Hardware in a Loop para el ensayo de convertidores de frecuencia de 400 V

Transcripción

1 9º Congeso HISPANO LUSO Ingenieía Eléctica (9CHLIE) Hadwae in a Loop paa el ensayo de convetidoes de fecuencia de 400 V Autoes: J. Begas 1, M. Teixidó 1, Q. López 1, S. Galcean 2, J. Sánchez 3 1 CITCEA-Univesitat Politècnica de Catalunya Av. Diagonal, 647. Pabellón A; Bacelona (Spain) tel: , fax: , begas@citcea.upc.edu; teixido@citcea.upc.edu ;lopez@citcea.upc.edu 2 Depatamento Ingenieía Eléctica E.T.S.E.I.B., UPC Av. Diagonal, 647, Bacelona (Spain) tel: , fax: , Samuel.Galcean@upc.edu 3 FECSA-ENDESA Diección de Explotación y Calidad de Suministo Av. Paal lel, 51, Bacelona (Spain) tel: , Jslosada@fecsa.es Resumen Este documento pesenta el diseño y esultados de un geneado de huecos de tensión pogamable basado en una estuctua Back to Back concebido especialmente paa el ensayo de convetidoes de fecuencia. Este equipo de 400V pemite ealiza huecos de tensión equilibados y desequilibados alimentando cagas lineales y no lineales con una distosión THD 1.5% mediante la utilización de un sistema de contol multi hamónico. Con estas caacteísticas el equipo pemite ealiza ensayos de susceptibilidad fente a huecos de tensión de convetidoes de fecuencia industiales así como otos equipos industiales. Palabas clave: Calidad de suministo, Huecos de tensión, Test de inmunidad, Geneado de huecos, estuctua Back to Back. 1. Intoducción Los convetidoes de fecuencia (ASD) son equipos sensibles a los huecos de tensión que apaecen en las edes de distibución eléctica, causados po cotocicuitos o fallas en las líneas de tansmisión o po la conexión de cagas de elevada potencia. La consecuencia de estas petubaciones acostumba a se la desconexión del equipo que puede compota, en algunos casos, impotantes pédidas económicas. Algunos estudios han mostado que un hueco del 20% de caída duante 12 ciclos puede compota la desconexión del equipo [1]. Es, en consecuencia, necesaio conoce la susceptibilidad de los convetidoes de fecuencia fente los huecos de tensión. Existe una nomativa euopea de CEM específica paa los accionamientos de potencia [2] que establece los límites, las técnicas de ensayo y los citeios de aceptación especto a los huecos de tensión. La noma establece un citeio de aceptación C paa los PSD afectados po huecos de tensión, o inteupciones beves. Dicho citeio admite la paada total del sistema, la pédida de pa y el dispao de las potecciones no auto-aancables. Fente a estos equeimientos de la nomativa, los usuaios demandan conoce el compotamiento de los ADS fente a huecos, con objetivo de selecciona aquellos equipos más obustos o intega elementos mitigadoes en los pocesos sensibles. Suge pues una necesidad de defini un potocolo de ensayo paa pode ealiza un test Standad de inmunidad y detemina así la susceptibilidad de los equipos industiales fente a los huecos de tensión. Este test tiene que se económico y apota unos esultados válidos paa su utilización en la elección de equipos, esultados que se pesentaán en foma de cuvas de susceptibilidad. Siguiendo esta línea se han publicado numeosos tabajos donde se poponen distintas metodologías de ensayo [3], [4]. De estas

