Filtro Activo de Potencia Bajo Diferentes Tipos de Carga

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1 Filtro Ativo de Potenia Bajo Diferente Tipo de Carga Terea Núñez Zúñiga 1,, Alberto Soto Lok, Rodolfo Moreno Martínez 17 1 Faultad de Ingeniería Eletrónia y Elétria, Univeridad Naional Mayor de San Maro, Lima, Perú Faultad de Ingeniería Elétria y Eletrónia, Univeridad Naional de Ingeniería, Lima, Perú RESUMEN: Debido al ignifiativo dearrollo alanzado por la eletrónia de potenia, e ha produido la proliferaión de arga no lineale omo lo retifiadore de gran potenia, lo que on reponable por el deterioro de la alidad de la onda de orriente. Ete problema e tradue en la inyeión de orriente ditorionada al itema de tranmiión o al itema de ditribuión. Hoy en día la ditorión que e preenta en la onda de tenión e el reultado de la inyeión de armónio de orriente por parte de la arga no lineale a la red y que e ha onvertido en un problema muy erio. En el preente artíulo e etudia y imula un Filtro Ativo de Potenia (FAP) hunt para la ompenaión de diferente arga monofáia no lineale, la que uelen enontrare en la indutria y eliminar el efeto noivo de la inyeión de armónio de orriente a la red. Palabra lave: Clave: Filtro Ativo de Potenia, armonio, arga no lineale I. INTRODUCCIÓN El ontrol de etado ólido de la potenia elétria, e logra por el uo de onvertidore de freuenia, fuente de alimentaión para omputadora entre otro, que utilizan tiritore u otro dipoitivo emiondutore de potenia que on ampliamente uado para alimentar arga elétria en forma ontrolada. Ete ontrol, e también uado en itema de tranmiión en orriente ontinua (HVDC) y en itema de generaión de energía elétria del tipo renovable. Eto onvertidore e omportan omo arga no lineale, debido a que aborben orriente on omponente reativa y de tipo ditorionada (e deir on preenia de omponente armónia) de la fuente alterna de alimentaión. En lo itema trifáio, eta arga podrían auar debalane y aborber una exeiva orriente en el ondutor neutro. La inyeión de armónio, el onumo de potenia reativa, el debalane y la exeiva orriente en el ondutor neutro aua una reduión en la efiienia del itema y empobree el fator de potenia. Lo onvertidore también auan diturbio a otro onumidore e interferenia en la rede de omuniaione que e enuentren erana. Filtro paivo L-C onvenionale [1], fueron iniialmente utilizado para reduir lo armónio aí omo bano de ondenadore para mejorar el fator de potenia de la arga. Sin embargo, lo filtro paivo tiene el demérito de er un itema de ompenaión fija obre dimenionado y propeno a la reonania. El inremento de la ontaminaión de armónio en la rede de potenia ha originado el dearrollo de oluione dinámia y ajutable que reuelva lo problema de alidad de energía. Eta oluione on equipo, generalmente onoido omo filtro ativo de potenia (FAP), on también llamado aondiionadore ativo de potenia, ompenadore intantáneo de potenia reativa, filtro ativo de potenia, y aondiionadore de la alidad de la energía. II CONFIGURACIONES Lo FAP pueden laifiare en bae al tipo de onvertidor [1], que puede er fuente de tenión (VSC) o fuente de orriente (CSI). En bae a la topología e pueden laifiar en hunt (paralelo), erie o una ombinaión de ambo. Según el número de fae, eto pueden er monofáio, trifáio de tre hilo y trifáio de uatro hilo. Según la topología, lo FAP e laifian en Serie, Shunt, unifiada o aondiionador de energía unifiada que ua una ombinaión de lo do filtro anteriore y Filtro Híbrido que e una ombinaión de un filtro ativo erie y un filtro paivo paralelo o hunt.

