Diseño e Implementación de un Filtro Activo de Potencia Mediante Filtros Adaptativos para la Reducción de Armónicos de Corriente ante Variaciones de la Frecuencia Fundamental

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN FILTRO ACTIVO DE POTENCIA MEDIANTE FILTROS ADAPTATIVOS PARA LA REDUCCIÓN DE ARMÓNICOS

DE CORRIENTE ANTE VARIACIONES DE LA FRECUENCIA FUNDAMENTAL

Fabio Ernesto Rojas Romero

Universidad Distrital Francisco José De Caldas

Facultad de Ingeniería

Proyecto Curricular de Ingeniería Eléctrica Bogotá D.C.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN FILTRO ACTIVO DE POTENCIA MEDIANTE FILTROS ADAPTATIVOS PARA LA REDUCCIÓN DE ARMÓNICOS

DE CORRIENTE ANTE VARIACIONES DE LA FRECUENCIA FUNDAMENTAL

Fabio Ernesto Rojas Romero

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero Eléctrico

Director

César Leonardo Trujillo Profesor Facultad De ingeniería

Universidad Distrital Francisco José De Caldas

Facultad de Ingeniería

Proyecto Curricular de Ingeniería Eléctrica Bogotá D.C.

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AGRADECIMIENTOS

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Resumen

IV

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN FILTRO ACTIVO DE POTENCIA MEDIANTE FILTROS ADAPTATIVOS PARA LA REDUCCIÓN DE ARMÓNICOS DE CORRIENTE ANTE VARIACIONES DE LA FRECUENCIA

FUNDAMENTAL

RESUMEN

En este documento se da a conocer el proceso de diseño e implementación de un filtro activo de potencia el cual es capaz de reducir armónicos de corriente ante variaciones de la frecuen-cia fundamental, además de mejorar el factor de potenfrecuen-cia visto desde la fuente de alimenta-ción. Para esto, se divide el diseño y funcionamiento del filtro en distintos subsistemas como lo es el de potencia, instrumentación, control y obtención de la corriente de referencia. Para cada subsistema se procede con el cálculo y selección de cada uno de los componentes de que lo integran, con estos elementos se realiza el modelado del filtro para así obtener la corriente de referencia a partir de la transformada DQ0 y con ella diseñar el controlador de corriente que lazo cerrado que permita la implementación del filtro adaptativo.

En la segunda etapa se verifica el funcionamiento de cada subsistema del filtro mediante la simulación de esté en un software especializado para aplicaciones en electrónica de potencia. Corroborado el funcionamiento del filtro en el software se continúa con la implementación, esto con el fin de realizar las pruebas prácticas.

Finalmente, se presentan los resultados obtenidos tras la implementación, resultados que se analizan con el fin de comprobar el funcionamiento del filtro según su simulación, haciendo énfasis en el THD de la fuente, el factor de potencia y la potencia entregada.

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<Contenido

1.1.1 Índice De Distorsión Armónica Total (THD) ... 4

1.1.2. Generadores de armónicos en sistemas eléctricos ... 4

1.1.3. Efectos de los armónicos de corriente ... 5

1.2. FILTROS ELÉCTRICOS DE POTENCIA ... 6

1.2.2. Clasificación de los filtros de potencia ... 6

1.2.3. Filtros pasivos de potencia ... 6

1.2.4. Filtros activos de potencia... 7

1.3. ESTRUCTURA DE LOS FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA ... 8

1.3.2. Subsistema de potencia ... 9

1.3.3. Subsistema de instrumentación ... 9

1.3.4. Subsistema de control y obtención de la corriente de referencia ... 10

2. DISEÑO DEL FILTRO ACTIVO DE POTENCIA ... 11

2.1. SUBSISTEMA DE POTENCIA ... 11

2.1.2. Tensión Bus DC ... 12

2.1.3. Capacitor Bus DC ... 14

2.1.4. Inversor de tensión (VSI) trifásico con IGBT’s ... 14

2.1.5. Inductancia de acople AC ... 17

2.2. SUBSISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN ... 19

2.2.2. El transformador de tensión ... 20

2.2.3. El transformador de corriente ... 22

2.2.4. El Procesador Digital de Señales (DSP) ... 26

2.2.5. Tarjeta de Desarrollo Para Aplicaciones en Electrónica de Potencia ... 27

2.3. SUBSISTEMA DE CONTROL YOBTENCIÓN DE LA CORRIENTE DE REFERENCIA ... 29

2.3.2. Métodos para la obtención de la corriente de compensación ... 29

2.3.3. La Transdormada de Clarke y Park ... 30

2.3.4. Lazo de Seguimiento de Fase (PLL – Phase-locked Loop) ... 33

2.3.5. Modelado del VSI en el marco de referencia sincrónico ... 36

2.3.6. Diseño del Controlador del lazo de corriente ... 42

2.3.7. Obtención y filtrado de la corriente de referencia ... 45

2.3.8. Filtro Adaptativo... 49

(6)

<Contenido

VI

3.1. SRF-PLL... 56

3.2. OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE DE REFERENCIA Y FILTRADO ... 57

3.3. LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE ... 61

3.4. FILTRO ACTIVO DE POTENCIA ... 62

3.4.1. Filtro Pasa Altas ... 63

3.4.2. Filtros pasa bandas ... 67

3.4.3. Filtro adaptativo ... 71

4. IMPLEMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 76

4.1. SFR-PLL... 79

4.2. FILTRO ACTIVO DE POTENCIA ... 79

5. CONCLUSIONES ... 87

6. TRABAJOS FUTUROS ... 89

BIBLIOGRAFÍA ... 90

A. ANEXO: DISEÑO DE LOS CIRCUITOS PCB... 93

B. ANEXO: CÓDIGOS IMPLEMENTADOS EN LA DSP ... 96

SFR-PLL... 96

DQ0CARGA NO LINEAL Y FILTROS ... 97

Filtro pasa altas ... 97

Filtro adaptativo ... 98

DQ0 CORRIENTE INYECTADA POR EL FAP ... 98

CONTROL ... 98

C. ANEXO: ANÁLISIS ECONÓMICO ... 101

(7)

Lista de Figuras

VII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1: Onda sinusoidal con contenido armónico, autor ... 3

Figura 1-2: Esquema de un filtro pasivo de potencia ... 7

Figura 1-3: Esquema de un filtro activo de potencia ... 7

Figura 1-4: Subsistemas de un filtro activo de potencia ... 8

Figura 2-1: Elementos subsistema de potencia ... 12

Figura 2-2: Fuente de alimentación DC Agilent N8762A, 600V 8.5A 5100W ... 13

Figura 2-3: Capacitor 2200uF 450V, EPCOS ... 14

Figura 2-4: Diagrama esquemático de un VSI trifásico, autor ... 15

Figura 2-5: Esquemático del IGBT SKM50GB12T4, Semikron ... 16

Figura 2-6: IGBT SKM50GB12T4, Semikron... 16

Figura 2-7: VSI trifásico con IGBTs, Semikron ... 17

Figura 2-8: Ubicación de la inductancia de acople en el FAP ... 18

Figura 2-9: Bobinas 9mH ... 19

Figura 2-10: Diagrama de conexiones y esquemático transformador FS10-110-C2-B, Triad Magnetics ... 21

Figura 2-11: Transformador de tensión FS10-110-C2-B, Triad Magnetics ... 21

Figura 2-12: Tarjeta transformadores de tensión, autor ... 21

Figura 2-13: Principio de operación sensor de corriente de efecto Hall LTSR 6-NP, LEM USA Inc. ... 23

Figura 2-14: Sensor de corriente de efecto Hall LTSR 6-NP, LEM USA Inc. ... 23

Figura 2-15: Tarjeta de sensores de corriente ... 24

Figura 2-16: Tensión de salida en función de la corriente de entrada del sensor LTSR 6-NP, LEM USA Inc. ... 24

Figura 2-17: Restador amplificador con amplificadores operaciones ... 25

Figura 2-18: Impreso circuito acondicionador ... 26

Figura 2-19: DSP TMS320F28335 en dock USB, Texas Instruments ... 26

Figura 2-20: Tarjeta de Desarrollo de Propósito Específico para Aplicaciones en Electrónica de Potencia, LIFAE ... 28

