Perché il fattore di potenza è importante quando si misura l'efficienza?

Nozioni di base sul fattore di potenza e sull'efficienza

Gli ingegneri che lavorano con alimentatori esterni (EPS) hanno familiarità con le misurazioni dell'efficienza. Tuttavia, poiché le loro applicazioni operano tipicamente con alimentatori CC, si possono commettere errori comuni quando si misura la potenza sul lato CA dell'alimentatore. Questi errori comuni includono la misurazione errata o l'ignorare completamente il fattore di potenza quando si calcola la potenza in ingresso, con conseguenti misurazioni errate dell'efficienza. Rivediamo le nozioni di base sul fattore di potenza e sull'efficienza e poi forniamo indicazioni su come includere il fattore di potenza quando si misura l'efficienza CA. CC.

Fattore di potenza ed efficienza, una revisione

L'efficienza (η) è il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso:

Equazione 1: Efficienza

Nel contesto di un alimentatore esterno (EPS) che tratta con corrente continua, la potenza in uscita viene calcolata semplicemente moltiplicando la tensione in uscita per la corrente in uscita fornendo rapidamente il numeratore all'equazione.

Calcolo della potenza in uscita

Il calcolo della potenza in uscita di un EPS, che è in CC, è semplicemente la tensione in uscita moltiplicata per la corrente in uscita:

Equazione 2: Potenza in uscita

L'equazione 2 calcola la potenza in uscita in corrente continua (CC) (P_cc) di un alimentatore elettrico (EPS) moltiplicando la tensione in uscita (V_cc) per la corrente in uscita (I_cc), ottenendo la potenza misurata in watt (W).

Comprensione del fattore di potenza

Un errore comune è quello di applicare lo stesso calcolo per ottenere la potenza in ingresso. Questo presenta un problema perché il prodotto volt-ampere nei circuiti CA non è sempre uguale alla potenza reale e, infatti, nel caso di adattatori esterni, il prodotto volt-ampere non sarà mai uguale alla potenza reale. Nei circuiti CA, il prodotto volt-ampere è uguale alla potenza apparente (S), che è correlata alla potenza reale attraverso un termine chiamato Fattore di potenza (FP):

Equazione 3: Potenza apparente

L'equazione 3 calcola la potenza apparente (S) in volt-ampere (VA) moltiplicando la tensione efficace (rms) (Vrms) con la corrente efficace (rms) (Irms).

Definizione del fattore di potenza

Per definizione, il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza reale e la potenza apparente, dove la potenza apparente è il prodotto della tensione efficace e della corrente efficace. Solo quando il fattore di potenza è uguale a 1, il prodotto volt-ampere è uguale alla potenza reale:

Equazione 4: Fattore di potenza

Misurazione del fattore di potenza

Il modo migliore per misurare il fattore di potenza è utilizzare un misuratore di potenza come quello mostrato nella Figura 1 di seguito. Questi dispositivi emettono direttamente la potenza reale, quindi il fattore di potenza non deve essere considerato quando si calcola l'efficienza. Oltre alla potenza reale, questi misuratori possono misurare il fattore di potenza, la THD, la corrente per ogni armonica e altro ancora. Mentre gli adattatori esterni a bassa potenza non hanno limiti di fattore di potenza o armoniche definiti, gli alimentatori a potenza più elevata hanno limiti normativi specifici sul contenuto armonico e sul fattore di potenza. Standard, come EN 61000-3-2, specificano limiti sulla corrente armonica fino alla 39a armonica inclusa, per determinati livelli di potenza. Quando si misura la corrente armonica di un alimentatore, un misuratore di potenza è essenziale.

Figura 1: Misuratore di potenza WT210 che mostra le misurazioni corrispondenti alle forme d'onda

Fattore di potenza negli alimentatori

Si potrebbe pensare che l'impatto dell'omissione del fattore di potenza si traduca solo in un leggero errore e/o che il fattore di potenza di un adattatore esterno non possa essere così negativo. In effetti, senza la correzione del fattore di potenza, il fattore di potenza di un adattatore esterno potrebbe facilmente essere basso come 0,5 a un carico nominale. Un adattatore con un fattore di potenza di 0,5 avrà una potenza apparente doppia rispetto alla potenza reale, portando quindi a risultati errati. Anche se l'alimentatore avesse un'efficienza reale del 100%, questa misurazione mostrerebbe solo il 50%.

Oltre all'inclusione generale del fattore di potenza nei calcoli dell'efficienza, è importante notare che il fattore di potenza dipende dalla linea e dal carico. I requisiti di efficienza, come DoE Level VI, richiedono che l'efficienza venga misurata in diversi punti (25%, 50%, 75% e 100% di carico) sia ad alta che a bassa tensione di linea. Se il fattore di potenza viene utilizzato nel calcolo della potenza reale, deve essere rimisurato per ciascuna di queste condizioni.

Misuratori di potenza per test di efficienza accurati

Decenni di crescente regolamentazione hanno reso i test di efficienza uno dei fattori più importanti nella selezione e qualificazione degli alimentatori. La mancanza di esperienza nel trattare con i circuiti CA può portare gli ingegneri di prova a omettere o calcolare in modo errato il fattore di potenza, con conseguenti numeri di efficienza errati. Quando si testano adattatori esterni o qualsiasi alimentatore CA-CC, il metodo migliore per calcolare la potenza in ingresso reale è l'uso di un misuratore di potenza. Questi dispositivi non solo misurano direttamente la potenza reale, ma possono misurare la corrente associata alle singole armoniche e fornire un quadro completo dell'ingresso dell'alimentatore.

Il fattore di potenza è nell'elenco delle preoccupazioni per i progettisti di quasi tutti i dispositivi che assorbono una quantità significativa di energia da una presa di corrente, così come per gli ingegneri nei settori elettrici pesanti. L'obiettivo del fattore di potenza, basato sulla legislazione, più l'efficienza, il costo dei componenti e lo spazio volume/scheda devono essere presi in considerazione.

KSPOWER ha progettato la correzione attiva del fattore di potenza nella stragrande maggioranza dei suoi alimentatori CA-CC con una potenza nominale di 105 W e superiore per facilitare l'implementazione e garantire la conformità per gli OEM.