Até que ponto as fontes de alimentação de "onda senoidal pura" geram rotação de marketing?

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Recentemente, notei uma tendência nos fabricantes de fontes de energia divulgando suas PSUs (gerador ou inversor de bateria etc.) como tendo uma saída pura de onda senoidal.

Também vi pessoas dizendo que as garantias serão invalidadas se os dispositivos / casas motorizadas etc. estiverem conectados a qualquer outra coisa que não seja uma fonte de energia com uma saída pura de onda senoidal.

Eu me pergunto o que o mundo fez antes que essas fontes de energia existissem.

Existe ciência por trás disso? Certamente, um gerador de gasolina padrão com um bom regulador automático de tensão (AVR) ou um regulador de bobina antiquado será suficiente para estabilizar a saída para operar eletrônicos sensíveis como televisores LCD ou computadores?

Luke Puplett
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Como todos os itens elétricos têm um pico de inicialização, isso não sugere que este equipamento possa lidar com picos de tensão, provavelmente com reguladores embutidos adequados ao referido equipamento?
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Há uma ótima resposta na SU com oscilogramas de vários no-breaks, discussão detalhada e exemplos de dispositivos com desempenho ruim quando conectados a um no-break barato.
Dmitry Grigoryev

Respostas:

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Historicamente, os inversores (circuitos eletrônicos que tomam energia CC e a convertem em CA para simular a linha de energia) eram bastante terríveis nas formas de onda que produziam.

Os primeiros inversores produziam pouco melhor que as ondas quadradas. Isso significa que eles incluíram energia significativa em frequências que os dispositivos não foram projetados para suportar. A maioria dos dispositivos que se destinam a conectar à energia da parede tem como garantida a forma senoidal da tensão. Alguns podem contar com os picos do seno sendo uma voltagem específica, enquanto outros contam com o RMS. Para uma onda senoidal, os picos estão em vezes o RMS, enquanto que para uma onda quadrada o pico e o RMS são os mesmos. Isso representa um problema para decidir qual onda quadrada de tensão produzir. Se você corresponder à linha de energia no RMS, as lâmpadas, torradeiras e outros dispositivos "burros" funcionarão amplamente. No entanto, os dispositivos eletrônicos que retificam toda a linha da linha terão uma voltagem significativamente menor. Se você aumentar a tensão da onda quadrada, poderá sobrecarregar e danificar os dispositivos que usam o RMS.2

Os harmônicos extras na onda quadrada também podem causar problemas por conta própria. Os transformadores projetados para a frequência da linha de energia, como 60 Hz, podem não lidar bem com as frequências mais altas. Ou essas frequências podem causar corrente extra e aquecimento sem que elas sejam aproveitadas para obter mais energia. As transições nítidas também podem sobrecarregar a eletrônica que espera uma inclinação máxima da tensão de alimentação. Por exemplo, apenas um capacitor simples do outro lado da linha CA conduziria, em teoria, corrente infinita se a tensão mudasse infinitamente rapidamente.

O próximo passo nos inversores foi "seno modificado", que possuía um "passo" extra de terra na onda quadrada. O ponto aqui é que isso reduz a potência dos harmônicos em relação a uma onda quadrada completa. No entanto, muitos dos problemas com ondas quadradas ainda estavam presentes, embora geralmente reduzidos.

A eletrônica moderna que pode alternar com eficiência muitas vezes a frequência da linha de energia pode produzir uma tensão de saída bastante próxima de um seno, o que significa que possui pouco conteúdo harmônico. Isso elimina os problemas com saídas de onda quadrada e de seno modificado, uma vez que a própria linha de energia é idealmente um seno. Ainda é um pouco mais caro produzir inversores com saídas de onda senoidal, mas o custo extra não é mais tanto e está ficando cada vez menor. Hoje, inversores de saída de onda senoidal são comuns.

Observe que os inversores destinados a conduzir a linha de energia para trás, chamados inversores de ligação à rede , são todos geradores de onda senoidal. Isso ocorre devido a muitas regulamentações que cobrem o que você tem permissão para fazer com a linha de energia, especialmente quando você alimenta a energia para trás.

