Cómo (y por qué) determinar el factor de potencia para dispositivos médicos

¿Por qué usamos energía de corriente alterna (CA)? ¿Por qué las compañías eléctricas no distribuyen energía de corriente continua (CC), ya que lo primero que hacemos normalmente con los electrodomésticos modernos es convertir la CA a CC? La respuesta a esas preguntas se remonta a los esfuerzos de por Thomas Edison promocionar su lámpara incandescente y electrificar Nueva York. Los generadores de Edison producían energía de CC, que funcionaba bien para la distribución local, pero requería ya sea cables muy grandes para suministrar cargas a más de unas pocas cuadras de distancia, o una central eléctrica cada pocas cuadras Esto se debe a que, a voltajes prácticos para el uso final, se requerían grandes corrientes para electrificar más que solo un área pequeña. Entra Nikola Tesla, respaldado por George Westinghouse, quien promovió líneas de transmisión de CA de alto voltaje con una subestación de bajo voltaje cada pocas cuadras para distribución local. La diferencia importante era que la subestación solo requería un transformador, mientras que la solución de CC requería una planta de energía de vapor completa. Finalmente, Westinghouse resolvió la guerra que siguió cuando construyó una planta hidroeléctrica en Cataratas del Niagra que pudo suministrar cargas a cientos de millas de distancia. Sin embargo, en los pocos líneas de transmisión punto a punto extremadamente largas, la balanza se inclina hacia el voltaje muy alto Líneas de transmisión de CC (p. ej., la línea eléctrica desde la represa Grand Coulee en el estado de Washington hasta Los Ángeles). La alimentación de CA permitió muchos otros inventos clave para la industrialización, desde el motor de inducción y Balastos para lámparas de descarga de gas para atenuadores de luz y máquinas de afeitar eléctricas. Pero parte del lado oscuro de AC potencia es esta noción de factor de potencia. El voltaje para la alimentación de CC es constante, por lo que no hay fase. asociado a ello; La alimentación de CA es (idealmente) sinusoidal, con el voltaje y la corriente cruzando 0 V en 120 veces por segundo (dos veces por ciclo de 60 Hz). Si la carga (o incluso la línea eléctrica) está ligeramente inductivo o capacitivo, la corriente se retrasará o adelantará al voltaje. La figura 1 muestra un modelo LTspice de una fuente de voltaje de CA de 120 VCA, 60 Hz que acciona un inductor, un resistencia y un capacitor en paralelo. La Figura 2 muestra el resultado de esta simulación con el voltaje de la fuente V(n001), la corriente del inductor I(L1), la corriente del resistor I(R1) y la corriente del capacitor I(C1). Observe que solo la corriente del resistor está en fase con el voltaje, el la corriente del inductor se "retrasa" con respecto al voltaje en 90 grados, mientras que la corriente del capacitor "adelanta" el voltaje en 90 grados. Cómo (y por qué) determinar el factor de potencia El factor de potencia se define clásicamente como el coseno del ángulo entre la raíz cuadrática media (RMS) Voltaje de CA: definido como la cantidad de energía de CA que produce el mismo efecto de calentamiento como alimentación de CC, y la corriente de CA RMS. Para calcular la potencia consumida por una carga de CC, simplemente multiplicar el voltaje en la carga por la corriente a través de ella. , Para calcular la potencia consumida por una carga de CA el producto de la tensión RMS y la corriente debe multiplicarse por el factor de potencia. Si el voltaje y la corriente están en fase (error de fase de 0 grados), el coseno de 0 es 1 y, por lo tanto, el mismo cálculo que DC. Esto ocurre cuando se hace que la carga parezca resistiva. Si la fase el error es de 60 grados, el coseno de 60 es 0,5; solo la mitad del producto de voltaje y corriente es entregado a la carga. Entonces, ¿a dónde va la otra mitad? Esa corriente aún circula por el líneas eléctricas; simplemente no entrega energía útil a la carga. Al descomponer la forma de onda de "potencia aparente" (llamada voltamperios o VA) en sus partes en fase y fuera de fase, a veces denominadas