Como (e por que) determinar o fator de potência para dispositivos médicos

Por que usamos energia de corrente alternada (CA)? Por que as empresas de energia simplesmente não distribuem corrente contínua (DC), já que a primeira coisa que normalmente fazemos com aparelhos modernos é converter o AC para DC? A resposta a essas perguntas remonta aos esforços de para Thomas Edison promover sua lâmpada incandescente e eletrizar Nova York. Os geradores da Edison produziam energia CC, que funcionava bem para distribuição local, mas exigia ou cabos muito grandes para fornecer cargas a mais de alguns quarteirões de distância, ou uma estação de energia a cada alguns quarteirões. Isso ocorre porque, em tensões práticas para uso final, grandes correntes foram necessárias para eletrificar mais do que apenas uma pequena área. Entra Nikola Tesla, apoiado por George Westinghouse, que promoveu linhas de transmissão CA de alta tensão com uma subestação de baixa tensão a cada poucos quarteirões para distribuição local. A diferença importante era que a subestação exigia apenas um transformador, enquanto a solução DC exigia uma usina elétrica movida a vapor completa. Por fim, Westinghouse resolveu a guerra que se seguiu quando construiu uma usina hidrelétrica em Niagra Falls que era capaz de abastecer cargas a centenas de quilômetros de distância. No entanto, nos poucos extremamente longas, linhas de transmissão ponto-a-ponto, o equilíbrio se inclina para tensões muito altas Linhas de transmissão DC (por exemplo, a linha de energia de Grand Coulee Dam no estado de Washington para Los Angeles). A energia CA permitiu muitas outras invenções importantes para a industrialização, desde o motor de indução e balastros de lâmpadas de descarga de gás para dimmers de luz e barbeadores elétricos. Mas parte do lado negro do AC poder é essa noção de fator de poder. A tensão para alimentação CC é constante, portanto não há fase associado a isso; A alimentação CA é (idealmente) senoidal, com a tensão e a corrente cruzando 0 V em 120 vezes por segundo (duas vezes por ciclo de 60 Hz). Se a carga (ou mesmo a linha de energia) estiver ligeiramente indutivo ou capacitivo, a corrente ficará atrasada ou adiantada em relação à tensão. A Figura 1 mostra um modelo LTspice de uma fonte de tensão CA de 120 VAC, 60 Hz, acionando um indutor, um resistor e um capacitor em paralelo. A Figura 2 mostra a saída desta simulação com o tensão da fonte V(n001), a corrente do indutor I(L1), a corrente do resistor I(R1) e a corrente do capacitor I(C1). Observe que apenas a corrente do resistor está em fase com a tensão, o a corrente do indutor “atrasa” a tensão em 90 graus, enquanto a corrente do capacitor “adianta” a tensão em 90 graus. Como (e por que) determinar o fator de potência O fator de potência é classicamente definido como o cosseno do ângulo entre a raiz quadrada média (RMS) Tensão CA — definida como a quantidade de energia CA que produz o mesmo efeito de aquecimento como energia CC — e a corrente CA RMS. Para calcular a potência consumida por uma carga DC, simplesmente multiplique a tensão na carga pela corrente através dela. , Para calcular a potência consumida por uma carga CA o produto da tensão RMS e da corrente deve ser multiplicado pelo fator de potência. Se a tensão e a corrente estiverem em fase (erro de fase de 0 graus), o cosseno de 0 é 1 e, portanto, o mesmo cálculo que DC. Isso ocorre quando a carga é feita para parecer resistiva. Se a fase o erro é de 60 graus, o cosseno de 60 é 0,5; apenas metade do produto da tensão e da corrente é entregue à carga. Então, para onde vai a outra metade? Essa corrente ainda circula pelo linhas de energia; ele simplesmente não fornece energia útil para a carga. Ao dividir a forma de onda de “potência aparente” (chamada volt-amperes, ou VA) em suas partes de fase e fora de fase – às vezes chamadas de partes “reais” e “imaginárias”, respectivamente - a parte em fase (o coeficiente de cosseno) é chamada de potência (medida em watts), enquanto a parte fora de fase (o coeficiente senoidal) é chamada de potência reativa (medida volt-amps reativa, ou VAR). Assim, o fator de potência também pode ser definido como a potência real dividida por VA (PF = W/VA). O medidor de watt em seu painel de energia mede apenas a potência real, portanto, os clientes são cobrados apenas pela energia real, mas a concessionária ainda precisa dimensionar seu equipamento para lidar com a corrente total fluindo, por isso se esforça para tornar todos os atuais “faturáveis” atuais. Como isso se aplica a dispositivos médicos Mas por que isso importa, especialmente se você não é cobrado por isso? Primeiro, o utilitário em última análise, cobra de seus clientes todas as despesas, de modo que o custo de correção do fator de potência é repassado aos consumidores. Em segundo lugar, mais e