1. Filtros Activos
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• Resumen. debidos al bajo factor de potencia. Una de
• En el siguiente artículo se presenta una las formas de mejorar esta situación, es la
introducción a los filtros activos de utilización de filtros activos de potencia
potencia (APF en ingles). Se mostraran sus (APF), por lo que en los últimos años se
aplicaciones, algunas de las topologías de han desarrollado distintas estructuras
los convertidores, como obtener las para su implementación práctica.
consignas de corriente y resultados de • Las cargas no lineales conectadas a la red
simulación y experimentales. consumen corrientes que no son
senoidales, o sea, tienen un contenido
importante de armónicos. Este efecto se
1.- Introducción.
muestra en la la figura 1. Así mismo este
• También llamados “Acondicionadores consumo de corrientes no senoidales,
activos de líneas de potencia” (APLC) aplicada a una red eléctrica de impedancia
tienen como principal cometido la no nula, produce una distorsión en la
reducción de los armónicos en las redes forma de la tensión en los puntos de
de distribución de energía eléctrica. conexión de los equipos a la red. Este
• Con el aumento constante de las cargas no efecto se representa en la parte inferior
lineales conectadas a la red de de la figura 1.
alimentación aparecen muchos problemas
de distorsión y pérdida de eficiencia
2. Filtros Activos
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• El propósito de un filtro activo es el de
reducir los dos problemas anteriores;
de forma que la corriente que circule
por la red eléctrica sea senoidal y que
la tensión aplicada a las cargas también
lo sea.
• Para conseguir los dos objetivos
anteriores, se pueden utilizar distintas
topologías de filtros. Con lo que es
necesario realizar una clasificación
para su estudio.
• Cabe señalar que los filtros activos
presentan como principales ventajas
frente a los pasivos; que pueden
adaptarse a las condiciones cambiantes
de la carga y de la propia red eléctrica;
que se reduce la posibilidad de
aparición de resonancias entre la red y
el filtro (posible causa de
sobretensiones en puntos concretos de
la red);
3. Filtros Activos
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• Antes de presentar las clasificaciones de
• y que además de la reducción de los APF es conveniente presentar los
armónicos los APF pueden también distintos tipos de perturbaciones que se
realizar otras tareas como son la pueden presentar en la red eléctrica; para
corrección del coseno de φ (desfase entre conocer las distintas funciones que puede
las ondas de tensión y corriente) y el tener que realizar un APF. Estas funciones
equilibrado entre las fases. son las siguientes:
• a) Reducción de los armónicos de corriente
que 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.
4. Filtros Activos
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• e) Equilibrado de la corriente que circula por
las distintas fases.
• f) Equilibrado de la tensión entre fases y con
el neutro.
• g) Regulación de la tensión y reducción del
Flicker
• 2.1- Fuentes básicas de perturbaciones y
tipos de perturbaciones generadas
• Para poder reducir las perturbaciones con la
máxima eficacia posible, es conveniente conocer
sus características: como son y como se originan.
• Las fuentes de perturbaciones más
abundantes en la red eléctrica, en la
actualidad, son los diversos tipos de
convertidores estáticos conectados a la red,
y en particular los rectificadores,
controlados o no, asociados con diversos tipos
de cargas inductivas o capacitivas. En las
figuras 2 y 3 se muestran, de forma
• esquemática, estos dos tipos de cargas
básicas.
5. Filtros Activos
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• En primer lugar nos encontramos con una
estructura de puente rectificador que
alimenta una carga principalmente
inductiva. La forma de onda la señal de
corriente será del tipo mostrado en la
propia figura 2. Con tendencia a presentar
una forma de señal cuadrada, en la que la
anchura de los diversos semiperiodos
dependerá del número de fases y del
control del rectificador, si este es del
tipo controlado o semicontrolado.
• El otro tipo de carga, no lineal, muy
frecuente en redes monofásicas
domésticas y de oficinas, es el
rectificador con carga capacitiva,
esquematizado en la figura 3. En este caso
la forma de onda de la corriente tiene
picos estrechos y de gran amplitud, tal
como aparece en la misma figura 3.
