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CAPITULO
6
ARMONICOS 6.1 CARGAS NO LINEALES Y ARMNICOS
Ningn otro problema que afecta al equipo electrnico de estado
slido ha sido tan ampliamente discutido como los armnicos y las
cargas no lineales que las causan. Los armnicos pueden causar una
variedad de problemas, tales como distorsin de las formas de onda,
lecturas impropias de voltaje, y especialmente sobrecalentamiento
en el conductor neutro del sistema. El tema, sin embargo, es
pobremente conocido por aquellos que deben aplicar las medidas
correctivas. 6.1.1 El Efecto de las Cargas
Hasta no hace mucho, casi todas las cargas eran lineales, y las
que no, eran una pequea porcin del total, luego no tenan
implicancia en la operacin del sistema. Luego vino la revolucin de
la electrnica de potencia y junto con ello una proliferacin de
cargas tales como computadores, fuentes de poder ininterrumpidas
(UPS), controladores de velocidad variable para motores, fuentes
conmutadas, etc. Estas cargas electrnicas son en su mayor parte no
lineales, y se han convertido en un factor lo suficientemente
grande para tener serias consecuencias en los sistemas de
distribucin.
Los motores, la iluminacin incandescente y las cargas de
calefaccin son lineales en naturaleza. Esto es, voltaje y corriente
son ambos senoidales y proporcionales. Como se ve en la Fig. 6.1,
cuando la carga es lineal la corriente se incrementa
proporcionalmente al incremento del voltaje y disminuye
proporcionalmente a la disminucin del voltaje.
Fig. 6.1 Relacin corriente-voltaje en cargas lineales.
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En estos circuitos lineales la corriente est en fase con el
voltaje para un circuito resistivo, luego
el factor de potencia (FP) es unitario. La corriente atrasa al
voltaje un ngulo L para el circuito inductivo (el FP es comnmente
entre 0.80 y 0.95), y adelanta al voltaje un ngulo C en un circuito
capacitivo. En cada caso, esta corriente es siempre proporcional al
voltaje, es decir, para un voltaje senoidal la corriente es tambin
senoidal.
Las cargas no lineales son aquellas en las que la corriente de
carga no es proporcional al voltaje
como el caso mostrado en la Fig. 6.2. Las corrientes de las
cargas no lineales no son senoidales, y an ms, la fuente de voltaje
puede ser una onda senoidal pura, pero la impedancia asociada a la
fuente junto con las corrientes armnicas implicarn distorsin de
voltaje en el punto de consumo.
La electrnica de estado slido est basada en el uso de
semiconductores. En estos materiales la
relacin voltaje-corriente no es una lnea recta y como se muestra
en la Fig. 6.3 esta relacin est representada por una curva,. En
general cada dispositivo de estado slido va a tener una curva v-i
que es nica y diferente a la de otros dispositivos.
Fig. 6.2 Corriente tpica de carga no lineal.
Fig. 6.3 Relacin voltaje-corriente de un dispositivo
semiconductor tpico.
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Con una fuente suministradora teniendo un voltaje senoidal de 50
Hz casi perfecto, la corriente
mostrar estar distorsionada significativamente. Un anlisis
matemtico de estas ondas distorsionadas, sin embargo, muestra que
ellas estn compuestas de una onda senoidal fundamental, adems de
otras ondas con una frecuencia que es un mltiplo entero de la
frecuencia fundamental. Por ejemplo: una onda fundamental de 50 Hz,
una onda de 150 Hz y otra de 250 Hz cuando se suman juntas resulta
en un tipo de onda distorsionada especfica. Estos mltiplos de la
frecuencia fundamental han sido llamados "armnicos".
6.1.2 Armnicos
Cualquier forma de onda puede ser reproducida exactamente al
sumar juntas una serie de ondas seno de frecuencia, amplitud y
sincronizacin particular, aunque requerir de un nmero infinito de
las mismas. En la Fig. 6.4 se muestra como los armnicos se combinan
con la fundamental para formar formas de onda distorsionadas.
Mientras ms de estos armnicos estn presentes, ms se apartar la
corriente de una onda senoidal pura. La cantidad de distorsin est
determinada por la frecuencia y la amplitud de las corrientes
armnicas.
