ELECTRÓNICA - UNMSM. N." 23. JUNIO, 2009 27

(J)

(2)

(3)h, =6111:1

donde J1 es un número entero.

h, orden del armónico

l. frecuencia de la red

1,. frecuencia de resonancia

S" potencia de corto circuito del sistema

Q, potencia reactiva suministrada por el banco decondensadores

Por otro lado, la colocación del banco decondensadores [1 J requiere de la verificación de lafrecuencia de la posible resonancia paralela con lareactancia de corto circuito de la red:

Q, potencia reactiva suministrada por el banco decondensadores

P potencia activa consumida por la cargat/J, ángulo del factor de desplazamiento original

t/J, ángulo del factor de desplazamiento mejorado

Para la compensación del factor de potencia delsistema, es necesario hacer la compensación del factorde desplazamiento y del factor de distorsión annónieatotal de la corriente [7].

Para la compensación del factor de desplazamiento,que en el landa significa compensar la componentereactiva fundamental absorbida por el rectificador ensu operación, se necesita de un banco de conden-sadores cuya potencia reactiva está detenninada por(1), que establece el máximo valor para el factor dedesplazamiento que se quiere lograr.

Como en este caso, la carga generadora dearmónicos de tipo corriente es el rectificadorcontrolado de seis pulsos, este convertidor presenta unespectro armónico conocido, cuyo orden de cadacomponente esta determinada por (3):

Para la compensación de la distorsión de corrientese parte de la potencia reactiva necesaria para lacompensación del factor de desplazamiento (cos t/J ),

potencia que se subdivide en diferentes subbancos decondensadores y conectando en serie con cada sub-banco un reactor y sintonizado cada conjunto (filtro) a

Y6"

L, ,~ i.. i.",

Por las razones expuestas, se propone una nuevatecnologia para los filtros, la cual utiliza unacombinación de un filtro activo de pequeña potenciacon un filtro pasivo. Como se sabe, los filtros activosson una alternativa de solución muy interesante paracompensar sistemas de distribución de potencia [6],[2]), mientras que las caracteristicas de compensaciónde los filtros pasivos existentes podrian mejorarsesignificativamente, como se verá más adelante, alconectárseles con un filtro activo de potencia dándoleuna mayor flexibilidad a la compensación.

o Equilibrar las corrientes que circulan por lasdiferentes fases.

o Equilibrar las tensiones entre fase y neutro.o Regulación de la tensión.o Reducción del flicker.

Los filtros activos, sin embargo, también presentanciertas limitaciones como son:

o El costo inicial de su implementación es alto.o Dificultades para construir fuentes de corriente degran potencia con respuesta rápida de corriente.

11. FILTROS PASIVOS

En la Fig.l, se presenta el esquema de una instalaciónindustrial en la que se muestra un rectificador controladoa tiristorcs conectado a la red mediante un transformadory con un Jiltro pasivo (condensadores de compensaciónsintonizados). Este sistema es usado para alimentar unacarga en corriente continua. El rectificador es la cargageneradora de armónicos de tipo corriente que soninyectados a la red. Se sabe también que en la operacióndel rectificador se consume potencia reactiva funda-mental, cuya magnitud depende del ángulo a (deencendido) y del ángulo /.l (de conmutación) de lostiristores este último a su vez depende de la reactanciaL, acumulada desde la fuente AC de alimentación hastalos terminales de entrada del rectificador.

Fig. 1. Carga no lineal y filtro pasivo.

2RNÚÑEZ ET AL.: FILTRO HíBRIDO DE POTENCIA

una detenninada frecuencia armónica generada por elrectificador, como se muestra en la Fig. l. De estafonna se reduce la distorsión inyectada por la carga ala red, 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 proyecto delos filtros pasivos es la IEEE 5I9 [7], en la que seestablece los límites para las amplitudes de lascomponentes armónicas que pueden ser inyectados a lared.

