Mark Patrick, Mouser Electronics
Los niveles de eficiencia y uso de la energía están sometidos a un mayor escrutinio debido a la creciente preocupación de los usuarios por el importe de las facturas asociadas a los servicios de energía y a la intención de los dueños de las empresas de contener la espiral de los costos de explotación. Y todo ello se ve agravado por la creciente atención sobre el medioambiente como resultado de la aceptación generalizada de que los dispositivos poco eficaces producen un calor residual que acaba afectando al ambiente.
En el planeta de la electrónica energética, la eficiencia de la conversión ha sido siempre y en toda circunstancia un tema fundamental de debate y uno de los principales parámetros de cualquier ficha técnica. En un intento por presentar sus productos de la forma más ventajosa posible, los fabricantes de fuentes de alimentación suelen citar la «mejor cifra posible», que acostumbra a ser un valor único en torno al 80 por ciento de la carga. No obstante, hay que tener en cuenta la posibilidad de que en las aplicaciones prácticas la potencia consumida quede lejísimos de este nivel.
Dependiendo de su funcionamiento, las cargas pueden fluctuar ostensiblemente y, en las configuraciones redundantes, la potencia consumida va a ser siempre y en toda circunstancia considerablemente más baja (a menos que se genere un fallo). Como resultado, la eficiencia real del sistema puede ser muy inferior al valor de eficiencia indicado.
Conscientes de la gravedad de esta situación, los organismos de normalización, los conjuntos industriales y las agencias gubernamentales han establecido nuevas directrices energéticas. Por lo general, estas indicaciones han adoptado la manera de curvas que demandan niveles mínimos de eficiencia aceptables en todas las cargas de funcionamiento, que oscilan desde el veinte por ciento hasta la plena carga. Como resultado, los ingenieros de diseño han podido valorar los componentes esenciales de los sistemas de energía para identificar dónde se producen las pérdidas y actuar para evitarlas y asegurar el cumplimiento de las nuevas directrices en materia de eficiencia. La corrección del factor de potencia (CFP) es esencial para afrontar las fuentes de pérdidas potenciales y debe aplicarse en consecuencia.
Comprender las pérdidas en los sistemas de potencia
Un sistema sin potencia será completamente eficaz y, si bien los modernos dispositivos semiconductores de conmutación ofrecen unos niveles de rendimiento sin precedentes, siempre y en toda circunstancia se producirán pérdidas durante el funcionamiento, lo que contribuye a reducir los niveles de eficiencia. En los sistemas de potencia hay que tener presentes dos géneros de pérdidas: de conmutación y de conducción.
Las pérdidas de conducción incluyen las debidas a la tensión directa de los diodos puente, que son proporcionales a la potencia del sistema y a la resistencia de encendido de los dispositivos de conmutación, como los MOSFET y los IGBT. Estos son de manera directa proporcionales al cuadrado de la potencia total del sistema. Debido a que aumentan con la potencia suministrada, tienden a tener un efecto mayor en aquellos escenarios que estén cercanos a la carga máxima. Por norma general, acá era donde se hacía el mayor hincapié
El segundo tipo de pérdida es la pérdida por conmutación. El intento de los ingenieros de diseño de acrecentar los niveles de densidad de potencia y de reducir el tamaño del sistema provoca el incremento de las frecuencias de conmutación, lo que permite reducir el tamaño de los voluminosos componentes imantados del sistema. Las pérdidas por conmutación están relacionadas con la recarga constante de las capacitancias parásitas (como las que se generan en las puertas de los dispositivos de conmutación). Son proporcionales a la frecuencia de conmutación y constantes en todo el intervalo de potencia operativa. Estas pérdidas tienden a ser más frecuentes en los niveles de potencia inferiores, donde pueden tener un efecto significativo sobre la eficacia del sistema.
Entonces, ¿por qué la CFP es tan esencial para la eficiencia?
Toda la energía de la red que proveen las compañías de electricidad es corriente alterna y la manera de onda de la tensión siempre es sinusoidal. No obstante, la manera y la fase de la onda de corriente actual no son necesariamente sinusoidales y vienen dadas por la carga alimentada. Para la carga puramente resistiva más simple, como un factor calefactor, la corriente de carga está en fase con la tensión y sigue siendo sinusoidal. El cálculo de la potencia suministrada en este caso consiste simplemente en multiplicar la tensión por la corriente.
Otros géneros de cargas, como las de los motores, pueden incluir un componente reactivo (inductivo o bien capacitivo). En un caso así, aunque la manera de onda de la corriente prosiga siendo sinusoidal, la fase se desplazará con respecto a la forma de onda de la tensión y la cantidad de reactancia de la carga determinará la cantidad de desfase. El cálculo de la potencia debe tener en cuenta el desfase, con lo que la potencia real va a venir dada por la ecuación:
Potencia real = V * I * cos(f)
Acá f representa el ángulo de fase entre las formas de onda de la tensión y la corriente, y el cos(f) se conoce como «factor de desplazamiento». En las cargas resistivas en las que la corriente y la tensión estén en fase, el valor del cos( f) va a ser 1, lo que significa que la potencia real sigue siendo el producto de la tensión y la corriente, como es habitual. Sin embargo, en el mundo real, las cargas no acostumbran a ser tan sencillas, en especial cuando la carga es, por ejemplo, una fuente de alimentación en modo conmutado (SMPS). Estas unidades acostumbran a tener un puente rectificador de diodos y un condensador de entrada que hace que la onda de corriente pierda su forma sinusoidal y se convierta en una serie de picos.
