Requisiti di alimentazione in ingresso CA per le sorgenti di alimentazione

Le sorgenti di alimentazione CA programmabili utilizzate per applicazioni di sviluppo e collaudo convertono l'energia elettrica disponibile localmente in specifici formati di uscita CA o CC di precisione necessari per il collaudo o il controllo delle unità in prova. Si tratta della cosiddetta "conversione di potenza allo stato solido", in quanto vengono utilizzati circuiti elettronici attivi anziché convertitori rotanti o trasformatori di sola tensione. Ciò comporta numerosi vantaggi per le applicazioni di test:

• Conversione di tensione e frequenza allo stesso tempo
• Isolamento galvanico tra la rete e l'unità in prova, poiché l'uscita della fonte di alimentazione può essere flottante
• Conversione di fase disponibile tra rete monofase, sdoppiata o trifase a seconda delle necessità

Indipendentemente dall'obiettivo del test, i convertitori di potenza a stato solido ricevono in ingresso l'energia di rete e la convertono nella tensione di uscita, nella frequenza e nella configurazione di fase desiderate.

Ingresso CA monofase 

Le configurazioni di ingresso CA monofase sono di gran lunga le più convenienti, poiché qualsiasi laboratorio o fabbrica dispone di prese di corrente monofase. Nei paesi in cui la tensione di rete è di 230Vac o 240Vac, questa configurazione offre una potenza di ingresso ragionevole per supportare requisiti fino a 3000W.

In paesi come gli Stati Uniti o il Giappone, dove la tensione di rete CA è solo di 120Vac o 110Vac, la potenza assorbita da una presa CA standard è molto inferiore. Una tipica presa da 120Vac supporta solo 10A, quindi nel migliore dei casi è disponibile una potenza di 1200VA. Questo dato non tiene conto di eventuali condizioni di bassa tensione di rete che possono ridurre ulteriormente la potenza in ingresso. Negli Stati Uniti sono disponibili versioni di prese da 120 V e 20 A, ma non sono molto diffuse e utilizzano un orientamento dei pin diverso, per cui le spine dei cavi di linea modulari standard non funzionano con queste.

Figura 1: Connessione alla rete monofase

Per requisiti di potenza superiori a 1000W negli Stati Uniti, sarà necessario un sistema a doppia fase 240Vac o trifase 208V.

Ingresso CA trifase

L'alimentazione trifase è tipicamente utilizzata per applicazioni industriali e di potenza superiore. I capannoni delle fabbriche e i laboratori di prova dell'energia hanno in genere prese trifase. Negli edifici adibiti a uffici, l'alimentazione trifase viene utilizzata per l'illuminazione, che è un grande consumatore di energia, quindi l'alimentazione trifase può essere disponibile nell'edificio, ma le prese trifase no.

Esistono tre configurazioni trifase comuni al mondo:

• 208Vac trifase Wye Giappone
• 208Vac trifase Wye US
• 400Vac trifase Wye Europa, Asia
• 480Vac trifase Delta US

In alcuni paesi (Canada) possono esistere tensioni più elevate e per passare da Delta a Wye o viceversa si può utilizzare un trasformatore Delta/Wye.

Figura 2: Collegamento alla rete trifase a triangolo

Ingresso Delta o Wye?
Non tutte le fonti di alimentazione CA o CC di potenza superiore hanno la stessa configurazione di ingresso trifase. Prestare attenzione al tipo di configurazione di tensione trifase supportata dalla fonte di alimentazione che si sta considerando. Se la configurazione di ingresso è a Delta, la sorgente di alimentazione può essere utilizzata con una configurazione di rete a Delta o a Wye. Il collegamento del neutro non è necessario per il collegamento alla rete.

Se invece la sorgente di alimentazione necessita di un collegamento al neutro (solo ingressi Wye supportati), non possono essere utilizzati con una rete Delta. Questi tipi di ingresso hanno spesso un impatto quando si pilotano carichi trifase fortemente sbilanciati, in quanto può fluire una notevole quantità di corrente di neutro. Quando si eseguono i test di conformità per lo sbilanciamento del carico, si cerca di evitare tali sorgenti di alimentazione.

Figura 3: Configurazioni WYE trifase vs DELTA

Naturalmente, è altrettanto importante prestare attenzione alla gamma di tensione di ingresso CA. Deve corrispondere a quello disponibile nel luogo in cui verrà utilizzata l'apparecchiatura.
Mentre le sorgenti di alimentazione monofase corrette per il fattore di potenza hanno spesso un ampio intervallo di tensione di ingresso CA, i prodotti trifase di solito non lo hanno, poiché l'ampio intervallo di corrente di ingresso richiesto sarebbe difficile o costoso da implementare.

Alcuni prodotti, tuttavia, utilizzano trasformatori d'ingresso in corrente alternata che possono supportare diversi trasformatori di tensione d'ingresso, consentendo così di utilizzare i trasformatori in diverse località del mondo. Lo svantaggio è che queste sorgenti di alimentazione sono in genere molto più grandi e pesanti.