Figura 2-21: Diagrama fasorial para la transformada α y β ... 31

Figura 2-22: Diagrama fasorial para la transformada DQ0... 32

Figura 2-23: Transformada de Clarke y DQ0 en función del tiempo de un sistema de tensiones trifásico ... 33

Figura 2-24: Esquema de bloques de un SRF-PLL, autor ... 34

Figura 2-25: Esquema de control de un SFR-PLL, [20] ... 36

Figura 2-26:Corrientes y componentes para el modelado del inversor trifásico ... 36

Figura 2-27:Esquema inicial para el modelado del interruptor PWM ... 37

Figura 2-28: Circuito equivalente del interruptor PWM en valores promedio ... 37

Figura 2-29: Modelo del VSI en valores promedios usando el interruptor PWM ... 38

Figura 2-30: Modelo a gran señal del VSI a partir de la transformada DQ0 ... 39

Figura 2-31: Diagrama de bloques de un VSI a partir de la Transformada de Park en pequeña señal ... 41

(8)

Lista de Figuras

VIII

Figura 2-33: Diagrama de Bode de la función de transferencia entre la corriente y el ciclo útil

para los canales DQ ... 42

Figura 2-34: Lazo de control de corriente del FAP, autor ... 43

Figura 2-35: Diagrama de Bode en lazo abierto del controlador y planta ... 44

Figura 2-36: Esquema de control del VSI a partir de la Transformada de Park ... 44

Figura 2-37: Diagrama de Bode filtro pasa altas, autor ... 46

Figura 2-38: Esquema de filtrado pasa altas en el marco de referencia sincrónico a frecuencia fundamental, autor ... 46

Figura 2-39: Esquema de filtrado pasa banda en el marco de referencia sincrónico a frecuencia fundamental, autor ... 47

Figura 2-40:Diagrama de Bode filtro pasa bandas de segundo orden, autor ... 48

Figura 2-41: Estructura de un filtro FIR, autor ... 49

Figura 2-42: Estructura de un filtro IIR, autor ... 50

Figura 2-43: Estructura básica de un filtro adaptativo ... 51

Figura 2-44: Estructura de filtro adaptativo para obtención de armónicos, [26] ... 53

Figura 2-45: Estructura de filtro adaptativo para obtención de armónicos, [27] ... 53

Figura 3-1: Esquema de simulación en PSIM ... 55

Figura 3-2: Simulación SRF-PLL en PSIM ... 56

Figura 3-3: Resultado del SRF-PLL ante una conexión en secuencia negativa en PSIM ... 57

Figura 3-4: Tensión de fase y corriente de la carga no lineal en PSIM ... 57

Figura 3-5: Señales de corriente en coordenadas DQ0 para la carga no lineal bajo prueba, roja canal D y azul canal Q ... 58

Figura 3-6: Comportamiento filtro pasa altas ... 59

Figura 3-7: Comportamiento filtros pasa bandas ... 59

Figura 3-8: Filtro adaptativo con μ =0.00000001 ... 60

Figura 3-9: Filtro adaptativo con µ=0.000000001 ... 60

Figura 3-10: Filtro adaptativo con µ=0.0000000001 ... 61

Figura 3-11: Simulación y verificación del controlador PI ... 62

Figura 3-12: Filtro pasa altas a 60Hz ... 63

Figura 3-13: Espectro de amplitud con filtro pasa altas a 60Hz ... 64

Figura 3-18: Filtros pasa banda a 60Hz ... 67

Figura 3-19: Espectro de amplitud con filtros pasa banda a 60Hz ... 68

Figura 3-24: Filtro adaptativo a 60Hz ... 71

Figura 3-25: Espectro de amplitud con filtro adaptativo a 60Hz ... 72

(9)

Lista de Figuras

IX

Figura 4-2: Sonda diferencial Tektronix P5200A con accesorios ... 77

Figura 4-3: Sonda de corriente Fluke i400s ... 77

Figura 4-4: Diagrama de conexión VSI ... 78

Figura 4-5: Montaje filtro activo de potencia ... 78

Figura 4-6: SFR-PLL implementado en la DSP ... 79

Figura 4-7: Prueba de inyección, ventana ... 80

Figura 4-8: Prueba de inyección de corriente, salto superior ... 80

Figura 4-9: Prueba de inyección de corriente, salto inferior ... 81

Figura 4-10: Corrección del FP ... 82

Figura 4-11: Tensiones y corrientes antes del funcionamiento del FAP ... 82

Figura 4-12: Implementación filtro pasa altas ... 83

Figura 4-13: Implementación filtros pasa banda ... 84

Figura 4-14: Implementación filtro adaptativo ... 85

Figura A-1: Máscara de componentes y capa inferior tarjeta de transformadores de tensión 93 Figura A-2: Máscara de componentes y capa inferior tarjeta de sensores de corriente ... 94

Figura A-3: Máscara de componentes y capa inferior tarjeta de acondicionamiento señales de corriente ... 95

Figura D-1: Parte frontal con borneras de conexión a la red eléctrica y botón de encendido y de emergencia ... 103

(10)

Lista de Tablas

X

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Problemas y efectos generados por los armónicos en los elementos de un sistema

eléctrico de potencia, autor... 6

Tabla 2: Especificaciones IGBT SKM50GB12T4, Semikron ... 16

Tabla 3: Variables para el cálculo de la inductancia de acople ... 18

Tabla 4: Especificaciones transformador de tensión FS10-110-C2-B, Triad Magnetics ... 21

Tabla 5: Especificaciones sensor de corriente LTSR 6-NP, LEM USA Inc. ... 23

Tabla 6: Asignación canales análogos en la tarjeta de desarrollo ... 28

Tabla 7: Características de los diferentes métodos de obtención de la corriente de referencia, [9] ... 30

Tabla 8: Frecuencias de los filtros en las coordenadas DQ0, autor ... 48

Tabla 9: Resultados simulación filtro pasa altas ... 67

Tabla 10: Resultados simulación filtros pasa bandas ... 71

Tabla 11: Resultados simulación filtro adaptativo ... 74

Tabla 12: Tabla comparativa de resultados tras la simulación ... 75

Tabla 13: carga trifásica lineal ... 81

Tabla 14: Resultados de la corrección del factor de potencia ... 81

Tabla 15: THD de corriente y FP visto por la red eléctrica con filtro pasa altas ... 83

Tabla 16: THD de corriente y FP visto por la red eléctrica con filtros pasa banda ... 84

Tabla 17: Tabla comparativa de resultados tras la implementación ... 86

Tabla 18: Materiales empleados para el subsistema de potencia ... 101

Tabla 19: Materiales empleados para el subsistema de instrumentación ... 101

Tabla 20: Materiales empleados para el subsistema de control ... 102

Tabla 21: Costo materiales para el prototipo de un FAP ... 102

(11)

Introducción

1

INTRODUCCIÓN

Hoy en día los avances tecnológicos y el crecimiento demográfico han llevado a que cada vez se requiera más el uso de nuevas y eficientes fuentes de energía eléctrica, las cuales, puedan suplir la demanda requerida con altos estándares de calidad. La calidad de la potencia eléctrica ha sido un tema que va tomando importancia en el sector eléctrico, eléctrico, aumento de las pérdidas técnicas y la reducción de la vida útil de algunos equipos (conductores, transformadores, interruptores, fusibles, etc.) según da a conocer el autor en [1], uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta al momento de hablar de calidad de la potencia eléctrica es el tema de los armónicos. Los armónicos son señales de diferente frecuencia y magnitud que se relacionan con una señal fundamental. Esta señal fundamental, en el caso eléctrico, puede ser de tensión y/o de corriente, siendo los armóni-cos de corriente los más importantes ya que su presencia produce la mayor cantidad de impactos negativos en los sistemas eléctricos como se enuncia en [2].