mais especificações de agências - como EN60601, EN61000 e IEC555 - exigem correção do fator de potência para dispositivos médicos (às vezes chamados de controle harmônico powerline). Os fabricantes de dispositivos médicos são obrigados a fornecer diferentes graus de correção do fator de potência em seus produtos, dependendo da potência de saída e aplicativo. Se você está pensando: “Meu produto não contém grandes cargas, muito menos tipos indutivos ou capacitivos”, há uma sutileza que mostra sua cara feia: aquela pequena comutação fonte de alimentação que você coloca em seu produto para atender a eficiência/ampla requisitos de entrada/tamanho/peso/embalagem introduz sua própria variante peculiar de fator de potência corrupção. Lembre-se, um fator de potência de um ocorre quando a carga parece resistiva. Um modo de comutação fonte de alimentação (SMPS) normalmente retifica a linha de energia e, em seguida, carrega um grande capacitor para armazenar energia durante o tempo em que a onda senoidal de tensão cai para 0V, até que ela se recupere. Se este capacitor é grande o suficiente, ele armazenará energia suficiente para que a linha de energia possa cair ou “escurecer” por vários ciclos, como ocorre quando uma grande carga é conectada à linha (por exemplo, partida de compressores de ar condicionado ou ciclagem de aquecedores de impressoras a laser). Do ponto de vista de um projetista de fonte de alimentação vista, quanto maior o capacitor de entrada, melhor. Se o capacitor for grande o suficiente, ele descarrega muito pouco durante um ciclo da linha de energia, e durante o estado estacionário, a tensão da linha de energia é apenas maior que a tensão do capacitor no pico positivo e negativo da forma de onda. Portanto, a corrente flui apenas durante os picos da forma de onda da tensão da linha de energia. Está perfeitamente em fase, então o fator de potência deveria ser 1, certo? Bem, lembre-se que a carga deve parecer resistivo. Figura 3 A Figura 4 mostra a forma de onda da corrente CA de uma carga resistiva e o de uma fonte de alimentação chaveada em níveis de potência equivalentes. Observe que o resistor produz a forma de onda senoidal em fase esperada, enquanto a extremidade frontal do comutador produz um impulso de corrente duas vezes por ciclo. Um pulso é a superposição de múltiplas ondas senoidais, pois esse pulso ocorre em intervalos regulares, as ondas senoidais que compõem o pulso devem estar todas harmonicamente relacionado. Neste caso, 60Hz é a fundamental e as demais ondas senoidais são harmônicas de 60Hz. A topologia do front-end de uma fonte de alimentação simples, offline e comutada é ilustrada no lado direito da Figura 3. A fonte de tensão AC (Vswitcher) é retificada pelos quatro diodos e carrega um capacitor (C1). Normalmente, a fonte de alimentação de comutação operaria a partir da energia armazenado no capacitor (a potência dissipada por R1 simula uma carga na fonte). Para comparação, a metade esquerda da Figura 3 mostra a forma de onda com apenas uma carga resistiva (R2). Figura 4 ilustra as formas de onda desses circuitos. Como esperado, a tensão e a corrente estão em fase para a carga resistiva mostrada no painel superior. Haverá uma pequena descontinuidade próxima ao zero cruzamento devido à tensão direta do diodo, mas isso não é visível aqui por causa da escala. A tensão aplicada é a mesma para a extremidade frontal do switcher, mas a corrente resultante é mostrada em o painel do meio. Observe que a escala da corrente (mostrada no lado direito do painel superior) é cerca de 20 vezes maior no painel do meio (pico de 800 mA vs pico de 40 mA). O painel inferior mostra que ambos os circuitos consomem a mesma potência, medida pela tensão no resistor multiplicado pela corrente que passa por ele. R1 é maior que R2 porque R1 está operando em aproximadamente 169 VAC, enquanto R2 está operando em 120 V RMS, mas a potência dissipada em cada um é o mesmo. Esta ilustração é uma espécie de pior caso, mas mostra quanto pico mais alto as correntes podem ser para uma entrada de modo comutado do que uma carga resistiva operando na mesma potência nível. Geração Harmônica e Geração de Energia Trifásica Duas consequências resultam da forma de onda da corrente de entrada do comutador em linhas de energia onde um um grande número de fontes de comutação está instalado. Primeiro, porque um grande pulso de corrente é necessário no pico da linha, em vez de espalhá-lo por todo o ciclo, a tensão cai devido a queda resistiva em condutores e saturação em transformadores ou energia ininterrupta suprimentos. Isso distorce a forma de onda da tensão e gera mais harmônicos na linha de força. Até embora o pulso de corrente seja cronometrado com o pico da forma de onda de tensão, apenas o fundamental a frequência está realmente em fase com a tensão; as correntes