Estudio comparativo entre las diferentes topologías de filtros híbridos.

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1 Estudio comparativo entre las diferentes topologías de filtros híbridos. J. Ignacio Candela DEE UPC 20/11/2008 JCEE Objetivos de un filtro de potencia Compensación de armónicos. Que los armónicos de corriente que crea la carga no pasen a la red. Que los armónicos de tensión que haya en el lado de red no pasen o afecten a la carga. Que los armónicos de tensión que fuerza la carga no afecten a la tensión de red y creen corrientes armónicas en esta. Compensación de la potencia reactiva. Compensación de los desequilibrios de la carga. Cargas con consumos de corrientes desequilibradas, con componentes de secuencia negativa y homopolar. Cargas con variación de consumo fluctuantes, que puedan dar lugar a flickers en la tensión del lado de red Regulación de la tensión. Compensación de desequilibrios de las tensiones de las fases en el lado de red. Compensación de las variaciones de tensión en el lado de red, estabilización de la tensión. 20/11/2008 JCEE

2 Clasificación de los filtros Filtros pasivos: Son filtros en que solo hay elementos pasivos, bobinas, condensadores y resistencias. El filtro pasivo más significativo, sería un circuito LC serie sintonizado a una frecuencia de resonancia, puesto en paralelo con la red, y que absorbe dicha frecuencia armónica de la carga. Filtros activos: Son filtros en que el elemento principal de filtrado es una fuente de tensión o de corriente controlable. Y en los que los elementos pasivos solo realizan funciones auxiliares. El filtro activo más significativo de estos, es el formado por una fuente de corriente en paralelo con la red que absorbe todas las perturbaciones de corriente que se tengan en el punto de acoplo. Filtros híbridos: Son aquellos filtros en que parte del filtrado lo realizan elementos pasivos y parte elementos activos. O aquellos en que el filtrado lo realiza los elementos pasivo y el elemento activo sirve como dispositivo de control de los mismos, para que el filtrado sea más efectivo. Su principal ventaja es la economía conseguida en el filtro activo. 20/11/2008 JCEE Clasificación de los filtros Por tipo de red a la que van destinados: Filtros monofásicos Filtros trifásicos a tres hilos Filtros trifásicos a cuatro hilos. Por el tipo de carga a la que van destinados: Cargas equivalentes a fuentes de corriente Cargas equivalentes a fuentes de tensión 1 << ω ω C h L h L S I h V S v Lh 20/11/2008 JCEE

3 Clasificación de los filtros Por número de elementos utilizados Pasivos Activos 20/11/2008 JCEE Clasificación de los filtros Bibliografía Peng en 2001, se da un listado de 22 topologías prácticas de filtros de potencia de uno y dos elementos. Hace una clasificación de orden práctico del filtro. Se indican cuales son mejores para cargas en fuentes de corriente y en fuente de tensión. Se les caracteriza por la potencia de sus elementos pasivos y activos, y en consecuencia por su coste. Y por último por sus características de filtrado, si absorben o aíslan armónicos, si compensan o no reactiva, por su ancho de banda de filtrado, o por sus ventajas o inconvenientes de uso. Senini en 2002, describe 8 posibles combinaciones de filtros híbridos, formados por un elemento activo y uno pasivo, 18 topologías formadas por dos elementos pasivos y uno activo, analizando solo los filtros monofásicos. Al-Haddaden 2005, describe 2 topologías prácticas para filtros pasivos de dos elementos; 2 topologías para filtros pasivos de tres elementos, la estructura en π y en T; 8 topologías para filtros híbridos de un elemento activo y uno pasivo, 16 topologías de filtros híbridos que consten de tres elementos, dos pasivos y uno activo; y otras 16 topologías de filtros híbridos que consten de tres elementos, uno pasivo y dos activos; 2 topologías de filtros activos de dos elementos; y por último 2 topologías más de filtros activos de tres elementos. 20/11/2008 JCEE

4 Filtro pasivo paralelo Filtro pasivo LC sintonizado a los armónicos que se quieren eliminar Presenta una muy baja impedancia a los armónicos elegidos Pueden a la vez compensar parte de la reactiva de la carga Bajo coste U punto de acoplo común Z red i red U 50Hz i filtro C filtro L filtro I 50Hz I armónica U armónica 20/11/2008 JCEE Filtro pasivo paralelo, problemas Dependencia del grado de filtrado de la impedancia de red Pico de resonancia con la inductancia del transformador de alimentación Resonancia con baterías de condensadores u otros elementos Pequeña deriva de los componentes puede desintonizar el filtro Magnitude (db) Imp. del filtro Bode Diagram Filtro, red y carga Filtro y red en vacío Phase (deg) Frequency (Hz) 20/11/2008 JCEE