2 popuestas se despende la necesidad de utilización de un banco de ensayos compuesto po una bancada de motoes y un geneado de huecos. En este atículo se pesenta el diseño de un geneado de huecos pogamable basado en una estuctua Back to Back, así como el diseño de la platafoma de ensayos final. Del potocolo de ensayos [3], [4] se despenden las pincipales caacteísticas que tiene que cumpli el geneado de huecos de tensión: Sintetiza una onda de tensión de 400V con un THD infeio al 1.5% en caga lineal i no lineal. Genea huecos de tensión equilibados y desequilibados tipo A, C y D [5]. Posibilidad de pogama la pofundidad, la duación y el ángulo de inicio del hueco de tensión. 2. Banco de ensayos Paa pode ealiza los ensayos de susceptibilidad fente a huecos de tensión se popone utiliza un banco de ensayos, pesentado en la figua 1, que tiene que pode modifica los siguientes paámetos: Magnitud i duación de les fases afectadas i el desfase ente ellas Pa i velocidad del moto cuando se poduce el hueco Paámetos pogamados en el convetido, ente ellas las de las funciones ide-though Tipo de caga: pa constante, cuadático o potencia constante Inecia de la caga Paa pode ealiza las cuvas de susceptibilidad seá necesaio dispone de un sistema Scada que seá el encagado de ecoge el valo de las vaiables que definen el estado del sistema en todo momento: Coientes y tensiones de alimentación del convetido Coientes de alimentación del moto Velocidad del moto Pa de la caga Peo el elemento pincipal es el geneado de huecos de tensión pogamable, que seá el encagado de genea todas las petubaciones que se equiean ensaya. Xaxa 3. Geneado de huecos de tensión Paa la implementación de un geneado de huecos de tensión existen dos tipologías básicas, los auto-tansfomadoes y los onduladotes estáticos. Los auto-tansfomadoes pemiten ealiza huecos equilibados de manea sencilla peo son de gan volumen y no pemiten modifica paámetos de las ondas de tensión como el ángulo de inicio del hueco o su contenido hamónico. Se escoge pues la opción de utiliza un ondulado como elemento geneado de las ondas de tensión. Po el contaio un ondulado de tensión tifásico, con puente ectificado de diodos en la entada, nunca podá sinteiza una onda de tensión del mismo valo eficaz que su tensión de alimentación. Este hecho se ha solventado elevando la tensión del bus de CC, a pati de la tensión de 400V de la ed industial, paa pode simula huecos de dicha tensión. Paa conseguilo se popone la utilización de un ectificado activo. Éste cumple tes funciones básicas, aumenta la tensión de bus CC a un nivel supeio a la tensión de pico de la ed, consumi una coiente senoidal y contola el facto de potencia, tanto inductivo como capacitivo. La estuctua del geneado de huecos popuesta consta de un ectificado activo en la entada tabajando conta la ed y un ondulado tifásico en la salida, unidos po un bus DC común, estuctua también conocida como Back to Back (figua 2). Geneado de sots Sistema d adquisició de dades Contol VAB, VBC, VCA IA, IB, IC Xaxa Rectificado Activo Ondulado tifásico Equip sota test (EUT) IU, IV M 3~ OM Càega TM Càega M 3~ Vaiado càega Red Bus CC Salida JCàega Figua 1: Esquema del banco de ensayos Figua 2: Esquema del Back to Back

3 Rectificado Activo El objetivo del ectificado activo e el mantene una tensión de bus CC de manea contolada y a un valo supeio a la tensión de ed ectificada. El ectificado activo es un convetido estático con puente de IGBT que tabaja conta la ed con un bus de continua como caga (Figua 3). Esta topología pemite tene flujo de potencia bi-dieccional, de la ed al bus o vicevesa, cosa que da al ectificado activo unas posibilidades muy amplias. Ente estas tenemos contola el consumo de hamónicos de coiente, contola el facto de potencia o pode inyecta potencia a la ed de manea contolada. compensa la eactiva en la instalación donde esté conectado. De la utilización del sistema de conmutación SVPWM en un sistema sin neuto aplicando en el contol consignas de onda fundamental (50Hz), se despende que el consumo de coiente seá senoidal [6]. El esultado de esta estategia puede vese en la Figua 4 donde