ES2253095B1 - Filtro pasivo de potencia sintonizable simultaneamente a dos frecuencias, una para componentes homopolares y otra para directas. - Google Patents

Abstract

Filtro pasivo de potencia sintonizable simultáneamente a dos frecuencias, una para componentes homopolares y otra para directos. La presente invención consiste en un filtro pasivo trifásico de potencia LC, que por la especial disposición del circuito magnético que forma la inductancia, tiene dos frecuencias de resonancia simultáneas con el banco de condensadores trifásicos. Una de dichas frecuencias de resonancias es para componentes de tensión y corrientes de secuencia homopolar, y la otra frecuencia de resonancia para las componentes de secuencia directa e inversa. Pudiéndose ajustar en el diseño de las bobinas y circuito magnético el valor de dichas frecuencias y la relación entre ellas. Con ello se consigue que el dispositivo trabajando como filtro de absorción de armónicos sobre la red trifásica absorba corrientes de 2 frecuencias simultáneas. Además en combinación con un filtro activo, puede formar un filtro híbrido que elimine los armónicos homopolares y de secuencia directa o inversa indeseables de la red.

Description

Filtro pasivo de potencia sintonizable simultáneamente a dos frecuencias, una para componentes homopolares y otra para directas.

Ámbito de la invención

La presente invención tiene su campo de aplicación en el filtrado y absorción de armónicos de corriente de los sistemas eléctricos de potencia en media y baja tensión. Y en particular en redes eléctricas con corrientes armónicas homopolares que afecten el conductor de neutro, en combinación con otros armónicos. Dentro de este campo, la presente invención puede actuar como un filtro pasivo puro, o en combinación con un filtro activo, que mejora las prestaciones del pasivo, formar en conjunto lo que se da en llamar un filtro híbrido.

Estado actual de la técnica

En los últimos años ha habido un crecimiento de la problemática de generación y circulación de armónicos de corriente por las redes eléctricas de baja tensión, y en casos de cargas especiales, hornos de arco o grandes rectificadores, también en los de media y alta tensión. Ello ha sido debido a la proliferación de cargas no lineales, como lámparas de descarga y dispositivos electrónicos alimentados de red, que sobre todo afectan a instalaciones del sector terciario, como oficinas, hoteles, hospitales o centros de enseñanza, y en menor medida afectan al sector industrial.

Algunas de estas cargas no lineales están conectadas entre una de las fases y neutro, complicando más el problema de los armónicos, pues los llamados armónicos homopolares o de secuencia cero típicamente el 3º, 9º y 15ª, al unirse procedentes de varias cargas en el neutro, en vez de anularse, como los de secuencia directa o inversa, se suman, dando una corriente armónica en neutro tres veces superior a la de las fases. Pudiendo dar, además de los problemas que producen los otros armónicos, sobrecarga del conductor de neutro, aparición de tensiones neutro-tierra, distorsión de las tensiones de fase y sobrecalentamiento de los transformadores.

Para la eliminación de los armónicos de corriente de las redes eléctricas se conocen en la actualidad varios sistemas, de los cuales se pueden destacar:

- La instalación de un filtro pasivo resonante LC en paralelo con la red eléctrica, que presenta una baja impedancia a la circulación de armónicos de corriente en comparación con la impedancia de red.

- La instalación de un filtro activo que absorba los armónicos de la carga y solo deje fluir hacia red la corriente fundamental.

- La combinación de filtros pasivos y activos, con lo que se consigue mejorar las prestaciones del primero y reducir la potencia necesaria en el segundo.

Los filtros pasivos LC actuales tienen una única frecuencia de resonancia, y absorben por tanto solamente corriente de una frecuencia, teniendo que instalar tantos filtros LC, de frecuencias de resonancia diferentes como armónicos principales se deseen eliminar. Además, los filtros pasivos LC son de difícil aplicación para el 3^{er} armónico, el más importante de los homopolares, pues al estar la frecuencia de resonancia del filtro tan cerca de la frecuencia fundamental, típicamente 50 Hz, la corriente absorbida de dicha frecuencia lo hace antieconómico.

Los métodos específicos, más habituales para la eliminación del tercer armónico en redes eléctricas son:

- Reactancia en zigzag en paralelo con la red, reactancias que presentan muy baja impedancia a todas las componentes homopolares.