Como ejemplo, en la Fig. 2 se muestra el esquemaeléctrico correspondiente a una instalación que constade un rectificador controlado de seis pulsos quealimenta una carga con una tensión Vd, de 553 V Ycorriente Id, de 1000 A que corresponde a una potenciade 553 kW. Si el nivel de corto circuito y máximademanda en el PCC (punto de acoplamiento común)que en este caso se considera en la barra de 1O kV.corresponde a 3 kA y 35 A, respectivamente, de estosvalores se determina el factor

¡se = 85.7

TABLA ID[sTORSIÓ~ TOTAL DE CORRIENTE y AMPLITUD RELATIVA DE LOS

ARMÓNICOS.

5 7 1ITOO PFh ('lo)

IEEE 519 10.0 10.0 4.5 12.0Limites (%)

Sin banco de~~)

6.778 4.158 1.82Condensad.

I:f" 18.16 11.14 4.88 22.14 0.85%)

De los resultados mostrados en la Tabla 1, seconcluye que tanto la distorsión total de corriente asicomo la amplitud relativa de los armónicos sonmayores que la sugerida por la IEEE 519 y el factor depotencia es bajo.

Para mejorar el factor de potencia, se colocaránfiltros sintonizados que compensarán el factor dedesplazamiento y la distorsión de corriente.

En la Fig. 3 se muestra el sistema de compensaciónconectado en el PCC a ser calculado. El factor dedesplazamiento del rectificador correspondiente a lascondiciones de operación de la carga es:

cos t/J, = 0.855

con el que se encontrarán los límites en la amplitud delas componentes armónicas así como de la distorsióntotal de corriente recomendada por IEEE 519.

Scc=50.2 MVA10.0 kV, 60HzXIIi.= 1.98ohm

1;",

O.4RO kV

L"

Qc = 153.6 Kvar.

i" 1(ÓuJ..v I.OMVA

__ IO.O/OAR kVÓ 20%

cTcT CTCTFig. 3. Carga no lineal y filtro pasivo.

10.0 kV

Mediante la (1) se establece la potencia del bancotrifásico de condensadores que aumentará el factor dedesplazamiento para 0.95 (cos t/J,=0.95):

PCC

Rectificadorde 6 pulsosa= 17"

IO.OkV

Scc :050.2 MVA10.0 kV, 60HzXIi'= 1.98 ohm

1;'"

;"1(LJ. uJ..v 1.0 MVA

-- 1O.0/0.4R kV6 20"10

P=553 Kw.Idc=IOOOAV<k.= 553V

Fig. 2. Diagrama unifilar del sistema de rectificación sincompensación reactiva.

Si el ángulo a de encendido de los tiristores es de17" Y el ángulo de conmutación p es de 24°, cuandoel rectificador es operado sin el sistema decompensación los resultados se muestran en la tabla [:

luego, se procede a la verificación de la frecuencia deresonancia con la impedancia equivalente del sistemadado por (2) :

ELECTRÓNICA - UNMSM, N.~23, JUNIO, 2009 29

El banco de condensadores es dividido en tresbancos, cada uno sintonizado para las frecuenciasarmónicas dc 5, 7 Y 1larden. El resultado del diseñode los filtros es mostrado en las Tablas 11y 111.

TABLA 11RESULTADO DE LA RESISTENCIAS DEL FILTRO r)ASIVO

Banco h, Q,(Mvar) Q R(ohm)1 5 0.090 100 1.112 7 0.045 100 1.5853 11 0.022 100 2.065

los tenninales de la carga, ni los armónicos generadospor la carga podrán tluir por la fuentc AC.

",

Fig.4 Estructura de filtro híbrido.

Fig. 5. Configuración del filtro híbrido de potencia.

