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Formas de onda características
Estructuras bEstructuras báásicassicas
de los sistemas de alimentacide los sistemas de alimentacióón.n.
2
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
Convertidores clásicos:
Consecuencias:Consecuencias:
• Elevada distorsión armónica EMI.
Filtros.
• Nivel RMS de corriente elevado Pérdidas
elevadas
• Desaprovechamiento potencia suministrada
• Incumplimiento Normativa.
AC
V linea
I linea
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DC-DC
Carga
AC
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Carga
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Problemas asociados a un alto contenido armónicoProblemas asociados a un alto contenido armónico
Los armónicos de alta frecuencia pueden dañar a otros equipos
conectados a la red
Sobretensiones Falsos pasos por cero
La potencia disponible en cada toma es menor que la nominal
15 A
Si la corriente es senoidal: Ief=15, Vef=230
P= 15·230 = 3450 W
cosϕ=0.6 P= 15·230·0,6 = 2070 W
Si no es senoidal:
4
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
Definiciones:
“La razón entre la potencia media consumida por una carga cualquiera, medida
en vatios, en los terminales de dicha carga y el producto de los valores rms de
la tensión y corriente en los terminales, en voltio-amperios”.
FP = =
⋅ ⋅ ⋅
⋅
∫
− −
Potencia Activa
Potencia Aparente
1
2
V (t) I (t) dt
V I
e e
0
2
e rms e rms
π
π
Factor de Potencia:
Factor de Desplazamiento:
“La relación entre la potencia activa total consumida por una carga alimentada
por un generador de tensión senoidal y la potencia aparente suministrada por
las componentes fundamentales de tensión y corriente”
FD
V t I t dt
V t dt I t dt
e e
e e
=
⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅ ⋅
∫
∫ ∫− −
1
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1
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0
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0
2
1
2
0
2
π
π π
π
π π
( ) ( )
( ) ( )
FP=cosΦ
Para un sistema monofásico,
donde la tensión y corriente
mantenga su carácter senoidal
• caso particular
FD = cosΦ = FP
Para un sistema monofásico,
donde la tensión y corriente
mantenga su carácter senoidal
• caso particular
5
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
CASO REAL:CASO REAL:
FD
V I
V I
e rms rms
rms rms
=
⋅ ⋅
⋅
=− −
− −
1 1
1 1
1
cos
cos
φ
φ
Entonces el Factor de Potencia en términos generales se puede definir como:
FP
V I
V I
I
I
FD FDAe rms rms
e rms e rms
rms
e rms
=
⋅ ⋅
⋅
= ⋅ = ⋅− −
− −
−
−
1 1
1
1cos
cos
φ
φ
Supongamos que la tensión de entrada conserva su carácter senoidal y es la
corriente quien está distorsionada por efecto de las cargas no lineales conectadas.
V t V sin wt V sin wt
I t I sin I sin wt I sin
e e e
e e n
n
e n
n
( ) ( ) ( )
( ) (nwt ) ( ) (nwt )
= ⋅ ≡ ⋅
= ⋅ + = ⋅ + + ⋅ +
=
∞
≠
∞
∑ ∑
1
0
1 1
1
φ φ φ
La potencia activa se puede calcular como:
Potencia activa = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅∫ − −
1
0
1 1
T
V t I t dt V Ie e
T
e rms rms( ) ( ) cosφ
Recalculando :
6
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
FACTOR DE POTENCIA
UNIDAD
FACTOR DE POTENCIA
UNIDAD
• Ángulo de desplazamiento nulo
• Corriente de entrada NO distorsionada
Ilínea con CFP
Ilínea sin CFP
Vlínea
Vlínea
Ilínea
• Sin armónicos
pero con desplazamiento.
Ilínea
Vlínea
• Con armónicos
pero sin desplazamiento.
FDAFD
I
I
FP
rmse
rms
⋅=⋅=
−
−1
1cosφ
7
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
Medida de la Distorsión:
DAT
I I
I
rms rms
rms
=
−
⋅
2
1
2
1
100
( )
( )
A efectos prácticos, DAT es la raíz cuadrada del cociente entre la
potencia que podría disipar una resistencia a causa de las componentes
armónicas de orden superior de la forma de onda, y la potencia que
podría disipar a causa únicamente de la componente fundamental
Ahora podemos relacionarlo con el
factor de distorsión y con el factor de
potencia de la siguiente forma :
FDA
DAT
FP
I
I
FDA FD
FD
DAT
rms
n rms
=
+
= ⋅ = ⋅ =
+
−
−
1
1
1
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1
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cosθ
8
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
NORMATIVA
EN 61000-3-2/A14
Clasificación de los equipos
Limites en la emisión de
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Acelerado deterioramiento de la calidad de la
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general Clase A
• Potencia > 75 W
• Potencia < 16 A / fase (3680 W)
Si
Si
La norma sólo hay que
cumplirla en
condiciones nominales
10
Factor de Potencia :Factor de Potencia : Límites para la Clase A y la Clase D
Importante:
Los límites de la Clase A
son absolutos [A]
Los límites de la Clase D
son relativos [mA/W]
La Clase D es mucho más estricta
11
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
Métodos de mejora del F.P.
