FILTRO HÍBRIDO DE POTENCIA · armónicas generadas por el rectificador a pasar por el filtro pasivo. A esta topología en la que se combina un filtro pasivo con un filtro activo

FILTRO HÍBRIDO DE POTENCIA

T. Núñez ZúñigaR. Moreno Martínez

J. Ramos Carrión A. Soto

FILTRO HÍBRIDO

DE POTENCIA

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© T. Núñez Zúñiga

. Moreno Martínez

J. Ramos Carrión

A. Soto

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0159

Editor: Víctor López Guzmán

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PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

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Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica

356

Filtro Híbrido de Potencia

T. Núñez Zúñiga, R. Moreno Martínez, J. Ramos Carrión y A. SotoUniversidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica,

Instituto de Investigación -UNI

I. Introducción

El aumento indiscriminado en la conexión decargas no lineales en la red, trae consigo un sinnúmero de serios problemas relacionados con ladistorsión de corriente, tensión y pérdida deeficiencia por el bajo factor de potencia que operanestas cargas [12]. (Las cargas no lineales queconsumen corrientes que no son senoidales,produciendo distorsión en la forma de onda de latensión en los puntos de conexión de los equipos)Los filtro activos de potencia y las combinacionesde filtros pasivos y activos de potencia (FiltroHíbridos de Potencia) son una forma de superarestos problemas, tecnologías que en estos últimosaños han venido desarrollando, generándosenuevas y distintas estructuras [4] [5] [6] [7].

Los filtros pasivos, compuestos por elementosL y C en serie, sintonizados y filtro pasa-altos,son usados ampliamente para la supresión dearmónicas producidos por las cargas no lineales,debido a su bajo costo inicial y a su relativaeficiencia [3]. Sin embargo, los filtros pasivospresentan los siguientes problemas como son:

• La característica del filtrado esta afectadapor la impedancia equivalente de la red,la que no se conoce exactamente y varíacon la configuración del sistema.

• La resonancia paralela entre la impedanciade la fuente AC y la impedanciapresentada por un filtro pasivo causan laamplificación de corrientes armónicas afrecuencias especificas en el lado de lared.

• Un filtro pasivo puede entrar en resonanciaserie con la fuente de alimentación, de talforma que la distorsión de tensión produceexcesivas corrientes armónicas, las quefluirán a través del filtro pasivo.

Por su parte los filtros activos de potencia,que utilizan convertidores electrónicos de potenciacon conmutación PWM y controlados por tensióno por corriente, realizaran las siguientes funciones[12]:

• Reduce el flujo de armónicos de corrientepor la red, restringiendo su circulación entreel FA y los centros de generación.

• Reduce la corriente por neutro.• Reduce los armónicos de tensión en los

puntos de conexión de las cargas.• Corrige del factor de Potencia.• Equilibra las corrientes que circulan por las

diferentes fases• Equilibra las tensiones entre fase y neutro• Regula la tensión.• Reduce los flickers.

Los filtros activos sin embargo tambiénpresentan ciertas limitaciones como son:

• El costo inicial de su implementación esalto.

• Dificultades para construir fuentes decorriente de gran potencia con respuestarápida de corriente.

Por las razones expuestas, se propone unanueva alternativa para los filtros, la que utiliza unacombinación de un filtro activo de pequeña potenciacon un filtro pasivo. Como se sabe los filtros activos

Resumen— En el presente articulo se muestran los resultados de simulaciónobtenidos del estudio de un sistema electrónico de potencia, que mejorasignificativamente el desempeño del filtro pasivo trifásico convencional quenormalmente se utiliza para la compensación del factor de potencia de cargas nolineales. Esta mejora se logra, conectando un filtro activo trifásico (FA) (o unidadactiva) en serie con el filtro pasivo a (FP) través de tres transformadores deacoplamiento y controlando al filtro activo de manera que obligue a las componentesarmónicas generadas por el rectificador a pasar por el filtro pasivo. A esta topologíaen la que se combina un filtro pasivo con un filtro activo se le conoce como FiltroHíbrido de Potencia.

Palabras Claves—Armónicos, Filtros Pasivos, Filtros Activos, Teoría de la PotenciaInstantánea.

Memorias - XVII CONIMERA

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son una alternativa de solución muy interesantepara compensar sistemas de distribución [3] [4],mientras que las características de compensaciónde los filtros pasivos existentes, podrían mejorarsesignificativamente, como se verá mas adelante alconectárseles con un filtro activo de potenciadándole una mayor flexibilidad a la compensación.

