En la red, el suministro eléctrico se proporciona mediante una señal de CA. En perfecto estado, la carga sería puramente resistiva pero debido a los motores que hay en fábricas y casas, la carga es de hecho inductiva.
Entre la potencia en la red y la potencia en la carga aparece una diferencia de fase. Se puede ver como un circuito RL simple y, como se muestra en la figura 1, las distintas potencias se llaman potencia real, potencia reactiva y potencia aparente.
Figura 1
La potencia reactiva representa la energía eléctrica almacenada en la bobina que luego fluye de nuevo a la red. Las bobinas ideales no consumen energía eléctrica sino que crean una corriente eléctrica significativa. La verdadera potencia es la potencia que se consume en realidad por la carga resistiva, y la potencia aparente es la potencia que la red debe ser capaz de soportar. La unidad de potencia real es el vatio, mientras que la unidad de potencia aparente es VA (voltiamperio)
Se suele hacer una famosa comparación con el vaso de cerveza y la espuma de la cerveza. La potencia real es lo que se bebe realmente. El vidrio es la potencia aparente y debe ser lo suficientemente grande como para contener el líquido y la espuma.
El tema de la potencia reactiva no es solo de carácter técnico sino que tiene grandes consecuencias económicas potenciales. De hecho, una compañía de servicios públicos debe construir una red capaz de transportar la energía aparente pero solo podrá facturar la potencia real. Si la diferencia fuese demasiado grande sería una situación insostenible. La relación entre la potencia real y potencia aparente se conoce como el factor de potencia. El factor de potencia debe estar en un rango de valores lo más cercano posible a uno. Existen componentes electrónicos, llamados correctores de factor de potencia que ayudan en esta tarea. Los gobiernos aprueban habitualmente nuevas regulaciones referentes a los dispositivos electrónicos que deben cumplir las normas más estrictas con el fin de obtener una buena etiqueta energética.
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Los convertidores de CA-CC convencionales por lo general emplean un puente rectificador de onda completa con un filtro del capacitor simple para obtener potencia a partir de la línea de corriente alterna (CA). En consecuencia, la forma de onda de la corriente de línea es un pulso estrecho, y el factor de potencia es bajo (0,5 a 0,6) debido a la alta distorsión armónica de la corriente (véase la Figura 2).
Figura 2
Existen varios métodos para mejorar el corrector del factor de potencia. Para baja potencia, es a menudo suficiente usar una solución pasiva con componentes discretos. Como se ha dicho anteriormente, una carga es la mayoría de las veces inductiva y poner un capacitor en paralelo mejorará el Factor de potencia. Cuando las aplicaciones necesitan unas cuantas décimas de vatios, se necesita una PFC activa. La topología más común es la topología de elevación o boost que puede dividirse en 2 subcategorías:
- Modo de transición (TM) o Modo de conducción crítico (CrM) desde unas cuantas décimas de vatios a cientos de vatios
- Modo de conducción continua (CCM) desde algunos cientos de vatios hasta varios miles de vatios.
La Figura 3 muestra la etapa PFC que se implementa delante del capacitor no regulado como un circuito convertidor elevador o boost.
Figura 3
El objetivo es dar forma a la corriente de entrada de una manera sinusoidal, en fase con la tensión sinusoidal de entrada. Se genera una referencia sinusoidal interna. Esta referencia se compara con la señal externa, y cuando el error es demasiado grande, el MOSFET se apaga. Entonces, cuando la corriente llega a cero, el MOSFET se enciende de nuevo. El modo de transición tiene un período de tiempo ENCENDIDO fijo y tiene una curva como muestra la Figura 4.
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Figura 4 : forma de onda de la corriente del inductor y temporización MOSFET: modo de transición
El sistema funciona (no exactamente, pero sí aproximadamente) en el límite entre el modo de corriente continua y discontinua, y es por eso que este sistema se denomina modo de transición PFC. La corriente tiene grandes amplitudes y la corriente pico es el doble de la corriente promedio. Por lo tanto, en el caso de la potencia alta, es necesario obtener una corriente más parecida a una curva de onda sinusoidal. El modo de conducción continua es la solución, la aplicación de una frecuencia fija que limite las variaciones de la corriente como muestra la figura 5. Este es el diseño más complejo, pero es posible alcanzar un factor de potencia de 0,99.
Figura 5 : forma de onda de la corriente del inductor y temporización MOSFET: modo de conducción continua
Existen más métodos, como el tiempo fijo de apagado (FOT) que comprueba dónde ocurre la modulación durante el tiempo de encendido. En algunas condiciones, puede proporcionar resultados similares al modo de corriente continua pero con una implementación similar al modo de transición. Cuando la potencia se debe aumentar y un único modo de transición ya no es suficiente, un PFC intercalado puede ser la solución. Este tipo de solución utiliza más componentes pero puede ser mucho más fácil de diseñar.