6. Filtros Activos
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• 2.2 Tipos de filtros Activos • a.-) Filtros serie, Por otro lado los filtros
• Definición: Los filtros activos son equipos serie se comportan como una fuente de
basados en convertidores de potencia tensión en serie con la propia red, y su
conmutados, con modulación de ancho de principal función es que la tensión en
pulso PWM y que tienen por misión la de bornes de la carga sea senoidal.
cancelar los armónicos de tensión y/o El objetivo es el de mejorar el suministro
corriente presentes en una determinada línea. de tensión que recibe la carga,
• Los filtros utilizados para la reducción de corrigiendo las perturbaciones
perturbaciones en la red eléctrica se pueden procedentes del lado de la red .
clasificar de varias formas. • Los filtros serie permiten corregir bajas
Dependiendo de cómo se conecta el filtro tensiones y oscilaciones de tensión
respecto a la carga, podemos distinguir entre (flicker) y algunos armónicos de orden
filtros serie, paralelo y mixtos (figura 4). bajo, aunque en aplicaciones tales como
Desde un punto de vista práctico, cada una de soldaduras, grúas, hornos de inducción
estas topologías, actúa de forma distinta con régimen muy fluctuante, etc., el
• Tipos: Podemos distinguir los siguientes tipos flicker puede ser eliminado también,
a.-) Filtros serie. mediante grupos estáticos de
compensación de factor de potencia
b.-)Filtros Paralelo.
gobernados por tiristores.
c.-)Filtros Mixto.
•
7. Filtros Activos
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• b.-) Filtros paralelo,
La función de un filtro paralelo es disminuir
los armónicos de corriente que se vierten a
la red de alimentación debidos a cargas no
lineales. Actúan básicamente como una fuente
de corriente, que tiene como misión
contrarrestar los armónicos de corriente,
generados por la carga, de forma que, la
corriente en lared, suma de corrientes de
carga y el filtro sea senoidal.
• Su principio de funcionamiento se basa en
inyectar a la red una corriente tal que
sumada a la de la carga produzca un total en
red, libre de perturbaciones y en fase
con la tensión. En definitiva, una corriente
que vista dese red dé factor de potencia
unidad. Par optimizar su tamaño los filtros
paralelos suelen combinarse con baterías
estáticas, tal como muestra el esquema
simplificado.
8. Filtros Activos
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• En dicha combinación la batería estática
compensa el desfasaje de la componente
fundamental y el filtro paralelo compensa
la distorsión de armónica, inyectandouna
onda 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 lo
que su función es conseguir un consumo de
corriente senoidal y una tensión en la
carga también senoidal.
• En las figuras 5 y 6 se presenta el efecto
de cada una de las topologías de filtros
activos: serie y paralelo.
• Para la reducción de la distorsión de la
corriente en el punto donde se conecta el
APF se acostumbra a utilizar un filtro de
tipo paralelo; mientras que para la
reducción de la distorsión de la tensión en
la carga se utilizan filtros serie.
9. Filtros Activos
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• Otras clasificaciones:
• Los APF se pueden clasificar también en:
monofásicos, trifásicos de tres hilos y
trifásicos de cuatro hilos.
• Otra posible clasificación es la de filtros
pasivos, activos o mixtos. Los filtros
pasivos, como su nombre indica, están
construidos mediante la asociación de
inductancias y capacidades, calculadas
para la eliminación de armónicos
concretos. Los filtros activos, en cambio,
están constituidos por uno o varios
inversores, normalmente de tensión
(VSI). Finalmente los filtros mixtos, están
formados por la asociación de filtros
pasivos y activos.
10. Filtros Activos
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• En una combinación de filtro serie –
paralelo cada bloque, a su vez, puede estar
formado por la asociación de distintos
filtros. Además, se pueden conectar
filtros activos o pasivos en cada caso,
dando lugar a múltiples combinaciones. En
las figuras 7 a 11 se presentan algunas de
las combinaciones posibles a título de
ejemplo.
• La combinación de filtros activos y pasivos
permite reducir el tamaño, y por lo tanto
el coste de los filtros activos,
manteniendo las ventajas que presentan
estos últimos frente a los filtros pasivos.