2. Filtros Pasivos

En la Fig.1, se presenta el esquema de unainstalación industrial en la que se muestra unrectificador a tiristores conectado a la red medianteun transformador y un filtro pasivo (condensadoresde compensación sintonizados). Este sistema esusado para alimentar una carga en corrientecontinua, el rectificador es la carga generadora dearmónicos de tipo corriente los que son inyectadosa la red. Se sabe también, que en la operacióndel rectificador se consume potencia reactivafundamental, cuya magnitud depende del ánguloα (de encendido) y del ángulo µ (deconmutación) de los tiristores, este ultimo a suvez depende de la reactancia cL acumulada desdela fuente AC de alimentación hasta los terminalesde entrada del rectificador.

Para compensar el factor de potencia delsistema, es necesario hacer la compensación delfactor de desplazamiento y del factor de distorsiónarmónica total de la corriente [14].

Para la compensación del factor dedesplazamiento, que significa compensar lacomponente reactiva fundamental absorbida por elrectificador, se coloca un banco de condensadorescuya potencia reactiva esta determinada por laecuación (1) para el máximo factor dedesplazamiento que se quiere lograr.

[ ]21 φφ tgtgPQc −= (1)

cQ Potencia reactiva suministrada por el banco

de condensadores

P Potencia activa consumida por la carga

1φ Angulo del Factor de Desplazamiento original

2φ Angulo del Factor de Desplazamientomejorado

Por otro lado, la colocación del banco decondensadores [1] requiere de la verificación dela frecuencia de la posible resonancia paralela conla reactancia de corto circuito de la red

c

ccrr Q

S

f

fh ==

0(2)

rh Orden del armónico

0f Frecuencia de la red

rf Frecuencia de resonancia

ccS Potencia de corto circuito del sistema

cQ Potencia reactiva suministrada por elbanco de condensadores

Como se sabe, el rectificador controlado deseis pulsos es una carga generadora de armónicosde tipo corriente que presenta un espectroarmónico, cuyo orden de cada componente estadeterminada por la ecuación:

16 ±= nhr (3)

Donde n es un número entero

7th High-Pass

Shunt Passive Filter

Harmonic-Producing Load vs

Ls vT iSa ia

iF

5th

Fig.1 Carga no lineal y filtro pasivo.

Para la compensación de la distorsión decorriente se parte de la potencia reactiva necesariapara la compensación del factor de desplazamiento

( φcos ), potencia que se distribuye en diferentes

sub-bancos de condensadores y luego conectandocada sub-banco en serie con reactores, como semuestra en la Fig. 1 y sintonizado cada conjunto(Filtro) a una determinada frecuencia armónicagenerada por el rectificador. De esta forma sereduce la distorsión inyectada por la carga a lared, aumentando el factor de potencia y reduciendotambién la posibilidad de resonancia paralela a lasfrecuencias de los armónicos generados por elrectificador. Una referencia usada para el proyectode los filtros pasivos es la IEEE 519 [14] en laque se establece los límites para distorsión totalde corriente y para las amplitudes de lascomponentes armónicas que pueden serinyectados a la red.

Como ejemplo, en la Fig.2 se muestra elesquema eléctrico correspondiente a unainstalación que consta de un rectificador controladode seis pulsos que alimenta una carga con unatensión Vdc de 553 V y corriente Idc de 1000 Aque corresponde a una potencia de 553 kW. Siel nivel de corto circuito y máxima demanda enla barra de 10 KV establecida como el punto de


358

acoplamiento común (PCC), corresponde a 3 kAy 35 A, respectivamente, se calcula el factor deinfluencia armónica con el que se determinará loslímites de las amplitudes de las componentesarmónicas, así como de la distorsión total decorriente recomendada por IEEE 519

L

sc

I

I = 85.7

Si el ánguloα de encendido de los tiristores

es 17º y el ángulo de conmutación µ es 24º,cuando el rectificador es operado sin el sistemade compensación los resultados son lossiguientes:

Tabla 1

a ser calculado. El factor de desplazamiento delrectificador correspondiente a las condiciones deoperación de la carga, esto es:

1cosφ = 0.855

Mediante la ecuación (1) se calcula lapotencia del banco trifásico de condensadores queaumentara el factor de desplazamiento de 0.855para 0.95 ( 2cos φ =0.95)

cQ = 153.6 Kvar

Luego, se procede a la verificación de lafrecuencia de resonancia con la impedanciaequivalente del sistema de la ecuación (2)

rh = 18.0

El banco de condensadores es dividido entres bancos, cada uno sintonizado a lasfrecuencias armónicas de 5, 7 y 11 ordenrespectivamente. El resultado del diseño de losfiltros es mostrado en las tablas 2 y 3.