Con el objetivo de mitigar estos impactos negativos sobre el sistema eléctrico de potencia se vio la necesidad de utilizar equipos capaces de reducir el contenido armónico de corriente y/o de tensión. En un principio, se optó por el uso de circuitos con componentes pasivos como resis-tencias, inductancias y condensadores dado que es una solución sencilla y económica, sin em-bargo, el uso de estos elementos en sistemas de potencia empezó a presentar problemas ya que alteraban la topología de la red donde se instalaban. Problemas tales como el cambio de impe-dancias de falla y de resonancia asociada a variaciones de la frecuencia [3]. Dado estos proble-mas, se empieza a plantear el uso de filtros con componentes activos, los cuales además, y de-pendiendo de su forma de control, son capaces de no solo eliminar el contenido armónico de la red, sino también, corregir el factor de potencia, compensar reactivos y balancear las tensiones y corrientes de la red eléctrica.

(12)

Objetivos

2

OBJETIVOS

General

• Diseñar e implementar un filtro activo de potencia, utilizando filtros adaptativos, para la reducción de armónicos de corriente en sistemas de baja tensión.

Específicos

• Seleccionar y modelar la topología de filtro activo que mejor se adapte para la reducción de armónicos de corriente en sistemas de baja tensión.

• Determinar los sensores para la medición de voltaje y corriente, y diseñar los circuitos de adaptación, que permitan integrar las medidas a la tarjeta de desarrollo implementada en el grupo LIFAE.

• Seleccionar la estrategia de control más empleada y que mejor se adapte para la reduc-ción de armónicos de corriente.

• Diseñar los filtros adaptativos que permitan la reducción de los armónicos de corriente y puedan ajustarse a las variaciones de la frecuencia fundamental de la red.

• Simular y verificar el comportamiento del esquema de control cuando estén presentes o no los filtros adaptativos.

(13)

Marco referencial

3

1.MARCO REFERENCIAL

El estudio de los armónicos en los sistemas eléctricos de potencia tiene como objetivo la elimi-nación de éstos de la red eléctrica debido a los problemas que ocasionan. Esté estudio inicia desde el reconocimiento de sus fuentes de generación, a través de sus efectos sobre los diferentes elementos de la red eléctrica para así finalmente plantear diferentes métodos que permitan su reducción o eliminación.

En este capítulo se presenta una introducción sobre los armónicos de corriente, sus fuentes de generación y sus efectos en las redes eléctricas y sobre todo en los diferentes métodos usados actualmente para su mitigación.

1.1. LOS ARMÓNICOS DE CORRIENTE

Los armónicos de corriente son señales sinusoidales que poseen frecuencias las cuales son múltiplos enteros de la frecuencia a la cual el sistema de potencia está diseñado para operar (fre-cuencia fundamental). La presencia de estos armónicos distorsionan la forma de onda de la co-rriente, alterando parámetros de calidad establecidos para esta señal, un ejemplo de esta distor-sión generada por los armónicos se puede apreciar en la Figura 1-1.

Figura 1-1: Onda sinusoidal con contenido armónico, autor

(14)

Marco referencial

4

1.1.1 ÍNDICE DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL (THD)

El índice de distorsión armónica total es un término utilizado para cuantificar la propiedad no sinusoidal de una forma de onda. El valor del THD es la relación entre el valor eficaz de todos los términos correspondientes a las frecuencias distintas de la fundamental y el valor eficaz del término correspondiente a la frecuencia fundamental tal como se puede apreciar en [6]. Cabe indicar que este valor se puede obtener para las señales de tensión ( ) y/o corriente ₍ ₎ usando la misma expresión. En la ecuación ( 1-1) se presenta la correspondiente fórmula para calcular el .

Por otro lado, si la distorsión armónica total se aplica frecuentemente en situaciones en las que el término de la componente DC es cero, el puede expresarse como en la ecuación ( 1-2).

= ∑ ( 1-2)

Dónde:

es el valor pico del enésimo armónico de la corriente

es el valor pico de la componente fundamental de la corriente 1.1.2.GENERADORES DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS

Con el desarrollo de nuevas tecnologías y la necesidad de controlar de manera específica cierto tipo de cargas, se ha introducido al sistema eléctrico de potencia componentes cuyo comporta-miento es no lineal y que alteran las señales de tensión y/o corriente. Sin embargo, la generación de armónicos no es un fenómeno asociado estrictamente a la incursión de estas nuevas tecnolog-ías las cuales buscan una mayor eficiencia gracias a desarrollos en la electrónica de potencia. Muchos de los equipos utilizados desde las primeras redes eléctricas generaban armónicos debi-do a sus elementos constitutivos.

Motores de inducción

(15)

Marco referencial

5

Rectificadores de tensión

Los rectificadores de tensión son dispositivos cuya finalidad es convertir una señal de tensión AC en una DC, esto con el fin de alimentar diferentes tipos de cargas. Ejemplo de estos rectifi-cadores pueden ser adaptadores, cargadores de baterías, motores DC entre otros dispositivos. Su funcionamiento se basa en el uso de elementos semiconductores no controlados como diodos o de semiconductores controlados como SCR’s, TRIAC’s, transistores, etc. Dependiendo de su topología estos pueden generar diferentes valores de , ejemplo es el caso de los rectificado-res de media onda los cuales llegan a generar un nivel DC en la corriente de alimentación la cual puede generar fallas en diversos equipos de la red eléctrica como lo son los transformadores de potencia. Por otro lado, con el uso de semiconductores controlados permiten modificar el según su control, haciendo de estos una mejor opción para este tipo de aplicaciones.

Inversores y UPS

Los inversores y los sistemas ininterrumpidos de energía (UPS) son equipos que poseen baterías u otras fuentes de tensión DC para suministrar energía eléctrica a la red AC o a cargas específi-cas. Estos equipos basan su funcionamiento mediante la modulación por ancho de pulso (SPWM) y de la implementación filtros para obtener una señal sinusoidal lo más pura posible. Estos dispositivos requieren de un diseño específico debido a que parámetros como el índice de modulación o de amplitud, afectan su comportamiento y pueden generar armónicos, los cuales, especialmente en el caso de los inversores conectados en paralelo a la red pueden inyectar armó-nicos a esta.

1.1.3.EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS DE CORRIENTE

La presencia de armónicos en la red eléctrica crea una gran cantidad de efectos negativos sobre ésta y sobre los diferentes elementos que la componen. Uno de estos impactos es la reducción en la vida útil de los diferentes equipos (transformadores, banco de condensadores, etc.), lo cual, ante la falla de uno de estos elementos puede llevar, en algunas situaciones a la inestabilidad del sistema eléctrico. En la Tabla 1 se muestra los efectos de los armónicos de corriente en los dife-rentes elementos que componen el sistema eléctrico.

Elemento Problema Efecto

• Conductores de fase • Aumento de la corrien-te RMS

• Calentamiento de con-ductores

• Disparo de protecciones • Conductor de neutro • Circulación de

(16)

Marco referencial

6

• Condensadores • Resonancia en paralelo

con el sistema

• Calentamiento de con-densadores

• Destrucción de conden-sadores

• Máquinas eléctricas • Circulación de armóni-cos por los devanados • Errores en procesos de

control

• Valores de magnitudes incorrectos

• Interferencias con siste-mas de comunicación

Tabla 1: Problemas y efectos generados por los armónicos en los elementos de un sistema eléctrico de potencia, autor

1.2. FILTROS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Los filtros son elementos que discriminan uno o varios componentes determinados, en el caso de los filtros eléctricos pueden discriminar una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica (tensión o corriente) logrando modificar tanto su amplitud como su fase. El uso de filtros para la reducción de armónicos en la red eléctrica tiene como objetivo principal el prevenir la entrada de corrientes y/o tensiones armónicas al sistema, las cuales pueden generar inconvenientes o daños como se mencionaron en apartados anteriores.

