filtrado de armónicos en instalaciones industriales

JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
NOV. 2006
FILTRADO DE ARMÓNICOS
EN INSTALACIONES INDUSTRIALES
XII Edición de JCEE ,
XII - JCEE- Nov 2006
Dr. Josep Balcells
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Campus deTerrassa, Barcelona, SPAIN
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
INDEX
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Los armónicos … entre otras perturbaciones
Los convertidores … fuentes de perturbación
Origen y efectos de los armónicos
Tipos de filtros
Filtros pasivos para convertidores:
Ø
Filtros de uso general en la red
§
§
Ø
Filtros de 3r armónico: TSA, FB3
Filtros activos:
§
§
§
Ø
Ø
Reactancias de choque ; Filtros LCL
Tipos de filtros activos: Serie, Paralelo, UPF
Configuración de los filtros activos
Tipos de control para filtros activos
Criterios de aplicación
Resumen y conclusiones
1
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
LOS ARMÓNICOS … ENTRE OTRAS PERTURBACIONES
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
SOBRETENSIONES, HUECOS E INTERRUPCIONES
2
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
FLICKER
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
• Variación de la envolvente de la tensión dU/U
• Envolventes estándar : Cuadrada, Senoidal
• Normas IEC-61000-4-15, IEC-60868
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
PERTURBACIONES DE ALTA FRECUENCIA:
Variaciones de tensión con alto dV/dt
3
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
PERTURBACIONES DE ALTA FRECUENCIA:
ARMÓNICOS
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Cargas no lineales tales como: rectificadores, inversores, hornos,
etc. Absorben de la red corrientes periódicas no senoidales, de
frecuencias múltiplos de la componente fundamental 50 ó 60 Hz.
4
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
LOS CONVERTIDORES … PRINCIPALES FUENTES DE
PERTURBACIÓN
Baja frecuencia (Lado red)
Ø
Harmonicos (100 Hz a 2500Hz)
Ø
Flicker (0,5 to 30 Hz)
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Alta frecuencia, EMI (Lado motor)
Ø Conducidas (10 kHz - 30 MHz)
ü “Notch” de conmutación
ü Cables actúan como líneas de
transmisión
Acoplo campo próximo (10 kHz –
30MHz)
Ø
Bucles de corriente producen
campo magnético H (habitual DM)
Ø
Cambios de tensión producen
campo eléctrico E (habitual CM)
Radiadas EMI (>30MHz )
Ø
Cables actúan como antenas.
Cables apantallados entre
ondulador y motor
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FILTROS PARA CONVERTIDORES
Los convertidores estáticos generan diversos tipos de perturbaciones, tanto
en el lado de red como en el lado de carga. Se, dispone de filtros para evitar
los problemas originados por dichos convertidores y conseguir que las
instalaciones donde se conectan puedan cumplir con las normas EN-60000-4-3,
IEEE-519 y las Directivas de Compatibilidad 89/336/EEC , 92/31/EEC y
93/68/EEC.
5
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
ESQUEMA EQUIVALENTE TÍPICO EN BT
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
ONDAS DE CONVERTIDORES CON ALTO CONTENIDO DE HF
6
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
ONDAS TÍPICAS DE CONVERTIDORES: LADO RED
EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS
Efecto Joule , pérdidas en el cobre :
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Ø
Dependen del valor RMS total de la corriente RITRMS2
∞
I TRMS =
∑I
2
n
0
Pérdidas en el hierro: Foucault: kI2f2 , Histeresis: kI2f
Ø
Sobrecargas en condensadores
Ø
Corriente homopolar alta en el neutro
Ø
Amplificación de los armónicos por resonancias<
7
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS: Ejemplo práctico
Supuesto I1=100A ; I5=20%
2
RI TRMS
= R .( 100 2 + 20 2 )
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Ø
Ø
Pérdidas Joule: R.IT2
Debidas a I1 = R.1002
Debidas a I5 = R.202 equivalen a un 4%
Pérdidas en el hierro:
Suponemos que las pérdidas Foucauld se evitan
con el uso de chapas. Las pérdidas restantes se
deben básicamente a efecto Histéresis: kI2f
Debidas a I1 = k.50.1002
Debidas a I5 = k.50.5.202 equivalen a un 20%
Filtros Pasivos
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Ø Reactancias
FILTRO LCL
Ø LCL
IMPEDANCIA
DE LA RED
RED
L1
CONVERTIDOR
L2
Fusibles
M
3
L3
C
Ø Antiresonancia
Ø Absorción
Ø TSA / FB3
8
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
RESONANCIA EN REDES DE BT
• La resonancia causa la amplificación de los armónicos de V.
