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

Conceptos básicos del factor de potencia y la eficiencia

Los ingenieros que trabajan con fuentes de alimentación externas (EPS) están familiarizados con las mediciones de eficiencia. Sin embargo, dado que sus aplicaciones suelen funcionar con fuentes de alimentación de CC, se pueden cometer errores comunes al medir la potencia en el lado de CA de la fuente de alimentación. Estos errores comunes incluyen medir incorrectamente o ignorar por completo el factor de potencia al calcular la potencia de entrada, lo que resulta en mediciones de eficiencia incorrectas. Revisemos los conceptos básicos del factor de potencia y la eficiencia y luego proporcionaremos orientación sobre cómo incluir el factor de potencia al medir la eficiencia de la potencia de CA a CC.

Factor de potencia y eficiencia, una revisión

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

Ecuación 1: Eficiencia

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

Cálculo de la potencia de salida

Calcular la potencia de salida de una EPS, que es CC, 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 (CC) (P_cc) de una fuente de alimentación eléctrica (EPS) multiplicando el voltaje de salida (V_cc) por la corriente de salida (I_cc), lo que resulta en la potencia medida en vatios (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 voltio-amperio en los circuitos de CA no siempre es igual a la potencia real y, de hecho, en el caso de los adaptadores externos, el producto voltio-amperio nunca será igual a la potencia real. En los circuitos de CA, el producto voltio-amperio es igual a la potencia aparente (S), que está relacionada con la potencia real a través de un término llamado Factor de Potencia (FP):

Ecuación 3: Potencia aparente

La ecuación 3 calcula la potencia aparente (S) en voltio-amperios (VA) multiplicando el voltaje de valor eficaz (rms) (Vrms) con la corriente de valor eficaz (rms) (Irms).

Definición del factor de potencia

Por definición, el factor de potencia es la relación entre la potencia real y la potencia aparente, donde la potencia aparente es el producto del voltaje eficaz y la corriente eficaz. Solo cuando el factor de potencia es igual a 1, el producto voltio-amperio es igual a la potencia real:

Ecuación 4: Factor de potencia

Medición del factor de potencia

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 emitirán la potencia real directamente, por lo que no es necesario considerar el factor de potencia al calcular la eficiencia. Además de la potencia real, estos medidores pueden medir el factor de potencia, la THD, la corriente para cada armónico y más. Si bien los adaptadores externos de baja potencia no tienen límites de factor de potencia o armónicos definidos, las fuentes de alimentación de mayor potencia sí tienen límites regulatorios específicos sobre el contenido armónico y el factor de potencia. Las normas, como la EN 61000-3-2, especifican límites en la corriente armónica hasta e incluyendo el 39º armónico, para ciertos niveles de potencia. Al medir la corriente armónica de una fuente de alimentación, un medidor de potencia es esencial.

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

Factor de potencia en fuentes de alimentación

Puede pensar que el impacto de omitir el factor de potencia resultará en 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 una potencia aparente el doble de la potencia real, lo que conducirá 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 DoE Level VI, exigen que la eficiencia se mida en varios puntos (25%, 50%, 75% y 100% de carga) tanto a voltajes de línea altos como bajos. Si el factor de potencia se utiliza en el cálculo de la potencia real, entonces debe volver a medirse para cada una de estas condiciones.

Medidores de potencia para pruebas de eficiencia precisas

Décadas de regulación creciente han hecho que las pruebas de eficiencia sean uno de los factores más importantes para seleccionar y calificar las fuentes de alimentación. La falta de experiencia en el manejo de circuitos de CA puede llevar a los ingenieros de prueba 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 de CA a CC, el mejor método para calcular la potencia de entrada real es mediante el uso de un medidor de potencia. Estos dispositivos no solo miden la potencia real directamente, sino que también 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 preocupaciones para los diseñadores de prácticamente todos los dispositivos que consumen una cantidad significativa de energía de una toma de corriente, así como para los ingenieros de los sectores eléctricos pesados. El objetivo del factor de potencia, basado en la legislación, más la eficiencia, el costo de los componentes y el espacio de volumen/placa deben ser considerados.

KSPOWER ha diseñado la corrección activa del factor de potencia en la gran mayoría de sus fuentes de alimentación de CA a CC con una potencia nominal de 105 W y superior para facilitar la implementación y garantizar el cumplimiento de los OEM.