Combinación de filtros activos serie paralelo para la compensación de cargas trifásicas

Transcripción

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2 X Reunón de Grupos de Investgacón en Ingenería Eléctrca. Santander 000 Combnacón de fltros actvos sere paralelo para la compensacón de cargas trfáscas Jame Preto Thomas y Patrco Salmerón Revuelta Departamento de Físca Aplcada e Ingenería Eléctrca Escuela Poltécnca Superor, Unversdad de Huelva Ctra. de Palos de la Frontera s/n, 1819 Palos de la Frontera, Huelva E-mal: Jame.Preto@dfae.uhu.es ; Patrco.Salmeron@dfae.uhu.es Resumen : En esta comuncacón se presentan los prncpos que rgen el control de un acondconador actvo para la compensacón de la carga, LCAC (Load Compensaton Actve Condtoner. Se trata de un equpo para la mejora de la caldad de la potenca eléctrca consttudo por la combnacón de un fltro actvo de conexón sere y un fltro actvo de conexón paralelo. Se dseñó un control unfcado que permte dos accones smultáneas. Por un lado, respecto del fltro actvo sere, elmna los armóncos y equlbra y regula la tensón de almentacón. Por otro lado, respecto al fltro actvo paralelo, elmna armóncos de corrente así como la componente reactva y la componente de asmetría de la ntensdad de carga. Como caso práctco de aplcacón se adoptó un sstema consttudo por una carga trfásca no lneal desequlbrada del tpo rectfcador, almentada por una tensón desequlbrada no senodal. Fnalmente, se ncluyen las formas de onda más relevantes del caso práctco consderado que permten mostrar la ejecucón del dseño propuesto. Palabras clave : : Caldad de la potenca, Acondconadores actvos, fltros actvos sere, fltros actvos paralelo, armóncos. 1. Introduccón La caldad de la potenca eléctrca (Electrcal Power Qualty, EPQ se ha convertdo en los últmos años en uno de los problemas técncos de mayor nterés. En partcular, el uso crecente en nstalacones comercales e ndustrales de cargas cuyo funconamento se basa en la electrónca de potenca, está creando una sera preocupacón en el ámbto de la ngenería eléctrca debdo a la dstorsón armónca que las msmas producen en los sstemas de corrente alterna. A dferenca de las cargas convenconales, las cargas electróncas controlan la conversón de potenca medante sucesvos recortes de las ondas de tensón e ntensdad. Aparecen así formas de onda dstorsonadas que deteroran la caldad de la potenca eléctrca. La polucón eléctrca resultante, sea producda por una carga no lneal de gran potenca o lo sea por la acumulacón de muchas cargas de baja potenca, se propaga por todo el sstema de dstrbucón eléctrca en la forma de armóncos de tensón e ntensdad. aras han sdo las solucones propuestas por la práctca de la ngenería en la elmnacón de los armóncos de corrente, entre ellos los fltros actvos de potenca (Actve Power Flter, APF, [1-]. El concepto de APF es utlzar un convertdor electrónco de potenca para producr componentes armóncas que cancelen las componentes armóncas de la carga. El desarrollo y la aplcacón posteror de los APFs hceron que éste se encargara de compensar potenca reactva, ntensdades de asmetría y armóncos de corrente acuñándose para desgnarlos un térmno más genérco, el de Acondconadores Actvos de Potenca (Actve Power Lne Condtoner, APLC, []. Más recentemente, se ha vendo trabajando en los denomnados Acondconadores de Caldad de la Potenca Unfcados (Unfed Power Qualty Condtoners, UPQC, [-9], que ntegran en un solo módulo una combnacón de fltro actvo sere y fltro actvo paralelo. En este trabajo, se proponen los prncpos de dseño del control de un acondconador actvo de potenca para la compensacón de cualquer tpo de carga, al que los autores denomnan LCAC (Load Compensaton Actve Condtoner con la msón de mejorar la caldad de la onda eléctrca en el punto de acoplo común (PCC. El acondconador está consttudo por la combnacón de un fltro actvo sere y un fltro actvo paralelo. El fltro actvo sere se encarga de equlbrar las tensones aplcadas y elmnar los armóncos de tensón; además permte una regulacón de la tensón de carga. Por otro lado, el fltro actvo paralelo se encarga de elmnar los armóncos de la ntensdad de carga, así como las ntensdades reactvas y de desequlbro. De la msma forma se compensa la ntensdad de neutro. Como aplcacón se desarrolla un caso práctco del que se ncluyen una sere de formas de onda de nterés que revelan la funconaldad y ejecucón del dseño propuesto. 1 / 6

