Diseño e Implementación de un Filtro Híbrido a Escala para su Aplicación en el

Laboratorio del Departamento de IEE

HERNANDO JOSE FARFÁN VARGAS GIOVANNI LOPEZ

Asesor: MARIA TERESA RUEDA DE TORRES Coasesor: GUSTAVO RAMOS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA BOGOTA D.C. JUNIO DE 2005

AGRADECIMIENTOS A nuestras familias por todo su apoyo a través de todos estos años...

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

INDICE DE TABLAS Y FIGURAS ............................................................................... 2

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION ....................................................................... 5

1 CAPITULO I: BASE TEORICA ............................................................................ 8 1.1 Definición de filtro .......................................................................................................... 8 1.2 Clases de filtros .......................................................................................................... 8

1.2.1 Filtro Activo .........................................................................................................................8 1.2.2 Filtro Pasivo..........................................................................................................................9 1.2.3 Filtros híbridos....................................................................................................................11

1.3 Cargas no lineales .................................................................................................... 15 1.3.1 Rectificadores .....................................................................................................................15

2. CAPITULO II: DISEÑO DEL FILTRO HIBRIDO............................................ 19 2.1 Método de Diseño..................................................................................................... 19

2.1.1 Definición del Sistema Piloto .............................................................................................19 2.2 Estructura filtro híbrido ......................................................................................... 20 2.3 Filtros Pasivos .......................................................................................................... 21 2.4 Filtros Pasa Banda................................................................................................... 24 2.5 Control del Filtro ..................................................................................................... 28

3. CAPITULO III: SIMULACIONES...................................................................... 31 3.1 Análisis de la carga .................................................................................................. 31 3.2 Simulación por etapas ............................................................................................. 39

3.2.1 Simulación de los filtros pasabandas ..................................................................................40 3.2.2 Simulación del controlador.................................................................................................42 3.2.3 Simulación de los filtros pasivos ........................................................................................44

4. MONTAJE ............................................................................................................. 52 4.1 PCB ........................................................................................................................... 52 4.2 ALIMENTACION................................................................................................... 53 4.3 Validación del montaje............................................................................................ 54

4.3.1 Costos .................................................................................................................................57 4.3.2 Comparación entre datos reales y simulación.....................................................................58

5. PRACTICAS DE LABORATORIO ...................................................................... 61 5.1 Objetivos................................................................................................................... 61 5.2 Practica 1 .................................................................................................................. 61 5.3 Practica 2 .................................................................................................................. 65 5.4 Practica 3 .................................................................................................................. 68

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 72

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 73

1

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

INDICE DE TABLAS Y FIGURAS Figura 1. Respuesta en frecuencia de 3 filtros activos centrados en 180 Hz, 300 Hz y 420 Hz respectivamente.................................................................................................... 7 Figura 2. Esquema de conexión del filtro Activo en el circuito ...................................... 9 Figura 3.Esquema de conexión del filtro pasivo en el circuito...................................... 10 Figura 4. Esquema de conexión del filtro híbrido en el circuito ................................... 11 Figura 5. Topología del filtro híbrido tipo I ................................................................. 12 Figura 6. Topología del filtro híbrido tipo II ................................................................ 13 Figura 7. Topología del filtro híbrido tipo III................................................................ 14 Figura 8. Configuración del Rectificador de 6 pulsos ................................................... 16 Figura 9. Distorsión armónica generada por el rectificador de 6 pulsos y espectro armónico......................................................................................................................... 16 Figura 10. Configuración del rectificador de 2 pulsos. ................................................. 17 Figura 11. Distorsión armónica generada por el rectificador de 2 pulsos y espectro armónico......................................................................................................................... 17 Figura 12.Esquema típico de un filtro pasabanda de cuarto orden .............................. 18 Figura 13. Analizador de armónicos Fluke 41B. ........................................................... 19 Figura 14. Esquema general del sistema. ...................................................................... 20 Figura 15. Pinza amperimétrica. ................................................................................... 20 Figura 16. Estructura del módulo de control................................................................. 21 Figura 17. Esquema de conexión del filtro híbrido ....................................................... 21 Figura 18. Frecuencia de resonancia ............................................................................ 22 Figura 19. Ancho de Banda (BW) de un filtro. .............................................................. 23 Figura 20. Valores de inductancias y capacitores. ........................................................ 23 Figura 21. Configuración de los filtros Chebyshev pasa bajas y pasa altas. ................ 24 Figura 22. Diagramas de bode para filtros pasa altas y pasa bajas de orden 2 hasta 10......................................................................................................................................... 25 Figura 23. Filtros pasa banda y rechaza banda. ........................................................... 25 Figura 24. Banda de paso de un filtro Chebyshev ......................................................... 26 Figura 25. Funciones de transferencia para cada filtro pasabanda ............................. 27 Figura 26. Diagramas de Bode para los filtros pasabanda........................................... 27 Figura 27. Detector de envolvente ................................................................................. 28 Figura 28. Esquema del sistema de control ................................................................... 29 Figura 29.Dos de las mejores herramientas para realizar simulaciones son OrCAD y PSCAD............................................................................................................................ 30 Figura 30. Esquemático utilizado en la simulación del rectificador de 2 pulsos .......... 31 Figura 31. Forma de onda del voltaje en el lado de la fuente (Vs) y voltaje rectificado en el lado de la carga (Vc). ............................................................................................ 31 Figura 32. Formas de onda de corriente en el lado de la fuente (Is) y en el lado de la carga (Ic) ........................................................................................................................ 32

2

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 33. Distorsión armónica total de corriente generada por el rectificador de 2 pulsos .............................................................................................................................. 32 Figura 34. Esquemático del rectificador de 6 pulsos..................................................... 33 Figura 35. Formas de onda de voltaje en el lado de la fuente (Ea, Eb, Ec) y el voltaje rectificado en el lado de la carga ................................................................................... 33 Figura 36. Formas de onda de la corriente en el lado de la fuente (Ia, Ib, Ic) y corriente rectificada en el lado de la carga (Is). ........................................................................... 34 Figura 37. Distorsión armónica de corriente generada por el rectificador de 6 pulsos34 Figura 38. Esquemático realizado para la simulación del escenario en el caso 1........ 35 Figura 39. Forma de onda para la fase A. ..................................................................... 35 Figura 40. Distorsión armónica para el caso 1. ............................................................ 36 Figura 41. Esquemático utilizado para representar el caso 2. ...................................... 36 Figura 42. Forma de onda de la fase A para el caso 2. ................................................. 37 Figura 43. Distorsión armónica para el caso 2. ............................................................ 37 Figura 44. Esquemático utilizado en el caso 3. ............................................................. 38 Figura 45. Forma de onda de corriente de la fase A para el caso 3. ............................ 38 Figura 46. Distorsión armónica en la fase A para el caso 3. ....................................... 39 Figura 47. Esquemático para el filtro pasabandas ........................................................ 40 Figura 48. Respuesta en frecuencia de los filtros pasabandas. ..................................... 41 Figura 49.Respuesta de los filtros pasabandas en el tiempo. ........................................ 41 Figura 50. Salida de los detectores de envolvente para cada uno de los filtros pasabandas. .................................................................................................................... 42 Figura 51. Esquemático utilizado para el controlador .................................................. 43 Figura 52. Simulación comparador lógico y activación relevo..................................... 44 Figura 53. Esquemático para la simulación del filtro pasivo para el caso 1. ............... 45 Figura 54. Formas de onda de corriente en la fase A sin y con los filtros pasivos ....... 45 Figura 55. Distorsión armónica y corriente a través del filtro pasivo. ......................... 46 Figura 56. Esquemático utilizado para la simulación del filtro pasivo en el caso 2..... 47 Figura 57. Formas de onda de corriente en la fase A sin y con los filtros pasivos. ...... 48 Figura 58. Distorsión armónica total y corriente a través del filtro pasivo. ................. 48 Figura 59. Esquemático utilizado para la simulación de los filtros pasivos en el caso 3......................................................................................................................................... 49 Figura 60. Formas de onda de corriente para la fase A sin y con los filtros pasivos. .. 49 Figura 61. Distorsión armónica total y corriente a través de los filtros. ...................... 50 Figura 62. Vista lateral del prototipo ............................................................................ 51 Figura 63. PCB para los filtros activos. ........................................................................ 52 Figura 64. PCB para el controlador .............................................................................. 52 Figura 65. PCB para el módulo de alimentación. ......................................................... 53 Figura 66. Módulo de alimentación ............................................................................... 54 Figura 67. Sistema completo con todas las cargas conectadas ..................................... 54 Figura 68. Rectificadores de 2 y 6 pulsos ...................................................................... 55 Figura 69. Filtros pasivos .............................................................................................. 56 Figura 70. Plano de la caja para el módulo de carga ................................................... 56 Figura 71. Plano de la caja para el filtro híbrido ......................................................... 57 Figura 72. Mediciones del sistema hechas con multímetros análogos .......................... 60

3

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Tabla 1. Ventajas y desventajas de los tres tipos de filtros híbridos ............................. 15 Tabla 2. Valores de inductancias y capacitores para los órdenes armónicos 3, 5 y 7. . 24 Tabla 3. Valores de resistencias y condensadores y sus aproximaciones para los filtros pasabandas ..................................................................................................................... 26 Tabla 4. Costos discriminados por módulos de todo el prototipo ................................. 57 Tabla 5. Tabla comparativa de los 3 casos sin tener en cuenta los filtros pasivos ....... 58 Tabla 6 Tabla comparativa de los 3 casos teniendo en cuenta los filtros pasivos......... 59

4

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION En la actualidad la proliferación de los dispositivos electrónicos en la industria está generando problema con la calidad de la potencia eléctrica entregada a los usuarios. Dentro de los fenómenos más comunes se encuentra la presencia de armónicos que hacen que la onda de corriente se vea altamente distorsionada ocasionando fallas en los equipos de comunicaciones, calentamiento de equipos y mal funcionamiento en los equipos con componentes de estado sólido, entre otros problemas. En los últimos años el campo de la electrónica de potencia ha experimentado un gran desarrollo debido a la evolución de los dispositivos electrónicos, su aplicación en altas potencias y al crecimiento de su mercado. Siendo conscientes del beneficio que trae consigo los dispositivos de electrónica de potencia en los procesos productivos, así como del daño a la calidad de la potencia, se ha hecho necesario el conocimiento de la influencia de dichos dispositivos en la distorsión armónica de corriente y voltaje, así como de la manera de controlarlo a través de filtros. Para evitar que la distorsión armónica se propague a todo el sistema una de las posibles soluciones son los filtros activos, pasivos e híbridos. Los compensadores activos son dispositivos electrónicos que aportan un gran nivel de funcionalidades. Este proyecto está enfocado en el diseño de filtros de tipo híbrido. Este tipo de filtros asocia la tecnología activa y pasiva en un mismo componente y en general se han venido comprobando sus ventajas de tipo económico y técnico. En la Universidad de los Andes en un intento por incorporar las nuevas tendencias en los sistemas de potencia ha introducido el tema de calidad de la potencia eléctrica en dos materias electivas del pensum: Taller de electrónica de potencia y Calidad de la potencia eléctrica en baja tensión. También se han realizado algunos proyectos de grado en relación al diseño, implementación y uso de diferentes tipos de filtros1. La razón por la cual debe diseñarse un filtro de tipo híbrido en la Universidad de los Andes radica principalmente en las siguientes razones: • Dar un soporte de tipo más práctico a los estudiantes de los cursos de electrónica de

potencia y calidad de la potencia. Hasta ahora todo el trabajo desarrollado en dichos cursos se ha hecho básicamente a través de simulaciones realizadas en ATP y PSCAD.

• Se desarrollarán tres prácticas con las cuales los estudiantes puedan comprender más claramente todos los aspectos relacionados con el funcionamiento de los filtros.

