Corrección del factor de potencia

Diseñe, ajuste y verifique algoritmos de corrección del factor de potencia mediante la simulación

El factor de potencia de un circuito de CA es la relación entre la potencia instantánea real utilizada por una carga eléctrica y la potencia aparente que circula por el circuito. Se trata de una medida de la efectividad de la transmisión y el uso de la potencia por parte de las cargas conectadas a una red eléctrica.

\[Factor \; de\; potencia = \frac{Potencia \; real \; (kW)}{Potencia \; aparente \; (kVA)}\]

En un circuito puramente lineal,

\[Factor \; de\; potencia = cosθ\]

donde \(θ\) es el ángulo entre la potencia real y la aparente en el triángulo de vectores de potencia de abajo.

Triángulo de vectores de potencia.

Un factor de potencia cercano a 1 permite aprovechar el máximo de la potencia extraída de la red. Un factor de potencia bajo indica la existencia de elementos inductivos o capacitivos en el circuito que provocan que la corriente se retrase o se adelante, respectivamente, en relación con la tensión, lo que reduce la potencia real instantánea disponible para la carga y supone un consumo innecesario de capacidad de corriente en los cables.

Perfil de potencia media para factores de potencia con adelanto y retraso.

En el caso de los circuitos no lineales, el factor de potencia se ve afectado por una componente de distorsión adicional que resulta de los armónicos de la línea de corriente.

\[Factordepotencia = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + Distorsiónarmónicatotal^2}}\]

Por ejemplo, cargas tales como las fuentes de alimentación conmutadas son muy utilizadas debido a las ventajas que aportan en términos de tamaño, coste y eficiencia. Sin embargo, una desventaja de una fuente de alimentación conmutada sin corrección del factor de potencia es que introduce los mencionados armónicos en la corriente de carga, debido a la conmutación de dispositivos semiconductores tales como MOSFET. Esto incrementa la distorsión armónica total de la corriente de carga y, por lo tanto, reduce la calidad de la potencia.

Los ingenieros emplean distintas técnicas para mejorar la calidad de la potencia para tales instalaciones eléctricas. Se puede conseguir corregir el factor de potencia de las cargas lineales mediante la compensación de la potencia reactiva, con objeto de compensar los VAR de adelanto o retraso. Sin embargo, las cargas no lineales que generan armónicos requieren técnicas de corrección del factor de potencia tales como filtros de armónicos ajustados o activos para mitigar los armónicos y mejorar la calidad de la potencia. Estas técnicas de corrección del factor de potencia se basan en el uso de electrónica de potencia controlada mediante controladores analógicos o digitales.

El diseño de control de corrección del factor de potencia digital mediante Simulink® le permite hacer uso de la simulación de velocidades múltiples para diseñar y ajustar los algoritmos de control digital, con lo que puede adaptar las formas de onda de las corrientes de entrada y, de este modo, conseguir que las pérdidas sean bajas al tiempo que mejora la calidad de la potencia hasta el valor deseado. Este enfoque también le permite probar y verificar los controladores en presencia de cargas y tensiones de entrada variables antes de implementar los algoritmos de control en hardware.

Modelo de Simulink de corrección del factor de potencia mediante convertidor Boost controlado digitalmente.

Distorsión armónica en la línea de corriente (azul) y después de la corrección del factor de potencia (amarillo).

Mediante Simulink, puede hacer lo siguiente:

  • Crear modelos de simulación precisos de fuentes de alimentación conmutadas, de motores de CA y de otras cargas en los sistemas de distribución
  • Realizar un análisis de los armónicos para determinar la distorsión armónica total presente en el circuito
  • Dimensionar los componentes pasivos de los convertidores de potencia para garantizar la obtención de las características deseadas para las señales, tales como el rizado de la tensión de salida
  • Diseñar controladores digitales para estos convertidores de potencia mediante barridos de CA y ajuste de PID automatizado
  • Generar automáticamente código C optimizado para el procesador, ANSI o ISO y HDL para prototipado rápido e implementación en producción de los controladores

10 maneras de acelerar el diseño de los controles de convertidores de potencia con Simulink

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