nº 20 do INMETRO estabeleceu uma série de requisitos técnicos para sistemas de iluminação à base de LEDs. Dentre outras exigências, destaca-se a necessidade de cumprir a norma IEC 61000-3-2 Classe C, que estabelece limites ao conteúdo harmônico da corrente de entrada e fator de potência, bem como o atendimento a CISPR15, que regulamenta limites para interferências eletromagnéticas. Estas exigências, e em especial eficácias luminosas mínimas, abrem espaço para a utilização do conceito de R2P2 por permitir, teoricamente, melhorias na eficiência do conversor de dois estágios, além de reduções no tamanho físico e possivelmente custo. Dentre as configurações básicas possíveis do conceito R2P2, o tipo I-IIIB é o único que permite reduzir a quantidade de reprocessamento sem degradar o fator de potência, visto que nesta configuração, o estágio de correção de fator potência processa a totalidade da energia proveniente da rede elétrica e o segundo estágio controla a energia entregue à carga, processando apenas uma parcela da energia proveniente do estágio PFC. De acordo com (SPIAZZI, 2016), diversos autores têm publicado melhorias na eficiência de conversores que utilizam o conceito de maneira equivocada. O conversor buck-boost seria o único conversor não isolado que poderia ser conectado na configuração I-IIIB por apresentar tensão de saída com polaridade invertida em relação à entrada. Uma análise mais minuciosa mostra que o conversor buck-boost em configuração I-IIIB é equivalente a um conversor boost processando a totalidade da energia, portanto uma implementação equivocada do conceito R2P2. A implementação da configuração I-IIIB exige o uso de conversores isolados. Uma análise matemática, considerando as perdas por condução nos principais elementos de circuito presentes nos conversores forward e flyback é feita de maneira normalizada em relação ao conversor boost, e demonstra que é teoricamente possível atingir eficiências superiores às obtidas na contraparte boost. Os conversores isolados apresentam degradação acentuada das suas eficiências individuais quando processando pequenas parcelas de energia, em função da forma de interconexão I-IIIB, o que acaba por prejudicar o efeito da configuração R2P2. Uma vez conhecidas as eficiências dos conversores em comparação, é possível calcular a quantidade máxima de energia que pode ser processada para que haja melhorias de eficiência. Os testes realizados, tanto por simulação, quanto por meio da construção de protótipos demonstram que somente pequenas melhorias em eficiência são possíveis de se obter, frente a contraparte boost. Por outro lado, menores esforços de tensão em componentes como capacitor de saída e diodos foram observados. Aspectos como redução de tamanho físico, custo e confiabilidade, se apresentam como fatores adicionais a serem levados em conta na escolha da arquitetura R2P2 I-IIIB como opção para projetos de drivers para LED.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaDalla Costa, Marco Antôniohttp://lattes.cnpq.br/4455422053321491Tibola, Jonas Robertohttp://lattes.cnpq.br/7203480799215375Lopes, Juliano de Pelegrinihttp://lattes.cnpq.br/6067809162522750Spode, Nelson da Silva2019-05-16T12:26:45Z2019-05-16T12:26:45Z2018-07-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/16567ark:/26339/0013000018nzjporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2019-05-17T06:01:21Zoai:repositorio.ufsm.br:1/16567Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2019-05-17T06:01:21Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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