Estudio comparativo entre las diferentes topologías de ... · Objetivos de un filtro de potencia...

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Estudio comparativo entre las diferentes topologías de filtros híbridos.

J. Ignacio CandelaDEE UPC

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Objetivos de un filtro de potencia

Compensación de armónicos.Que los armónicos de corriente que crea la carga no pasen a la red.

Que los armónicos de tensión que haya en el lado de red no pasen o afecten a la carga.

Que los armónicos de tensión que fuerza la carga no afecten a la tensión de red y creen corrientes armónicas en esta.

Compensación de la potencia reactiva.Compensación de los desequilibrios de la carga.

Cargas con consumos de corrientes desequilibradas, con componentes de secuencia negativa y homopolar.

Cargas con variación de consumo fluctuantes, que puedan dar lugar a flickers en la tensión del lado de red

Regulación de la tensión.

Compensación de desequilibrios de las tensiones de las fases en el lado de red.

Compensación de las variaciones de tensión en el lado de red, estabilización de la tensión.

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Clasificación de los filtros

Filtros pasivos:Son filtros en que solo hay elementos pasivos, bobinas, condensadores y resistencias. El filtro pasivo más significativo, sería un circuito LC serie sintonizado a una frecuencia de resonancia, puesto en paralelo con la red, y que absorbe dicha frecuencia armónica de la carga.

Filtros activos:Son filtros en que el elemento principal de filtrado es una fuente de tensión o de corriente controlable. Y en los que los elementos pasivos solo realizan funciones auxiliares. El filtro activo más significativo de estos, es el formado por una fuente de corriente en paralelo con la red que absorbe todas las perturbaciones de corriente que se tengan en el punto de acoplo.

Filtros híbridos: Son aquellos filtros en que parte del filtrado lo realizan elementos pasivos y parte elementos activos. O aquellos en que el filtrado lo realiza los elementos pasivo y el elemento activo sirve como dispositivo de control de los mismos, para que el filtrado sea más efectivo. Su principal ventaja es la economía conseguida en el filtro activo.

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Por tipo de red a la que van destinados:• Filtros monofásicos

• Filtros trifásicos a tres hilos

• Filtros trifásicos a cuatro hilos.

Por el tipo de carga a la que van destinados:• Cargas equivalentes a fuentes de corriente

• Cargas equivalentes a fuentes de tensión

VS

I h

vLh

LS

1ω ω

h Lh SC L⋅ << ⋅

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Por número de elementos utilizados

Pasivos Activos

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BibliografíaPeng en 2001, se da un listado de 22 topologías prácticas de filtros de potencia de uno y dos elementos. Hace una clasificación de orden práctico del filtro. Se indican cuales son mejores para cargas en fuentes de corriente y en fuente de tensión. Se les caracteriza por la potencia de sus elementos pasivos y activos, y en consecuencia por su coste. Y por último por sus características de filtrado, si absorben o aíslan armónicos, si compensan o no reactiva, por su ancho de banda de filtrado, o por sus ventajas o inconvenientes de uso.

Senini en 2002, describe 8 posibles combinaciones de filtros híbridos, formados por un elemento activo y uno pasivo, 18 topologías formadas por dos elementos pasivos y uno activo, analizando solo los filtros monofásicos.

Al-Haddaden 2005, describe 2 topologías prácticas para filtros pasivos de dos elementos; 2 topologías para filtros pasivos de tres elementos, la estructura en π y en T; 8 topologías para filtros híbridos de un elemento activo y uno pasivo, 16 topologías de filtros híbridos que consten de tres elementos, dos pasivos y uno activo; y otras 16 topologías de filtros híbridos que consten de tres elementos, uno pasivo y dos activos; 2 topologías de filtros activos de dos elementos; y por último 2 topologías más de filtros activos de tres elementos.

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Filtro pasivo paralelo Filtro pasivo LC sintonizado a los armónicos que se quieren eliminar

Presenta una muy baja impedancia a los armónicos elegidos

Pueden a la vez compensar parte de la reactiva de la carga

Bajo coste

icarga

ired

ifiltro

U50Hz

Uarmónica

Z red

C filtro

L filtroI50Hz Iarmónica

U punto de acoplo común

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Filtro pasivo paralelo, problemas Dependencia del grado de filtrado de la impedancia de red

Pico de resonancia con la inductancia del transformador de alimentación

Resonancia con baterías de condensadores u otros elementos

Pequeña deriva de los componentes puede desintonizar el filtro

-40

-20

0

20

40

Mag

nitu

de (d

B)

102 103-90

-45

0

45

90

Pha

se (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (Hz)

Imp. del filtro Filtro y red en vacío

Filtro, red y carga

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Filtro activo paralelo

icarga

ired

ifiltro

U50Hz

Uarmónica

Z red

I50Hz Iarmónica

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Filtros pasivos

Para cargas en fuente en fuente de corriente.