Olin Lathrop
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Observe que o conteúdo harmônico dos inversores que trocam mais rápido não é necessariamente menor do deslocamento, mas mudou para frequências mais altas de acordo com o índice de modulação. Seu filtro analógico típico é muito bom para atenuar essas frequências, não tão bom para as baixas frequências características dos inversores PWM de onda senoidal quadrada e lenta modificada.
RYS
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Inversores com saída de "onda senoidal modificada" podem causar estresse adicional em alguns dispositivos.

insira a descrição da imagem aqui

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Não acho que essa advertência se aplique a fontes de energia não eletrônicas, como geradores convencionais (do tipo não inversor).

A forma de onda azul no diagrama acima é o que é chamado (em linguagem de marketing) de "onda senoidal modificada" (conforme marcado) e é o que os inversores mais baratos produzem. Possui as características desejáveis ​​(ou mesmo essenciais) de que o valor RMS e os valores de pico são os mesmos de uma onda senoidal; portanto, um dispositivo sensível a pico como uma fonte de alimentação comutada para uma CFL vê a mesma voltagem como se fosse um seno. onda, e um dispositivo sensível ao RMS, como uma lâmpada incandescente ou um aquecedor, vê a mesma voltagem como se fosse uma onda senoidal.

O lado negativo é que coisas sensíveis à taxa de variação de tensão (capacitores, com certeza, e talvez outras) veem um dv / dt muito mais alto do que com uma onda senoidal. Isso pode causar estresse adicional.

Na minha experiência (limitada), é mais provável que se manifeste como um requisito para reduzir o inversor (agora, talvez você precise usar um inversor classificado com muito mais potência do que os requisitos de carga ou que seria desligado) do que causar danos reais ao inversor. A carga.

Spehro Pefhany
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Você quis dizer "onda quadrada modificada" em sua primeira frase (para coincidir com a figura)?
O fóton
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Ei, Photon, eu não falo sobre marketing.
Spehro Pefhany
OK, então qual é a diferença entre "onda senoidal modificada" sobre a qual você fala no texto e "onda quadrada modificada" mostrada na figura? Você pode adicionar uma figura que mostra o que significa "onda senoidal modificada"?
O fóton
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"Marketing fala" chama a onda de três etapas (azul no desenho de Spehro) "onda senoidal modificada", mas me parece muito mais uma onda quadrada modificada.
Peter Bennett
O que @PeterBennett disse. Vou editar para deixar claro.
Spehro Pefhany 27/03
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Os geradores de gasolina geralmente produzem formas de onda senoidais muito boas, é apenas a frequência e a amplitude que podem ser desativadas.

O que é mais preocupante são os projetos de UPS de onda quadrada e passo senoidal. Alguns front-ends de corretores de fator de potência mais antigos (e até novos) não conseguiam rastrear essas formas de onda e não funcionavam corretamente. Eles contêm muito conteúdo harmônico que pode causar o fluxo de correntes que não foram projetadas no design original, portanto, isso pode ser um problema até para projetos que não sejam PFC.

Atualmente, a maioria dos fabricantes de qualidade testa com esses tipos de formas de onda, mas alguns ainda podem especificar apenas seno.