se apecian los sistemas tifásicos de tensión y coiente en el momento de encendido del ectificado activo. Figua 3: Aquitectua del ectificado activo Paa el contol del ectificado se plantea una estategia heedada del contol de motoes, la tansfomada de Pak. Haciendo una descomposición de Pak del flujo de potencia en el ectificado (1.1) y consideando que los IGBT no almacenan enegía y despeciando las pédidas de conmutación, vemos que puede descomponese la potencia activa y eactiva en componentes diecta (subíndice d) y en cuadatua (subíndice q) (1.2). S= ( Vd jv q) ( Id ji q) d Id jv d Iq jv q Id Vq Iq= = ( V I V I ) j ( V I V I ) d d q q q d d q (1.1) Figua 4: Sistemas tifásicos de tensión y coiente de ed en el momento de encendido del ectificado activo Ondulado tifásico El ondulado tifásico de tensión seá el encagado de genea un sistema tifásico de tensiones patiendo de una tensión de bus CC. La topología del convetido está basada en un puente de IGBT con un filto LC en su salida (Figua 5). P I V I d d q q Q I V I q d d q (1.2) Si se sinconizan las efeencias de tensión mediante una PLL de manea que el eje diecto de tensión se supeponga a la tensión diecta de la ed las expesiones antes descitas pueden expesase como (1.3), se obseva que la potencia activa ( elacionada con el valo de tensión del bus) viene deteminada po la coiente diecta, mientas que la potencia eactiva viene contolada po la coiente en cuadatua. P d Id Q = V I d q (1.3) De esta expesión se despende que el ectificado activo puede contola la tensión del bus de continua al mismo tiempo que se puede contola el facto de potencia distinto paa Figua 5: Aquitectua del ondulado tifásico Si se implementa un contol, paa el ondulado, basado en un bucle de coiente en la onda fundamental (Figua 8), cuando se alimenta cagas no lineales el convetido no es capaz de suminista los hamónicos de la coiente que solicita la caga. Al intenta la caga consumi los hamónicos de coiente que no le popociona el ondulado, povoca caídas de tensión en las inductancias de salida. Esto hace que la tensión que ve la caga no sea senoidal (Figua 6), conteniendo una cantidad impotante de hamónicos de tensión (Figua 7).

4 Figua 6: tensión y coiente en caga no lineal cada hamónico en estacionaio y que pueda se tatado po el PI. Este sistema se consigue aplicando filtos Notch seguidos de gios (Pak) sucesivos a la señal de tensión de lectua. Si se pone como ejemplo el hamónico 5 tenemos que según la descomposición de Fouie cualquie sistema tifásico simético puede descomponese como (1.4), donde ω se efiee a la velocidad angula de la onda fundamental, ω i a la velocidad invesa, V k a la magnitud de la componente diecta del hamónico k y V - k a la magnitud de la componente invesa de dicho hamónico. v cos vs k cos k = 1 vt cos ( w k t) 2π ([ w t ] k ) 3 ([ w t 2π ] k ) cos Vk cos cos 3 i (1.4) ( wi t k ϕk ) t 2π k ϕ 3 k t 2π k ϕ k ([ wi ] ) ([ w ] ) 3 Figua 7: FFT de la tensión y coiente en caga no lineal Se puede ve que los hamónicos destacables son 5, 7, 11, 13. Los hamónicos homopolaes, múltiplos de 3, no apaecen al caece de neuto el sistema. En el sistema de contol (figua 8) el poblema eside en que el de tensión tiene un ancho de banda limitado y no pemite da consignas de coiente de las fecuencias que equiee la caga. Vdc 2 * Id* - - Vdc 2 Id Iq* - 0 Iq Vd* Vq* Iq Id Pak -1 Pak f VD* VQ* PLL IQ ID SVPWM Clake VR* VS* VT* VA-B VB-C IA IB Rectificado actiu La componente diecta del hamónico 5 gia a una velocidad de 5ω (250Hz) en el sentido inveso de la componente diecta de la onda fundamental, que a pati de este momento nombaemos como sentido inveso. Podemos ve la descomposición