Corriente CA de entrada de una fuente de alimentación principal: cómo se define

El factor de potencia es la relación de la potencia real dividida por el producto del voltaje RMS y la corriente RMS.

Piensa en lo que dice. Tenga en cuenta que la potencia real NO es solo el voltaje multiplicado por la corriente, cada uno medido por separado. Supongamos que tiene un dispositivo y desea saber cuánta energía consume. Pones un voltímetro en su entrada y obtienes 115 V CA. Luego cambia a una escala de corriente, pone el medidor en serie y mide 300 mA CA. A primera vista, podría pensar que la potencia es (115 V)(300 mA) = 34,5 W, pero resulta que ese es solo el límite superior. El poder real puede ser cualquier cosa desde eso hasta 0.

¿Cómo puede ser esto? Imagínese si el dispositivo es un condensador. En ese caso, el voltaje y la corriente están desfasados ​​90°. Durante la mitad del ciclo, el producto del voltaje instantáneo y la corriente instantánea es positivo y se transfiere energía real al dispositivo. Sin embargo, durante el siguiente medio ciclo, ese producto es negativo y la misma energía se transfiere nuevamente. Durante un ciclo completo, la potencia neta promedia 0.

Por otro lado, si el dispositivo es una resistencia, el voltaje y la corriente siempre son proporcionales entre sí. En el caso de una resistencia, en realidad recibe 34,5 W de la línea de CA y se calentará en consecuencia.

Solo en el caso de ondas sinusoidales puras , puede observar el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente para tener una idea de qué fracción de la potencia máxima posible se está transfiriendo realmente. Sin embargo, muchos dispositivos del mundo real no cooperan y consumen corriente en buenas ondas sinusoidales. Necesitamos una forma más general de medir esta "fracción de potencia máxima que realmente obtienes".

La forma general es hacer precisamente eso. La potencia máxima que puede obtener es el voltaje RMS multiplicado por la corriente RMS. Lo normalizaremos y lo llamaremos 1.0. Por lo tanto, la potencia real estará entre 0 y 1,0 en esta escala normalizada. Eso es exactamente lo que es el factor de potencia.

Entonces, ¿cómo se mide el poder real? La potencia es el voltaje multiplicado por la corriente, pero no se puede promediar el voltaje y la corriente antes del producto. Para obtener la potencia real, debe multiplicar el voltaje instantáneo y la corriente, luego promediar.

Esto es exactamente lo que hacen los medidores de potencia reales. Los viejos medidores eléctricos mecánicos con el disco giratorio en la esquina de su casa funcionan según el principio de que la fuerza magnética entre dos electroimanes es el producto de la corriente a través de cada uno. Esto realmente funciona en los cuatro cuadrantes. Si las dos corrientes tienen la misma polaridad, los electroimanes se atraen. Si la polaridad de uno se invierte, entonces se repelen.

La capacidad de los electroimanes para realizar una multiplicación de cuatro cuadrantes se aprovecha al impulsar uno con el voltaje, el otro con la corriente y luego usarlos para implementar un motor. La fuerza que impulsa el motor en cualquier caso es la corriente multiplicada por el voltaje. Esto es promediado por la mecánica del motor. Se integra de manera efectiva al realizar un seguimiento del número total de vueltas del motor, no solo de la velocidad instantánea. Los diversos diales en el medidor eléctrico son solo el motor reducido, cada uno por un factor de 10 del anterior. Los dígitos señalados por cada dial muestran las vueltas totales del motor, que es la energía total que el medidor ha visto pasar. Al restar la lectura actual de la lectura del mes pasado, la compañía eléctrica sabe cuánta energía usó ese mes y, por lo tanto, cuánto debe facturarle.

Los medidores eléctricos modernos usan microcontroladores que leen el voltaje y la corriente instantáneos muchas veces durante un ciclo de línea eléctrica. Cada par de lectura se multiplica para obtener la potencia instantánea y luego se acumula para obtener la energía total. Para no dejarse engañar por una corriente muy puntiaguda, debe hacer un buen trabajo al medir los primeros 100 o más armónicos al menos. Eso significa que para una potencia de 60 Hz, desea resolver al menos componentes de 6 kHz. Afortunadamente, los microcontroladores modernos pueden superar eso con bastante facilidad.

Está suponiendo que el factor de potencia está totalmente definido por Cos($\phi$) dónde$\phi$es el cambio de fase entre la corriente y el voltaje. Ese no es el panorama general. El factor de potencia (en el mundo real) se define por: -

En ingeniería eléctrica, el factor de potencia de un sistema eléctrico de CA se define como la relación entre la potencia real que fluye hacia la carga y la potencia aparente en el circuito.

Tomado de wiki . En otras palabras, cuando se trata de inductores, capacitores y resistencias perfectos PF = Cos($\phi$) pero, si se trata de cargas reales no es igual a Cos($\phi$).

El cambio de fase es otra causa del bajo factor de potencia, no la única causa.

Los bajos factores de potencia que ve se deben principalmente a los picos de corriente que cargan el capacitor. el condensador introduce un pequeño cambio de fase, pero eso no es responsable de una gran reducción en el factor de potencia.

los picos tienen un gran impacto, por ejemplo:

Corriente de 1 A pulsada al 10 % del ciclo de trabajo (onda cuadrada)

la corriente media es 100mA

La corriente RMS es sqrt(0.1)A = 316mA,

factor de potencia es de aproximadamente 32%