Tabla 2

h 5 7 11 TDD (%)

PF

IEEE 519 Limites (%)

10.0 10.0 4.5 12.0

Sin banco de Condensad.

ISh (A) 6.778 4.158 1.82

ISh/IS1 (%)

18.16 11.14 4.88 22.14 0.85

De los resultados mostrados en la tabla 1se concluye que tanto la distorsión total decorriente así como la amplitud relativa de losarmónicos, son mayores que el sugerido por laIEEE 519 y el factor de potencia es bajo.

10.0 kV

Scc =50.2 MVA 10.0 kV, 60Hz Xsis = 1.98 ohm

0.480 kV

1.0 MVA 10.0/0.48 kV 20%

P=553 Kw. Idc=1000A Vdc = 553V

Rectificador de 6 pulsos α = 17o

PCC

iSh

iLh

Fig.2 Diagrama unifilar del sistema derectificación sin compensación reactiva.

Para mejorar el factor de potencia secolocarán filtros sintonizados que compensarán elfactor de desplazamiento y la distorsión decorriente.

En la Fig.3 se muestra la estructura delsistema de compensación conectado en el PCC

Banco hr Qc(Mvar) Q R(ohm)

1 5 0.090 100 1.11

2 7 0.045 100 1.585

3 11 0.022 100 2.065

Banco XL (ohm) XC(ohm) L (mH) C (uF)

1 44.44 1,111.0 117.8 2.387

2 45.35 2,222.2 120.29 1.1935

3 37.56 4,545.45 99.628 0.5835

Tabla 3

La potencia reactiva fundamentalsuministrada por los tres bancos decondensadores se calcula por la relación:

c

r

rFiltro Q

h

hQ ⋅

−= ∑

12

2

= 0.1618 Mvar

Mediante este procedimiento se determinalos elementos del sistema de compensación delfactor de potencia para el caso de cargas quegeneran armónicos de corriente. Sin embargo, eldesempeño presentado por los filtros sintonizadosse ve afectado por factores que fueronmencionados anteriormente y que llevan a proponeruna solución al problema utilizando unacombinación de un filtro pasivo con un filtro activotrifásico conocida como filtro híbrido, como semostrará a continuación.


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Fig.3 Carga no lineal y filtro pasivo

3. Filtro Híbrido

En la Fig.4 se muestra la estructura de unFiltro Híbrido cuya configuración [2] [9] sirve parala compensación de los armónicos. La función delfiltro activo serie en este caso no es lacompensación directa de los armónicosproducidos por el rectificador, sino más bien, lade mejorar la característica de filtrado del filtropasivo paralelo. Con esta estructura, los armónicospresentes en la fuente AC no se presentaran enlos terminales de la carga, ni los armónicos dela carga podrán fluir por la fuente AC ya que elfiltro activo serie, actúa como un aislador entre losarmónicos presentes en la fuente AC y losproducidos por la carga. Como consecuencia deesta nueva función, la potencia del filtro activoresulta ser mucho menor que la de un filtro activoparalelo convencional.

Fig.5 Configuración del filtro híbrido de potencia.

En esta nueva estructura, la unidad activa delfiltro híbrido consta de un inversor PWM trifásicotipo fuente de tensión que opera a frecuencia deconmutación constante, conectado en serie conel filtro pasivo a través de transformadores deacoplamiento.

Entre las estructuras híbridas de la figura 4y 5 se pueden mencionar las siguientes diferencias:a) En la primera estructura, la corriente que pasapor la unidad activa (FA) está compuesta por lacomponente fundamental activa de la corriente decarga y la corriente fundamental en adelanto delfiltro pasivo, mientras que en la segundadestructura, la corriente por el FA esta compuestapor los armónicos de carga y la componentefundamental en adelanto de la corriente por el filtropasivo, b) En cuanto a mantener constante latensión del condensador del inversor mediante unlazo de control, resulta más fácil realizar estafunción en la segunda estructura, ya que con laprimera, la corriente que pasa a través del filtroactivo varía con la variación de la carga, c) Encuanto a la protección del filtro activo, con lasegunda estructura resulta más fácil aislar yproteger el FA que en la primera estructura, dondeel FA se encuentra en serie con la fuente y la carga.Esto convierte a la segunda estructura (Fig.5) enla más recomendable a ser utilizada en lossistemas de potencia.