En la Fig. 5 se mucstra una nucva propuesta deestructura para el filtro hibrido (6], compuesta por unbanco de filtros pasivos (en paralelo) concctados enserie con un filtro activo y el conjunto en paralelo conla carga gcneradora de armónicos,

Esta topologia busca, de la misma forma que laanterior, mejorar la característica de compensación dclfiltro pasivo viabilizando el uso de filtros activos paragrandcs potencias y al mismo tiempo a bajo costo. Coneste esqucma [11] se mejora significativamente eldesempeño de los filtros pasivos ya instalados oexistentes cn la industria, mediante la conexión de unfiltro activo (unidad activa) en scrie con los filtrospasivos, añadiéndole mayor tlexibilidad a lacompensación armónica y eliminando muchos de losproblemas presentados por los filtros pasivos,La unidad activa del filtro hibrido consta de un

inversor PWM trifásico tipo fucnte de tensión en seriecon un filtro pasa bajos, que opera a frecuencia deconmutación constante y que está conectado en seriecon el filtro pasivo a través de transformadores deacoplamiento, El principio de operación de esta unidadse basa en que el inversor debe inyectar una tensión demanera de forzar a todas las componentes armónicasde corriente de la carga a pasar por el filtro pasivo y nopor la fuente AC.

1-",

Banco Xl (ohm) Xdohm) L(mH) e (uF)1 44.44 1,111.0 117.8 2.3872 45.35 2,222.2 120.29 1.19353 37.56 4.545.45 99.628 0.5835

I 2

'\' "QF;I'm = L... 2 .Q, = 0.1618 Mvar", -1

Mediante este procedimiento, se dctermina elsistema de compensación del factor de potencia para elcaso de generación de annónicos dc corriente por lacarga, que lleva a la colocación de filtros sintonizadospara los annónicos generados y cuyo desempeño scráafcctado por factores que ya fueron mencionados y queserán mostrados en la simulación.Esto lleva a proponer otra solución, utilizando una

combinación dc un filtro pasivo con un filtro activotrifásico que se detallará a continuación.

La potencia reactiva fundamental suministrada porlos tres bancos de condensadores se calcula como:

TABLA 111RESULTADO DEL RANCO CONDENSADORES E lNDUCTANCIAS DEL

FILTRO PASIVO

1II. FILTRO HÍBRIDO

En la Fig. 4 se muestra la cstructura de un FiltroHibrido cuya configuración [2], [9] sirve para lacompensación de los armónicos. La función del filtroactivo serie en, estc caso, no es la compensacióndirecta de los armónicos producidos por el rectifi-cador, sino más bien, la de mejorar la caracteristica defiltrado del filtro pasivo paralelo. El filtro activo serie,en este caso, actúa como un aislador de armónicos dela fucntc AC y de los producidos por la carga. Comoconsecuencia de esta nueva función, la potencia delfiltro activo resulta ser mucho mcnor quc la de un filtroactivo paralelo convencional. Con esta estructura losarmónicos presentes en la fuente AC no aparecerán en

JO NÜÑEZ El AL: FILTRO HiBRlI>O DE POTEI'CI,\

Ve = k ISh (5)

Fig. 6. Muestra un circuito equivalente monofásico delsistema propuesto.

Si K» IZF + Zsi, la tensión V Sh se aplicaría en

los terrninales del filtro activo. Esto previene laaparición de corrientes arrnónicas causadas por V Sh, sinembargo V Sh aparecerá en la tensión terrninal VT.

Asumiendo que K=00 se obtienen las siguientescaracterísticas del filtrado ideal:

estructura la corrientc quc pasa por la unidad activaestá compuesta por la componente fundamental activade la corricnte de carga y la corriente fundamental enadelanto del filtro pasivo: mientras que en la segundaestructura la corriente por la unidad activa estácompuesta por los annónicos de carga y la componenteen adelanto fundamental de la corriente por el filtropasivo. En cuanto a mantener la tensión en elcondensador del inversor, resulta más fácil en el casode la segunda estructura que para la primera estructura,ya que en este caso la componente fundamental de lacorriente que Iluye a través del tiltro activo varía conla variación de la corriente de carga. En relación a laprotección del filtro activo en la primera estructura esmás dificil aislar y proteger la unidad activa, debido aque se encuentra en serie con la fuente; en la segundaestructura resulta más fácil proteger y aislar la unidad,convirtiendo la segunda estructura en la más aplicablea los sistemas de potencia en alta tensión.

