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2 Diseño de filtros pasivos, activos e híbridos para la armónica de cargas trifásicas no lineales Jesús R. Vázquez, J. L. Flores, Patricio Salmerón, Salvador P. Litrán Departamento de Ingeniería Eléctrica y Térmica Escuela Politécnica Superior. Universidad de Huelva Campus de la Rábida Huelva (Españ Tel.: , fax: vazquez@uhu.es, juanluis.flores@uhu.es, patricio@uhu.es, salvador@uhu.es Resumen En este trabajo se estudia el comportamiento de distintos compensadores de potencia de conexión paralela para la mitigación de armónicos de corriente en cargas trifásicas no lineales. Conocido el espectro armónico de la intensidad de una carga, el uso de filtros pasivos sintonizados a los armónicos de interés ofrecen una solución económica al problema planteado, aunque pueden aparecen problemas de resonancia en el sistema. La utilización de filtros activos paralelos evita que aparezcan los problemas de los filtros pasivos, aunque en principio podría ser una solución de mayor coste. No obstante, en este último caso, es posible implementar estrategias de control más completas, pudiéndose añadir a los objetivos de la corrección de potencia reactiva o el equilibrado de la carga. Como extensión de las dos soluciones anteriores, existen configuraciones híbridas con filtros activos y pasivos como la que se propone en este trabajo, esto es, un filtro híbrido paralelo, compuesto por un filtro pasivo en serie con uno activo. En esta configuración, se solucionan los problemas de los filtros pasivos usando un filtro activo de pequeña potencia, y por lo tanto de bajo coste. Con el objetivo de analizar los distintos tipos de acondicionadores, se ha realizado una comparativa, donde se presentan los resultados de simulación de un caso práctico, la de un rectificador trifásico de potencia con una rama inductiva en el lado dc. Palabras clave: Armónicos, filtros pasivos, filtros activos, filtros híbridos, calidad de la potencia. 1. Introducción En los sistemas eléctricos, la existencia de cargas no lineales implica la aparición de corrientes y tensiones armónicas. Las cargas que implican la aparición de armónicos de corriente, como los rectificadores con alta inductancia en el lado dc, son denominadas cargas tipo fuente de corriente. Por otra parte, cuando hacen aparecer armónicos de tensión, como es el caso de los rectificadores con una rama dc altamente capacitiva, las cargas se denominan tipo fuente de tensión. Según el tipo de armónicos a eliminar, se han propuesto diferentes esquemas de, [1-5], desde filtros pasivos y/o activos conectados en serie o en paralelo, hasta filtros híbridos pasivos-activos con distintas topologías, [7-13]. La comparativa realizada en este trabajo se centra en propuestas de acondicionadores de conexión paralela, usados para la de cargas de tipo fuente de corriente. En la figura 1 se muestran las tres soluciones ensayadas: un filtro pasivo con ramas LC sintonizadas a los armónicos de mayor magnitud de la carga, figura 1a, un filtro activo de conexión paralela, figura 1b, y un filtro híbrido paralelo, constituido por uno pasivo en serie con uno activo, figura 1c. i S i S i S + v C - c) Figura 1. Esquemas de paralela, con filtro pasivo, con filtro activo y c) con filtro híbrido i C i L i L i L i C i C
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5 la rama paralela de y el cambio en los parámetros de la carga, de forma que pueda estudiarse el comportamiento dinámico de las distintas configuraciones ensayadas. Los filtros activos empleados han sido diseñados con un seguimiento ideal de la referencia calculada en cada caso por la etapa de control. 4. Resultados de la comparativa Al conectar los distintos filtros, la intensidad de suministrada ha de lograr que la intensidad de alimentación resultante transporte la potencia activa de la carga y se aproxime a una sinusoide. Para comparar las prestaciones de las tres configuraciones ensayadas, además de mostrar las formas de onda y los espectros armónicos de las señales más relevantes, se ha analizado la distorsión total de la corriente de alimentación (THD is ) en el sistema compensado. Se estudia también el comportamiento dinámico de las distintas configuraciones de filtro pasivo, activo e híbrido. A. Resultados de la con un filtro pasivo En este caso sólo las ramas pasivas LC están conectadas en paralelo con la carga. En la figura 6 se muestran las formas de onda de las corrientes de carga, de y de alimentación en una de las fases. Las figuras 7a y 7b muestran los espectros de las corrientes de y de alimentación. Se observa resonancia serie entre la impedancia de fuente y cada rama LC, en torno al 4º y al 6º armónico. Una impedancia mínima en esas frecuencias implica la aparición de armónicos de corriente de esos órdenes en la corriente de alimentación resultante, que no llega a ser sinusoidal c) Figura 6. Corrientes en el sistema con un filtro pasivo conectado, de la carga, de, y c) de alimentación Figura 7. Espectros armónicos de una fase con el filtro pasivo: corriente del filtro, corriente de alimentación. Aunque no existan armónicos que impliquen la aparición de resonancias durante el régimen estacionario, pueden aparecer durante los distintos transitorios del sistema. Para contrastar esto, en la figura 8 se muestra la evolución de distintos armónicos de la intensidad de alimentación durante el transitorio de conexión del compensador, y durante un cambio brusco de la carga, en los instantes t=.2 s y t=.8 s respectivamente. Se observa cómo los armónicos 4º y 6º cercanos a las frecuencias de resonancia del sistema, hacen que el tiempo de establecimiento del filtro sea elevado.
CAPITULO 8 FILTROS ACTIVOS INTRODUCCIÓN Uno de los tópicos que ha recibido mayor atención en la compensación de armónicas en los últimos años, es el de los filtros activos de potencia. Estos filtros están
Scientia Et Technica ISSN: 122-171 scientia@utp.edu.co Universidad Tecnológica de Pereira Colombia Álzate G., Alfonso; Marulanda, Jesser James Control de corriente dead-beat para filtros activos de potencia
Los primeros filtros electrónicos fueron los filtros lineales pasivos analógicos, construidos solo con resistencias y condensadores o resistencias e inductores. Estos filtros se conocen como RC y RL de un polo respectivamente. Este tipo de filtros simples tienen un uso muy limitado. Los filtros LC de varios polos, aparecidos en 1910, permiten un mayor control sobre la respuesta a la señal.
Las aplicaciones pasivas de filtros lineales están basadas en combinaciones de resistencias (R), inductores o bobinas (L) y condensadores (C). Los inductores y los condensadores son los elementos reactivos del filtro. El número de elementos reactivos determina el orden del filtro. Estos filtros son generalmente conocidos como filtros pasivos, ya que no dependen de ninguna fuente de energía externa y tampoco tienen ningún componente activo como, por ejemplo, los transistores, por esta razón, suelen tener poca potencia. Se utilizan para separar unas frecuencias determinadas del espectro y son relativamente difíciles de sintonizar.
Tienen la misma finalidad que los filtros pasivos pero en su señal de salida pueden presentar toda o una parte de la señal de entrada. Para su implementación se combinan elementos activos y pasivos. Es habitual el uso del amplificador operacional, que permite obtener resonancia y un factor Q elevado sin necesidad de utilizar bobinas. En consecuencia del uso de amplificadores, tienen más potencia y son relativamente fáciles de sintonizar.
De la teoría se obtiene que los filtros se caracterizan por su función de transferencia, por lo que cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan una cierta función de transferencia, serán considerados filtros de un cierto tipo. 2ff7e9595c
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