fecuencial, en efeencia estática, de los hamónicos destacables de la onda de tensión en la Figua 9. V 1 V 1 - V 5 V 7 V 11 V 13 ω velocidad angula ω 5ω 7ω 11ω 13ω Figua 9: descomposición fecuencial de los hamónicos de tensión en efeencia estacionaia Si nuesta efeencia gia a ω en sentido diecto tendemos el hamónico 5 giando a 6ω en sentido inveso en dicha efeencia, de igual manea tendemos el hamónico 7 giando a 6ω en sentido diecto (Figua 10). V 1 V 1 - V 5 V 7 V 11 V 13 Figua 8: Algoitmo de contol del Ondulado sin tatamiento de hamónicos Según el teoema de supeposición cada hamónico puede tatase de manea independiente de los otos. De esta manea podemos descompone un sistema no lineal en múltiplos sistemas senoidales. De aquí nace el contol multi hamónico, basado en aisla y tata cada hamónico de tensión po sepaado. El bloque PI es un pasa bajos po lo que no tata las altas fecuencias. Se tata pues de idea un sistema de filtado paa obtene el valo de ω 6ω 12ω ω velocidad angula Figua 10: descomposición fecuencial en efeencia ω. Si se aplica un Notch filte a esa fecuencia (6ω = 300Hz) se conseguiá aisla esos dos hamónicos del sistema pincipal. Con la estategia de cambia la efeencia de estacionaia a gia ω a izquiedas se consigue ahoa la aplicación de un Notch filte, con el

5 consiguiente ahoo de tiempo de cálculo dento del micocontolado. Aplicando un gio de 6ω a deechas el valo del hamónico 5 se veá como una constante mientas que el hamónico 7 se veá como una señal de 12ω po lo que el PI no lo tataá. De esta manea se pueden aisla todos los hamónicos paa tenelos como constantes, tatalos con el PI y volvelos a ota de manea invesa paa devolvelos todos a la efeencia inicial ω (Figua 11). Este sistema pemite un tatamiento individual de cada hamónico con independencia de la velocidad de otación de este. VB-C VA-B Clake VD VQ ω Pak 6ω Passa banda Notch Fonamental 6ω Hamonic 7 Pak Passa banda Notch Pak -12ω Pak 2ω Passa banda -6ω Pak -1-6ω 6ω Hamonic 5 Pak Pak -1 12ω 12ω Hamonic 13 Hamonic 11-2ω Pak -12ω Pak -1 12ω Pak -1 Invesa 2ω Pak -1 I consigna Figua 11: Esquema de filtado de la señal de tensión paa el tatamiento multi hamónico El contol multi hamónico popuesto nos pemite contola el contenido hamónico de la tensión de salida del ondulado que veá la caga, de esta manea si se colocan las consignas de todos los hamónicos a ceo se obtiene una onda senoidal (Figua 12). También se pueden pone las consignas de cada hamónico al valo que se desee paa sinteiza cualquie sistema eléctico que se quiea ensaya. coste paa llega a distosiones hamónicas bajas. 4. Geneación de consignas paa los huecos de tensión Una vez se tiene el equipo que pemite implementa cualquie sistema eléctico falta genea las consignas paa que el contol pueda epoduci los huecos de tensión que pueden pesentase en un sistema eléctico de potencia. Los huecos que nos inteesan paa ealiza los ensayos huecos equilibados, tipo A [5] y desequilibados tipo C y D (1.5)según la clasificación de Bollen [5]. Vab V 3 = j V ( A) 2 V 3 = j V 2 Vab = = j V ( C) = j V 2 Vab V 3 = j ( D) 2 V 3 = j 2 (1.5) Figua 12: Tensión fase-fase y coiente de salida del ondulado en caga no lineal En la Figua 12 se puede ve el esultado de aplica el sistema multi hamónico alimentando una caga no lineal. Se consigue una distosión hamónica con un THD del 1.5%. El contol multi hamónico es una solución muy válida paa se implementada en sistemas de alimentación ininteumpida o equipos donde antes se equeía de filtos pasivos de elevado La estategia popuesta se basa en la genealización del sistema tifásico como (1.6): V ab 1 V 3 = 2 V 3 = 2 1 j V2 1 j V2 (1.6) De esta foma se puede epesenta cualquie tipo de hueco modificando las vaiables V1 y V2: Hueco A: V1 2 Hueco C: V1 = 1 V2 Hueco D: V1 V = 2 1