De 1 y 2 elementos

Para cargas en fuente en fuente de tensión.De 1 y 2 elementos

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Filtros pasivos

Ramas sintonizadas para cada armónico especifico de la carga, más un filtro pasa altos.

Para cargas en fuente de corriente o en fuente de tensión.

L5

C5

icarga1)

2) vcarga

L7

C7

. . . .Lh

Ch

Rh

. . . .

L5

C5

L7

C7

Lh

Ch Rh

vS

LS

vS

LS

( )1FZ j L Cω ω= −

1 12r rfLC LC

ωπ

= =

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Filtros activos

Para cargas en fuente en fuente de corriente.

De 1 y 2 elementos

Para cargas en fuente en fuente de tensión.De 1 y 2 elementos

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Aspectos a analizar de los filtros híbridos

Potencia de los elementos filtrantes tanto pasivos como activos.

Capacidad y tipo de filtrado de armónicos.

Capacidad de compensación de reactiva o de su regulación.

Tipo de carga a la que va destinado, en fuente de tensión o de corriente.

Características especiales que presenta una topología en especial: problemas, ventajas, filtrado de otro tipo de perturbaciones, resistencia a sobretensiones o cortocircuitos, costes u otros.

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Filtro activo paralelo Factores importantes en el inversor de un filtro activo:• Tensión del bus de continua• Frecuencia de conmutación• Inductancia de filtrado

0,45AF conm dcS conm

conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

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Filtro activo paralelo Factores importantes en el inversor de un filtro activo:• Tensión del bus de continua• Frecuencia de conmutación• Inductancia de filtrado


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

La tensión del bus de continua tiene que estar muy por encima de la tensión de pico de red

1 22dc

AFp Sp LhU v v h L Iω= = +


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =

Una tensión del bus de continua alta y una L baja dan buena dinámica del filtro, pero mucha corriente de conmutación en red

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Filtro activo paralelo

Ejemplo:Si se tiene un inversor con una tensión de bus de continua de 750 V, con una frecuencia de conmutación de 20 kHz, una inductancia de conexión de 2 mH, y una tensión de red de 230 V, eficaces y de fase. La corriente máxima que se puede compensar de 7º armónico es de 8 A. Pero a la vez el filtro genera 1,34 A a la frecuencia de conmutación. Si la tensión del bus de continua bajara hasta los 650 V, se estaría en el límite de mantener el controlde corriente, pero sin poder absorber armónicos, al menos durante mientras la tensión de red está en sus valores máximos. Si se quisiera compensar hasta el armónico 50, la posible corriente a compensar sería solo de 1,12 A. Y si por cambio de inversor se conmutara a 5 kHz, la amplitud de los armónicos compensados no cambiaría, pero el rizado a la frecuencia de conmutación pasaría a ser de 5,36 A.

Los semiconductores del inversor deberán soportar la tensión de bus de continua elegida, en redes de 230 V, mayor de dicha tensión, típicamente entre 700 y 800 V, y la corriente de pico a filtrar, los armónicos más la reactiva.


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

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Filtros híbridos En estos filtros simplemente se ha producido un reparto de funcionalidadesentre los dos filtros, el activo y el pasivo.El filtro activo paralelo es más adecuado para la compensación de armónicos de orden bajo, 5º y 7º, debido a las limitaciones en la frecuencia de conmutación, y en la pérdida de dinámica que tiene el filtro al aumentar la frecuencia de los armónicos debido a su inductancia de acoplamiento. En cambio el filtro pasivo paralelo es más adecuado y compacto si filtra armónicos de orden alto.


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

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Filtros híbridos paralelo


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

LF

CF

icarga1)

vAF

vS

LS

LF

CF

icarga2)

vAF

vS

LS

CF

icarga6) iAF

vS

LS

5) icargaLFP

CF

iAF

vS

LS

LF

icarga4)LFP

CF

iAF

vS

LS

LF

CF

icarga3)iAF

vS

LS

¿Qué se busca con el filtro híbrido?

