Simulación de un Módulo Electrónico para Acondicionamiento de Potencia Activa

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1 THE 9 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE Simulación de un Módulo Electrónico para Acondicionamiento de Potencia Activa O. Flórez, H. Suárez, L. Arias, A. Chica, J. Castillo y C. Rivera Resumen--En este artículo se presenta la simulación de un módulo electrónico para acondicionamiento de potencia activa (hasta 500 W) con el objetivo de reducir los armónicos de la corriente que suministra el sistema eléctrico a una carga no lineal. Para llevar a cabo esto, primero se identifican los valores de los armónicos de corriente que se presentan con las condiciones de operación de la carga no lineal; después se genera una corriente de compensación por medio del módulo electrónico la cual se superpone a la que demanda la carga no lineal, de manera que los valores de los componentes armónicos de las corrientes resultantes sean reducidos hasta los valores permitidos por las normas vigentes. La corriente de compensación se producirá a partir de la inversión de una señal proporcionada por una fuente DC con las características adecuadas para inyectarse al circuito eléctrico hasta reducir los componentes armónicos indeseables. Inicialmente se presentan las generalidades de filtros activos, posteriormente se simulan dos casos representativos de cargas no lineales como un rectificador trifásico con carga RL y un rectificador monofásico con carga RC y finalmente se incorpora el filtro activo para analizar los efectos que se tendrían en la señal de corriente del sistema. Palabras clave-- Acondicionadores de línea, filtro activo, carga no lineal, PWM, armónicos, THD (Total Harmonic Distortion). D I. INTRODUCCIÓN ebido al notorio incremento de cargas electrónicas ampliamente utilizados en el sector industrial, como fuentes conmutadas de alta frecuencia que alimentan equipos de control y automatización y variadores de velocidad; o en el sector comercial como equipos informáticos e iluminación especial y en el sector residencial con electrodomésticos de O. Flórez es docente del programa de Ingeniería Electromecánica, director de la Especialización en Planeamiento Energético y miembro del Grupo de investigación en Energética de la Universidad Autónoma de Colombia, Bogotá, Colombia. ( oscar.florez@fuac.edu.co) H. Suárez es docente del programa de Ingeniería Electromecánica, director del Semillero de Investigación en Diseño de Producto y miembro del Grupo de investigación en Energética de la Universidad Autónoma de Colombia, Bogotá, Colombia. ( henry.suarez@fuac.edu.co) L. Arias es docente del programa de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Autónoma de Colombia, Bogotá, Colombia. ( larias.barragan@pro.fuac.edu.co) A. Chica es docente del programa de Ingeniería Electromecánica y miembro del Grupo de investigación Automática y Robótica de la Universidad Autónoma de Colombia, Bogotá, Colombia. ( alonso.chica@fuac.edu.co) J. Castillo es profesor de Ingeniería Eléctrica de la ESIME Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional, México DF (e.mail: jcastilloj@ipn.mx) C. Rivera es Profesor Investigador del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, México DF, México ( rsca@correo.azc.uam.mx) ultima generación; se originan problemas (armónicos de tensión y/o corriente, sag s, flickers, etc) que afectan la calidad de la forma de onda entregada por el operador de red correspondiente. Se hace necesario tomar medidas que reduzcan estos inconvenientes para no afectar a los usuarios ni al operador del servicio. Con la identificación de los valores de los armónicos de corriente para determinadas condiciones de operación de cargas no lineales, se genera una corriente de compensación que se agregaría a la de la propia carga no lineal, de manera que estos valores de distorsión armónica se puedan reducir hasta las magnitudes permitidas por las normas vigentes. Esta corriente de compensación se obtiene a partir de la operación de un inversor con diversas técnicas de control, las cuales mediante diferentes herramientas de simulación pueden ofrecer la mejor proyección para la solución del problema. II. FILTROS ACTIVOS Los sistemas que permiten reducir o eliminar las señales con componentes de frecuencia de determinados valores en particular se conocen como filtros, los cuales son de tipo pasivo o activo. Los filtros pasivos son aquellos que logran cumplir su función sin necesidad de una fuente de energía, están compuestos por elementos como resistencias, bobinas y condensadores; de acuerdo con la forma de conexión (topología) y sus valores cumplen su objetivo. Los filtros activos son aquellos que utilizan una fuente externa de energía. Cuando los filtros activos se aplican a los sistemas de potencia se conocen como acondicionadores de línea (Active Power Line Conditioner- APLC), se utilizan si las cargas que tiene el sistema son de tipo no lineal, lo que significa que la señal de corriente no presenta la misma forma de onda que la señal de tensión aplicada. Los APLC pueden tener las topologías de serie para reducción de armónicos de voltaje, o de paralelo para armónicos de corriente o mixta, depende del caso en particular, tal como se muestra en las figuras 1 y 2 respectivamente. [1]