6 Con este cambio se pueden halla las componentes de Pak de la tensión que seán las consignas del geneado de huecos (1.7) el compotamiento de la coiente en este tipo de hueco donde una fase deja de conduci aumentando la coiente de las otas dos paa mantene la potencia constante Vd 1 cos(2 ω) sin(2 ω) V2 cos(2 ω) sin(2 ω) Vq 1 sin(2 ω) cos(2 ω) V2 sin(2 ω) cos(2 ω) (1.7) Ota posibilidad que nos binda el sistema de contol popuesto es la obtención de las consignas de Pak mediante una tabla de valoes en Excel de huecos eales. De esta manea patiendo de bases de datos de huecos egistados, como puede se la de IEEE, se pueden epoduci situaciones eales con el fin de ealiza estudios de situaciones cíticas en sistemas de potencia. Figua 15: Tensiones y coientes de un hueco tipo C 5. Resultados expeimentales Finalmente se ha compobado el compotamiento del equipo cuando de genean huecos tipo A, C y D. En los ensayos se ha tabajado con una caga no lineal (Figua 13) compuesta de una esistencia de 30 Ω en paalelo a un condensado de 4400 µf alimentados po un ectificado con puente de diodos. Figua 16: Tensiones y coientes de un hueco tipo C con sobecaga de coiente en el eenganche Los huecos tipo D pueden pesenta un desfase de 90º ente tensiones llevando una de las tensiones a ceo, con lo que el sistema tifásico se tansfoma en monofásico (Figua 17). Figua 13: Caga no lineal usada en los ensayos Como esultado de los ensayos ealizados al equipo se ha conseguido sinteiza huecos tipo A (Figua 14), C (Figuas 15 y 16) y D (Figua 17). Todos los gáficos epesentan tensiones fase fase. Figua 17: Tensiones de un hueco tipo D 6. Conclusiones Figua 14: Tensiones en bones de la caga de un hueco tipo A En las Figuas 15 y 16 puede vese el esultado de las tensiones y coientes en dos huecos tipo C de distinta magnitud. Es Relevante obseva La popuesta de diseño del geneado de huecos ha pemitido la constucción de un equipo opeativo de 70 kva, basado en una estuctua Back to Back. El sistema de contol multi hamónico pemitido consegui unas distosiones hamónicas muy bajas (THD 1.5%). Popociona también una flexibilidad muy elevada al pemiti, en pime

7 luga, sintetiza ondas de tensión con el contenido hamónico pogamable y en segundo luga epoduci huecos eales patiendo de bases de datos de egistos de huecos de todo el mundo. La incopoación de un ectificado activo paa contola la tensión de bus pemitiá añadi al equipo funciones exta de manea sencilla, como pueden se un compensado de eactiva dinámico o un filto activo. 7. Agadecimientos Este atículo así como la investigación que conlleva no habían sido posibles sin el apoyo y colaboación de la empesa de distibución eléctica FECSA ENDESA. Esta colaboación se engloba dento de la cáteda ENDESA UPC que pemite lleva a cabo investigación y desaollo en el campo de la ingenieía eléctica y sus disciplinas asociadas. Refeencias [1] H.G. Samiento and E. Estada, A voltage sag study in an industy with adjustable speed dives IEEE Ind. Applicat. Mag., vol. 2, pp 16-19, Jan/Feb [2] IEC : Adjustable speed electical powe dive systems. Pat 3: EMC poduct standad including specific test methods. [3] Standad test potocol to chaacteize adjustable speed dive behaviou duing voltage dips ICREPQ 2004 [4] Voltage sags in industial systems Dpto. de Ingenieía Eléctica, Electónica, de C. y S., [5] Math H. J. Bollen, 1999, Undestanding powe quality poblems. Voltage sags and inteuptions Wiley-IEEE Pess [6] Begas. J: Contol del moto d inducció consideant els límits del convetido i del moto Tesis Doctoal, UPC