Principio de funcionamiento del filtro activo de armónicos: Detección de la corriente de la fuente
El principio de funcionamiento del filtro activo de armónicos utiliza un lazo de control cerrado: mide la corriente de carga distorsionada, calcula los componentes no deseados seleccionados, ordena a un convertidor de potencia e inyecta corriente de compensación en paralelo en un bus definido. En ese límite, la corriente de carga y la corriente del filtro determinan la corriente de la fuente, vinculando la detección, la generación de referencia, el seguimiento de corriente y la inyección en derivación en una cadena de operación.
Lo que cambia un filtro activo de armónicos en derivación en el sistema de potencia
Un filtro activo de armónicos en derivación suministra corriente de compensación en paralelo con la carga, reduciendo la cantidad de la corriente no deseada seleccionada que debe viajar a través del lado de la fuente del bus elegido.
Una carga no lineal no consume corriente en proporción directa a una tensión de alimentación sinusoidal. El rectificador de entrada en un variador de frecuencia (VFD), por ejemplo, puede consumir corriente en pulsos, por lo que la forma de onda de la corriente de carga contiene una componente fundamental más componentes armónicos.
La corriente armónica es la porción asociada con los componentes de forma de onda superiores a la fundamental. El filtro activo en paralelo suministra una contraparte controlada de los componentes seleccionados en lugar de pedir a la fuente aguas arriba que los suministre todos.
El filtro activo de potencia paralelo (AHF) es una fuente de corriente controlada conectada junto a dicha carga. No transporta toda la corriente de carga en serie; añade otra trayectoria de corriente en el bus compensado.
Un filtro activo de potencia, o APF, utiliza electrónica de potencia controlada en lugar de una red pasiva fija; este artículo se centra en la forma de corriente en derivación.
Elija el convenio de signos antes de leer la corriente actual. Defina la corriente de la fuente y la corriente del filtro como entrantes al bus compensado, con la corriente de carga saliendo hacia la carga.
i_source + i_filter = i_load
De manera equivalente, i_source = i_load - i_filter. Para un componente de carga específico, esta convención de referencia de rama asigna al componente de filtro el mismo signo algebraico que al componente de carga; la resta representa que el filtro suministra ese componente localmente.
Considere varios rectificadores de VFD conectados a una barra de planta. Los variadores continúan absorbiendo la corriente que sus procesos demandan, mientras que el AHF suministra localmente componentes seleccionados de corrientes armónicas y reactivas; los conductores de la línea superior transportan entonces la suma restante en dicha barra.
| Cantidad o puesto funcional | Lo que representa | Por qué debe seguir siendo distinto |
|---|---|---|
| Corriente de carga medida | La señal actual observada por el sensor en un límite definido | Es una entrada al controlador, no la corrección en sí |
| Referencia de corriente de compensación | El objetivo variable en el tiempo del controlador | Indica lo que el conversor debe producir a continuación |
| Regulación del bus de CC | El trabajo de mantener el estado de energía de CC utilizable del convertidor | Admite la síntesis de corriente, pero no es la corriente de CA inyectada |
| Corriente actual del filtro | La corriente producida por el convertidor de conmutación | Debe seguir la referencia lo suficientemente de cerca como para afectar al autobús |
| Corriente de origen resultante | La suma observada en el lado de la oferta del límite elegido | Aquí es donde se evalúa el objetivo de compensación |
La medición, el comando, la corriente del convertidor y la corriente de la fuente siguen siendo cantidades separadas durante todo el principio de funcionamiento del AHF.
Leído como un diagrama de filtro activo de armónicos, la secuencia va desde la señal de corriente de carga medida hasta la referencia del controlador, la corriente real del filtro y la corriente de la fuente resultante.
Paso 1: El TC captura la señal de corriente de carga
El transformador de corriente proporciona al controlador una representación de la corriente en un límite eléctrico definido; el TC en sí no elimina los armónicos ni inyecta corriente correctora.
La ubicación del transformador de corriente determina lo que el controlador puede ver. Un CT de alimentador y un CT de barra principal representan diferentes límites de compensación incluso cuando el hardware del sensor es idéntico.