A. Características del jiltro hibridoEn las referencias [4] y [6] se indica que la

caracteristica del filtro hibrído para la corrientearrnónica de la carga Ir;, (asumiendo que la tensión dela fuente de tensión Vses sinusoidal) cuando se hace:

(4)

1:(0)

es que K domina la característica del filtrado, actuandocomo una resistencia que amortigua la resonancia

'" "'" paralela entre Zs y ZF'e' La caracteristica del filtro ante la presencia de: : arrnónicas en la fuente de tensión, asumiendo que no

,,' I1 i hay carga (ILh=O), hace que el filtro activo se comporte: : solo como una resistencia K (O), como se muestra en

la Fig. 6 (c).

1:(0) Z,

e ,, I, ,, '"1 I, II , -J,~~ "1.

lb' ('1

z,~ VII,e ,, ,, ,I ' •.r ,~, II ,~ '

Si la impedancia de la fuente es pequeña IZsl = O, amenos que el filtro pasivo esté sintonizado a lasfrecuencias arrnónicas generadas por la carga(IZ F I» IZsi), las características deseables de filtrado

podrían no obtenerse, además ocurrirán resonanciasparalelas entre ZF y Zs a frecuencias especificas~Z F + Zsi = O) causando el fenómeno de

amplificación arrnónica, estableciéndose en conse-cuencia un flujo mucho mayor de arrnónicas por lafuente AC que los producidos por la carga.Cuando el filtro activo es controlado como una

fuente de voltaje siguiendo la relación

Asumiendo que el filtro activo es una fuente detensión ideal controlada V, y que la carga es una fuentede corriente /¿, la Fig, 5 se puede representar por laFig. 6 (a), donde Zs, es la impedancia de la fuente y ZF.es la impedancia total del filtro pasivo. Cuando el filtroactivo no está funcionando (K = O), la corrienteannónica de la carga fu. es compensada solo por elfiltro pasivo; las características de filtrado dependen dela relación de Zs y ZF. De la Fig. 6 la corrientearrnónica 1" que pasa por la fuente está dada por larelación:

Vc=Zp1u.+VSh (8)Este resultado indica que no existirá corrientc

arrnónica por la fuente de alimentación alterna, y quesi existe distorsión en la tensión de alimentación estaaparecerá en los terrninales de la carga. Finalmente, la

forzará a todas las arrnónicas contenidas en la corrientede carga a fluir por el filtro pasivo de tal manera queninguna componente pase por la fuente AC. Lafunción del filtro activo es resolver los problemasinherentes al filtro pasivo, cuando son utilizados comoúnico elemento de compensación. En suma, el filtroactivo nunca entregará voltaje fundamental, dandocomo resultado una gran reducción en el valor eficazde la tensión que el filtro activo deberá generar.Entre las diferencias entre las estructuras hibridas de

las Fig. 4 Y 5, se puede mencionar que en la primera

ISh =0 (6)

(7)

ELECTRÓNICA ~ UNMSM. N." 23. JUNIO. 2009 31

VFA= i)ZFh' fu,)' + Vs.' (10)h=5,7 •..

Potencia aparente del filtro activo:

mental, la cual está adelantada a la tenslOn AC,absorbida por el tiltro pasivo y por las componeotesannónicas de la cOlTienle de carga. De esta fanna, elcálculo de la potencia SrA del FA se obtiene de lassiguientes ecuaciones:

tensión en los tennina1es del tiltro activo es igual a lacaida de tensión produeida en el filtro pasivo más latensión de distorsión presente en la alimentación.

B. Control delfiltro híbridoEl esquema del sistema de control es mostrado en la

Fig. 7. Las con'ientes is<" i.% Y is<, que Iluyen de la fuenteson detectadas y las armónicas iSh de estas corrientes soncalculadas aplicando la teOlía de la potencia instantánea[12]. En este método de cálculo, se utiliza las tensionesea. ehyeo que son las componentL'S fundamentales de lastensiones VTa Vlb l' VTe respectivamente y las comente isde la fuente (Fig. 5). Con esta información las potenciasinstantáneas real p e imaginaria q son calculadas, a partirde ellas son extraídas las componcntes amlónicas ¡; yq mediante tiltros pasa altos, las que luego sontransformadas en las componentes armónicas de la~comentes ¡SIlO. (Silbe is/¡c.

