Diseño e implementación de diferentes estrategias de control para un rectificador PFC con topología de convertidor Boost Interleaved

Abstract

En este documento se presentan los resultados obtenidos de la implementación de tres estrategias de control en un sistema de corrección dinámica del factor de potencia (PFC) utilizando la topología Boost Interleaved. Las estrategias evaluadas son el Control Proporcional Integral (PI), el Control Basado en Observador GPI y el Control en Modos Deslizantes basado en Observador GPI. La comparación de estas estrategias se centra en tres aspectos clave: la capacidad de rechazo de perturbaciones, la reducción del porcentaje de distorsión armónica total, y la corrección del factor de potencia, además del seguimiento de la referencia de corriente. Se ha escogido la topología Boost Interleaved por ser una topología eficaz en aplicaciones de PFC debido a sus características destacadas: 1. Reducción de la Corriente de Entrada: Permite dividir la corriente de entrada entre varios inductores, reduciendo el estrés en cada uno y minimizando la corriente de entrada total, lo cual mejora la eficiencia del sistema y reduce el tamaño del filtro de entrada. 2. Mejora del Factor de Potencia: Esta mejora la corrección del factor de potencia al proporcionar una corriente de salida más suave y menos ondulada, lo que reduce la distorsión armónica y cumple con las normativas de calidad de energía. 3. Menor Ondulación de Corriente: Gracias a la intercalación de las fases, se reduce la ondulación de corriente en la salida del convertidor, lo cual es crucial para aplicaciones que requieren una salida de voltaje estable y limpia. 4. Aumento de la Capacidad de Manejo de Potencia: La topología Boost Interleaved permite manejar mayores potencias en comparación con un convertidor Boost tradicional, lo que la hace adecuada para aplicaciones de alta potencia. Cada una de las estrategias de control fue implementada en este convertidor AC-DC, bajo condiciones nominales. Todas se enfocan en el lazo de corriente del convertidor, con el objetivo de identificar cuál ofrece el mejor rendimiento en términos de control de voltaje y balance de potencia. Las tres estrategias de control implementadas en el sistema convertidor AC-DC Boost Interleaved (control Proporcional Integral (PI), el control GPI con observador de estados y el control en Modo Deslizante con Observador GPI), cumplen con los objetivos planteados al mantener un Factor de Potencia (FP) superior a 0.9 y un Total de Distorsión Armónica (THD) inferior al 5%, según lo establecido por la norma IEC 61000 3-2. Sin embargo, se destaca que tanto el control PI como el control en Modo Deslizante presentan un mejor desempeño global frente al control GPI debido a la menor distorsión armónica obtenida. (Texto tomado de la fuente).

This paper presents the results obtained from the implementation of three control strategies in a dynamic power factor correction (PFC) system using the Boost Interleaved topology. The strategies evaluated are Integral Proportional Control (PI), GPI Observer-Based Control, and GPI Observer-Based Sliding Mode Control. The comparison of these strategies focuses on three key aspects: the ability to reject disturbances, the reduction of the percentage of total harmonic distortion, and the correction of the power factor, in addition to the monitoring of the current reference. The Boost Interleaved topology has been chosen because it is an effective topology in PFC applications due to its outstanding features: 1. Input Current Reduction: Allows the input current to be split between multiple inductors, reducing stress on each and minimizing the total input current, which improves system efficiency and reduces the size of the input filter. 2. Power Factor Improvement: This improves power factor correction by providing a smoother, less wavy output current, reducing harmonic distortion and complying with power quality regulations. 3. Lower Current Ripple: Thanks to the interleaving of the phases, current ripple at the converter output is reduced, which is crucial for applications that require a stable and clean voltage output. 4. Increased Power Handling Capacity: The Boost Interleaved topology allows higher powers to be handled compared to a traditional Boost converter, making it suitable for high-power applications. Each of the control strategies was implemented in this AC-DC converter, under nominal conditions. They all focus on the current loop of the converter, with the aim of identifying which one offers the best performance in terms of voltage control and power balance. The three control strategies implemented in the AC-DC Boost Interleaved converter system (Integral Proportional Control (PI), GPI control with state observer and Sliding Mode control with GPI Observer), meet the objectives set by maintaining a Power Factor (PF) greater than 0.9 and a Total Harmonic Distortion (THD) less than 5%, as established by IEC 61000 3-2. However, it is noted that both the PI control and the Slider Mode control have a better overall performance compared to the GPI control due to the lower harmonic distortion obtained.