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JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
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FILTRADO DE ARMÓNICOS
EN INSTALACIONES INDUSTRIALES
XII - JCEE- Nov 2006
Dr. Josep BalcellsUniversitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Campus deTerrassa, Barcelona, SPAIN
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INDEX
Ø Los armónicos … entre otras perturbacionesØ Los convertidores … fuentes de perturbaciónØ Origen y efectos de los armónicosØ Tipos de filtrosØ Filtros pasivos para convertidores:
§ Reactancias de choque ; Filtros LCL
Ø Filtros de uso general en la red§ Filtros de 3r armónico: TSA, FB3
Ø Filtros activos: § Tipos de filtros activos: Serie, Paralelo, UPF§ Configuración de los filtros activos§ Tipos de control para filtros activos
Ø Criterios de aplicaciónØ Resumen y conclusiones
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LOS ARMÓNICOS … ENTRE OTRAS PERTURBACIONESX
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SOBRETENSIONES, HUECOS E INTERRUPCIONES
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FLICKER
• Variación de la envolvente de la tensión dU/U• Envolventes estándar : Cuadrada, Senoidal• Normas IEC-61000-4-15, IEC-60868
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PERTURBACIONES DE ALTA FRECUENCIA:Variaciones de tensión con alto dV/dt
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PERTURBACIONES DE ALTA FRECUENCIA:X
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ARMÓNICOS
Cargas no lineales tales como: rectificadores, inversores, hornos, etc. Absorben de la red corrientes periódicas no senoidales, de frecuencias múltiplos de la componente fundamental 50 ó 60 Hz.
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LOS CONVERTIDORES … PRINCIPALES FUENTES DE PERTURBACIÓN
Baja frecuencia (Lado red)
Ø Harmonicos (100 Hz a 2500Hz)
Ø Flicker (0,5 to 30 Hz)
Alta frecuencia, EMI (Lado motor)
Ø Conducidas (10 kHz - 30 MHz)
ü “Notch” de conmutación
ü Cables actúan como líneas de transmisión
Acoplo campo próximo (10 kHz –30MHz)
Ø Bucles de corriente producen campo magnético H (habitual DM)
Ø Cambios de tensión producen campo eléctrico E (habitual CM)
Radiadas EMI (>30MHz )
Ø Cables actúan como antenas. Cables apantallados entre ondulador y motor
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FILTROS PARA CONVERTIDORESFILTROS PARA CONVERTIDORES
Los convertidores estáticos generan diversos tipos de perturbaciones, tanto en el lado de red como en el lado de carga. Se, dispone de filtros para evitar los problemas originados por dichos convertidores y conseguir que las instalaciones donde se conectan puedan cumplir con las normas EN-60000-4-3, IEEE-519 y las Directivas de Compatibilidad 89/336/EEC , 92/31/EEC y 93/68/EEC.
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ESQUEMA EQUIVALENTE TÍPICO EN BTX
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ONDAS DE CONVERTIDORES CON ALTO CONTENIDO DE HF
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ONDAS TÍPICAS DE CONVERTIDORES: LADO REDX
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EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS
Efecto Joule , pérdidas en el cobre :
Ø Dependen del valor RMS total de la corriente RITRMS2
Pérdidas en el hierro: Foucault: kI2f2 , Histeresis: kI2f
Ø Sobrecargas en condensadores
Ø Corriente homopolar alta en el neutro
Ø Amplificación de los armónicos por resonancias<
I ITRMS n=∞
∑ 2
0
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RI RTRMS2 2 2100 20= +.( )
Supuesto I1=100A ; I5=20%
Ø Pérdidas Joule: R.IT2
Debidas a I1 = R.1002
Debidas a I5 = R.202 equivalen a un 4%Ø Pérdidas en el hierro:
Suponemos que las pérdidas Foucauld se evitancon el uso de chapas. Las pérdidas restantes sedeben básicamente a efecto Histéresis: kI2fDebidas a I1 = k.50.1002
Debidas a I5 = k.50.5.202 equivalen a un 20%
EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS: Ejemplo prácticoX
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Filtros Pasivos
Ø Reactancias
Ø LCL
Ø Antiresonancia
Ø Absorción
Ø TSA / FB3
IMPEDANCIADE LA RED L1 L2
L3
C
M3
CONVERTIDOR
Fusibles
FILTRO LCL
RED
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RESONANCIA EN REDES DE BT
• La resonancia causa la amplificación de los armónicos de V.• Puede detectarse porque la distorsión depende del número de pasos de C conectados• Para determinado Nº de pasos se produce un máximo de THD(V)
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RESONANCIA EN REDES DE BT: Caso típico
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SOLUCIONES PARA REDUCIR THD(I) : Filtros de bsorción
M
CHOQUE
OTRAS CARGAS
CARGA AFILTRAR
FILTRODE
ABS
TRANSFORMADOR
I
FILTROz
z
I limpia
armónicos
Ilimpia
Ilimpia
OTROS ABONADOS
A
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SOLUCIONES PARA REDUCIR THD(I) : Filtros de Absorción
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
100 1000
frecuencia (Hz)
Z (d
B/o
hm)
Respuesta en frecuencia de un filtro de absorción con pasos sintonizados a los armónicos 5, 7 y 11
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CASOS REALES: Filtros de rechazo (anti-resonancia)X
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FILTROS PASIVOS: Reactancias
Ø Reactancias
Sin L, THD(i)=70% Con L, THD(i)=26%
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FILTROS PASIVOS: Filtros LCL
LCL IMPEDANCIADE LA RED L1 L2
L3
C
M3
CONVERTIDOR
Fusibles
FILTRO LCL
RED
Sin LCL, THD(i)=70% Con LCL, THD(i)=8%
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FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA
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L1
L2
L3
PE
220 V fase - neutro
50 Hz y armónicos con n = k.3 armónicos con n = k.3
N
Transformador de distribución
a
a
a
a
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSAX
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L1
L2
L3
PE
220 V fase - fase
50 Hz y armónicos con n = k.3
N NC.