• Minima potencia del inversor, haciendo que la tensión y la corriente a la frecuencia de red en el inversor sean muy reducidas.• El elemento de interconexión con red presenta mucha impedancia a la frecuencia de red.• Por el inversor solo pase la corriente a filtrar o una parte de esta.c

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Ejemplo de carga y filtro pasivo

Orden de los armónicos de carga, Ih eff = 10 A15 % de 3º

68 % de 5º

68 % de 7º

17 % de 11º

13 % de 13º + ordenes mayores de menor amplitud

Filtro pasivo LC sintonizado a 300 Hz

L = 4,2 mH

C = 66 uF

Corriente reactiva absorbida 4,5 A

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Filtro híbrido paralelo

Un filtro pasivo LC sintonizado a un armónico

Un inversor de muy baja tensión, 10 % de Un de red, con una tensión de fase de 220 V, tensión de salida de inversor 22-25 V, U de bus de continua 44 – 50 V

icargaired

ifiltroU50Hz

Uarmónica

Z red

I50Hz Iarmónica

L filtro

C filtro

Ufiltro

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Funcionamiento a 50 HzFiltro híbrido paralelo

El filtro activo no da tensión

El filtro LC presenta alta impedancia a 50 Hz

La intensidad de 50 Hz que entra en el filtro es baja, pero no es controlable, 4,5 A

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icargaired

ifiltro

Uarmónica

Z red

Iarmónica

Z filtro

Ufiltro

Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos

El filtro activo da una pequeña tensión Ufiltro

El filtro LC presenta una muy baja impedancia frente la los armónicos

La intensidad armónica del filtro es alta y controlable con Ufiltro

La intensidad de red no tendrá armónicos

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Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos en la tensión de red





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Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos de conmutación de inversor





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Filtro híbrido paralelo Topología activo serie + pasivo paralelo

Mismas prestaciones de filtrado y mismos niveles de potencia que el anterior

La tensión en bornes de la carga queda deformada

Un cortocircuito en la carga afecta al filtro activo por sobre corriente y por sobre tensión

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Filtro híbrido paralelo Topología activo paralelo + pasivo paralelo de rechazo de 50 Hz

No consume corriente fundamental reactiva, y por tanto esta no tiene que pasar por el filtro activo, solo pasaran armónicos.

Control por corriente de un convertidor algo más complicado

Hace falta una inductancia adicional en serie con el inversor para filtrar los armónicos de conmutación

Un filtro pasivo de rechazo a 50 Hz es prohibitivo

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Filtro híbrido paralelo Topología activo paralelo + condensador (pasa altos)

Consume corriente fundamental reactiva no controlable y que pasa por el inversor.

Hace falta una inductancia adicional en serie con el inversor para filtrar los armónicos de conmutación.

Requiere unos niveles de tensión de inversor para filtrar más elevados.

Transitorios muy desfavorables

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Filtro híbrido paralelo Limitación o eliminación de la corriente de frecuencia fundamental que pasa por el inversor, para bajar su potencia total

Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L

Funcionamiento frente armónicos similar a los anteriores.

El inversor ahora a frecuencia fundamental presenta alta impedancia, y circula corriente cero.

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Filtro híbrido paralelo Limitación o eliminación de la corriente de frecuencia fundamental que pasa por el inversor, para bajar su potencia total

Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L

Funcionamiento frente armónicos similar a los anteriores.

El inversor ahora a frecuencia fundamental presenta alta impedancia, y circula corriente cero.

20/11/2008 JCEE 2008 32

Filtro híbrido paralelo Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L

Absorbe reactiva, sin posibilidad de control.

Por el inversor no pasa, corriente de frecuencia fundamental, y de las corrientes armónicas solo una parte.

Control algo más complicado por ser inversor con control por corriente.

Tensión de inversor ligeramente mayor que el primer modelo.

Hace falta inductancia adicional para limitar armónicos de conmutación.

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Filtro híbrido paralelo Topología pasivo paralelo + filtro activo en paralelo con L

Absorbe reactiva, sin posibilidad de control.

Por el inversor no pasa, corriente de frecuencia fundamental, y de las corrientes armónicas solo una parte.

Control algo más complicado por ser inversor con control por corriente.

