fuentes alimentación conmutadas IV - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell
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fuentes alimentación conmutadas IV
Electronica
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada IV. Corrección del factor de potencia
El cosφ
En corriente alterna, la tensión y la intensidad tienen formas de onda independientes. La tensión depende de la red, pero la intensidad varía en función del consumo del circuito conectado.
Cuando conectamos una lámpara incandescente o una resistencia a la red, las formas de onda de la corriente y la tensión son muy similares, variando únicamente su amplitud.
Las cargas resistivas son lineales, es decir que su consumo es proporcional a la tensión aplicada, porque la resistencia es fija.
Sin embargo, es habitual que las cargas no sean puramente resistivas, y por lo tanto el consumo no sea lineal.
Fig. 1 – Desfase de la intensidad respecto a la tensión
Cuando conectamos un motor, la forma de onda de la intensidad es similar a la de la tensión, aunque desplazada en el tiempo. Esto es debido a que los bobinados no absorben la corriente de forma lineal.
Las bobinas almacenan corriente en forma de campo magnético, y esto provoca que tarden un tiempo en cargarse y descargarse. Por lo tanto, absorben corriente eléctrica en función de la diferencia entre la tensión aplicada y la carga de la bobina.
Ocurre el mismo efecto cuando la carga es un condensador, aunque el desfase es inverso. Es decir, que en un caso la corriente se atrasa respecto a la tensión, y en el otro se adelanta.
Cuando la carga se comporta como una bobina decimos que es una carga inductiva. Si lo hace como un condensador, la llamamos carga capacitiva.
Si la corriente está adelantada o atrasada respecto a la tensión, decimos que están desfasadas. El ángulo de desfase se expresa con la función coseno, y se representa como cosφ (se lee coseno de fi). Su valor puede estar entre 0 y 1.
La potencia real, teniendo en cuenta que P=V·I, es menor si hay un desfase. En este caso no podemos multiplicar los valores absolutos, sino que debemos tener en cuenta este desfase. La fórmula correcta sería P=V·I·cosφ.
Si las señales están alineadas, es decir que la carga es resistiva o lineal, cosφ=1. Por eso no se tiene en cuenta en la fórmula del cálculo de la potencia (P=V·I·1 da el mismo resultado que P=V·I).
Para entenderlo gráficamente, observa la figura 1.
Cuando las ondas están sincronizadas (figura 1A) en el paso por cero tenemos que P=0V·0A=0W, y en el pico Pmax=Vmax·Imax. El ángulo de desfase es cero, por lo que el cosφ=1.
En la figura 1B no sucede lo mismo, porque cuando una de las ondas pasa por cero, la otra tiene un valor positivo o negativo. El cosφ<1, por lo que el resultado es que la onda P tiene un valor menor que en la figura 1A.
En definitiva, cuando la tensión y la intensidad están desfasadas entre sí, la potencia no se aprovecha correctamente. Si además sumamos más cargas del mismo tipo, es decir inductivas o capacitivas, los desfases se van sumando, por lo que el ángulo de desfase aumenta, disminuyendo el rendimiento de la línea.
En la práctica, podemos tener una línea eléctrica por la que circula una gran intensidad teniendo conectados equipos de poca potencia.
Por este motivo, las normativas (y también las compañías eléctricas) penalizan estos problemas de calidad eléctrica.
los armónicos
En una fuente de alimentación se combinan varios problemas que afectan a su rendimiento. Por un lado, tenemos un condensador que adelanta la intensidad respecto a la tensión. Esto significa que el cosφ≠1.
Por otro lado tenemos el puente de diodos, que convierte la corriente alterna en corriente pulsante.
El condensador no se carga y descarga completamente, sino que suelta una pequeña parte de su carga cuando la tensión es menor, y se recarga cuando la tensión es mayor.
Esto quiere decir que solamente absorbe corriente cuando se recarga.
En la figura 2B puedes ver la tensión en el condensador (línea negra) y la corriente de carga (línea azul).
El resultado es que la intensidad absorbida por el circuito tiene una forma de onda no senoidal, y además desfasada.
Esta forma de onda distorsionada se compone de varias frecuencias superpuestas, que se conocen como armónicos.
Los armónicos son frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental. Si te has quedado igual, te lo explico un poco mejor.
Si la red eléctrica tiene una frecuencia de 50Hz, los armónicos se comportan como “ecos” a 100Hz, 150Hz, 200Hz, etc.
Cuanto mayor sea la distorsión, mayor valor tendrán estos armónicos.
Los armónicos son un efecto indeseado, porque son corrientes parásitas que no podemos aprovechar, pero circulan igualmente por los conductores, provocando recalentamientos e interferencias.
Fig. 2 – Formas de onda en condensador y bobina
El factor de potencia
Hemos visto que el desfase entre tensión e intensidad disminuye la potencia real, y que el conjunto de diodos + condensador distorsiona la corriente.
Denominamos factor de potencia a la relación entre la potencia activa (potencia real aprovechada por los equipos conectados), y la potencia aparente (potencia consumida de la red eléctrica).