2 THE 9 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE IEC divide las cargas en tipo A, B, C y D. Los equipos clase A son cargas trifásicas balanceadas, herramienta no portátil, dimmers para bombillas incandescentes, equipo de audio, entre los principales. Los equipos clase B son herramienta portátil y de soldadura por arco. En la clase C están considerados los equipos de iluminación. Finalmente en los equipos clase D son los equipos informáticos y receptores de TV que no excedan los 600W [4,5]. Fig. 1. Diagrama general de un filtro serie. D. Medición La medición se realiza mediante la conexión de transformadores de corriente y tensión en el punto de distribución de energía y un analizador de red de potencia, y mediante la transformada rápida de Fourier FFT se obtienen las amplitudes de los armónicos de tensión y/o corriente presentes, que se reducirán con el filtro activo en caso de ser necesario [6]. Fig. 2. Diagrama general de un filtro paralelo Los filtros activos están constituidos por un módulo de potencia, un sistema de control y un sistema de medición de armónicos. A. Módulo de potencia El módulo de potencia es un inversor monofásico o trifásico (depende de la conexión del sistema) constituido por transistores Mosfet o bipolares de puerta aislada (IGBT). En un filtro de tipo paralelo es necesario acoplar la corriente de compensación al sistema mediante una inductancia, mientras que en un filtro serie se hace mediante un transformador con relación uno a uno generalmente. B. Sistema de Control El sistema de control genera las señales de disparo que se aplica al módulo de potencia, mediante diferentes técnicas como control proporcional e integral (PI), teoría p-q, control difuso, eliminación selectiva de armónicos (SHE), y control PWM y SPWM, entre las principales. Algunas de estas técnicas se ejecutan desde computadores o circuitos integrados como DSP, PSoC, PICs, etc.; debido a la complejidad de los algoritmos necesarios [2]. III. SIMULACIÓN Mediante la utilización de las herramientas computacionales PSCAD v4.2 [8] y Orcad [9] se simularon dos cargas de tipo no lineal representativas para determinar la distorsión armónica total y sus componentes correspondientes y el efecto sobre estas una vez el filtro activo este operando adecuadamente. A. Rectificador trifásico con carga RL serie La primera simulación consiste de un rectificador de 6 pulsos (puente de Graetz) con una carga de tipo RL serie como se muestra en la figura 3. El valor de THD obtenido fue de 26,52% con una presencia importante del 5, 7, 11 y 13 armónicos de corriente en el sistema como se aprecia en la figura 4. Fig. 3. Rectificador de 6 pulsos con carga RL. C. Referencia La referencia considera la expuesto en el estándar IEEE 519 [3] de 1992 o el IEC [4]. El estándar IEEE 519 indica que la distorsión armónica total en voltaje para niveles menores o iguales a 69 kv es máximo 5.0% y en componentes individuales hasta el 3%. En lo referente a la corriente relaciona la corriente de cortocircuito con la corriente de la carga (valor fundamental) hasta en un 25% máximo [3]. Fig. 4. Resultados simulación para los armónicos de corriente.

3 THE 9 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE Configurando el filtro activo paralelo basado en dispositivos IGBT, ver figura 5, los cuales son transistores bipolares de puerta aislada que manejan valores de corrientes y tensiones más altas que los transistores BJT y MOS convencionales [6]; y aplicando las señales de control para cada uno de ellos mediante la técnica PWM [7], la cual se genera como se muestra en la figura 6. Por lo anterior es necesario complementar el filtro activo con un transformador de desacople [6] en configuración Y-Y, reduciendo el valor de THDi a 28,56% manteniendo un valor alto en el armónico 21, 23 y 19. Sin embargo inicialmente se tenía un THDi de 26% y al implementar esta topología no se obtiene una solución ya que se llega a un valor de 28,56% aproximadamente, por lo tanto se hace necesario ubicar un filtro pasivo en el sistema como se aprecia en la figura 8. Fig. 8. Filtro activo más transformador y filtro pasivo. Fig. 5. Filtro activo con IGBT s. Finalmente al tener todos los elementos ya conectados se logra obtener una THDi de 4,72% aproximadamente y una reducción considerable de los armónicos 19, 21 y 23, tal como se ve en la figura 9. Fig. 6. Generación de PWM para el control del filtro activo. Al aplicar el filtro el valor de THDi se incrementa a 32,68%, con la característica de tener un valor alto en el armónico 21, 23 y 19, tal como se ve en la figura 7. Fig. 9. Resultados simulación para los armónicos de corriente con filtro activo, transformador de desacople y filtro pasivo. B. Rectificador monofásico con carga RC paralelo La segunda simulación consiste de un rectificador de onda completa con una carga de tipo RC paralelo se muestra en la figura 10. Fig. 7. Resultados simulación para los armónicos de corriente con filtro activo paralelo. Fig. 10. Rectificador de onda completa con carga RC paralelo