• El objetivo principal para el diseño y la implementación del filtro para reducir la distorsión armónica de corriente que sirva como elemento prototipo de análisis del fenómeno de distorsión armónica

1 Fedrigo Abril, Diego, “Diseño de filtros para la eliminación de armónicos en sistemas de potencia industriales y comerciales”.

5

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

• Se creo un módulo de carga en el cual se implementaron dos de los elementos más utilizados en la industria que generan distorsión armónica, el rectificador de dos pulsos y el rectificador de seis pulsos.

• Se podrán validar los conceptos y respuesta de los filtros para diferentes tipos de carga con lo cual el estudiante tendrá un visión mucho más clara de la teoría expuesta en las clases y su aplicación práctica.

Se diseñó un prototipo de fácil manejo que fuera lo más intuitiva posible, y se decidió diseñar un módulo de carga variable aparte para que pueda ser utilizado en diferentes laboratorios que requieran cargas variables.

6

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

CAPITULO I

BASE TEORICA

Figura 1. Respuesta en frecuencia de 3 filtros activos centrados en 180 Hz, 300 Hz y 420 Hz

respectivamente.

Los filtros constituyen tipos de circuitos diseñados para obtener características específicas de selectividad respecto a la frecuencia. Los filtros activos son circuitos que se encargan de separar o rechazar diferentes tipos de señales. Los filtros análogos se encargan de trabajar con señales de tipo análogas (continuas) y los digitales los que se encargan de trabajar con señales de tipo discretas y cuya implementación se realiza vía software. Entre los filtros análogos se puede encontrar los filtros pasabajos, filtros pasa altas, filtros pasa banda y filtros de rechazo de banda.

7

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

1 CAPITULO I: BASE TEORICA

1.1 Definición de filtro La multiplicación de los dispositivos con componentes de electrónica de potencia como tiristores, variadores de velocidad, rectificadores, entre otros, hace que la distorsión armónica total en el sistema aumente causando problemas de desempeño de diferentes equipos y pérdidas en adicionales en cables, transformadores y capacitores. Adicionalmente las corrientes armónicas que circulan en las redes pueden producir envejecimiento prematuro y destrucción de los equipos, sobredimensionamiento de las instalaciones y disparos de las protecciones de forma inesperada. Una de las soluciones más utilizadas son los filtros. En algunos casos se necesita un circuito capaz de seleccionar una frecuencia específica, el circuito diseñado para desarrollar dicha selección de frecuencia se llama un filtro. Dichos filtros tiene amplias aplicaciones en sistemas de audio y ecualizadores entre otros. Otra de sus aplicaciones es en el acondicionamiento de una forma de onda no sinusoidal de corriente en baja tensión. Algunos dispositivos electrónicos son sensibles a la presencia de armónicos en su fuente de alimentación y requieren que se acondicione la señal de potencia para una correcta operación. Existen diferentes tipos de filtros como son activos, pasivos e híbridos.

1.2 Clases de filtros Como se mencionó anteriormente existen tres clases de filtros: activos, pasivos e híbridos.

1.2.1 Filtro Activo Los filtros o compensadores activos son equipos que contienen elementos de electrónica de potencia tales como diodos y tiristores entre otros, adicionalmente tiene un control digital. Se utilizan sensores para medir la corriente de carga en la línea, el circuito de control digital o análogo calcula el contenido de la corriente armónica en la corriente de carga y genera las señales adecuadas en la unidad de potencia. Dicha unidad genera corriente en oposición a las corrientes armónicas presentes en el sistema. Como resultado la corriente total en la red tiene un contenido armónico muy reducido. Los filtros activos pueden eliminar corrientes armónicas de orden 2 hasta 50, dependiendo del tipo de filtro activo que se tenga. Un esquema del filtro activo se puede ver en la Figura 2.

8

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 2. Esquema de conexión del filtro Activo en el circuito

El equipo se adapta automáticamente a cualquier tipo de carga, monofásica o trifásica y puede ser conectado a cualquier red trifásica con o sin neutro. Una de las ventajas de esta tecnología es que es menos crítica en su interacción en el entorno donde sea instalado, y se adaptan mucho mejor a las fluctuaciones de los parámetros. Las aplicaciones típicas de los filtros activos se encuentran en instalaciones de baja y media tensión dentro de los cuales se encuentran equipos de computadores, UPS, variadores de velocidad (ASD por su sigla en inglés), iluminación neón entre otros.

1.2.2 Filtro Pasivo Los filtros pasivos vienen en una amplia variedad. En algunos casos, ellos no son más que una inductancia de línea. En otros casos, pueden usar filtros resonantes en serie o paralelos (uno solo o ambos simultáneamente) para atrapar los armónicos. Un filtro serie (con la carga en serie) que usa componentes en paralelo (inductancias y capacitores en paralelo) se conoce como un “repelente de corriente”. En, o cerca la frecuencia de resonancia del conjunto paralelo, el filtro provee atenuación máxima. Un filtro paralelo (paralelo con la carga) usando componentes en serie (inductancias y capacitores en serie) es un circuito que deja pasar la corriente. En o cerca al punto de resonancia del filtro, este dejará pasar mucha corriente y voltaje armónico y la resistencia de Corriente Continua (dc) del filtro la soportará. Cuando se sintonizan adecuadamente con la carga estática, los filtros pasivos se convierten en un medio efectivo para controlar los armónicos. Como en el caso de inductancias de línea, la distorsión de voltaje de rendimiento puede ser bastante. Los elementos más importantes que conforman un filtro pasivo son los capacitores y las inductancias, conectados en una configuración de circuito resonante y se encuentran sintonizados a la frecuencia del orden armónico que se desea eliminar (para nuestro caso serían las frecuencias de 180 Hz, 300 Hz y 420 Hz).

9

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Este tipo de filtros se conecta en paralelo con el generador de armónicos (cargas no lineales generalmente), este circuito en paralelo absorbe las corrientes armónicas a las cuales está diseñado, esto se puede observar en la Figura 3. La forma en la cual se absorben las corrientes armónicas se basa en que en el momento en el cual existe en el sistema una corriente armónica a la frecuencia de resonancia a la cual fue diseñada el filtro, entre la inductancia y la capacitancia se produce un corto circuito abriendo un camino para que la corriente armónica nociva para el sistema se vaya a tierra. Por lo general un equipo puede incluir varios dispositivos para eliminar armónicos según el orden correspondiente. Los filtros pasivos son una solución para la distorsión armónica bastante buena en la mayoría de los casos, pero esta clase de tecnología permite solo una reducción parcial de las corrientes armónicas y generalmente se limita a unos pocos ordenes, típicamente 3, 5, 7 y 11.

Figura 3.Esquema de conexión del filtro pasivo en el circuito.

La corriente nominal del filtro depende mucho de la distorsión armónica existente, dado que el filtro presenta una baja impedancia en su frecuencia de resonancia (como se explico anteriormente). Por lo general la implementación de los filtros pasivos requiere un análisis detallado de las características de la instalación, lo cual es una limitante en el momento de usar esta tecnología. Las aplicaciones más comunes para los filtros pasivos se encuentran en baja y media tensión, dentro de este rango se incluye una amplia gama de cargas no lineales utilizadas en la industria como son: variadores de velocidad (ASD por su sigla en inglés), hornos de inducción, hornos de arco y rectificadores.

10

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

1.2.3 Filtros híbridos Para ampliar el rango de aplicación de los filtros activos y mejorar el desempeño de los filtros pasivos, las nuevas técnicas permiten combinar ambas tecnologías dentro de un mismo equipo. A esto se le llama filtro híbrido. El esquema del filtro híbrido se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Esquema de conexión del filtro híbrido en el circuito

Para el uso del filtro híbrido como primer paso se sintoniza el filtro pasivo en la frecuencia armónica predominante en el sistema, el filtro activo se dedica al resto de órdenes armónicos. Esta solución permite un alto de nivel de funcionalidad y efectividad, debido a que se cubren un gran número de órdenes armónicos. El uso del filtro pasivo dedicado a la mitigación del orden armónico predominante del sistema permite cubrir un rango mucho más amplio de corrientes armónicas a eliminar. Las aplicaciones típicas de los filtros híbridos son las mismas mencionadas anteriormente para los filtros pasivos y aplicaciones que demanden corrección del factor de potencia, además de necesitar eliminación de órdenes armónicos atípicos (a partir del 11). Con la reducción de la sección activa y la alimentación natural de la energía reactiva por medio de los filtros pasivos los filtros híbridos ofrecen una solución óptima y económica para la mayor parte de instalaciones debido a que combina las ventajas de ambas tecnologías: el filtro pasivo es una solución de bajo costo y el filtro activo es una solución de buen desempeño.

11

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

De acuerdo con la topología de los filtros híbridos, estos se pueden dividir en tres tipos, a continuación se explicará cada uno de ellos.

1.2.3.1 Tipo I Dentro de este rango de filtros híbridos se encuentran aquellos que controlan el paso de la corriente forzando las corrientes armónicas a fluir a través de de filtros pasivos conectados en paralelo a la carga. La topología de este tipo de filtro se encuentra en la Figura 5.

Figura 5. Topología del filtro híbrido tipo I 2

Este filtro compensa la distorsión armónica total del sistema causado por las cargas no lineales colocando una alta impedancia para las corrientes armónicas que obliga a estas corrientes de alta frecuencia a fluir a través de un filtro LC conectado en paralelo a la carga. La alta impedancia es impuesta a través de un filtro activo en serie que crea dicha condición generando un voltaje de la misma frecuencia que la corriente armónica que se desea eliminar. El desbalance de voltaje es corregido compensando los componentes negativos y cero de la frecuencia fundamental de la secuencia del voltaje del sistema. Si los filtros pasivos no estuvieran conectados, el filtro activo en serie puede compensar únicamente la regulación y el desbalance de voltaje. Además la topología no podría compensar componentes de corriente armónica.

2 Imagen tomada de: MORAN, Luis A., DIXON, Juan W., ESPINOZA, José R., WALLACE, Roger R.,”USING ACTIVE POWER FILTERS TO IMPROVE POWER QUALITY”

12

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

1.2.3.2 Tipo II Este tipo de filtros híbridos a diferencia del anterior conecta el filtro activo y el filtro pasivo en serie, y ambos conectados en paralelo a la carga, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Topología del filtro híbrido tipo II 3

De esta forma las características de compensación del filtro pasivo son mejoradas, puesto que el esquema activo genera componentes armónicas de voltaje a través del terminal del embobinado primario del transformador en serie, forzando las corrientes armónicas generadas por la carga a circular a través del filtro pasivo en vez de circular por la red.

1.2.3.3 Tipo III Dentro de este tipo de filtros híbridos se encuentran aquellos que utilizan los filtros activos para filtrar cada una de las corrientes armónicas que se presentan en el sistema, y según el nivel de corriente activen o desactiven los filtros híbridos correspondientes conectados en paralelo a la carga. La topología de este tipo de filtro híbrido se muestra en la Figura 7. Se censa la corriente a través de una pinza amperimétrica que toma la corriente que pasa a través de la fase medida y lo convierte a un voltaje proporcional. Estos datos son filtrados a través de los filtros activos que están sintonizados en cada uno de las frecuencias armónicas que se desean filtrar, y con un detector de envolvente de convierte a un valor DC.

3 Imagen tomada de: MORAN, Luis A., DIXON, Juan W., ESPINOZA, José R., WALLACE, Roger R.,”USING ACTIVE POWER FILTERS TO IMPROVE POWER QUALITY”

13

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 7. Topología del filtro híbrido tipo III

Dependiendo de este valor DC es posible saber en que nivel se encuentra dicha frecuencia en el sistema para activar o no el filtro pasivo correspondiente que también se encuentra sintonizado con la frecuencia de resonancia igual a la de la frecuencia de la corriente armónica que se desea eliminar.