El principio de operación de esta unidad enla estructura híbrida se basa en que el inversordebe inyectar una determinada tensión de manerade forzar a todas las componentes armónicas dela corriente de la carga a pasar por el filtro pasivoy no por la red.

Cuando el filtro activo es controlado como unafuente de tensión, siguiendo la siguiente relación

ShC IkV = (4)

Esto forzará a todos los armónicoscontenidos en la corriente de carga a que pasen

10.0 kV

Scc=50.2 MVA 10.0 kV, 60Hz Xsis = 1.98 ohm

0.480 kV

1.0 MVA 10.0/0.48 kV 20%

C5 C7

L5 L7 L11 L13

C11 C13

R5 R7 R11 R13

iSh

iLh iFh

Fig.4 Estructura de filtro híbrido

En la Fig. 5 se muestra una nueva propuestapara la estructura de filtro híbrido [3], compuestapor un banco de filtros pasivos (en paralelo) conec-tados en serie con un filtro activo y el conjunto enparalelo con la carga generadora de armónicos. Estatopología busca mejorar de la misma forma que laanterior, la característica de compensación del filtropasivo viabilizando el uso de filtros activos para grandespotencias y al mismo tiempo con bajo costo.

7th

Hig

h-P

ass

Filtros Pasivos

Carga generadora De Armónicos

vs Ls vTa iSa iLa

iFa

5th Filtro Activo de Potencia

LR

CR

Cf

Vdc

Transformadores de Acoplamiento Inversor PWM fuente de tensión

vTb

vTc

iSb

iSc

iLb

iLc iFb iFc

VFA

VFP

IL IS

VC


360

por del filtro pasivo y ninguno pase por la fuenteAC.

De (4) se observa que el filtro activo no entregavoltaje fundamental, obteniéndose como resultadouna reducción en el valor eficaz da la tensión queel filtro activo debe generar.

sinusoidal, es obtenido del circuito equivalente dela Fig.6 (b) donde el FA es controlado según larelación (4) El valor de la corriente inyectada a lared es calculada por la siguiente ecuación:

LhSF

FSh I

ZZK

ZI

++= (6)

Si FZK >> todos los armónicos

producidos por la carga pasarán por el filtro pasivo.

Si en esta expresión se hace el factor FZK >> ,

entonces K dominará la característica delfiltrado, actuando como una resistencia K (Ω)que amortigua la resonancia paralelo entre ZS yZF.

La característica del filtro ante la presenciade armónicas en la fuente de tensión, asumiendoque no hay carga (ILh=0) es obtenida del circuitoequivalente da la Fig.6 (c) donde el FA se comportacomo una resistencia K (Ω). El valor de la tensiónen los terminales del FA se puede calcular por laecuación:

ShSF

C VZZK

KV

++= (7)

Si SF ZZK +>> la tensión VSh seaplicará en los terminales del filtro activo. Estopreviene la aparición de corrientes armónicascausadas por VSh sin embargo, VSh aparecerá enla tensión terminal VT junto con la componentefundamental.

De las ecuaciones para Ish, VTh y VC en [2][13], obtenidas superponiendo los efectos de lasdistorsiones en la fuente y en la carga y asumiendoademás que K=∞ se obtienen las siguientesecuaciones que caracterizan el filtrado (idealmente)para la estructura híbrida:

0=ShI (8)

ShTh VV = (9)

ShLhFC VIZV += (10)

Estos resultados indican: a) Que no existirácorriente armónica por la fuente de alimentaciónalterna, b) Si existe distorsión en la tensión dealimentación, está aparecerá en los terminales dela carga, c) Que la tensión en los terminales delfiltro activo es igual a la caída de tensión en elfiltro pasivo más la tensión de distorsión presenteen la fuente de alimentación alterna.

Fig.6 (a) Circuito equivalente monofásico; (b)Circuito equivalente para ILh; (c) Circuito

equivalente para VSh.

La función del filtro activo en este caso esla de resolver los problemas inherentes a los filtrospasivos, cuando son utilizados como un únicoelemento de compensación.

El esquema de la Fig.5, asumiendo que elfiltro activo es una fuente de tensión «Vc» idealcontrolada y que la carga es una fuente de corriente«IL», puede ser representar por el circuito equiva-lente la Fig.6 (a), donde ZS es la impedancia dela fuente y ZF es la impedancia total del filtro pasivo.

