Teoría de CA
En las aplicaciones de energía CA avanzadas de la actualidad, las mejoras en la medición y la comprensión de la corriente y el voltaje complejos se han vuelto más cruciales.
Esta guía proporciona una descripción general de los parámetros fundamentales de la teoría de CA y su importancia.
Aprender los conceptos básicos de valores RMS, valores promedio, potencia real y aparente, factor de potencia, factor de cresta, distorsión armónica y técnicas de medición le permitirá comprender mejor la teoría fundamental de CA.
ACTUALIZADO EL 29 DE AGOSTO DE 2024
1. RMS (valor cuadrático medio)
El valor RMS es el medio más comúnmente utilizado y útil para especificar el valor tanto del voltaje como de la corriente de CA.
El valor RMS de una forma de onda de CA es aquel que, cuando se aplica a un circuito determinado durante un tiempo determinado, produce el mismo gasto de energía que cuando se aplica una fuente de CC al mismo circuito durante el mismo intervalo de tiempo.
El valor RMS es esencial para evaluar la potencia disponible de una fuente de CA y una medida crítica para cuantificar el voltaje y la corriente de CA.
CÁLCULO:
El cálculo de un valor RMS se puede describir mejor considerando una forma de onda de corriente CA y su efecto de calentamiento asociado, como el que se muestra en la figura 1(a) a continuación:
Si se considera que esta corriente fluye a través de una resistencia, el efecto de calentamiento en cualquier instante viene dado por la ecuación:
Dividiendo el ciclo actual en coordenadas igualmente espaciadas, se puede determinar la variación del efecto de calentamiento con el tiempo, como se muestra en la figura 1b.
El efecto de calentamiento promedio (potencia) viene dado por:
Si quisiéramos encontrar el valor equivalente de corriente que produciría el valor del efecto de calentamiento promedio que se muestra arriba, entonces se aplica lo siguiente:
por lo tanto
= la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de la corriente
= el valor RMS de la corriente .
Este valor a menudo se denomina valor efectivo de la forma de onda de CA, ya que es equivalente a la corriente continua que produce el mismo efecto de calentamiento (potencia) en la carga resistiva.
Para una forma de onda sinusoidal pura:
RMS = Valor pico / SQRT (2)
= Valor pico x 0,707
2. Valor medio
El valor promedio de una onda sinusoidal es la media de todos los valores instantáneos de medio ciclo, mientras que el valor promedio durante un ciclo completo es cero para formas de onda simétricas como la forma de onda de CA.
El valor promedio de una forma de onda como la que se muestra en la figura 2 viene dado por:
Está claro que el valor promedio solo puede tener un significado real a lo largo de medio ciclo de la forma de onda, ya que para una forma de onda simétrica el valor medio o promedio a lo largo de un ciclo completo es cero.
La mayoría de los multímetros más simples determinan los valores de CA mediante la rectificación de onda completa de la forma de onda de CA seguida de un cálculo del valor medio.
Sin embargo, dichos medidores se calibrarán en RMS y utilizarán la relación conocida entre RMS y el promedio para una forma de onda sinusoidal.
es decir: RMS = 1,11 x media.
Sin embargo, para formas de onda distintas a una onda sinusoidal pura, las lecturas de dichos medidores no serán válidas.
3. Potencia real y aparente (W y VA)
La potencia real es la cantidad real de potencia que se utiliza o disipa en un circuito, mientras que la potencia aparente es la combinación de la potencia real y la potencia reactiva.
Es el producto del voltaje y la corriente de un circuito sin referencia al ángulo de fase.
Dado que la potencia aparente tiene una relación directa con el valor RMS (ambos se definieron como la cantidad real y el valor efectivo de la corriente CA y el voltaje CA), la fórmula simple para la potencia aparente es S (aparente) = V(rms) x I (rms) y se mide en voltios-amperios (VA).
SOLICITUD:
Si una fuente de voltaje sinusoidal de, digamos, 100 V RMS está conectada a una carga resistiva de, digamos, 100 ohmios, entonces el voltaje y la corriente se pueden representar como en la figura 3a y se dice que están en fase.