• En general las aplicaciones de las distintas
estructuras son las siguientes:
11. Filtros Activos
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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 aplicación
específica, de los autores del trabajo,
y de la combinación de perturbaciones
a reducir los APF pueden recibir
distintos nombres y utilizar distintas
abreviaturas. Los nombres mas
comúnmente utilizados son:
12. Filtros Activos
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• a) “Harmonic Power Filter” HPF • Las topologías de filtro mas
• b) “Active Power Line Conditioners” APLC comúnmente aplicadas son los filtros
• c) “Unified Power Quality Conditioner” del tipo paralelo y los mixtos, en
UPQC solitario o combinados con filtros
• d) “Universal Power Flow Controller” UPFC pasivos para reducir la potencia nominal
• e) “Universal Power Conditioner” UPC y precio de los primeros.
• f) “Instantaneous Reactive Power
Compensators” IRPC
• g) “Active Power Quality Conditioners”
APQC
• Las denominaciones (b)-(g) se suelen
utilizar para los sistemas basados en
varios filtros: serie y paralelo; diseñados
para actuar sobre todos los tipos de
• perturbaciones presentes en la red.
13. Filtros Activos
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• 2.3- Estructura de un APF.
• Básicamente un APF está formado por un
convertidor (normalmente un inversor de
tensión VSI), un elemento de
almacenamiento de energía (habitualmente
un condensador), unos circuitos de medida
de las tensiones y corrientes, y un circuito
de control que se encarga de la obtención
de consignas, el control y la generación de
las señales moduladas que actúan sobre el
convertidor. Además el APF puede contar
con transformadores y o bobinas para su
conexión a la red.
• Entrando más en detalle en la estructura
del APF, el bloque de control se puede
descomponer, a su vez en dos bloques
básicos, el control propiamente dicho y el
circuito de modulación, tal como se
muestra en la figura 12.
14. Filtros Activos
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• El bloque de obtención de Consignas, es el modulación no son separables Por ejemplo
encargado de separar la componente cuando se utiliza un control de corriente por
fundamental y los armónicos de la banda de histéresis.
corriente que absorbe la carga. Estos • A pesar que la potencia media consumida por
• armónicos son los que forman la consigna un APF, en un periodo de red, debe ser nula
(salvo pérdidas); es necesario un elemento
aplicada al control del APF. El bloque de
que almacene energía, ya que la potencia
control debe actuar sobre el convertidor
instantánea no es nula. Habitualmente esta
para que las corrientes que absorbe el
energía se almacena en condensadores que
filtro (armónicos) coincidan con las
alimentan un bus de continua (DC). Si se
consignas anteriores. debe conectar este filtro directamente a
• La función del bloque de modulación es la la red (sin utilizar transformador de
detransformar unas señales de tensión, acoplamiento), la tensión del bus de
variables en amplitud, procedentes del continua debe ser superior a la tensión de
control, en los tiempos de encendido y pico de la red; por lo tanto los
apagado de cada uno de los interruptores interruptores del convertidor (usualmente
del VSI (Normalmente es un inversor de IGBT) deben soportar tensiones más
tensión). elevadas que en el caso de los inversores
• En ciertos casos, dependiendo del tipo de aplicados por ejemplo al control de
control utilizado los bloques de control y motores.
15. Filtros Activos
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• 2.4- Obtención de las consignas
• Para poder eliminar/reducir los armónicos,
en primer lugar es necesario separar la
componente fundamental de la señal, de
los armónicos. Este proceso se puede
realizar por diversos procedimientos, y
cada uno de ellos tiene sus ventajas e
inconvenientes.
• Entre los diversos métodos utilizados
cabe mencionar: el filtrado selectivo
(filtro “notch”) de la componente
fundamental de 50/60Hz; la utilización de
la teoría de la potencia instantánea (figura
18); la generación de la componente
fundamental mediante un PLL; la
• descomposición armónica mediante FFT; y
finalmente la mas sencilla de implementar,
la técnica llamada de factor de potencia
unitario (figura 19). También es posible
encontrar soluciones basadas en
16. Filtros Activos
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combinaciones de las anteriores, como por
ejemplo la utilización de un PLL para la
sincronización en la teoría de la potencia
instantánea (figura 14).