harmônicas fluem para dentro e para fora do capacitor enquanto o diodo está “ligado”, mas não armazene carga significativa nele. O amperímetro RMS mede toda a corrente harmônica, mas a potência real é apenas a energia armazenada no capacitor cada ciclo. Portanto, o produto da corrente e tensão RMS mostrará um valor indicado potência aparente maior que a potência real. Distribuídos ao longo da IEC 60601 estão parágrafos que reclassificam dispositivos médicos que caso contrário, passar pelos requisitos do Comitê Especial Internacional sobre Interferência de Rádio (CISPR), exceto por sua distorção do terceiro harmônico da linha de força. Isso se aplica particularmente a dispositivos com cargas superiores a 75 W e inferiores a 16 A por fase. Distorção de terceiro harmônico podem ser gerados por quaisquer não linearidades na carga, mas geralmente derivam de comutação extremidades frontais da fonte de alimentação de modo (SMPS). A Figura 5 é uma análise espectral (realizada por FFT) da corrente no painel do meio da Figura 4 (a corrente de entrada simulada para um SMPS). A amplitude é mostrada no eixo y e a frequência é mostrado no eixo x (ambos os eixos são plotados em uma escala logarítmica). Uma entrada puramente senoidal corrente teria um único pico em 60 Hz, mas a forma de onda distorcida da Figura 4 mostra o fundamental em 60 Hz, mais um pico quase igualmente grande em 180 Hz (terceiro harmônico de 60), acompanhado por uma infinidade de harmônicos mais altos. Para ver o efeito apenas do terceiro harmônico visado por 60601, a Figura 6 mostra o superposição de uma corrente de 60 Hz [traço verde rotulado I(60Hz) com seu terceiro harmônico I (180 Hz). A forma de onda resultante I (carga) mostra o que parece semelhante ao corrente de entrada de um SMPS. Observe que a corrente é desproporcionalmente baixa em qualquer lado do cruzamento zero e, em seguida, atinge o pico com a tensão. A característica forma de onda da corrente de entrada SMPS é especificamente endereçada por 60601. Além dessa geração de harmônicos, uma segunda consequência (da corrente de entrada do switcher forma de onda em linhas de energia onde um grande número de fontes de comutação está instalado) é o fenômeno da geração de energia trifásica. Isso é mais fácil de entender na configuração “WYE” (Y) onde três fases, separadas por 120 graus, todas compartilham um neutro comum, como mostrado na Figura 7. Imagine uma carga resistiva conectada de cada fase: A, B e C, ao fio neutro. Sem cair na matemática, imagine que a fase A está no pico de sua positividade. excursão, a fase B será atrasada em 120 graus e a fase C será atrasada em 240 graus (que é o mesmo que adiantar a fase A em 120 graus). A corrente que flui no resistor R1 é exatamente igual à soma da corrente que sai de R2 e R3. O painel inferior da Figura 7 mostra as três correntes fluindo em cada um dos três resistores de fase. A corrente nesse fio neutro é zero, desde que a carga esteja perfeitamente equilibrada. A corrente de neutro, I(Neutro) é mostrada em aproximadamente 0 no segundo painel a partir da parte inferior. a corrente em todas as três fases se equilibrará. Isso vale para qualquer ângulo de fase escolhido: Na verdade, o fio neutro existe apenas para lidar com pequenos desequilíbrios entre o fases, e normalmente é o mesmo fio de bitola que cada fio de fase. Agora, substitua acionamento senoidal nas três fases com pulso triangular, semelhante à comutação fonte de alimentação examinada acima. A sobreposição das três formas de onda de fase triangular é mostrado no segundo painel da parte superior da Figura 8. Agora, quando a fase A está no pico de sua excursão positiva e gera aquele grande pico de corrente, os outros dois as fases não estão carregando nenhuma corrente, e o neutro deve carregar todo o retorno atual. Como o neutro é do mesmo tamanho que o fio da fase, qual é o problema? Bem, gire a fase 120 graus e a fase B atingirá seu pico e fornecerá o mesmo corrente que o neutro precisará transportar, então gire a fase até que a fase C atinja seu pico. Em um ciclo da linha de energia, o neutro teve que carregar três vezes mais corrente de cada um dos fios de fase. Esta é a corrente mostrada como I(Neutrl) no topo painel. Mesmo no melhor cenário, o fio neutro fica muito quente e o a tensão cai consideravelmente mais do que o esperado. Controlando o fator de potência em seu dispositivo OK, então controlar o fator de potência pode ser algo para se preocupar; o que pode ser feito para corrigi-lo? A boa notícia é que as empresas de semicondutores estão trabalhando duro para lhe vender uma solução. Se o seu projeto estiver perto de atender aos seus requisitos sem correção do fator de potência, revisite esse projeto e observe a faixa de tensão de entrada que você o IC de comutação irá operar até (ou escolher um novo) com limite de