¿Cuál es la entrada de alimentación de CA para mi aplicación?
Las fuentes de alimentación de CA programables que se utilizan en aplicaciones de desarrollo y ensayo convierten la energía de la red pública disponible localmente en formatos de salida de CA o CC de precisión específicos necesarios para probar o controlar las unidades sometidas a ensayo. Esto se denomina "conversión de potencia de estado sólido", ya que se utilizan circuitos electrónicos activos en lugar de convertidores rotativos o transformadores de tensión. Esto tiene numerosas ventajas para las aplicaciones de prueba:
- Conversión simultánea de tensión y frecuencia
- Aislamiento galvánico entre la red y la unidad sometida a prueba, ya que la salida de la fuente de alimentación puede flotar
- Conversión de fase disponible entre red monofásica, dividida o trifásica a monofásica, dividida o trifásica según sea necesario.
Independientemente del objetivo de la prueba, los convertidores de potencia de estado sólido toman la energía de la red pública como entrada y la convierten a la tensión de salida, frecuencia y configuración de fase deseadas.
Entrada de CA monofásica
Las configuraciones monofásicas de entrada de CA son, con mucho, las más convenientes, ya que cualquier laboratorio o fábrica tendrá tomas de corriente monofásicas. En los países en los que la tensión de red estándar es de 230 Vca o 240 Vca, esto permite disponer de una potencia de entrada razonable para satisfacer requisitos de hasta 3000 W.
En países como EE.UU. o Japón, donde el voltaje de la línea de CA es sólo de 120Vac o 110Vac, se puede extraer mucha menos potencia de una toma de CA estándar. Una toma típica de 120 V CA sólo admite 10 A, por lo que, en el mejor de los casos, se dispone de 1200 VA. Esto no tiene en cuenta las posibles condiciones de baja tensión de línea que pueden reducir aún más la potencia de entrada. Hay 120V, 20A versiones de salida disponibles en los EE.UU., pero no son muy comunes y el uso de una orientación pin diferente por lo que los enchufes de cable de línea modular estándar no funcionará con estos.
Figura 1: Conexión monofásica a la red
Para potencias superiores a 1.000 W en EE.UU., se necesitará un equipo de fase partida de 240 V CA o trifásico de 208 V.
Entrada de CA trifásica
La alimentación trifásica suele utilizarse para aplicaciones industriales y de mayor potencia. Las fábricas y los laboratorios de pruebas suelen disponer de tomas trifásicas. En los edificios de oficinas, la energía trifásica se utiliza para la iluminación, que es un gran consumidor de energía, por lo que el edificio puede disponer de energía trifásica, pero no de tomas trifásicas.
Existen tres configuraciones trifásicas habituales en el mundo:
- 208Vac trifásico Wye Japón
- 208Vac trifásico Wye US
- 400Vac trifásico Wye Europa, Asia
- 480Vac trifásico Delta US
En algunos países (Canadá) pueden existir tensiones más elevadas, por lo que puede utilizarse un transformador Delta/Wye para cambiar de Delta a Wye o viceversa.
Figura 2: Conexión trifásica en triángulo a la red
¿Entrada en triángulo o en estrella?
No todas las fuentes de alimentación de CA o CC de alta potencia tienen la misma configuración de entrada trifásica. Preste atención al tipo de configuración de tensión trifásica que admite la fuente de alimentación que está considerando. Si la configuración de entrada es en triángulo, la fuente de alimentación puede utilizarse con una configuración de red en triángulo o en estrella. La conexión neutra no es necesaria cuando se conecta a la red.
Si, por el contrario, la fuente de alimentación necesita una conexión neutra (sólo se admiten entradas en estrella), no pueden utilizarse con una red Delta. Estos tipos de diseño de entrada suelen verse afectados cuando se alimentan cargas trifásicas muy desequilibradas, ya que puede fluir una cantidad considerable de corriente de neutro. Al realizar pruebas de conformidad de desequilibrio de carga, intente evitar dichas fuentes de alimentación.
Figura 3: Configuraciones trifásicas WYE vs DELTA
Por supuesto, igual de importante es prestar atención al rango de tensión de entrada de CA. Tiene que coincidir con lo que está disponible en el lugar donde se utilizará el equipo.
Mientras que las fuentes de alimentación monofásicas con factor de potencia corregido suelen tener un amplio rango de tensión de entrada de CA, los productos trifásicos no suelen tenerlo, ya que el requisito de amplio rango de corriente de entrada asociado sería difícil o costoso de implementar.
Sin embargo, algunos productos utilizan transformadores de entrada de CA que pueden admitir múltiples tomas de transformador de entrada de tensión, lo que permite reajustarlos para diferentes lugares del mundo. El inconveniente es que estas fuentes de alimentación suelen ser bastante más grandes y pesadas.