3 X Reunón de Grupos de Investgacón en Ingenería Eléctrca. Santander 000. Confguracón del sstema La fgura 1 muestra la estructura de un acondconador actvo de potenca para la compensacón de la carga, LCAC. Incluye un crcuto de potenca consttudo por dos fltros actvos con una almentacón dc común, y un crcuto de control. Uno de los fltros actvos se conecta en sere con la almentacón y el otro se conecta en paralelo con la carga. Ambos están formados por nversores de potenca del tpo fuente de tensón y control por modulacón de anchura de pulsos, PWM. En los desarrollos más recentes estos convertdores se realzan a base de dspostvos IGBTs y bajo una confguracón de tres lados con enlace dc dvddo para permtr la conexón del conductor de neutro, [10]. ntensdades de compensacón para el fltro paralelo, son las tensones de referenca para el fltro sere, (fgura 4.. Control de un Acondconador actvo para la compensacón de la carga La estratega de compensacón del control propuesto se basa en los sguentes objetvos: - Proporconar a la carga una tensón (v L senodal, equlbrada y regulada. - Compensar las componentes armóncas, reactvas y de desequlbro de la ntensdad de consumo ( L. La fgura muestra el esquema global del crcuto de control. La tensón de compensacón del fltro sere (vc se obtene por comparacón entre la tensón de sumnstro (v S y su componente de secuenca drecta a la frecuenca fundamental, regulada en ampltud, (v 1.reg, según se descrbe más abajo. Dcha componente v 1.reg se utlza junto con la ntensdad de la carga L para el cálculo de la ntensdad de compensacón ( C del fltro paralelo a partr del cálculo de la ntensdad actva de la carga [10]. La utlzacón como señal de tensón de v 1.reg permte que las ntensdades actvas de cada fase, a, en esa parte del control, sean senodales y equlbradas. Fg. 1 : Estructura de un LCAC. El control LCAC permte que el crcuto de potenca desarrolle una doble funcón. Con respecto al fltro sere, se trata de que éste actúe como una fuente de tensón controlada que contrarreste aquello de la tensón de almentacón que la separa de un servco de tensones equlbrado senodal. Es decr, el fltro sere elmna los armóncos de la tensón y equlbra las tensones hasta consegur un sstema de secuenca drecta. Además, permte regular la tensón que llega a la carga. El fltro paralelo, stuado aguas abajo del fltro sere, se encarga de elmnar los armóncos, así como las componentes reactva y de asmetría que ncluye la ntensdad de la carga. Tambén anula la ntensdad de neutro. Cada fltro desarrolla una funcón especalzada medante un control unfcado, es decr, no es la combnacón de un control para el fltro sere y otro para el fltro paralelo, sno un control compacto que trata de forma global el proceso de compensacón de la carga. Así, las señales de tensón que utlza el crcuto de control para la determnacón de las Fg. : Control del LCAC. Dagrama general de bloques..1. Control del fltro sere El control del fltro sere busca la obtencón del sumnstro de tensón de referenca deal: tensones equlbradas sn dstorsón. La fgura muestra el dagrama de bloques para esta parte del crcuto de control. / 6