Tensión de inversor ligeramente mayor que el primer modelo.

Hace falta inductancia adicional para limitar armónicos de conmutación.

LF

CF

icarga

vS

LS

vAF

LAF

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Filtro híbrido paralelo Topología activo paralelo (en la L) + pasivo paralelo de rechazo de 50 Hz

No consume corriente fundamental reactiva, y por tanto esta no tiene que pasar por el filtro activo, solo pasaran los armónicos parcialmente.

Un filtro pasivo de rechazo a 50 Hz es prohibitivo

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LF

CF

icarga1)

vAF

vS

LS

LF

CF

icarga2)

vAF

vS

LS

CF

icarga6) iAF

vS

LS

5) icargaLFP

CF

iAF

vS

LS

LF

icarga4)LFP

CF

iAF

vS

LS

LF

CF

icarga3)iAF

vS

LS

Topologías de filtros híbridos

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Filtro híbridos paralelo


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

Tabla Prestaciones y problemas de las topologías de filtros híbridos

6

+

-/-

I

-

++

No/Si

--

+++

+

5

+++

-/+

I

-

---

No/No

-

+++

---

4

++

+/+

I

-

---

No/No

--

+++

---

3

++

+/+

I

-

+

No/Si

--

+++

+

2

+++

-/-

V

+

+

No/Si

---

---

-

1

+++

-/-

V

++

+

No/Si

-

+++

+

Activo Paralelo

---

-/+++

I

---

+++

+++/

+++

+++

--

Característica \ Tipo de filtro

Tensión del bus de continua

Corriente por el inversor / de f. fundamental

Control por Tensión / Corriente

Generación de armónicos de conmutación

Elementos pasivos

Control reactiva / Absorbe reactiva

Transitorio de conexión o falla

Aparición armónicos de tensión en carga

Coste total

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Filtro híbridos serie


conm F conm F

U UIL Lω ω

= =0,45AF conm dc

S conmconm F conm F

U UIL Lω ω

= =

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Implementación del control en un filtro híbridoicargaired

ifiltroUred

Z red

Icarga

L filtro

C filtro

Ufiltro

50Hz

Kp

3º+

5º+

nº+ n

Ganancia para todos los armónicos, limitada por

la estabilidad

Ganancias para los armónicos

característicos, más alta y con compensación de

retardos

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Inversores a cuatro hilos

iLvSa

vSb

vSc

n

iS

LF

LS

CF

Cdc1

iF

UAF

vdc

Cdc2

Inversor de cuatro ramas en puente completo

Inversor de tres ramas con condensador repartido

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Inversores a cuatro hilos

iLvSa

vSb

vSc

n

iS

LF

LS

CF

Cdc

iF

UAF

vdc

Inversor de tres ramas con conexión asimétrica de neutro

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Resultados de simulación

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Resultados experimentales

iLvS iS

8.5 mH=LF

33.5 F=CF

iF

n

LS

Cdc

PWM

dsPIC30F6010

Single-phaseRertifiers

400 V50 Hz

vdc = 45 V 8.5 mH=LF

iSn iLniFn

2.5 kW

n

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•Filtro para redes de cuatro hilos•400 V – 15 A•7 A – 4,8 kvar de reactiva•13 A para compensar armónicos•Inversor de tres con conexión asimétrica a neutro•Filtro pasivo de cuatro hilos con f1=300 Hz y f0=150 Hz•Tensión del bus de continua 45 V•Eliminación casi total del 3º, 5º y 7º armónicos•Micro en coma fija a 30 MIPs•Tiempo de calculo 10 μs•Muestreado a 4,8 kHz•Inversor a 14,4 kHz

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Barrera de aislamiento de señales

Resistencia de frenado

Sensor de corriente

Mosfet de potencia del

inversor

Condensadores del bus de

continua

Regleta de salida del inversor

Indicadores de estado

Conector de señales de

control

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Conexión de carga distorsionante

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Resultados industriales

50 kVAr150 Arms130 ArmsFAH150150 Arms





Potencia reactiva

Reactive power

Corriente de neutroarmónica

Neutral current harmonic

Corriente de fase armónica

Phase current harmonic

Filtrado armónicos y compensación reactivaHarmonics filtering and reactive compensationReferencia

sReference

Intensidad nominal

Nominal current

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I. [email protected]

Gracias por su atención

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