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.
• 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.
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.
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.
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
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)
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
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.
• 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):
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.
(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.
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.
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 –