1.2.3.4 Ventajas y desventajas de los tres tipos de filtros híbridos Se realizó una tabla comparativa mostrando las ventajas y desventajas de cada uno de los filtros, esta es la Tabla 1. En dicha tabla se muestra como los tipos 1 y 2 en general tienen un muy buen desempeño en la mitigación de armónicos ya que los reducen casi hasta cero y cubren un amplio rango de los mismos, pero su complejidad en el momento de implementarlos es bastante alta, esto implica un costo mayor en la mano de obra. Además al utilizar elementos de electrónica de potencia tales como tiristores su costo se eleva aún más. El tipo 3 no resulta tan efectivo para mitigar armónicos como los anteriores, mientras que en los tipos 1 y 2 se logra que la distorsión armónica baje hasta el 2%, los filtros tipo 3 logran una disminución hasta del 10%. Sin embargo sus costos de implementación son mucho menores y el control tiene una complejidad mucho menor con lo cual para el caso de procesos educativos de aprendizaje resulta más sencillo que el estudiante comprenda el funcionamiento del control y del filtro híbrido en su totalidad.

14

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Tabla 1. Ventajas y desventajas de los tres tipos de filtros híbridos

Ventajas Desventajas 1. Costo elevado TIPO I

1. Es flexible, mitiga un amplio rango de

corrientes armónicas

2. No es necesario filtros pasivos adicionales

2. Implementación del control compleja

1. Costo elevado, mucho más que el tipo I

TIPO II

1. Disminuye la distorsión armónica casi

en su totalidad

2. Se controla el flujo de corriente a través del

filtro

2.Se necesitan filtros adicionales para cada

orden armónico 1. Bajo Costo TIPO III

1. La disminución armónica no es tan

efectiva como en los dos anteriores casos

2. Implementación sencilla apta para

procesos educativos

2. Se necesita un filtro para cada orden

armónico Esta tabla comparativa se hizo en base a simulaciones únicamente, así que en el caso práctico los valores anteriormente mencionados de distorsiones armónicas pueden variar.

1.3 Cargas no lineales En la red eléctrica existen diferentes tipos de cargas, que son utilizadas para aplicaciones específicas en las industrias y en los hogares en general. Inicialmente en el sistema eléctrico había cargas no lineales pero en número poco significativo, a medida que avanzaron las tecnologías su uso empezó a ser más generalizado creando distorsiones armónicas significativas, de ahí que el estudio de este tipo de cargas se hizo más importante. Estas cargas representan un aumento en la corriente total del sistema y pueden llegar a afectar la calidad del servicio. Dentro de las cargas lineales se puede encontrar motores de inducción y resistencias entre otros. En las cargas no lineales se puede encontrar un gran número de dispositivos que utilizan elementos de electrónica de potencia como son los rectificadores, variadores de velocidad, UPS, inversores, fuentes conmutadas entre otros.

1.3.1 Rectificadores La rectificación es un proceso que convierte una corriente alterna en una corriente continua, que sólo fluye en un sentido. Para ello se inserta en el circuito un rectificador, que sólo permite que pase corriente en un sentido, bloqueando la corriente en el otro. Los primeros rectificadores comerciales convertían corriente alterna en continua para alimentar motores eléctricos y se llamaban conmutadores mecánicos. En la actualidad, la mayor parte de la rectificación se lleva a cabo mediante dispositivos electrónicos, como combinaciones de diodos, tubo de vacío y rectificadores de arco de mercurio.

15

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Los rectificadores electrónicos conducen corriente sólo en un sentido mediante el movimiento de cargas eléctricas dentro del dispositivo. Pueden soportar corrientes de hasta 500 amperios y tensiones de hasta 1.000 voltios, por lo que pueden competir con los rectificadores mecánicos en muchas aplicaciones de potencia. En las aplicaciones de baja tensión, como en los equipos electrónicos, se emplean casi exclusivamente rectificadores de tubo de vacío o de semiconductores.

1.3.1.1 Rectificadores de 6 pulsos La configuración del rectificador de 6 pulsos se muestra en la Figura 8. Configuración del Rectificador de 6 pulsos

Figura 8. Configuración del Rectificador de 6 pulsos

Este dispositivo recibe su nombre debido a que distorsiona la onda de tal forma que por cada ciclo salen seis pulsos. Un ejemplo de la distorsión que genera este rectificador se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Distorsión armónica generada por el rectificador de 6 pulsos y espectro armónico

16

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Esta distorsión se genera debida a que los órdenes armónicos que genera el rectificador en mayor proporción son los del quinto y séptimo orden. La Figura 9 muestra la distorsión armónica generada por un rectificador de 6 pulsos ideal, ya que en la práctica si genera diferentes órdenes armónicos pero en menor proporción. Este rectificador también recibe el nombre de rectificador trifásico debido a que se conecta a las tres fases de la red.

1.3.1.2 Rectificadores de 2 pulsos La configuración del rectificador de 2 pulsos se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Configuración del rectificador de 2 pulsos.

Este dispositivo genera una distorsión de tal forma que en la onda de corriente se ven 2 pulsos por ciclo, por esto su nombre. La forma de onda que queda debido a la distorsión producida por el rectificador y su espectro armónico se ve en la figura 11.

Figura 11. Distorsión armónica generada por el rectificador de 2 pulsos y espectro armónico

17

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

CAPITULO II

DISEÑO DEL FILTRO HIBRIDO

Figura 12.Esquema típico de un filtro pasabanda de cuarto orden

Los filtros constituyen tipos de circuitos diseñados para obtener características específicas de selectividad respecto a la frecuencia. Existen dos clases de filtros: Los filtros eléctricos resonantes que son altamente selectivos y los de selección de banda, que son los más usados, que admiten otras frecuencias. Existen varios tipos de filtros selectores de banda, estos son: pasabanda, rechaza banda, pasa baja y pasa altas.

18

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

2. CAPITULO II: DISEÑO DEL FILTRO HIBRIDO

2.1 Método de Diseño Para el diseño del prototipo para el laboratorio se utilizo el filtro Tipo III, siguiendo la filosofía de control de conexión del filtro pasivo a la red. El sistema de control tiene implícita unos filtros activos pasabanda los cuales son sintonizados al armónico a eliminar en este caso son el 3,5 y 7, estos filtros son los que dan la pauta para la activación de los filtros pasivos ya que descomponen la señal de la onda de corriente en sus componentes armónicas. Inicialmente se definió un sistema piloto con un alto grado de distorsión armónica teniendo en cuenta los recursos del laboratorio, después con el analizador de armónicos Fluke 41B que se muestra en la Figura 13, se obtuvo la información de la distorsión armónica de corriente del sistema; después se buscaron los componentes del filtro pasivo y por ultimo se realizo el diseño y la implementación del sistema de control teniendo en cuenta la información dada por el analizador.

Figura 13. Analizador de armónicos Fluke 41B.

2.1.1 Definición del Sistema Piloto En el sistema piloto se utilizaron varias cargas, de tal modo que esta se pueda variar para observar el efecto en la onda de corriente. Se utilizo un sistema trifásico en el cual se incluyeron diferentes clases de cargas, como un reóstato y un motor sincrónico trifásico; para generar la distorsión armónica se utilizaron un puente rectificador de 6 pulsos el cual produce armónicos principales 5 y 7 y otro de 2 pulsos el cual produce armónico principal 3, como ya se mostró en el capitulo 1; De esta configuración se tomó la fase con mas carga para análisis. Con el fin de cumplir con las restricciones de corriente de la fuente trifásica se optó por colocar un transformador variable entre la fuente y las distintas cargas con el fin de poder controlar el paso de corriente máxima por fase manualmente.

19

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Esquema general del sistema se puede ver en la Figura 14.

Figura 14. Esquema general del sistema.

2.2 Estructura filtro híbrido El filtro híbrido necesita censar la onda de corriente, para esto se utiliza la pinza amperimétrica que es un tipo especial de amperímetro que permite obviar el inconveniente de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir la intensidad de corriente para colocar un amperímetro clásicos; es un transductor de corriente a voltaje y da el equivalente de la señal de corriente en voltaje. Basa su funcionamiento en la medida indirecta de la corriente circulante por un conductor a partir del campo magnético que dicha circulación de corriente genera. En el filtro se va a utilizar la pinza AC que viene como accesorio en el fluke 41B, mostrada en la Figura 15, esta mide un rango entre 1A y 500A en un sistema con un máximo de voltaje de 600V y frecuencias entre 5Hz y 10kHz; como es un transductor de corriente a voltaje por cada amperio la pinza proporciona 1mV.

Figura 15. Pinza amperimétrica.

Los filtros pasivos se diseñaron para armónicos 3,5 y 7 de acuerdo con las cargas no lineales del sistema piloto y para ayuda del control de conexión existen unos filtros

20

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

activos pasabanda el cual descompone la señal de la pinza en componentes frecuenciales y la convierte en un nivel DC por medio de un detector de envolvente estas señales son fundamentales para el modulo de control, que se puede ver en la Figura 16.

Figura 16. Estructura del módulo de control.

El filtro hibrido debe ser conectado aguas arriba de las cargas, en el sistema piloto esta conectado entre el transformador variable y la carga, además la pinza debe ser puesta aguas arriba de la conexión de la fase ya que este tipo de filtros evitan que los armónicos vallan hacia el sistema de alimentación, el esquema de conexión se muestra en la Figura 17.

Figura 17. Esquema de conexión del filtro híbrido

2.3 Filtros Pasivos Una característica importante de los circuitos RLC es la habilidad en AC, en la cual las reactancias son canceladas dependiendo de una frecuencia determinada de la señal de entrada, lo cual hace que se produzca un corto circuito volviendo resistivo un circuito serial RLC a este fenómeno se le llama resonancia, y la frecuencia a la cual sucede se le

21

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

llama frecuencia de resonancia, un ejemplo de lo que ocurre se puede ver en la Figura 18. Esto hace que la amplificación de una señal dependa directamente de la resistencia, si el valor de esta es muy pequeña la corriente aumenta, este es un factor que se aprovechará en el filtro hibrido ya que se quiere drenar la corriente mas alta posible a la frecuencia del armónico a mitigar.

resonanciadefrecuenciafLC

ffC

fLXsi

fCfLjRjXRZ

oR

R

==⇒=⇒=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=+=

πππ

ππ

21

2120

212

Figura 18. Frecuencia de resonancia

A diferencia de los filtros activos, los filtros pasivos resonantes son más selectivos y más aún cuando se utilizan filtros LC en potencia los cuales presentan pérdidas en el cobre de la bobina muy pequeñas que se modela como una resistencia que a veces no alcanza a tener el valor de 1Ω, para el prototipo estos son los filtros a utilizar. Para mostrar esto se va a introducir el concepto de factor de calidad y ancho de banda del filtro a -3dB. La impedancia de un circuito serial RLC se puede mostrar de la siguiente forma:

CalidaddeFactorQ

LCRQ

ff

ffjQR

fCfLjRjXRZ o

oR /

112

12 =⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=+=

ππ

Como se puede ver si se tiene una resistencia muy pequeña da como resultado un factor de calidad grande aunque también depende de los valores de C y L. Los valores del ancho de banda BW a -3dB esta definido como:

RLQf

BW o

/12

==π

[rad/seg]

Se puede decir que con valores de factor de calidad grandes, el ancho de banda tiende a ser pequeño logrando una alta selectividad en el filtro. Los conceptos anteriormente explicados pueden ser visualizados en la Figura 19, se puede observar que la corriente máxima es alcanzada en la frecuencia de resonancia.

22

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 19. Ancho de Banda (BW) de un filtro.

Para determinar los valores de inductancias y capacitores para cada filtro pasivo se obtuvo una grafica de L contra C sintonizada a cada armónico, esta gráfica se muestra en la Figura 20.

Figura 20. Valores de inductancias y capacitores.

