filtrat harmonics

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JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells

XII

Edi

ción

de

JCE

E ,

N

OV

. 200

6

FILTRADO DE ARMÓNICOS

EN INSTALACIONES INDUSTRIALES

XII - JCEE- Nov 2006

Dr. Josep BalcellsUniversitat Politècnica de Catalunya (UPC)

Campus deTerrassa, Barcelona, SPAIN

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NO

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006

INDEX

Ø Los armónicos … entre otras perturbacionesØ Los convertidores … fuentes de perturbaciónØ Origen y efectos de los armónicosØ Tipos de filtrosØ Filtros pasivos para convertidores:

§ Reactancias de choque ; Filtros LCL

Ø Filtros de uso general en la red§ Filtros de 3r armónico: TSA, FB3

Ø Filtros activos: § Tipos de filtros activos: Serie, Paralelo, UPF§ Configuración de los filtros activos§ Tipos de control para filtros activos

Ø Criterios de aplicaciónØ Resumen y conclusiones

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LOS ARMÓNICOS … ENTRE OTRAS PERTURBACIONESX

II E

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, N

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SOBRETENSIONES, HUECOS E INTERRUPCIONES

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FLICKER

• Variación de la envolvente de la tensión dU/U• Envolventes estándar : Cuadrada, Senoidal• Normas IEC-61000-4-15, IEC-60868

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PERTURBACIONES DE ALTA FRECUENCIA:Variaciones de tensión con alto dV/dt

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PERTURBACIONES DE ALTA FRECUENCIA:X

II E

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, N

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ARMÓNICOS

Cargas no lineales tales como: rectificadores, inversores, hornos, etc. Absorben de la red corrientes periódicas no senoidales, de frecuencias múltiplos de la componente fundamental 50 ó 60 Hz.

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LOS CONVERTIDORES … PRINCIPALES FUENTES DE PERTURBACIÓN

Baja frecuencia (Lado red)

Ø Harmonicos (100 Hz a 2500Hz)

Ø Flicker (0,5 to 30 Hz)

Alta frecuencia, EMI (Lado motor)

Ø Conducidas (10 kHz - 30 MHz)

ü “Notch” de conmutación

ü Cables actúan como líneas de transmisión

Acoplo campo próximo (10 kHz –30MHz)

Ø Bucles de corriente producen campo magnético H (habitual DM)

Ø Cambios de tensión producen campo eléctrico E (habitual CM)

Radiadas EMI (>30MHz )

Ø Cables actúan como antenas. Cables apantallados entre ondulador y motor

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006

FILTROS PARA CONVERTIDORESFILTROS PARA CONVERTIDORES

Los convertidores estáticos generan diversos tipos de perturbaciones, tanto en el lado de red como en el lado de carga. Se, dispone de filtros para evitar los problemas originados por dichos convertidores y conseguir que las instalaciones donde se conectan puedan cumplir con las normas EN-60000-4-3, IEEE-519 y las Directivas de Compatibilidad 89/336/EEC , 92/31/EEC y 93/68/EEC.

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ESQUEMA EQUIVALENTE TÍPICO EN BTX

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ONDAS DE CONVERTIDORES CON ALTO CONTENIDO DE HF

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ONDAS TÍPICAS DE CONVERTIDORES: LADO REDX

II E

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, N

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EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS

Efecto Joule , pérdidas en el cobre :

Ø Dependen del valor RMS total de la corriente RITRMS2

Pérdidas en el hierro: Foucault: kI2f2 , Histeresis: kI2f

Ø Sobrecargas en condensadores

Ø Corriente homopolar alta en el neutro

Ø Amplificación de los armónicos por resonancias<

I ITRMS n=∞

∑ 2

0

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RI RTRMS2 2 2100 20= +.( )

Supuesto I1=100A ; I5=20%

Ø Pérdidas Joule: R.IT2

Debidas a I1 = R.1002

Debidas a I5 = R.202 equivalen a un 4%Ø Pérdidas en el hierro:

Suponemos que las pérdidas Foucauld se evitancon el uso de chapas. Las pérdidas restantes sedeben básicamente a efecto Histéresis: kI2fDebidas a I1 = k.50.1002

Debidas a I5 = k.50.5.202 equivalen a un 20%

EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS: Ejemplo prácticoX

II E

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, N

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Filtros Pasivos

Ø Reactancias

Ø LCL

Ø Antiresonancia

Ø Absorción

Ø TSA / FB3

IMPEDANCIADE LA RED L1 L2

L3

C

M3

CONVERTIDOR

Fusibles

FILTRO LCL

RED

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RESONANCIA EN REDES DE BT

• La resonancia causa la amplificación de los armónicos de V.• Puede detectarse porque la distorsión depende del número de pasos de C conectados• Para determinado Nº de pasos se produce un máximo de THD(V)

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RESONANCIA EN REDES DE BT: Caso típico

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006

SOLUCIONES PARA REDUCIR THD(I) : Filtros de bsorción

M

CHOQUE

OTRAS CARGAS

CARGA AFILTRAR

FILTRODE

ABS

TRANSFORMADOR

I

FILTROz

z

I limpia

armónicos

Ilimpia

Ilimpia

OTROS ABONADOS

A

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006

SOLUCIONES PARA REDUCIR THD(I) : Filtros de Absorción

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

100 1000

frecuencia (Hz)

Z (d

B/o

hm)

Respuesta en frecuencia de un filtro de absorción con pasos sintonizados a los armónicos 5, 7 y 11

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CASOS REALES: Filtros de rechazo (anti-resonancia)X

II E

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, N

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FILTROS PASIVOS: Reactancias

Ø Reactancias

Sin L, THD(i)=70% Con L, THD(i)=26%

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FILTROS PASIVOS: Filtros LCL

LCL IMPEDANCIADE LA RED L1 L2

L3

C

M3

CONVERTIDOR

Fusibles

FILTRO LCL

RED

Sin LCL, THD(i)=70% Con LCL, THD(i)=8%

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FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA

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L1

L2

L3

PE

220 V fase - neutro

50 Hz y armónicos con n = k.3 armónicos con n = k.3

N

Transformador de distribución

a

a

a

a

FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSAX

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, N

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L1

L2

L3

PE

220 V fase - fase

50 Hz y armónicos con n = k.3

N NC.

