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• Resumen.• En el siguiente artículo se presenta una

introducción a los filtros activos depotencia (APF en ingles). Se mostraran susaplicaciones, algunas de las topologías delos convertidores, como obtener lasconsignas de corriente y resultados desimulación y experimentales.

1.- Introducción.

• También llamados “Acondicionadoresactivos de líneas de potencia” (APLC)tienen como principal cometido lareducción de los armónicos en las redesde distribución de energía eléctrica.

• Con el aumento constante de las cargas nolineales conectadas a la red dealimentación aparecen muchos problemasde distorsión y pérdida de eficiencia

debidos al bajo factor de potencia. Una delas formas de mejorar esta situación, es lautilización de filtros activos de potencia(APF), por lo que en los últimos años sehan desarrollado distintas estructuraspara su implementación práctica.

• Las cargas no lineales conectadas a la redconsumen corrientes que no sonsenoidales, o sea, tienen un contenidoimportante de armónicos. Este efecto semuestra en la la figura 1. Así mismo esteconsumo de corrientes no senoidales,aplicada a una red eléctrica de impedanciano nula, produce una distorsión en laforma de la tensión en los puntos deconexión de los equipos a la red. Esteefecto se representa en la parte inferiorde la figura 1.

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• El propósito de un filtro activo es el dereducir los dos problemas anteriores;de forma que la corriente que circulepor la red eléctrica sea senoidal y quela tensión aplicada a las cargas tambiénlo sea.

• Para conseguir los dos objetivosanteriores, se pueden utilizar distintastopologías de filtros. Con lo que esnecesario realizar una clasificaciónpara su estudio.

• Cabe señalar que los filtros activospresentan como principales ventajasfrente a los pasivos; que puedenadaptarse a las condiciones cambiantesde la carga y de la propia red eléctrica;que se reduce la posibilidad deaparición de resonancias entre la red yel filtro (posible causa desobretensiones en puntos concretos dela red);

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• y que además de la reducción dearmónicos los APF pueden tambiénrealizar otras tareas como son lacorrección del coseno de φ (desfase entrelas ondas de tensión y corriente) y elequilibrado entre las fases.

• Antes de presentar las clasificaciones de los APF es conveniente presentar los distintos tipos de perturbaciones que se pueden presentar en la red eléctrica; para conocer las distintas funciones que puede tener que realizar un APF. Estas funciones son las siguientes:

• a) Reducción de los armónicos de corrienteque circulen por la red, entre el APF y los centros de generación de energía.

• b) Reducción de la corriente por el neutro. Si este existe la amplitud de los armónicos de corriente múltiplos de tres se suman a través del neutro.

• c) Reducción de los armónicos de tensión en los puntos de conexión de las cargas.

• d) Corrección del factor de potencia provocado por un cos φ distinto de la unidad.

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• e) Equilibrado de la corriente que circula porlas distintas fases.

• f) Equilibrado de la tensión entre fases y conel neutro.

• g) Regulación de la tensión y reducción delFlicker

• 2.1- Fuentes básicas de perturbaciones ytipos de perturbaciones generadas

• Para poder reducir las perturbaciones con lamáxima eficacia posible, es conveniente conocersus características: como son y como se originan.

• Las fuentes de perturbaciones másabundantes en la red eléctrica, en laactualidad, son los diversos tipos deconvertidores estáticos conectados a la red,y en particular los rectificadores,controlados o no, asociados con diversos tiposde cargas inductivas o capacitivas. En lasfiguras 2 y 3 se muestran, de forma

• esquemática, estos dos tipos de cargasbásicas.

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• En primer lugar nos encontramos con unaestructura de puente rectificador quealimenta una carga principalmenteinductiva. La forma de onda la señal decorriente será del tipo mostrado en lapropia figura 2. Con tendencia a presentaruna forma de señal cuadrada, en la que laanchura de los diversos semiperiodosdependerá del número de fases y delcontrol del rectificador, si este es deltipo controlado o semicontrolado.

• El otro tipo de carga, no lineal, muyfrecuente en redes monofásicasdomésticas y de oficinas, es elrectificador con carga capacitiva,esquematizado en la figura 3. En este casola forma de onda de la corriente tienepicos estrechos y de gran amplitud, talcomo aparece en la misma figura 3.