Los capacitores deben ser AC y deben tener un voltaje máximo apropiado ya que son los que van conectados directamente a la red de potencia. Comercialmente se encuentran unos de 120uF a 220Vrms. Mirando la Tabla 2 se observa que las respectivas inductancias para estos capacitores son de 1mH para el filtro del tercer armónico, 2.5mH para el filtro de quinto armónico y 7.2mH para el filtro del séptimo armónico. Las inductancias tienen restricción de corriente y dependen del calibre del cable del embobinado. Otro factor importante para tener en cuenta son las pérdidas del cobre del alambre y el núcleo de la bobina, su modelo circuital es una resistencia en serie con la inductancia, esta es importante para definir el factor de calidad ya que es

23

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

demasiada pequeña. A continuación se muestra en la Tabla 2 una estimación de los parámetros del filtro asumiendo el valor de la resistencia.

Tabla 2. Valores de inductancias y capacitores para los órdenes armónicos 3, 5 y 7. Arm.3(180Hz) Arm.5(300Hz) Armn7(420Hz)

R(Ω) 0,1 0,15 0,2C(uF) 120 120 120L(mH) 1 2,5 7,2

Q 28,86751346 19,24500897 14,43375673BW(Hz) 6,235382907 15,58845727 29,09845357

El valor del ancho de banda es pequeño comparado con la frecuencia central de resonancia lo que garantiza la alta selectividad de los filtros pasivos.

2.4 Filtros Pasa Banda Normalmente para el diseño de filtros activos se utilizan sistemas con muchos transistores, un componente que tiene estas características es el amplificador operacional el cual presenta varias ventajas, como buena amplificación gracias a su alta ganancia, disminución del ruido y realización de filtros de órdenes superiores además de utilizar resistencias y capacitores para su implementación. Una desventaja puede ser una limitante en frecuencia pero este no es el caso ya que las frecuencias a utilizar no superan 1KHz. Un filtro Chebyshev es muy utilizado en la teoría de filtros y es de fácil implementación tiene la configuración mostrada en la Figura 21 tanto para pasa bajas y pasa altas.

Figura 21. Configuración de los filtros Chebyshev pasa bajas y pasa altas.

Como se puede ver en la Figura 21 los filtros son de orden n=2, se pueden lograr órdenes mayores si se colocan varios de estos filtros en cascada donde el orden n es dos veces el numero de etapas que se agreguen, un orden mayor significa mayor atenuación en la banda de rechazo del filtro lo cual hace que sea mas selectivo tendiendo a ser como el filtro ideal, esto puede ser visto por medio del diagrama de bode de los filtros normalizando los valores de lo coeficientes de las funciones de transferencia a 1, se pueden apreciar filtros de orden n=2 hasta n=10 en la Figura 22.

24

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 22. Diagramas de bode para filtros pasa altas y pasa bajas de orden 2 hasta 10.

Una desventaja de tener un mayor orden es que el desfase del filtro se aleja del cero (ver Figura 22) y además por cada etapa que se agrega el circuito físicamente crece proporcionalmente aumentando la complejidad en la implementación por el número creciente de dispositivos. Para lograr hacer filtros pasa banda de un orden n definido se colocan un filtro pasa bajas de orden n en serie con un filtro pasa altas de orden n, para hacer filtros rechaza banda los filtros deben colocarse en paralelo como se muestra en la Figura 23. .

Figura 23. Filtros pasa banda y rechaza banda.

Para el prototipo se decidió diseñar filtros de orden n=4, para esta clase de filtro se utilizó el procedimiento de la resistencia de constante y capacitores con factor de escalamiento para filtros pasa bajas y el procedimiento de la capacitancia constante y resistores con factor de escalamiento para filtros pasa altas ya que el tratamiento

25

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

matemático puede llegar a ser tedioso, además los valores de escalamiento se encuentran tabulados para esta clase de filtros. Como son filtros Chebyshev se produce un rizo en la banda de paso del filtro como se muestra en la Figura 24, lo ideal es que el valor de ε tienda a cero.

Figura 24. Banda de paso de un filtro Chebyshev

En este caso ese factor no es de gran importancia por que la frecuencia de paso del filtro pasa altas y pasa bajas es la misma, lo que quiere decir que el filtro pasa banda va a tener un ancho de banda pequeño y el rizo no se alcanza a formar. Las frecuencias de paso de los tres filtros para cada armónico son en 180Hz, 300Hz y 420Hz, el orden n=4 del filtro es suficiente para que la banda de paso sea máximo en estas frecuencias. En la Tabla 3 se puede observar los valores de resistencia y capacitores y su aproximación a valores comerciales obtenidos a partir de los parámetros Ap (Atenuación en dB de la banda de paso), fp (frecuencia de paso), As (Atenuación en dB de la banda de rechazo) y fs (frecuencia de rechazo).

Tabla 3. Valores de resistencias y condensadores y sus aproximaciones para los filtros pasabandas FILTRO PASABANDA 180Hz FILTRO PASABANDA 300Hz FILTRO PASABANDA 420Hz Pasa Bajas Pasa Bajas Pasa Bajas

Ap(dB) -6 Ap(dB) -10 Ap(dB) -10fp(Hz) 180 fp(Hz) 300 fp(Hz) 420As(dB) -30 As(dB) -30 As(dB) -35fs(Hz) 250 fs(Hz) 380 fs(Hz) 600

Pasa Altas Pasa Altas Pasa AltasAp(dB) -10 Ap(dB) -10 Ap(dB) -10fp(Hz) 180 fp(Hz) 300 fp(Hz) 420As(dB) -35 As(dB) -35 As(dB) -30fs(Hz) 120 fs(Hz) 220 fs(Hz) 330

Valores C y R Valores C y R Valores C y R Factores de Escala Factores de Escala Factores de Escala

C11oR11 1,4874 C11oR11 1,4874 C11oR11 1,4874C12oR12 1,1228 C12oR12 1,1228 C12oR12 1,1228C21oR21 3,592 C21oR21 3,592 C21oR21 3,592C22oR22 0,2985 C22oR22 0,2985 C22oR22 0,2985

Pasa Bajas Pasa Bajas Pasa BajasR(omhs) 10000 R(omhs) 10000 R(omhs) 10000

C 8,84194E-08 C 5,30516E-08 C 3,7894E-08C11(F) 1,31515E-07 C11(F) 7,8909E-08 C11(F) 5,63636E-08C12(F) 9,92773E-08 C12(F) 5,95664E-08 C12(F) 4,25474E-08C21(F) 3,17603E-07 C21(F) 1,90562E-07 C21(F) 1,36115E-07C22(F) 2,63932E-08 C22(F) 1,58359E-08 C22(F) 1,13114E-08

Pasa Altas Pasa Altas Pasa AltasC(F) 0,0000001 C(F) 0,0000001 C(F) 0,0000001R 8841,941283 R 5305,16477 R 3789,403407

R11(omhs) 13151,50346 R11(omhs) 7890,902078 R11(omhs) 5636,358627R12(omhs) 9927,731672 R12(omhs) 5956,639003 R12(omhs) 4254,742145R21(omhs) 31760,25309 R21(omhs) 19056,15185 R21(omhs) 13611,53704R22(omhs) 2639,319473 R22(omhs) 1583,591684 R22(omhs) 1131,136917

Valores C y R Aproximados Valores C y R Aproximados Valores C y R AproximadosC11(F) 0,0000001 C11(F) 0,000000076 C11(F) 0,000000054C12(F) 0,0000001 C12(F) 0,000000054 C12(F) 0,000000044C21(F) 0,0000003 C21(F) 0,0000002 C21(F) 0,00000015C22(F) 0,00000003 C22(F) 1,47E-08 C22(F) 0,00000001

R11(omhs) 13000 R11(omhs) 8000 R11(omhs) 5000R12(omhs) 10000 R12(omhs) 6000 R12(omhs) 4000R21(omhs) 30000 R21(omhs) 20000 R21(omhs) 13000R22(omhs) 2500 R22(omhs) 1500 R22(omhs) 1000

26

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

De la Figura 21 se puede ver que cada filtro pasa bajas y pasa altas tiene 2 etapas gracias a su orden y los valores aproximados de C y R son los que se encuentran comercialmente. En la Figura 25 se observan las funciones de transferencia de cada filtro pasa banda con los datos obtenidos.

Figura 25. Funciones de transferencia para cada filtro pasabanda

La validación de estas funciones de transferencia puede verse a través de los diagramas de bode tanto en magnitud como en fase en el dominio de la frecuencia ω [rad/seg] mostrados en la Figura 26.

⎪⎩

⎪⎨

⎧

===

→=segradHz

segradHzsegradHz

f/9.2638:420

/1885:300/1131:180

2ωωω

πω

Figura 26. Diagramas de Bode para los filtros pasabanda.

27

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Como se vio en la Figura 22 los filtros tienen un buena banda de paso a la frecuencia deseada y el desfase es prácticamente cero en ese punto. El problema es que la ganancia de cada filtro es menor a 1 lo cual puede apreciarse más en el filtro para el armónico 7, lo que quiere decir que para cada filtro es necesario agregar una etapa adicional de amplificación. 2.5 Control del Filtro . El control va a ser diseñado de una forma totalmente análoga utilizando voltajes DC, por esto es muy importante el detector de envolvente ya que vuelve una señal periódica en una señal DC como se muestra en la Figura 27.

Figura 27. Detector de envolvente

Mientras el diodo esté conduciendo corriente se carga el condensador, de lo contrario se descarga, este tiempo de descarga es exponencial y la rapidez en su decaimiento depende de la constante RC=τ , si es muy grande el decaimiento es casi constante. La

ecuación del circuito esta dada por: RV

dtdV

Ci ooD +=

Si el diodo no conduce entonces RCtt

ioooo

i

etVtVR

Vdt

dVC)(

)()(−

−=⇒−= ;

picoinio VtV _)( = ; El tiempo ti es cuando el diodo deja de conducir; cuando RC=τ es infinitamente grande comparando con el periodo de la señal de entrada, la descarga es una constante, igual sucede cuando el condensador se está cargando, es decir que se conduce corriente. A esta diferencia de voltaje de carga y descarga se le llama voltaje de rizo, y para este caso se busca que este tienda a cero para lograr una señal DC pura. Teniendo los niveles DC de cada componente armónica de la salida de cada filtro activo se puede proceder a la activación de la conexión de los filtros pasivos a la red. En este caso se pueden utilizar comparadores que de acuerdo a una referencia son activados. Se debe tener en cuenta que la pinza amperimétrica mide proporcionalmente la corriente y su equivalente en voltaje lo que significa que en la activación inicial de los filtros pasivos se presenta un consumo mayor de corriente y por ende la señal de voltaje aumenta considerablemente tanto que cada componente puede sobrepasar su referencia y activar todos los filtros, lo que seria un problema ya que hay unos casos donde todos los filtros no son activados simultáneamente. Para solucionar esto es necesario censar la señal de entrada de la pinza y rectificarla al igual que la de los filtros activos, y de acuerdo a su nivel se activa un comparador u otro

28

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

con distintos niveles de referencia para logar eso se puede utilizar un comparador de nivel en el cual si la entrada esta dentro del nivel establecido se activa o de lo contrario no. Este control usa realimentación ya que de acuerdo a los valores que hay en la entrada se adapta para funcionar de una manera correcta. Los comparadores son de fácil implementación con amplificadores operacionales. En la Figura 28 se puede ver el esquema del sistema de control.

Figura 28. Esquema del sistema de control

29

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

CAPITULO III

SIMULACIONES

Figura 29.Dos de las mejores herramientas para realizar simulaciones son OrCAD y PSCAD

Posteriormente a la etapa de diseño, se procede a la etapa de simulación. Esta etapa es muy importante porque se pueden validar en una primera instancia los valores y diagramas realizados durante la etapa de diseño. A partir de los resultados arrojados en las simulaciones se procede a hacer los respectivos ajustes en los diseños para obtener resultados óptimos y seguir la implementación del prototipo de manera exitosa. Las herramientas de simulación utilizadas en las diferentes etapas del proyecto fueron OrCAD y PSCAD.