FILTRO

TSA transformador de aislamiento(impedancia infinita a los armónicos k.3)

A

A

A

armónicos con n = k.3

FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA

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FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSAX

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ü Reducción de armónicos en líneas monofásicas.

ü Reducción de la corriente de neutro originada por armónicos múltiplos de 3 hasta un 90%

R

S

T

N

FB3

aprox. 80 % 3 harmonic

FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : FB3

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230 V fase - neutro

Cuadro de Bajatensión

I carga

FB3

Instalaciones monofásicas Instalaciones trifásicas

FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : FB3X

II E

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, N

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Ø Resuelven problemas de armónicos en el lado de lascargas restituyendo la forma de onda de la tensión a unaforma senoidal

FITROS ACTIVOS SERIE

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Ø Resuelven problemas de armónicos en el lado de la red haciendo que la corriente absorbida sea senoidal. Puedencompensar también desequilibrio y FP

FITROS ACTIVOS PARALELOX

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FA PARALELO – SERIE Y SERIE - PARALELO

FA Paralelo-Serie: Arreglan la corriente de red y la tensión en la carga para que seansenoidales

FA Serie- Paralelo:Arreglan la tensión en la carga y la corrienteen la red para que seansenoidales

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006

La suma de corrientes de linea y de filtro deben dar una senoide en la red

FILTROS ACTIVOS PARALELO: PrincipioX

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FA PARALELO : CONFIGURACIONES

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FA PARALELO 4 RAMAS REGULADASX

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FITROS ACTIVOS PARALELO: Control

Controladores en cascada de potencia activa (obtienela consigna de corriente) y regulador de corriente de filtro

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006

FITROS ACTIVOS PARALELO: Control

Controlador

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FA PARALELO: Control separado de cos ϕ y armónicos

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FA MONOFASICOS

R1

EMI

L1

N1

PE

L2

N2

PE

OUT1

S2

S1

S4

S3

C1

InversorSEMIKRON

PE

OUT2

C2

PlacaControl

1

2

3

4

F3

35mm2

35mm2

6mm2 6mm2

1,5m

m2

1,5m

m2

L

U V

U1 V1

PE

BF1 F1 F2

35mm2

SW1

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Corriente en la red antes del filtrado

Corriente de red después del filtrado

30%

60%

2%

4%

FA MONOFASICOS

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Ventajas de los filtros hibridosØ Tensió en el bus DC del convertidor muy bajaØ La baja tension necesaria en el bus permite su uso en líneas de MT con tensiones de sólo 400VDC

Ø Compensación de cos ϕ fijaØ No necesita control de neutroØCapacidad de filtrado de triples ilimitada

Inconvenientes de los filtros hibridos

Ø Imposible el control de cos ϕØ La compensación fija puede provocar sobrecompensaciónØ No tiene posibilidad de compensar desequilibrio

NUEVAS TENDENCIAS: FA HIBRIDOSX

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Mejoras en la estructura de Filtros Activos (APLC)

ØEstructura mejorada de 4 hilos , acoplo hibrido por LCØBus de contínua con único condensador y control de tensiones de bloqueoØReducción de tamaño y de rizados

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Tipo clásico 4 hilos 4 ramas

7

7 7

/ �

/ �

/ �

1

979695

/ & / &/ &

7

9 ' &

7

7

7

7

/ &

Problema de dimensionamiento de neutro (armónicos k.3) y

Valor de la tensión en el bus DC alta

VDC=750V

LC=800uH

Para 63A, 400VAC line

Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)X

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, N

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Requiere control de reparto de tensiones en el bus DCNo puede compensar ciertas corrientes kx3 desequilibradas

LC=800uH

For 63A, 400VAC line

Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)

Tipo clásico 4 hilos 3 ramas

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T1 T3

T2 T4

T5

T6

L1

L2

L3

N

+-

+

-VDC

VNVTVSVR

CC

LC

CC

LC

CC

LC

+-

+-

VAC+ VDC VAC+ VDC VAC+ VDC

Tensión DC menor. (400VDC, pero puede ser 100VDC )

Menor CDC y más toleranciacon el rizado DC

No requiere control de reparto como el caso de C partido +VDC/2 to –VDC/2

500uF/80uH , for 400VAC,

63A filt. (LC menor)

Nueva estructura de 4 hilos acoplada por LC

VENTAJAS

Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)X

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Ø Filtro hibrido con acoplo LC a red

Ø Nuevo método de obtención de referencia de I por energías de Vc

Ø Regulador de corriente PWM en el dominio temporal

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Ø Las reactancias pueden paliar un problema de armónicos

reduciéndolo de un 50 ó 60% de THD a un 20 a 25%

Ø Los filtros de rechazo en bancos de condensadores

permiten evitar la resonancia

Ø Los filtros pasivos a escala global son conflictivos porque

se adaptan mal a las cargas

Ø Los filtros pasivos individuales tipo LCL son preferibles y

pueden reducir el THD por debajo del 8%

Ø Los filtros activos son la solución más completa pero hoy

por hoy son caros

RESUMEN Y RESUMEN Y CONCLUSIONESCONCLUSIONES

filtrat harmonics

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