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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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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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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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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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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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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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(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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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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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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Fig. 6.17 FACP usando un inversor de tres niveles