30

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

3. CAPITULO III: SIMULACIONES

3.1 Análisis de la carga Antes de realizar el diseño de los filtros necesarios para realizar el prototipo, fue necesario hacer un estudio del tipo de cargas que iban a ser utilizadas para generar la distorsión armónica, se optó por tomar los rectificadores de 2 pulsos y seis pulsos debido a que generan un gran contenido de armónicos los cuales deseaban ser eliminados por el filtro híbrido (3, 5 y 7), se escogieron los primeros órdenes armónicos debido a que son los que generan mayor deformación de la onda de corriente y por consiguiente mayor distorsión armónica, adicionalmente son los que más están presentes en la red eléctrica actualmente. Se realizaron simulaciones observando el tipo de distorsión que generan, su porcentaje y sus consecuencias. Para el rectificador de 2 pulsos se le colocó una carga de 232 Ohmios y un condensador de 100 uF, se simuló con este valor porque dentro de los elementos disponibles en el laboratorio existe un reóstato con este valor. El esquemático utilizado para la simulación se muestra en la Figura 30.

Figura 30. Esquemático utilizado en la simulación del rectificador de 2 pulsos

En la Figura 31 se observan la forma de onda de voltaje en el lado de la carga sigue siendo sinusoidal pura mientras que en el lado de la fuente se observa el voltaje rectificado con un pequeño rizo.

Figura 31. Forma de onda del voltaje en el lado de la fuente (Vs) y voltaje rectificado en el lado de la

carga (Vc).

31

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

En la Figura 32 se observa que las formas de corriente en la fuente (Is) y en el lado de la carga (Ic) varían. Para el caso de la corriente en la fuente se observa como al ser un rectificador de dos pulsos, se generan los dos pulsos correspondientes por cada ciclo distorsionando así la forma sinusoidal pura de la corriente, mientras que en el lado de la carga se tiene una corriente rectificada que tiene un rizo aproximado de 10 mA, este rizo es despreciable en el momento de ser utilizado por los circuitos electrónicos.

Figura 32. Formas de onda de corriente en el lado de la fuente (Is) y en el lado de la carga (Ic)

Observando más claramente como se comporta la distorsión armónica total, según las simulaciones realizadas la distorsión tiene un valor de 100%, con lo que quiere decir que se perdió completamente la forma de onda sinusoidal de la corriente. En la Figura 33 se observa la distorsión armónica total y el valor de los primeros 3 órdenes armónicos (3,5 y 7).

Figura 33. Distorsión armónica total de corriente generada por el rectificador de 2 pulsos

32

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Para el rectificador de seis pulsos, en el lado de la carga se colocó un condensador de 100 uF y un reóstato de 400 Ohmios, que está disponible en laboratorio para el momento de la implementación. El esquemático con el cual se realizó la simulación se muestra en la Figura 34.

Figura 34. Esquemático del rectificador de 6 pulsos.

En la Figura 35 se observan las formas de onda de voltaje del lado de la fuente y en el lado de la carga. En el lado de la fuente se observa que las formas de onda para cada una de las fases permanecen igual, sin distorsión alguna. Adicionalmente siguen estando en fase. En el lado de la carga se observa el voltaje rectificado con un rizo muy pequeño.

Figura 35. Formas de onda de voltaje en el lado de la fuente (Ea, Eb, Ec) y el voltaje rectificado en el

lado de la carga En la Figura 36 se observa las formas de onda de la corriente para las tres fases en el lado de la fuente, se encuentran completamente deformadas debido a la distorsión armónica que genera el rectificador de 6 pulsos. En el lado de la carga la corriente se encuentra rectificado un con un rizo muy pequeño gracias a la acción del condensador instalado.

33

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 36. Formas de onda de la corriente en el lado de la fuente (Ia, Ib, Ic) y corriente rectificada en el

lado de la carga (Is). La distorsión armónica total comparado con el caso anterior aumentó en un 20%, es decir llegó al 120%, esto se debe a que la deformación de la onda es mayor en este caso que cuando se conecta únicamente el rectificador de 2 pulsos. Esto se puede observar en la Figura 37.

Figura 37. Distorsión armónica de corriente generada por el rectificador de 6 pulsos

Finalmente se simularon los diferentes escenarios en los cuales se iban a conectar los filtros pasivos. Básicamente son tres casos:

1. El motor, la resistencia de 76.5 Ohmios y el rectificador de 2 pulsos conectados. 2. El motor, la resistencia de 76.5 Ohmios y el rectificador de 6 pulsos conectados. 3. El motor, la resistencia de 76.5 Ohmios y ambos rectificadores conectados.

En estos 3 casos el ítem más importante para analizar era la forma de onda de la corriente en el lado de la fuente y la distorsión armónica total.

34

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

En el primer caso el esquemático realizado para la simulación se muestra en la Figura 38.

Figura 38. Esquemático realizado para la simulación del escenario en el caso 1.

La fase en la cual se desea hacer la medición, en la que posteriormente se instalará el filtro híbrido para eliminar los armónicos es la fase A. LA forma de corriente para esta fase se muestra en la Figura 39.

Figura 39. Forma de onda para la fase A.

La distorsión de la onda es debido a la acción del rectificador de dos pulsos, es diferente a la simulación mostrada anteriormente donde solo se encontraba el rectificador ya que el motor y la resistencia hacen que la corriente total del sistema aumente y por consiguiente la corriente armónica sea menor, ya que el rectificador entrega a la red la misma corriente armónica que en el caso anterior. La distorsión armónica total en el sistema es del 50%, teniendo el tercer armónico como la principal fuente de distorsión debido a la acción del rectificador de 2 pulsos. La distorsión armónica se redujo al 50% comparando este caso con el rectificador operando exclusivamente, esto se debe al aumento de la componente de 60 Hz de la corriente. El comportamiento de la distorsión armónica se puede observar en la Figura 40.

35

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 40. Distorsión armónica para el caso 1.

En el segundo caso se conecta el rectificador de 6 pulsos con el motor y la resistencia al mismo tiempo, el esquemático utilizado para este caso se muestra en la Figura 41.

Figura 41. Esquemático utilizado para representar el caso 2.

En este caso la deformación de la onda de corriente va a ocurrir en las tres fases debido a que el rectificador de 6 pulsos tiene conexión trifásica, sin embargo, como el filtro híbrido que se va a instalar en monofásico, se analiza la fase en la cual se va a conectar el filtro que como en el caso anterior es la fase A. La forma de la onda de corriente para esta fase se muestra en la Figura 42.

36

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 42. Forma de onda de la fase A para el caso 2.

La forma de onda se diferencia del rectificador conectado exclusivamente debido al aporte de corriente de 60 Hz que hacen el motor y la resistencia. Por esta razón la forma de la onda parece tan diferente al caso ideal. La distorsión armónica está alrededor de un 40% y los armónicos que más inyectan corriente en el sistema son el quinto y el séptimo debido al rectificador de 6 pulsos y tienen un nivel del 28%. En la Figura 43 se observa el comportamiento de la distorsión armónica y el espectro armónico.

Figura 43. Distorsión armónica para el caso 2.

Finalmente en el caso 3, se conectan todas las cargas lineales y no lineales para observar como afecta al sistema. El esquemático de este caso se puede observar en la Figura 44.

37

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 44. Esquemático utilizado en el caso 3.

En este caso con todas las cargas conectadas el consumo de corriente es mucho mayor que en los dos casos anteriores, la onda se mantiene bastante deformada lo que significa que la distorsión de corriente total es alta. La forma de la onda de corriente se observa en la Figura 45.

Figura 45. Forma de onda de corriente de la fase A para el caso 3.

La distorsión armónica está en un 46%, lo cual es una distorsión bastante alta en el sistema. En el espectro armónico se observa como los armónicos 3, 5 y 7 se mantienen casi en el mismo nivel, alrededor de un 30% de la corriente de 60 Hz. Estas gráficas pueden observarse en la Figura 46. En general en los tres casos la distorsión armónica es bastante alta y se hace necesaria la utilización de filtros para reducir esta distorsión armónica a niveles donde no sea perjudicial para los equipos conectados en este sistema. Los rectificadores son grandes generadores de corriente armónica por lo tanto son bastante adecuados para modelar un sistema con corrientes armónicas altas, y la

38

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

introducción de cargas lineales hace que el sistema tome variaciones no previstas como la reducción de la distorsión armónica total.

Figura 46. Distorsión armónica en la fase A para el caso 3.

3.2 Simulación por etapas Durante el proceso de diseño del prototipo se dividió el proceso de diseño y simulación en dos etapas. En la primera etapa se diseñaron los filtros activos los cuales iban a ser utilizados para el control del filtro híbrido. Primero se realizó el diseño de dichos filtros pasabanda (como se explicó en el capitulo anterior), posteriormente se ajustaron los valores de las resistencias y los condensadores a los valores comerciales más cercanos posibles sin que el desempeño del filtro cayera de una forma drástica, se realizó la simulación respectiva para verificar que en el barrido de frecuencias dejaran pasar solo la frecuencia de corte y tuvieran un ancho de banda lo menor posible. Según los resultados de las simulaciones las señales de salida del filtro eran correctas, sin embargo eran señales muy débiles que no podrían ser manejadas posteriormente por el controlador, por lo tanto se tomó la decisión de incluir una etapa de amplificación para que las señales de salida del filtro pudieran ser utilizadas posteriormente en la rectificación de la señal y por el controlador mismo para realizar la acción más adecuada. Teniendo los filtros activos diseñados se diseño el controlador el cual tiene la función principal de decidir en que momento deben entrar en operación los filtros pasivos, una vez diseñado dicho controlador se hizo su simulación respectiva y a continuación se hizo una simulación de este módulo completo, una vez validada la simulación se procedió con la segunda etapa de diseño y simulación. Durante la segunda etapa se realizó el diseño de los filtros pasivos resonantes, se hallaron los valores respectivos de inductancias y capacitores para que la frecuencia de resonancia de dichos filtros fuera la adecuada. Posteriormente se hizo un ajuste para que los valores de estos elementos fueran comerciales y fuera posible su implementación.

39

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Apoyados en la simulación se encontraron los valores comerciales que tuvieran el mejor desempeño para la mitigación de armónicos para posteriormente proseguir a la selección de componentes y la implementación. A continuación se muestran los resultados de las simulaciones realizadas para cada una de las etapas.

3.2.1 Simulación de los filtros pasabandas Los filtros pasabandas son de cuarto orden con una etapa de amplificación como se mencionó en el capitulo anterior, con lo cual se garantiza que la frecuencia del armónico correspondiente que se desea eliminar tenga poca atenuación, mientras que el resto de frecuencias sea atenuada en su totalidad para tener una certeza de cual es el valor de la corriente armónica. El esquemático de este filtro se muestra en la Figura 47.

Figura 47. Esquemático para el filtro pasabandas

En la Tabla 3 se muestran los valores de las resistencias y los condensadores utilizados en los filtros pasabandas los cuales tienen frecuencias de de 180 Hz, 300 Hz y 420 Hz. Los valores de esta tabla fue necesario ajustarlos para tener valores comerciales los cuales fueran posibles de implementar exitosamente. Los resultados de la simulación que se muestran a continuación son con los valores ya ajustados. El ajuste de estos valores afecta un poco el desempeño del cada uno de los filtros pasabandas pero sigue estando el rango de paso de banda aceptable para la aplicación que se desea montar. Los filtros pasabandas están compuestos por dos filtros, un filtro pasa bajas y un filtro pasa altas, por medio de estos dos filtros se construye el filtro pasabandas.