2 18 El FAP paralelo e ampliamente uado para eliminar lo armónio de orriente, ompenaión de potenia reativa y para ompenar el debalane de orriente. EL filtro e onetado en paralelo y junto on la arga, debido a que la arga no lineal inyeta una omponente ditorionada (omponente armónia). El prinipio del FAP paralelo e el de inyetar en el punto de onexión, una orriente de ompenaión de la mima magnitud pero opueta en fae para anelar lo harmónio y/o la omponente reativa de la arga no lineal. III. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL FILTRO ACTIVO DE POTENCIA PARALELO En la Fig.1 e muetra el diagrama de bloque del Filtro Ativo de Potenia [], donde e tiene tre lazo de ontrol: Control de la tenión de red, que e uado omo referenia para la forma de onda que e deea obtener de la orriente drenada depué del filtraje ativo. Control de la tenión DC del ondenador C, que e uado para dar informaione obre el balane de potenia del itema. Control de la orriente drenada de la fuente AC, que e ua para dar informaione al itema obre la forma, amplitud y fae de la orriente. Lo bloque que onforman el diagrama de la Fig1 on lo iguiente: Muetra de tenión de red, donde e puede uar un tranformador redutor[5]. Muetra de tenión del ondenador C, tenión que e muetreada on un enor Hall del tipo tenión[5]. Filtro paa bajo: La muetra de tenión que viene del ondenador C, e paa a travé de un filtro paa bajo, que tiene omo funión reduir la ondulaión que viene de la onmutaión del inveror y de la retifiaión de la tenión[5]. Control P.I.: Tiene el objetivo de etabilizar el lazo de ontrol de tenión del ondenador C del inveror, garantizando un error nulo en régimen etable. La eñal de alida del P.I. e relaiona on la amplitud deeada para la referenia de la orriente de red. Eta eñal juntamente on la eñale de la tenione de red on introduida en lo multipliadore[5]. Multipliadore: Su trabajo e modular la referenia de orriente en funión del balane de potenia[5]. Amplifiador de error garantiza que la orriente entregada por la fuente iga a la referenia, e realimenta la orriente de la red, e reta de eta do eñale y la eñal de error reultante e oloa en un ompenador proporional y aí e generan la eñale que erán omparada on la eñal portadora para generar la modulaión de Anho de Pulo (PWM). Fig. 1. Diagrama de Bloque del Filtro Ativo de Potenia Monofáio Paralelo

3 19 Portadora: eta e una eñal triangular que e ombinará on la eñal proveniente de amplifiador de error para produir la eñale PWM[5]. Inveror: e un onveror DC/AC, para el ao monofáio onite de un inveror on 4 llave bidireionale en orriente, on freuenia, forma y amplitud determinada por la eñal que proviene del itema de ontrol. El lazo de tenión de la red e ua omo referenia para tener la forma de onda que deberá tener la orriente medida, depué de realizado el filtraje[5]. El Filtro Paivo e un filtro paa bajo que elimina la alta freuenia proveniente de la onmutaión de la llave, deja paar la baja freuenia, y eta ompueto en mínimo por indutania, pero e puede haer de mayore órdene para mejorar u apaidad de filtraje, también la tenión del ondenador C debe er mayor que la tenión pio de la red, para poder inyetar orriente deeada a travé de ete filtro paivo que oneta el inveror on la red[5]. IV. CARGAS NO LINEALES La arga denominada no lineale, normalmente inyetan orriente no enoidale al itema de potenia; arga omo lo itema de retifiaión a diodo o tiritore de gran potenia, ilo-onvertidore y horno de aro on reonoido omo arga generadora de armónio. El retifiador monofáio de diodo de baja potenia produe una antidad de armónio de orriente depreiable. Sin embargo, en grande antidade, lo retifiadore de ete tipo pueden llegar a inyetar una gran antidad de armónio al itema elétrio de ditribuión. Lo retifiadore en la fuente de poder ubiado al interior de lo equipo eletrónio dométio on oniderado omo arga generadora de armónio. Lo retifiadore ontrolado por tiritore e ontituyen en fuente generadora de armónio donde la ditorión de la onda de orriente e el reultado de la onduión de lo tiritore. El retifiador trifáio on una indutania (L) ufiiente, produe una orriente ontinua (DC) en el lado de la arga. La forma de onda de la orriente del lado AC generada por retifiador, debido a que el ontenido armónio e poo enible de la impedania del lado AC, ete tipo de fuente generadora de armónio e omporta omo fuente de orriente lo que permite definirla omo fuente generadora de armónio de orriente. Lo retifiadore a diodo on ondenadore de aliamiento, e ontituyen en arga generadora de armónio de tenión debido a que la orriente produida en el lado AC [3] eta fuertemente ditorionada y uyo armónio on altamente influeniado por la impedania del itema, mientra que la tenión en lo terminale AC del retifiador e meno dependiente de la impedania de la fuente. Ete tipo de arga e omporta omo una arga generadora de armónio tipo tenión. V. EFECTO DE LA POTENCIA REACTIVA El DC-link onite en un ondenador C que e ua omo el elemento que almaena energía DC. Hay do fatore prinipale que afetaran la flutuaión de la tenión DC de ete ondenador, el primero e el tranitorio bajo el deequilibrio de la potenia real, el egundo e el flujo de potenia reativa a er ompenada. Para oneguir una buena efiienia en la ompenaión e deben evitar grande flutuaione de tenión en el ondenador C. Si la onverión de la potenia e in perdida, la red alimenta la potenia real demandada de la arga y el onveror de potenia provee la potenia reativa a la arga en el etado etable. De aquí que el ondenador C e olo un buffer para el flujo de potenia reativa. Por ello la potenia no real e alimenta dede ete ondenador. La tenión promedio del ondenado e mantiene en un valor ontante, pero no e pueden evitar la flutuaione de tenión debido al flujo de potenia reativa. La potenia reativa proporionada por el onveror de potenia e puede aumir omo: p = n= 1 P o( nω t + φ ) n La variaione de tenión en el ondenador C e pueden repreentar omo: 1 v' = CV C n= 1 n in( nω t + φ ) De aquí e puede enontrar que la variaión de la tenión en el ondenador C depende del orden de la armónia y de la magnitud de la potenia AC inyetada en ete ondenador. n (1) ()