• Puede detectarse porque la distorsión depende del número de
pasos de C conectados
• Para determinado Nº de pasos se produce un máximo de THD(V)
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
RESONANCIA EN REDES DE BT: Caso típico
9
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
SOLUCIONES PARA REDUCIR THD(I) : Filtros de
bsorción
TRANSFORMADOR
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
I
limpia
OTROS ABONADOS
I
I limpia
limpia
z CHOQUE
Iarmónicos
OTRAS CARGAS
z FILTRO
M
FILTRO
DE
ABS
CARGA A
FILTRAR
A
SOLUCIONES PARA REDUCIR THD(I) : Filtros de Absorción
40
30
Z (dB/ohm)
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
100
1000
frecuencia (Hz)
Respuesta en frecuencia de un filtro de absorción con pasos
sintonizados a los armónicos 5, 7 y 11
10
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
CASOS REALES: Filtros de rechazo (anti-resonancia)
FILTROS PASIVOS: Reactancias
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Ø Reactancias
Sin L, THD(i)=70%
Con L, THD(i)=26%
11
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
FILTROS PASIVOS: Filtros LCL
LCL
FILTRO LCL
IMPEDANCIA
DE LA RED
RED
L1
CONVERTIDOR
L2
Fusibles
M
3
L3
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
C
Sin LCL, THD(i)=70%
Con LCL, THD(i)=8%
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA
12
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
a
armónicos con n = k.3
50 Hz y armónicos con n = k.3
Transformador de distribución
220 V fase - neutro
L1
L2
a
L3
a
N
PE
a
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA
50 Hz y armónicos con n = k.3
220 V fase - fase
L1
A
L2
A
L3
N
armónicos con n = k.3
FILTRO
NC.
PE
TSA transformador de aislamiento
(impedancia infinita a los armónicos k.3)
A
13
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : TSA
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : FB3
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
ü Reducción de armónicos en líneas monofásicas.
R
S
ü Reducción de la corriente
de neutro originada por
armónicos múltiplos de 3
hasta un 90%
T
N
FB3
aprox. 80 % 3 harmonic
14
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
FILTROS PASIVOS 3r ARMÓNICO : FB3
Instalaciones monofásicas
Instalaciones trifásicas
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
I carga
Cuadro de Baja
tensión
FB3
230 V fase - neutro
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FITROS ACTIVOS SERIE
Ø Resuelven problemas de armónicos en el lado de las
cargas restituyendo la forma de onda de la tensión a una
forma senoidal
15
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FITROS ACTIVOS PARALELO
Ø Resuelven problemas de armónicos en el lado de la red
haciendo que la corriente absorbida sea senoidal. Pueden
compensar también desequilibrio y FP
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FA PARALELO – SERIE Y SERIE - PARALELO
FA Paralelo-Serie:
Arreglan la corriente de
red y la tensión en la
carga para que sean
senoidales
FA Serie- Paralelo:
Arreglan la tensión en
la carga y la corriente
en la red para que sean
senoidales
16
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
FILTROS ACTIVOS PARALELO: Principio
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
La suma de corrientes de linea y de filtro deben dar una senoide en la red
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FA PARALELO : CONFIGURACIONES
17
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FA PARALELO 4 RAMAS REGULADAS
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FITROS ACTIVOS PARALELO: Control