Corriente por cl liltro híbrido:

fF,,= fFl'+ ¿Ju,'h=5,7 ...

Tensión en los tenninales del filtro activo:

(9)

roigo8. Esquema unificar de la carga no lineal y filtrohíbrido (FI' +FA).

(11 )

10.0 kV

h.•J (ó. v.1..v J ,o~lVA

-- 1O.0/0..¡S kVó. 20%

Scc"SO.2 MVA10.0 kV. 60HzX •••• 1.98 ohm

J ;~

donde:f FI componente fundamental de comente por el filtro

pasivofu, componente annónica de corriente de la carga

Z Fh impedancia presentada por el filtro pasivo para elarmónico h

VSh componente annónica en la tensión dealimentación

El filtro pasivo utilizado es el mostrado en la Fig. 9que está compuesto por dos unidades resonantes seriepara los annónicos de 5'" y 7m

" ordeo y un tiltro pasaaltos sintonizado a partir del armónico de orden 11.

Finalmente, cada corriente es amplificada por unaganancia K y posteriormente transformada en la señalde control del modulador PWM. La señal de controlserá comparada con una onda portadora de tipotriangular con una frecuencia determinada deconmutación};" .. La salida del modulador es aplicada acada una de las llaves del inversor del FA.

Fig. 7. Esquema de control de la unidad activa (FA) delfiltro híbrido.

La unidad activa del tiltro híbrido, además deinyectar tensiones amlónicas para la compensación,también deberá mantener la tensión constante en elcondensador Cr a través de un lazo de control (Fig. 5 Y7) de manera que no sea necesaria una fuente adicional.

C. Potencia de la l/nidad activa (jiltro activo) del¡iI/I'o híbrido

En este punto es necesario, entonces, estimar lacapacidad de potencia, corriente y tensiones del filtroactivo (FA) o unidad activa a partir de la función quedesempeña. En el esquema de la Fig. 8 o Fig. 5 el FAestá compuesto por un inversor de IGBT y un pequeñofiltro pasa bajos conectado en los terminales de salidapara suprimir los amlónicos de alta frecuenciaprcsentes en la lanna de onda de tensión PWM.

De las ecuaeiones que caracterizan la operación delfiltro hibrido, se puede calcular la potencia minimanecesaria del filtro activo. La corriente por el filtro FAestá compuesta por la corriente a Irecllencia fllnda-

32

l.,

eT lC, Te"s~

Fig. 9. Filtro Pasivo sintonizado y pasa altos.

En la Fig. 10 se muestra la variación de la impedanciadel filtro pasivo con la frecuencia con la que se podrácalcular el valor eficaz de la tensión en los tenninalesdel FA.

Fig. 10. Respuesta en frecuencia de la impedancia "ZF"presentada por el filtro pasivo.

De los resultados obtenidos solo con el liltro pasivoy usando (9), (10) Y (11) se calcula la potencia y sedeterminan las magnitudes de tensión y corriente de launidad activa (FA) asi como la de los transfonnadoresde acoplamiento.

La potencia minima del filtro activo, en este caso, esde S'A = 6 Kva. y el valor eficaz de la tensión ycorriente por fase en el lado de alta tensión deltransfonnador de acoplamiento es de V,C4 = 160 V(r.m.s.) y IF.,= 24.8 A (Lm.s.) respectivamente.

Considerando un factor de cresta de 2.5, para el casode la tensión, se puede estimar el valor del pico que seproduciria, y que en este caso seria 400 V en el lado dealta tensión. Siendo el transfonnador de relación 1:2esto signilica que el pico de tensión esperado será 200V en el lado de baja tensión.