De la propia definición podrás deducir que si las dos potencias (activa y aparente) no son iguales, estamos aprovechando solo una parte de la potencia consumida.
El objetivo en cualquier circuito eléctrico es que la potencia activa y la aparente sean iguales, por lo tanto su relación será igual a 1.
Habitualmente se confunde el factor de potencia con el cosφ.
El cosφ influye en el factor de potencia, porque cuanto mayor sea el desfase entre tensión e intensidad, más potencia estaremos desperdiciando.
Sin embargo, la distorsión de la señal no tiene nada que ver con el desfase, y también influye en el factor de potencia.
Cómo corregir el factor de potencia en una fuente conmutada
El factor de potencia se puede corregir, de modo que toda la potencia absorbida sea aprovechada.
Hay varios sistemas para conseguirlo.
En el caso de un motor, donde ambas ondas son senoidales y hay poca distorsión, basta con conectar un condensador en paralelo.
Si decíamos que una bobina retrasa la intensidad, conectando un condensador la adelantamos. Solamente debemos calcular el valor del condensador para que las dos ondas queden sincronizadas.
En la industria, cuando hay una gran cantidad de motores conectados, se utilizan baterías de condensadores, donde un equipo electrónico mide el desfase y va conectando o desconectando condensadores hasta alinear la tensión y la intensidad.
En los pequeños equipos inductivos, como sucede en los balastos de lámparas fluorescentes, se conecta un pequeño condensador que compense el desfase producido por la reactancia, que es una bobina con un valor fijo.
Cuando se usan componentes pasivos (bobinas y condensadores) para corregir el factor de potencia, denominamos a estos sistemas correctores del factor de potencia pasivos.
En el caso de las fuentes conmutadas, que es lo que nos importa, no resulta tan sencillo, porque el problema no es solamente el desfase, también hay que corregir la distorsión. Para ello necesitamos un corrector del factor de potencia activo.
Para conseguirlo, hay varios sistemas que son similares, por lo que nos centraremos en el más utilizado.
Fig. 3 – Esquema de corrector del factor de potencia
En la figura 3 hay dibujado un esquema sencillo que representa un corrector del factor de potencia (PFC).
En los circuitos reales, se añaden varios componentes pasivos y semiconductores discretos, dependiendo del fabricante y el modelo del circuito integrado.
Observando el esquema, puedes ver los componentes mencionados en el artículo anterior: el puente rectificador y el condensador electrolítico.
El circuito integrado controla a un transistor MOSFET como si fuese un interruptor, conectándolo y desconectándolo miles de veces por segundo.
Cuando el transistor está conectado, la bobina se carga de corriente, y cuando se desconecta, la bobina comienza a descargarse.
Variando el tiempo que el transistor está conectado y desconectado, se puede regular la cantidad de carga en la bobina.
El circuito integrado mide varios parámetros, normalmente la tensión de salida del rectificador, la tensión en el condensador, y la corriente total consumida.
El resultado es que, a partir de los datos medidos y del control del transistor, se consigue componer en la bobina una forma de onda senoidal.
Concretamente, tal como puedes ver en la figura 2C, la tensión aplicada a la bobina está dibujada en color negro.
La corriente en la bobina tiene una forma triangular (representada en color azul), generada por la carga de la bobina mediante el transistor.
La corriente tiene un valor eficaz que, al tratarse de una onda triangular, se corresponde con la media de dicha onda (color verde).
Mediante este circuito hemos conseguido una onda senoidal, con una distorsión mínima y sin desfase, es decir con un factor de potencia muy cercano a 1.
De cara a la red eléctrica, este circuito se comporta prácticamente igual que una carga resistiva. Por eso también se denomina emulador de carga resistiva.
También se consigue desacoplar la corriente del condensador de la red.
Entre la bobina y el condensador hay un diodo para que el condensador no devuelva corriente hacia la bobina o el transistor.
El PFC en la práctica
Muchas fuentes de alimentación no incorporan corrector del factor de potencia. Otras combinan el PFC y la conmutación en un solo circuito integrado.
La mayoría de averías en esta sección se limitan a los componentes activos, como el transistor y el circuito integrado. Sin embargo, al dañarse alguno de ellos se puede producir un cruce que deje pasar toda la corriente a componentes sensibles, por lo que es habitual encontrar resistencias y diodos en mal estado.
Es muy conveniente diagnosticar esta sección utilizando un osciloscopio. Siguiendo las señales no es difícil determinar los componentes dañados.
También resulta imprescindible conseguir el datasheet (hoja de características técnicas) del circuito integrado, porque cada modelo tiene un funcionamiento distinto. Son muy fáciles de encontrar, desde las web de sus fabricantes, buscando en Google, o en webs como datasheetcatalog (gratuita y muy rápida de usar).
En el datasheet se describe el funcionamiento del circuito, los valores nominales, incluso es posible encontrar las formas de onda de cada sección. Con esta información es más fácil diagnosticar una avería.
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