Potencia Real vs Potencia Aparente vs Potencia Reactiva: ¿Cuál es la diferencia?
En la red, la energía eléctrica se suministra con una señal de corriente alterna. En condiciones ideales, la carga sería puramente resistiva, pero debido a los motores en fábricas y casas, la carga es, de hecho, inductiva. Se produce una diferencia de fase entre la potencia en la red y la potencia en la carga. Se puede considerar como un circuito RL simple y, como se muestra en la figura 1, las diferentes potencias se denominan: potencia real, potencia reactiva y potencia aparente:
- Potencia real
- Potencia reactiva
- Potencia aparente
Figura 1: Ilustración del triángulo de potencia
Tipos de energía eléctrica
La potencia reactiva representa la energía eléctrica almacenada en la bobina que luego fluye de regreso a la red. Las bobinas ideales no consumen energía eléctrica, pero generan una corriente eléctrica significativa. La potencia real es la potencia realmente consumida debido a la carga resistiva, y la potencia aparente es la potencia que la red debe ser capaz de soportar. La unidad de la potencia real es el watt, mientras que la unidad de potencia aparente es VA (Volt Ampere).
Comparación de potencia real, reactiva y aparente
Una analogía famosa se hace con el vaso de cerveza y la espuma de la cerveza. La potencia real es lo que terminas bebiendo. El vaso es la potencia aparente y debe ser lo suficientemente grande para contener líquido y espuma. El tema de la potencia reactiva no solo es técnico, sino que también tiene potenciales consecuencias económicas importantes. De hecho, una empresa de servicios públicos debe construir una red capaz de transportar la energía aparente, pero solo factura la potencia real. Si la diferencia fuera demasiado grande, sería insostenible. La relación entre la potencia real y la potencia aparente se conoce como factor de potencia. El factor de potencia debe estar lo más cercano posible a uno. Los componentes electrónicos, llamados correctores de factor de potencia (PFC), ayudan en esta tarea. Los gobiernos promulgan regularmente nuevas regulaciones para los dispositivos electrónicos que deben cumplir con normas más estrictas para obtener una buena etiqueta energética.
Los convertidores de CA a CC convencionales suelen utilizar un puente rectificador de onda completa con un filtro de condensador simple para obtener energía de la línea de CA. En consecuencia, la forma de onda de la corriente de línea es un pulso estrecho y el factor de potencia es bajo (0.5-0.6) debido a la alta distorsión armónica de la corriente (ver Figura 3).
Figura 2: Ecuación del convertidor de CA a CC
Existen varios métodos para mejorar el corrector de factor de potencia. Para baja potencia, una solución pasiva con componentes discretos suele ser suficiente. Como se mencionó anteriormente, una carga es la mayoría de las veces inductiva y colocar un condensador en paralelo mejorará el factor de potencia. Cuando las aplicaciones requieren unos pocos decenas de vatios, es necesario un PFC activo. La topología más común es la topología boost que puede diferenciarse en 2 subcategorías:
- Modo de Transición (TM) o Modo de Conducción Crítica (CrM) para unas pocas decenas de vatios hasta cientos de vatios
- Modo de Conducción Continua (CCM) para unos pocos cientos de vatios hasta varios miles de vatios
Figura 3: Etapa correctora del factor de potencia (PFC)
The goal is to shape the input current in a sinusoidal fashion, in-phase with the input sinusoidal voltage. An internal sinusoidal reference is generated. This reference is compared to the external signal, and when the error is too large, the MOSFET is turned off. Then, when the current reaches zero, the MOSFET is turned on again. The transition mode has a fixed ON time period and has a curve like in Figure 4.
Figura 4: Forma de onda de tiempo del MOSFET y corriente del inductor - modo de transición
El sistema opera (no exactamente, pero muy cerca) en el límite entre el modo de corriente continua y el modo de corriente discontinua, y es por eso que este sistema se denomina un PFC en Modo de Transición. La corriente tiene grandes amplitudes y la corriente pico es el doble de la corriente promedio. Por lo tanto, para una alta potencia, es necesario obtener una corriente más cercana a una curva de onda sinusoidal. El Modo de Conducción Continua es la solución, aplicando una frecuencia fija que limita las variaciones de la corriente como se muestra en la figura 5. Este es el diseño más complejo, pero es posible alcanzar un factor de potencia de 0.99.
Figura 5: Temporización de MOSFET y forma de onda de corriente del inductor - modo de conducción continua
Existen más métodos, como el temporizador de Tiempo de Apagado Fijo (FOT), donde la modulación ocurre durante el Tiempo de Encendido. En algunas condiciones, puede proporcionar resultados similares al Modo de Corriente Continua, pero con una implementación similar al Modo de Transición. Cuando es necesario aumentar la potencia y un solo Modo de Transición ya no es adecuado, un PFC entrelazado puede ser la solución. Este tipo de solución utiliza más componentes, pero puede ser mucho más fácil de diseñar.
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