John D
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A onda senoidal decente de um gerador de gás deriva do fato de que ele está realmente girando uma bobina de armadura em um campo magnético em uma frequência (ish) apropriada, não muito diferente dos geradores de rotação da usina de carvão, petróleo, hidrelétrica ou nuclear no estrada, certo?
Craig
Você poderia fornecer mais detalhes - talvez um link - para esses PFCs que supostamente não conseguem lidar com formas de onda quadradas ou escalonadas?
Davidcary
@ Craig Esse é um bom argumento, o mecanismo analógico leva a uma onda senoidal 'natural'. Essa pergunta sobre a pilha surgiu porque um amigo foi instruído a comprar um gerador inversor de onda senoidal pura muito caro, porque seu gás / gasolina danificaria o equipamento elétrico (que de qualquer maneira se converte diretamente em CC).
Luke Puplett
@davidcary Como um PFC é um conversor de impulso, o estrangulamento de impulso geralmente é ignorado por um diodo (na direção de partida), para que o indutor não sature. Dependendo de como eles fazem o gerenciamento de inrush, isso pode causar uma sobrecarga em alguns dispositivos UPS: apc.com/site/support/index.cfm/faq/index.cfm Essa condição se deve mais à transferência para o seno modificado, em vez de sempre no no-break. Um PFC também está tentando rastrear a tensão de entrada e forçar a corrente de entrada a corresponder e estar em fase com a tensão. Com uma onda senoidal de baixa frequência, isso é relativamente fácil. Para bordas afiadas, não é.
John D
Os loops do PFC são muito lentos; portanto, a maioria apenas medirá a forma de onda da tensão de entrada para algo quase sinusoidal, mas vi pelo menos um instado do loop de controle que não lida bem com o seno escalonado e causa instabilidade.
John D
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Veja a imagem em anexo do meu medidor WattsUP Pro ES quando conectado à saída de uma antiga unidade APC BackUPS Pro 650 por aproximadamente 30 segundos.

O WattsUp Pro Es é queimado conectando-o a um no-break com saída de onda senoidal escalonada

Eu havia trocado a bateria e estava tentando descobrir se o tempo de execução da bateria relatado pelo software era consistente com o que eu obteria. A carga era de cerca de 20 a 25 watts. O medidor estava lendo 179 Volts RMS (a tensão nominal é de 230V aqui) e eu queria saber o porquê. Então saiu fumaça e eu imediatamente desconectei tudo.

O medidor ainda está funcional e os resistores SMD de 10 Ohm ainda leem 10 Ohms, mas o plástico em quatro resistores derreteu, junto com alguns dos orifícios fechados (provavelmente estes foram incluídos porque as peças do orifício foram usadas em uma revisão do produto).

Cometi dois erros e aprendi duas coisas no processo:

  1. Lembrei-me incorretamente de que os modelos da APC com "Pro" no nome eram unidades com saída senoidal verdadeira. Aparentemente, esse não foi o caso (e eu verifiquei isso encontrando o manual posteriormente).
  2. O medidor não é verdadeiro RMS. Leia esta nota da APC sobre detalhes. Se eu tivesse lido isso antes, provavelmente desconectaria o medidor quando vi a leitura de 179V RMS. Isso não seria porque eu esperaria um colapso, mas porque eu entenderia que o medidor não estaria medindo corretamente a tensão e a corrente (isto é, seria inútil para o que eu estava tentando fazer).

Eu escrevi esta resposta em resposta a comentários pedindo exemplos de "falha catastrófica". BTW, a unidade ainda alimenta um switch Ethernet, um media player e uma TV LED de 32 polegadas.

alokoko
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Historicamente e geralmente, é uma má idéia usar um grupo gerador barato para equipamentos eletrônicos caros. Isso ocorre porque grupos geradores baratos têm pouca regulação de tensão. Além de fagulhas, isso não era exatamente sobre a forma da forma de onda.

As altas voltagens podem destruir o seu caro equipamento eletrônico, as baixas voltagens destroem a geladeira e as rápidas mudanças de voltagem podem fornecer resultados aleatórios no seu caro equipamento eletrônico.

Porém, os equipamentos eletrônicos modernos costumam ser muito menos sensíveis a esse problema do que os equipamentos eletrônicos antigos: se o seu plugue puder receber entrada de 70 a 250V CA, isso não será incomodado pela tensão de alimentação que vai de 110 para 135.

A alternativa ao uso de um grupo gerador barato é usar uma fonte de alimentação CA adequadamente regulada. Em termos modernos, qualquer PSU adequadamente regulamentada terá saída senoidal pura e qualquer PSU que não tenha saída senoidal pura será tão antiga, ou tão barata e desagradável, que não será regulada adequadamente.