La correspondencia de polaridad y fase preserva la dirección de señal deseada. La guía de ubicación y cableado de TC para filtros armónicos activos conecta esas decisiones con la evidencia de relación (ratio), enrutamiento y puesta en marcha en el diagrama unifilar.
Para un recién llegado que lee un diagrama de bloques de un fabricante, la distinción clara es simple: la flecha del TC al controlador es información. La ruta de corriente fuerte del convertidor al bus es la acción de compensación.
Paso 2: El controlador genera una referencia de corriente de compensación
El controlador procesa las magnitudes eléctricas medidas y genera una referencia de corriente de compensación: la forma de onda objetivo que la etapa de potencia debe suministrar a continuación.
En términos de hardware, un procesador de señales digitales u otro controlador en tiempo real convierte la entrada del sensor en una corriente de referencia. Dicha referencia es un comando, y aún no es la corriente física que circula por la rama del filtro.
Ese trabajo es más preciso que “detectar armónicos”. El controlador debe distinguir los componentes de corriente vinculados a su objetivo configurado, formar una referencia con el signo requerido y seguir actualizando el comando a medida que cambia la carga.
Diferentes diseños pueden utilizar métodos de marco de referencia síncrono, métodos p-q instantáneos, análisis espectral u otra arquitectura de control. Esos nombres de algoritmos describen formas de calcular el objetivo; no cambian la secuencia funcional común de medición, generación de referencia y seguimiento de corriente.
Un ingeniero que compara un diagrama de bloques etiquetado dq0 con otra etiquetada p-q Por lo tanto, se deben hacer dos preguntas separadas: ¿Qué objetivo actual se está calculando y cómo sigue el convertidor esa referencia bajo las condiciones previstas de carga y alimentación?
La estimación de la señal de compensación, la regulación del bus de CC y el control de la corriente del convertidor son tareas relacionadas pero distintas. Juntas forman el principio de funcionamiento del filtro activo de potencia, incluso cuando el algoritmo interno y la implementación de hardware difieren.
Paso 3: El bus de CC y el convertidor IGBT producen la corriente de filtro
El control del bus de CC admite un convertidor de conmutación que convierte la referencia digital en corriente de filtro de CA real en el bus compensado.
El bus de CC es el búfer de energía interno regulado del convertidor. Proporciona a la etapa de potencia el margen eléctrico necesario para dar forma a la corriente, mientras que una función de control independiente mantiene el voltaje del enlace de CC cerca de su objetivo de funcionamiento.
El inversor IGBT no es simplemente un interruptor electrónico de encendido/apagado para el armario. Sus ramas semiconductoras conmutan bajo control de corriente para que la salida del convertidor siga la orden cambiante de corriente de compensación.
Esta es también la razón por la cual decir que un FPA “almacena armónicos” da una idea mental incorrecta. El controlador estima una corriente deseada y el convertidor intercambia continuamente energía eléctrica con el sistema de CA mientras sintetiza dicha corriente; no hay ningún almacén de formas de onda armónicas capturadas esperando a ser vaciado.
El seguimiento actual cierra el bucle entre el comando y la acción. El controlador observa la respuesta eléctrica, ajusta la conmutación del convertidor y actualiza el comando a medida que cambia la carga no lineal, de modo que la corriente real del filtro sigue la referencia en lugar de permanecer como una forma de onda fija.
Paso 4: Filtrar la corriente de carga y la corriente de carga añadida en la barra seleccionada
Con todas las flechas de rama dirigidas como se define anteriormente, la cancelación se produce mediante la suma de corrientes en la barra seleccionada: el filtro reproduce los componentes de la corriente de carga seleccionados con el mismo signo algebraico, por lo que restar la corriente del filtro reduce su contribución a la corriente de la fuente.
Supongည် Supón que la corriente de carga contiene una componente fundamental más varias componentes armónicas. La fuente aún suministra la potencia fundamental demandada por el proceso, pero la rama del filtro puede transportar una contraparte controlada de las componentes no deseadas seleccionadas.
La conocida frase “igual y opuesta” asume que las corrientes de carga y del filtro se representan utilizando una dirección de referencia global común. Bajo la convención de referencia de rama utilizada aquí, los dos valores de los componentes tienen el mismo signo algebraico porque las flechas de las ramas de carga y del filtro apuntan en direcciones opuestas en relación con el bus.
