¿Por qué es importante el factor de potencia al medir la eficiencia?

Conceptos básicos de factor de potencia y eficiencia

Los ingenieros que trabajan con suministros externos (EP) no son ajenos a las mediciones de eficiencia. Sin embargo, dado que sus aplicaciones generalmente operan en alimentos de CC, se pueden cometer errores comunes al medir la energía en el lado de CA de la fuente de alimentación. Estas trampas comunes incluyen medir incorrectamente o ignorar completamente el factor de potencia al calcular la potencia de entrada de potencia, lo que resulta en mediciones de eficiencia incorrectas. Revisemos los conceptos básicos del factor de potencia y la eficiencia y luego brindemos orientación sobre cómo incluir el factor de potencia al medir la CA. Eficiencia energética de DC.

Factor de potencia y eficiencia, una revisión

La eficiencia ( η ) es la relación de potencia de salida a la potencia de entrada:

Ecuación 1: Eficiencia

En el contexto de una fuente de alimentación externa (EPS) que trata con la corriente continua, la potencia de salida se calcula simplemente multiplicando el voltaje de salida por la corriente de salida al proporcionar rápidamente el numerador a la ecuación.

Calculando la potencia de salida

Calcular la potencia de salida de un EPS, que es DC, es simplemente el voltaje de salida multiplicado por la corriente de salida:

Ecuación 2: potencia de salida

La ecuación 2 calcula la potencia de salida de corriente continua (DC) (P_DC) de una fuente de alimentación eléctrica (EPS) multiplicando el voltaje de salida (V_DC) por la corriente de salida (I_DC), lo que resulta en la potencia medida en Watts (W).

Comprensión del factor de potencia

Un error común es aplicar este mismo cálculo para obtener la potencia de entrada. Esto presenta un problema porque el producto Volt-Ampere en los circuitos de CA no siempre es igual a la potencia real y, de hecho, en el caso de adaptadores externos, el producto Volt-Ampere nunca igualará la potencia real. En los circuitos de CA, el producto Volt-Ampere es igual a las potencias aparentes, que está relacionada con el POW-ER real a través de un término llamado factor de potencia (PF):

Ecuación 3: poder aparente

La ecuación 3 calcula las potencias aparentes en Volt-Amperes (VA) multiplicando el voltaje medio (RMS) de la raíz (VRMS) con la corriente RMS (IRMS).

Factor de potencia definitorio

Por definición, el factor de potencia es la relación de potencia real con potencia aparente, donde la potencia aparente es el producto del voltaje RMS y la corriente RMS. Solo cuando el factor de potencia es igual a 1, el producto Volt-Ampere es igual a la potencia real:

Ecuación 4: Factor de potencia

Factor de potencia de medición

La mejor manera de medir el factor de potencia es usar un medidor de potencia como el que se muestra en la Figura 1 a continuación. Estos dispositivos generarán la potencia real directamente, por lo que no es necesario considerar el factor de potencia al calcular la eficiencia. Además del poder real, estos medidores pueden medir el factor de potencia, el THD, la corriente para cada armónico y más. Si bien los adaptadores externos de baja potencia no tienen el factor de potencia definido o los límites armónicos, los suministros de energía más altos tienen límites regulatorios específicos en el contenido armónico y el factor de potencia. Los estándares, como EN 61000-3-2 especifican límites en la corriente armónica hasta el 39º armónico, para ciertos niveles de potencia. Al medir la corriente armónica de una fuente de alimentación, un medidor de energía es esencial.

Figura 1: Medidor de potencia WT210 que muestra las mediciones correspondientes a las formas de onda

Factor de potencia en suministros de energía

Puede pensar que el impacto de omitir el factor de potencia dará como resultado solo un ligero error y/o que el factor de potencia de un adaptador externo no puede ser tan malo. De hecho, sin la corrección del factor de potencia, el factor de potencia de un adaptador externo podría ser fácilmente tan bajo como 0.5 a una carga nominal. Un adaptador con un factor de potencia de 0.5 tendrá un poder aparente el doble que el poder real, lo que conduce a resultados incorrectos. Incluso si la fuente de alimentación tuviera una eficiencia real del 100%, esta medición solo mostraría el 50%.

Además de la inclusión general del factor de potencia en los cálculos de eficiencia, es importante tener en cuenta que el factor de potencia depende de la línea y la carga. Los requisitos de eficiencia, como el Nivel VI del DOE, requieren que la eficiencia se mida en varios puntos (25%, 50%, 75%y 100%de carga) a voltajes de línea alta y baja. Si el factor de potencia se usa en el cálculo de la potencia real, entonces debe volver a medirse para cada una de estas condiciones.

Medidores de energía para pruebas de eficiencia precisas

Las décadas de regulación creciente han hecho de la prueba de eficiencia uno de los factores más importantes en la selección y calificación de las fuentes de alimentación. La falta de experiencia en el tratamiento de los circuitos de CA puede llevar a los ingenieros de las pruebas a omitir o calcular incorrectamente el factor de potencia, lo que resulta en números de eficiencia incorrectos. Al probar adaptadores externos, o cualquier fuente de alimentación AC-DC, el mejor método para calcular la entrada de energía real es mediante el uso de un medidor de potencia. Estos dispositivos no solo miden la potencia real directamente, sino que pueden medir la corriente asociada con los armónicos individuales y proporcionar una imagen completa de la entrada de la fuente de alimentación.

El factor de potencia está en la lista de inquietudes para los diseñadores de prácticamente todos los dispositivos que extraen una potencia significativa de un zócalo de la red, así como para los ingenieros en sectores eléctricos pesados. Se debe considerar el objetivo del factor de potencia, basado en la legislación, la eficiencia, el costo de los componentes y el espacio de volumen/junta.

Kspower ha diseñado la corrección del factor de potencia activo en la gran mayoría de sus suministros de energía AC-DC clasificados a 10 5 W y arriba para ayudar a aliviar la implementación y garantizar el cumplimiento de los OEM.