1.2.2.CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS DE POTENCIA

De acuerdo a su objetivo y construcción, los filtros eléctricos de potencia pueden variar desde su modo de conexión a la red y su operación, ya sea para la eliminación de armónicos de corriente, de tensión, o incluso ambos. Para lograr esto, los filtros cualquiera sea su topología, se conectan en serie para reducir los armónicos de tensión y en paralelo para reducir los armónicos de co-rriente. De esta forma se pueden clasificar los filtros bajo las siguientes categorías:

• Por su forma de conectarse a la red (serie o paralelo) • Por su topología o construcción (activo o pasivo)

Hay que tener en cuenta que para el presente estudio se abordaran los filtros conectados en para-lelo dado que esta topología es la ideal para la reducción del contenido armónico de corriente. 1.2.3.FILTROS PASIVOS DE POTENCIA

(17)

Marco referencial

7

Figura 1-2: Esquema de un filtro pasivo de potencia

Estos filtros se caracterizan por ser sencillos de diseñar, además de un bajo costo de imple-mentación y mantenimiento. Sin embargo, las variaciones de la frecuencia hace que éstos pierdan sintonía, además de que representan una carga adicional a la red eléctrica y que en ocasiones si están mal diseñados pueden entrar en resonancia con algún otro armónico de or-den superior lo cual puede llevar a la generación de altas tensiones en sus componentes, dete-riorando así su aislamiento y llevando a una reducción de su vida útil.

1.2.4.FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA

Como su nombre lo indica, son filtros que usan elementos activos como transistores, amplifica-dores, entre otros dispositivos para su operación. En el caso de los filtros activos de potencia (FAP) se hace uso de semiconductores de potencia los cuales se caracterizan por ser elementos no lineales. Su funcionamiento se basa en la inyección de corrientes armónicas de la misma magnitud pero de fase totalmente opuesta a los armónicos ya presentes en la red, para lograr esto se usan inversores de tensión (VSI) ya sean monofásicos o trifásicos.

(18)

Marco referencial

8

Estos filtros como el de la Figura 1-3 requieren de esquemas de control capaces de actuar ante cambios en el contenido armónico de la corriente lo más rápido posible. Este control determina la adecuada conmutación de los dispositivos semiconductores que junto a la implementación de un filtro pasivo para filtrar las componentes de alta frecuencia generadas por la conmutación del VSI conduce a la reducción de armónicos de la red eléctrica. Actualmente se encuentra en la literatura una gran variedad de métodos para la obtención de la corriente de referencia, ya sean basados en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia [5], [8] y [9]. Cada uno de estos esquemas tienen diversas ventajas como desventajas, algunos de ellos requieren de grandes cantidades de cálculos, consumiendo así muchos ciclos de trabajo computacional. Otro factor importante es que para cualquiera de estos esquemas se debe cumplir con los requisitos que el FAP necesite del sistema eléctrico (frecuencia estable, corriente y/o tensiones balanceadas entre otros aspectos).

1.3. ESTRUCTURA DE LOS FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA

Un filtro activo de potencia basa su funcionamiento en subsistemas los cuales son los encargados de cumplir funciones específicas. Para el desarrollo de este proyecto se ha optado por dividir el funcionamiento del FAP en tres subsistemas claves:

• Subsistema de potencia. • Subsistema de instrumentación.

• Subsistema de control y obtención de la corriente de referencia.

Cada uno de los subsistemas anteriormente mencionados requiere del diseño y selección de sus principales componentes, sin embargo, se necesita que estos componentes sean compatibles con los otros elementos de los demás subsistemas, ejemplo de esto son los subsistemas de potencia e instrumentación, los sensores deben de ser capaces de soportar los niveles de tensión así como la corriente máxima de la etapa de potencia. Dado esto, se debe tener en cuenta la selección de los componentes que harán parte del FAP.

(19)

Marco referencial

9 1.3.2.SUBSISTEMA DE POTENCIA

Este subsistema es el encargado de interactuar con la red eléctrica. Sus componentes se deben diseñar de tal forma que no representen un riesgo para el funcionamiento del FAP así como para la red eléctrica y sobre todo para las personas a su alrededor.

Este subsistema se compone de diversos elementos de potencia como lo son: • Condensadores de potencia

• Inductancias de acople • Semiconductores de potencia • Fuentes de tensión

Es importante iniciar el diseño del FAP con este subsistema dado que este determinará el punto de operación así como muchas de las propiedades y/o requerimientos de este, tales como:

• La tensión del bus DC • Capacitancia del bus DC • Inductancia de acople • Frecuencia de conmutación • Ancho de banda del FAP

Finalmente, estos valores darán lugar para la selección de los diversos sensores del subsistema de instrumentación, a la obtención del modelo del FAP y culminar con el diseño de la etapa de control.

1.3.3.SUBSISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN

El subsistema de instrumentación es el encargado de acondicionar las señales provenientes de los sensores seleccionados, los cuales estarán integrados en la etapa de potencia y que son reque-ridas por el sistema de control. Parte importante es la selección de los sensores ya que estos de-ben ser capaces de soportar las tensiones presentes en la red eléctrica de baja tensión así como la magnitud de las corrientes tanto de la carga no lineal como del FAP.

Un aspecto importante de este subsistema es que debe garantizar un aislamiento entre el subsis-tema de potencia y el subsissubsis-tema de control, este aislamiento depende del sensor así como de la variable a medir, puede ser óptico, galvánico, entre otros.

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Marco referencial

10

1.3.4.SUBSISTEMA DE CONTROL Y OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE DE REFERENCIA

La etapa de potencia requiere de un sistema de control el cual debe ser diseñado acorde a los parámetros de operación inicialmente establecidos para el FAP. Este sistema de control necesita para su funcionamiento los valores de tensión y corriente de la red eléctrica, tanto de la carga no lineal como de la corriente inyectada por el FAP para establecer un lazo de control realimentado. Estos valores de tensión y corriente son obtenidos a partir de los sensores y sus circuitos de acondicionamiento provenientes del subsistema de instrumentación.

Una vez obtenidas las señales del sistema eléctrico se procede con la obtención de la corriente de referencia, y que dependiendo del método empleado, podrá contener todo el contenido armónico de la corriente o un armónico en específico, es decir, aplicar métodos de transformación los cua-les permitan separar el contenido armónico de la corriente de su señal fundamental. Dada esta corriente de referencia se procede con su filtrado para la discriminación general o especifica de armónicos, y que a partir del esquema de control seleccionado generará la corriente de compen-sación necesaria que será inyectada para la eliminación de los armónicos de corriente.

(21)

Diseño del filtro activo de potencia

11

2. DISEÑO DEL FILTRO ACTIVO DE POTENCIA

En este capítulo se recorre cada uno de los subsistemas del filtro activo de potencia (FAP) con el fin de determinar cada uno de sus componentes, los cuales deben funcionar de manera adecuada con los demás elementos de los otros subsistemas.

Se inicia con el subsistema de potencia con el fin de establecer las condiciones de operación del FAP, condiciones como la potencia máxima, la tensión de la red y el ancho de banda del filtro permitirán establecer las bases para la selección de los sensores del subsistema de instrumenta-ción. Una vez seleccionados los sensores y de ser necesario, se realizará el acondicionamiento de las señales provenientes de éstos para garantizar el funcionamiento con la tarjeta de desarrollo para aplicaciones en electrónica de potencia desarrollada en el grupo de investigación LIFAE de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Con la selección de los componentes del subsistema de potencia e instrumentación se continúa con el modelado del FAP utilizando la transformada DQ0, método elegido y el cual será estu-diado posteriormente. Se prosigue con la selección de la mejor estrategia de control que permita la implementación de diferentes topologías de filtros (pasa altas, pasa banda, adaptativos, etc.) para determinar la eficiencia de cada uno de ellos en el funcionamiento de un FAP. Finalizado el proceso de diseño de los controladores y filtros se hace la discretización de éstos para la poste-rior simulación y seguidamente la implementación en un Procesador Digital de Señales DSP. Terminado este capítulo se realiza la simulación del FAP en un software especializado en aplica-ciones en electrónica de potencia para verificar el funcionamiento del sistema teniendo énfasis en el subsistema de control y obtención de la corriente de referencia para después proceder con su implementación.

2.1. SUBSISTEMA DE POTENCIA

Antes de iniciar con el diseño del subsistema de instrumentación o control se requiere y es im-portante establecer los rangos de operación del FAP. Tensión de operación, corriente máxima, ancho de banda, frecuencia de conmutación entre otros aspectos establecen los criterios para el diseño y selección de los componentes del subsistema de potencia que van a interactuar con la red eléctrica.

(22)

12

• Una fuente de tensión encargada de proporcionar una tensión constante en el bus DC y que suministrará energía al inversor de tensión VSI.

