Análisis de Flujos de Potencias Ineficientes Producidos por Convertidores de Potencia

Información Tecnológica Análisis de 93-102 Flujos de Potencias Ineficientes Producidos por Convertidores Vol. 25(3), (2014) Gallego-Gómez doi: 10.4067/S0718-07642014000300012 Análisis de Flujos de Potencias Ineficientes Producidos por Convertidores de Potencia Juan D. Gallego-Gómez, Juan B. Cano-Quintero, y Nicolás Muñoz-Galeano Universidad de Antioquia, Fac. de Ingeniería, Depto Ing. Eléctrica, Grupo de Manejo Eficiente de la Energía – GIMEL, Calle 67 No. 53-108, Oficina 19-437, Medellín-Colombia (e-mail: , , ) Recibido Nov. 5, 2013; Aceptado Ene. 2, 2014; Versión final recibida Ene. 20, 2014 Resumen Este artículo presenta un análisis de los flujos de potencia ineficientes provocados por los convertidores de potencia. En base a la teoría de la potencia del estándar IEEE 1459 (2010) y partiendo de la potencia causada por las corrientes armónicas (DeI), se proponen las potencias DeI_low y DeI_high para cuantificar los flujos de potencia ineficiente provocados por los convertidores de potencia. La potencia DeI_low se debe a la existencia de componentes armónicas de corriente de baja frecuencia, mientras que la potencia DeI_high depende del número de pulsos utilizados en la modulación. Se presenta un análisis del intercambio de potencia entre el convertidor, la carga, y los semiconductores. También se incluyen resultados de simulación para un convertidor monofásico controlado mediante la modulación de ancho de pulso senoidal (SPWM, Sinusoidal Pulse Width Modulation) teniendo en cuenta la caída de tensión en los semiconductores de los interruptores de potencia y variando el número de pulsos de la modulación. Palabras clave: ancho de pulso senoidal, SPWM, convertidores de potencia, flujos de potencia Analysis of Inefficient Power Flows Produced by Power Converters Abstract This paper presents an analysis of inefficient power flows caused by power converters. Based on the power theory of the IEEE standard 1459 (2010) and starting from the power caused by harmonic currents (DeI), the power DeI_low and DeI_high are proposed for quantifying the inefficient power flows caused by power converters. The power DeI_low is because the existence of low-frequency harmonic currents, while the power DeI_high depends on the number of pulses used in the modulation. An exchange power analysis between the converter, the load, and the semiconductors is presented. There are also included simulation results for a single-phase converter controlled by a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) taking into account the voltage drop in the semiconductors of power switches and changing the number of pulses in the modulation. Keywords: sinusoidal pulse width, SPWM, power converters, power flows Información Tecnológica Vol. 25 Nº 3 – 2014 93 Análisis de Flujos de Potencias Ineficientes Producidos por Convertidores Gallego-Gómez INTRODUCCIÓN Los convertidores de potencia sirven para transformar el voltaje, la frecuencia, la potencia, y el número de fases de acuerdo a los requerimientos de las cargas eléctricas. Los convertidores están compuestos por interruptores de potencia controlados mediante técnicas de modulación. Las técnicas de modulación más usadas son la modulación senoidal de ancho de pulso (Senoidal Pulse Width Modulation, SPWM) y la modulación de espacio vectorial (Space Vector Modulation, SVM) Rus et al. (2010), aunque existen múltiples modulaciones derivadas de las modulaciones SPWM y SVM. Las principales aplicaciones de los convertidores de potencia son: variadores de frecuencia Kojabadi (2011), compensadores activos Orts et al. (2010), sistemas de alimentación ininterrumpida Komurcugil (2012), convertidores de una fase a tres fases Kim et al. (2002) y Jacobina et al. (2010), entre otras. Las señales de salida de un convertidor deben satisfacer sus requisitos de diseño. En el caso de los variadores de velocidad, deben de entregar una tensión senoidal con bajo contenido de armónicos Kojabadi (2011). En el caso de los compensadores activos, deben entregar las corrientes ineficientes (corrientes reactivas, armónicas, y de desequilibrio) que demandan las cargas eléctricas Orts et al. (2010). En cualquier caso, los convertidores no deben generar nuevas componentes de corriente o voltaje armónico. Debido al carácter discreto de la conmutación de los interruptores, los convertidores siempre inyectan a la carga o a la red de suministro armónicos de corriente, unos en mayor medida que otros dependiendo de la estrategia de modulación y de los filtros que tenga en su salida. Tal inyección de corriente causa flujos de potencia ineficiente entre el convertidor, las cargas, y la red de suministro. El análisis de los flujos de potencia ineficientes producidos por el convertidor es el tema de trabajo en este artículo. Los flujos de potencia en los sistemas eléctricos se pueden estudiar mediante el uso de la teoría de la potencia instantánea Muñoz et al. (2011) y Seguí et al. (2007), mediante esta teoría se puede determinar si las potencias de los sistemas eléctricos son eficientes o ineficientes. Además, los flujos de potencia se pueden cuantificar usando el estándar IEEE 1459 (2010). El estándar IEEE 1459 (2010) es la última teoría de potencia eléctrica reconocida e incluye una descomposición de las magnitudes de potencia presentes en los sistemas eléctricos. En este artículo, se explican los flujos de potencia de los convertidores enfatizando en el flujo provocado por las corrientes armónicas (𝐷𝑒𝐼 ). Basados en el estándar IEEE 1459 (2010) se propone a 𝐷𝑒𝐼_𝑙𝑜𝑤 y 𝐷𝑒𝐼_ℎ𝑖𝑔ℎ como términos de potencia para cuantificar los flujos causados por las corrientes armónicas generadas por el convertidor. Hasta el momento no existe en la literatura técnica ningún artículo que diferencie las causas de los flujos de potencia en los convertidores de potencia. Lo que usualmente hacen es determinar de forma global la distorsión armónica de corriente. En este artículo se diferencian los flujos de potencia del convertidor, se cuantifican y se establecen sus causas. Los convertidores pueden ser monofásicos o trifásicos según la aplicación. En este artículo se utiliza el convertidor monofásico para facilitar la explicación, un análisis similar puede hacerse para convertidores trifásicos. El artículo se divide en las siguientes secciones. La sección 1 resume los términos de potencia del estándar IEEE 1459 (2010) para sistemas monofásicos, también incluye la descomposición de potencia propuesta para cuantificar los flujos de potencia provocados por el convertidor. La sección 2 presenta las generalidades de los convertidores de potencia y la modulación SPWM. La sección 3 incluye el análisis de los flujos de potencia ineficientes causados por las caídas de tensión en los semiconductores del convertidor. La sección 4 recoge los resultados de simulación. Y finalmente la sección 5 presenta las conclusiones. CUANTIFICACIÓN DE LAS POTENCIAS DEL ESTANDAR IEEE 1459 El estándar IEEE 1459 (2010) es la norma en la que se encuent (...truncated)