• 2.4- Estrategias de Control
• El control de los filtros paralelo
básicamente consta de (figura 12) unos
sensores de corriente que miden las
• corrientes entrantes al filtro; un circuito
de control (habitualmente un PI o P) y un
circuito modulador (normalmente un
PWM).
• Las consignas de este lazo de control, son
los armónicos de corriente separados en
el bloque precedente.
17. Filtros Activos
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• Para que el control del filtro activo sea • sencillez de implementación y mayor
viable, en todo momento la tensión del bus velocidad de respuesta en algunos
del VSI debe ser superior a la tensión de casos, pero cuenta como principal
la red. Para garantizar esta condición, inconveniente que la frecuencia de
esta tensión, se utiliza para modificar conmutación del inversor no es
algún parámetro del control como por
constante.
ejemplo la amplitud de la consigna de
corriente.
• El objetivo final es que a través del filtro
circulen los armónicos no deseados,
almacenando la energía necesaria para que
a lo largo de un periodo, la tensión del
condensador (almacén de energía) no sea
inferior en ningún momento a la tensión
máxima de red. En otros modelos de APF
se utiliza un control de corriente basado
en banda (o bandas) de histéresis; que
presenta como ventajas básicas, la mayor
18. Filtros Activos
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• 3.- Aplicación de los Filtros Activos • 3.2- Perturbaciones de tensión:
• Tal como se ha visto en los apartados • En general para la reducción de
anteriores, existen distintos tipos APF, perturbaciones de tensión es más
distintos tipos de cargas y finalmente adecuada la utilización de un APF serie,
también existen distintos tipos de sin embargo dependiendo del tipo de carga
perturbaciones. Por consiguiente la y de la potencia de la instalación puede
aplicación de los APF requiere en principio ser más adecuada la utilización de un APF
un estudio de cada caso en particular, ya paralelo combinado con un filtro pasivo en
que la utilización de estructuras no serie.
adecuadas puede provocar, que no solo no • Cuando se combinan perturbaciones
se resuelva el problema, sino que este importantes de tensión y corriente en un
empeore o aparezcan otros. mismo punto es conveniente utilizar la
combinación de APF serie y paralelo
• 3.1- Perturbaciones de corriente: (normalmente conocido como UPQC
Unified Power Quality Conditioner), pese
• Para la reducción de armónicos de a ser la solución más cara.
corriente, es más adecuada la utilización
de APF del tipo paralelo, sin
19. Filtros Activos
19
• 4.- Resultados de aplicaciones de APF
• A continuación se presentan varios
ejemplos en los que la aplicación de un
filtro activo paralelo ha permitido reducir
de forma considerable la distorsión
armónica de baja frecuencia en la
corriente de línea.
• Se presentan los resultados de un filtro
activo monofásico (figura 16) y otro
trifásico (figuras 17 y 18) aplicados a las
cargas mas habituales en cada caso.
21. Filtros Activos
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• Finalmente se presenta el resultado de la
aplicación de un filtro híbrido paralelo, en • 5.- Conclusiones
el que no se puede compensar la
componente reactiva (cos φ), en la figura • Muchas de las cargas conectadas a la
19. 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.
33. Filtros Activos
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• 6.- Referencias
• [1] Jordi autonelli “ Eficiencia en el uso de la
energía eléctrica” CIRCUTOR-ESPAÑA, 2011.
• [2] Fang Zheng Peng, “Application Issues of
Active Power
Filters”, IEEE Industry Applications Magazine,
September/October 1998, pp 21-30.
• [3] Hirofumi Akagi, “Trends in active Power Line
Conditioners”, IEEE Transactions on Power
Electronics, Vol. 9 No. 3 May 1994, pp 263-268.
• [4] Bhim Singh, Kamal Al-Haddad, Ambrish
Chandra, “A Review of Active Filters for Power
Quality Improvement”, IEEE Transactions on
Industrial Electronics Vol. 46 No. 5, October
1999, pp. 960-971.
• [5] Fang Zheng Peng “Harmonic Sources and
Filtering
Approaches”, IEEE Industry Applications
Magazine, July/August 2001, pp 18-25.
