diseño e implementación de un filtro activo híbrido-serie multietapa

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE

ESCUELA DE INGENIERIA

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN

FILTRO ACTIVO HBRIDO-SERIE

MULTIETAPA DE 9 NIVELES

ALEXANDER VARSCHAVSKY PEZ

Tesis para optar al grado de

Magster en Ciencias de la Ingeniera

Profesor Supervisor:

JUAN DIXON ROJAS

Santiago de Chile, Diciembre, 2008

MMVIII, Alexander Varschavsky

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE

ESCUELA DE INGENIERIA

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN

FILTRO ACTIVO HBRIDO-SERIE

MULTIETAPA DE 9 NIVELES

ALEXANDER VARSCHAVSKY PEZ

Tesis presentada a la Comisin integrada por los profesores:

JUAN DIXON

DAVID WATTS

MAURICIO ROTELLA

IGNACIO CASAS

Para completar las exigencias del grado de

Magister en Ciencias de la Ingeniera

Santiago de Chile, Diciembre, 2008

ii

A mis padres Ari y Montserrat y a mi

hermana Deborah.

A mi novia Marcia y a mi hijo

Toms.

A todos ellos, gracias por el apoyo y

cario.

iii

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a mi familia por el apoyo y cario que me han entregado durante

estos aos de estudio, a Marcia por su amor y comprensin y a Toms por llenarme de

felicidad cada da.

Agradezco a mi profesor gua, don Juan Dixon Rojas, por su valiosa ayuda y

excelente calidad humana. Por haber confiado en este trabajo, agradezco tambin al Ncleo

de Electrnica Industrial y Mecatrnica NEIM y a Mauricio Rotella, en nombre de ABB

Chile.

Para finalizar, agradezco a todos mis compaeros de laboratorio por su compaa y

buena disposicin a ayudarme cada vez que lo necesit.

INDICE GENERAL

Pg.

DEDICATORIA .......................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii

INDICE DE TABLAS ................................................................................................ vi

INDICE DE FIGURAS ............................................................................................. vii

RESUMEN .................................................................................................................. x

ABSTRACT................................................................................................................ xi

NOMENCLATURA .................................................................................................. xii

1. INTRODUCCIN .............................................................................................. 1

1.1. Objetivos ...................................................................................................... 3

2. FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA ............................................................... 4

2.1. Tipos de Cargas Armnicas ......................................................................... 4

2.1.1. Fuentes de Corriente Armnica ............................................................. 4

2.1.2. Fuentes de Voltaje Armnico ................................................................ 5

2.2. Tipos de Filtros Activos .............................................................................. 5

2.2.1. Filtros Activos Paralelos ........................................................................ 6

2.2.2. Filtros Activos Serie .............................................................................. 6

2.2.3. Filtros Activos Hbridos ........................................................................ 7

3. FILTRO ACTIVO HBRIDO SERIE-PARALELO MULTINIVEL ................. 9

3.1. Configuracin del Sistema........................................................................... 9

3.2. Principio de Funcionamiento ..................................................................... 11

3.3. Clculo de la Corriente Armnica. ............................................................ 13

3.4. Control de Voltaje del Condensador de la barra dc ................................... 16

3.5. Anlisis de Estabilidad para Componentes Armnicas ............................. 22

3.6. Filtros Pasivos ........................................................................................... 25

3.7. Tamao del Condensador de la Barra dc ................................................... 27

3.8. Sincronizacin a la Red Trifsica .............................................................. 28

4. SIMULACIONES ............................................................................................. 33

4.1. Sistema sin Filtros ..................................................................................... 33

4.2. Sistema con Filtros Pasivos ....................................................................... 36

4.3. Sistema con Filtro Hbrido ........................................................................ 40

4.4. Respuesta Transitoria ................................................................................ 44

5. RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................ 47

5.1. Implementacin y Configuracin del Sistema de Control ........................ 47

5.2. Resultados Obtenidos ................................................................................ 50

6. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO .................................................... 53

6.1. Conclusiones .............................................................................................. 53

6.2. Trabajo Futuro ........................................................................................... 54

BIBLIOGRAFA ....................................................................................................... 55

A N E X O S .............................................................................................................. 59

vi

INDICE DE TABLAS

Tabla 3-1: Estado de cada semiconductor para los distintos niveles de voltaje generados

por el Inversor. ..................................................................................................................... 11

Tabla 4-1: Parmetros del sistema simulado. ....................................................................... 34

Tabla 4-2: Parmetros de filtros pasivos. ............................................................................. 37

Tabla 4-3: Parmetros del filtro activo................................................................................. 41

Tabla 4-4: Parmetros de control del SRF-PLL. .................................................................. 41

vii

INDICE DE FIGURAS

Figura 2-1: Topologa y representacin de una carga fuente de corriente armnica ......... 4

Figura 2-2: Topologa y representacin de una carga fuente de voltaje armnico ............ 5

Figura 2-3: Operacin del filtro activo paralelo como fuente de corriente y de voltaje .... 6

Figura 2-4: Operacin del filtro activo serie como fuente de corriente y de voltaje ......... 7

Figura 2-5: Topologa de un filtro activo hbrido-paralelo e hbrido-serie ........................ 8

Figura 3-1: Configuracin del sistema trifsico, hbrido serie-paralelo ............................ 9

Figura 3-2: Inversor multinivel utilizado en el filtro activo serie .................................... 10

Figura 3-3: Circuito equivalente respecto a las armnicas por fase................................. 12

Figura 3-4: Sistema de control del filtro activo multinivel .............................................. 14

Figura 3-5: Componentes de la corriente de lnea. .......................................................... 16

Figura 3-6: Diagrama del sistema de control del voltaje de la barra dc ........................... 17

Figura 3-7: Lugar geomtrico de las races para el sistema realimentado con controlador

PI ...................................................................................................................................... 21

Figura 3-8: Diagrama del lazo de control de la corriente armnica ................................. 22

Figura 3-9: Diagrama del lazo de control de corriente armnica con retardo ................. 23

Figura 3-10: Diagramas de Nyquist del sistema de control de corrientes armnicas, a)

Con un retardo menor que el crtico, b) Con un retardo mayor que el crtico (inestable).

.......................................................................................................................................... 25

Figura 3-11: Configuracin del filtro pasivo paralelo...................................................... 26

Figura 3-12: Diagrama del SRF-PLL ............................................................................... 29

Figura 3-13: Diagrama de control del SRF-PLL.............................................................. 30

Figura 3-14: Voltaje de red y referencia de voltaje generada por el PLL ........................ 32

viii

Figura 4-1: Sistema sin filtros conectados ....................................................................... 33

Figura 4-2: Simulaciones del Sistema sin filtros. a) Voltaje en el punto de conexin de la

carga