Como la manera de la onda está distorsionada y ya no es sinusoidal, la potencia real se calcula utilizando un «factor de distorsión» (cos[ q]) que está relacionado con la distorsión armónica total (THD) de la forma de la onda. Por lo tanto, en aquellos sistemas en los que la corriente y la tensión estén en fase, mas la forma de la onda de corriente no sea sinusoidal, se va a aplicar la próxima ecuación:
Potencia real = V * I * cos(q)
Cuando la manera de la onda de corriente está alejada y distorsionada, las cosas resultan un tanto más complicadas. En ese caso, hay que aplicar tanto el factor de desplazamiento como el de distorsión:
Potencia real = V * I * cos(q) * cos(f)
El factor de potencia de cualquier sistema es simplemente el producto de los 2 factores:
Factor de potencia = cos(q) * cos(f)
En la práctica, esto significa que cuanto mayor sea la diferencia de fase entre la tensión y la corriente, o cuanto más distorsionada esté la forma de la onda de corriente, menor será el factor de potencia y, por ende, menor será la potencia real. El factor de potencia también influye sobre la eficiencia, por lo que ahora es un aspecto fundamental que los diseñadores de energía deben abordar.
La necesidad de corregir el factor de potencia
Unos procesos matemáticos relativamente complejos probarán que la multiplicación de 2 formas de onda sinusoidales solo puede ser mayor que cero si las frecuencias son iguales. De ello se infiere que las corrientes armónicas no contribuyen a la potencia útil de salida de un sistema y deben reducirse o eliminarse.
Este es precisamente el enfoque que se adopta en la que se considera mayoritariamente la principal regla CFP, la norma EN sesenta y mil-tres-dos. Como muchas de las especificaciones de eficacia modernas, incluida la Energy Star de la Agencia de Protección Medioambiental de U.S.A. (EPA), la EN61000-3-2 pretende reducir la THD de las formas de onda de la corriente definiendo unos límites estrictos para las corrientes armónicas de hasta el 40º armónico.
El método más habitual para incorporar la CFP es introducir una fase activa entre el puente rectificador y el condensador de masa, usando uno de los esquemas de control habituales que se hallan en los controladores CFP del mercado. Probablemente, el esquema de control que más se emplea sea el de modo conductivo continuo (CCM), que marcha con una frecuencia fija y suele encontrarse en los sistemas de mayor potencia (>300 W). Una opción alternativa muy conocida es el control del modo de conducción crítica (CrM). Este evita la necesidad de un diodo de restauración rápida al conmutar solamente cuando la corriente del inductor baja a cero, lo que reduce los costos del sistema, pero provoca una frecuencia de conmutación variable. El CrM se usa a menudo en sistemas de baja potencia, como los de iluminación.
Hay otras mejoras en los esquemas de control de la CFP que tienen como objetivo ofrecer grados de eficacia cada vez mayores, como limitar la frecuencia de funcionamiento dentro de un intervalo dado. Ciertos esquemas de control cambian el modo conductivo en respuesta a los cambios de carga para garantizar que se alcance la eficiencia perfecta.
Soluciones prácticas de CFP
Si bien es posible diseñar un mecanismo CFP desde cero usando componentes sueltos, es poco frecuente. La mayor parte de los ingenieros optarán por emplear circuitos integrados de control libres en el mercado que incorporen el esquema de control CFP. El controlador de iluminación CrM FL7921R de ON Semiconductor es un dispositivo enormemente integrado que combina un controlador CFP con un supervisor PWM prácticamente resonante (QR). Este controlador emplea una técnica de tiempo de activación controlado para proporcionar una salida de CC regulada, realizando una CFP natural. Este circuito integrado incluye un optimizador de THD que reduce la distorsión de la corriente de entrada en el paso por el punto cero, lo que mejora el factor de potencia. La función CFP siempre está activada para asegurar la plena optimización del factor de potencia en todo instante, incluso en las importantísimas cargas ligeras.
Concebido para aplicaciones de aumento de CFP de alta potencia, como soldaduras, motores industriales, cargadores de baterías y fuentes de nutrición, el STNRGPFx2 de STMicroelectronics es un supervisor digital CFP de CCM de 2 canales intercalados. Este dispositivo de frecuencia fija es capaz de activar dos canales CFP intercalados y también incluye un límite de corriente de entrada, como funciones más sofisticadas como el funcionamiento con cambio de fase. Al utilizar el eDesignSuite de STMicroelectronics, los clientes pueden configurar el dispositivo simple y de manera rápida.
Resumen
Gestionar y controlar el factor de potencia de los sistemas de potencia modernos es fundamental para prosperar la eficiencia en todas las condiciones de funcionamiento, incluidas cargas ligeras, donde la eficiencia siempre y en todo momento había sido bajísima. Debido a las exigentes especificaciones de eficacia, una CFP conveniente es un requisito clave en un ambiente como el actual, en el que los usuarios y las compañías son más conscientes de los costos de funcionamiento y del efecto dañino que la energía residual tiene sobre el medioambiente. Por fortuna, hay una serie de controladores enormemente integrados que permiten a los ingenieros implementar fácilmente una gran variedad de esquemas CFP complejos para ajustarse a su aplicación concreta.