Soluciones pasivas: Aquellas que utilizan elementos reactivos y rectificadores
no controlados como sistema de alimentación básico.
L en serie con la línea
• Reducción de la tensión de salida ante
el aumento de L.
• Reduce el EMI en modo diferencial
generado por la carga.
• Protege a los diodos rectificadores
frente picos y transitorios espúreos.
L en serie con la carga:
• Proporciona protección en ambas
direcciones frente al ruido en modo
diferencial, generado por la carga y por
la línea.
• Independencia de la tensión de
salida del rectificador con el valor de L.
12
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
Métodos de mejora del F.P.:
Soluciones activas: Aquellas que utilizan un convertidor conmutado como
sistema rectificador de la tensión de entrada, donde con un control adicional o
aprovechando el lazo de realimentación del convertidor (en modo discontinuo),
pueda actuar sobre la corriente de entrada, convirtiendo al convertidor como un
emulador de resistencia.
• Forzar a que la corriente de entrada del emulador sea una senoide rectificada.
• Forzar a que la tensión de salida sea la deseada.
13
Factor de Potencia :Factor de Potencia :
PASIVO ACTIVO
•Respuesta dinámica pobre adecuada
•Filtro EMI innecesario
o pequeño
CCM:
grande
DCM:
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•Circuitos control nulo automat.:
pequeño
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potencia
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única:
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  • 1. Formas de onda características Estructuras bEstructuras báásicassicas de los sistemas de alimentacide los sistemas de alimentacióón.n.
  • 2. 2 Factor de Potencia :Factor de Potencia : Convertidores clásicos: Consecuencias:Consecuencias: • Elevada distorsión armónica EMI. Filtros. • Nivel RMS de corriente elevado Pérdidas elevadas • Desaprovechamiento potencia suministrada • Incumplimiento Normativa. AC V linea I linea I rec Convertidor DC-DC Carga AC V linea I linea I rec Convertidor DC-DC Carga
  • 3. 3 Problemas asociados a un alto contenido armónicoProblemas asociados a un alto contenido armónico Los armónicos de alta frecuencia pueden dañar a otros equipos conectados a la red Sobretensiones Falsos pasos por cero La potencia disponible en cada toma es menor que la nominal 15 A Si la corriente es senoidal: Ief=15, Vef=230 P= 15·230 = 3450 W cosϕ=0.6 P= 15·230·0,6 = 2070 W Si no es senoidal:
  • 4. 4 Factor de Potencia :Factor de Potencia : Definiciones: “La razón entre la potencia media consumida por una carga cualquiera, medida en vatios, en los terminales de dicha carga y el producto de los valores rms de la tensión y corriente en los terminales, en voltio-amperios”. FP = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ∫ − − Potencia Activa Potencia Aparente 1 2 V (t) I (t) dt V I e e 0 2 e rms e rms π π Factor de Potencia: Factor de Desplazamiento: “La relación entre la potencia activa total consumida por una carga alimentada por un generador de tensión senoidal y la potencia aparente suministrada por las componentes fundamentales de tensión y corriente” FD V t I t dt V t dt I t dt e e e e = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ∫ ∫ ∫− − 1 2 1 2 1 2 0 2 1 2 0 2 1 2 0 2 π π π π π π ( ) ( ) ( ) ( ) FP=cosΦ Para un sistema monofásico, donde la tensión y corriente mantenga su carácter senoidal • caso particular FD = cosΦ = FP Para un sistema monofásico, donde la tensión y corriente mantenga su carácter senoidal • caso particular
  • 5. 5 Factor de Potencia :Factor de Potencia : CASO REAL:CASO REAL: FD V I V I e rms rms rms rms = ⋅ ⋅ ⋅ =− − − − 1 1 1 1 1 cos cos φ φ Entonces el Factor de Potencia en términos generales se puede definir como: FP V I V I I I FD FDAe rms rms e rms e rms rms e rms = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = ⋅− − − − − − 1 1 1 1cos cos φ φ Supongamos que la tensión de entrada conserva su carácter senoidal y es la corriente quien está distorsionada por efecto de las cargas no lineales conectadas. V t V sin wt V sin wt I t I sin I sin wt I sin e e e e e n n e n n ( ) ( ) ( ) ( ) (nwt ) ( ) (nwt ) = ⋅ ≡ ⋅ = ⋅ + = ⋅ + + ⋅ + = ∞ ≠ ∞ ∑ ∑ 1 0 1 1 1 φ φ φ La potencia activa se puede calcular como: Potencia activa = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅∫ − − 1 0 1 1 T V t I t dt V Ie e T e rms rms( ) ( ) cosφ Recalculando :