Para detenninar el nivel de tensión necesario en elcondensador del circuito OC link del inversor, seestablecerá como criterio que el índice de modulación(1M) sea igual a 0.7, obteniéndose así una tensiónVdc/2 = 287.5 V, que en forma práctica corresponde aVdc = 600 V.

Finalmente, con este valor de tensión de 600 V Ycon el valor de la corriente por fase del inversor, quedebido a la relación del transformador de acopIa-miento será laFA = 49.6 A (Lm.s.), se seleccionan las

NÚÑF..l H AL.: FILTRO IliBRIOO DE POTENCIA

llaves scmiconductoras de potencia que pueden serutilizadas y que en este caso podría ser IGBT oMOSFET. La elección entre las dos tecnologíasdependerá de la frecuencia de conmutación j;" con laque operará el modulador y las perdidas del inversoLEn este caso se usará una frecuencia de conmutaciónde 18 Khz. porque pennitirá reducir las dimensionesdel filtro pasa bajos (Lo, CR) que se coloca a la salidadel inversoL

IV. RESULTADOS DE LA SIMULACiÓN

El sistema de la Fig. 5 (Fig. 8 sistema unililar), quecorresponde a una parte de un sistema industrial en10KV, fue implementado en el programa PSCADIEMTOC [11] para su evaluación.

A. Características de los componentes del sistemautilizado

Filtro pasivo (FP)Potencia del filtro pasivo trifásico = 161.8 KvaroNivel de tensión: 10 KVFrecuencia: 60 Hz.Filtro resonante para el 5'"annónico:C, = 2.387uF, L, = 117.8mH, R, = 2.220hm, Q = 50Filtro resonante para el 7mo armónico:C, = 1.193uF, L, = 120.3mH, R, = 3. l70hm, Q = 50Filtro pasa altos a partir del armónico de orden 11:C,,= 0.5835uF, L,,= 99.63mH, RhpF 10064ohm, Q=50

Filtro activo (FA)Potencia del tiltro activo = 6 KvarInversor trifásico compuesto por seis tGBT de 1200V Y200A eluTensión del OC link: Vd,= 600 VCondensador del circuito del OC link: C,=IOOO uF,1000VFrecuencia de conmutación:j; ••.= 18kHzFiltro pasa bajos: Co = 0.33 uF, Lo = 1mH,Transfonnador de acoplamiento de 10 Kvar yrelación 1:2Control PI de tensión Vdc, Kp = 1, r; = 0.01 (s)

CargaRectificador trifásico controlado de seis pulsos (atiristores)Corriente de carga ¡dc =1000 A (OC), tensiónmedia de salida del rectificador Ede = 553 V (OC)Ángulo de control a = 17"Potencia activa = 553 Kw.Potencia reactiva = 335.4 KvarTransfonnador trífásico de I MVA, 10.0/0.480 KV,60 Hz, Xd;, = 0.2 (p.u.), conexión delta-delta

ELECTRÓNICA - UNMSM, N.o 23, JUNIO, 2009 33

Red de alimentaciónTensión: 10 kV, (trifásico)

- Frccuencia: 60 IIz.- Potencia de cortocircuito: 50 Mva.

B. ResultadosEn la Fig. 11 (a) se mucstra la forma de onda dc la

eorricnte de línea y la tensión por fase de la fuente dealimentación. En cstc caso solo está funcionando elfiltro pasivo, obteniéndose una distorsión para lacorriente de THDi=7.0% y un factor de potcncia de0.93. En la Fig.l1 (b) se mucstra la corriente deabsorbida por la carga y en la Fig. 11(c) sc muestra lacorriente que pasa por cl filtro pasivo y su valor eficaz.

(a)

En otras palabras la impedancia vista por losarmónicos de corriente de la carga es cero.

<

(c)Fig. 12. Operación del filtro híbrido coo la actuación delFA. (a) Tensión y corriente de la fuente isa (b) Corriente decarga en primario del transformador de potencia ia (e)Corriente por el filtro pasivo ¡Fa y su valor eficaz.