4 0 V ( ) = P ( ) CV 1 S (7) Fig.. Ciruito depotenia del FAP VI. EL EFECTO DEL DESBALANCE DE LA POTENCIA REAL. El balane de la potenia real podría perdere durante un tranitorio auado por un ambio en la arga y eto reultaría en la flutuaión de la tenión DC del ondenador C. De la Fig., e puede enontrar que i la orriente prinipal e una onda enoidal on una amplitud I, entone el flujo de potenia real puede repreentare omo [4] : 1 V I = PL P (3) C Donde P e la potenia real proporionada por el onveror de potenia. En el etado etable la potenia real onumida por la arga e igual a la potenia real proporionada por la red, y P erá ero. Coniderando la variaión de la arga, la euaión anterior e puede eribir omo: 1 V ( I + I ) = PC + PL + PL (4) Retando la euaión (3) de la (4) el término de variaión e repreenta omo: 1 PC = PL V I (5) P Como C (t) no e igual a ero en ondiione de debalane de potenia, la tenión promedio del ondenador C bajo eta ondiión e puede repreentar omo: 1 ( + ) 1 = t V V V V PC dt 0 (6) V La magnitud de (t) e muho menor que V. Si e implifia la euaión (6) y e hae la operaión de la tranformada de La Plae, la relaión entre V () y P (t) e puede repreentar omo [4] : Del análii anterior, el modelo para el análii de la potenia real de puede repreentar omo en la Fig.3 aquí F(S) e la funión de tranferenia del filtro paa bajo el ual filtra la alida del rizado del bu de tenión DC. En la imulaión, el filtro que e uo e un filtro paa bajo de egundo orden y u funión de tranferenia e: ω (8) 0 f ( ) = S + ω S + ω Fig.3 Modelo para el análii de Potenia Real Donde ω 0 e la freuenia de orte. Para obtener ω una repueta rápida, 0 debe er dieñada on el valor má alto poible. Deafortunadamente, eto reultara en un gran rizado en la tenión del ondenador C, por lo tanto la armónia en la orriente prinipal aumentaran. Por ello eto e debe tomar omo un ompromio entre la repueta y la ditorión armónia de la orriente ω fundamental, 0 e dieña omo 377rad/. En la Fig.3, G() e un ontrolador PI para la regulaión de tenión del ondenador C y K G ( ) = I K + p (9) VII. RESULTADOS DE SIMULACIÓN Seguidamente e preentan lo reultado de imulaione baado en el iruito motrado en la Fig.4, on diferente tipo de arga. En la Fig.5 e muetra el equema de un retifiador monofáio on filtro por ondenador onetado a una red de 110V (rm) y 60 Hz. 0 0

