Potenza reale vs Potenza apparente vs Potenza reattiva: Qual è la differenza?
Sulla rete elettrica, l'energia elettrica viene fornita con un segnale in corrente alternata. In condizioni ideali, il carico sarebbe puramente resistivo, ma a causa dei motori nelle fabbriche e nelle case, il carico è in realtà induttivo. Si verifica una differenza di fase tra l'energia nella rete e l'energia nel carico. Può essere vista come un semplice circuito RL e, come mostrato nella figura 1, le varie potenze sono chiamate: potenza reale, potenza reattiva e potenza apparente:
- Potenza reale
- Potenza reattiva
- Potenza apparente
Figura 1: Illustrazione del triangolo di potenza
Tipi di alimentazione elettrica
La potenza reattiva rappresenta l'energia elettrica immagazzinata nella bobina che poi fluisce di nuovo nella rete. Le bobine ideali non consumano alcuna energia elettrica, ma generano una corrente elettrica significativa. La potenza reale è la potenza effettivamente consumata a causa del carico resistivo, mentre la potenza apparente è la potenza che la rete deve essere in grado di sopportare. L'unità di misura della potenza reale è il watt, mentre l'unità di potenza apparente è VA (Volt Ampere).
Confronto tra potenza reale, reattiva e apparente
Un'analogia famosa è fatta con il bicchiere di birra e la schiuma della birra. La potenza reale è ciò che si finisce per bere. Il bicchiere è la potenza apparente e deve essere abbastanza grande da contenere liquido e schiuma. La questione della potenza reattiva non è solo tecnica, ma ha potenzialmente grandi conseguenze economiche. Infatti, una compagnia di servizi pubblici deve costruire una rete in grado di trasportare l'energia apparente, ma fattura solo la potenza reale. Se la differenza fosse troppo grande, sarebbe insostenibile. Il rapporto tra potenza reale e potenza apparente è noto come fattore di potenza. Il fattore di potenza deve essere il più vicino possibile a uno. I componenti elettronici, chiamati correttori del fattore di potenza (PFC), aiutano in questo compito. I governi emanano regolarmente nuove normative per i dispositivi elettronici che devono rispettare standard più severi per ottenere una buona etichetta energetica.
I convertitori AC to DC convenzionali utilizzano solitamente un ponte raddrizzatore a onda intera con un semplice filtro a condensatore per prelevare energia dalla linea AC. Di conseguenza, la forma d'onda della corrente di linea è un impulso stretto e il fattore di potenza è basso (0,5-0,6) a causa dell'elevata distorsione armonica della corrente (vedi Figura 3).
Figura 2: equazione del convertitore AC to DC
Esistono vari metodi per migliorare il correttore del fattore di potenza. Per basse potenze, una soluzione passiva con componenti discreti è spesso sufficiente. Come detto in precedenza, un carico è nella maggior parte delle volte induttivo e inserire un condensatore in parallelo migliorerà il fattore di potenza. Quando le applicazioni richiedono alcune decine di watt, è necessario un correttore attivo del fattore di potenza (PFC). La topologia più comune è quella boost, che può essere suddivisa in due sottocategorie:
- Modalità di Transizione (TM) o Modalità di Conduzione Critica (CrM) per alcune decine di watt fino a centinaia di watt
- Modalità di Conduzione Continua (CCM) per alcune centinaia di watt fino a diverse migliaia di watt
Figura 3: PFC - stadio correttore di fattore di potenza
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: Temporizzazione del MOSFET e forma d'onda della corrente dell'induttore - modalità di transizione
Il sistema opera (non esattamente ma molto vicino) al limite tra il modo di funzionamento continuo e discontinuo, ed è per questo che questo sistema è chiamato un PFC in Modalità di Transizione. La corrente ha ampiezze elevate e la corrente di picco è pari al doppio della corrente media. Pertanto, per una potenza elevata, è necessario ottenere una corrente più vicina a una curva sinusoidale. La Modalità di Conduzione Continua è la soluzione, applicando una frequenza fissa che limita le variazioni della corrente come mostrato nella figura 5. Questo è il design più complesso ma è possibile ottenere un fattore di potenza di 0,99.
Figura 5: Temporizzazione del MOSFET e forma d'onda della corrente dell'induttore - modalità di conduzione continua
Esistono altri metodi come il timing a Tempo Off Fisso (FOT) in cui la modulazione avviene sul Tempo On. In alcune condizioni, può fornire risultati simili alla Modalità Continua di Corrente ma con un'implementazione simile alla Modalità di Transizione. Quando è necessario aumentare la potenza e una singola Modalità di Transizione non è più adeguata, un PFC interlacciato può essere la soluzione. Questo tipo di soluzione utilizza più componenti ma può essere molto più semplice da progettare.
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