Cuando el filtro activo no funciona (K = 0),la corriente armónica de la carga «ILh» escompensada solo por el filtro pasivo, donde lascaracterísticas del filtrado dependerán de la relaciónde ZS y ZF. De la Fig.6, se determina la corrientearmónica ISh que pasa por la fuente y que estadada por la ecuación:

LhFS

FSh I

ZZ

ZI

+= (5)

Si en esta relación, SF ZZ >> , lascaracterísticas deseables de filtrado no podránobtenerse. Además, podrán producirse resonanciasparalelas entre ZF y ZS a frecuencias específicas

cuando( )0≈+ SF ZZ , causando el fenómeno deamplificación armónica y estableciéndose un flujomayor de corrientes armónicas por la fuente AC ored que los producidos por la carga únicamente.

Características del filtro híbrido

La característica del filtro híbrido propuesto[2] [13] ante la presencia de corriente armónicade la carga ILh, asumiendo que la tensión VS es


361

Control del filtro híbrido

El esquema de control del filtro híbrido esmostrado en la Fig.7. Las corrientes iSa, iSb y iSc

que fluyen de la fuente AC son detectadas y suscomponentes distorsionadas iSh son calculadasaplicando la teoría de Akagi [8] de la potenciainstantánea. En este método se utiliza lastensiones ea, eb y ec que son las componentesfundamentales de las tensiones VTa VTb y VTc

respectivamente y las corriente «is» de la fuente(Fig.5). Con esta información las potenciasinstantáneas real «p» e imaginaria «q» soncalculadas, de las cuales son extraídas por mediode filtros pasa altos las componentes

armónicas p~ y q~ . Luego estas componentes son

transformadas en las componentes armónicas decorrientes iSha, iShb e iShc .

En la etapa final del control, cada corrientees amplificada por una ganancia K y posteriormentetransformada en la señal para el modulador PWM.Estas señales serán comparadas con una ondaportadora de tipo triangular con una frecuencia deconmutación fsw constante. La salida delmodulador es aplicada a cada una de las llavesdel inversor del FA.

La unidad activa (FA) del filtro híbrido ademásde inyectar tensiones armónicas para lacompensación, deberá también de mantener latensión constante en el condensador Cf (Fig.5) através de un lazo de control mostrado en Fig.7de manera que no sea necesaria una fuente detensión adicional.

Fig.8.-Esquema unifilar de la carga no lineal yfiltro híbrido (FP +FA)

De las ecuaciones que (8), (9) y (10) quecaracterizan la operación del filtro híbrido se puedeestimar la potencia mínima necesaria del filtroactivo. La corriente por el filtro FA esta compuestapor: a) la corriente a frecuencia fundamental queesta adelantada a la tensión AC absorbida por elfiltro pasivo, b) por las componentes armónicasde la corriente de carga. De esta forma el cálculode la potencia SFA del FA se obtiene de lassiguientes ecuaciones:

Corriente por el filtro híbrido

∑=

+=,..7,5

221

hLhFa IIIF (11)

Tensión en los terminales del filtro activo

∑=

+⋅=,..7,5

22)(h

ShLhFhFA VIZV (12)

Potencia aparente del filtro activo

aFAFA IFVS ⋅= 3 (13)

Donde:

1FI : Componente fundamental de

corriente por el filtro pasivo

LhI : Componente armónica de corriente

de la carga

FhZ : Impedancia presentada por el filtro

pasivo para el armónico h

ShV : Componente armónica en la tensión

de alimentación

p~

q~

……

Fig.7 Esquema de control de la unidad activa(FA) del Filtro Híbrido.

Potencia de la unidad activa (filtro activo)del filtro híbrido

En este punto es necesario estimar lapotencia y la capacidad de corriente y tensionesdel filtro activo (FA) o unidad activa a partir de lafunción que desempeña. En el esquema de la Fig.8(o de la Fig.5) el FA esta compuesto por un inversorde IGBT y un pequeño filtro pasa bajos conectadoen los terminales de salida para suprimir losarmónicos de alta frecuencia presentes en la formade onda de tensión PWM.

