Filtro de potencia con topología en estrella de cuatro ramas para la cancelación simultánea de armónicos de corriente de secuencia directa,

inversa y homopolar.

La presente invención consiste en un filtro de potencia en derivación para el acondicionamiento de corriente en redes trifásicas de cuatro hilos. Este filtro presenta una topología en estrella de cuatro ramas, lo que le permite tener dos tipos de frecuencias de resonancia diferentes y simultáneas: unas para componentes de corriente de secuencia directa/inversa y otras para componentes de corriente de secuencia homopolar. Las distintas frecuencias de resonancia pueden ser fijadas en la fase de diseño mediante la correcta selección de los elementos de las células resonantes que constituyen las ramas del filtro. La presente invención puede trabajar como filtro pasivo puro, cuando sólo emplea elementos reactivos, o como filtro híbrido, cuando mejora su comportamiento mediante el uso de un convertidor electrónico de potencia

Filtro de potencia con topología en estrella de cuatro ramas para la cancelación simultánea de armónicos de corriente de secuencia directa, inversa y homopolar.

Ámbito de la invención

La presente invención consiste en un filtro de potencia en derivación para la absorción de armónicos de corriente en redes eléctricas trifásicas cuatro hilos, principalmente en media y baja tensión.

En las redes eléctricas trifásicas de cuatro hilos donde, además de circular corrientes armónicas de secuencia directa/inversa por las fases del sistema, también existen corrientes armónicas de secuencia homopolar afectando al conductor de neutro. La particular topología del filtro de potencia objeto de esta invención da lugar a dos tipos de frecuencias de resonancia diferentes y simultáneas: unas para las componentes de secuencia directa/inversa y otras para las componentes de secuencia homopolar. Ambas frecuencias de resonancia pueden ser fijadas en la fase de diseño mediante la correcta selección del valor de las bobinas y condensadores de las células resonantes del filtro. La presente invención se puede aplicar también en redes trifásicas de tres hilos, sin conductor de neutro, sin embargo en ese caso no reporta ninguna novedad destacable respecto al estado actual de la técnica, y por consiguiente no se realiza ninguna reclamación en ese ámbito.

La presente invención puede trabajar corno filtro pasivo puro, cuando sólo emplea elementos reactivos, o como filtro hibrido, cuando mejora su comportamiento mediante el uso de un convertidor electrónico de potencia.

Estado actual de la técnica

En los últimos años, la creciente generación y circulación de armónicos de corriente por las redes eléctricas, principalmente de baja tensión, se ha convertido en un problema que afecta a la calidad y continuidad del suministro eléctrico y que ha dado lugar a la aparición de normativa reguladora a tal efecto [1]-[3]. Este acuciado crecimiento de los armónicos de corriente se debe principalmente a la proliferación de cargas no lineales, como lámparas de descarga y dispositivos electrónicos alimentados de red, que sobre todo afectan a instalaciones residenciales, comerciales, terciarias e industriales. El problema de los armónicos también afecta a redes de media y alta tensión, debido principalmente a la existencia de cargas singulares como hornos de arco o grandes rectificadores.

Las cargas trifásicas no lineales de tres hilos generan corrientes armónicas de secuencia directa/inversa. Estos armónicos de corriente provocan resonancias, distorsión de las tensiones de fase, sobrecalentamientos, incremento de las pérdidas, disfunciones y envejecimiento prematuro en el equipamiento eléctrico, etc. Las cargas monofásicas no lineales, al estar generalmente conectadas entre fase y neutro, generan además armónicos de secuencia homopolar o de "secuencia cero", típicamente el 3º, 9º y 15º. Cuando los armónicos múltiplos de tres procedentes de varias cargas confluyen en el conductor de neutro, en lugar de anularse, se suman, dando una corriente armónica en neutro tres veces superior a la de las fases.

Las corrientes armónicas de secuencia cero, además de ocasionar los problemas típicos del resto de corrientes armónicas de secuencia directa/inversa, pueden dar lugar a sobrecarga del conductor de neutro, tensiones de modo común neutro-tierra, incremento de la distorsión de las tensiones de fase y del sobrecalentamiento de los transformadores [4].

Entre las técnicas existentes para la cancelación de corrientes armónicas en las redes eléctricas se pueden destacar las siguientes:

Los filtros pasivos trifásicos convencionales, basados en células resonantes LC simples, tienen una frecuencia de resonancia única. Estos filtros están diseñados para absorber corriente predominantemente de esa frecuencia de resonancia. Por tanto, es necesario instalar tantos filtros LC, sintonizados a frecuencias de resonancia diferentes, como armónicos principales se deseen eliminar. Los filtros pasivos LC son de difícil aplicación para la cancelación del 3^er armónico, el más importante de los homopolares, ya que al estar la frecuencia de resonancia de la célula LC tan cerca de la frecuencia fundamental, típicamente 50/60 Hz, la corriente absorbida a dicha frecuencia fundamental los hacen antieconómicos.

Los métodos más habituales para la eliminación de armónicos homopolares de corriente en redes eléctricas son:

Además de estos métodos, que se encuentran bien documentados en la literatura técnica, se han encontrado otras soluciones/patentes dedicadas al filtrado de las corrientes homopolares que circulan por el conductor de neutro, como son:

A diferencia de las soluciones...

1. Filtro pasivo de potencia en derivación con topología en estrella de cuatro ramas que consiste en tres ramas de fase, donde se conectan tres impedancias monofásicas idénticas, y una rama de neutro, donde se conecta una cuarta impedancia monofásica, y que presenta dos tipos de frecuencias de resonancia diferentes y simultáneas: unas frecuencias de resonancia para componentes de secuencia directa/inversa y otras frecuencias de resonancia para componentes de secuencia homopolar.

2. Filtro de potencia según reivindicación 1 caracterizado porque todas las impedancias monofásicas de las ramas del filtro consisten en redes monofásicas LC con una única frecuencia de resonancia, lo que da lugar a un filtro de potencia con una frecuencia de resonancia para las componentes de secuencia directa/inversa y otra para las componentes de secuencia homopolar.

3. Filtro de potencia según reivindicación 2 caracterizado por sustituir las redes LC de las ramas de fase o de la rama de neutro por una reactancia simple que consiste en una bobina o un condensador, lo que da lugar a un filtro de potencia con una frecuencia de resonancia para las componentes de secuencia directa/inversa y otra para las componentes de secuencia homopolar.

4. Filtro de potencia según reivindicación 1 caracterizado porque todas las impedancias monofásicas de las ramas del filtro consisten en reactancias simples, de forma que si se conectan tres condensadores en las ramas de fase, se conectará una bobina en la rama de neutro, y viceversa. En este filtro de potencia presenta una única frecuencia de resonancia para las componentes de secuencia homopolar.

5. Método para mejorar la característica de filtrado de secuencia directa/inversa y homopolar según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por insertar en el filtro de potencia cualquier tipo de convertidor electrónico de potencia de cuatro terminales, que hace que el nudo central de la estrella de cuatro ramas pase a ser activo.

6. Método para mejorar la característica de filtrado de secuencia homopolar según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque inserta en el filtro de potencia cualquier tipo de convertidor electrónico de potencia monofásico en la rama de neutro.