4 THE 9 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE Al realizar la medición de la corriente y graficando el espectro armónico se obtiene una alta distorsión del orden de 88% con sus componentes correspondientes, se presentan en la figura 11 y en la tabla 1. IV. ANÁLISIS Y CONCLUSIONES De acuerdo a las simulaciones realizadas es preciso encontrar el punto de operación del filtro activo que reduzca la presencia de armónicos, ya que de lo contrario aumentan los mismos en el sistema debido al aporte de los semiconductores conmutando a altas frecuencias. El filtro activo paralelo con control PI utilizó una constante P con valor de lográndose una reducción hasta los valores aceptados por la normatividad de los armónicos de corriente, mientras que la constante I no fue mayor a 100. Fig. 11. Distorsión armónica del sistema en estudio TABLA 1. VALORES DE LOS ARMONICOS DE CORRIENTE PARA EL SISTEMA EN ESTUDIO Número Armónico [h] Estándar IEC [A] Simulación en Orcad [A] Al entrar en operación el filtro activo paralelo se presenta una reducción en los valores de las componentes armónicas como se puede ver en la figura 12. Los modelos de control simulados se pueden adaptar a cualquier dispositivo embebido de última generación sin mayores modificaciones para construir prototipos funcionales aplicables a redes eléctricas con elevadas cargas no lineales que operen en ellas. Estas simulaciones permiten evaluar las múltiples técnicas de control para determinar la más eficiente y que requiera menor tiempo y menos recursos computacionales para llegar a una solución efectiva. V. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan sus agradecimientos a los ingenieros Wilson Ortiz y Gabriel García por la asesoría en la herramienta computacional PSCAD v4.2. VI. REFERENCIAS [1] Emadi, A. Nasiri, A. Bekiarov, S. Uninterruptible power supplies and active filters. CRC Press [2] Mohan, N. Undeland, T. Robbins, W. Power Electronics. Converters, applications and design. Third edition. John Wiley and sons [3] IEEE Std Recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems. Fig. 12. Distorsión armónica del sistema en estudio con filtro activo paralelo operando. El filtro activo en la simulación realizada en Orcad utilizo un control PI [9], el cual se presenta en la figura 13. El valor de las constantes P e I que permitieron al filtro reducir los armónicos hasta los valores aceptados por las normas fue de y 100 respectivamente, aunque se presento la reducción pero no tan significativa en algunos valores. [4] IEC Ed. 3.0 b:2005 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions. [5] Power Quality Mitigation Technologies in a Distributed Environment. Moreno-Muñoz, A. Springer 200 [4] Power Quality Mitigation Technologies in a Distributed Environment. Moreno-Muñoz, A. Springer 2007 [6] Rivera Salamanca, Carlos Alberto. Calidad de la potencia eléctrica. Curso Maestría Universidad de Los Andes [7] User s Guide PSCAD, Visualize Design Simulate Verify Solve Versión 244 Cree Crescent, Winnipeg, Manitoba, Canada [8] Application Guide.pdf, Guide the user of PSCAD/EMTDC, Winnipeg, Manitoba, Canada [9] Rashid, Muhammad H. Spice for Power Electronics and Electric Power. CRC Press Fig. 13. Circuito de control PI del filtro activo. Tarter, Ralph E. Solid-State Power Conversion Handbook. Willy Inter Science. 1993

5 THE 9 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE VII. AUTORES Oscar David Flórez Cediel. Nació en Bogotá, Colombia. Ingeniero Electricista. Especialista en Telecomunicaciones, Universidad Distrital Fco. José de Caldas. Especialista en Instrumentación Electrónica, Universidad Santo Tomás. Especialista en Sistemas de Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica, Universidad de Los Andes. Magister en Ing. Eléctrica, Universidad de Los Andes. Henry Hernando Suárez Soler. Nació en Bogotá Colombia. Ingeniero Mecánico, Universidad Nacional de Colombia. Magister en Ingeniería, materiales y procesos, Universidad Nacional de Colombia. Luis Alejandro Arias Barragán. Nació en Manizales, Colombia. Ingeniero Electromecánico, Universidad Politécnica Estatal de Kharkov, Ucrania. Magister en Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Estatal de Kharkov, Ucrania. Magister en Ciencias de la Información y las telecomunicaciones, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Alonso de Jesús Chica Leal. Nació en Bogotá, Colombia. Ingeniero Electrónico, Universidad Autónoma de Colombia. Especialista en Telemática, Universidad Autónoma de Colombia. Especialista en Automática e Informática Industrial, Universidad Autónoma de Colombia. Magister en Ingeniería. Electrónica, Universidad de Los Andes. José A. Castillo J. Nació en la cd. de México. Ingeniero Electricista Universidad Autónoma Metropolitana (1999). Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la E.S.I.M.E - I.P.N en Actualmente esta inscrito al programa de Doctorado en la sección de graduados de la escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica, SEPI-ESIME-IPN, Unidad Zacatenco, México Carlos Alberto Rivera Salamanca. Nació en Duitama, Colombia. Licenciado en Electricidad Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (1983). Ingeniero Industrial Eléctrico. Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica y Doctor en Ciencias en la SEPI-ESIME-IPN (1989 y 2000 respectivamente). Profesor invitado UPTC, Ingeniería Electromecánica (2008). Impartió el curso de Calidad de la Potencia en la maestría de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de los Andes, Colombia (2008). Desde 1990 es Profesor Investigador en la UAM-Azcapotzalco. Ha dirigido y participado en Proyectos de Investigación en la UAM.

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