(e)Fig. 13. Operación del filtro híbrido con la actuación delFA. (a) Tensión por fase del filtro pasivo VPF y del filtroactivo VAF (b) Ampliación de la tensión inyectada por delfiltro activo (e) Corriente de la carga no lineal.

En la Fig. 14 sc muestra la tensión Vdc delcondensador C, del inversor (Fig. 5 o Fíg. 8), tensiónque se mantiene constante durante la opcración delfiltro cn el nivel de 600 V por cl lazo de control, luegodel proceso transitorio inicial dc carga.

••

0-0-om0="0~.:::.-.~.-.-

..•

..•••

(a)

. 1~P:¡:".') ~~ Al J. - A ~ L vJ.¡~oo ~~'rf1 \.~ .'M

b

'h0-:::::1 A 1\ It ~ 1111 A ,~

< JEjif nI ~vI)' nrtw ni h VCf-l~\~q;-\j-0.~.-(e)

Fig. 11. Operación del sistema de rectificación solo con elpasivo. (a) Tensión y corriente de la fuente Isa. (b)Corriente absorbida por el rectificador ¡s. (c) Corriente porel filtro pasivo iFa y su valor eficaz.

b

En la Fig. 12 se muestra el resultado cuando launidad activa del filtro híbrido, es decir, el filtro activocntra en operación. En la Fig. 12(a) se tiene lacorriente de línea de la fucnte de alimentación quepresenta una distorsión THDí = 3.7% lográndose unaconsiderable reducción del valor obtenido con solo elfiltro pasivo.En la Fig.13(a) sc mucstran las tensioncs VPF por

fase del filtro pasivo y la tensión VAF inyectada por elfiltro activo. Aquí elaramente se obscrva que la tensiónproducida por el filtro activo corresponde a la caída detensión en el filtro pasívo producida sólo por lascomponentes armónicas de la corriente de carga, estosignifica que filtro activo aclÚa compensando csasdistorsiones de manera que la impedancia presentadapara las corrientes armónicas de la carga por los dosfiltros en conjunto es cero.

O~O~0.0

~~:,~,~

34

Fig. 14. Tensión en los terminales del condensador Vdc delinversor del FA.

En la Fig, 15 se muestra la corriente de alimentación iscuando sólo el filtro pasivo con factor dc calidad Q = 50está actuando. La corriente presenta 1UlTHDi del 10,95%mostrando el efecto que tiene el factor de calidad en laeficiencia del filtro pasivo. Luego, cuando el filtro activo(FA) entra en funcionamiento, la distorsión de lacorriente se reduce 3.4% mejorando el desempeño de lacompensación del filtro pasivo a pesar de usar un factorde calidad mcnor.

(c)Fig, 15, Operación de filtro hibrido con filtro pasivo defactor de calidad Q = 50 (a) Corriente ISA en el sislema depotencia (b) Corriente de carga ia en el primario deltransfonnador (e) Corriente iFa del filtro híbrido.

1) Efeclo de la distorsión en la tensión de la redsobre el filtro hibridoEn este caso, el sistema de compensación es

probado cuando la tensión de la red presenta unadistorsión del S" armónico con amplitud igual al 1%de la amplitud de la tensión fundamental, estadistorsión de la tensión genera en la corriente iSA unadistorsión del 20,61 % como se muestra en la Fig, 16(a)cuando sólo está presente el filtro pasivo, Ladistorsión, luego que FA (unidad activa) del filtrohibrido comienza a funcionar, se reduce a 3,26%,Como el filtro pasivo tiene una rama sintonizada paraatrapar el Sto armónico de la corriente de carga, cstarama presenta también mínima impedancia para el

NÚ-:':!'.1.ET !\L.: FIL IRQ HiHR11l0 DE POTENCIA

quinto armómco presente en la tensión de la red,produciéndose una resonancia serie y una sobrecargade corriente del 5to armónico, pero que con laoperación del FA, este efccto queda amortiguado comose muestra en la Fig, l6(a),

ao ••O~

""000:!t ~:".,~,..