10.0 kV

Scc=50.2 MVA 10.0 kV, 60Hz Xsis = 1.98 ohm

0.480 kV

1.0 MVA 10.0/0.48 kV 20%

C5 C7

L5 L7 L11

C11

R5 R7

Rhpf

VSC

LR

CR

Cf

Vdc

1:2

iaAF

Filtro Activo (FA)

VFA

VFP

5to 7mo HP

iFa

iSh

iLh iFh


362

El filtro pasivo utilizado es el mostrado enla Fig.9 que está compuesto por dos unidadesresonantes serie para los armónicos de 5to y 7mo

orden y un filtro pasa altos sintonizado a partir delarmónico de orden 11.

transformador de relación 1:2 esto significa queel pico de tensión esperado será 200 V en el ladode baja tensión.

Para determinar el nivel de tensión necesarioen el condensador del circuito DC link del inversor,se establecerá como criterio que el índice demodulación (IM) sea igual a 0.7, obteniéndose asíuna tensión Vdc/2 = 287.5 V, que en forma practicacorresponde a Vdc = 600 V.

Con el valor de tensión de 600 V y con elvalor de la corriente por fase del inversor la quedebido a la relación del transformador deacoplamiento será IaFA = 24.8 A (r.m.s.) seseleccionan el tipo de llave semiconductora depotencia, que podrá ser utilizada como IGBT oMOSFET. La elección entre las dos tecnologíasdependerá de la frecuencia de conmutación fsw,potencia con la que operara el modulador ypérdidas del inversor. En este caso se usara unafrecuencia de conmutación de 18 Khz porquepermitirá reducir las dimensiones del filtro pasabajos (LR, CR) colocado a la salida del inversor.

4. Resultados de la Simulación

El sistema de la Fig.5 (o Fig.8 sistema unifilar)que corresponde a una parte de un sistemaindustrial en 10KV, fue simulado en el programaPSCAD/EMTDC [11] para su evaluación.

CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTESDEL SISTEMA UTILIZADO.

FILTRO PASIVO (FP)- Potencia del filtro pasivo trifásico = 161.8 Kvar.- Nivel de tensión: 10 KV- Frecuencia: 60 Hz.- Filtro resonante para el 5to armónico:

C5 = 2.387uF, L5 = 117.8mH, R5 = 1.11ohm,Q = 100

- Filtro resonante para el 7mo armónico:C7 = 1.193uF, L7 = 120.3mH, R7 = 1.585ohm,Q = 100

- Filtro resonante para 11avo armónico y pasa altos:C11 = 0.5835uF, L11 = 99.63mH, R11=0.5835ohm, Q = 100

FILTRO ACTIVO (FA)- Potencia del filtro activo = 6 Kvar- Inversor trifásico compuesto por seis IGBT’s de

1200 V y 50A c/u- Tensión del DC link: dcV = 600 V- Condensador del circuito del DC link: Cf =1000

uF, 1000V- Frecuencia de conmutación: fsw = 18kHz

C5 C7

L5 L7 L11

C11

R5 R7

Rhpf

Fig.9.-Filtro Pasivo sintonizado y Pasa altos.

En la Fig.10 se muestra la variación de laimpedancia del filtro pasivo con la frecuencia, conla que se podrá calcular el valor eficaz de la tensiónen los terminales del FA.

Frequency

100.00Hz 300.00Hz 1.000KHz50.00Hz 1.498KHzV(V1:+) / I(V1)

10.00

100.00

1.000K

1.057

2.006K

(1.0020K,169.827)

(780.966,87.378)

(660.693,20.906)

(570.164,800.390)

(420.727,3.3262)

(361.410,1.3301K)

(300.608,2.3160)

(60.028,618.088)

Fig.10.-Respuesta en frecuencia de laimpedancia «ZF» presentada por el filtro pasivo.

De los resultados obtenidos solo con el filtropasivo y usando las ecuaciones (11), (12) y (13)se calcula la potencia y se determinan lasmagnitudes de tensión y corriente de la unidadactiva (FA) así como de los transformadores deacoplamiento.

La potencia mínima del filtro activo eneste caso es de SFA = 6 Kva. y el valor eficazde la tensión y corriente por fase en el lado dealta tensión del transformador de acoplamiento esde VFA = 160 V (r.m.s.) y IFa = 12.4 A (r.m.s.)respectivamente.