El punto de acoplamiento común, o PCC, es el límite eléctrico acordado donde el equipo evalúa la relación entre las corrientes de la fuente, de la carga y del filtro. En un lenguaje sencillo, es el barraje donde surge la pregunta: ¿qué corriente ve ahora el suministro?
El balance actual también responde a una pregunta común de la comunidad sobre a dónde van los armónicos. El filtro no mueve un paquete almacenado de distorsión a otro lugar; produce una corriente controlada cuyos componentes seleccionados reducen los componentes correspondientes en la suma del lado de la fuente.
Cuando cambia la carga, la forma de onda medida cambia, la referencia se recalcula y la salida del convertidor le sigue. La actualización dinámica es la diferencia definitoria entre una fuente de corriente activa controlada y una red sintonizada fija.
Por qué la cancelación activa es diferente del filtrado pasivo
Los filtros de armónicos activos y pasivos actúan a través de diferentes mecanismos físicos: un filtro activo mide y genera corriente variable, mientras que un filtro pasivo utiliza inductores, condensadores y resistencia para crear rutas de impedancia dependientes de la frecuencia.
Esa distinción resuelve la conocida pregunta: “¿Son los filtros armónicos también bancos de condensadores?”Un banco de condensadores puede suministrar potencia reactiva, y un filtro pasivo sintonizado puede incluir condensadores, pero ninguno se convierte automáticamente en el convertidor controlado descrito anteriormente.
| Punto de comparación | Filtro activo de armónicos en derivación | Filtro armónico pasivo sintonizado |
|---|---|---|
| Conexión y acción | Se conecta en paralelo e inyecta la corriente comandada | Proporciona una ruta de impedancia dependiente de la frecuencia a través de componentes pasivos |
| Respuesta a una carga cambiante | Recalcula y rastrea una referencia de corriente cambiante | Su sintonización se establece mediante los valores de los componentes y la interacción del sistema. |
| Cantidad controlada principal | La corriente del convertidor sigue una referencia calculada | La impedancia de la red da forma al trayecto de las frecuencias seleccionadas |
| Dependencia de diseño principal | Límite de medición, objetivo del controlador, capacidad de corriente, dinámica del convertidor e integración | Frecuencia de sintonización, valores de los componentes, impedancia de red, resonancia y condiciones de conmutación |
El equipo activo y pasivo también se puede coordinar en una sola instalación porque cada uno actúa a través de un mecanismo eléctrico diferente.
Para una decisión de selección completa (incluyendo sintonización, resonancia, comportamiento ante carga variable y compensaciones de instalación), utilice filtro activo de armónicos versus filtro pasivo de armónicos.
Lo que “igual y opuesto” no garantiza
“Igual y opuesta” describe la relación de los componentes físicos cuando ambas corrientes comparten una dirección de referencia global; no es la regla algebraica para las flechas de rama utilizadas anteriormente. La distorsión residual sigue dependiendo de la detección, la corriente de compensación disponible, la respuesta del controlador, las condiciones de la red y el estado de la carga.
Una lectura de contador cambia con el punto de medición y el estado operativo. Por lo tanto, un resultado en un panel no puede resolver un PCC diferente o una condición de carga diferente.
Importante: Una lectura menor de corriente armónica en un panel no es prueba de que la ubicación de los transformadores de corriente (TC), la capacidad del filtro o un objetivo de aceptación en el PCC se hayan resuelto; vincule el resultado al límite de medición definido, al estado operativo representativo, a la corriente de compensación disponible y al método de aceptación acordado.
La distorsión armónica total, o THD, es un resumen útil del contenido armónico de la forma de onda. No es una respuesta independiente sobre dónde pertenece el transformador de corriente, qué corriente nominal se requiere o si se ha cumplido un límite contractual.
Utiliza el Guía de instalación y cableado de TC para definir el límite de medición/control antes de tratar una lectura como representativa. Una vez fijado ese límite, el Guía de cálculo de dimensionamiento de APF convierte la demanda medida en insumos de capacidad, y el Guía de selección de AHF aplica esas entradas a los equipos y criterios de aceptación.
