La norma EN 61000-3-2 establece cuatro clases de equipos, cada una con sus propios límites de emisión de armónicos:
Clase D: televisores, ordenadores personales y monitores que consumen
Clase C: equipos de iluminación
Clase B: herramientas portátiles
Clase A: todo lo demás
Los equipos de las clases A y B tienen límites absolutos de armónicos independientemente de la potencia de entrada. Los equipos de clase C tienen límites expresados como porcentaje de la corriente de 50 Hz consumida. Los equipos de clase D tienen límites que son proporcionales a la potencia de red consumida. Los equipos clasificados en las clases C y D normalmente requerirán una fuente de alimentación que incorpore corrección activa del factor de potencia.
Proceso de rectificación y funcionamiento del condensador de almacenamiento
En el diagrama siguiente, la forma de onda de la tensión de CA entrante se identifica como VLINE. La línea punteada representa la tensión de CA rectificada tras el puente rectificador.
El condensador de almacenamiento se carga durante el ángulo de conducción y se descarga lentamente a través de la etapa de potencia de la fuente de alimentación (VCAP). Tan pronto como la tensión de la onda sinusoidal de entrada cae por debajo de la tensión del condensador de almacenamiento, el diodo del rectificador en puente se polariza en inverso y no fluye corriente hasta que la onda sinusoidal rectificada entrante vuelve a ser superior a la tensión del condensador de almacenamiento. El ángulo de conducción suele ser de 2-3 ms.
La compleja forma de onda de la corriente de entrada genera los armónicos que preocupan al generador de energía. Los armónicos contribuyen a la potencia aparente (la potencia real y la potencia aparente se tratan más adelante con mayor detalle). La forma de onda de corriente mostrada dará lugar a un factor de potencia de alrededor de 0,5-0,6.
¿Por qué es un problema la distorsión armónica?
La empresa suministradora debe proporcionar la tensión y toda la corriente, aunque parte de esta no se convierta en potencia de salida útil. La empresa no tiene forma de cobrar por la corriente adicional, ya que la energía se factura en kWh.
El efecto combinado de millones de fuentes de alimentación es recortar la tensión de CA, ya que toda la corriente se consume en el pico de la onda sinusoidal. Los conductores de potencia deben dimensionarse para soportar la corriente adicional causada por el bajo factor de potencia. Los conductores neutros pueden sobrecalentarse porque normalmente no están dimensionados para transportar todas las corrientes harmónicas, que no existen en cargas con un factor de potencia alto.
¿Qué es la corrección pasiva del factor de potencia?
Para cumplir con la legislación sobre distorsión armónica, existen dos soluciones principales disponibles para las fuentes de alimentación. Trataremos primero la corrección pasiva del factor de potencia, que normalmente implica la adición de un inductor o una resistencia de frecuencia de línea en la línea de CA. El efecto del inductor es aplanar la forma de onda de la corriente, ya que el inductor es un componente reactivo que se resiste al cambio de corriente. El efecto de la resistencia es reducir la corriente de pico. Cuanto más suave sea la forma de onda de la corriente, menor será la distorsión armónica.
¿Cuándo es adecuada la corrección pasiva del factor de potencia?
La corrección pasiva del factor de potencia es una solución muy sencilla, pero hay que tener en cuenta sus ventajas y desventajas. No resulta práctica en fuentes de alimentación de más de 300 W debido al tamaño de los componentes necesarios para proporcionar la inductancia adecuada a 50/60 Hz y mantener las pérdidas resistivas lo suficientemente bajas. Esta solución no es adecuada para aplicaciones de iluminación, informática personal o televisión en color, pero sí es una solución viable para equipos de Clase A.
La figura 4 muestra una medición en tiempo real de la corrección pasiva del factor de potencia y los niveles de corriente armónica.
Corrección activa del factor de potencia
La segunda solución a considerar es la corrección activa del factor de potencia. Esta utiliza un convertidor elevador que funciona a alta frecuencia para controlar electrónicamente la forma de onda de la corriente de entrada. Se supervisa la tensión de CA entrante y se utiliza como referencia para determinar la anchura de cada pulso de la corriente conmutada de alta frecuencia.
La corriente se extrae en una serie de pulsos a unos 100 kHz, lo que equivale a 2000 pulsos por ciclo de la tensión de red.
El filtro EMC de paso bajo capta el componente de alta frecuencia y lo elimina, de modo que la corriente que ve la red eléctrica es sinusoidal. El sistema regula la salida de CC a aproximadamente 400 VCC. El diagrama siguiente muestra la medición en tiempo real de la corrección activa del factor de potencia.
Comparación entre la corrección pasiva y la activa del factor de potencia
La corrección pasiva del factor de potencia ofrece simplicidad y fiabilidad, al tiempo que contribuye a reducir el ruido (EMI) y ayuda con el filtrado. Sin embargo, presenta desventajas como la necesidad de componentes pesados y voluminosos, la conmutación del rango de CA y una tendencia a un factor de potencia más bajo. Estos y otros factores pueden limitar el uso de múltiples fuentes de alimentación dentro de un sistema.
Por otro lado, la corrección activa del factor de potencia proporciona un factor de potencia elevado (>0,9), una corriente de entrada baja y compatibilidad con entradas universales. También garantiza un bus de alta tensión regulado, un tiempo de mantenimiento que depende menos de la tensión de entrada y la capacidad de utilizar múltiples fuentes de alimentación. Sin embargo, conlleva mayores costes, una mayor complejidad, un mayor número de componentes y un tiempo medio entre fallos (MTBF) calculado potencialmente más bajo.
Resumen
La gestión de las corrientesharmónicas en las fuentes de alimentación es esencial para garantizar el cumplimiento de la normativa, mantener la calidad de la energía y mejorar la eficiencia energética. Además, permite reducir los problemas relacionados con las interferencias electromagnéticas (EMI), prolongar la vida útil de los equipos y controlar los costes operativos.
Autor: Kent Smith, XP Power - https://www.xppower.com