• Capacitor bus DC el cual es el encargado de absorber corrientes provenientes de la red para así evitar que estas vayan a la fuente DC.

• Inductancias de acople para el filtrado de las componentes de alta frecuencia provenien-tes de la conmutación de los dispositivos semiconductores del VSI.

• Inversor de tensión (VSI) el cual, por medio del accionamiento de sus semiconductores de potencia, generará la corriente de compensación del FAP.

En la Figura 2-1 se puede detallar el esquema de conexión de cada uno de los elementos ante-riormente mencionados con lo cual se procede con el cálculo, dimensionamiento y selección de cada uno de estos.

Figura 2-1: Elementos subsistema de potencia

2.1.2.TENSIÓN BUS DC

El primer componente a seleccionar del subsistema de potencia es la fuente de tensión DC, esta fuente debe ser capaz de suministrar una tensión constante y que junto al condensador del Bus DC sea capaz de suministrar la potencia requerida por el FAP.

El voltaje DC mínimo requerido para la operación del FAP se puede calcular a partir de la ten-sión de la red eléctrica a la cual va a operar el filtro, ya sea para un sistema monofásico o trifási-co (trifási-como lo es para este caso) se debe tener en cuenta que la tensión del bus DC depende de los valores pico y no RMS de la red, por lo cual se puede aproximar el voltaje mínimo del bus DC de la siguiente forma:

= √

= .

(23)

13

Dado que este valor es el mínimo requerido para el funcionamiento del filtro, se estaría trabajan-do en la zona límite de la parte lineal del índice de modulación de amplitud, además no se estaría considerando la caída de tensión en la inductancia de acople a la red, ni en los elementos semi-conductores, por tal razón se opta por incrementar este valor aproximadamente un 20% para garantizar el funcionamiento del FAP en la zona lineal del índice de modulación y lograr la caída de potencial necesaria en las inductancias de acople para que por ellas circule la corriente de compensación requerida, con lo cual la tensión del bus DC será de:

= . ( 2-2)

Este valor puede ser modificado posteriormente dependiendo del límite de tensión del condensa-dor del bus DC así como del valor de la inductancia de acople a la red eléctrica y las caídas de tensión en los semiconductores.

Finalmente, se requiere que esta fuente de alimentación DC sea capaz de suministrar una parte de la potencia requerida por el FAP la cual se planteó para cargas de 1KVA. Para garantizar esta potencia de salida y evitar el sobre calentamiento de los componentes de la fuente se requiere que está este en la capacidad de suministrar al menos una potencia de 1200W.

Para alcanzar esta tensión y potencia se opta por utilizar la fuente de tensión ya disponible en el laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Universidad Distrital. La fuente de tensión DC Agilent N8762A (Figura 2-2) permite una salida de tensión variable de 0 a 600V con una potencia máxima de 5100W. Entre sus ventajas se puede mencionar que su terminal negativa no está refe-renciada a tierra, lo cual la convierte en una fuente flotante ideal para evitar los problemas de referencia con la red eléctrica. Además posee un control para limitar la corriente máxima de salida que de igual forma limitará la potencia máxima de salida del FAP, funcionando de esta manera como un sistema de protección.

(24)

14 2.1.3.CAPACITOR BUS DC

Dado que este diseño del FAP se planteó con el uso de una fuente DC para alimentar el bus DC, el diseño del condensador no requiere de aspectos de suma importancia, caso contrario sería donde no se usará una fuente de alimentación. Si fuese este caso donde no se utilizará una fuente DC se requeriría realizar cambios en el modelo y en el sistema de control, además de los senso-res necesarios para el control de la tensión en el bus DC.

Para el caso del FAP desarrollado en este proyecto, el fabricante de la fuente DC Agilent N8762A garantiza que el rizado es de máximo 500mV esto quiere decir que para la tensión de operación de 350VDC el rizado es menor al 0.2%. Con este valor de rizado la capacitancia del condensador no influye en el funcionamiento del bus

DC.

Por otro lado se debe garantizar que el condensador este en la capacidad de soportar la tensión del bus DC sin que entre el riesgo su aislamiento, al mismo tiempo debe ser capaz de soportar la corriente que fluya hacia la fuente DC desde la red.

Dado que para este proyecto se adquirió previamente un VSI trifásico del fabricante Semikron, el capacitor fue añadido por ellos bajo sus criterios y cuyos valores son:

Tensión máxima: 450VDC Capacitancia: 2200uF

Fabricante: EPCOS

Con el límite de operación del condensador en el bus DC establecido por el fabricante se puede concluir que la tensión de la fuente DC calculada previamente (350VDC) está dentro del rango de operación del capacitor, por lo cual no es necesario modificar la tensión del bus DC.

2.1.4.INVERSOR DE TENSIÓN (VSI) TRIFÁSICO CON IGBT’S

Componente importante de la etapa de potencia en el funcionamiento de FAP es el inversor de tensión o VSI, el cual se compone de un arreglo de semiconductores de potencia (BJT, Mosfets, IGBT’s) que van a actuar como interruptores los cuales por medio de su accionamiento pueden generar a su salida una tensión AC a partir de una DC. Un VSI dependiendo de la topología de la red o de la carga puede ser monofásico o trifásico. Un esquema de un VSI con IGBT’s se puede observar en la Figura 2-4.

(25)

15

Figura 2-4: Diagrama esquemático de un VSI trifásico, autor

Una de las ventajas de un VSI es que éste puede funcionar como una fuente de corriente contro-lada mediante la implementación de diferentes esquemas de control con sus respectivos sensores los cual permite inyectar para este caso, la corriente de compensación requerida para la elimina-ción del contenido armónico de una carga no lineal.

Para el desarrollo de diferentes proyectos, el grupo de investigación LIFAE adquirió previamen-te con el fabricanpreviamen-te Semikron un VSI trifásico el cual se utilizará para el desarrollo de espreviamen-te pro-yecto, dado que sus características de operación cumplen con las necesidades de la etapa de po-tencia así como de la etapa de control y que se pueden listar a continuación:

• Garantiza un aislamiento entre la etapa de potencia y de control

• Soportar la tensión del bus DC (350VDC) así como la tensión AC de la red eléctrica (120/208VAC)

• Ser capaz de soportar la corriente requerida por el FAP, la cual para cargas de hasta 1KVA será de:

=

√ = . ( 2-3)

(26)

16

Figura 2-5: Esquemático del IGBT SKM50GB12T4, Semi-kron

En la Tabla 2 se presentan los datos técnicos más relevantes sobre el IGBT SKM50GB12T4, es de notar que los valores de tensión y corriente nominal de operación está muy por encima de los requeridos para este proyecto.

Sin embargo, el uso de estos IGBT’s limitará el ancho de banda de operación del FAP ya que estos presentan retardos en los tiempos de encendido y de apagado ya establecidos por el fabri-cante, tiempos que se deben tener en cuenta al momento de seleccionar la frecuencia de conmu-tación, la cual además debe ser una frecuencia que sea múltiplo de la frecuencia fundamental de la red para evitar inter-armónicos. Para esto se opta por una frecuencia de conmutación de:

= ( 2-4)

De igual forma estos tiempos también van a establecer el tiempo muerto requerido, el cual va a garantizar el apagado de un IGBT antes de activar el otro IGBT de la misma rama, y así evitar microcortos en el VSI. En consecuencia, se debe garantizar un tiempo muerto mayor a 325ns.

La señal de salida, cualquiera sea el tipo onda que se requiera (sinusoidal, triangular, cuadrada, etc.), su amplitud o frecuencia, se logra mediante diferentes técnicas de control, una de ellas es la variación del ciclo de trabajo de la señal de accionamiento, técnica que se conoce mejor como modulación por ancho de pulso o del inglés Pulse Width Modulation (PWM).

VCES Tensión colector-emisor 1200V ICnom Corriente nominal 50A VGES Tensión Gate-Emisor -20V … 20V

t

d(on) Retardo de encendido 98ns

tr

Tiempo de levantamiento 29ns

t

d(off) Retardo de apagado 325ns

t

f Tiempo de caída 75ns

Tabla 2: Especificaciones IGBT

(27)

17

Finalmente, en la Figura 2-7 se puede observar una ilustración del VSI adquirido por el grupo de investigación LIFAE y empleado para este proyecto.