Antigamente, você começava com a expectativa de que, a médio prazo, destruiria seu equipamento elétrico ou eletrônico pendurando-o em um gerador tipicamente mal regulado. Além disso, suas lâmpadas não durariam muito tempo. Mas pelo menos eles eram baratos para substituir.

E, a propósito, essas grandes usinas de carvão ou nucleares produzem ondas senoidais puras porque são cuidadosamente enroladas para fazer isso. Se não fossem tão cuidadosos, também teriam formas de onda distorcidas. As formas de onda distorcidas não o incomodariam, mas as empresas de fornecimento de energia perderiam subestações.

david
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Também ouvi pessoas dizendo que qualquer coisa que não seja uma "onda senoidal pura" supostamente causará "ruído" ou "harmônicos indesejados" ou "estresse" ou "danos" não especificados. Como você, sou cético em relação aos supostos benefícios das ondas senoidais puras .

Com apenas uma exceção até agora (os problemas com a técnica "conta-gotas CR" ), todos os dispositivos que eu vi até agora funcionam tão bem quanto, em alguns casos, melhor com um simples inversor de onda quadrada do que com um inversor puro de onda senoidal .

Quando olho para a rede elétrica local com um O'scope, a forma de onda real está longe de ser um seno perfeito. E, portanto, esses dispositivos hipotéticos que supostamente não funcionarão em nada além de um seno quase perfeito não funcionarão quando conectados a qualquer tomada de parede que eu já vi.

davidcary
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Os problemas com ondas quadradas não são todos teóricos. Considere um motor giratório síncrono. De todo o conteúdo de frequência com o qual você dirige, apenas o fundamental fará o motor girar. Os harmônicos ainda causam corrente e, portanto, calor devido à resistência das bobinas, mas não fazem nada para mover o motor. Apenas 81% da potência de uma onda quadrada é fundamental. Para fazer uma onda quadrada girar o motor com o mesmo torque, você precisa colocar 23% mais energia, com todo esse aquecimento extra. Isso pode ser bastante significativo.
Olin Lathrop 27/03
O tl; dr é que equipamentos digitais sensíveis, equipamentos digitais antigos ou qualquer coisa análoga experimentarão algo que varia de uma pequena diminuição de eficiência a uma falha catastrófica de uma onda mal modelada - embora geralmente seja a primeira; danos reais não são muito comuns em itens domésticos ou de mercadorias.
user39062
@OlinLathrop: meu entendimento é que, em altas frequências, incluindo altas harmônicas, a maior parte da energia que entra em uma bobina, como a bobina de um motor síncrono, é devolvida posteriormente à rede elétrica de CA - nem tudo é dissipado como calor. Concordo que as correntes harmônicas tornarão o motor mais quente do que se tivesse sido hipoteticamente alimentado com uma onda senoidal perfeita. Não está claro para mim se as feias harmônicas que vejo na forma de onda real em minhas tomadas na parede são significativamente melhores ou piores para motores, etc., do que uma onda quadrada.
Davidcary
@ user39062: Eu ficaria fascinado em descobrir mais detalhes desse "equipamento" vago que supostamente experimenta "eficiência reduzida" ou "falha catastrófica". Como eu projeto dispositivos eletrônicos, gostaria de saber os detalhes de como as coisas podem dar errado, para evitar repetições mundanas dessas falhas e experimentar novos e mais emocionantes tipos de falhas :-). Diga-nos (talvez em uma resposta separada para a pergunta original) todos os detalhes que você tiver.
davidcary 28/03
Os harmônicos no motor síncrono causam menos corrente em frequências mais altas devido à indutância, mas qualquer corrente causada pelos harmônicos vezes a resistência CC das bobinas é desperdiçada de energia. O equipamento que começa com uma ponte de onda completa terá consideravelmente menos voltagem de uma onda quadrada, uma vez que a onda quadrada geralmente é ajustada para o mesmo RMS que o seno, para evitar o uso de lâmpadas e afins.
precisa