carga no lineal (rectificador) y factor de potencia

Leí que el factor de potencia muestra cuánto hay la potencia aparente, que circula entre las líneas eléctricas y la carga y no hace nada más que calentar las líneas de transmisión y los transformadores en ellas. Dicen que esto se debe a que la corriente está desfasada con el voltaje. Particularmente, la potencia fluye fuera de la carga cuando el voltaje es positivo pero la corriente es negativa.

Además, veo que el rectificador de diodos se conduce solo en los momentos breves de tensión máxima, cuando la tensión de entrada supera la tensión de carga (los rectificadores tienen un condensador de salida = tensión de carga). Entonces, todo el poder se consume durante estas ráfagas cortas. Leí un artículo que dice que las personas no entienden nada y que todo el problema no es el factor de potencia sino estas explosiones que sobrecargan los transformadores en las líneas eléctricas (no está permitido generar grandes corrientes en los transformadores debido al peligro de pérdida de magnetización). Pero, cuando consumes toda la energía durante una fracción muy pequeña del seno, sucede una gran corriente. Obviamente, la corriente no es proporcional al voltaje como debería en la carga de referencia (resistencia) con factor de potencia de 1. ¡Pero no veo ninguna potencia negativa aquí! El rectificador impide tener voltaje de entrada positivo y corriente negativa. Toda la corriente es positiva bajo el pico de voltaje positivo. Entonces, ¿cómo produce la carga no lineal la potencia aparente?

En otras palabras, Wikipedia dice http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#Power_factor

Las fuentes de alimentación simples en modo conmutado fuera de línea incorporan un rectificador de onda completa simple conectado a un condensador de almacenamiento de energía grande. Tales SMPS extraen corriente de la línea de CA en pulsos cortos cuando el voltaje instantáneo de la red excede el voltaje a través de este condensador. Durante la parte restante del ciclo de CA, el condensador proporciona energía a la fuente de alimentación.

Como resultado, la corriente de entrada de tales fuentes de alimentación conmutadas básicas tiene un alto contenido de armónicos y un factor de potencia relativamente bajo.

¿Cómo concluyen que el contenido armónico produce el factor de baja potencia? ¿De dónde viene el poder aparente?

Entiendo que la corriente tiene armónicos (componentes de frecuencia), lo que significa que oscila hacia adelante y hacia atrás mientras el voltaje permanece de polaridad única. Puede ser que estas oscilaciones de corriente de alta frecuencia produzcan la potencia aparente. Sin embargo, el flujo neto sigue siendo positivo, la corriente todavía fluye solo en una dirección, correspondiente a la polaridad del voltaje y las oscilaciones no hacen que fluya en la dirección opuesta para causar la potencia aparente.

El punto que parece faltar es que no requiere la transferencia de energía del dispositivo de regreso a la línea de alimentación durante parte del ciclo de alimentación para tener un factor de potencia menor que la unidad.

Hay varias formas de ver qué es realmente el factor de potencia, aunque todas resultan matemáticamente iguales. Una forma es la relación de potencia real entregada al producto en relación con el voltaje y la corriente RMS. Si la corriente es un seno (consideremos el voltaje siempre un seno en este caso, ya que la línea de alimentación tiene una impedancia tan baja), entonces tiene un factor de potencia unitario cuando está en fase con el voltaje, y 0 cuando 90 grados fuera de fase. En el caso de un seno, la energía tiene que fluir de regreso a la línea durante parte del ciclo para tener un factor de potencia menor que la unidad.

Sin embargo, muchas otras formas de onda son posibles. Puede tener una corriente que siempre es 0 o positiva cuando el voltaje es positivo, o 0 o negativa cuando el voltaje es negativo, pero eso no es un seno. Los picos que mencionas causados ​​por un puente de onda completa son un buen ejemplo. La potencia nunca fluye de regreso a la línea de alimentación, pero el factor de potencia es menor que 1. Haga algunos ejemplos y calcule la corriente RMS que genera un puente de onda completa. Verá que la potencia real total extraída de la línea de alimentación es menor que la corriente RMS multiplicada por el voltaje de la línea de alimentación (de nuevo, suponemos que el voltaje de la línea de alimentación es siempre un seno).

Otra forma de pensar en esto es que las pérdidas en el sistema de transmisión son proporcionales al cuadrado de la corriente. El puente de onda completa dibuja su corriente en espigas cortas de gran magnitud. Debido a la naturaleza cuadrática de las pérdidas, esto es peor que la misma corriente promedio extraída más extendida. Si calcula las matemáticas, se da cuenta de que la forma de minimizar el cuadrado promedio de la corriente es hacer que la corriente sea un seno en fase con el voltaje. Esa es la única forma de lograr la unidad de poder fator.

Otra forma de ver esto, a la que aludiste, es pensar en la expansión de Fourier de la corriente. Asumimos alguna forma de onda actual que repite cada ciclo de línea de alimentación, por lo que tiene una serie de Fourier. Cualquiera de estas formas de onda repetitivas puede expresarse como la suma de una serie de ondas sinusoidales a la frecuencia de la línea de potencia y sus múltiplos enteros positivos. Por ejemplo, con una potencia de 60 Hz, la forma de onda es una suma de senos a 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, etc. La única pregunta es cuál es la amplitud y el cambio de fase de cada uno de estos armónicos. Debería ser obvio que solo el fundamental (el componente de 60 Hz en este ejemplo) es capaz de extraer cualquier potencia neta de la línea de alimentación, y que solo en la medida en que esté en fase con el voltaje. Como todos los componentes son senos, cada uno extraerá energía durante parte del ciclo y devolverá la misma potencia en otra parte del ciclo, excepto por el componente en fase del fundamental. Por lo tanto, su forma de ver el factor de potencia como tener que devolver la energía durante parte del ciclo es válido si divide la forma de onda actual en componentes de onda sinusoidal. Sin embargo, es posible tener un conjunto de componentes de onda sinusoidal que toman y devuelven energía a la línea de alimentación en diferentes momentos, de modo que la red de todos los componentes en cualquier momento sea cero o positiva. La corriente de puente de onda completa es un ejemplo de tal forma de onda. Es posible tener un conjunto de componentes de onda sinusoidal que toman y devuelven energía a la línea de alimentación en diferentes momentos, de modo que la red de todos los componentes en cualquier momento sea cero o positiva. La corriente de puente de onda completa es un ejemplo de tal forma de onda. Es posible tener un conjunto de componentes de onda sinusoidal que toman y devuelven energía a la línea de alimentación en diferentes momentos, de modo que la red de todos los componentes en cualquier momento sea cero o positiva. La corriente de puente de onda completa es un ejemplo de tal forma de onda.