Considerando un factor de cresta de 2.5 parael caso de la tensión se puede estima el valor delpico que se producirá y que en este caso seráde 400 V en el lado da alta tensión. Siendo el


363

- Filtro pasa bajos: CR = 0.33 uF, LR = 1mH,- Transformador de acoplamiento de 10 Kvar y

relación 1:2- Control PI de tensión Vdc, Kp= 1, iτ = 0.01 (s)- Ganancia k = 300

CARGA- Rectificador trifásico controlado de seis pulsos

(a tiristores)- Corriente de carga Idc =1000 A (DC), tensión

media de salida del rectificador Edc = 553 V(DC)

- Angulo de control α = 17º- Potencia Activa = 553 Kw.- Potencia Reactiva = 335.4 Kvar- Transformador trifásico de 1 MVA, 10.0/0.480

KV, 60 Hz, Xdis = 0.2 (p.u.), conexión delta-delta

RED DE ALIMENTACIÓN- Tensión: 10 kV, (trifásico)- Frecuencia: 60 Hz.- Potencia de cortocircuito: 50 Mva.

Resultados

En la Fig.11(a) se muestra la forma de ondade la corriente de línea y la tensión por fase dela fuente de alimentación. En este caso solo estafuncionando el filtro pasivo, obteniéndose unadistorsión para la corriente de THDi = 7.0% y unfactor de potencia de 0.93. En la Fig.11 (b) semuestra la corriente absorbida por la carga y enla Fig.11(c) se muestra la corriente que pasa porel filtro pasivo y su valor eficaz.

En la Fig.12 se muestran el resultado cuandola unidad activa del filtro híbrido entra en operación.En la Fig.12(a) se muestra la corriente de líneade la fuente de alimentación que presenta unadistorsión THDi = 3.7% lográndose unaconsiderable reducción del valor obtenido con soloel filtro pasivo.

(a)

(b)

(c)

Fig.11.- Operación del sistema de rectificaciónsolo con el pasivo (a) Tensión y corriente de la

fuente isa (b) Corriente absorbida por elrectificador is (c) Corriente por el filtro pasivo iFa y

su valor eficaz.

(a)

(b)

(c)

Fig. 12.- Operación del filtro híbrido con laactuación del FA (a) Tensión y corriente de la

fuente isa (b) Corriente de carga en primario deltransformador de potencia ia (c) Corriente por el

filtro pasivo iFa y su valor eficaz.

(a)

(b)

(c)

Fig. 13.- Operación del filtro híbrido con laactuación del FA (a) Tensión por fase del filtropasivo VPF y del filtro activo VAF (b) Ampliaciónde la tensión inyectada por del filtro activo (c)

Corriente de la carga no lineal.

En la Fig.13(a) se muestran las tensionesVPF por fase del filtro pasivo y la tensión VAF


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inyectada por el filtro activo. Aquí claramente seobserva que la tensión producida por el filtro activocorresponde a la caída de tensión en el filtro pasivoproducida solo por las componentes armónicas dela corriente de carga, esto significa que el filtroactivo actúa compensando esas distorsiones demanera que la impedancia presentada para lascorrientes armónicas de la carga por los dos filtrosen conjunto es cero. En otras palabras laimpedancia vista por los armónicos de corrientede la carga es cero.

En la Fig.14 se muestra la tensión Vdc enel condensador Cf del inversor (Fig.5 o Fig. 8),tensión que se mantiene constante durante laoperación del filtro en el nivel de 600 V por el lazode control, luego del transitorio inicial de carga.

Efecto de la distorsión en la tensión dela red sobre el filtro híbrido

En este caso, el sistema de compensaciónes probado cuando la tensión de la red presentauna distorsión del 5to armónico con amplitud igualal 1% de la amplitud de la tensión fundamental.La distorsión de la tensión genera en la corrienteiSA una distorsión del 20.61% como se muestraen la Fig. 16(a) cuando solo está presente el filtropasivo. La distorsión luego se reduce a 3.26%cuando el FA del filtro híbrido comienza a funcionar.Como el filtro pasivo tiene una rama sintonizadapara atrapar el 5to armónico de la corriente decarga, esta rama presenta también mínimaimpedancia para el quinto armónico presente enla tensión de la red, produciéndose una resonanciaserie y una sobrecarga de corriente del 5toarmónico. Con la operación del FA este efectoqueda amortiguado como se muestra en laFig.16(a).

Fig.14.- Tensión en los terminales delcondensador Vdc del inversor del FA.

En la Fig.15 se muestra la corriente dealimentación iS cuando solo el filtro pasivo confactor de calidad Q = 50 esta actuando. Lacorriente presenta un THDi del 10.95% mostrandoel efecto que tiene el factor de calidad en laeficiencia del filtro pasivo. Luego cuando el filtroactivo (FA) entra en funcionamiento la distorsiónde la corriente se reduce 3.4% mejorando eldesempeño de la compensación del filtro pasivoa pesar de usar un factor de calidad menor.