- Filtros pasivos LC con muy alto factor de calidad, para reducir al máximo la absorción de corriente de frecuencia fundamental.

- Filtros de rechazo del tercer armónico en serie con el conductor de neutro, que tienden a impedir el paso de dicha corriente por el neutro presentando una alta impedancia a dicho armónico, pero distorsionando la tensión fase-neutro.

- Filtros activos o híbridos que bajo determinadas condiciones son también aplicables a la eliminación de armónicos homopolares.

Además de los métodos descritos anteriormente que son los mencionados en las bibliografias se han encontrado patentes de filtrado específicas para tercer armónico en neutro, como son: US5194540, US5568371, US5574356, US5776942, US5416688, ES2197784 o parte de la US5499178, que, por medio de dispositivos magnéticos o una combinación de estos con dispositivos electrónicos, mitigan las corrientes homopolares.

En cambio la presente invención consiste en un filtro pasivo trifásico de potencia LC, que por la especial disposición del circuito magnético que forma la inductancia, tiene dos frecuencias de resonancia simultáneas con el banco de condensadores trifásicos. Una de dichas frecuencias de resonancias es para componentes de tensión y corrientes de secuencia homopolar, y la otra frecuencia de resonancia para las componentes de secuencia directa e inversa. Con ello se consigue que el dispositivo trabajando como filtro de absorción de armónicos sobre la red trifásica, absorba corrientes de 2 frecuencias simultáneas, normalmente el 3º armónico y el 5º o 7º, el primero homopolar y de secuencia inversa y directa los segundos.

Descripción de la invención

El filtro de armónicos objeto de la invención está formador por un juego de bobinas trifásicas, 1 de la fig. 1, bobinas que tienen dos circuitos magnéticos, uno de dispersión, 2, y otros mutuo o común a las tres bobinas, 3, dichas bobinas por un lado están conectadas a un banco trifásico de condensadores en estrella, 4, y el centro de la estrella de los condensadores está conectado con el neutro de la red eléctrica. Por el otro lado las bobinas están conectadas en paralelo con cada una de las fases de la red trifásica, entre la carga generadora de armónicos, 6, y la red de alimenta-
ción, 5.

Las bobinas, 1, presentan dos inductancias diferentes, una frente a componentes de corriente de secuencia directa, L_{1}, y otra frente a componentes de corriente de secuencia homopolar, L_{0}. Con lo que la combinación de dichas inductancias con la capacidad del banco de condensadores, C, da las siguientes frecuencias de resonancia

f_{1} = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_{1} \ C}}

\hskip2.5cm

F_{0} = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_{0} \ C}}

donde f_{1} es la frecuencia de resonancia del filtro a componentes de secuencia directa e inversa, y f_{0} es la frecuencia de resonancia a componentes de secuencia homopolar o cero.

Por lo tanto, el dispositivo que se describe, trabajando como filtro de absorción de armónicos, absorberá simultáneamente las corrientes armónicas de frecuencias f_{1} y f_{0}. Con la ventaja de ahorro de material, tanto en cobre como en material ferromagnético de la inductancia de la presente invención, frente a la posibilidad de hacerlo con dos filtros separados, uno para cada frecuencia.

Además, en un filtro LC normal, sintonizado para la componente homopolar más habitual, el tercer armónico, 150 Hz, la absorción de corriente de frecuencia fundamental es tan grande por la proximidad entre la frecuencia de resonancia y la fundamental, que lo hace de uso inviable en la práctica. Sin embargo en la presente invención, si se sintoniza el filtro al mismo armónico de componentes homopolares, 150 Hz, la corriente absorbida por este filtro de la red a frecuencia fundamental es muy pequeña, debido a que la tensión de red en condiciones normales tiene una componente homopolar despreciable. Por tanto, el presente filtro sólo absorberá corrientes de frecuencia fundamental por la parte del filtro sintonizado a frecuencias de secuencia directa, que habitualmente se sitúan a 250 o 350 Hz, dando co-
rrientes absorbidas de fundamental idénticas a un filtro normal, entre el 20 y el 50% de la intensidad nominal del filtro.