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• 2.2 Tipos de filtros Activos

• Definición: Los filtros activos son equiposbasados en convertidores de potenciaconmutados, con modulación de ancho depulso PWM y que tienen por misión la decancelar los armónicos de tensión y/ocorriente presentes en una determinada línea.

• Los filtros utilizados para la reducción deperturbaciones en la red eléctrica se puedenclasificar de varias formas.

Dependiendo de cómo se conecta el filtrorespecto a la carga, podemos distinguir entrefiltros serie, paralelo y mixtos (figura 4).Desde un punto de vista práctico, cada una deestas topologías, actúa de forma distinta

• Tipos: Podemos distinguir los siguientes tipos

a.-) Filtros serie.

b.-)Filtros Paralelo.

c.-)Filtros Mixto.

•

• a.-) Filtros serie, Por otro lado los filtros serie se comportan como una fuente de tensión en serie con la propia red, y su principal función es que la tensión en bornes de la carga sea senoidal.

El objetivo es el de mejorar el suministrode tensión que recibe la carga,corrigiendo las perturbacionesprocedentes del lado de la red .

• Los filtros serie permiten corregir bajastensiones y oscilaciones de tensión(flicker) y algunos armónicos de ordenbajo, aunque en aplicaciones tales comosoldaduras, grúas, hornos de induccióncon régimen muy fluctuante, etc., elflicker puede ser eliminado también,mediante grupos estáticos decompensación de factor de potenciagobernados por tiristores.

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• b.-) Filtros paralelo,La función de un filtro paralelo es disminuirlos armónicos de corriente que se vierten ala red de alimentación debidos a cargas nolineales. Actúan básicamente como una fuentede corriente, que tiene como misióncontrarrestar los armónicos de corriente,generados por la carga, de forma que, lacorriente en lared, suma de corrientes decarga y el filtro sea senoidal.

• Su principio de funcionamiento se basa eninyectar a la red una corriente tal quesumada a la de la carga produzca un total enred, libre de perturbaciones y en fasecon la tensión. En definitiva, una corrienteque vista dese red dé factor de potenciaunidad. Par optimizar su tamaño los filtrosparalelos suelen combinarse con bateríasestáticas, tal como muestra el esquemasimplificado.

• En dicha combinación la batería estáticacompensa el desfasaje de la componentefundamental y el filtro paralelo compensala distorsión de armónica, inyectandounaonda como la que aparece en la fig.

• c.-)Filtros Mixto.• Finalmente los filtros mixtos son la unión

de un filtro serie y otro paralelo, con loque su función es conseguir un consumo decorriente senoidal y una tensión en lacarga también senoidal.

• En las figuras 5 y 6 se presenta el efectode cada una de las topologías de filtrosactivos: serie y paralelo.

• Para la reducción de la distorsión de lacorriente en el punto donde se conecta elAPF se acostumbra a utilizar un filtro detipo paralelo; mientras que para lareducción de la distorsión de la tensión enla carga se utilizan filtros serie.

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• Otras clasificaciones:

• Los APF se pueden clasificar también en:

monofásicos, trifásicos de tres hilos ytrifásicos de cuatro hilos.

• Otra posible clasificación es la de filtrospasivos, activos o mixtos. Los filtrospasivos, como su nombre indica, estánconstruidos mediante la asociación de

inductancias y capacidades, calculadaspara la eliminación de armónicosconcretos. Los filtros activos, en cambio,están constituidos por uno o varios

inversores, normalmente de tensión(VSI). Finalmente los filtros mixtos, estánformados por la asociación de filtrospasivos y activos.

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• En una combinación de filtro serie –paralelo cada bloque, a su vez, puede estarformado por la asociación de distintosfiltros. Además, se pueden conectarfiltros activos o pasivos en cada caso,dando lugar a múltiples combinaciones. Enlas figuras 7 a 11 se presentan algunas delas combinaciones posibles a título deejemplo.

• La combinación de filtros activos y pasivospermite reducir el tamaño, y por lo tantoel coste de los filtros activos,manteniendo las ventajas que presentanestos últimos frente a los filtros pasivos.