5 1 En la Fig.6 e muetran lo reultado de la imulaión, de la orriente IS y la tenión VS de la red en el que la orriente IS tiene forma pulada, on valor pio de argag Fig. 4. Filtro Ativo de Potenia, arga y red de alimentaión i S v S D 1 i L L D 4 D 3 D + v uf i 18.0 orriente de arga de manera que olo la omponente ativa fundamental de la orriente de arga e uminitrada por la red. La ompenaión fuerza a la orriente de la línea IS a eguir una referenia dada, que en ete ao e el voltaje de línea VS, emulando aí, a una arga reitiva. De eta manera e logra reduir la ditorión armónia de orriente a 3.8% y mejorar el fator de potenia a Fig. 5. Retifiador monofáio on filtro por ondenador y in FAP. En la Fig.7 e muetra la nueva forma de onda de orriente de línea IS luego de oloare un Filtro Ativo de Potenia (FAP) en paralelo on el retifiador omo e muetra en la Fig.4 Fig. 6. Tenión V y Corriente I de línea del retifiador. Fig. 7. Forma de onda de tenión V y Corriente I de línea luego de la ompenaión efetuada por el filtro ativo. En la Fig.8 y Fig.9 e muetran la forma de onda de la orriente Id y tenión Vd en el ondenador de,500uf oloado en lo terminale DC del inveror del FAP. La orriente preenta un valor medio de ero ya que el FAP olo ompena la omponente reativa fundamental y lo armónio de la orriente de arga mientra que el voltaje en el ondenador e mantiene ontante e igual a 60V debido al ontrol. El FAP uminitra la omponente reativa fundamental y la omponente armónia de la

6 Fig. 8. Forma de onda de la orriente en el ondenador en lo terminale DC del inveror, donde e verifia que tiene valor medio ero. Fig. 11. Forma de onda de la eñal de modulaión generada por el ontrol. Fig. 9. Tenión de referenia y Tenión en el DC link del Inveror en 60 V. En la Fig.10 e muetra la forma de onda de la orriente IL en lo terminale de entrada del retifiador (Fig.4), inmediatamente depué del FAP, la que mantiene u forma de onda pulada ompueta por la omponente fundamentale ativa y reativa y por lo armónio. En la Fig.11 e muetra la forma de la onda moduladora fa, que e genera en el ontrol y e apliada al modulador enoidal para generar la tenión PWM de alida del inveror Fig. 1. Forma de onda de la orriente de entrada al filtro paivo En la Fig.13 e tiene la orriente de alida del filtro paa bajo del FAP que e inyetada en lo terminale AC del retifiador. Eta orriente etá ompueta por la omponente reativa fundamental y por lo armónio de la orriente de arga (Fig.10). En eta figura e oberva también, omo el filtro paa bajo del FAP atenúa lo término armónio de alta freuenia que orreponden a la freuenia de onmutaión del modulador PWM utilizado. En la Fig.14 e muetra a la orriente real enada y filtrada de la arga Sy, la que e omparada on la orriente de referenia Syref generada por el ontrol a partir de la tenión de línea VS y el error de tenión en el ondenador del FAP. Fig. 10. Forma de onda de la orriente IL en lo terminale de entrada del retifiador monofáio. En la Fig.1 e muetra la orriente de alida del inveror que ingrea al filtro paa bajo en el FAP. Fig. 13. Forma de onda de la orriente inyetada por el filtro ativo de potenia.