Una bobina normal trifásica para filtros se calcula para una L_{1}, inductancia de secuencia directa, fijada para el filtrado, y una L_{0}, inductancia de secuencia homopolar, muy baja, y con un valor sin determinar en los diseños. Sólo es apta para filtrar componentes de secuencia directa. Si se utilizan para el filtrado 3 inductancias separadas monofásicas, el valor de la L_{1} y la L_{0} es el mismo, se determina por cálculo. Puede así filtrarse componentes de secuencia directa y homopolar pero de la misma frecuencia, y en la práctica los armónicos no presentan secuencia directa y homopolar para la misma frecuencia.

Si deseamos diseñar una inductancia trifásica que tenga dos frecuencias de resonancia, f_{1} y f_{0}, con una batería de condensadores C, tenemos que conseguir que dicha inductancia tenga dos valores de inductancia, L_{1} valor de la inductancia para componentes de secuencia directa e inversa, y L_{0} valor de la inductancia para componentes de secuencia homopolar o cero.

Una bobina trifásica acoplada magnéticamente, como la representada en la figura 2, tiene un flujo magnético común o mutuo, \Phi_{M}, y un flujo magnético que llamaremos de dispersión, \Phi_{D} El valor de cada uno de estos flujos viene determinado por la reluctancia magnética que encuentra dicho flujo en su camino, R_{mD}, reluctancia magnética del camino del flujo de dispersión, y R_{mM}, reluctancia magnética del flujo mutuo. Se D diseñará una bobina trifásica totalmente simétrica, con las inductancias, reluctancias y número de espiras de todas las fases idénticas. Bajo esta premisa el valor de la inductancia propia de cada una de las tres bobinas de la figura 2 es

L_{P} = N^{2}\left(\frac{1}{R_{mD}} + \frac{1}{R_{mM}}\right)

y la inductancia mutua valdrá

M = N^{2}\frac{1}{R_{mM}}

donde N es el número de espiras de las bobinas.

A partir de estos valores de L_{p} y M se puede calcular L_{1} y L_{0} según las ecuaciones conocidas

L_{1} = L_{p} - M

\hskip2.5cm

L_{0} = L_{p} + 2M

Si se desea que exista una relación determinada entre f_{0} y f_{1}, suponiendo como es habitual que f_{0} < f_{1},

f_{0} \cdot x = f_{1}

\hskip2.5cm

x = \frac{f_{1}}{f_{0}}

la relación necesaria entre inductancias para conseguir esta relación de frecuencias es

x = \sqrt{\frac{L_{0}}{L_{1}}}

que sustituyendo en las ecuaciones anteriores y despejando da la relación necesaria entre las reluctancias R_{mD}, de dispersión, y R_{mM}, mutua,

\vskip1.000000\baselineskip

R_{mD} = 1/3 \ R_{mM} (x^{2} - 1)

\vskip1.000000\baselineskip

que junto con

\vskip1.000000\baselineskip

L_{1} = \frac{N^{2}}{R_{mD}}

\vskip1.000000\baselineskip

nos indicará la reluctancia de las ramas de la inductancia, dando la base de cálculo de como se tiene que realizar el diseño de la inductancia del filtro, base de la presente invención.

Descripción de los dibujos

La figura 1 es el esquema de la aplicación de la invención como filtro pasivo.

La figura 2 es la representación esquemática de una inductancia trifásica acoplada.

La figura 3 es el esquema de una inductancia tipo, que cumple con las condiciones de la invención.

La figura 4 es un esquema de aplicación de la invención como filtro híbrido.

La figura 5 muestra las ondas de corriente a la entrada y salida del filtro.

El elemento 1 representa cada una de las tres bobinas de la inductancia trifásica.

El elemento 2 representa el flujo de dispersión de cada una de las bobinas

El elemento 3 representa el flujo mutuo de las tres bobinas.

El elemento 4 representa el condensador del filtro LC.

El elemento 5 representa una red de alimentación trifásica con neutro.

El elemento 6 representa una carga trifásica generadora de armónicos.

El elemento 7 representa los entrehierros de la inductancia.

El elemento 8 representa un inversor controlado o filtro activo.

Descripción de una realización preferida

Se presenta a título de ejemplo no limitativo en lo que respecta a frecuencias de sintonización y formas constructivas, un caso particular de la presente invención con frecuencias de resonancia de 150 Hz, tercer armónico, para componentes homopolares, y 300 Hz, para secuencia directa e inversa, en una aplicación en combinación con un filtro activo de baja potencia, formando un filtro híbrido.