5 Filtro activo paralelo Z red i red U 50Hz i filtro I 50Hz I armónica U armónica 20/11/2008 JCEE Filtros pasivos Para cargas en fuente en fuente de corriente. De 1 y 2 elementos Para cargas en fuente en fuente de tensión. De 1 y 2 elementos 20/11/2008 JCEE

6 Filtros pasivos Ramas sintonizadas para cada armónico especifico de la carga, más un filtro pasa altos. Para cargas en fuente de corriente o en fuente de tensión. 1) C 5 L 5 C C h L 7 L h R h icarga F ( ω 1 ) Z = j L ωc 1 1 ωr = fr = LC 2π LC C 5 C 7 C h.... R h L 5 L 7 L h 2) v carga 20/11/2008 JCEE Filtros activos Para cargas en fuente en fuente de corriente. De 1 y 2 elementos Para cargas en fuente en fuente de tensión. De 1 y 2 elementos 20/11/2008 JCEE

7 Aspectos a analizar de los filtros híbridos Potencia de los elementos filtrantes tanto pasivos como activos. Capacidad y tipo de filtrado de armónicos. Capacidad de compensación de reactiva o de su regulación. Tipo de carga a la que va destinado, en fuente de tensión o de corriente. Características especiales que presenta una topología en especial: problemas, ventajas, filtrado de otro tipo de perturbaciones, resistencia a sobretensiones o cortocircuitos, costes u otros. 20/11/2008 JCEE I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtro activo paralelo Factores importantes en el inversor de un filtro activo: Tensión del bus de continua Frecuencia de conmutación Inductancia de filtrado 20/11/2008 JCEE

8 I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtro activo paralelo Factores importantes en el inversor de un filtro activo: Tensión del bus de continua Frecuencia de conmutación Inductancia de filtrado AFp Sp 1 2 Lh La tensión del bus de continua tiene que estar muy por encima de la tensión de pico de red 20/11/2008 JCEE U I 2 S conm = v = v +ω hl I U AF conm 0,45U = = ω L ω L conm F conm F Una tensión del bus de continua alta y una L baja dan buena dinámica del filtro, pero mucha corriente de conmutación en red I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtro activo paralelo Ejemplo: Si se tiene un inversor con una tensión de bus de continua de 750 V, con una frecuencia de conmutación de 20 khz, una inductancia de conexión de 2 mh, y una tensión de red de 230 V, eficaces y de fase. La corriente máxima que se puede compensar de 7º armónico es de 8 A. Pero a la vez el filtro genera 1,34 A a la frecuencia de conmutación. Si la tensión del bus de continua bajara hasta los 650 V, se estaría en el límite de mantener el control de corriente, pero sin poder absorber armónicos, al menos durante mientras la tensión de red está en sus valores máximos. Si se quisiera compensar hasta el armónico 50, la posible corriente a compensar sería solo de 1,12 A. Y si por cambio de inversor se conmutara a 5 khz, la amplitud de los armónicos compensados no cambiaría, pero el rizado a la frecuencia de conmutación pasaría a ser de 5,36 A. Los semiconductores del inversor deberán soportar la tensión de bus de continua elegida, en redes de 230 V, mayor de dicha tensión, típicamente entre 700 y 800 V, y la corriente de pico a filtrar, los armónicos más la reactiva. 20/11/2008 JCEE

9 I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtros híbridos En estos filtros simplemente se ha producido un reparto de funcionalidades entre los dos filtros, el activo y el pasivo. El filtro activo paralelo es más adecuado para la compensación de armónicos de orden bajo, 5º y 7º, debido a las limitaciones en la frecuencia de conmutación, y en la pérdida de dinámica que tiene el filtro al aumentar la frecuencia de los armónicos debido a su inductancia de acoplamiento. En cambio el filtro pasivo paralelo es más adecuado y compacto si filtra armónicos de orden alto. 20/11/2008 JCEE I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtros híbridos paralelo Qué se busca con el filtro híbrido? 1) L F 4) L FP Minima potencia del inversor, haciendo que la tensión y la corriente a la frecuencia de red en el inversor sean muy reducidas. El elemento de interconexión con red presenta mucha impedancia a la frecuencia de red. Por el inversor solo pase la corriente a filtrar o una parte de esta.c 2) v AF L F v AF i AF L F L FP 5) i AF 3) L F 6) i AF i AF 20/11/2008 JCEE

