carico non lineare (raddrizzatore) e fattore di potenza

Ho letto che il fattore di potenza mostra quanto c'è la potenza apparente, che circola tra le linee elettriche e il carico e non fa altro che riscaldare le linee di trasmissione e i trasformatori in esse. Dicono che ciò è dovuto al fatto che la corrente è fuori fase con la tensione. In particolare, l'alimentazione fluisce dal carico quando la tensione è positiva ma la corrente è negativa.

Inoltre, vedo che il raddrizzatore a diodi conduce solo nei brevi momenti della tensione di picco, quando la tensione di ingresso supera la tensione di carico (i raddrizzatori hanno un condensatore di uscita = tensione di carico). Quindi, tutta la potenza viene consumata durante questi brevi scoppi. Ho letto un articolo in cui si dice che le persone non capiscono nulla e l'intero problema non è un fattore di potenza, ma queste esplosioni che sovraccaricano i trasformatori nelle linee elettriche (non è consentito produrre grandi correnti nei trasformatori a causa del pericolo di perdita di magnetizzazione). Ma quando si consuma tutto il potere durante una piccolissima frazione del seno, si verifica una corrente enorme. Ovviamente, la corrente non è proporzionale alla tensione come dovrebbe nel carico di riferimento (resistenza) con fattore di potenza di 1. Ma qui non vedo alcuna potenza negativa! Il raddrizzatore impedisce la tensione di ingresso positiva e la corrente negativa. Tutta la corrente è positiva sotto tensione di picco positiva. Quindi, come fa il carico non lineare a produrre la potenza apparente?

In altre parole, Wikipedia dice http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#Power_factor

I semplici alimentatori in modalità off-line incorporano un semplice raddrizzatore a onda intera collegato a un grande condensatore di accumulo di energia. Tali SMPS assorbono corrente dalla linea CA in brevi impulsi quando la tensione istantanea della rete supera la tensione attraverso questo condensatore. Durante la restante parte del ciclo CA il condensatore fornisce energia all'alimentazione.

Di conseguenza, la corrente di ingresso di tali alimentatori switching di base ha un alto contenuto armonico e un fattore di potenza relativamente basso.

Come concludono che il contenuto armonico produce il fattore di bassa potenza? Da dove viene il potere apparente?

Capisco che la corrente ha armoniche (componenti di frequenza) il che significa che oscilla avanti e indietro mentre la tensione rimane di singola polarità. È possibile che queste oscillazioni ad alta frequenza della corrente producano la potenza apparente. Tuttavia, il flusso netto è ancora positivo, la corrente scorre ancora solo in una direzione, corrispondente alla polarità della tensione e le oscillazioni non la fanno scorrere in direzione opposta per causare la potenza apparente.

Il punto che sembra mancare è che non richiede il trasferimento di potenza dal dispositivo alla linea di alimentazione durante una parte del ciclo di alimentazione per avere un fattore di potenza inferiore all'unità.

Esistono vari modi di vedere quale sia realmente il fattore di potenza, anche se tutti escono matematicamente allo stesso modo. Un modo è il rapporto tra la potenza reale erogata al prodotto rispetto alla tensione e alla corrente RMS. Se la corrente è un seno (consideriamo la tensione sempre un seno in questo caso, poiché la linea di alimentazione ha un'impedenza così bassa), allora hai un fattore di potenza unitario quando è in fase con la tensione e 0 quando 90 gradi fuori da fase. Nel caso di un seno, la potenza deve rifluire sulla linea durante una parte del ciclo per avere un fattore di potenza inferiore all'unità.

Tuttavia, sono possibili molte altre forme d'onda. Puoi avere una corrente sempre 0 o positiva quando la tensione è positiva, o 0 o negativa quando la tensione è negativa, ma non è un seno. I picchi che menzioni causati da un ponte a onda piena sono un buon esempio. La potenza non ritorna mai alla linea di alimentazione, ma il fattore di potenza è inferiore a 1. Fare alcuni esempi e calcolare la corrente RMS assorbita da un ponte a onda intera. Vedrai che la potenza reale totale assorbita dalla linea elettrica è inferiore alla corrente RMS per la tensione della linea elettrica (di nuovo, supponiamo che la tensione della linea elettrica sia sempre un seno).

Un altro modo di pensare a questo è che le perdite nel sistema di trasmissione sono proporzionali al quadrato della corrente. Il ponte a onda intera assorbe la sua corrente in brevi picchi di grande entità. A causa della natura quadrata delle perdite, questo è peggio della stessa corrente media assorbita più diffusa. Se risolvi la matematica, ti rendi conto che il modo per ridurre al minimo il quadrato medio della corrente è rendere la corrente un seno in fase con la tensione. Questo è l' unico modo per raggiungere l'unità di potenza.

Ancora un altro modo di vedere questo, a cui alludevi, è pensare all'espansione di Fourier della corrente. Stiamo assumendo una forma d'onda corrente che ripete ogni ciclo della linea di alimentazione, quindi ha una serie di Fourier. Qualsiasi forma d'onda che si ripete può essere espressa come somma di una serie di onde sinusoidali alla frequenza della linea di alimentazione e multipli interi positivi. Ad esempio con una potenza di 60 Hz, la forma d'onda è una somma di seni a 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, ecc. L'unica domanda è quale sia l'ampiezza e lo sfasamento di ciascuna di queste armoniche. Dovrebbe essere ovvio che solo il fondamentale (il componente 60 Hz in questo esempio) è in grado di assorbire qualsiasi potenza netta dalla linea di alimentazione e che solo nella misura in cui è in fase con la tensione. Poiché tutti i componenti sono sinusoidali, ciascuno assorbirà potenza durante una parte del ciclo e restituirà la stessa potenza in un'altra parte del ciclo, ad eccezione del componente in fase del fondamentale. Quindi il tuo modo di considerare il fattore di potenza come dover ripristinare la potenza durante una parte del ciclo è valido se spezzi la forma d'onda corrente in componenti di onda sinusoidale. Tuttavia, è possibile avere una serie di componenti sinusoidali che assorbono e restituiscono energia alla linea elettrica in momenti diversi in modo tale che la rete da tutti i componenti in qualsiasi momento sia zero o positiva. La corrente del ponte a onda intera è un esempio di tale forma d'onda. è possibile avere una serie di componenti sinusoidali che assorbono e restituiscono energia alla linea elettrica in momenti diversi in modo tale che la rete da tutti i componenti in qualsiasi momento sia zero o positiva. La corrente del ponte a onda intera è un esempio di tale forma d'onda. è possibile avere una serie di componenti sinusoidali che assorbono e restituiscono energia alla linea elettrica in momenti diversi in modo tale che la rete da tutti i componenti in qualsiasi momento sia zero o positiva. La corrente del ponte a onda intera è un esempio di tale forma d'onda.