Si la relación de frecuencias de resonancia del filtro es en este caso 2, la relación entre reluctancias de las bobi-
nas es

\frac{f_{1}}{f_{0}} = \frac{300}{150} = x = 2

\hskip2.5cm

R_{mD} = R_{mN}

Si se escoge una capacidad adecuada de acuerdo a la potencia, corriente y tensión del filtro, C, deduciremos las inductancias necesarias de secuencia directa y homopolar

L_{1} = \frac{1}{4\pi^{2}f_{1}{}^{2}C}

\hskip2.5cm

L_{0} = \frac{1}{4\pi^{2}f_{0}{}^{2}C}

Con lo que ahora sólo nos queda elegir una relación conveniente constructivamente entre las reluctancias y el número de espiras

L_{1} = \frac{N^{2}}{R_{mD}}

\hskip2.5cm

R_{mD} = \frac{N^{2}}{L_{1}} = R_{mM}

En la figura 3 se puede observar una posible estructura de fabricación del esquema de la inductancia de la figura 2, que cumple con las ecuaciones anteriores. En dicha figura se pueden ver las tres bobinas, 1, la estructura ferromagnética, con los flujos de dispersión, 2, y los flujos mutuos, 3, y en líneas punteadas los entrehierros, 7, para el ajuste del valor de las reluctancias. Esta misma estructura puede servir para otras relaciones de frecuencias, dando otras relaciones entre reluctancias, que se pueden ajustar por medio de los entrehierros.

Si según se muestra en la figura 4, el filtro objeto de la presente invención se monta en combinación con un filtro activo trifásico, 8, para mejorar las prestaciones del filtro pasivo. La corriente nominal del filtro activo debe ser la misma que la del filtro, pero su tensión nominal puede ser sólo un 10% de la tensión del filtro o de red, consiguiendo a pesar de la reducida potencia de control del filtro activo la eliminación total de la frecuencia f_{0}, tercer armónico, 150 Hz en el presente ejemplo. Y también la eliminación de los próximos a f_{1}, el 5º y el 7º armónico, independientemente de la impedancia de red y sin problemas de resonancia parásita. El control del filtro activo sale del tema de la presente patente, pues puede encontrarse en la bibliografia especializada actual.

En la figura 5 se ven los resultados gráficos del presente filtro. En la parte superior se tiene la corriente de una carga típica, que es combinación de rectificadores trifásicos y monofásico, con consumos de fundamental, 3º, 5º, 7º, 9º, 11º y 13º, armónicos de magnitud decreciente a medida que aumenta su frecuencia. Debajo de esta gráfica se tiene la corriente que llega a la red una vez que el filtro ha realizado su función, reduciendo casi totalmente los armónicos 3º, 5 y 7º. En las dos gráficos inferiores se tiene la corriente del conductor de neutro, de la misma carga, con circulación de 3º y 9º, y la de red, cuyo valor eficaz se ha reducido mucho, y en la que queda básicamente el 9º armónico.

Si la conexión del filtro se realiza según la figura 1, sin el filtro activo, la eliminación de los armónicos anteriormente indicados sería parcial, dependiendo de la relación entre la impedancia de red y la del filtro a cada frecuencia de resonancia, como en cualquier otro filtro pasivo LC de una sola frecuencia de sintonización.

Claims (3)

1. Filtro pasivo de potencia sintonizable simultáneamente a dos frecuencias, una para componentes homopolares y otra para directas, que comprende una batería de condensadores trifásicos y una inductancia trifásica que forman un filtro pasivo de armónicos, caracterizado por presentar dos frecuencias de resonancia y por tanto poder absorber dos frecuencias armónicas principales simultáneamente, una de dichas frecuencias de resonancia la presenta a armónicos homopolares y la otra a armónicos de secuencia directa o inversa.

2. La inductancia trifásica que forma parte del filtro revindicado en 1, caracterizada por el hecho de presentar dos inductancias ajustables separadamente, la de secuencia directa L_{1}, y la de secuencia homopolar o cero L_{0}, y que da lugar a que el filtro presente dos frecuencias de resonancia.

3. La inductancia trifásica según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de tener una relación determinada y controlable entre las reluctancias de dispersión y la reluctancia de acoplamiento mutuo de cada una de las tres bobinas que la forman, en función de la relación entre las frecuencias de resonancias, y que da lugar a los valores de L_{1} y L_{0} deseados.