Fig. 6.4 Descomposicin de ondas distorsionadas. 6.1.3 Distorsin
de la Onda de Voltaje
Las cargas no lineales tales como los inversores, los
rectificadores, fuentes de poder CC, controladores de frecuencia
variable y ballast electrnicos para iluminacin, son fuentes de
armnicos en los sistemas elctricos que alimentan estas cargas.
Estos son armnicos especficos asociados con cada equipo. Los
fabricantes de equipos pueden usualmente proporcionar informacin
del orden y de la magnitud de los armnicos generados por su equipo.
Sin embargo, dependiendo del diseo del equipo especfico, las
armnicas podrn variar en frecuencia y magnitud al ocurrir cambios
en la carga del
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equipo. La Tabla 6.1 es un resumen de las magnitudes y orden de
armnicos que han sido encontrados con ciertas cargas.
Ntese el siguiente fenmeno, formas de onda de corrientes
distorsionadas causan formas de onda de voltaje distorsionado en un
sistema de distribucin elctrico. Cada armnico de corriente causar
una cada de voltaje del mismo orden armnico, cuando fluya hacia una
impedancia particular. Por ejemplo, una corriente de 5to armnico
producir un voltaje de 5to armnico, una corriente de 7mo armnico
producir un voltaje de 7mo armnico, etc. Cuando estas cadas de
voltaje armnico son sumadas juntas, el resultado es una onda de
voltaje distorsionada que imita la forma de onda de la
corriente.
Orden armnico Descripcin de la carga 1 3 5 7 9 11 13 15
Rectificador de 6 pulsos 100 - 17 11 - 5 3 - Rectificador de 12
pulsos 100 - 3 2 - 5 3 - Rectificador de 18 pulsos 100 - 3 2 - 1
0.5 - Rectificador de 24 pulsos 100 - 3 2 - 1 0.5 -
Electrnica/computadora 100 56 33 11 5 4 2 1 Iluminacin/electrnica
100 18 15 8 3 2 1 0.5 Oficina con PC's 100 51 28 9 6 4 2 2
Controladores de frecuencia variable (rango)
100 1 a 9 1 a 9 4 a 8 3 a 8 0 a 2
Tabla 6.1 Magnitudes y orden de armnicos que han sido
encontrados con ciertas cargas.
La Tabla 6.1 muestra corrientes armnicas con magnitudes tpicas
producidas por varios tipos de equipo. Los nmeros bajo el orden
armnico estn expresados en porcentaje de la corriente fundamental
de 50 Hz. 6.1.4 Sobrecalentamiento del Neutro
En un sistema trifsico de 4 conductores, las corrientes de lnea
fluyen por cada fase y retornan hacia el neutro comn. Las 3
corrientes de fase de 50 Hz estn separadas por 120 y para cargas
"lineales" balanceadas trifsicas, ellas son iguales. Cuando
retornan por el neutro, se cancelan una con la otra, sumando cero
en todos los puntos. Por consiguiente, para cargas balanceadas
trifsicas de 50 Hz, la corriente de neutro es cero.
Para corrientes de 2do armnico separadas por 120, la cancelacin
en el neutro es tambin
completa, resultando en una corriente de neutro cero. Esto es
cierto para todos los armnicos pares.
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Esta es una de las razones por las que los armnicos pares no se
consideran que tengan un efecto significativo en el equipo elctrico
y en los sistemas de distribucin.
Para corrientes de 3er armnico, las tres corrientes de lnea estn
en fase. As la corriente total de
neutro para 3eros armnicos es de una magnitud tres veces la
corriente de lnea. Esto es cierto tambin para todos los mltiplos
impares del 3er armnico (9no, 15to, 21ero, y as sucesivamente).
Estas corrientes estn generalmente referidas como "armnicas
triples", y son especialmente problemticas. Es, sin embargo, el 3er
armnico el que tiene el efecto ms grande en la provocacin de
sobrecalentamientos de neutro. Otros armnicos impares (5to, 7mo,
11ero, 13ero, y as sucesivamente) se suman en el neutro, pero la
corriente de neutro armnica total es algo menos que la suma
aritmtica de las tres corrientes armnicas de fase.
6.1.5 Corriente de Lnea a la Entrada de un Rectificador La
corriente de lnea is a la entrada de un rectificador, se desva
significativamente de una forma de onda senoidal, tal como se
muestra en la Fig. 6.5. La distorsin en la forma de onda de la
corriente de lnea puede ser cuantificada como se describe a
continuacin.
Fig. 6.5 Corriente de lnea en un rectificador. La corriente de
lnea puede ser expresada en trminos de su componente de frecuencia
fundamental is1 (mostrada con lneas punteadas en la Fig. 6.5) ms
otras componentes armnicas. Si vs se asume que es puramente
senoidal, entonces solamente is1 contribuye al flujo activo
potencia, porque no hay armnicos de voltaje y la potencia armnica
depende de ellos 6.2 ARMNICOS Y EL FACTOR DE POTENCIA En relacin al
tringulo de potencias mostrado en la Fig. 6.6, el ngulo entre los
KW y los KVA define el FP del sistema. Mientras ms grande es el
ngulo, ms pobre es el FP. Inversamente, cuando el ngulo es
demasiado pequeo, el tamao del sistema de potencia (en KVA) ser
casi del mismo tamao que los KW de trabajo. En este ltimo caso, el
FP estar bastante cerca de la unidad (1.0), resultando en un
eficiente manejo de la energa.
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Fig. 6.6 Tringulo de potencias en un sistema.
Es usual instalar condensadores para compensar parte o casi toda
la demanda de energa reactiva inductiva. Esto aumenta el FP,
permitiendo que el KVA sea menor para la misma cantidad de trabajo,
y aadiendo al sistema una medida de manejo eficiente de la
potencia.
Comparando la Fig. 6.7 con el diagrama vectorial del FP de la
Fig. 6.6, ntese que un vector
adicional llamado "distorsin" es aadido. Tambin, el diagrama
vectorial tradicional del FP es bidimensional, mientras que el
diagrama de la Fig. 6.7 es tridimensional, con el vector de KVA
salindose de la pgina. Este vector incluye la contribucin que la
distorsin coloca en la capacidad del sistema.
Fig. 6.7 Tringulo de potencias incluyendo distorsin. El diagrama
vectorial tridimensional muestra que los KVAR y la distorsin son
formas de energa no productoras de trabajo. La suma vectorial de
estos dos ms los KW productores de trabajo resultan en un vector de
KVA ms largo. De donde viene esta distorsin? De las corrientes de
alta frecuencia requeridas por las cargas no lineales.
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Para entender el panorama total del FP, entindase que ambos los
KVAR y la distorsin no son productores de trabajo. La combinacin
(adicin vectorial) de ambos con los KW, que si produce trabajo,
resulta en un vector de KVA ms largo (teniendo una magnitud mayor).
En otras palabras, mientras ms grande es la distorsin y el FP de
desplazamiento en el sistema, mayor la capacidad requerida del
sistema para darle potencia a una carga especfica. 6.2.1 Fuentes
Principales de Armnicos Las fuentes de poder de las PC's y las
estaciones de trabajo Las fuentes de poder conmutadas Ballast
fluorescentes Controladores de velocidad variable Sistemas de
fuentes de poder ininterrumpidas estticas (UPS's) Rectificadores
Filtros 6.2.2 Guas Generales Para Superar Problemas de Armnicos
Algunas prcticas recomendadas para instalaciones con una carga no
lineal significativa son: Utilizacin de medidores de valores
efectivos verdaderos ("true rms") para la medicin de la corriente
de carga. Los instrumentos de medicin deben tener un ancho de banda
lo suficientemente amplio para proporcionar lecturas precisas,
tomando en consideracin la frecuencia fundamental y el contenido
armnico de los parmetros que estn siendo medidos. Utilizar un
neutro separado para las cargas monofsicas conectadas a diferentes
fases. Cuando es inevitable utilizar un solo conductor neutro para
las cargas conectadas en diferentes fases, se recomienda calcular
este conductor con una capacidad de al menos 1.73 veces la
capacidad de los conductores de fase. Si no es posible instalar un
neutro de mayor capacidad (digamos que es una instalacin ya
realizada), se recomienda utiliza una proteccin de sobrecorriente
que desconecte el circuito principal cuando detecte que el neutro
este sobrecargado. Esto simplemente evitar mayores consecuencias,
aunque no resolver el problema.
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Seleccione un transformador trifsico con baja impedancia
interna, preferiblemente en el rango del 3% al 5%, y siempre en
conexin delta para el primario y en estrella para el secundario. Es
preferible un transformador trifsico que un banco monofsico o que
cualquier arreglo de delta abierta. Los arreglos de delta abierta
no proveen un camino de baja impedancia para las corrientes de
tercera armnica que proveen los transformadores con el devanado en
delta completo. Como una alternativa para el reemplazo del
transformador principal, pueden instalarse transformadores ms
pequeos en delta-estrella especficamente para las cargas no
lineales localizadas 6.3 OPTIMIZACIN DE LA INTERFAZ DE LA RED CON
SISTEMAS ELECTRNICOS
DE POTENCIA 6.3.1 Introduccin
La Fig. 6.8 muestra el impacto de una carga electrnica de
potencia sobre el voltaje V, luego sobre la calidad de la energa
recibida por las otras cargas. Adems de la distorsin de la forma de
onda de voltaje, algunos otros problemas debido a las corrientes
armnicas son los siguientes: calentamiento adicional y posibles
sobrevoltajes (debido a condiciones resonantes) en el equipo de
transmisin y distribucin de la red, errores en la medicin y
funcionamiento incorrecto de las protecciones del sistema de
suministro, interferencia con las seales de comunicacin y control,
y as sucesivamente. Adems de estos problemas, los convertidores de
fase controlados causan muescas en la forma de onda de voltaje del
sistema de suministro y muchos extraen potencia a un factor de
potencia de desplazamiento muy bajo, lo cual resulta en un factor
de potencia de operacin muy pobre.
Fig. 6.8 Impacto de una carga electrnica de potencia.
6.3.2 Interfaz del Sistema de Suministro
La discusin en cuestin muestra que la proliferacin de cargas
electrnicas de potencia tiene el potencial para un significativo
impacto negativo en los sistemas de suministro, as como tambin en
sus clientes. Un acercamiento para minimizar este impacto es
filtrar las corrientes armnicas y la interferencia electromagntica
producida por las cargas electrnicas de potencia. Una mejor
alternativa, pese a un pequeo incremento en el costo inicial, podr
ser el disear el equipo electrnico de potencia para que las
corrientes armnicas y la EMI (interferencia electromagntica) sean
prevenidas o minimizadas de ser generadas, en primer lugar.
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6.3.3 Generacin de Corrientes Armnicas
En la mayor parte del equipo electrnico de potencia, tales como
las fuentes de poder conmutadas, las fuentes de poder
ininterrumpidas (UPS) y los controladores de motores CA y CC, se
utilizan convertidores CA/CC como interfaz con la red de
suministro. Comnmente, un puente rectificador de diodos, como se
muestra en la Fig. 6.9, es utilizado. La salida del rectificador es
un voltaje cuya magnitud promedio Vd es no controlada. Un
condensador grande es utilizado a la salida del rectificador para
reducir el rizo en el voltaje vd. El flujo de potencia es siempre
desde la red de suministro al lado CC.
Fig. 6.9 Carga no lineal tpica en una red de potencia.
6.3.4 Estndares Armnicos y Prcticas Recomendadas En vista de la
proliferacin de equipos electrnicos de potencia conectados a la red
de
suministro, varias agencias nacionales e internacionales han
estado considerando lmites en la inyeccin de corrientes armnicas
para mantener una buena calidad de energa. Como consecuencia,
varios estndares han sido establecidos que especifican los lmites
en las magnitudes de las corrientes armnicas y distorsin armnica
del voltaje a varias frecuencias armnicas. Algunas de estos
son:
1. EN 50 006, "La limitacin de Disturbios en Redes de Suministro
de Electricidad causados por
Artefactos Domsticos y Similares equipados con Dispositivos
Electrnicos". Estndar Europeo preparado por Comit Europen de
Normalisation Electrotechnique, CENELEC.
2. IEC Norm 555-3, preparado por la Comisin Elctrica
Internacional. 3. Estndares de Alemania Occidental VDE 0838 para
artefactos caseros, VDE 0160 para convertidores y VDE 0712 para
ballast de lmparas fluorescentes. 4. Gua de la IEEE para Control
Armnico y Compensacin Reactiva de Convertidores de Potencia
Esttica, ANSI/IEEE Std. 519-1981, el cual espera ser revisado.
Los estndares CENELEC, IEC y VDE especifican los lmites en los
voltajes (como un porcentaje del voltaje nominal) a varias
frecuencias armnicas de la frecuencia de la distribuidora, cuando
las corrientes armnicas generadas por un equipo son inyectadas en
una red cuyas impedancias estn especificadas.
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Capitulo 6 / Pg. 10
En el IEEE-519 revisado, el cual contendr prcticas recomendadas
y requisitos para el control armnico en sistemas elctricos de
potencia, la presente propuesta es para especificar los requisitos
en el usuario as como tambin en la distribuidora. La Tabla 6.2
lista los lmites en las corrientes armnicas que un usuario de
equipo electrnico de potencia y otras cargas no lineales le es
permitido inyectar al sistema de suministro. La Tabla 6.3 lista la
calidad de voltaje que la red de suministro debe abastecer al
usuario. Un sistema de suministro estar en la capacidad de
abastecer el voltaje como se lista en la Tabla 6.3, siempre que las
corrientes armnicas inyectadas por los usuarios en un alimentador
de distribucin estn limitadas de acuerdo con la Tabla 6.2. Las
Tablas 6.2 y 6.3 son bien extensas en su alcance y se aplican a
amplios rangos de voltaje y potencia. Ellas estn dirigidas
principalmente a los sistemas trifsicos, pero tambin pueden ser
usadas como una gua para limitar la distorsin en sistemas
monofsicos. Tabla 6.2 Distorsin armnica de la corriente (Ih/I1) en
%: Limites de corrientes armnicas para cargas no lineales
conectadas a una red pblica en el punto de acoplamiento comn (PAC)
con otras cargas a voltajes de 2.4 a 69 kV.
Orden Armnico Impar h ISC/I1 h < 11 11 < h < 17 17 <
h < 23 23 < h < 35 35 < h
Distorsin Armnica Total
< 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20-50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50-00 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100-1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
> 1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
NOTAS 1. ISC es la mxima corriente de corto circuito en el PAC.
2. I1 es la corriente de carga mxima a la frecuencia fundamental en
el PAC. 3. Los armnicos pares estn limitados al 25% del lmite de
los armnicos impares
arriba mostrados Tabla 6.3 Limites en el Voltaje Armnico (Vh/V1)
en % para los Productores de Potencia (Distribuidoras Pblicas o
Cogeneradores).
2.3-69 kV 69-138 kV >138 kV Mximo para armnicos individuales
3.0 1.5 1.0 Distorsin Armnica Total (THD) 5.0 2.5 1.5
NOTAS Esta tabla lista la calidad del voltaje que la productora
de potencia debe abastecer a los
usuarios. Esta basada en el nivel de voltaje al cual el usuario
es suministrado.
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Capitulo 6 / Pg. 11
La principal justificacin para los lmites amnicos especificados
en la Tabla 6.2, son debidos a que la distorsin de voltaje en el
punto de acoplamiento comn (PAC) depende de la impedancia interna
de la fuente CA y las magnitudes de las corrientes armnicas
inyectadas. 6.3.5 Necesidad de una Buena Interfaz con la Red de
Suministro
Debido al gran contenido armnico como se indica en la Tabla 6.1,
los rectificadores de diodo tpicos utilizados como interfaz en los
equipos elctricos de potencia con el sistema de suministro podrn
exceder los lmites en las corrientes armnicas individuales y en el
THD especificado en la Tabla 6.2. Adems del efecto en la calidad de
la potencia de lnea, la forma de onda pobre de la corriente de
entrada tambin afecta el equipo electrnico de potencia mismo de la
siguiente manera:
La potencia disponible en el enchufe de pared es reducida a
aproximadamente dos tercios. El condensador de filtro del lado CC
es severamente exigido debido a pulsos de corriente de gran
magnitud. Las prdidas en los diodos de un puente rectificador son
mayores debido a las cadas de voltaje directo a travs del diodo,
dependientes de la corriente. Los componentes en el filtro EMI
utilizado en la entrada del puente rectificador, deben ser diseados
para pulsos de corriente de mayor magnitud. Si un transformador de
frecuencia de lnea es utilizado en la entrada, debe ser altamente
sobredimensionado.
En vista de estos inconvenientes, algunas de las alternativas
para mejorar las formas de onda de la corriente de entrada se
discuten, junto con sus ventajas y desventajas relativas.
6.3.6 Interfaz Monofsica Mejorada con la Red de Suministro
Varias opciones para mejorar la interfaz monofsica con la red del
equipo electrnico de potencia se discuten a continuacin. Circuitos
Pasivos. Los inductores y condensadores pueden ser utilizados en
conjuncin con el puente rectificador de diodos para mejorar la
forma de onda de la corriente extrada de la red de suministro. El
acercamiento ms simple es aadir un inductor en el lado CA del
puente rectificador. Este inductor aadido resulta en un valor
efectivo mayor en la inductancia LS del lado CA, la cual mejora el
factor de potencia y reduce las armnicas. El impacto de aadir un
inductor puede ser resumido como sigue: Debido a una forma de onda
de corriente mejorada, el factor de potencia es mejorado de muy
pobre a algo aceptable. El voltaje de salida Vd es dependiente de
la carga de salida y es sustancialmente (~10%) menor comparado con
el caso donde no hay inductancia. La inductancia y Cd juntos forman
un filtro pasa bajos y, por consiguiente, el rizo en el voltaje de
salida rectificado vd es menor. La eficiencia global de energa
permanece esencialmente; existen prdidas adicionales en el
inductor, pero las prdidas por conduccin en los diodos son
menores.
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Capitulo 6 / Pg. 12
6.4 FABRICACIN EN LA USACH DE UN DISPOSITIVO PARA DISMINUIR
LA
DISTORSIN DE LA CORRIENTE ELCTRICA ASOCIADA A RECTIFICADORES
CA/CC
6.4.1 Presentacin del Problema
Los rectificadores CA/CC, que convierten corriente alterna en
corriente continua son elementos comunes en nuestra vida cotidiana.
Por ejemplo en oficinas y hogares se llaman eliminadores de pilas.
En la industria permiten el funcionamiento de motores de velocidad
variable, palas mecnicas, procesos electroqumicos, hornos de arco y
de induccin, transmisin de energa usando corriente continua,
respaldos de energa, etc. En general han llegado a ser elementos
indispensables en nuestra vida moderna. La proliferacin de estos
elementos, sin embargo, ha tenido sus consecuencias en las redes
suministradoras. La gran distorsin de corriente elctrica asociada a
ellos ha saturado las redes, lo que redunda en una pobre calidad de
la energa suministrada a los consumidores, adems de fallas y
anomalas de todo tipo. Este es un problema a nivel mundial y en
Chile esto se pretende solucionar mediante un cuerpo legal basado
en la norma norteamericana (Decreto Supremo N 327), de gran
rigurosidad, que inclusive contempla multas y desconexiones.
ltimamente, en nuestro pas han aparecido muchas empresas que
ofrecen servicios de estudio y eliminacin del fenmeno. Como es un
problema tcnico complicado las tecnologas ofrecidas son variadas,
entre ellas las ms importantes son la incorporacin de filtros
pasivos o activos al sistema. Estos elementos no modifican la
instalacin original y pueden ser reparados sin afectar la
continuidad de servicio del sistema, dos caractersticas muy
apreciadas por los consumidores. Como ser explicado en el punto
siguiente Solucin Propuesta, nuestro dispositivo tambin es un
filtro activo, pero a diferencia de los filtros pasivos o activos
convencionales es de una fabricacin ms simple (menos hardware
involucrado), gran eficiencia en la eliminacin de distorsin, un
sistema de control simple y un diseo sin complicaciones. Es el
resultado de 16 aos de investigacin, la acumulacin de 18 artculos
en revistas indexadas nivel IEEE (Institute of Electrical and
Electronic Engineers, USA) y 4 solicitudes de patente presentadas
(una en la Comunidad Europea, otra en Estados Unidos y dos en
Chile). Este proyecto tiene tres objetivos: a) patentar la idea a
nivel internacional; b) validar la tecnologa a nivel industrial,
especficamente en instalaciones industriales a nivel nacional y c)
comercializar la tecnologa tanto a nivel nacional como
internacional.
A nivel internacional se pretende contactarse con las grandes
multinacionales (Cutler-Hammer, Robicon, Rockwell, ABB, Siemens,
Alstom, General Electric, Westinghouse, Hitachi, etc.), para que
compren una tecnologa que debera solucionarles el problema de
distorsin en sus productos. Los motores constituyen el producto ms
importante a beneficiarse dado su masivo uso ( segn un estudio
60%-65% de la energa elctrica generada es consumida por
motores).
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Capitulo 6 / Pg. 13
6.4.2 Solucin Propuesta La Fig. 6.10 en pginas siguientes
muestra un mtodo muy popular para disminuir la distorsin de las
corrientes a la entrada de un rectificador CA/CC, esto es, conexin
trifsica de un filtro pasivo o activo. Ntese que los filtros
activos o pasivos respetan la instalacin original y en caso de
falla, debido a su funcionamiento ms complejo, pueden ser
desconectados y reparados sin comprometer la continuidad de
servicio del sistema. La Fig. 6.11 muestra nuestro concepto de
filtro activo. Es decir, un filtro activo que busca modificar la
forma de la corriente en el lado de CC, y mediante esta accin
impactar en la forma de las corrientes en el lado de CA. Las Figs.
6.12 y 6.13 son registros experimentales que muestran el impacto
logrado por nuestro filtro activo, ya sea implementado con
tiristores o IGBTs. Las ventajas de nuestro filtro activo con
respecto a los filtros convencionales son: 1. Al igual que los
filtros convencionales, nuestro filtro activo respeta la instalacin
original (la cual
es muy confiable) y en caso de falla este se puede reparar sin
comprometer la continuidad de servicio del sistema.
2. Disminucin de hardware debido a que nuestro filtro activo
busca modificar una sola corriente y no
tres como en la solucin convencional. Tampoco necesita de un
elemento almacenador de energa L o C.
3. Uso de un microprocesador barato dado una manipulacin
matemtica simple. En nuestro prototipo
experimental estamos usando el microprocesador PIC 16F873, de
reconocidas limitaciones en vez de los poderosos DSP (Digital
Signal Processor), que necesitan los filtros activos
convencionales. An ms, el aspecto crtico del control de la energa
almacenada en el elemento L o C no existe dado que nuestro filtro
activo simplemente excluye elementos almacenadores de energa.
4. La simplicidad del control anticipa una buena respuesta
dinmica, lo cual es adecuado para
compensar corrientes de carga de gran distorsin como es el caso
del transporte ferroviario y hornos de arco de CC.
5. Nuestro filtro est en el lado de CC despus del transformador
del rectificador y provoca menos
perturbacin en la barra de alimentacin. Esto es crtico en barras
de alimentacin de baja potencia de cortocircuito.
Quizs la nica desventaja de nuestro filtro activo es que este no
mejora el factor de potencia, sin embargo, hay muchas aplicaciones
donde esto no es necesario (Ej. motores de velocidad variable,
transporte ferroviario). Por otra parte las instalaciones
normalmente ya disponen de condensadores para corregir el factor de
potencia.
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Capitulo 6 / Pg. 14
Carga R-L o R-C
IA
IB
IC
Filtro Pasivo o
Filtro Activo
Rectificador CA/CC
Fig. 6.10 Filtro Pasivo o Activo.
Rectificador CA/CC
Fig. 6.11 Filtro Activo Propuesto.
IA
IB
IC
Filtro Activo
Carga R-L o R-C
Tiristores o IGBTs
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Capitulo 6 / Pg. 15
(a)
(b) Fig. 6.12 a) Corriente sin filtro de ningn tipo. Carga RL.
b) Corriente con filtro propuesto implementado con tiristores.
(a)
(b)
Fig. 6.13 a) Corriente sin filtro de ningn tipo. Carga RC. b)
Corriente con filtro propuesto implementado con IGBTs.
TH THD = 1.496% THD = 23.88%
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Capitulo 6 / Pg. 16
6.5 FILTROS PASIVOS Y ACTIVOS Las fotos de esta seccin muestran
formas de onda tpicas para un rectificador trifsico de onda
completa tiristorizado, el cual tiene filtros pasivos incorporados.
Estas formas de onda adems evidencian los dos beneficios que
normalmente se asocian al uso de filtros pasivos, los cuales son:
a) Prevenir que las corrientes armnicas ingresen al sistema de
suministro; y b) Mejorar el factor de potencia de la carga no
lineal a frecuencia fundamental
Fig. 6.14 Formas de onda de voltaje y corriente para un
rectificador trifsico de onda completa
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Capitulo 6 / Pg. 17
Fig. 6.15 Topologa del filtro activo en conexin paralelo
(FACP)
Fig. 6.16 Esquema de corrientes en el sistema con un FACP
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Capitulo 6 / Pg. 18
Fig. 6.17 FACP usando un inversor de tres niveles