Corrente di ingresso CA

I requisiti di corrente di ingresso sono determinati da diversi fattori per le configurazioni di ingresso monofase o trifase:

• Intervallo di tensione d'ingresso
• Potenza nominale in uscita
• Fattore di potenza
• Efficienza
• Funzionamento con sovraccarico

Tutti questi fattori determinano il valore VA dell'ingresso CA per supportare la massima potenza nominale di uscita della sorgente programmabile. Ad esempio, se abbiamo una sorgente da 2kVA collegata a un carico resistivo, la potenza massima in uscita sarà di 2000W e 2000VA. Supponiamo che le specifiche di ingresso siano le seguenti

• Tensione AC Campo di ingresso: 230Vac ± 10%
• Corrente: 15A
• Fattore di potenza: 8
• Efficienza: 82%.

Poiché la tensione d'ingresso CA è di 230 V nominali, dobbiamo prevedere un funzionamento fino a 230 * 0,9 = 207 Vca nel caso peggiore. Non tutte le reti elettriche del mondo sono stabili e le condizioni di brownout della linea bassa possono essere piuttosto comuni.
Per ottenere la potenza di uscita richiesta di 2000W, la potenza di ingresso richiesta dalla rete sarà determinata dalla seguente formula:

Pin = (Pout / PF ) / Eff

Per il nostro esempio, ciò equivale a:

Pin = (2000) / 0,8 ) / 0,82 = 3048 VA

Nel peggiore dei casi, con una tensione di ingresso di linea bassa di 207 Vca, saranno necessari 3048 / (230* 0,9) = 14,724 A.

Per una sorgente di alimentazione trifase, la relazione tra la potenza di ingresso richiesta e la corrente è calcolata in modo simile, ma la corrente effettiva deve essere divisa per tre fasi o per √3. Pertanto, un requisito di potenza in ingresso di 10kVA su una connessione di rete trifase a 208V risulterebbe in

((10000 / (208*0.9)) / √3 = 30,84 A RMS per fase.

Ciò illustra l'impatto del fattore di potenza e dell'efficienza sulle correnti di ingresso in CA e sul relativo dimensionamento degli interruttori e dei cavi di ingresso. In questo esempio di ingresso monofase, la corrente di ingresso di 15A è generalmente disponibile sulle prese standard a 230Vac in Europa e in altri Paesi. Se abbiamo bisogno di una potenza di uscita superiore a 2000W, dobbiamo scegliere una fonte di corrente alternata con fattore di potenza in ingresso più efficiente o migliore, oppure prendere in considerazione l'utilizzo di una corrente di ingresso trifase. Esaminiamo le due specifiche che hanno il maggiore impatto sulla corrente di ingresso CA richiesta, il fattore di potenza e l'efficienza.

Corrente di spunto

Sebbene si sia parlato della corrente di ingresso RMS necessaria per supportare la piena potenza nominale in uscita, è necessario prestare attenzione anche alla corrente di spunto iniziale quando una sorgente di alimentazione o un alimentatore viene acceso per la prima volta. Poiché la maggior parte dei circuiti di ingresso è costituita da un raddrizzatore a ponte e da un condensatore di accumulo, i picchi di corrente iniziali possono essere elevati se il condensatore di ingresso è completamente scarico. Questo può essere vero anche per i progetti di ingresso con fattore di potenza corretto.

Per evitare fastidiosi interventi degli interruttori automatici dovuti a correnti di spunto eccessive, accertarsi che la sorgente di alimentazione sia dotata di un circuito di avvio graduale. Tale circuito utilizza una resistenza di limitazione della corrente o un termistore per limitare i picchi di corrente di spunto mentre i condensatori di accumulo sul bus CC si caricano. Una volta caricato, questo resistore viene bypassato o rimane in uno stato di bassa impedenza se si utilizza un termistore.

I modelli Pacific con potenza nominale di 4500VA o superiore sono tutti dotati di circuiti di soft-start integrati. Nei modelli di potenza inferiore, non è sempre richiesto ma può essere offerto come opzione.

Fattore di potenza

È possibile ottenere fattori di potenza più elevati selezionando fonti di alimentazione CA con correzione del fattore di potenza. I metodi comunemente utilizzati sono due:

• PFC passivo
• PFC attivo

Il PFC passivo utilizza un induttore di ingresso della linea per compensare l'induttanza di ingresso, ottenendo così fattori di potenza che possono arrivare a 0,85. Nei progetti con ingresso trifase in CA, in cui la correzione del fattore di potenza deve essere effettuata su ciascuna delle tre linee di fase separatamente, il costo del circuito PFC può aumentare rapidamente.
I circuiti PFC attivi, invece, impiegano circuiti di commutazione che assorbono dinamicamente la corrente in modo che la forma d'onda di ingresso corrisponda alla forma d'onda sinusoidale desiderata. Questi circuiti sono spesso utilizzati per le sorgenti di alimentazione ad alte prestazioni, progettate per garantire precisione e basso rumore. Il PFC attivo è utilizzato anche per fornire un'elevata efficienza e funziona su un'ampia gamma di tensioni di linea e carichi CA.