40

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

En la simulación se hizo un barrido en frecuencia para verificar que la frecuencia deseada no fuera atenuada, el comportamiento en frecuencia se puede ver en la Figura 48.

Figura 48. Respuesta en frecuencia de los filtros pasabandas.

Para filtrar la frecuencia de 180 Hz el filtro tiene una ganancia aproximada de 1.1 voltio como se ve en le gráfica de color morado, tiene un rango de paso de banda de 20 Hz alrededor de la frecuencia central. Para el caso del filtro pasabanda para la frecuencia de 300 Hz se tiene una ganancia de 1.2 voltios y un rango de paso de banda igual que el anterior. El filtro pasabanda para la frecuencia de 400 Hz tiene un comportamiento similar al filtro anteriormente mencionado. Simulando una entrada distorsionada para los tres filtros pasabandas, se espera que cada uno filtre la señal para la cual esta diseñado, descomponiendo así la señal original en cada uno de los órdenes armónicos que se desean eliminar, esto se puede observar en la Figura 49.

Figura 49.Respuesta de los filtros pasabandas en el tiempo.

En la figura anterior se muestra como la señal de entrada (en azul) se encuentra bastante distorsionada, esta señal tiene componentes armónicas de tercero, quinto y séptimo orden. La señal morada corresponde a la señal de salida del filtro pasabandas para el tercer armónico, esta señal es la componente de 180 Hz presente en la señal de entrada.

41

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

La señal verde es la componente de 300 Hz presente en la señal de entrada que es la salida del filtro pasabandas correspondiente al quinto armónico, por ultimo se tiene la gráfica en azul claro que es la componente armónica de 420 Hz que es la salida del filtro pasabandas correspondiente al séptimo armónico.

3.2.2 Simulación del controlador Para que el controlador pueda utilizar las señales provenientes de los filtros pasabandas es necesario rectificarlas, esto se hace con un detector de envolvente como el de la Figura 50. El valor del condensador utilizado para eliminar el rizo es de 330 uF y la resistencia para que se descargue el condensador es de 1 KΩ. En la Figura 50 se muestra la simulación realizada de los 3 detectores de envolvente para cada uno de los filtros pasabanda.

Figura 50. Salida de los detectores de envolvente para cada uno de los filtros pasabandas.

Los niveles DC varían dependiendo de la carga que haya en el sistema, cuando están conectados únicamente las cargas lineales (motor y reóstato) estos niveles son bajos, mientras que en el momento en que se conectan los rectificadores (en los tres casos mencionados anteriormente) los niveles DC suben y varían dependiendo de la distorsión armónica presente en el sistema. El esquemático del controlador se puede observar en la Figura 51. El controlador recibe estos valores DC, rectifica el valor obtenido por la pinza amperimétrica y según el nivel de voltaje en el que se encuentre es posible saber si existe algún filtro pasivo operando, ya que al conectar alguno de los filtros pasivos la corriente total del sistema aumenta, por lo tanto el valor rectificado en el controlador de los datos obtenidos por la pinza también aumenta. De acuerdo con el valor rectificado de la pinza el controlador debe decidir con que referencia comparar las señales rectificadas provenientes de los filtros pasabandas, por esta razón se instaló un comparador de nivel cuya función es notificar al control en que momento se está trabajando con los filtros en operación para cambiar la referencia para mantener los filtros controlados en todo momento, en caso de que no existiera este comparador de nivel en el momento en el cual entra en operación alguno de los filtros

42

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

pasivos se dispararían instantáneamente todos los filtros así no fuera necesario que entraran en operación.

Figura 51. Esquemático utilizado para el controlador

En el sistema de control los dispositivos de conexión son relevos; como se van a utilizar comparadores con amplificadores operacionales es necesario independizar la señal de activación hacia el relevo, ya que este puede requerir corriente que el amplificador no puede darle y puede llegar a deteriorarlo o a dañarlo, por esto se utilizo un transistor bipolar PNP (referencia Q2N2222A) que dependiendo de la señal de la base (0V o Vcc) deja circuito abierto en la bobina (en la cual un extremo esta conectado a Vcc) del relevo mediante el colector o conecta el emisor que va a tierra. Esto se puede apreciar en la Figura 52.

43

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 52. Simulación comparador lógico y activación relevo

Como se puede ver en la grafica, haciendo un barrido de voltaje DC con la señal de salida del INA se observa que la posición 2 del relevo cambia de 0v a 4V (voltaje de entrada del relevo) solamente en el rango establecido por el comparador lógico de nivel, que en esta simulación esta entre 2.7V y 5V. En el módulo de control se van a necesitar tres comparadores como los de la Figura 52. Si se observa la Figura 28 se observa que en la siguiente etapa, el par de comparadores lógicos y el otro relevo (que es el otro mecanismo de conexión, que se activaría con la misma señal que la simulación anterior) activan el mecanismo de conexión de los filtros pasivos que en el prototipo también es un relevo.

3.2.3 Simulación de los filtros pasivos Los filtros pasivos son los encargados de eliminar la corriente armónica, en el momento en que son conectados deben ser capaces de llevar la distorsión armónica a niveles bajos. En el caso 1 (cargas lineales y rectificador de 2 pulsos en operación), es necesario conectar únicamente el filtro designado para mitigar el tercer armónico, ya que el rectificador de 2 pulsos genera únicamente este tipo de armónico. Se espera que en el momento en el cual el filtro entre en operación la distorsión armónica total se reduzca por lo menos por debajo del 10%. Se debe tener en cuenta que como los filtros contienen elementos inductivos y capacitivos, en el momento en que entren en operación ocurrirá un transiente de corriente en el cual habrá un pico de corriente bastante alto, este pico de transiente es despreciable debido a su tiempo de duración (algunos pocos milisegundos). La distorsión armónica también tendrá un transiente, pero el concepto de distorsión armónica transitoria no se aplica, la distorsión armónica a tener en cuenta es la distorsión en estado estable.

44

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Para el caso 1, el esquemático de la simulación se muestra en la Figura 53.

Figura 53. Esquemático para la simulación del filtro pasivo para el caso 1.

Los resultados de la simulación arrojaron los resultados mostrados en la Figura 54.

Figura 54. Formas de onda de corriente en la fase A sin y con los filtros pasivos

45

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Como se aprecia en la figura anterior la forma de onda de corriente se encuentra bastante deformada como consecuencia de los armónicos inyectados por el rectificador monofásico. Observando la Figura 55 se muestra que los órdenes armónicos 3, 5 y 7 tienen un nivel muy parecido, por esta razón se optó por activar los dos filtros pasivos en este caso.

Figura 55. Distorsión armónica y corriente a través del filtro pasivo.

Los resultados de la simulación muestran como antes de que los filtros entren en operación la distorsión armónica está alrededor del 35%, en el momento en el cual el filtro se conecta al sistema dicha distorsión se reduce por debajo del 15%, lo cual muestra una reducción de más del 25%. Igualmente al analizar el espectro armónico en el sistema se observa como desde el momento en el que se activa el filtro cada uno de los órdenes armónicos se ven reducidos llevándolos por debajo del 5%. En la tercera gráfica de la Figura 55, se muestra la corriente que pasa a través del filtro, desde el momento en que entra en operación filtra la corriente armónica, debido a este consumo de corriente en el filtro es que la corriente total en el sistema aumenta. Para el caso 2 (cargas lineales y el rectificador de 6 pulsos conectados), se tomó el esquemático mostrado en la figura. En este caso se utilizó el filtro pasivo designado para el quinto armónico, la razón por la cual se tomó este filtro únicamente radica en que no se implementó el filtro del séptimo armónico porque con este filtro se obtiene una reducción de la distorsión aceptable. Adicionalmente en el momento en el cual se encuentra conectado todo el sistema

46

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

completo la corriente total del sistema superaría los 10 A, que supera la corriente soportada por el transformador variable y la fuente trifásica. Para el caso 2, el esquemático utilizado para la simulación se muestra en la Figura 56.

Figura 56. Esquemático utilizado para la simulación del filtro pasivo en el caso 2.

La forma de onda en la fase A se encuentra bastante dañada como ya se ha mostrado ampliamente, en el momento en que el filtro pasivo entra en operación, la corrección de la onda se hace evidente. Esto se observa en la Figura 57 En el momento en que entra en operación el filtro ocurre un transiente de corriente, sin embargo por la corta duración del mismo no se tiene en cuenta este pico de corriente. El filtro se demora un poco en hacer la corrección de la distorsión armónica, sin embargo, como no es importante el tiempo de respuesta, esta demora no representa problema alguno en el diseño del prototipo.

47

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 57. Formas de onda de corriente en la fase A sin y con los filtros pasivos.

La distorsión armónica baja de un 24% a un valor de 12%, es decir que la reduce a la mitad, se observa en la figura como la distorsión se demora aproximadamente 1.5 segundos para llegar a su valor mínimo. Esto se observa en la Figura 58

Figura 58. Distorsión armónica total y corriente a través del filtro pasivo.

48

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Para el caso 3, el esquemático utilizado en la simulación se muestra en la Figura 59.

Figura 59. Esquemático utilizado para la simulación de los filtros pasivos en el caso 3.

La forma de onda de corriente se encuentra distorsionada debido a la inyección de armónicos por parte de los dos rectificadores, esto se observa en la Figura 60.

Figura 60. Formas de onda de corriente para la fase A sin y con los filtros pasivos.

49

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

La distorsión armónica se muestra en la Figura 61.

Figura 61. Distorsión armónica total y corriente a través de los filtros.

En la figura anterior se observa como con la acción de los filtros pasivos se reduce la distorsión armónica total del 36% al 11%. Se logra una buena reducción de la distorsión armónica y por lo tanto una corrección en la forma de onda de corriente que va hacia la fuente. Analizando el espectro armónico se observa como se logra una reducción los niveles armónicos presentes en el sistema, por esta razón es que la distorsión armónica total se ve disminuida. El consumo de corriente de cada uno de los filtros pasivos es aproximadamente el mismo. En general en los tres casos expuestos los filtros pasivos tienen un desempeño satisfactorio desde todos los puntos de vista, se logra una buena reducción de la distorsión armónica total y la forma de onda de corriente para la fase A, que es la fase en la cual se conectan todas las cargas, es corregida retornando casi en su totalidad a la forma sinusoidal pura.

50

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

CAPITULO IV

MONTAJE

Figura 62. Vista lateral del prototipo

Después de haber validado todo el diseño por medio de simulaciones, el último paso es la selección de componentes y la implementación final del prototipo. En este paso se realiza el diseño de los PCB, diseño de la interfase e integración de todos los módulos y la validación del prototipo.

51

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

4. MONTAJE

4.1 PCB Para el montaje definitivo fue necesario como primera medida el diseño de los pcb, se decidió partir el pcb del controlador en dos partes para que su implementación fuera más simple. En un primer pcb se integraron los tres filtros activos, es decir los filtros pasabandas y su señal rectificada, estas tres señales junto con la señal proveniente de la pinza amperimétrica son entradas de el segundo pcb. En este segundo pcb se integró el controlador como tal, de este circuito salen las señales con las cuales se activan o desactivan los filtros pasivos. Los pcb realizados se muestran en la Figura 63 y la Figura 64.

Figura 63. PCB para los filtros activos.

Figura 64. PCB para el controlador

52

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

4.2 ALIMENTACION

La alimentación de de los circuitos análogos donde se encuentran los filtros activos y el controlador se hace directamente desde la fuente trifásica. Para lograr esto, fue necesario instalar un módulo de alimentación, el pcb para este módulo se muestra en la Figura 65.

Figura 65. PCB para el módulo de alimentación.

En este módulo se incluye un transformador 120V-24V, una etapa de rectificación de dicha señal y tres conversores DC-DC Texas Instruments excalibur referencia PT4582 y PT4584. La función principal de estos conversores DC-DC es mantener un voltaje constante de alimentación en los circuitos para que estos puedan operar correctamente, se instalaron tres conversores DC-DC para que entreguen 5V, 15V y -15V respectivamente.