10 Ejemplo de carga y filtro pasivo Orden de los armónicos de carga, Ih eff= 10 A 15 % de 3º 68 % de 5º 68 % de 7º 17 % de 11º 13 % de 13º + ordenes mayores de menor amplitud Filtro pasivo LC sintonizado a 300 Hz L = 4,2 mh C = 66 uf Corriente reactiva absorbida 4,5 A 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Un filtro pasivo LC sintonizado a un armónico Un inversor de muy baja tensión, 10 % de Un de red, con una tensión de fase de 220 V, tensión de salida de inversor V, U de bus de continua V Z red i red U 50Hz i filtro C filtro L filtro I 50Hz I armónica U armónica U filtro 20/11/2008 JCEE

11 Filtro híbrido paralelo Funcionamiento a 50 Hz El filtro activo no da tensión El filtro LC presenta alta impedancia a 50 Hz La intensidad de 50 Hz que entra en el filtro es baja, pero no es controlable, 4,5 A 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos El filtro activo da una pequeña tensión Ufiltro El filtro LC presenta una muy baja impedancia frente la los armónicos La intensidad armónica del filtro es alta y controlable con Ufiltro La intensidad de red no tendrá armónicos Z red i red i filtro Z filtro I armónica U armónica U filtro 20/11/2008 JCEE

12 Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos El filtro activo da una pequeña tensión Ufiltro El filtro LC presenta una muy baja impedancia frente la los armónicos La intensidad armónica del filtro es alta y controlable con Ufiltro La intensidad de red no tendrá armónicos 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos El filtro activo da una pequeña tensión Ufiltro El filtro LC presenta una muy baja impedancia frente la los armónicos La intensidad armónica del filtro es alta y controlable con Ufiltro La intensidad de red no tendrá armónicos 20/11/2008 JCEE

13 Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos en la tensión de red El filtro activo da una pequeña tensión Ufiltro El filtro LC presenta una muy baja impedancia frente la los armónicos La intensidad armónica del filtro es alta y controlable con Ufiltro La intensidad de red no tendrá armónicos 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos de conmutación de inversor El filtro activo da una pequeña tensión Ufiltro El filtro LC presenta una muy baja impedancia frente la los armónicos La intensidad armónica del filtro es alta y controlable con Ufiltro La intensidad de red no tendrá armónicos 20/11/2008 JCEE

14 Filtro híbrido paralelo Topología activo serie + pasivo paralelo Mismas prestaciones de filtrado y mismos niveles de potencia que el anterior La tensión en bornes de la carga queda deformada Un cortocircuito en la carga afecta al filtro activo por sobre corriente y por sobre tensión 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Topología activo paralelo + pasivo paralelo de rechazo de 50 Hz No consume corriente fundamental reactiva, y por tanto esta no tiene que pasar por el filtro activo, solo pasaran armónicos. Control por corriente de un convertidor algo más complicado Hace falta una inductancia adicional en serie con el inversor para filtrar los armónicos de conmutación Un filtro pasivo de rechazo a 50 Hz es prohibitivo 20/11/2008 JCEE

15 Filtro híbrido paralelo Topología activo paralelo + condensador (pasa altos) Consume corriente fundamental reactiva no controlable y que pasa por el inversor. Hace falta una inductancia adicional en serie con el inversor para filtrar los armónicos de conmutación. Requiere unos niveles de tensión de inversor para filtrar más elevados. Transitorios muy desfavorables 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Limitación o eliminación de la corriente de frecuencia fundamental que pasa por el inversor, para bajar su potencia total Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L Funcionamiento frente armónicos similar a los anteriores. El inversor ahora a frecuencia fundamental presenta alta impedancia, y circula corriente cero. 20/11/2008 JCEE

16 Filtro híbrido paralelo Limitación o eliminación de la corriente de frecuencia fundamental que pasa por el inversor, para bajar su potencia total Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L Funcionamiento frente armónicos similar a los anteriores. El inversor ahora a frecuencia fundamental presenta alta impedancia, y circula corriente cero. 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L Absorbe reactiva, sin posibilidad de control. Por el inversor no pasa, corriente de frecuencia fundamental, y de las corrientes armónicas solo una parte. Control algo más complicado por ser inversor con control por corriente. Tensión de inversor ligeramente mayor que el primer modelo. Hace falta inductancia adicional para limitar armónicos de conmutación. 20/11/2008 JCEE