(b)Fig. 16, Operación de filtro híbrido considerando que latensión de alimentación presenta distorsión. (a) Corriente isa enel sislema de pOlencia, (b) Corriente iFa del filtro híbrido,

En la Fig. 16(b) se observa que, antes de la operaciónde la unidad activa (FA) en el filtro hibrido, existe unacorriente de sobrecarga producida por la resonancia serieentre el armónico de tensión presente en la fuente y tUlade las ramas del filtro pasivo, Con la actuación del FAesta corriente es eliminada ya que la influencia de losarmónicos que están presentes en la tensión dealimentación sus efectos son aislados de la carga,

2) Efecto de la pérdida de sintonización de losji/tros pasivos del filtro hibrido

Si los valores originales de los condensadores sonincrementados en 5% y de los reactores sonincrementados en 2%, se logra que las frecuencias deresonancia de los filtros, sufran variaciones del 3%,2% Y 6,7% respecto a las frecuencias de resonanciaoriginal de cada filtro para el Sto, 7010 y II avoarmónico, respectivamente, Esto hace que los filtrospierdan eficiencia en el filtrado de los armónicospresentes en la corriente de cargaEn la Fig, 17(a) se presenta la corriente de la fuente conla distorsión del 15.9% producida por la variación de losvalores del filtro pasivo, para simular la pérdida desintonía, Se observa que, luego de la operación del FA(unidad activa del filtro hihrido), la distorsión se reducea 4,79%, mejorando el desempeño del filtro pasivo,

,~IV't[1j¡vVI(a)

El.ECTRÓNICA - UNMSM. N," 23. JUNIO. 2009 35

VI. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo de investigación fue financiado conlos fondos del Instituto de Investigación de laFIEE-UNI.

amortiguadas por la unidad activa del filtrohibrido.

• La potencia del filtro activo en la topología defiltro híbrido es mucho menor que la necesariapara un único filtro activo equivalente paraleloconvencional.

• La potencia de la unidad activa está enrelación inversa al fbetor de calidad del filtropasIvo.

• Los filtros pasivos ya existentes en la industriapodrian ser adaptados a la topo logia de filtrohibrido de potencia propuesta, beneficiandotanto al usuario como al suministrador de laenergía.

REFERENCIAS

[1] Bhim Sing, Kamal Al-Haddad y Ambrish Chandra"A review of active filters for power qualityimprovement". IEEE Transactions on IndustrialElectronies, Vol. 46 N°5 October 1999.

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• Las caraeteristicas del filtro hibrido sonindependientes de la impedancia de la fuenlede alimentación.

• Los efectos de los armónicos de la fuente y dela carga quedan aislados.

• La resonancia serie o paralelo entre laimpedancia de la fuente y del fillro pasivo son

(b)Fig.18. Efecto del aumento de la potencia de cortocircuito oequivalentemente a una disminución de la impedancia decortocircuito pasivo (3) Corriente iSA en el sistema depotencia (b) Corriente iFa del filtro híbrido.

3) Efecto de la l'(lriación de la pOlencia de corlocircuito del sistemaComo se mostró anteriormente, una impedancia de

cortocircuito del sistema muy pequeña dificulta elbuen desempeño del filtro pasivo pero es recomen-dable para una buena regulación de la tensión. En laFig. 18 se muestra la corriente de la fuente cuando laimpedancia de cortocircuito del sistema de potencia sereduce, con la consecuencia de que el filtro pasivoreduce su capacidad de filtrado.

La corriente de la fuente presenta una distorsiónarmónica de 21. 77%, valor que, luego de la entrada enoperación del FA, se reduce a 5.26% como se muestraen la Fig. 18(a).

(b)Fig. t 7. Efecto de la vanación de los valores de loscomponentes del filtro pasivo. (<1) CClITicntc ISA en clsistema de potcncia. (b) Corriente iFa del filtro híbrido.

V. CONCLUSIONES

De los resultados de simulación, se confinna cómoel desempeño del filtro pasivo mejora ampliamentecuando es agregada una unidad activa o filtro activo.Las conclusiones respecto a la topologia del filtrohibrido de potencia son las siguientes:

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