La potencia que fluye desde la fuente a la carga en cualquier instante está dada por el valor del producto de la tensión por la corriente en ese instante, como se ilustra en la figura 3b.
De esto se puede ver que la potencia que fluye hacia la carga fluctúa (al doble de la frecuencia de suministro) entre 0 y 200 vatios y que la potencia promedio entregada a la carga es igual a 100 vatios, que es lo que se podría esperar de 100 V RMS y una resistencia de 100 ohmios.
Sin embargo, si la carga es reactiva (es decir, que contiene inductancia o capacitancia además de resistencia) con una impedancia de 100 ohmios, entonces la corriente que fluye seguirá siendo 1 A RMS, pero ya no estará en fase con el voltaje. Esto se muestra en la figura 4a para una carga inductiva con la corriente retrasada en 60 o .
Aunque el flujo de energía continúa fluctuando al doble de la frecuencia de suministro, ahora fluye desde el suministro a la carga solo durante una parte de cada semiciclo; durante la parte restante, en realidad fluye desde la carga al suministro.
Por lo tanto, el flujo neto promedio en la carga es mucho menor que en el caso de una carga resistiva, con solo 50 W de potencia útil entregados a la carga inductiva.
En ambos casos anteriores, el voltaje RMS fue igual a 100 V RMS y la corriente fue 1 A RMS.
El producto de estos dos valores es la potencia aparente entregada a la carga y se mide en VA de la siguiente manera:
Potencia aparente = voltios RMS x amperios RMS
Simplemente conocer el voltaje y la corriente RMS no es suficiente para determinar la potencia real.
Para evaluar la potencia con precisión (por ejemplo, para evaluar la pérdida de calor o la eficiencia), necesitamos un verdadero medidor de potencia de CA.
Este dispositivo calcula el producto de los valores instantáneos de voltaje y corriente y luego muestra el promedio de este producto.
4. Factor de potencia
Está claro que, en comparación con los sistemas de CC, la potencia de CA transferida no es simplemente el producto de los valores de voltaje y corriente.
El factor de potencia se define como la relación entre la potencia real y la potencia aparente.
En el caso de formas de onda sinusoidales puras de corriente y voltaje CA, el factor de potencia depende de la fase del ángulo en el que se mide.
El factor de potencia será la unidad (1) donde el voltaje y la corriente están en la misma fase. (y Cos (0) = 1)
El factor de potencia rezagado es cuando la corriente se retrasa respecto del voltaje en un ángulo agudo.
El factor de potencia adelantado es cuando la corriente adelanta el voltaje en un ángulo agudo.
El factor de potencia será cero cuando el voltaje y la corriente estén desfasados exactamente 90 grados; esto significa que la potencia REAL también es cero.
Importancia: El factor de potencia afecta la eficiencia energética y el manejo de la carga en los sistemas de CA.
CÁLCULO:
En el ejemplo anterior (potencia real y aparente) con carga inductiva, el factor de potencia es 0,5 porque la potencia útil es exactamente la mitad de la potencia aparente.
En el caso de formas de onda de voltaje y corriente sinusoidales, el factor de potencia es en realidad igual al coseno del ángulo de fase entre las formas de onda de voltaje y corriente.
Por ejemplo, con la carga inductiva descrita anteriormente, la corriente se retrasa respecto del voltaje en un 60 o , por lo tanto:
Es por esta razón que el factor de potencia a menudo se denomina cosθ.
Sin embargo, es importante recordar que esto sólo es así cuando tanto el voltaje como la corriente son sinusoidales (Figura 5, I1 e I2) y que el factor de potencia no es igual a cosθ en ningún otro caso [Figura 5 (I3)].
Esto debe recordarse al utilizar un medidor de factor de potencia que lee cosθ, ya que la lectura no será válida excepto para formas de onda de corriente y voltaje sinusoidales puras.
Un verdadero medidor de factor de potencia calculará la relación entre la potencia real y la aparente como se describe anteriormente.
5. Factor de cresta
Ya se ha demostrado que para una forma de onda sinusoidal:
La relación entre el pico y el valor RMS se conoce como factor de cresta y se define como la relación entre el valor pico y el valor efectivo (RMS).