Controladores en cascada de potencia activa (obtiene
la consigna de corriente) y regulador de corriente de
filtro
18
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FITROS ACTIVOS PARALELO: Control
Controlador
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FA PARALELO: Control separado de cos ϕ y armónicos
19
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
FA MONOFASICOS
35mm2
L1
L2
35mm2
N1
N2
35mm2
PE
PE
6mm2
6mm2
1,5mm2
1,5mm2
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
SW1
BF1
F3
F1
F2
U
V
PE
EMI
U1
V1
R1
L
OUT1
OUT2
PE
4
3
S
1
2
S
3
1
C
1
S
2
S
4
C2
Placa
Control
Inversor
SEMIKRON
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
FA MONOFASICOS
60%
30%
Corriente en la red antes del
filtrado
4%
2%
Corriente de red después del
filtrado
20
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
NUEVAS TENDENCIAS: FA HIBRIDOS
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Ventajas de los filtros hibridos
Ø Tensió en el bus DC del convertidor muy baja
Ø La baja tension necesaria en el bus permite su uso en
líneas de MT con tensiones de sólo 400VDC
Ø Compensación de cos ϕ fija
Ø No necesita control de neutro
ØCapacidad de filtrado de triples ilimitada
Inconvenientes de los filtros hibridos
Ø Imposible el control de cos ϕ
Ø La compensación fija puede provocar sobrecompensación
Ø No tiene posibilidad de compensar desequilibrio
Mejoras en la estructura de Filtros Activos (APLC)
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Ø Estructura mejorada de 4 hilos , acoplo hibrido por LC
Ø Bus de contínua con único condensador y control de tensiones de bloqueo
Ø Reducción de tamaño y de rizados
21
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
Tipo clásico 4 hilos 4 ramas
/
/
/
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
1
/
/
&
95
7
/
&
7
/
&
96
7
97
7
7
LC=800uH
Para 63A, 400VAC line
7
9'
7
&
&
VDC=750V
7
Problema de dimensionamiento de neutro (armónicos k.3) y
Valor de la tensión en el bus DC alta
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Tipo clásico 4 hilos 3 ramas
LC=800uH
For 63A, 400VAC line
Requiere control de reparto de tensiones en el bus DC
No puede compensar ciertas corrientes kx3 desequilibradas
22
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
Nueva estructura de 4 hilos acoplada por LC
L1
VENTAJAS
L2
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
L3
N
CC
+
CC
VAC+ VDC
VR
T3
CC
VAC+ VDC
500uF/80uH , for 400VAC,
+
VS
T5
VN
VT
+
-
T2
T4
63A filt. (LC menor)
VAC+ VDC
LC
LC
LC
T1
+
T6
VDC
Tensión DC menor. (400VDC,
pero puede ser 100VDC )
Menor CDC y más tolerancia
con el rizado DC
No requiere control de
reparto como el caso de C
partido +VDC/2 to –VDC/2
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
23
JCEE 2006: Filtrado de armónicos, J. Balcells
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
Mejoras en el control de Filtros Activos (APLC)
Ø Filtro hibrido con acoplo LC a red
Ø Nuevo método de obtención de referencia de I por energías de Vc
Ø Regulador de corriente PWM en el dominio temporal
RESUMEN Y CONCLUSIONES
Ø Las reactancias pueden paliar un problema de armónicos
XII Edición de JCEE , NOV. 2006
reduciéndolo de un 50 ó 60% de THD a un 20 a 25%
Ø Los filtros de rechazo en bancos de condensadores
permiten evitar la resonancia
Ø Los filtros pasivos a escala global son conflictivos porque
se adaptan mal a las cargas
Ø Los filtros pasivos individuales tipo LCL son preferibles y
pueden reducir el THD por debajo del 8%
Ø Los filtros activos son la solución más completa pero hoy
por hoy son caros
24