4 X Reunón de Grupos de Investgacón en Ingenería Eléctrca. Santander Control del fltro paralelo El control del fltro paralelo está basado en el cálculo de la ntensdad actva ( a de la carga, y su dagrama de bloques se muestra en la fgura 4. Fg. 4 : Dagrama de bloques para el cálculo de la ntensdad de compensacón del fltro paralelo. Fg. : Dagrama de bloques del cálculo de la componente drecta fundamental, regulada en ampltud. a Obtencón de la componente de secuenca drecta fundamental. b Regulacón de ampltud y construccón de la onda trfásca. La fgura a presenta la prmera etapa para la obtencón de la componente de secuenca drecta (v de las tensones de almentacón. Desfasando ± 1/ de cclo las tensones de las fases y, y sumando las tres señales se obtene una señal peródca que respecto del armónco fundamental es la componente de secuenca drecta: v ( t 1 T = v t v t 1( ( = cos( ωt ϕ T v t ( h= cos( hωt ϕ h h dc (1 La transferenca de una potenca actva P desde fuente a carga requere de las ntensdades de línea (ntensdades actvas [1]: donde P P P = ; v ( a 1 v1 a = v ; a = = 1 T ( v v v dt T 0 1 ( es el valor efcaz de la tensón trfásca. La dferenca entre las ntensdades de carga L y las ntensdades actvas a determnan las componentes que no transportan potenca útl y por tanto son compensables: En la ecuacón (1 se han separado tres sumandos: la componente smétrca básca del armónco fundamental, el resto de las componentes de los armóncos superores y una eventual componente de valor medo dstnto de cero. Posterormente, a través de un fltro pasabanda, se elmnan las componentes armóncas y de contnua. Esta parte del crcuto ncluye dos redes desfasadoras, un sumador y un fltro de señal dseñado con amplfcadores operaconales. En una segunda etapa, fgura b, un lazo de control regula el valor efcaz de v 1 a un valor prevamente asgnado de referenca, REF. La eleccón del ancho de banda del fltro (± % fo está orentada a la atenuacón de las varacones de ampltud de la tensón (oltage Flcer [11]. En combnacón con el lazo de control de ampltud permte una perfecta regulacón de la tensón. Fnalmente se construye la onda trfásca correspondente v 1r1(t, v 1r(t, v 1r(t. La utlzacón de un doble restador para la fase proporcona una componente homopolar nula de forma permanente y smplfca el esquema. / 6 C = (4 L La determnacón de la potenca actva P requere un fltro paso-bajo que elmne la componente osclatora de la potenca nstantánea p(t, con una frecuenca de corte de al menos la frecuenca de red. La utlzacón de un bucle de realmentacón y un ntegrador permten llegar en régmen permanente a unos valores de C cuya potenca meda P C sea nula. Como consecuenca, la salda del ntegrador permanece sn cambo en el valor prevamente estmado de P/. Esta será la stuacón hasta que varíe el régmen de carga. La velocdad de adaptacón ante varacones de carga depende báscamente de la respuesta dnámca del conjunto fltro paso-bajo ntegrador. 4. Aplcacón a un caso práctco Como caso práctco se ha consderado la almentacón con tensón desequlbrada no senodal a

5 X Reunón de Grupos de Investgacón en Ingenería Eléctrca. Santander 000 a una carga trfásca desequlbrada no lneal de cuatro conductores. En la tabla I se muestran los valores de las tensones de fase de almentacón y sus componentes armóncas, expresadas en porcentaje respecto a la tensón asgnada de 0. tambén se puede aprecar la respuesta dnámca ante una varacón brusca de la carga establecda en un tempo posteror. Así msmo, en la fgura 9 se observa el aumento de la ntensdad entrante en la carga, a partr del momento de la conexón del LCAC. Armónco 1º º 7º vs1 198 (90 % 11 (5% 11 (5% vs 0 (100 % 11 (5% 11 (5% v S 0 (100 % 11 (5% 11 (5% Tabla I : Composcón de las tensones de almentacón. La carga consste en tres rectfcadores de dodo con un gran condensador de fltro en el lado dc, tan habtual en las fuentes de almentacón o en equpos de control de motores (fgura 5. Los rectfcadores están conectados en estrella y se ha habltado el conductor de neutro. Se ha contemplado el desequlbro a través de la conexón de resstencas de valores dferentes en el lado dc. De la msma manera, se efectuó una varacón brusca de R como prueba de la respuesta dnámca del LCAC. El sstema de control se smuló al completo con el objeto de analzar el comportamento específco del dseño propuesto. Con este crtero las etapas de potenca se modelaron medante fuentes dependentes. Fg. 6 : Intensdad de fase 1, antes y después de la conexón del LCAC, de un rectfcador almentado por una tensón desequlbrada y no senodal. Se ncluye una varacón posteror brusca de la carga. Fg. 7 : Intensdad de neutro, antes y después de la conexón del LCAC. Fg. 5 : Carga trfásca de prueba consttuda por tres rectfcadores monofáscos en estrella. Fg. 8 : Tensones en la carga antes y después de la conexón del LCAC. Las fguras 6 a 9 presentan los resultados obtendos. A partr del nstante de conexón del LCAC, las ntensdades de las fases son senodales de secuenca drecta, la ntensdad de neutro es nula y las tensones en la carga aparecen equlbradas y reguladas al valor asgnado. En estas fguras 4 / 6

