In rete, la potenza elettrica viene fornita con un segnale CA. In condizioni perfette, il carico dovrebbe essere puramente resistivo, ma a causa dei motori nelle fabbriche e nelle abitazioni, il carico è, al contrario, induttivo.
Tra la potenza nella rete e la potenza nel carico compare una differenza di fase. Può essere semplice come un circuito RL, illustrato dalla figura 1, dove le potenze sono chiamate potenza reale, potenza reattiva e potenza apparente.
Figura 1
La potenza reattiva rappresenta l'energia elettrica immagazzinata nella bobina che poi fluisce nuovamente verso la rete. Le bobine ideali non consumano energia elettrica, ma creano corrente elettrica in misura significativa. La potenza reale corrisponde alla potenza effettivamente consumata a causa del carico resistivo, mentre la potenza apparente è la potenza che la griglia deve essere in grado di sopportare. La potenza reale si misura in watt, mentre la potenza apparente in VA (voltampere)
Generalmente si utilizza l'analogia con un bicchiere di birra e la schiuma della stessa birra. Il potere reale corrisponde a ciò che viene effettivamente bevuto. Il bicchiere corrisponde alla potenza apparente e deve essere tanto ampio da contenere sia la parte liquida che la schiuma.
Il problema relativo alla potenza reattiva non è solo tecnico, ma potrebbe comportare, potenzialmente, ampie conseguenze economiche. Un'azienda di utility, infatti, deve costruire una rete in grado di trasportare l'energia apparente, ma addebitare solo i costi della potenza reale. Una differenza troppo ampia tra le due sarebbe insostenibile. La proporzione tra potenza reale e apparente è nota come fattore di potenza. Il fattore di potenza deve essere quanto più possibile vicino a uno. I componenti elettronici, chiamati correttori del fattore di potenza, aiutano a risolvere tale problema. I governi approvano di tanto in tanto nuovi regolamenti per i dispositivi elettronici, affinché gli stessi debbano rispettare norme sempre più stringenti per ottenere una buona etichettatura energetica.
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I convertitori CA-CC convenzionali generalmente impiegano un raddrizzatore di ponte a onda intera con un filtro condensatore semplice per attingere energia dalla linea CA. Di conseguenza, la forma d'onda della corrente di linea è un impulso breve, mentre il fattore di potenza è scarso (0,5 - 0,6), a causa dell'alta distorsione armonica della corrente (vedere Figura 2)
Figura 2
Per migliorare il correttore del fattore di potenza esistono vari metodi. Per basse potenze, è generalmente sufficiente una soluzione passiva con componenti discrete. Come detto in precedenza, il carico è nella maggior parte dei casi induttivo e un condensatore in parallelo migliora il Fattore di potenza. Quando le applicazioni necessitano di qualche decina di watt, è necessario un PFC attivo. La topologia più diffusa è quella boost, che è possibile differenziare in due sottocategorie:
- Modalità transizione (TM) o Funzionamento in modalità critica (CrM) per una gamma che va da alcune decine fino a centinaia di watt
- Funzionamento in modalità continua (TM) per una gamma che va da alcune centinaia fino diverse migliaia di watt.
La figura 3 illustra la fase PFC implementata sulla parte anteriore del condensatore bulk come un circuito convertitore boost.
Figura 3
Lo scopo è modellare la corrente in ingresso in maniera sinusoidale, in fase con la tensione sinusoidale in ingresso. Viene generata una referenza sinusoidale interna. Tale referenza viene comparata al segnale esterno e, quando l'errore è troppo ampio il MOSFET viene spento. In seguito, quando la corrente arriva a zero, il MOSFET viene nuovamente acceso. La modalità transizione ha un periodo ON fisso e mostra una curva analoga a quella illustrata dalla Figura 4.
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Figura 4 : Timing del MOSFET e forma d'onda della Corrente nell'induttore : Modalità transizione
Il sistema aziona il confine tra le modalità di corrente discontinua e continua (non è esattamente vero, ma va più o meno così), ragion per cui il sistema viene chiamato Modalità transizione PFC. La corrente è molto ampia e i picchi corrispondono al doppio della corrente media. Per questo motivo, quando si ha a che fare con alta potenza, è necessario che la corrente sia il più possibile simile a una curva sinusoidale. La soluzione è rappresentata dal Funzionamento in modalità continua, che applica una frequenza fissa in grado di limitare le variazioni di corrente, come illustrato dalla figura 5 Questo è il design più complesso, ma permette di raggiungere un fattore di potenza dello 0,99.
Figura 5 : Timing del MOSFET e forma d'onda della Corrente nell'induttore : Funzionamento in modalità continua
Esistono altri metodi, come il Fixed Off Time (FOT - periodo off fisso), dove la modulazione avviene durante il periodo On. In determinate condizioni, può offrire risultati simili alla Modalità corrente continua ma con un'implementazione simile alla Modalità transizione. Quando è necessario aumentare la potenza e una Modalità transizione singola non è più sufficiente, la soluzione può essere rappresentata da un PFC interfogliato. Questo tipo di soluzione utilizza più componenti ma può essere molto più semplice da progettare.