partes "reales" e "imaginarias", respectivamente, la parte en fase (el coeficiente de coseno) se llama potencia (medida en vatios), mientras que la parte desfasada (el coeficiente del seno) se denomina potencia reactiva (medida de voltios-amperios reactivos o VAR). Entonces, el factor de potencia también se puede definir como la potencia real dividida por VA (PF = W/VA). El medidor de vatios en su panel de energía solo mide la energía real, por lo que a los clientes solo se les factura la energía real, pero la empresa de servicios públicos aún tiene que dimensionar su equipo para manejar la corriente total. fluyendo, por lo que se esfuerza por hacer que toda la corriente sea "facturable". Cómo se aplica esto a los dispositivos médicos Pero, ¿por qué es importante todo esto, especialmente si no se le factura por ello? Primero, la utilidad en última instancia, factura a sus clientes todos los gastos, por lo que el costo de corregir el factor de potencia se transfiere a los consumidores En segundo lugar, cada vez más especificaciones de agencias, como EN60601, EN61000 e IEC555, requieren corrección del factor de potencia para dispositivos médicos (a veces denominado control de armónicos de línea eléctrica). Los fabricantes de dispositivos médicos están obligados a proporcionar diversos grados de corrección del factor de potencia en sus productos, dependiendo de la potencia de salida y solicitud. Si estás pensando, “Mi producto no contiene grandes cargas, mucho menos tipos inductivos o capacitivos”, hay una sutileza que asoma su fea cabeza: ese pequeño cambio fuente de alimentación que pone en su producto para cumplir con la eficiencia/amplia requisitos de entrada/tamaño/peso/embalaje introduce su propia variante peculiar de factor de potencia corrupción. Recuerde, un factor de potencia de uno ocurre cuando la carga parece resistiva. Un modo de cambio La fuente de alimentación (SMPS) normalmente rectifica la línea de alimentación y luego carga un condensador grande para almacenar energía durante el tiempo que la onda senoidal de voltaje cae a 0V, hasta que se recupera. Si este capacitor es lo suficientemente grande, almacenará suficiente energía como para que la línea eléctrica se desconecte o se “apague” por varios ciclos, como ocurre cuando se conecta una gran carga a la línea (p. ej., el arranque de los compresores de aire acondicionado o el ciclo de los calentadores de las impresoras láser). Desde el punto de vista de un diseñador de fuente de alimentación vista, cuanto más grande sea el condensador de entrada, mejor. Si el capacitor es lo suficientemente grande, se descarga muy poco durante un ciclo de la línea de alimentación, y durante el estado estable, el voltaje de la línea de alimentación es solo mayor que el voltaje del capacitor en el pico positivo y negativo de la forma de onda. Por lo tanto, la corriente solo fluye durante los picos de la forma de onda del voltaje de la línea eléctrica. Está perfectamente en fase, por lo que el factor de potencia debería ser 1, ¿verdad? Pues recuerda que la carga debe parecer resistivo. Figura 3 La Figura 4 muestra la forma de onda de corriente CA de una carga resistiva y la de una fuente de alimentación conmutada a niveles de potencia equivalentes. Observe que la resistencia produce la forma de onda sinusoidal en fase esperada, mientras que el extremo frontal del conmutador produce un impulso de corriente dos veces por ciclo. Un pulso es la superposición de múltiples ondas sinusoidales, ya que este pulso ocurre a intervalos regulares, las ondas sinusoidales que forman el pulso deben estar todas armónicamente relacionado. En este caso, 60Hz es la fundamental y las demás ondas sinusoidales son armónicos de 60Hz. La topología del extremo frontal de una fuente de alimentación conmutada simple, fuera de línea, se ilustra en la lado derecho de la Figura 3. La fuente de voltaje de CA (Vswitcher) es rectificada por los cuatro diodos y carga un condensador (C1). Normalmente, la fuente de alimentación conmutada operaría desde la energía almacenada en el capacitor (la potencia disipada por R1 simula