6 X Reunón de Grupos de Investgacón en Ingenería Eléctrca. Santander S (7 o h 1 La relacón (7 puede tambén expresarse en térmnos de los índces habtuales de caldad, coefcentes de asmetría δ o y desequlbro δ -, y dstorsón armónca total, THD, hs Fg. 9 : Intensdades de sumnstro antes y después de la conexón del LCAC. 5. Dscusón El acondconador actvo para la compensacón de la carga permte obtener unas tensones (v L y unas ntensdades de sumnstro ( S senodales, equlbradas de secuenca drecta y en fase. Son estas tensones e ntensdades para las que se obtene un factor de potenca undad. En general, el factor de potenca de la carga de la fgura 5 almentada a través de un sstema trfásco desequlbrado no senodal de tensones, adopta la forma [1,14]: P S = 1 T T v 0 dt (5 I I donde v, son los valores nstantáneos de las tensones e ntensdades de fase; y, I, I n son los valores efcaces respectvos de las tensones de fase, ntensdades de fase e ntensdad de neutro. A partr de la conexón del LCAC la ntensdad S está en fase con la componente drecta fundamental de la tensón de almentacón en los termnales de la carga, v L, lo que permte consegur un factor de potenca undad No obstante, s se toma la tensón en el PCC, v S, el factor de potenca se expresa por la ecuacón (6: I n (6 o 1 S hs I h 1 donde, -, o son los valores efcaces de las componentes smétrcas fundamentales, y hs son los valores efcaces del resto de las componentes armóncas de la tensón trfásca v S. Smplfcando se obtene una expresón que sólo depende de las característcas de la propa tensón de red. (1 δ δ 1 o (1 THD Por tanto un equpo que evalúe la caldad del sumnstro eléctrco, ubcado en el punto de conexón común, ndca valores ajenos a las condcones realmente proporconadas por el LCAC. La nstalacón de equpos acondconadores de la caldad de la potenca eléctrca (fgura 1 exge medr las tensones e ntensdades entre el fltro sere y el fltro paralelo; de esa forma se consgue evaluar adecuadamente la mejora en la caldad conseguda por este tpo de equpos. 6. Conclusones Se presenta un dseño orgnal del control de un acondconador actvo de potenca consttudo por la combnacón de un fltro actvo sere y un fltro actvo paralelo. El control, basado en crcutos analógcos, permte una doble actuacón. Por un lado, a través del fltro actvo sere se consgue: elmnar los armóncos de la tensón de sumnstro, smetrzar las tensones, obtenéndose un sstema equlbrado de secuenca drecta; y regular el valor efcaz de la tensón respecto a uno tomado de referenca. Por otro lado, a través del fltro actvo paralelo se consgue elmnar los armóncos de corrente, así como las componentes reactva y de asmetría de la ntensdad de carga. El dseño propuesto se probó a nvel de smulacón para un sstema trfásco desequlbrado no lneal. Los resultados obtendos para las dstntas formas de onda de tensón e ntensdad mostraron la valdez del dseño propuesto para el desarrollo de equpos acondconadores actvos para la compensacón de la carga, que mejoren la caldad de la potenca eléctrca en ambentes de alta dstorsón armónca. Referencas (8 [1] W. M. Grady, M. J. Samotyj, A. H. Noyola. Survey of Actve Power Lne Condtonng 5 / 6

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