(a)

(b)

(c)

Fig. 15.- Operación de filtro híbrido con filtropasivo de factor de calidad Q = 50 (a) CorrienteiSA en el sistema de potencia (b) Corriente decarga ia en el primario del transformador (c)

Corriente iFa del filtro híbrido.

Inicio del FA

(a)

(b)

Fig.16.-Operación de filtro híbrido considerandoque la tensión de alimentación presenta

distorsión (a) Corriente isa en el sistema depotencia (b) Corriente iFa del filtro híbrido.

En la Fig. 16(b) se observa que antes de laoperación del FA del filtro híbrido, existe unacorriente de sobre carga producida por laresonancia serie entre el armónico de tensiónpresente en la fuente y una de las ramas del filtropasivo. Con la actuación del FA esta corriente eseliminada debido a que los efectos de losarmónicos presentes en la tensión de alimentaciónson aislados de la carga.

Efecto de la pérdida de sintonización delos filtros pasivos del filtro híbrido

Para simular la pérdida de sintonía, los valoresoriginales de los condensadores sonincrementados en 5% y de los reactores sonincrementados en 2%. Esto hace que lasfrecuencias de resonancia de los filtros sufranvariaciones del 3%, 2% y 6.7% respecto a las

Inicio del FA


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frecuencias de resonancia original de cada filtropara el 5to 7mo y 11avo armónico respectivamente.Esto hace que los filtros pierdan eficiencia en elfiltrado de los armónicos presentes en la corrientede carga. En la Fig.17(a) se muestra la corrientede la fuente con la distorsión del 15.9% producidapor la variación de los valores del filtro pasivo. Seobserva que luego de la operación del FA ladistorsión se reduce a 4.79%, mejorando eldesempeño del filtro pasivo

Inicio del FA (a)

(b)

Fig.17.-Efecto de la variación de los valores delos componentes del filtro pasivo (a) Corriente iSA

en el sistema de potencia (b) Corriente iFa delfiltro híbrido.

Efecto de la variación de la potencia decorto circuito del sistema

Como se mostró anteriormente, unaimpedancia de cortocircuito del sistema muypequeña dificulta el buen desempeño del filtropasivo sin embargo, es recomendable para unabuena regulación de la tensión. En la Fig.18 semuestra la corriente de la fuente cuando laimpedancia de cortocircuito del sistema depotencia se reduce y en consecuencia con lareducción de la capacidad de filtrado del filtropasivo. La corriente de la fuente presenta unadistorsión armónica de 21.77% valor, que luegode la entrada en operación del FA se reduce a5.26% como se muestra en la Fig.18(a).

6. Conclusiones

De los resultados de simulación se confirmancomo el desempeño del filtro pasivo se mejoraampliamente cuando es agregada una unidad activao filtro activo. Las conclusiones respecto a latopología del filtro híbrido de potencia son lassiguientes:

• Las características del filtro híbrido sonindependientes de la impedancia de lafuente de alimentación.

• Los efectos de los armónicos de la fuentey de la carga quedan aislados.

• Las resonancias serie o paralelo entre laimpedancia de la fuente y del filtro pasivoson amortiguadas por la unidad activa delfiltro híbrido.

• La potencia requerida para el filtro activoen la topología de filtro híbrido es muchomenor que la necesaria para un único filtroactivo equivalente paralelo convencional.

• La potencia de la unidad activa esta enrelación inversa al factor de calidad delfiltro pasivo.

• Con este esquema se puede mejorarsignificativamente el desempeño de losfiltros pasivos existentes en la industria,mediante la conexión de un filtro activo enserie, eliminando los problemas por el usode filtros pasivos únicamente.

Agradecimientos

El presente trabajo de investigación fue financiadocon los fondos del Instituto de Investigación de laFacultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica dela Universidad Nacional de Ingeniería.

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(a)

(b)

Fig.18-Efecto del aumento de la potencia decortocircuito o equivalentemente a una

disminución de la impedancia de cortocircuitopasivo (a) Corriente iSA en el sistema depotencia (b) Corriente iFa del filtro híbrido.


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FILTRO HÍBRIDO DE POTENCIA · armónicas generadas por el rectificador a pasar por el filtro pasivo. A esta topología en la que se combina un filtro pasivo con un filtro activo