• En general las aplicaciones de las distintasestructuras son las siguientes:

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• Filtros serie:• a) Reducción de armónicos de tensión

en la carga• b) Regulación de la tensión• c) Reducción del Flicker y los

microcortes de tensión.• Filtros Paralelo:• a) Reducción de los armónicos de

corriente• b) Compensación del factor de potencia• c) Reducción de la corriente por el

neutro

• Dependiendo de la aplicaciónespecífica, de los autores del trabajo,y de la combinación de perturbacionesa reducir los APF pueden recibirdistintos nombres y utilizar distintasabreviaturas. Los nombres mascomúnmente utilizados son:

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• a) “Harmonic Power Filter” HPF

• b) “Active Power Line Conditioners” APLC

• c) “Unified Power Quality Conditioner”UPQC

• d) “Universal Power Flow Controller” UPFC

• e) “Universal Power Conditioner” UPC

• f) “Instantaneous Reactive PowerCompensators” IRPC

• g) “Active Power Quality Conditioners”APQC

• Las denominaciones (b)-(g) se suelenutilizar para los sistemas basados envarios filtros: serie y paralelo; diseñadospara actuar sobre todos los tipos de

• perturbaciones presentes en la red.

• Las topologías de filtro mascomúnmente aplicadas son los filtrosdel tipo paralelo y los mixtos, ensolitario o combinados con filtrospasivos para reducir la potencia nominaly precio de los primeros.

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• 2.3- Estructura de un APF.

• Básicamente un APF está formado por unconvertidor (normalmente un inversor detensión VSI), un elemento dealmacenamiento de energía (habitualmenteun condensador), unos circuitos de medidade las tensiones y corrientes, y un circuitode control que se encarga de la obtenciónde consignas, el control y la generación delas señales moduladas que actúan sobre elconvertidor. Además el APF puede contarcon transformadores y o bobinas para su

conexión a la red.

• Entrando más en detalle en la estructuradel APF, el bloque de control se puededescomponer, a su vez en dos bloquesbásicos, el control propiamente dicho y el

circuito de modulación, tal como semuestra en la figura 12.

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• El bloque de obtención de Consignas, es el encargado de separar la componente fundamental y los armónicos de la corriente que absorbe la carga. Estos

• armónicos son los que forman la consigna aplicada al control del APF. El bloque de control debe actuar sobre el convertidor para que las corrientes que absorbe el filtro (armónicos) coincidan con las

consignas anteriores.

• La función del bloque de modulación es la detransformar unas señales de tensión, variables en amplitud, procedentes del control, en los tiempos de encendido y apagado de cada uno de los interruptores

del VSI (Normalmente es un inversor de tensión).

• En ciertos casos, dependiendo del tipo de control utilizado los bloques de control y

modulación no son separables Por ejemplocuando se utiliza un control de corriente porbanda de histéresis.

• A pesar que la potencia media consumida porun APF, en un periodo de red, debe ser nula(salvo pérdidas); es necesario un elementoque almacene energía, ya que la potenciainstantánea no es nula. Habitualmente estaenergía se almacena en condensadores quealimentan un bus de continua (DC). Si sedebe conectar este filtro directamente ala red (sin utilizar transformador deacoplamiento), la tensión del bus de

continua debe ser superior a la tensión depico de la red; por lo tanto losinterruptores del convertidor (usualmenteIGBT) deben soportar tensiones más

elevadas que en el caso de los inversoresaplicados por ejemplo al control demotores.

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• 2.4- Obtención de las consignas

• Para poder eliminar/reducir los armónicos,en primer lugar es necesario separar lacomponente fundamental de la señal, delos armónicos. Este proceso se puede

realizar por diversos procedimientos, ycada uno de ellos tiene sus ventajas einconvenientes.

• Entre los diversos métodos utilizadoscabe mencionar: el filtrado selectivo(filtro “notch”) de la componentefundamental de 50/60Hz; la utilización dela teoría de la potencia instantánea (figura18); la generación de la componentefundamental mediante un PLL; la

• descomposición armónica mediante FFT; yfinalmente la mas sencilla de implementar,la técnica llamada de factor de potenciaunitario (figura 19). También es posibleencontrar soluciones basadas en

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combinaciones de las anteriores, como porejemplo la utilización de un PLL para lasincronización en la teoría de la potenciainstantánea (figura 14).

• 2.4- Estrategias de Control

• El control de los filtros paralelobásicamente consta de (figura 12) unossensores de corriente que miden las

• corrientes entrantes al filtro; un circuitode control (habitualmente un PI o P) y uncircuito modulador (normalmente unPWM).

• Las consignas de este lazo de control, sonlos armónicos de corriente separados enel bloque precedente.