una carga en el suministro). Para En comparación, la mitad izquierda de la Figura 3 muestra la forma de onda con solo una carga resistiva (R2). Figura 4 ilustra las formas de onda de estos circuitos. Como era de esperar, el voltaje y la corriente están en fase. para la carga resistiva que se muestra en el panel superior. Habrá una pequeña discontinuidad cerca del cero. cruce debido al voltaje directo del diodo, pero eso no es visible aquí debido a la escala. El voltaje aplicado es el mismo para el extremo frontal del conmutador, pero la corriente resultante se muestra en el panel del medio. Observe que la escala de la corriente (que se muestra en el lado derecho del panel superior) es unas 20 veces mayor en el panel central (pico de 800 mA frente a pico de 40 mA). El panel inferior muestra que ambos circuitos consumen la misma potencia, medida por el voltaje a través de la resistencia multiplicado por la corriente que lo atraviesa. R1 es más grande que R2 porque R1 está operando a aproximadamente 169 VCA, mientras que R2 funciona a 120 V RMS, pero la potencia disipada en cada uno es lo mismo. Esta ilustración es algo así como el peor de los casos, pero muestra cuánto más alto es el pico las corrientes pueden ser para una entrada de modo conmutado que una carga resistiva que opera a la misma potencia nivel. Generación de Armónicos y Generación de Energía Trifásica Dos consecuencias resultan de la forma de onda de la corriente de entrada del conmutador en las líneas eléctricas donde un Se instala un gran número de suministros de conmutación. Primero, debido a que se requiere un gran pulso de corriente en el pico de la línea, en lugar de distribuirlo a lo largo de todo el ciclo, el voltaje cae. debido a caída resistiva en conductores y saturación en transformadores o energía ininterrumpida suministros. Esto distorsiona la forma de onda del voltaje y genera más armónicos en la línea eléctrica. Incluso aunque el pulso de corriente está sincronizado con el pico de la forma de onda de voltaje, solo la fundamental la frecuencia está realmente en fase con el voltaje; las corrientes armónicas entran y salen del condensador mientras el diodo está "encendido", pero no almacene una carga significativa en él. El amperímetro RMS mide toda la corriente armónica, pero la potencia real es solo la energía almacenada en el capacitor cada ciclo. Por lo tanto, el producto de la corriente RMS y el voltaje mostrará un indicado potencia aparente mayor que la potencia real. Distribuidos a lo largo de IEC 60601 hay párrafos que reclasifican dispositivos médicos que de lo contrario, pasar los requisitos del Comité Especial Internacional sobre Interferencias de Radio (CISPR), excepto por su distorsión del tercer armónico de la línea eléctrica. Esto se aplica particularmente a dispositivos con cargas superiores a 75 W e inferiores a 16 A por fase. Distorsión del tercer armónico puede ser generado por cualquier no linealidad en la carga, pero más comúnmente se deriva de cambios extremos frontales de fuente de alimentación de modo (SMPS). La Figura 5 es un análisis espectral (realizado por FFT) de la corriente en el panel central de la Figura 4 (la corriente de entrada simulada a un SMPS). La amplitud se muestra en el eje y y la frecuencia es se muestra en el eje x (ambos ejes se trazan en una escala logarítmica). Una entrada puramente sinusoidal corriente tendría un solo pico a 60 Hz, pero la forma de onda distorsionada de la Figura 4 muestra la fundamental a 60 Hz, más un pico casi igualmente grande a 180 Hz (tercer armónico de 60), acompañado por una plétora de armónicos más altos. Para ver el efecto de solo el tercer armónico objetivo de 60601, la Figura 6 muestra el superposición de una corriente de 60 Hz [traza verde etiquetada como I(60Hz) con su tercera armónico I (180 Hz). La forma de onda resultante I (carga) muestra lo que se parece a la corriente de entrada de un SMPS. Observe que la corriente es desproporcionadamente baja en cualquiera lado del cruce por cero y luego alcanza su punto máximo con el voltaje. La característica La forma de onda de la