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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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Clasificación de los filtros
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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Clasificación de los filtros
Por número de elementos utilizados
Pasivos Activos
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Clasificación de los filtros
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
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
= =
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= = +
0,45AF conm dcS conm
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.
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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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.
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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Filtros híbridos paralelo
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
= =
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
20/11/2008 JCEE 2008 22
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
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
20/11/2008 JCEE 2008 24
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
20/11/2008 JCEE 2008 25
Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos en la tensión de red
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
20/11/2008 JCEE 2008 26
Filtro híbrido paralelo Funcionamiento frente a armónicos de conmutación de inversor
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
20/11/2008 JCEE 2008 27
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
20/11/2008 JCEE 2008 28
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
20/11/2008 JCEE 2008 29
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
20/11/2008 JCEE 2008 30
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 31
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.
20/11/2008 JCEE 2008 33
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
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
= =
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
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
= =
20/11/2008 JCEE 2008 38
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
20/11/2008 JCEE 2008 39
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
20/11/2008 JCEE 2008 40
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
20/11/2008 JCEE 2008 41
Resultados de simulación
20/11/2008 JCEE 2008 42
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
20/11/2008 JCEE 2008 43
Resultados experimentales
•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
20/11/2008 JCEE 2008 44
Resultados experimentales
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
20/11/2008 JCEE 2008 45
Resultados experimentales
20/11/2008 JCEE 2008 46
Resultados experimentales
Conexión de carga distorsionante
20/11/2008 JCEE 2008 47
Resultados industriales
50 kVAr150 Arms130 ArmsFAH150150 Arms
40 kVAr120 Arms104 ArmsFAH120120 Arms
30 kVAr90 Arms78 ArmsFAH09090 Arms
20 kVAr60 Arms52 ArmsFAH06060 Arms
10 kVAr30 Arms26 ArmsFAH03030 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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Gracias por su atención
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