2.1.5.INDUCTANCIA DE ACOPLE AC

Importante en el diseño de un FAP es la inductancia de acople entre el VSI y la red eléctrica dado que esta se encargará de filtrar las componentes de alta frecuencia provenientes de la con-mutación del VSI, además de generar la caída de tensión necesaria para que haya una corriente inyectándose a la red.

Esta inductancia debe calcularse acorde a los parámetros de operación del FAP y debe ser in-cluida en el modelo del FAP para el diseño del controlador de lazo cerrado de corriente. En al-gunos casos en los que se opera como un simple inversor se recomienda agregar un transforma-dor entre esta inductancia y la red eléctrica, sin embargo, esto no aplica en los filtros activos de potencia debido a que mucho del contenido armónico se puede filtrar en el transformador, de-pendiendo de su conexión.

(28)

Figura

Como se puede apreciar en la

cobre y de la inductancia al momento de modelar el FAP Por otro lado, se debe considerar

dado que muchos autores han [11] y [12]. En este caso,

el rango del valor de la inductancia teniendo en cuenta varios parámet niveles del VSI, el armónico representativo

obtener con los métodos planteados en

En la Tabla 3 se detalla cada una de las variables acople así como su respect

del bus DC, la frecuencia de conmutación y el número de niveles de VSI sugiere valores para la sensibilidad y se opta por seleccionar a

sentativo dada su importancia en los sistemas trifásicos trifilares.

∆

Tabla

18

Figura 2-8: Ubicación de la inductancia de acople en el FAP

Como se puede apreciar en la Figura 2-8 se debe considerar el efecto de la resistencia propia del cobre y de la inductancia al momento de modelar el FAP, esto según el método e

Por otro lado, se debe considerar la topología del VSI para calcular el valor de la inductancia dado que muchos autores han planteado diferentes formas de hallar el rango para

se empleará el método empleado por el autor en [11]

el rango del valor de la inductancia teniendo en cuenta varios parámetros como el número de niveles del VSI, el armónico representativo, entre otros factores. Valores similares se pueden obtener con los métodos planteados en [12, 10]

( − )∆

se detalla cada una de las variables necesarias para el cálculo de la inductancia así como su respectivo valor los cuales fueron abordados previamente, como la tensión us DC, la frecuencia de conmutación y el número de niveles de VSI. Por otro lado, el autor sugiere valores para la sensibilidad y se opta por seleccionar al tercer armónico como el repr sentativo dada su importancia en los sistemas trifásicos trifilares.

Tensión Bus DC 350V

Frecuencia de conmutación 24000Hz

Niveles del VSI 2

Variación de la corriente del inversor (10%) 0.277A

Sensibilidad 0.2

Armónico representativo 3 Velocidad angular frecuencia fundamental 2π(60Hz)

Corriente nominal VSI 2.77A

Tabla 3: Variables para el cálculo de la inductancia de acople

considerar el efecto de la resistencia propia del , esto según el método empleado. VSI para calcular el valor de la inductancia

el rango para este valor [10], ] el cual establece ros como el número de Valores similares se pueden

( 2-5)

de la inductancia de reviamente, como la tensión Por otro lado, el autor l tercer armónico como el

repre-24000Hz

(29)

Dados los valores de la Tabla 3 se procede con el cálculo del rango de la inductancia aplicando la ecuación 2-5 con lo cual se obtiene que:

Tras obtener el rango para la inductancia de acople se procede con la fabricación de estás núcleos ferromagnéticos de alta frecuencia y con alamb

estar en la capacidad de soportar la corriente del FAP calibre AWG #18 y se establece un valor de 9mH para estas mediciones sucesivas obten

fabricación de estas inductancias

2.2. SUBSISTEMA DE I

En este subcapítulo se seleccionan los sensores de tensión y corriente

integrarse a la tarjeta de desarrollo para aplicaciones en electrónica de potencia desarrollada en el grupo de investigación LIFAE

dan trabajar bajo las condiciones de operación del FAP sin que se comprometa su integridad o funcionamiento.

Dado que el FAP desarrollado a lo largo de este proyecto es para un sistema de baja tensión trifásico trifilar modelado y controlado a partir de la transformada DQ0

los siguientes sensores:

• Tres transformadores de tensión para el funcionamiento del fase (PLL), sistema

• Tres transformadores de corriente para la medición de la corriente de la carga armónica • Tres transformadores de corriente para la medición de la corriente inyectada por el FAP Diseño del filtro activo de potencia

19

Dados los valores de la Tabla 3 se procede con el cálculo del rango de la inductancia aplicando 5 con lo cual se obtiene que:

para la inductancia de acople se procede con la fabricación de estás núcleos ferromagnéticos de alta frecuencia y con alambre de cobre esmaltado cuyo calibre debe estar en la capacidad de soportar la corriente del FAP (2.77A), para ello se utiliza un alambre calibre AWG #18 y se establece un valor de 9mH para estas, el cual se va a ajustando

obteniéndose un valor de resistencia de 2Ω. Finalmente, el resultado de la inductancias se puede apreciar en la Figura 2-9.

Figura 2-9: Bobinas 9mH

INSTRUMENTACIÓN

capítulo se seleccionan los sensores de tensión y corriente que sean

integrarse a la tarjeta de desarrollo para aplicaciones en electrónica de potencia desarrollada en el grupo de investigación LIFAE, pero de igual forma, también se deben seleccionar para que pu dan trabajar bajo las condiciones de operación del FAP sin que se comprometa su integridad o

Dado que el FAP desarrollado a lo largo de este proyecto es para un sistema de baja tensión do y controlado a partir de la transformada DQ0 se requieren al menos de

transformadores de tensión para el funcionamiento del sistema de seguimiento de sistema que se explicará en el siguiente subcapítulo.

ransformadores de corriente para la medición de la corriente de la carga armónica transformadores de corriente para la medición de la corriente inyectada por el FAP

. .

Dados los valores de la Tabla 3 se procede con el cálculo del rango de la inductancia aplicando

para la inductancia de acople se procede con la fabricación de estás, sobre re de cobre esmaltado cuyo calibre debe (2.77A), para ello se utiliza un alambre ajustando mediante inalmente, el resultado de la

que sean adecuados para integrarse a la tarjeta de desarrollo para aplicaciones en electrónica de potencia desarrollada en el eben seleccionar para que pue-dan trabajar bajo las condiciones de operación del FAP sin que se comprometa su integridad o

Dado que el FAP desarrollado a lo largo de este proyecto es para un sistema de baja tensión se requieren al menos de

sistema de seguimiento des-ransformadores de corriente para la medición de la corriente de la carga armónica. transformadores de corriente para la medición de la corriente inyectada por el FAP.

(30)

20

Por otro lado, dependiendo del tipo de sensor seleccionado se deberá considerar si se requiere o no de algún circuito acondicionador para garantizar el funcionamiento con la tarjeta de desarro-llo. Finalmente, todos los sensores y circuitos de acondicionamiento deberán en lo posible, por seguridad del usuario, estar montados en un circuito impreso PCB con máscara de componentes para su fácil montaje y reconocimiento además de estar fabricados con capa antisoldante para aislar la capa de cobre ante posibles contactos accidentales.

2.2.2.EL TRANSFORMADOR DE TENSIÓN

Con el objetivo de desarrollar y modelar el FAP por medio de la transformada DQ0 que se deta-llará en el siguiente subcapítulo, se requiere de un sistema para el seguimiento de fase. Para este caso se optó por implementar un sistema de seguimiento de fase basado en un marco de referen-cia sincrónico (synchronous-reference-frame phase-locked loop, SRF-PLL) [13]. Para imple-mentar este sistema se requiere de la medición de la tensión de cada una de las tres fases del sistema de baja tensión, razón por la cual se requiere de tres transformadores de tensión.

