Análisis de la factibilidad técnica de la conexión de un filtro pasivo en un devanado adicional de un equipo transformador-rectificador de alta corriente para la mitigación de armónicas

Abstract

En esta memoria se analizó desde el punto de vista técnico la factibilidad de la conexión de filtros armónicos pasivos directamente en un devanado adicional del transformador de un rectificador ANSI 46, conformando una configuración alternativa para el suministro de corriente continua sin que las armónicas de corriente provenientes de los devanados secundarios sean transferidas hacia el primario del transformador. La entrega de potencia en los procesos industriales que requieren altos niveles de corriente continua se realiza en la actualidad generalmente a través de convertidores estáticos a base de semiconductores de potencia. Entre ellos, las configuraciones doble estrella con reactor de interfase como la conexión ANSI 46, son ampliamente ocupadas debido a que presentan una menor corriente efectiva por tiristor para una misma corriente de carga respecto de otras configuraciones con el mismo número de pulsos, como las conexiones puente y hexafásica. No obstante, debido a la utilización de componentes no lineales la operación de los convertidores genera armónicas, por lo que suelen conectarse filtros armónicos para mitigarlas de modo de disminuir su flujo hacia el sistema. Sin embargo las armónicas igualmente circulan por el transformador del rectificador causando problemas armónicos, lo que ha conducido al planteamiento de conexiones alternativas que buscan evitarlo. Para desarrollar la configuración propuesta se realizó una revisión bibliográfica del funcionamiento teórico de la conexión ANSI 46 tradicional, deduciendo las ecuaciones que gobiernan su comportamiento. Resultó evidente la generación de armónicas por lo que se consultaron los límites admisibles en la norma pertinente, así como el diseño de filtros armónicos pasivos para su mitigación. Por último se revisó la obtención del circuito equivalente de un transformador a partir de sus dimensiones constructivas para el diseño del transformador de cuatro devanados requerido. A modo de verificar el funcionamiento de la conexión tradicional se simuló en PLECS una planta conformada por una carga de electrowinning alimentada mediante un rectificador ANSI 46. Un análisis armónico reveló que la tensión y la corriente en el PCC excedieron los límites permitidos por la norma por lo que se diseñó un banco de filtros armónicos pasivos, optando por filtros sintonizados para las primeras armónicas y un filtro pasa altos para las de mayor orden. En consecuencia se diseñaron un filtro de doble ajuste sintonizado a las quinta y séptima armónicas, y uno de tipo C, a la undécima. Por medio de una nueva simulación se corroboró que la conexión de los filtros redujo la inyección de corrientes armónicas por las líneas hacia el sistema hasta niveles admisibles. Tras establecer el comportamiento tradicional, se procedió al desarrollo de la conexión propuesta. El transformador de cuatro devanados se diseñó seleccionando el valor de inductancia deseado calculado a partir de las dimensiones físicas del equipo cumpliendo con los requerimientos de tensión y corriente. No obstante, dada la interdependencia de sus parámetros, éste se realizó en conjunto con el rediseño de los filtros pasivos. Después su funcionamiento se simuló en PLECS. Se realizaron tres iteraciones de este proceso hasta obtener corriente de diseño por los devanados del transformador a la vez que niveles armónicos en el PCC dentro del rango admisible, que acabaron con un devanado primario de menor corriente en el transformador y un banco de filtros de menor potencia. El diseño final del transformador se validó simulando los ensayos de cortocircuito en FEMM, donde las inductancias obtenidas resultaron casi idénticas a las teóricas. Finalmente se comparó la operación de la planta alimentada mediante ambas conexiones. Se observó que la conexión propuesta mitigó las armónicas en forma similar a la conexión tradicional utilizando filtros más pequeños, además de reducir las corrientes por el devanado primario del transformador, y por los filtros. Por ello se concluyó que conectar los filtros directamente en un devanado adicional del transformador del rectificador constituye una alternativa técnicamente factible que no sólo logra disminuir las armónicas que circulan por el devanado primario del transformador al filtrarlas directamente, sino que además mejora la eficacia del filtrado por lo que permite disminuir la potencia de los filtros, y con ello la corriente por los equipos.