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• Para que el control del filtro activo seaviable, en todo momento la tensión del busdel VSI debe ser superior a la tensión dela red. Para garantizar esta condición,

esta tensión, se utiliza para modificaralgún parámetro del control como porejemplo la amplitud de la consigna decorriente.

• El objetivo final es que a través del filtrocirculen los armónicos no deseados,almacenando la energía necesaria para quea lo largo de un periodo, la tensión delcondensador (almacén de energía) no seainferior en ningún momento a la tensiónmáxima de red. En otros modelos de APFse utiliza un control de corriente basadoen banda (o bandas) de histéresis; quepresenta como ventajas básicas, la mayor

• sencillez de implementación y mayorvelocidad de respuesta en algunoscasos, pero cuenta como principalinconveniente que la frecuencia de

conmutación del inversor no esconstante.

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• 3.- Aplicación de los Filtros Activos

• Tal como se ha visto en los apartados anteriores, existen distintos tipos APF, distintos tipos de cargas y finalmente también existen distintos tipos de

perturbaciones. Por consiguiente la aplicación de los APF requiere en principio un estudio de cada caso en particular, ya que la utilización de estructuras no

adecuadas puede provocar, que no solo no se resuelva el problema, sino que este empeore o aparezcan otros.

• 3.1- Perturbaciones de corriente:

• Para la reducción de armónicos de corriente, es más adecuada la utilización de APF del tipo paralelo, sin

• 3.2- Perturbaciones de tensión:

• En general para la reducción deperturbaciones de tensión es másadecuada la utilización de un APF serie,sin embargo dependiendo del tipo de cargay de la potencia de la instalación puedeser más adecuada la utilización de un APFparalelo combinado con un filtro pasivo enserie.

• Cuando se combinan perturbacionesimportantes de tensión y corriente en unmismo punto es conveniente utilizar lacombinación de APF serie y paralelo

(normalmente conocido como UPQCUnified Power Quality Conditioner), pesea ser la solución más cara.

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• 4.- Resultados de aplicaciones de APF

• A continuación se presentan variosejemplos en los que la aplicación de unfiltro activo paralelo ha permitido reducirde forma considerable la distorsión

armónica de baja frecuencia en lacorriente de línea.

• Se presentan los resultados de un filtroactivo monofásico (figura 16) y otrotrifásico (figuras 17 y 18) aplicados a lascargas mas habituales en cada caso.

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• Finalmente se presenta el resultado de la aplicación de un filtro híbrido paralelo, en el que no se puede compensar la componente reactiva (cos φ), en la figura 19.

• 5.- Conclusiones

• Muchas de las cargas conectadas a la red no son lineales; y para reducir los harmónicos generados por estas es necesaria la instalación de filtros.

• El tipo de filtro a utilizar depende de cada tipo de carga.

• Los filtros activos permiten reducir distintos tipos de perturbaciones y adaptarse en cada momento al estado de la línea y a las cargas conectadas.

• Finalmente las prestaciones de un filtro activo dependen de diversos parámetros de diseño.

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Banco Automático de Condensadores23

Compensadores Estáticos24

Compensadores Estáticos25

Compensadores Estáticos26

Compensadores Estáticos27

Compensadores Estáticos28

Esquema de un equipo estatico con filtros para compensación de Energía Reactiva

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Filtro activo serie: Mejora el suministro de tensión que recibe la carga

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Filtro activo Paralelo: Disminuye los armónicos de corriente que se vierten a la red.

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Filtro Activo: Principio de Funcionamiento

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• 6.- Referencias

• [1] Jordi autonelli “ Eficiencia en el uso de laenergía eléctrica” CIRCUTOR-ESPAÑA, 2011.

• [2] Fang Zheng Peng, “Application Issues ofActive PowerFilters”, IEEE Industry Applications Magazine,September/October 1998, pp 21-30.

• [3] Hirofumi Akagi, “Trends in active Power LineConditioners”, IEEE Transactions on PowerElectronics, Vol. 9 No. 3 May 1994, pp 263-268.

• [4] Bhim Singh, Kamal Al-Haddad, AmbrishChandra, “A Review of Active Filters for PowerQuality Improvement”, IEEE Transactions onIndustrial Electronics Vol. 46 No. 5, October1999, pp. 960-971.

• [5] Fang Zheng Peng “Harmonic Sources andFilteringApproaches”, IEEE Industry ApplicationsMagazine, July/August 2001, pp 18-25.