La selección de los transformadores de tensión se debe basar en las condiciones de operación del subsistema de potencia así como su facilidad para la integración con la tarjeta de desarrollo. Dichas condiciones a tener a cuenta para la selección de los transformadores de tensión son las siguientes:

• Garantizar un aislamiento galvánico entre la etapa de potencia y la de instrumentación. • Tener una tensión nominal del primario entre 110Vac y 230Vac RMS para

funciona-miento en sistemas trifásicos trifilares en conexión en estrella o triangulo. • Garantizar una tensión en el secundario que no supere los 15VAC pico

• Que su consumo de potencia sea el más bajo posible para no influir de manera conside-rable en la eficiencia del sistema de potencia

• Que no presente un desfase considerable entre el primario y el secundario (máximo des-fase de 25° para garantizar FP del 0.9). De presentarse un desdes-fase mayor a 25° deberá ser compensado ya sea por circuitos acondicionadores o por software al momento de programar.

• Dado que el funcionamiento del SFR-PLL se basa en la detección de la frecuencia fun-damental (60Hz) no se requiere que los transformadores sean de alta frecuencia.

(31)

En la Figura 2-10 y en la tabla

especificaciones del transformador FS10

Figura

Una vez adquiridos los transformadores PCB donde irán montados

por medio de jumpers la configuración en serie o dario.

Figura

Potencia máxima

Tensión en primario 115Vac en paralelo 230Vac en serie

Tensión en secundario 5Vac en paralelo 10Vac en serie

Tabla 4: Especificaciones transformador de te sión FS10-110-C2-B, Triad M

Diseño del filtro activo d

21

y en la tabla Tabla 4 se presentan los diagramas esquemáticos, de conexión y especificaciones del transformador FS10-110-C2-B

Figura 2-10: Diagrama de conexiones y esquemático trans-formador FS10-110-C2-B, Triad Magnetics

ansformadores de tensión se procede con el diseño y la fabricación del PCB donde irán montados. El montaje final se puede apreciar en la Figura 2-12

por medio de jumpers la configuración en serie o en paralelo tanto del primario como del secu

Figura 2-12: Tarjeta transformadores de tensión, autor

1.1VA

Figura 2-11: Transformador de tensión FS10-110-C2-B, Triad Magnetics

os diagramas esquemáticos, de conexión y

se procede con el diseño y la fabricación del 12 el cual permite en paralelo tanto del primario como del

(32)

22 2.2.3.EL TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

Parte importante en el funcionamiento y comportamiento del FAP son los transformadores o sensores de corriente, sensores que deben de cumplir con funciones y características específicas ya que van a ser el primer elemento que ayudará a determinar la corriente de compensación ne-cesaria que debe inyectar el FAP. Las siguientes son las características a tener en cuenta para la selección del sensor de corriente a elegir:

•El ancho de banda del sensor: este parámetro va a limitar de igual forma el ancho de banda de operación del FAP, para el desarrollo de este proyecto se requiere de un trans-formador de corriente que tenga un ancho de banda entre 2KHz a 6KHz.

•Variable de salida: muchos sensores o transformadores de corriente en la actualidad pre-sentan en su salida en secundario una señal de corriente proporcional a la corriente en primario, sin embargo, esto requiere de una carga para su funcionamiento. Existen otros sensores de corriente que traducen la señal de corriente en el primario a una señal de tensión en el secundario. Estos sensores con salida de tensión proporcionan una ventaja dado que no requieren una carga en su salida, además de su fácil referencia a tierra para incorporarlos a circuitos de amplificación o filtrado.

•Se debe garantizar que exista un aislamiento entre la etapa de potencia y la de instru-mentación por parte de los sensores de corriente, ya sea óptica o galvánica.

•Se debe considerar si el sensor o transformador de corriente será intrusivo o no intrusi-vo, esto con el fin de garantizar la eficiencia del aislamiento y la facilidad del cableado de la etapa de potencia.

•Más importante aún es que el sensor o transformador de corriente debe aportar el menor desfase posible entre primario y secundario ya que si la señal de corriente se desfasa, la corriente de compensación estaría desfasada igualmente y en vez de reducir los armóni-cos de corriente se podría llegar a incrementarlos.

•El sensor debe estar en la capacidad de soportar la corriente de la carga, así como la del inversor. Para el caso de una carga de 1KVA para un sistema trifásico trifilar la corrien-te sería de aproximadamencorrien-te 2.7A, razón por la cual se debe considerar un sensor de co-rriente que tenga un rango de operación entre 1A a 5A.

•Que su salida sea en lo posible lineal

•Finalmente, se prefiere que sea para montaje en circuito impreso PCB ya que esto facili-ta la implemenfacili-tación y el cableado

(33)

a la corriente de entrada la cual puede ser ajustada para valores nominales de corriente de 2A, 3A y 6A. En la Figura 2-13

como en la Tabla 5 se mencionan las características que hicieron que se eligiera este sensor.

Figura

Una vez adquiridos los sensores donde irán soportados y cuyo

diseñada con el objetivo de permitir configurar por medio de jumpers la corriente nominal del primario de cada sensor con el objetivo de no restringir su uso para aplicaciones futuras.

IPN Corriente primaria

IPM Rango de medición

VOUT Tensión de salida

VREF Tensión de referencia

G Sensibilidad

VC Voltaje de alimentación

BW Ancho de banda

Vd Tensión de aislamiento

Tabla 5: Especificaciones sensor de corriente LTSR 6-NP, LEM USA Inc.

23

a la corriente de entrada la cual puede ser ajustada para valores nominales de corriente de 2A, 13 se puede apreciar el principio de funcionamiento de este sensor, así se mencionan las características que hicieron que se eligiera este sensor.

Figura 2-13: Principio de operación sensor de corriente de efecto Hall LTSR 6-NP, LEM USA Inc.

sensores de corriente se procede con el diseño y la fabricac cuyo resultado final se puede apreciar en la Figura 2-15

diseñada con el objetivo de permitir configurar por medio de jumpers la corriente nominal del de cada sensor con el objetivo de no restringir su uso para aplicaciones futuras.

Corriente primaria 6A, 3A, 2A. Rango de medición De 0 a 19.2A.

Tensión de salida 2.5VDC ± (0.625 I/IPN) Tensión de referencia 2.5VDC

104.16mV/A Voltaje de alimentación 5VDC

e banda DC … 100KHZ Tensión de aislamiento 3KV por un minuto

Especificaciones sensor de corriente NP, LEM USA Inc.

Figura 2-14: Sensor efecto Hall LTSR

6-Inc.

a la corriente de entrada la cual puede ser ajustada para valores nominales de corriente de 2A, se puede apreciar el principio de funcionamiento de este sensor, así se mencionan las características que hicieron que se eligiera este sensor.

fabricación del PCB 15. Esta tarjeta fue diseñada con el objetivo de permitir configurar por medio de jumpers la corriente nominal del

de cada sensor con el objetivo de no restringir su uso para aplicaciones futuras.

(34)

Acondicionamiento para los sensores de corriente

Dada la curva de operación puede observar en la Figura

a corriente nominal, sin embargo presenta un límite para una corriente de 0A.

Figura

24

Figura 2-15: Tarjeta de sensores de corriente

Acondicionamiento para los sensores de corriente

Dada la curva de operación del sensor otorgada por el fabricante en la hoja de datos y que se Figura 2-16, se ve un comportamiento lineal cercano al punto de operación a corriente nominal, sin embargo presenta un límite de saturación así como un nivel DC de offset

Figura 2-16: Tensión de salida en función de la corriente de entrada del sensor LTSR 6-NP, LEM USA Inc.

(35)

25

En la Figura 2-16, la salida de tensión Vout para una corriente de 0A ésta sobre un nivel DC de 2.5VDC, este nivel DC puede ser eliminado ya sea por medio de un circuito acondicionador o por software al momento de realizar la programación en el DSP. Sin embargo, dado que esta señal debe ingresar primero a la tarjeta de desarrollo, la cual en primera instancia tendrá un filtro antia-liasing que atenuara la señal se opta por realizar un circuito acondicionador para eliminar la componente DC así como para amplificar la señal de salida del sensor.

Para cada sensor de corriente (tres para la carga así como otros tres para el inversor) se imple-mentará un circuito con amplificadores operacionales que actuaran como restadores amplificado-res, ver Figura 2-17 logrando de esta manera eliminar la componente DC de cada sensor y am-plificando a su vez la señal de entrada.