17 Filtro híbrido paralelo Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L Absorbe reactiva, sin posibilidad de control. Por el inversor no pasa, corriente de frecuencia fundamental, y de las corrientes armónicas solo una parte. Control algo más complicado por ser inversor con control por corriente. Tensión de inversor ligeramente mayor que el primer modelo. Hace falta inductancia adicional para limitar armónicos de conmutación. L AF L F icarga v AF 20/11/2008 JCEE Filtro híbrido paralelo Topología activo paralelo (en la L) + pasivo paralelo de rechazo de 50 Hz No consume corriente fundamental reactiva, y por tanto esta no tiene que pasar por el filtro activo, solo pasaran los armónicos parcialmente. Un filtro pasivo de rechazo a 50 Hz es prohibitivo 20/11/2008 JCEE

18 Topologías de filtros híbridos 1) L F 4) L FP v AF i AF L F v AF 2) L F L FP 5) i AF 3) L F 6) i AF i AF 20/11/2008 JCEE I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtro híbridos paralelo Tabla Prestaciones y problemas de las topologías de filtros híbridos Característica \ Tipo de filtro Tensión del bus de continua Activo Paralelo Corriente por el inversor / de f. fundamental -/+++ -/- -/- +/+ +/+ -/+ -/- Control por Tensión / Corriente I V V I I I I Generación de armónicos de conmutación Elementos pasivos Control reactiva / Absorbe reactiva +++/ No/Si No/Si No/Si No/No No/No No/Si Transitorio de conexión o falla Aparición armónicos de tensión en carga Coste total /11/2008 JCEE

19 I S conm U AF conm 0,45 U = = ω L ω L conm F conm F Filtro híbridos serie 20/11/2008 JCEE Implementación del control en un filtro híbrido Z red i red U red i filtro C filtro L filtro I carga Ganancia para todos los armónicos, limitada por la estabilidad 50Hz U filtro Ganancias para los armónicos característicos, más alta y con compensación de retardos Kp 3º+ 5º+ nº+ n 20/11/2008 JCEE

20 Inversores a cuatro hilos Inversor de cuatro ramas en puente completo Inversor de tres ramas con condensador repartido vsa LS is il vsb vsc if n CF C1 LF UAF v C2 20/11/2008 JCEE Inversores a cuatro hilos Inversor de tres ramas con conexión asimétrica de neutro a i S i L b c i F n L F U AF v C 20/11/2008 JCEE

21 Resultados de simulación 20/11/2008 JCEE Resultados experimentales 2.5 kw i S i L n 400 V 50 Hz i F Single-phase Rertifiers 33.5 F= 8.5 mh=l F dspic 30F6010 PWM C v = 45 V 8.5 mh=l F n i Sn i Fn i Ln 20/11/2008 JCEE

22 Resultados experimentales Filtro para redes de cuatro hilos 400 V 15 A 7 A 4,8 kvar de reactiva 13 A para compensar armónicos Inversor de tres con conexión asimétrica a neutro Filtro pasivo de cuatro hilos con f1=300 Hz y f0=150 Hz Tensión del bus de continua 45 V Eliminación casi total del 3º, 5º y 7º armónicos Micro en coma fija a 30 MIPs Tiempo de calculo 10 μs Muestreado a 4,8 khz Inversor a 14,4 khz 20/11/2008 JCEE Resultados experimentales Resistencia de frenado Mosfet de potencia del inversor Condensador es del bus de continua Regleta de salida del inversor Barrera de aislamiento de señales Indicadores de estado Sensor de corriente Conector de señales de control 20/11/2008 JCEE

23 Resultados experimentales 20/11/2008 JCEE Resultados experimentales Conexión de carga distorsionante 20/11/2008 JCEE

24 Resultados industriales Intensidad nominal Nominal current 30 Arms Referencia s Reference FAH030 Corriente de fase armónica Phase current harmonic 26 Arms Filtrado armónicos y compensación reactiva Harmonics filtering and reactive compensation Corriente de neutro armónica Neutral current harmonic 30 Arms Potencia reactiva Reactive power 10 kvar 60 Arms FAH Arms 60 Arms 20 kvar 90 Arms FAH Arms 90 Arms 30 kvar 120 Arms FAH Arms 120 Arms 40 kvar 150 Arms FAH Arms 150 Arms 50 kvar 20/11/2008 JCEE Gracias por su atención I. Candela candela@ee.upc.edu 20/11/2008 JCEE