53

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 66. Módulo de alimentación

4.3 Validación del montaje El módulo de carga fue diseñado en su totalidad ya que los rectificadores que se encontraban en el laboratorio estaban dañados o no soportaban los requerimientos de voltaje y corriente necesarios. En la Figura 67 se puede observar el sistema completo con todas las cargas conectadas con la fuente trifásica y el transformador variable.

Figura 67. Sistema completo con todas las cargas conectadas

54

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Para los rectificadores (2 pulsos y 6 pulsos) fue necesario implementarlos con diodos que soportan una corriente 6A, se encuentran sobredimensionados para evitar daños por errores en la conexión, por ejemplo si se presenta un corto trifásico, bifásico o monofásico. Se decidió implementar dichos rectificadores en una caja aparte para que puedan ser utilizados en diferentes aplicaciones además de utilizarse para operar con el filtro híbrido. La implementación de estos rectificadores se puede ver en la Figura 68.

Figura 68. Rectificadores de 2 y 6 pulsos

Para el caso de los filtros pasivos, se implementaron con capacitores que soportan una tensión máxima de 240VAC, inicialmente se intentó con unos condensadores de 220V pero se explotaron debido a que no eran capaces de almacenar la energía que se manejaba en el circuito, y no existían en el mercado unos capacitores intermedios. Las inductancias utilizadas fueron adquiridas con un calibre suficiente para que no se quemaran en el momento de conectarlas al circuito. Inicialmente las inductancias iban a hacer hechas para el proyecto, pero debido a que en Colombia no se consiguen los núcleos necesarios para hacer las inductancias, se adquirieron valores similares a los que se necesitaban, y para obtener el valor de inductancia requerido para la aplicación lo que se hizo fue quitarle número de vueltas manualmente.

55

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 69. Filtros pasivos

Los planos de las cajas de los módulos se diseñaron en acrílico blanco que es un buen aislante en caso de alguna explosión o corto circuito. Los planos se muestran a continuación en las Figura 70 y Figura 71.

Figura 70. Plano de la caja para el módulo de carga

56

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 71. Plano de la caja para el filtro híbrido

4.3.1 Costos El costo total del prototipo, discriminado por módulos se encuentra en la tabla.

Tabla 4. Costos discriminados por módulos de todo el prototipo Componentes electrónicos $ 24.278 Filtros Activos

y controlador PCB $ 45.000 Total filtros A. $ 69.278 Inductancias $ 30.000 Filtros pasivos Capacitores $ 30.000 relevos $ 3.600 Baquela $ 4.000 Total Filtros P. $ 67.600 Transformador $ 10.000 Alimentación Conversores DC-DC $ 40.000

57

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Componentes electrónicos $ 2.000

Total Al. $ 52.000 Condensadores $ 14.000 Módulo de carga diodos $ 8.000 baquelas $ 4.000 Total M. de C. $ 26.000 caja principal $ 40.000 Empaque caja rectificadores $ 10.000 bornes, conectores, etc $ 10.000 Total Empaque $ 60.000 TOTAL PROTOTIPO $ 274.878

Dentro del ítem componentes electrónicos de los filtros activos y controlador se encuentran incluidos todos los condensadores (Cerámicos y electrolíticos), resistencias y circuitos integrados (principalmente amplificadores operacionales) que integran esta parte del prototipo. Dentro de este presupuesto no se incluyó la hora de trabajo de ingeniería.

4.3.2 Comparación entre datos reales y simulación De acuerdo con los datos obtenidos tomando mediciones con el sistema real y las simulaciones hechas anteriormente, se obtuvieron las siguientes tablas comparativas.

Tabla 5. Tabla comparativa de los 3 casos sin tener en cuenta los filtros pasivos Caso 3 simulación Real

corriente Ipico 5ª 6A

%THD 46% 51%espectro 3 27% 20%armónico 5 25% 30% 7 25% 27%Caso 2 simulación Real

corriente Ipico 4ª 4.5A

%THD 40% 40%espectro 3 1% 1%armónico 5 28% 24% 7 28% 22%Caso 1 simulación Real

corriente Ipico 4.2A 5A

%THD 50% 45%espectro 3 30% 25%armónico 5 22% 20% 7 10% 12%

58

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Tabla 6 Tabla comparativa de los 3 casos teniendo en cuenta los filtros pasivos. Caso 3 simulación Real

corriente Ipico 10A 12A

%THD 11% 16%espectro 3 8% 8%armónico 5 8% 15% 7 8% 10%Caso 2 simulación Real

corriente Ipico 4.5A 5.5A

%THD 12% 20%espectro 3 1% 5%armónico 5 18% 20% 7 18% 13%Caso 1 simulación Real

corriente Ipico 10A 11A

%THD 15% 20%espectro 3 12% 7%armónico 5 10% 15% 7 11% 7%

La diferencia promedio entre los valores de corriente pico entre las simulaciones y los datos tomados con el prototipo es alrededor de 0.8A. La diferencia promedio entre el %THD simulado y medido está en 3.2%. Estas diferencias se deben a varias razones: • Las simulaciones de los filtros pasivos se hicieron tomando una resistencia del filtro

de 0 Ohmios, lo cual en la realidad no ocurre. • El motor inyecta una distorsión armónica de alrededor del 15%, lo cual en las

simulaciones no ocurre, esto contribuye a que haya una diferencia entre los valores medidos y los simulados.

• El reóstato variable cambia de resistencia muy fácilmente, con lo cual los valores de corriente a través del circuito varían.

59

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

CAPITULO V

PRACTICAS DE LABORATORIO

Figura 72. Mediciones del sistema hechas con multímetros análogos

Una importante herramienta para que los estudiantes se familiaricen con el manejo de los elementos de potencia y el prototipo son las prácticas de laboratorio. Están diseñadas para que por medio de un proceso guiado el estudiante maneje todos los conceptos involucrados con corrientes armónicas y manejo de filtros.

60

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

5. PRACTICAS DE LABORATORIO

5.1 Objetivos Se dividieron las prácticas de laboratorio en tres prácticas para distribuir el tema de la siguiente forma: La primera práctica es para que el estudiante se familiarice con los elementos de medición, con el filtro híbrido, el módulo de carga y el esquema de conexión. En la segunda práctica se introduce al estudiante en el tema del funcionamiento del filtro híbrido y la introducción del tema de cargas no lineales y su efecto en los sistemas de potencia. Por último en la tercera práctica se espera que el estudiante observe el efecto de los filtros en la solución de mitigación de armónicos, y como una solución apropiada para la calidad de la potencia eléctrica. Las prácticas de laboratorio fueron subidas a la red y se pueden encontrar en la siguiente dirección electrónica: wwwest.uniandes.edu.co/~h-fafan/index.htm

5.2 Practica 1

LABORATORIO FILTRO HIBRIDO

PRACTICA 1: INSTRUMENTACION

Objetivos:

1. Adquirir la habilidad necesaria para implementar el sistema de pruebas para el filtro hibrido teniendo en cuenta la seguridad del estudiante.

2. Entender el funcionamiento del filtro hibrido para la toma de mediciones y su

forma de conexión en el sistema de pruebas.

Materiales:

• Transformador variable trifásico (VARIAC) de 10A.

• Motor sincrónico trifásico.

• 2 Multavis o multimetros análogos.

61

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

• Osciloscopio.

• 3 Reóstatos (73Ω, 232 Ω y 460 Ω)

• Modulo de puentes rectificadores de onda completa trifásico y monofásico.

• Modulo de filtro hibrido.

• Pinza Amperimetrica 80i-500s.

• Cables de conexión de potencia.

Figura 1. Pinza Amperimetrica

Preinforme:

Para la completa comprensión de la práctica el estudiante deberá tener claros los siguientes conceptos:

1. ¿Como funciona un motor sincrónico trifásico? y ¿como es la conexión física con una fuente de alimentación trifásica?

2. ¿Como es la configuración y funcionamiento de un rectificador de 6 pulsos y

uno de 2 pulsos? ¿que efectos produce a la red de potencia?

3. ¿Qué es un filtro hibrido? ¿Cuál es su funcionalidad en la red de potencia?

4. ¿Cómo funciona una pinza amperimetrica AC? Practica: Procedimiento (lea cuidadosamente): Utilizando un multavi como amperímetro y otro como voltímetro monte el sistema de la Figura 2. La carga resistiva es de 73Ω. El modulo de puentes rectificadores tiene internamente capacitores de 100uF, a la salida de carga del rectificador de 6 pulsos conecte un reóstato de 460Ω y al de 2 pulsos conecte el reóstato de 232 Ω. La forma de conexión del motor es con un arrancador Y en el rotor (ya hecha internamente) – Δ en el estator donde se alimenta únicamente con las tres fases. El variac se conecta al panel de alimentación trifásica. Antes de iniciar con los pasos del procedimiento verifique bien las conexiones.

62

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 2. Sistema de pruebas

1. Con el variac varíe lentamente el voltaje observando la corriente hasta alcanzar

90 voltios, en este paso debe darse cuenta que la corriente no suba demasiado rápido; el motor ya debe estar en movimiento. Tome el dato de la corriente.

2. Apague el sistema de alimentación hacia la carga bajando el voltaje hasta cero y

abriendo el circuito con el seccionador del lado de baja del variac. Ahora conecte el modulo de filtro hibrido; debe situarse como esta en la figura 3: Primero conecte L1 y el neutro, después conecte la pinza amperimetrica al filtro y mida en la fase L1 con esta, posiciónela como se muestra en la figura 3. Por ultimo conecte la salida que queda en el filtro al osciloscopio.

63

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 3. Conexión del filtro hibrido.

3. La salida hacia el osciloscopio muestra la forma de onda de corriente en su

equivalente en voltaje que pasa por la fase medida. Para alimentar haga lo mismo que en el paso 1, el voltaje debe llegar hasta 90 Voltios, cerciórese que el filtro este desactivado. Ahora mire la corriente del amperímetro y observe la forma de onda y dibújela, haga lo mismo activando el filtro (debe tener cuidado de no pasar de los 90 voltios ya que si lo hace la corriente también sube y puede alcanzar mas de 10A que es el máximo de corriente que soporta el panel de alimentación y el variac)

Informe:

• De acuerdo con los resultados obtenidos y los datos tomados de esta práctica haga una explicación conceptual sobre el fenómeno observado, tenga en cuenta lo investigado en el preinforme.

• Realice un diagrama de flujo donde mencione el procedimiento de conexión del

sistema de pruebas. Haga lo mismo para la conexión y el manejo del filtro hibrido.

• Incluir conclusiones y bibliografía.

64

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

5.3 Practica 2

LABORATORIO FILTRO HIBRIDO

PRACTICA 2: FUNCIONAMIEMTO MODULO

F FILTRO HIBRIDO Y EFECTO DE LAS CARGAS

NO LINEALES SOBRE SISTEMAS DE POTENCIA

Objetivos:

1. Entender el funcionamiento del modulo de filtro hibrido del laboratorio.

2. Observar y comprender los cambios que realiza el filtro los sistemas eléctricos.

3. Entender y observar como las cargas no lineales afectan en el sistema de potencia la forma de onda de corriente.

Materiales:

• Transformador variable trifásico (VARIAC) de 10A.

• Motor sincrónico trifásico.

• 2 Multavis o multimetros análogos.

• Osciloscopio.

• 3 Reóstatos (73Ω, 232 Ω y 460 Ω)

• Modulo de puentes rectificadores de onda completa trifásico y monofásico.

• Modulo de filtro hibrido.

• Pinza Amperimetrica 80i-500s.

• Cables de conexión de potencia.