Figura 2-17: Restador amplificador con amplificadores opera-ciones

Con el esquema de la Figura 2-17 y haciendo que las resistencias R1= R2 y R3=R4 se puede cal-cular la tensión de salida del restador a partir de la ecuación 2-7

La tensión V1 será la salida proporcionada por cada sensor de corriente a la cual se le restará una

tensión V2 que se ajustará por medio de trimmers al valor de la tensión VRef de cada sensor. El

parámetro (R1/R3) determinara la ganancia del amplificador restador y que para este caso será de

22 veces o 1.3424dB dado que se utilizaron resistencias de precisión con valores de R1=R2=220KΩ y R3=R4=10KΩ para mitigar lo más posible el error generado por la tolerancia de los componentes.

Finalmente, para dar conclusión al tratamiento de las señales de corriente se diseña y fabrica el circuito impreso PCB donde irán montados los amplificadores operacionales con sus respectivos trimmers para el ajuste de VRef de cada sensor. En la Figura 2-18 se puede observar el montaje

finalizado de la etapa de acondicionamiento de las señales de corriente para así poder hacer uso de la tarjeta de desarrollo para aplicaciones en electrónica de potencia

(36)

2.2.4.EL PROCESADOR DIGITA El elemento principal del

dispositivo será el encargado de albergar y ejecutar trol, y que por medio de sus salidas PWM

El DSP TMS320F28335 de Texas Instruments ofrece señales, esto se debe a la frecuencia de operación de 150MH pacidad de manejar variables de hasta 32bits, además de poseer una les de conversión

análogo-salida PWM. En la Figura

heads de alimentación o entrada/salida.

Figura

26

Figura 2-18: Impreso circuito acondicionador

EL PROCESADOR DIGITAL DE SEÑALES (DSP)

principal del subsistema de control es el procesador digital de seña

dispositivo será el encargado de albergar y ejecutar los diferentes algoritmos de filtrado y co y que por medio de sus salidas PWM conectadas a la tarjeta desarrollo con

El DSP TMS320F28335 de Texas Instruments ofrece una alta capacidad en el procesamiento de frecuencia de operación de 150MHz de su procesador

pacidad de manejar variables de hasta 32bits, además de poseer una alta resolución -digital ADC (12Bits) así como un alta resolución para

Figura 2-19 se puede apreciar la DSP en su dock USB junto con los pin mentación o entrada/salida.

Figura 2-19: DSP TMS320F28335 en dock USB, Texas In-struments

el procesador digital de señales DSP. Este los diferentes algoritmos de filtrado y

con-trolarán el VSI. alta capacidad en el procesamiento de

(37)

27

La tensión de alimentación de este DSP es de 5V y 3.3V, los cuales serán aportados por el puerto USB del dock o a través de un adaptador, sin embargo, se ha adaptado el dock para que este se pueda insertar en la tarjeta de desarrollo y así esta pueda energizar el DSP.

2.2.5.TARJETA DE DESARROLLO PARA APLICACIONES EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Con el objetivo de hacer un uso adecuado del DSP TMS320F28335 de Texas Instruments y de facilitar la implementación de circuitos de acondicionamiento para las señales de entrada y salida del DSP, el grupo de investigación LIFAE implementó una tarjeta de desarrollo para aplicacio-nes en electrónica de potencia cuyo objetivo es facilitar la implementación de estos circuitos acondicionadores los cuales permitan hacer un uso adecuado del DSP.

Una de las ventajas de la tarjeta de desarrollo consiste en que esta tiene salidas para la alimenta-ción de diversos circuitos o sensores a diferentes niveles de tensión, (-15V, 3V, 5V, y 15V) lo cual permite tener la misma referencia en todos los circuitos para así evitar cortos circuitos por la falta de una única referencia.

En la sección analógica de la tarjeta, la señal de entrada análoga que puede estar entre niveles de tensión de -15V a +15V pasa por bloques de acondicionamiento para garantizar que esta pueda ser llevada al DSP sin el riesgo de quemarlo. Cada canal de entrada analógica pasa por un primer bloque el cual es un filtro pasa bajas de topología MFB (Multi Feed-back o Rauch) cuyo objeti-vo es reducir el efecto de Aliasing, el segundo bloque es un acondicionador el cual ajustará el nivel DC de la señal de entrada y la amplitud para obtener una señal de salida en un rango de 0V a 3V con un nivel DC de 1.5V garantizando los niveles de tensión permitidos por las entradas análogas del DSP.

La sección digital de la tarjeta de desarrollo cumple la función de acondicionar las señales lógi-cas entrantes o salientes del DSP. Para el lógi-caso de las señales salientes del DSP, como es el lógi-caso del PWM, la tarjeta de desarrollo permite seleccionar el nivel de tensión de salida entre 5V (TTL) o 15V (CMOS), lo cual representa una ventaja ya que la tensión del PWM para el accio-namiento de los IGBTs del VSI es de 15V. Para las entradas lógicas, la tarjeta permite la selec-ción de la tensión de entrada entre 5V o 15V, además la tarjeta permite la fácil implementaselec-ción de entradas lógicas para la programación de interrupciones en el código del DSP.

(38)

28

Figura 2-20: Tarjeta de Desarrollo de Propósito Específico pa-ra Aplicaciones en Electrónica de Potencia, LIFAE

Con el fin de facilitar la ubicación de las diferentes señales análogas se optó por asignar cada una a un canal análogo específico de la tarjeta de desarrollo, los tres primeros canales serán reserva-dos para las señales de tensión para el SFR-PLL, los siguientes tres canales para la corriente de la carga y finalmente los tres siguientes para la corriente inyectada por el FAP. En la Tabla 6 se puede detallar la asignación de los canales anteriormente mencionados.

Canal Señal de entrada Canal Señal de entrada

ADC00 Tensión

fase A ADC05

Corriente carga fase C.

ADC01 Tensión

fase B ADC06

Corriente inversor fase A

ADC02 Tensión

fase C ADC07

Corriente inversor fase B

ADC03 Corriente carga

fase A ADC08

Corriente inversor fase C

ADC04 Corriente carga _{fase B}

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2.3. SUBSISTEMA DE CONTROL Y OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE DE

REFERENCIA

En este subcapítulo se planteará el modelo del FAP a partir de la transformada DQ0 la cual, para su uso se requiere de la implementación de un sistema de seguimiento de fase, mencionado ante-riormente y el cual sería un PLL basado en el marco de referencia sincrónico SFR.

Tras obtener los puntos de operación del FAP tales como la tensión, rango de corriente, ancho de banda y demás se procede a obtener el modelo del sistema a pequeña señal a partir de la trans-formada DQ0. Obtenido el modelo se continúa con el diseño de la estrategia de control necesaria la cual pueda ser implementada para su uso con las diferentes topologías de filtros digitales. Se realiza el diseño de las diferentes topologías de filtros ya sean tipo FIR o IIR con constantes invariantes en el tiempo o variantes (filtros adaptativos) para determinar cual opera mejor bajo la estrategia de control anteriormente diseñada y que permita la mejor reducción de armónicos de corriente. Finalmente, tras obtener los controladores y filtros se procede con la discretización de estos elementos para que puedan ser implementados en la DSP.

2.3.2.MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE DE COMPENSACIÓN Muchos autores han planteado diversos métodos para obtener la corriente de referencia armóni-ca, métodos ya sean en el dominio del tiempo o de la frecuencia. Algunos de los métodos más relevantes al momento de obtener la corriente de referencia para su aplicación en filtros activos de potencia son:

•La transformada discreta de Fourier (DFT) •La transformada rápida de Fourier (FFT) •Marco de referencia sincrónico (DQ0)

o Frecuencia fundamental o Armónico individual

•Teoría de la potencia instantánea (PQ)

Un análisis detallado de los anteriores métodos para la obtención de la corriente de referencia se puede apreciar en el trabajo realizado en [9], en el cual se estudian los anteriores métodos men-cionados y se resumen sus características principales en la Tabla 7.

Característica FFT DFT DQ0 Fundamental DQ0 Armóni-_{co individual} Teoría PQ

# de sensores 3 x I 3 x I 3 x I , 2 x V 3 x I , 2 x V 3 x I , 2 x V