carga não linear (retificador) e fator de potência

Eu li que o fator de potência mostra quanto existe a energia aparente, que circula entre as linhas de energia e a carga e não faz nada além de aquecer as linhas de transmissão e os transformadores nelas. Eles dizem que isso se deve ao fato de a corrente estar fora de fase com a tensão. Particularmente, a energia flui da carga quando a tensão é positiva, mas a corrente é negativa.

Além disso, vejo que o retificador de diodo conduz apenas em momentos curtos de pico de tensão, quando a tensão de entrada excede a tensão de carga (os retificadores têm um capacitor de saída = tensão de carga). Portanto, toda a energia é consumida durante essas breves explosões. Eu li um artigo dizendo que as pessoas não entendem nada e todo o problema não é fator de potência, mas essas explosões que sobrecarregam os transformadores nas linhas de energia (não é permitido gerar grandes correntes nos transformadores devido ao risco de perda de magnetização). Mas, quando você consome toda a energia durante uma fração minúscula do seno, ocorre uma grande corrente. Obviamente, a corrente não é proporcional à tensão, como deveria na carga de referência (resistor) com fator de potência de 1. Mas não vejo aqui nenhuma potência negativa! O retificador impede a tensão de entrada positiva e a corrente negativa. Toda a corrente é positiva sob pico de tensão positiva. Então, como a carga não linear produz a potência aparente?

Em outras palavras, a Wikipedia diz http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#Power_factor

As fontes de alimentação simples de modo comutado off-line incorporam um retificador de onda completa simples conectado a um grande capacitor de armazenamento de energia. Esses SMPSs extraem corrente da linha CA em pulsos curtos quando a tensão instantânea da rede elétrica excede a tensão nesse capacitor. Durante a parte restante do ciclo de corrente alternada, o capacitor fornece energia à fonte de alimentação.

Como resultado, a corrente de entrada dessas fontes de alimentação de modo comutado básico possui alto conteúdo harmônico e fator de potência relativamente baixo.

Como eles concluem que o conteúdo harmônico produz o baixo fator de potência? De onde vem o poder aparente?

Entendo que a corrente possui harmônicos (componentes de frequência), o que significa que oscila para frente e para trás enquanto a tensão permanece de polaridade única. Pode ser que essas oscilações de alta frequência da corrente produzam a potência aparente. No entanto, o fluxo líquido ainda é positivo, a corrente ainda flui apenas em uma direção, correspondendo à polaridade da tensão e as oscilações não o fazem fluir na direção oposta para causar a potência aparente.

O ponto que você parece estar perdendo é que ele não requer que a transferência de energia do dispositivo de volta para a linha de energia durante parte do ciclo de energia tenha um fator de potência inferior à unidade.

Existem várias maneiras de analisar o que realmente é o fator de potência, apesar de todas serem matematicamente iguais. Uma maneira é a proporção de energia real fornecida ao produto em relação à tensão e corrente RMS. Se a corrente for um seno (vamos considerar a tensão sempre um seno neste caso, uma vez que a linha de energia tem uma impedância tão baixa), então você tem um fator de potência de unidade quando está em fase com a tensão e 0 quando 90 graus fora Estágio. No caso de um seno, a energia precisa fluir de volta para a linha durante parte do ciclo para ter um fator de potência menor que a unidade.

No entanto, muitas outras formas de onda são possíveis. Você pode ter uma corrente sempre 0 ou positiva quando a tensão é positiva ou 0 ou negativa quando a tensão é negativa, mas isso não é um seno. Os picos mencionados por uma ponte de onda cheia são um bom exemplo. A energia nunca flui de volta para a linha de energia, mas o fator de potência é menor que 1. Faça alguns exemplos e calcule a corrente RMS consumida por uma ponte de onda completa. Você verá que a potência total real extraída da linha de força é menor que a corrente RMS multiplicada pela tensão da linha de força (novamente, estamos assumindo que a tensão da linha de força é sempre um seno).

Outra maneira de pensar sobre isso é que as perdas no sistema de transmissão são proporcionais ao quadrado da corrente. A ponte de onda completa consome sua corrente em picos curtos de alta magnitude. Devido à natureza quadrática das perdas, isso é pior do que a mesma corrente média absorvida mais espalhada. Ao elaborar essa matemática, você percebe que a maneira de minimizar o quadrado médio da corrente é fazer com que a corrente seja um seno em fase com a tensão. Essa é a única maneira de alcançar o fator de poder da unidade.

Ainda outra maneira de ver isso, a que você aludiu, é pensar na expansão de Fourier da corrente. Estamos assumindo alguma forma de onda atual que repete todos os ciclos da linha de energia, portanto ela possui uma série de Fourier. Qualquer forma de onda repetida pode ser expressa como a soma de uma série de ondas senoidais na frequência da linha de energia e em seus múltiplos inteiros positivos. Por exemplo, com potência de 60 Hz, a forma de onda é uma soma de senos a 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, etc. A única questão é qual é a amplitude e o deslocamento de fase de cada uma dessas harmônicas. Deveria ser óbvio que apenas o fundamental (o componente de 60 Hz neste exemplo) é capaz de extrair qualquer energia líquida da linha de energia e que somente na medida em que esteja em fase com a tensão. Como todos os componentes são sinusoidais, cada um consumirá energia durante parte do ciclo e retornará a mesma energia em outra parte do ciclo, exceto pelo componente em fase do fundamental. Portanto, sua maneira de encarar o fator de potência como tendo que devolver energia durante parte do ciclo é válida se você dividir a forma de onda atual em componentes de onda senoidal. No entanto, é possível ter um conjunto de componentes de onda senoidal que recebem e retornam energia à linha de energia em momentos diferentes, de modo que a rede de todos os componentes a qualquer momento seja zero ou positiva. A corrente da ponte de onda completa é um exemplo dessa forma de onda. é possível ter um conjunto de componentes de onda senoidal que recebem e devolvem a energia à linha de energia em momentos diferentes, de modo que a rede de todos os componentes a qualquer momento seja zero ou positiva. A corrente da ponte de onda completa é um exemplo dessa forma de onda. é possível ter um conjunto de componentes de onda senoidal que recebem e devolvem energia à linha de energia em momentos diferentes, de modo que a rede de todos os componentes a qualquer momento seja zero ou positiva. A corrente da ponte de onda completa é um exemplo dessa forma de onda.