Así, para una sinusoide:
Muchos equipos modernos conectados a la red de CA adoptan formas de onda de corriente no sinusoidal; estos incluyen fuentes de alimentación, reguladores de intensidad de lámparas e incluso lámparas fluorescentes.
Para formas de onda no sinusoidales: el factor de cresta puede ser significativamente mayor, lo que indica valores de pico mayores en relación con los valores RMS.
Esto es importante para evaluar la tensión en las fuentes de alimentación y los equipos.
Una fuente de alimentación de modo conmutado típica tomará corriente de la fuente de alimentación de CA como se muestra en la figura 6.
Está claro que el factor de cresta de la forma de onda de corriente representada es mucho mayor que 1,414; de hecho, la mayoría de las fuentes de alimentación de modo conmutado y los controladores de velocidad del motor tienen un factor de cresta de corriente de 3 o mayor.
De ello se deduce que un factor de cresta de corriente grande debe suponer una tensión adicional para el equipo que suministra dicha carga, ya que el equipo debe ser capaz de suministrar las grandes corrientes de pico asociadas con la forma de onda distorsionada.
Esto es particularmente relevante cuando una fuente de alimentación de impedancia limitada, como un inversor de reserva, está alimentando la carga.
Por tanto, queda claro que, cuando se trata de equipos de CA, es importante conocer el factor de cresta de la corriente consumida, así como su corriente RMS.
6. Distorsión armónica
Si una carga introduce distorsión en la forma de onda de la corriente, es útil, además de conocer el factor de cresta, cuantificar el nivel de distorsión de la forma de onda.
La distorsión armónica se produce cuando una forma de onda de corriente no sinusoidal contiene frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Estos armónicos pueden provocar pérdidas adicionales y estrés en el sistema eléctrico.
La observación en un osciloscopio indicará la distorsión, pero no el nivel de distorsión.
Se puede demostrar mediante el análisis de Fourier que una forma de onda de corriente no sinusoidal consta de un componente fundamental en la frecuencia de suministro más una serie de armónicos (es decir, componentes en frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de suministro).
Por ejemplo, una onda cuadrada de 100 Hz consta de los componentes que se muestran en la figura 7.
Una onda cuadrada está claramente muy distorsionada en comparación con una onda sinusoidal pura. Sin embargo, la forma de onda de corriente generada por, por ejemplo, una fuente de alimentación conmutada, un regulador de intensidad de una lámpara o incluso un motor de lavadora con control de velocidad puede contener armónicos de mayor importancia.
Fig. 8. Muestra la corriente consumida por un modelo SMPS popular junto con el contenido armónico de esa corriente.
La única corriente útil es el componente fundamental de la corriente, ya que es sólo ésta la que puede generar potencia útil.
La corriente armónica adicional no sólo fluye dentro de la fuente de alimentación en sí, sino en todos los cables de distribución, transformadores y equipos de conmutación asociados con la fuente de alimentación y, por lo tanto, provocará pérdidas adicionales.
Un alto contenido de armónicos puede afectar la calidad y la eficiencia de la energía, y cada vez hay más conciencia de la necesidad de limitar el nivel de armónicos que pueden producir los equipos. En muchos territorios existen controles que establecen límites obligatorios al nivel de corriente armónica permitido para determinados tipos de carga.
Estos controles regulatorios se están volviendo más comunes con el uso de normas reconocidas internacionalmente como IEC555, que pronto será reemplazada por IEC1000-3.
Por lo tanto, es necesario que los diseñadores de equipos sean más conscientes de si sus productos generan armónicos y en qué nivel.
7. Medición de parámetros de CA
Para los proveedores de energía de CA y los fabricantes de equipos, los parámetros de CA analizados son esenciales. Sin embargo, muchos de los instrumentos de medición que se encuentran actualmente en el mercado pueden resultar difíciles de manejar o carecer de la funcionalidad y precisión suficientes, especialmente cuando se trabaja con entradas distorsionadas o ruidosas.
Voltech Instruments aborda estos desafíos mediante el desarrollo y la fabricación de instrumentos avanzados de medición de potencia. Nuestras soluciones cubren un amplio espectro de necesidades, desde la medición de potencia de uso general hasta tareas de análisis de potencia complejas y de alta demanda.