FILTRO
TSA transformador de aislamiento(impedancia infinita a los armónicos k.3)
A
A
A
armónicos con n = k.3
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA
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FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSAX
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ü Reducción de armónicos en líneas monofásicas.
ü Reducción de la corriente de neutro originada por armónicos múltiplos de 3 hasta un 90%
R
S
T
N
FB3
aprox. 80 % 3 harmonic
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : FB3
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230 V fase - neutro
Cuadro de Bajatensión
I carga
FB3
Instalaciones monofásicas Instalaciones trifásicas
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : FB3X
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Ø Resuelven problemas de armónicos en el lado de lascargas restituyendo la forma de onda de la tensión a unaforma senoidal
FITROS ACTIVOS SERIE
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Ø Resuelven problemas de armónicos en el lado de la red haciendo que la corriente absorbida sea senoidal. Puedencompensar también desequilibrio y FP
FITROS ACTIVOS PARALELOX
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FA PARALELO – SERIE Y SERIE - PARALELO
FA Paralelo-Serie: Arreglan la corriente de red y la tensión en la carga para que seansenoidales
FA Serie- Paralelo:Arreglan la tensión en la carga y la corrienteen la red para que seansenoidales
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La suma de corrientes de linea y de filtro deben dar una senoide en la red
FILTROS ACTIVOS PARALELO: PrincipioX
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FA PARALELO : CONFIGURACIONES
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FA PARALELO 4 RAMAS REGULADASX
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FITROS ACTIVOS PARALELO: Control
Controladores en cascada de potencia activa (obtienela consigna de corriente) y regulador de corriente de filtro
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FITROS ACTIVOS PARALELO: Control
Controlador
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FA PARALELO: Control separado de cos ϕ y armónicos
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FA MONOFASICOS
R1
EMI
L1
N1
PE
L2
N2
PE
OUT1
S2
S1
S4
S3
C1
InversorSEMIKRON
PE
OUT2
C2
PlacaControl
1
2
3
4
F3
35mm2
35mm2
6mm2 6mm2
1,5m
m2
1,5m
m2
L
U V
U1 V1
PE
BF1 F1 F2
35mm2
SW1
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Corriente en la red antes del filtrado
Corriente de red después del filtrado
30%
60%
2%
4%
FA MONOFASICOS
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Ventajas de los filtros hibridosØ Tensió en el bus DC del convertidor muy bajaØ La baja tension necesaria en el bus permite su uso en líneas de MT con tensiones de sólo 400VDC
Ø Compensación de cos ϕ fijaØ No necesita control de neutroØCapacidad de filtrado de triples ilimitada
Inconvenientes de los filtros hibridos
Ø Imposible el control de cos ϕØ La compensación fija puede provocar sobrecompensaciónØ No tiene posibilidad de compensar desequilibrio
NUEVAS TENDENCIAS: FA HIBRIDOSX
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Mejoras en la estructura de Filtros Activos (APLC)
ØEstructura mejorada de 4 hilos , acoplo hibrido por LCØBus de contínua con único condensador y control de tensiones de bloqueoØReducción de tamaño y de rizados
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Tipo clásico 4 hilos 4 ramas
7
7 7
/ �
/ �
/ �
1
979695
/ & / &/ &
7
9 ' &
7
7
7
7
/ &
Problema de dimensionamiento de neutro (armónicos k.3) y
Valor de la tensión en el bus DC alta
VDC=750V
LC=800uH
Para 63A, 400VAC line
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)X
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Requiere control de reparto de tensiones en el bus DCNo puede compensar ciertas corrientes kx3 desequilibradas
LC=800uH
For 63A, 400VAC line
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
Tipo clásico 4 hilos 3 ramas
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T1 T3
T2 T4
T5
T6
L1
L2
L3
N
+-
+
-VDC
VNVTVSVR
CC
LC
CC
LC
CC
LC
+-
+-
VAC+ VDC VAC+ VDC VAC+ VDC
Tensión DC menor. (400VDC, pero puede ser 100VDC )
Menor CDC y más toleranciacon el rizado DC
No requiere control de reparto como el caso de C partido +VDC/2 to –VDC/2
500uF/80uH , for 400VAC,
63A filt. (LC menor)
Nueva estructura de 4 hilos acoplada por LC
VENTAJAS
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)X
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Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
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Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
Ø Filtro hibrido con acoplo LC a red
Ø Nuevo método de obtención de referencia de I por energías de Vc
Ø Regulador de corriente PWM en el dominio temporal
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Ø Las reactancias pueden paliar un problema de armónicos
reduciéndolo de un 50 ó 60% de THD a un 20 a 25%
Ø Los filtros de rechazo en bancos de condensadores
permiten evitar la resonancia
Ø Los filtros pasivos a escala global son conflictivos porque
se adaptan mal a las cargas
Ø Los filtros pasivos individuales tipo LCL son preferibles y
pueden reducir el THD por debajo del 8%
Ø Los filtros activos son la solución más completa pero hoy
por hoy son caros
RESUMEN Y RESUMEN Y CONCLUSIONESCONCLUSIONES