7 3 Fig. 14. Forma de onda de la eñale de referenia de orriente y orriente real entregada por la red. A ontinuaión, e muetra lo reultado de imulaión, uando la arga no lineal orreponde a una arga tipo fuente de orriente omo el retifiador monofáio on filtro por indutor (5mH), uyo equema e motrado en la Fig.15 Ete retifiador e arateriza por generar una onda de orriente de línea quai-uadrada omo e muetra en la Fig.3.14 preentando un THD de 33.4% y un fator de potenia de En la Fig.17 e muetra la nueva orriente de línea IS luego de que el FAP e oloado en paralelo on el retifiador y ontrolado de manera que inyete la omponente reativa fundamental y lo armónio que etán preente en la orriente de arga IL de manera que la red, olo uminitre la omponente fundamental de orriente uyo valor efiaz e de 9.ª La Fig.18 orreponde a la forma de onda de la orriente IL en lo terminale de entrada del retifiador Fig.17 Tenión V y Corriente I de línea on Filtro Ativo de Potenia. D 1 D 3 + v i i S v S i L 10.0 D 4 D Fig. 15. Retifiador monofáio on filtro indutivo y in FAP - Fig. 18. Forma de onda de orriente en lo terminalede entrada del retifiador monofáio. La Fig.19 orreponde a la onda fa generada por el ontrol y utilizada para modulaión PWM La arga en lo terminale DC del retifiador, onume una orriente promedio ICC de 9.4A on una tenión media VCC de alida de 94.4V Fig. 19. Forma de onda de la eñal de modulaión generada por el ontrol. Fig. 16. Tenión V y Corriente I de línea in filtroativo de Potenia En la Fig.0 y Fig.1 e tiene la eñale de referenia de orriente generada por el ontrol y la orriente real IS neearia para generar la eñale de modulaión para el generador PWM; y en la Fig.9 e

8 4 muetra la tenión en el ondenador de 500uF que e mantiene ontante en 60V DC La Fig. y Fig.3 on la forma de onda de orriente de entrada y alida del filtro paa bajo del FAP iendo la ultima de la Fig.3, la que e inyeta en lo terminale del retifiador para la ompenaión de la potenia reativa y de lo armónio de la orriente. La araterítia del Filtro Ativo de Potenia utilizado en la imulaión on: - Tenión de entrada 110 Voltio - Tenión DC en el ondenador 60 Voltio - Potenia ativa de entrada al Sitema on el FAP 101 Vatio - Potenia en la arga 1067 VA - Fator de Potenia 0.99 Fig. 3. Forma de onda de la orriente de alida del FAP e inyetada en lo terminale de entrada del retifiador A ontinuaión, e muetra lo reultado de imulaión, uando la arga no lineal orreponde a una arga reitiva en erie on un onvertidor AC-AC monofáio omo e muetra en la Fig.4 on ángulo de ontrol en α = 60º para el ontrol de la potenia ativa, omo podría er el ao de un itema de iluminaión. Ete onvertidor e arateriza por generar una onda de orriente de línea reortada omo e muetra en la Fig.5 preentando un THD de 33.8% Th 1 Fig. 0. Forma de onda de la eñale de referenia de orriente y orriente real entregada por la red i S Th i l v S i L R 15.0 Fig. 4. Convertidor AC-AC monofáio in FAP. Fig. 1. Tenión de referenia y Tenión en el DC link del inveror en 60 V. Fig. 5. Tenión V y Corriente I de línea in filtro Ativo de Potenia Fig.. Forma de onda de la orriente de entrada al filtro paivo del FAP En la Fig.6 e muetra la nueva orriente de línea IS luego de que el FAP e oloado en paralelo on el onvertidor y ontrolado de manera que inyete la omponente reativa fundamental y lo armónio que etán preente en la orriente de arga IL de manera que la red, olo uminitre la omponente fundamental de orriente uyo valor efiaz e de 6.0A