Un modelo de bucle de control correcto no proporciona los datos del sitio necesarios para la selección de equipos. Los registros representativos, un diagrama unifilar, las restricciones de instalación y un punto de aceptación definido completan esa siguiente decisión.
Cómo la familia de productos CNBYG AHF/APF implementa la cadena
La familia de productos CNBYG AHF/APF sigue la misma cadena funcional descrita anteriormente: detección mediante TC externo, extracción digital de las componentes de corriente objetivo y generación e inyección de corriente de compensación basada en IGBT.
El familia de productos CNBYG AHF/APF presenta formas de montaje en pared y en rack. A través de dichas formas, la entrada de TC externa alimenta el procesamiento digital, el cual comanda la corriente del inversor inyectada en el bus.
Antes de comparar una serie o clasificación CNBYG, defina el límite eléctrico, el perfil representativo de corriente armónica, la tensión y configuración del sistema, los estados de carga, los equipos de compensación existentes, las condiciones de instalación y el objetivo de aceptación.
El Sistema de Calidad de Energía el concentrador organiza la medición y el contexto del sistema utilizado antes de elegir el equipo. Las guías de CT, dimensionamiento y selección proporcionan el siguiente nivel de detalle una vez que ese registro está completo.
Preguntas frecuentes
¿Cómo funciona un filtro activo de armónicos paso a paso?
Mide la corriente en un límite definido, procesa la señal para convertirla en una referencia de corriente de compensación, utiliza un convertidor controlado para producir la corriente de filtro, inyecta dicha corriente en paralelo y actualiza el comando a medida que cambia la carga. Con las corrientes de la fuente y del filtro definidas hacia el barraje, la fuente suministra la corriente de carga menos la contribución del filtro.
¿Cuál es la diferencia entre un filtro armónico pasivo y uno activo?
Un filtro pasivo utiliza inductores, condensadores y resistencias sintonizados para dar forma a la impedancia de la red a frecuencias seleccionadas. Un filtro activo mide el estado eléctrico y ordena a un convertidor de potencia que genere una corriente de compensación variable.
¿Por qué se llama a la corriente de compensación igual y opuesta?
La frase utiliza una referencia global común, bajo la cual el componente de filtro físico es opuesto al componente de carga objetivo. Con las flechas de rama utilizadas en este artículo, el componente de filtro es una copia del mismo signo del componente de carga objetivo, y i_source = i_load - i_filter lo resta de la corriente de origen.
¿Elimina un FHA todos los armónicos?
Ningún resultado universal se deriva únicamente del principio. La corriente residual depende del límite de medición, los componentes seleccionados, la capacidad de corriente disponible, la respuesta del controlador y del convertidor, el estado de la carga y la integración del sistema.
¿Dónde se conecta un filtro activo de armónicos?
El AHF de derivación común se conecta en paralelo con la carga o el bus para poder inyectar corriente. El punto exacto de conexión y la ubicación del transformador de corriente (TC) deben coincidir con el límite de compensación previsto y el diseño aprobado del proyecto.
¿Cuáles son los cuatro tipos de filtros activos?
Una taxonomía de alto nivel común es el acondicionador de calidad de energía en paralelo, serie, híbrido y unificado. Los filtros en paralelo inyectan principalmente corriente; los filtros en serie inyectan voltaje, las disposiciones híbridas combinan funciones activas y pasivas, y un UPQC coordina las funciones en serie y en paralelo.
¿Puede un FPA también corregir el factor de potencia?
Algunos productos de filtros activos pueden incluir compensación de corriente reactiva o corrección del factor de potencia como una función configurada. Si esa función está disponible y cómo se comparte la capacidad debe confirmarse para el producto y la aplicación seleccionados.
¿Cómo se dimensiona un AHF y cuánto cuesta?
El dimensionamiento comienza con la demanda representativa medida de corriente armónica en el límite previsto, y luego considera la tensión, el estado de carga, la topología, la instalación, las condiciones térmicas y el objetivo de aceptación. El costo depende de la capacidad del equipo requerido y de la integración del proyecto en lugar del diagrama de principio de funcionamiento por sí solo; utilice las guías vinculadas de dimensionamiento y selección para esa decisión.