entrada inferior. Reduza o tamanho desse capacitor de entrada para aumentar o ângulo de condução de entrada e espalhe esse pico de corrente ao longo do tempo (mais como um resistor). Claro, fazer isso vai torne seu suprimento mais suscetível a cair e escurecer. Aumentando o tamanho dos capacitores de saída ajudará alguns, mas isso começa a ocupar um pouco de espaço e pode apresentar outros problemas. Filtros passa-banda passivos de 60 Hz para a linha de energia também estão disponíveis, mas também tendem a exigir um espaço considerável. Como alternativa, você pode adicionar um corretor de fator de potência (PFC) ao seu projeto. Alguns controladores de comutação incorporam correção de fator de potência, mas frente independente fins são os mais comuns. O front-end independente mais simples de entender é um Conversor boost “constant on-time” (COT). Ele é inserido entre a linha de energia e aquele capacitor de entrada, que causou todos os problemas acima. Este PFC tem praticamente nenhuma capacitância de entrada (além dos capacitores X e Y no filtro) e, como o nome indica, ele usa uma topologia de aumento constante no tempo para carregar esse capacitor de armazenamento de energia de entrada para uma tensão maior que o pico mais alto da linha de energia que o dispositivo foi projetado para ver. Por exemplo, se a linha alta for 120 VAC + 10% (120 X √2 X 1,10 = 187 V), 200 V pode ser escolhido como a tensão de reforço. O controlador de impulso ligaria o aumentar o indutor por um período de tempo breve o suficiente para evitar que ele sature no pico da linha. Um loop de controle “rápido” aciona a comutação do indutor, de modo que cada o ciclo de comutação está “ligado” pelo mesmo período. Como a corrente do indutor é igual a LVt (L = indutância, V = tensão e t = tempo) - com L e t mantidos fixos - indutor (I) corrente e, portanto, a corrente da linha de energia são proporcionais a V. Como I é proporcional a V, a entrada parece resistiva. Isso pode funcionar de forma aceitável para um nível de potência fixo, mas se a carga flutuar, o tensão de saída irá variar muito. Para resolver isso, o controlador de impulso na verdade tem dois loops: O loop rápido descrito acima e o loop lento, que ajusta o tempo “on” para controlar a tensão do capacitor, mas o faz lentamente, ao longo de vários ciclos de linha de energia, para manter essa aparência resistente. A tensão do capacitor é apenas vagamente regulada, o que significa que o capacitor deve ser dimensionado e classificado para acomodar o variação. Mas, como o circuito de reforço faz com que a entrada do capacitor pareça resistivo, o capacitor agora pode ser relativamente grande. Porque esta topologia é um impulso conversor, se a tensão de saída (capacitor de armazenamento de energia) for sempre menor que a entrada tensão, a corrente fluirá da entrada para a saída para carregar o capacitor. Nesse caso, a fonte de alimentação continuaria a funcionar bem, mas o fator de potência a correção seria derrotada. Uma forma de onda de corrente exagerada para um conversor de impulso constante no tempo é mostrada na Figura 9. A tensão de alimentação CA é mostrada como V(vac), a corrente de alimentação não filtrada é mostrado como I(Ac), e a tensão no capacitor de saída é mostrada como Vout. Perceber que a média da forma de onda atual no conversor boost se aproxima senoidal e está em fase com a tensão. A velocidade de comutação mostrada aqui é muito lento para tornar os pulsos individuais mais visíveis. Acelerar a comutação seria tornar a filtragem do ruído do interruptor mais simples e operar em condução contínua modo reduziria ainda mais a amplitude dos ciclos de comutação individuais. Outra vantagem da topologia boost é que a fonte de comutação real — atrás do front-end de correção do fator de potência — agora opera a partir de um ponto relativamente fixo tensão. Se o estágio de reforço puder acomodar uma ampla faixa de entrada, o requisito para o restante da oferta para atender a esse insumo é mitigado. Existem outras topologias, cada uma com seus próprios conjuntos de vantagens e desvantagens. Alguns módulos de fonte de alimentação já estão disponíveis com a correção do fator de potência construídas em; eles apenas exigem um capacitor de entrada, um capacitor de impulso e uma saída capacitor. Seja qual for a solução escolhida, simular o projeto é altamente recomendado, porque fornecerá uma visão mais ampla de como o circuito responde para os casos de canto. Tina da TI, simulador online da Intersil e Linear Technologies' LTspice estão entre as opções disponíveis para simulação. Com muitas soluções disponível, a correção do fator de potência não é uma tarefa tão assustadora quanto antes. A imagem principal deste artigo foi gerada pelo do HackerNoon por meio do prompt "thomas edison olhando para a lâmpada" AI Image Generator