Corriente de entrada de CA
Los requisitos de corriente de entrada vienen determinados por varios factores para configuraciones de entrada monofásicas o trifásicas:
- Rango de tensión de entrada
- Potencia nominal de salida
- Factor de potencia
- Eficacia
- Funcionamiento con sobrecarga
Todos estos factores determinan cuál tendrá que ser la VA de entrada de CA para soportar la potencia nominal máxima de salida de la fuente programable. Por ejemplo, si tenemos una fuente de 2kVA conectada a una carga resistiva, la potencia máxima de salida será de 2000W además de 2000VA. Supongamos que la especificación de entrada es la siguiente
- Tensión alterna Rango de entrada: 230Vac ± 10%
- Corriente: 15A
- Factor de potencia: 8
- Eficacia: 82
Dado que la tensión de entrada de CA es de 230 V nominales, tenemos que tener en cuenta un funcionamiento a 230 V * 0,9 = 207 Vca en el peor de los casos. No todas las redes eléctricas del mundo son estables y las caídas de tensión en líneas bajas pueden ser bastante comunes.
Para obtener la potencia de salida de 2000 W requerida, la potencia de entrada necesaria de la red se determinará mediante la siguiente fórmula:
Pin = (Pout / PF ) / Eff
Para nuestro ejemplo, esto equivale a:
Pin = (2000) / 0.8 ) / 0,82 = 3048 VA
En el peor de los casos, con una tensión de entrada de línea baja de 207 Vca, se necesitarán 3048 / (230* 0,9) = 14,724 A.
Para una entrada de fuente de alimentación trifásica, la relación entre la potencia de entrada requerida y la corriente se calcula de forma similar, pero la corriente real debe dividirse entre tres fases o por √3. Así, una potencia de entrada de 10kVA requerida en una conexión trifásica a la red de 208V daría como resultado
((10000 / (208*0.9)) / √3 = 30,84 A RMS por fase.
Esto ilustra el impacto tanto del factor de potencia como de la eficiencia en las corrientes de entrada de CA y en el tamaño de los disyuntores y cables de entrada asociados. En este ejemplo de entrada monofásica, la corriente de entrada de 15 A suele estar disponible en las tomas estándar de 230 V CA de Europa y otros países. Una vez que necesitemos más de 2000W de potencia de salida, tendríamos que seleccionar fuentes de CA más eficientes o con mejor factor de potencia de entrada o considerar el uso de corriente de entrada trifásica. Veamos las dos especificaciones que más influyen en la corriente alterna de entrada necesaria: el factor de potencia y la eficiencia.
Corriente de irrupción
Aunque ya hemos hablado de la corriente de entrada RMS necesaria para soportar toda la potencia nominal de salida, también debemos prestar atención a la corriente de irrupción inicial cuando se enciende por primera vez una fuente de alimentación. Dado que la mayoría de los circuitos de entrada constan de un puente rectificador y un condensador de almacenamiento, los picos de corriente iniciales pueden ser elevados si el condensador de entrada está totalmente descargado. Esto también puede ocurrir en los diseños de entrada con factor de potencia corregido.
Para evitar el molesto disparo del disyuntor debido a corrientes de arranque excesivas, asegúrese de que la fuente de alimentación está equipada con un circuito de arranque suave. Este circuito utiliza una resistencia limitadora de corriente o un termistor para limitar los picos de corriente de arranque mientras se cargan los condensadores de almacenamiento del bus de CC. Una vez cargada, esta resistencia se puentea o permanece en un estado de baja impedancia si se utiliza un termistor.
Todos los modelos Pacific con potencias de 4500VA o superiores llevan circuitos de arranque progresivo incorporados. En los modelos de menor potencia, no siempre es necesario, pero puede ofrecerse como opción.
Factor de potencia
Se pueden obtener factores de potencia más elevados seleccionando fuentes de alimentación de CA con corrección del factor de potencia. Hay dos métodos utilizados habitualmente:
- PFC pasivo
- PFC activo
PFC pasivo utiliza un inductor de entrada de línea para compensar cualquier inductancia de entrada resultan en factores de potencia que puede ser tan alta como 0,85. En los diseños trifásicos de entrada de CA, donde la corrección del factor de potencia tendrá que hacerse en cada una de las 3 líneas de fase por separado, el costo del circuito PFC puede sumar rápidamente.
Los circuitos PFC activos, sin embargo, emplean circuitos de conmutación que dinámicamente toman corriente para que la forma de onda de entrada coincida con la forma de onda sinusoidal deseada. Suelen emplearse en fuentes de alimentación de alto rendimiento diseñadas para ofrecer precisión y bajo nivel de ruido. PFC activo también se utiliza para proporcionar una alta eficiencia y funciona en una amplia gama de tensiones de línea de CA y cargas.