corriente de entrada SMPS se aborda específicamente en 60601. Más allá de esta generación de armónicos, una segunda consecuencia (de la corriente de entrada del conmutador) forma de onda en líneas eléctricas donde se instala una gran cantidad de suministros de conmutación) es el fenómeno de la generación de energía trifásica. Esto es más fácil de entender. en configuración "ESTRELLA" (Y) donde tres fases, separadas 120 grados, todas comparten un neutro común, como se muestra en la Figura 7. Imagine una carga resistiva conectada desde cada fase: A, B y C, al cable neutro. Sin descender a las matemáticas, imagine que la fase A está en la cima de su positivo excursión, la fase B se retrasará 120 grados, y la fase C se retrasará 240 grados (que es lo mismo que adelantar la fase A en 120 grados). La corriente que fluye en la resistencia R1 es exactamente igual a la suma de la corriente que sale de R2 y R3. El panel inferior de la Figura 7 muestra las tres corrientes que fluyen en cada uno de los tres resistencias de fase La corriente en ese cable neutro es cero siempre que la carga esté perfectamente equilibrada. La corriente neutra, I (Neutro) se muestra aproximadamente en 0 en el segundo panel desde abajo. la corriente en las tres fases se equilibrará. Esto es cierto para cualquier ángulo de fase elegido: De hecho, el cable neutro solo está ahí para hacer frente a pequeños desequilibrios entre el fases, y por lo general es el mismo calibre de cable que cada cable de fase. Ahora, reemplaza accionamiento sinusoidal en las tres fases con un pulso triangular, similar a la conmutación fuente de alimentación examinada anteriormente. La superposición de las tres formas de onda de fase triangular se muestra en el segundo panel desde la parte superior de la Figura 8. Ahora, cuando la fase A está en el pico de su excursión positiva y genera ese gran pico de corriente, los otros dos las fases no llevan corriente y el neutro debe llevar todo el retorno actual. Dado que el neutro es del mismo tamaño que el cable de fase, ¿cuál es el problema? Bueno, gire la fase 120 grados y la fase B alcanzará su punto máximo y suministrará lo mismo. corriente que el neutro necesitará transportar, luego gire la fase hasta que la fase C golpee su pico. En un ciclo de la línea eléctrica, el neutro tuvo que transportar tres veces la corriente de cada uno de los cables de fase. Esta es la corriente que se muestra como I (Neutrl) en la parte superior cristal. Incluso en el mejor de los casos, el cable neutro se calienta mucho y el el voltaje cae considerablemente más de lo esperado. Control del factor de potencia en su dispositivo Bien, controlar el factor de potencia puede ser algo de lo que preocuparse; qué puede se puede hacer para arreglarlo? La buena noticia es que las empresas de semiconductores están trabajando duro para venderle una solución. Si su diseño está cerca de cumplir con sus requisitos sin corrección del factor de potencia, revise ese diseño y mire el rango de voltaje de entrada de su el IC de conmutación operará hasta (o elegirá uno nuevo) con un límite de entrada más bajo. Reduzca el tamaño de ese condensador de entrada para aumentar el ángulo de conducción de entrada y distribuya ese pico actual con el tiempo (más como una resistencia). Por supuesto, hacer esto haga que su suministro sea más susceptible a la deserción y apagón. Aumentando el tamaño de los condensadores de salida ayudará un poco, pero esto comienza a ocupar bastante espacio y puede introducir otros problemas. Filtros de paso de banda pasivos de 60 Hz para la línea eléctrica también están disponibles, pero también tienden a requerir un espacio considerable. Alternativamente, puede agregar un corrector de factor de potencia (PFC) a su diseño. Alguno Los controladores de conmutación incorporan corrección del factor de potencia, pero frente independiente Los extremos son los más comunes. El front-end independiente más simple de entender es un Convertidor elevador de "tiempo constante" (COT). Se inserta entre la línea de alimentación y ese condensador de entrada, que causó todos los