9 5 Fig. 6. Tenión V y Corriente I de línea on Filtro Ativo de Potenia En la Fig.7 e muetra la orriente a la entrada del onvertidor. La Fig.8 orreponde a la onda fa generada por el ontrol y utilizada para modulaión PWM La Fig.9 muetra la forma de onda de orriente de alida del filtro paa bajo del FAP la que e inyeta en lo terminale del retifiador para la ompenaión de la potenia reativa y de lo armónio de la arga. Fig. 9. Forma de onda de la orriente de alida del FAP e inyetada en lo terminale de entrada del retifiador Cuando la arga no lineal orreponde a un puente retifiador monofáio de tiritore que alimenta una arga indutiva omo e muetra en al Fig.31 on ángulo α =5º para el ontrol de la potenia ativa en lo terminale d de la arga. Ete onvertidor e arateriza por generar una onda de orriente quaiuadrada omo e muetra en la Fig.3 preentando un THD de 4.7% Fig. 7. Forma de onda de la orriente IL en lo terminale de entrada del retifiador monofáio Fig. 30. Tenión de referenia y Tenión en el DC link del inveror en 60 V. Th 1 + Th v i i S i L v S 10.0 Fig. 8. Forma de onda de la eñal de modulaión generada por el ontrol. En la Fig.30 e muetran la forma de onda de la tenión Vd en el ondenador. Th 4 Th Fig. 31. Retifiador monofáio ontrolado in FAP. -

10 6 Fig. 3. Tenión V y Corriente I de línea in Filtro Ativo de Potenia. En la Fig.33 e muetra la nueva orriente de línea IS luego que el FAP e oloado en paralelo on el onvertidor, omo en la Fig.4 y ontrolado de manera que inyete la omponente reativa fundamental y lo armónio que etán preente en la orriente de arga IL de manera que la red, ólo uminitre la omponente fundamental de orriente uyo valor efiaz e de 7.0A La orriente IS de red preenta en ete ao una ditorión armónia total de ólo 1.5% En la Fig.34 e muetra la orriente a la entrada del onvertidor Fig. 35. Forma de onda de la eñal de modulaión generada por el ontrol. Fig. 36. Forma de onda de la orriente de alida del FAP e inyetada en lo terminale de entrada del retifiador La Fig.36 muetra la forma de onda de orriente de alida del filtro paa-bajo del FAP la que e inyeta en lo terminale del retifiador para la ompenaión de la potenia reativa y de lo armónio de la arga VIII. CONCLUSIONES Fig. 33. Tenión V y Corriente I de línea on Filtro Ativo de Potenia Fig. 34. Forma de onda de la orriente IL en lo terminale de entrada del retifiador monofáio. La Fig.35 orreponde a la onda fa generada por el ontrol y utilizada para modulaión PWM En ete artíulo e imuló un Filtro Ativo de Potenia Paralelo ometiéndolo a trabajar on diferente tipo de arga omo un retifiador monofáio on filtro a ondenador, un retifiador monofáio on filtro indutivo, arga reitiva en erie on un onvertidor AC/AC monofáio y puente retifiador monofáio a tiritore alimentando una arga indutiva. Eto reultado omprueban plenamente la potenialidad del FAP ya que en todo ello e ve la aión dinámia del Filtro Ativo de Potenia quien entrega la omponente reativa fundamental y la omponente armónia de la orriente de arga de manera que ólo la omponente ativa fundamental de la orriente de arga e uminitrada por la red, mejorando aí el fator de potenia.

11 7 La aión del FAP paralelo no ambia la orriente de arga, ya que no afeta el voltaje en el punto de aoplamiento omún. REFERENCIAS [1] B. Singh y A. Chandra A Review Of Filter For Power Quality Improvement, IEEE Tran. Ind. Eletron. Vol. 46 N0 5, pp , Ot [] M. V. Ataide and J. A. Pomilio, Single-Phae Shunt Ative Power Filter: A Deing Proedure Conidereing Harmoni And Emi Standard. Proeeding IEEE Tran. Power Eletron., Vol., pp. 4-47, Guimarae, Portugal [3] F. Zheng, Apliation Iue of Ative Power Filter, IEEE Ind. Appl. Mag., pp. 1-30, Sep,Ot [4] J.C. Wu y H.L. Jou. Simplified Control Method For Single-Phae Ative Power Filter. IEEE. Pro. Eletr. Power APPL.,Vol.143 N0 3, pp May, [5] T.E. Nuñez and J.A. Pomilio, Shunt Ative Power Filter yntheiing Reitive Load. IEEE Tran. Power Eletron. Vol. 17, N0., Marh 00.