Preinforme: El filtro hibrido del laboratorio es un conjunto de filtros pasivos resonantes sintonizados a la frecuencia del armónico a eliminar, es hibrido por que también contiene unos filtros activos pasa banda que descomponen la señal de la pinza amperimetrica en sus componentes armónicas y ayudan al control de conexión de los filtros pasivos al sistema de pruebas. La estructura básica se puede apreciar en la figura

65

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

1. Pueden encontrar más información sobre este prototipo en el proyecto de grado que se encuentra en la biblioteca : “Diseño e Implementación de un Filtro Híbrido a Escala para su Aplicación en el Laboratorio del Departamento de IEE”

Figura 1. Estructura Básica del Filtro Hibrido.

Cuando se sienten armónicos estos pueden ser visualizados en los leds del modulo; cuando el filtro es activado los leds también indican el filtro pasivo que ha sido conectado a la red. Para la práctica realice las siguientes simulaciones en PSCAD: Arme el sistema de prueba del laboratorio tal como se muestra en la figura 2. Para la conexión de los filtros pasivos al sistema utilice breakers activados por un control de tiempo para todos. (Los valores de los filtros pasivos son: capacitores de 120uF para los tres filtros e inductancias de 1mH, 2.5mH y 7.2mH respectivamente)

Figura 2. Sistema de pruebas en Pscad

66

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

1. Simule gráficamente sin activar los filtros pasivos la señal de voltaje L1 y la corriente en L1 antes de los filtros pasivos.

2. Realice lo mismo del punto 1 quitando el puente rectificador de 6 pulsos. 3. Realice lo mismo del punto 1 quitando el puente rectificador de 2 pulsos.

4. Realice lo mismo de los puntos 1,2 y 3 pero activando los filtros pasivos.

5. Realice lo mismo del punto1 quitando los dos rectificadores.

6. Presente resultados y concluya.

Practica: Procedimiento: Teniendo en cuenta lo realizado en la practica 1, y siguiendo el diagrama de flujo que usted ya realizo, monte el sistema de la figura 3 cuidadosamente verificando conexiones y haciendo una prueba alimentando hasta 90 voltios y observando si el motor se mueve. (debe tener cuidado de no pasar de los 90 voltios ya que si lo hace la corriente también sube y puede alcanzar mas de 10A que es el máximo de corriente que soporta el panel de alimentación y el variac). Después desenergice.

Figura 3. Conexión del sistema de pruebas y filtro hibrido.

1. Desconecte el rectificador de 6 pulsos abriendo el circuito, desconectado en el

modulo de los puentes rectificadores el reóstato de 460 Ω. Energice y observe la forma de onda del osciloscopio, dibújela y mida la corriente. Active el filtro hibrido y haga lo mismo. Desenergice.

2. Ahora conecte el rectificador de 6 pulsos y desconecte el de 2 pulsos de la

misma forma que en la parte 1. Energice y observe la forma de onda del

67

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

osciloscopio, dibújela y mida la corriente. Active el filtro hibrido y haga lo mismo. Desenergice.

3. Por ultimo desconecte los dos puentes rectificadores. Energice y observe la

forma de onda del osciloscopio, dibújela y mida la corriente. Active el filtro hibrido y haga lo mismo. Desenergice.

Informe:

• De acuerdo con los resultados obtenidos y los datos tomados de esta práctica y la practica 1 haga una comparación con las simulaciones realizadas en el preinforme. Haga explicación conceptual sobre el fenómeno observado.

• De acuerdo a las observaciones del filtro hibrido haga una explicación sobre su

funcionamiento. Explique que hace en el punto 3 del procedimiento.

• Incluir conclusiones y bibliografía.

5.4 Practica 3

LABORATORIO FILTRO HIBRIDO

PRACTICA 3: EFECTOS DEL FILTTRO HIBRIDO

SOBRE EL SISTEMA Y MEDICION DEL THD Objetivos:

1. Entender como se afecta del coeficiente de distorsión armónica en diferentes puntos del sistema.

2. Lograr hacer una comparación del sistema de pruebas con un sistema real de

potencia.

3. Entender otros usos que el prototipo de filtro hibrido del laboratorio tiene.

Materiales:

68

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

• Transformador variable trifásico (VARIAC) de 10A.

• Motor sincrónico trifásico.

• 2 Multavis o multimetros análogos.

• Osciloscopio.

• 3 Reóstatos (73Ω, 232 Ω y 460 Ω)

• Modulo de puentes rectificadores de onda completa trifásico y monofásico.

• Modulo de filtro hibrido.

• Pinza Amperimetrica 80i-500s.

• Cables de conexión de potencia.

Preinforme: Cuando se tiene montado el sistema de la figura 1 y el filtro esta desactivado, vemos que este puede funcionar como medidor AC de la onda de corriente, solo se debe situar la pinza amperimetrica en cualquier punto del sistema donde se quiera medir. Otro factor importante es que con el osciloscopio se puede hacer análisis de Fourier ya que tiene la opción de hacer la FFT (Fast Fourier Transform) que aunque a veces no es muy clara puede hacerse una buena aproximación para los cálculos del THD (Total Harmonic Distortion).

Figura 1. Conexión del sistema de pruebas y filtro hibrido.

Comparado el sistema de pruebas con un sistema real se podría ver de la siguiente forma (ver figura 2):

69

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

Figura 2. Ejemplo sistema de potencia real

Para la práctica realice las siguientes simulaciones en PSCAD: Son las mismas simulaciones de la practica 2 solo que se le debe agregar la simulación de corriente después de los filtros pasivos cuando estén activados. Además también se deben hacer simulaciones de la corriente que pasa por las otras dos líneas L2 y L3 (fases no analizadas). A cada una de las graficas de corriente se le debe hacer la FFT para hallar cada componente armónica de magnitud y fase; también en cada caso se debe determinar el THD. Presente resultados y concluya. Teniendo en cuenta el sistema de la figura 2:

• ¿Donde se debe ubicar el filtro hibrido? ¿cual es la finalidad de este en el sistema?

• Haciendo una analogía con el sistema de pruebas ¿donde seria en punto de

acople común PCC? Practica: Procedimiento: Teniendo en cuenta lo realizado en la practica 1, y siguiendo el diagrama de flujo que usted ya realizo, monte el sistema de la figura 1 cuidadosamente verificando conexiones y haciendo una prueba alimentando hasta 90 voltios y observando si el motor se mueve.

70

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

(debe tener cuidado de no pasar de los 90 voltios ya que si lo hace la corriente también sube y puede alcanzar mas de 10A que es el máximo de corriente que soporta el panel de alimentación y el variac). Después desenergice.

1. Repita el procedimiento de la practica 2 haciendo la FFT en el osciloscopio y determine una aproximación para la magnitud de cada armónico para el calculo del THD en cada caso.

2. Haga lo mismo que en el punto 1 pero con el sistema completo. Ahora quite la

pinza donde esta y mida después de el filtro hibrido como el la figura 3 observe la forma de onda y dibújela.

Figura 3. Pinza amperimetrica después de los filtro

3. Con el circuito energizado y desactivando el filtro hibrido quite la pinza amperimetrica y mida las otras dos fases L2 y L3. Para cada caso observe y dibuje la onda de corriente y haciendo la FFT en el osciloscopio y determine una aproximación para la magnitud de cada armónico para el calculo del THD.

Informe:

• De acuerdo con los resultados obtenidos y los datos tomados de esta práctica haga una comparación con las simulaciones realizadas en el preinforme. Haga explicación conceptual sobre el fenómeno observado.

• De acuerdo a las observaciones del filtro hibrido explique que es lo que hace en

el punto 2 del procedimiento.

• Haga una comparación de la fase de análisis L1 con las otras dos fases L2 y L3. ¿En cual hay más distorsión armónica? ¿Qué hacen las cargas lineales sobre L2? Explique.

• Incluir conclusiones y bibliografía.

71

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los rectificadores son generadores de un gran contenido armónico que distorsiona la forma de onda de corriente, lo cual hace que la calidad del servicio disminuya. Se decidió utilizar este tipo de cargas no lineales ya que son las que más se encuentran en la red eléctrica (centros de cómputo). Según los resultados arrojados por las simulaciones los filtros resonantes son buenos mitigadores de armónicos, pero su costo puede llegar a ser muy elevado debido al cuidado que hay que tener con las inductancias utilizadas en el filtro. En el prototipo los filtros fueron una solución acertada para la mitigación de armónicos reduciendo la distorsión armónica alrededor de un 40 %. Los filtros pasabandas son una buena opción para detectar la cantidad de armónicos de un orden específico, con unos filtros de cuarto orden es suficiente para hacer un filtrado adecuado para detectar los órdenes armónicos requeridos. Los relevos son buenos mecanismos de switcheo, y en el momento de conectar los filtros pasivos en el sistema los picos de corriente son despreciables gracias a la robustez de estos. Aunque el control del filtro hibrido funciona satisfactoriamente para los tres armónicos, su actualización puede llegar a ser compleja ya que están diseñados con electrónica análoga, entonces se puede pensar en mudarse a un control digital donde las modificaciones pueden ser hechas por software. Un ejemplo de un control digital es el uso de microcontroladores. La pinza de corriente AC es una buena forma de censar la corriente que pasa hacia la fuente, pero es necesario amplificarla con una ganancia bastante grande para poder utilizar los datos que dicha pinza arroja. Para lograr esto se utilizó un amplificador de instrumentación. Inicialmente se había planteado montar el prototipo con tres filtros pasivos, pero analizando el desempeño mostrado por los filtros para mitigar el tercer y el quinto orden armónico, además de una restricción de corriente que tiene la fuente trifásica utilizada para alimentar el circuito que es de 10 amperios. Cada filtro consume aproximadamente 4 amperios, y con plena carga la corriente a través del circuito es de 9 amperios, por estas razones se decidió no implementar el filtro pasivo para mitigar el séptimo orden armónico. Sin embargo todos los cálculos fueron realizados y se diseñó el filtro y el control respectivo. Los filtros pasivos muestran un consumo de corriente apreciable en el sistema diseñado, aproximadamente es el 70% del consumo de corriente a plena carga, lo que nos hace concluir que estos filtros pueden ser utilizados en sistemas mucho más grandes; esto es por las restricciones de corriente de la alimentación del panel trifásico del laboratorio. Este prototipo es una herramienta de gran utilidad ya que puede llevar al estudiante de la teoría a la práctica y así afianzar sus conceptos para una mejor compresión. También pueden aprender el manejo de instrumentación de potencia como el manejo de motores, transformadores variables y fuentes trifásicas esto es muy importante ya que el prototipo esta diseñado de una forma muy didáctica.

72

IEL1-I-05-04 IEL1-I-05-08

BIBLIOGRAFIA [1] Luis A. Morán, Juan W. Dixon, José R. Espinoza ,Rogel R. Wallace, “USING ACTIVE POWER FILTERS TO IMPROVE POWER QUALITY” [2] Fujita, H.; Yamasaki, T.; Akagi, H.;” A hybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrial power systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 15, Issue: 2 March 2000. [3] Hideaki Fujita, Takahiro Yamasaki, and Hirofumi Akagi, “A Hybrid Active Filter for Damping of Harmonic Resonance in Industrial Power Systems” [4] Dirk Detjen, Joep Jacobs, Rik W. De Doncker, and Hans-Georg Mall.” A New Hybrid Filter to Dampen Resonances andCompensate Harmonic Currents in Industrial Power Systems With Power Factor Correction Equipment”. [5] Mohan Ned, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, Wiley; 3rd Bk&Cdr edition (October 4, 2002) [6] Rashid, Muhammad H, Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones 2a.ed., Prentice Hall Hispanoamericana, c1995. [7] Abril Fedrigo, Diego, Diseño de filtros para la eliminación de armónicos en sistemas de potencia industriales y comerciales. Tesis Ingeniero Eléctrico – Universidad de los Andes, 2003

73