problemas anteriores. Este PFC tiene prácticamente sin capacitancia de entrada (aparte de los capacitores X e Y en el filtro) y, como Su nombre lo indica, utiliza una topología de impulso de tiempo constante para cargar ese capacitor de almacenamiento de energía de entrada a un voltaje mayor que el pico más alto de la línea de alimentación que el dispositivo está diseñado para ver. Por ejemplo, si la línea alta era 120 VCA + 10 por ciento (120 X √2 X 1,10 = 187 V), Se puede elegir 200 V como tensión de refuerzo. El controlador de refuerzo encendería el impulsar el inductor por un período de tiempo lo suficientemente breve para evitar que se sature en el pico de la línea. Un bucle de control "rápido" impulsa la conmutación del inductor, de modo que cada el ciclo del interruptor está "encendido" durante el mismo período. Dado que la corriente del inductor es igual a LVt (L = inductancia, V = voltaje y t = tiempo) — con L y t fijos — inductor (I) la corriente y, por lo tanto, la corriente de la línea de alimentación son proporcionales a V. Dado que I es proporcional a V, la entrada parece resistiva. Esto podría funcionar aceptablemente para un nivel de potencia fijo, pero si la carga fluctúa, el el voltaje de salida variará enormemente. Para resolver esto, el controlador de impulso en realidad tiene dos bucles: el bucle rápido descrito anteriormente y el bucle lento, que ajusta el tiempo de "encendido" para controlar el voltaje del capacitor, pero lo hace lentamente, durante varios ciclos de la línea de alimentación, para mantener esa apariencia resistente. El voltaje del capacitor solo está débilmente regulado, lo que significa que el capacitor tiene que ser dimensionado y clasificado para acomodar el variación. Pero, debido a que el circuito de refuerzo hace que la entrada al capacitor parezca resistivo, el condensador ahora puede ser relativamente grande. Porque esta topología es un impulso convertidor, si el voltaje de salida (condensador de almacenamiento de energía) es cada vez menor que el voltaje de entrada voltaje, la corriente fluirá de entrada a salida para cargar el capacitor. En este caso, la fuente de alimentación seguiría funcionando bien, pero el factor de potencia la corrección sería derrotada. Se muestra una forma de onda de corriente exagerada para un convertidor elevador de tiempo constante en la Figura 9. La tensión de alimentación de CA se muestra como V(vac), la corriente de alimentación sin filtrar se muestra como I(Ac), y el voltaje en el capacitor de salida se muestra como Vout. Aviso que el promedio de la forma de onda actual en el convertidor elevador se aproxima sinusoidal y está en fase con el voltaje. La velocidad de conmutación que se muestra aquí es muy lento para que los pulsos individuales sean más visibles. Acelerar el cambio sería simplificar el filtrado del ruido del interruptor y operar en conducción continua reduciría aún más la amplitud de los ciclos de conmutación individuales. Otra ventaja de la topología de refuerzo es que el suministro de conmutación real: detrás de la parte delantera de corrección del factor de potencia: ahora opera desde un punto relativamente fijo Voltaje. Si la etapa de refuerzo puede acomodar un amplio rango de entrada, el requisito para el resto del suministro para atender este insumo es mitigado. Existen otras topologías, cada una con sus propios conjuntos de ventajas y desventajas. Algunos módulos de fuente de alimentación están disponibles ahora con la corrección del factor de potencia incorporado; solo requieren un condensador de entrada, un condensador de refuerzo y una salida condensador. Sea cual sea la solución elegida, simular el diseño es muy recomendado, porque proporcionará una mayor comprensión de cómo responde el circuito a los casos de esquina. Tina de TI, el simulador en línea de Intersil y Linear Technologies LTspice se encuentran entre las opciones disponibles para la simulación. Con muchas soluciones disponibles, la corrección del factor de potencia no es una tarea tan desalentadora como lo era antes. 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