  • 6. 6 Factor de Potencia :Factor de Potencia : FACTOR DE POTENCIA UNIDAD FACTOR DE POTENCIA UNIDAD • Ángulo de desplazamiento nulo • Corriente de entrada NO distorsionada Ilínea con CFP Ilínea sin CFP Vlínea Vlínea Ilínea • Sin armónicos pero con desplazamiento. Ilínea Vlínea • Con armónicos pero sin desplazamiento. FDAFD I I FP rmse rms ⋅=⋅= − −1 1cosφ
  • 7. 7 Factor de Potencia :Factor de Potencia : Medida de la Distorsión: DAT I I I rms rms rms = − ⋅ 2 1 2 1 100 ( ) ( ) A efectos prácticos, DAT es la raíz cuadrada del cociente entre la potencia que podría disipar una resistencia a causa de las componentes armónicas de orden superior de la forma de onda, y la potencia que podría disipar a causa únicamente de la componente fundamental Ahora podemos relacionarlo con el factor de distorsión y con el factor de potencia de la siguiente forma : FDA DAT FP I I FDA FD FD DAT rms n rms = + = ⋅ = ⋅ = + − − 1 1 1 2 1 1 2 cosθ
  • 8. 8 Factor de Potencia :Factor de Potencia : NORMATIVA EN 61000-3-2/A14 Clasificación de los equipos Limites en la emisión de corrientes armónicas Acelerado deterioramiento de la calidad de la potencia distribuida
  • 9. 9 Factor de Potencia :Factor de Potencia : NORMATIVA EN 61000-3-2/A14 Clasificación de los equipos Acelerado deterioramiento de la calidad de la potencia distribuida Eq. portátil? Iluminación? PC, TV, monitor? P<600 W Si No No No Clase B Clase C Clase D Clase A Las fuentes de alimentación son en general Clase A • Potencia > 75 W • Potencia < 16 A / fase (3680 W) Si Si La norma sólo hay que cumplirla en condiciones nominales
  • 10. 10 Factor de Potencia :Factor de Potencia : Límites para la Clase A y la Clase D Importante: Los límites de la Clase A son absolutos [A] Los límites de la Clase D son relativos [mA/W] La Clase D es mucho más estricta
  • 11. 11 Factor de Potencia :Factor de Potencia : Métodos de mejora del F.P. Soluciones pasivas: Aquellas que utilizan elementos reactivos y rectificadores no controlados como sistema de alimentación básico. L en serie con la línea • Reducción de la tensión de salida ante el aumento de L. • Reduce el EMI en modo diferencial generado por la carga. • Protege a los diodos rectificadores frente picos y transitorios espúreos. L en serie con la carga: • Proporciona protección en ambas direcciones frente al ruido en modo diferencial, generado por la carga y por la línea. • Independencia de la tensión de salida del rectificador con el valor de L.
  • 12. 12 Factor de Potencia :Factor de Potencia : Métodos de mejora del F.P.: Soluciones activas: Aquellas que utilizan un convertidor conmutado como sistema rectificador de la tensión de entrada, donde con un control adicional o aprovechando el lazo de realimentación del convertidor (en modo discontinuo), pueda actuar sobre la corriente de entrada, convirtiendo al convertidor como un emulador de resistencia. • Forzar a que la corriente de entrada del emulador sea una senoide rectificada. • Forzar a que la tensión de salida sea la deseada.
  • 13. 13 Factor de Potencia :Factor de Potencia : PASIVO ACTIVO •Respuesta dinámica pobre adecuada •Filtro EMI innecesario o pequeño CCM: grande DCM: muy grande •Circuitos control nulo automat.: pequeño promed.: grande •Semiconductores adicionales innecesarios o de baja potencia entrada única: medio rango universal: grande •Regulación en tensión ausencia adecuada •tiempo ingeniería pequeño grande •Almacenamiento energía grande pequeño •Fiabilidad máxima media •Cumplimiento normativa variable siempre •Simplicidad máxima poca o media •DAT grande mínimo Tabla Resumen: