armonicos rectificadores

8/3/2019 armonicos rectificadores

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Cuaderno Tcnico n 183

Armnicos: rectificadores y

compensadores activos

Eric BettegaJean Nol Fiorina


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Cuaderno Tcnico Schneider n 183 / p. 2

La Biblioteca Tcnica constituye una coleccin de ttulos que recogen las novedades electrotcnicasy electrnicas. Estn destinados a Ingenieros y Tcnicos que precisen una informacin especfica oms amplia, que complemente la de los catlogos, guas de producto o noticias tcnicas

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenmenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos elctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes elctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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La reproduccin total o parcial de este Cuaderno Tcnico est autorizada haciendo la mencin obligatoria: Reproduccin

del Cuaderno Tcnico n 183 de Schneider Electric.


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Cuaderno Tcnico no

183

Armnicos: rectificadores y

compensadores activos

Eric BETTEGA

Trabaj como Tcnico en BE Electrnica ABT deMerlin Gerin, accediendo a la Direccin Cientficay Tcnica en 1986.En 1991 se diplom como Ingeniero CNAM(Conservatoire National des Arts et Mtieres).Actualmente est en la Direccin de Investigacincomo responsable de los estudios relativos a loscompensadores activos.

Jean Nol FIORINA

Entr en Merlin Gerin en 1968 como tcnico delaboratorio en el departamento ACS Alimentacin con Convertidores Estticos

participando en la puesta a punto de estosequipos.En 1977, diplomado como Ingeniero del ENSERGvolvi a integrarse en el departamento ACS.Accedi a Ingeniero de desarrollo, y se encargde diversos proyectos. Pas a continuacin a serresponsable de diseo del departamento EPSElectricity Power Supply. De alguna formapuede decirse que es el padre de los onduladoresde media y gran potencia.

Trad. J.M. Gir

Original francs: enero 2000Versin espaola: febrero 2000


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Armnicos: rectificadores y compensadoresactivos

1 Las soluciones tradicionales 1.1 Reducir las corrientes armnicas de las cargas perturbadoras p. 5

1.2 Disminuir la impedancia armnica de la fuente p. 5

1.3 Actuar en la estructura de la instalacin p. 51.4 Encerrar los armnicos p. 6

1.5 Utilizacin de inductancias anti-armnicos p. 7

1.6 Filtros pasivos de armnicos p. 7

2 Convertidores limpios y 2.1 Introduccin p. 8convertidores activos 2.2 Convertidores limpios p. 9

2.3 El compensador activo shunt p. 13

3 Compensadores con estructura 3.1 La estructura hbrida paralelo/serie p. 19hbrida 3.2 La estructura hbrida serie/paralelo p. 20

3.3 La asociacin en paralelo de filtros pasivos y p. 21compensador activo

3.4 Las prestaciones de las estructuras hbridas p. 214 Instalacin de un compensador 4.1 Objetivo y contexto p. 24

activo tipo shunt 4.2 El punto de inserccin de un compensador shunt p. 25

4.3 El dimensionamiento de un compensador activo tipo shunt p. 26

4.4 Ejemplos de aplicacin p. 27

5 Conclusin p. 29

Anexo: repaso de los fenmenos Definicin y magnitudes p. 30armnicos Origen y transmisin p. 31

Las cargas deformantes p. 32

Efectos perjudiciales de los armnicos p. 32

Las normas y recomendaciones p. 34

Cada vez ms, los receptores elctricos de la industria, del sector terciario y hastadel domstico son cargas deformantes (no lineales). Absorben corrientes nosenoidales y stas, teniendo en cuenta las impedancias de los circuitos, deformanla onda senoidal de la tensin. Es la perturbacin armnica de las redes. Estefenmeno es, hoy en da, preocupante porque produce muchos problemas.

Se invita al lector que no es un especialista en armnicos a empezar la lectura porel anexo; encontrar en l las bases necesarias para comprender las diversassoluciones clsicas y nuevas para minimizar o combatir los armnicos. En efecto,hay que conocer adems de las magnitudes caractersticas, los elementosperturbadores, la influencia de los sistemas de alimentacin y los efectos nocivos de

los armnicos. En fin, hay que saber que existen los niveles de compatibilidadelectromagntica (con unos mximos aceptables) fijados por las normas.

Este Cuaderno Tcnico tiene por objeto presentar los compensadores activos dearmnicos. Es una solucin seductora, flexible, porque se adapta automticamente,y que puede utilizarse en numerosas instalaciones como complemento osustituyendo otros remedios. Con todo, estn las soluciones tradicionales que hayque conocer y utilizar.

En el primer captulo se hace un repaso de estas soluciones clsicas.


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1 Las soluciones tradicionales

Actualmente, cualquier tcnico electricista debede conocer esta problemtica, tanto parainstalar bien los elementos y materialesperturbadores, como para disear unainstalacin nueva con un pleno conocimiento decausa.Las soluciones que siguen se presentan enfuncin del objetivo propuesto y de que se tratede elementos perturbadores o sensibles.

1.1 Reducir las corrientes armnicas de las cargas perturbadoras

Estas soluciones consisten en utilizarcomponentes pasivos: inductancias,condensadores, transformadores... y/o cambiarel esquema de la instalacin.En la mayor parte de casos, su misin esdisminuir la tasa de distorsin armnica (TDA),en tensin, a un nivel tolerable en undeterminado punto de conexin de diversascargas (cuadro de distribucin, por ejemplo).

Aparte de la solucin evidente que consiste enescoger materiales no perturbadores, es posiblelimitar las corrientes armnicas de ciertosconvertidores intercalando entre el punto deconexin y su entrada una inductancia, llamadade alisado. Esta disposicin se utiliza sobretodo en rectificadores con condensador a la

entrada; esta inductancia puede estar entre lasopciones propuestas por el fabricante.Pero, atencin, esta solucin disminuye la tasaglobal de distorsin en tensin aguas arriba de lainductancia, pero la aumenta en los bornes de lacarga no lineal.

1.2 Disminuir la impedancia armnica de la fuente

En la prctica consiste en conectar el elementoperturbador directamente a un transformador dela mayor potencia posible, o en escoger ungenerador con baja impedancia armnica(anexo y figura 1).(Nota del traductor: TDA = tasa de armnicos,en todo el CT).Destaquemos que es preferible, desde el ladode la fuente, utilizar varios cables en paralelo,de seccin menor, que uno solo.Si estos conductores son suficientementelargos, la inductancia aparente se divide por elnmero de cables en paralelo.

Fig. 1: Aadir una inductancia aguas abajo o disminuir

la impedancia de la fuente aguas arriba implica unadisminucin de la TDA de la tensin en el punto

considerado.

1.3 Actuar en la estructura de la instalacin

Hay que evitar conectar un receptor sensible enparalelo con cargas no-lineales o perturbadoras(figura 2).Cuando se tiene un equipo de gran potenciafuertemente perturbador, es aconsejablealimentarlo directamente desde un

transformador MT/BT independiente.

TDH

Zs ZL

carga

perturbadoraE


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Fig. 2: Una distribucin en Y permite el desacoplamiento por las impedancias naturales y/o adicionales.

Consiste en limitar la circulacin de losarmnicos a la parte ms pequea posible de lainstalacin, con la ayuda de transformadoresde acoplamiento adecuados.Una solucin interesante es la utilizacin detransformadores con el primario en estrella (sinneutro) y el secundario en zig-zag. Esteacoplamiento permite tener el mnimo dedistorsin en el secundario. En efecto, en estecaso, las corrientes armnicas de 3erorden nocirculan por el primario del transformador y laimpedancia Zs depende slo de losarrollamientos del secundario. La inductancia esmuy baja: Uccx 1% y la resistencia se reduce

poco ms o menos a la mitad, comparada conla de un transformadorY de la mismapotencia.La figura 3 y el clculo que sigue permitenentender por qu las corrientes de pulsacin3.k. no se encuentran en el primario deltransformador (corriente homopolar nula).Por ejemplo, la corriente que circula por elarrollamiento primario (N1), vale:

( )311

2 iiN

N-

siendo:

( ) ( )tk3seni k311 w== II

( )

p-w==

3

4tk3seni k333 II ,

i3 = I sen (3 k t) = i1

de donde:

( ) .0iiN

N31

1

2 =-

1.4 Encerrar los armnicos

En el caso de cargas trifsicas es posibleeliminar ciertos rangos de armnicos utilizandotransformadores o autotransformadores convarios secundarios defasados; esta disposicinse usa, sobre todo, en el caso de rectificadoresde potencia.El ms conocido de estos montajes es elrectificador constituido por dos puentes en serieo en paralelo, alimentados por un transformadorcon dos secundarios, uno en estrella y otro entringulo. Esta disposicin produce un defasajede 30 grados entre las tensiones de los dossecundarios. El clculo muestra que losarmnicos de rango 6 k 1, con k impar, se

eliminan en el primario del transformador. Losprimeros armnicos eliminados, que sonprecisamente los ms importantes por suamplitud, son para k = 1, los armnicos 5 y 7.Los primeros armnicos que se encuentran sonentonces el 11 y el 13.Es posible generalizar esta propiedadaumentando el nmero de diodos y el nmero desecundarios del transformador o el nmero detransformadores, escogiendo correctamente losdefasajes relativos de cada uno de lossecundarios.

Fig. 3: Transformador con el secundario en zig-zag y

atenuacin del 3erorden.

N1

N1

N1

N2

N2

N2

N2

N1 i3 i1(i1- i3)

N2

N2

N2

i2

i3

perturbador

material

sensible

a) Solucin a evitar

alimentacinde perturbadores

red limpia

b) Solucin preferible


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Esta solucin se usa mucho en el caso derectificadores de muy alta potencia,consiguindose fcilmente el reparto de

corrientes entre las diversas ramas del puente.Se usa normalmente en los rectificadores paraelectrlisis (hasta 72 fases!).

Un caso especialmente interesante es el de losSAI conectados en paralelo. En efecto, en estecaso, los onduladores se reparten las corrientes

de salida y los rectificadores que los alimentanabsorben corrientes idnticas.

Esta disposicin consiste en proteger loscondensadores destinados a mejorar el factorde potencia colocndoles una inductancia enserie. Esta inductancia se calcula para que lafrecuencia de resonancia no corresponda con

ninguno de los armnicos presentes. Lasfrecuencias tpicas de resonancia, para unafundamental de 50 Hz son: 135 Hz (armnicos2 y 7), 190 Hz (armnicos 3 y 8) y 225 Hz(armnicos 4 y 5).

1.5 Utilizacin de inductancias anti-armnicos

As, para la fundamental, la batera decondensadores puede asegurar su funcin demejora del cos , mientras que la granimpedancia de la inductancia limita la amplitudde las corrientes armnicas.

Los escalones de condensadores deben detener en cuenta ciertas frecuencias deresonancia para priorizarlas.

Al revs que en el caso anterior, se trata aqude utilizar un condensador en serie con unainductancia a la entrada para obtener laresonancia con un armnico de una frecuenciadada. Este montaje, puesto en derivacin sobrela instalacin, presenta una impedancia muybaja a la frecuencia de resonancia, y secomporta como un cortocircuito para elarmnico considerado. Es posible utilizarsimultneamente varios conjuntos sintonizadosa frecuencias diferentes para eliminar variosrangos de armnicos.

1.6 Filtros pasivos de armnicos

Los filtros pasivos contribuyen adems acompensar la energa reactiva de la instalacin.Aunque aparentemente simple, este principioexige un cuidadoso estudio de la instalacin,porque si el filtro se comporta perfectamentecomo un cortocircuito para la frecuenciadeseada, puede tener el riesgo de resonanciacon las otras inductancias de la red a otrasfrecuencias y correr el riesgo de que en lainstalacin aumenten los niveles de armnicosque antes no eran perjudiciales (CuadernoTcnico n 152).


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En el captulo anterior se han recordado lastcnicas y los sistemas pasivoscorrespondientes utilizados para reducir lasperturbaciones producidas por los armnicos.Todos estos sistemas modifican lasimpedancias, las razones de impedancias o seoponen a ciertas corrientes armnicas.Hay otros caminos para controlar la impedancia

que nosotros sin embargo nos guardaremosde calificar de inteligentes que pasan por lautilizacin de los convertidores estticos cadavez con mejores prestaciones, al ir incorporandolas constantes mejoras de los semiconductoresde potencia (tabla figura 4).Los IGBT han permitido el desarrollo industrialde convertidores de potencia (con muestreosenoidal) capaces de garantizar que noproduzcan pertubaciones en el punto deconexin, y despus el desparasitaje de lasredes (con filtros compensadores activos).n el muestreo senoidal es una tcnica quepermite a los convertidores estticos absorberuna corriente muy prxima a una senoide y,adems, con un cos prximo a la unidad. Esuna tcnica muy interesante que cada vez seutilizar ms.n el filtro activo:Un filtro activo es un dispositivo que utiliza, almenos, un convertidor esttico para satisfacerla funcin de compensacin activa dearmnicos.Este trmino genrico agrupa por tanto unamultitud de sistemas, que se diferencian por:o el nmero de convertidores utilizados y suforma de asociacin,o su tipo (fuente de tensin, fuente decorriente),o las leyes generales de regulacin aplicadas(compensacin en corriente o en tensin),o la adicin eventual de componentes pasivos(incluso tambin filtros pasivos).Todos estos sistemas activos tienen en comnel que todos generan tensiones o corrientes quese oponen a los armnicos creados por lascargas no lineales. La realizacin ms tpica esla que muestra la figura 5, que se suele calificarcomo de topologa shunt (o paralelo). Suestudio detallado se hace en el tema 3.El compensador activo tipo serie (figura 6)slo se citar como recordatorio, porque se usamuy poco. Su misin es la de permitir la

2 Convertidores limpios y compensadores activos

2.1 Introduccin

conexin de una carga sensible a una red conperturbaciones, para bloquear las fuentes detensiones armnicas que proceden de lasfuentes aguas arriba. Pero, de hecho, estasolucin para anular las perturbaciones aguasarriba tiene poco inters, porque:o la calidad de la energa en el punto deconexin es, en la mayor parte de los casos,satisfactoria,o no es fcil la insercin de un mdulo enserie, por ejemplo, porque tendra que soportarlas corrientes de cortocircuito,

tecnologa V A F (kHz)

transistor

MOS 500 50 50Bipolar 1200 600 2IGBT 1200 600 10

tiristor

GTO 4500 2500 1

Fig. 4: Caractersticas tpicas del uso de

semiconductores de potencia en los convertidores

estticos.

red

compensadoractivo

carga(s)

Fig. 5: El compensador activo tipo shunt produce una

corriente armnica que anula los armnicos de la

corriente del lado de la red.

Fig. 6: El compensador activo tipo serie produce una

tensin armnica que garantiza una tensin senoidal en

bornes de la carga.

red

compensadoractivo

carga(s)sensible(s)


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o en una red es ms eficaz actuar sobre lascausas mismas de la distorsin de la tensin(las fuentes de corrientes armnicas).

Entre las numerosas variantes llamadashbridas, nos interesaremos msconcretamente en el tipo llamado serie/paralelo, aadiendo compensadores activos ypasivos (figura 7), lo que tiene un gran interspara la depuracin de armnicos si se colocanlo ms cerca posible de los convertidores degran potencia.Este Cuaderno Tcnico no quiere serexhaustivo; intencionadamente pasaremos poralto muchas configuraciones, porque todos losotros sistemas no son ms que variaciones deun mismo tema; en este documento sedescriben las soluciones bsicas.Antes de presentar con ms detalle losconvertidores limpios y los compensadoresactivos, es importante constatar que existe unacierta identidad tecnolgica entre estos dosdispositivos. En efecto:n cuando el sistema de control del puenterectificador (que forma parte, por ejemplo, deuna etapa elevadora BOOST) hace circular unapequea corriente simplemente para crear lafundamental, se habla de un muestreo senoidal,y el rectificador se califica de limpio,n cuando la referencia de corriente aplicada aeste mismo control es por ejemplo igual alcontenido de armnicos de la corrienteabsorbida por la carga no-lineal, entonces el

rectificador consigue la anulacin total de losarmnicos en el punto de conexin: se trata deun compensador activo.As una misma configuracin de potencia puedecumplir dos tipos de necesidades distintas queson la de no producir perturbaciones y la deeliminarlas; slo se diferencia por la forma deplantear el sistema de control (figura 8).

red

compensador

activo

carga(s)

perturbadora(s)

filtro(s)

pasivo(s)

Fig. 7: Compensador hbrido tipo serie/paralelo.

redcarga

convertidor

control

a)convertidor limpio

b)compensador activo

red carga

perturbadora

control

convertidor

Fig. 8: Convertidor limpio y compensador activo.

2.2 Convertidores limpios

Se trata de rectificadores, de cargadores debateras, de variadores de velocidad paramotores de corriente continua o deconvertidores de frecuencia...; en todos ellos, elelemento directamente conectado a la red essiempre un puente rectificador. Es este elmismo componente y, generalizando, la etapade entrada (potencia y control), el quedetermina el comportamiento en cuanto aarmnicos del sistema completo.Principio de muestreo senoidal (enmonofsica)Consiste en forzar a que la corriente absorbidasea senoidal. Los convertidores limpios utilizan

normalmente la tcnica de modulacin de anchode impulso, reconocida ordinariamente comoPWM (Pulse Width Modulation).Se pueden distinguir dos grandes familias,segn que el rectificador acte como una fuentede tensin, que es lo ms frecuente, o como unafuente de corriente.n convertidor con fuente de tensinEn este caso, el convertidor se comporta, conrespecto a la red, como una fuerzacontraelectromotriz, un generador de tensinsenoidal (figura 9), y la corriente senoidal seobtiene intercalando una inductancia entre la redy la fuente de tensin. La modulacin de la


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tensin se obtiene por medio de un seguimientoencaminado a mantener la corriente lo msprxima posible a la senoide que se quiere

conseguir.Incluso si otras cargas no lineales aumentan latasa de distorsin de la tensin de red, laregulacin puede actuar para proporcionar unacorriente senoidal.La frecuencia de las pequeas corrientesarmnicas residuales es la frecuencia demodulacin y sus mltiplos. Esta frecuenciadepende de las prestaciones de lossemiconductores que se utilizan (figura 4).n convertidor fuente de corrienteEl convertidor se comporta como ungenerador de corriente troceada. Pararestituir, al lado de red, una corriente senoidal,es indispensable un filtro pasivo relativamentegrande (figura 10).Este tipo de convertidor se utiliza enaplicaciones especficas, por ejemplo, paraproporcionar una corriente continuaperfectamente regulada.Principio de instalacin de un convertidorde tensinDebido a su simplicidad de construccin, elesquema de la figura 11 es el msfrecuentemente utilizado (por ejemplo, algunosSAI de MG-UPS). Utiliza el principio degenerador de tensin.

El transistor T (que normalmente es detecnologa MOS) y el diodo D forman elmodulador de tensin. La tensin (u) pasa as de

0 a Vs, segn el estado de conduccin obloqueo del transistor T.Cuando el transistor T conduce, la corriente enla inductancia L no puede ms que aumentar,puesto que la tensin v es positiva, y u = 0.Se tiene entonces:

0Le

dtdi

>=

Cuando el transistor T est bloqueado, lacorriente en L disminuye, con la condicin deque Vs sea mayor que v, sucediendo que:

0L

Vse

dt

di

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