Corrientes de fuga en accionamientos eléctricos: causas y soluciones

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1 Corrientes de fuga en accionamientos eléctricos: causas y soluciones González Diez, D., Català i López, J. Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d Enginyeria Electrònica Campus de Terrassa dgonzalez@eel.upc.es ; catala@eel.upc.es Resumen En este artículo se trata el problema de las corrientes de fuga en modo común en accionamientos eléctricos industriales. Concretamente se estudia el caso del accionamiento de una máquina de induccción mediante un inversor trifásico. Sobre este sistema se identifican las causas de estas corrientes y se presentan resultados experimentales del efecto de una técnica de modulación orientada a la reducción de la corriente en modo común. También se considera el efecto de diferentes configuraciones del conexionado de tierra. 1. Introducción Las prestaciones en cuanto a robustez, fiabilidad, precio y flexibilidad que ofrece el accionamiento de la máquina de inducción mediante un ondulador trifásico ha hecho que sea una de las soluciones favoritas a la hora de resolver el problema de un accionamiento en la industria. Los avances de los últimos años en cuanto a los dispositivos de potencia utilizados (IGBT, MOSFET, MCT) y en la potencia de cálculo disponible han permitido aumentar la frecuencia de conmutación empleada. Esto tiene efectos positivos en cuanto a las prestaciones del accionamiento (mejora del rendimiento energético, menores rizados de corriente,...). Sin embargo, este tipo de accionamiento, cuyo esquema se presenta en la Figura 1, también produce efectos indeseados sobre la máquina. Entre ellos cabe destacar los siguientes: - Deterioro prematuro de los barnices aislantes. - Deterioro prematuro de los rodamientos - Disparo espúreo de los interruptores diferenciales En muchas ocasiones estos efectos obligan a aumentar la frecuencia de las intervenciones de mantenimiento sobre la máquina, reduciendo el tiempo de operación efectivo del accionamiento. El origen de todos estos efectos se encuentra en la propia filosofía de funcionamiento del ondulador. Se alimenta la máquina con una onda de tensión cuadrada en la que se modula el ancho de cada pulso. Además los flancos de tensión (dv/dt) a los que se somete la máquina pueden llegar a ser de decenas de kv/ µs. Estos fuertes gradientes de tensión son los que excitan las capacidades parásitas de las partes activas del sistema contra el retorno, dando lugar a la circulación de corrientes de fuga. Por otra parte, también son responsables del deterioro prematuro de los barnices aislantes de los devanados de la máquina. Algunos ensayos recientes demuestran que afectan de forma significativa a la longevidad del aislante si su valor supera 1-5kV/ µs. En cuanto a las soluciones al problema caben varias posibilidades: se puede reducir la fuente de perturbación o se puede actuar sobre el medio de propagación. Actuar sobre la fuente de perturbación significa hacerlo sobre el inversor, mientras que actuar sobre el medio de propagación se traduce en hacerlo sobre el motor. En cuanto al inversor se han propuesto modificaciones de la configuración clásica del mismo [1] [2] o el empleo de técnicas de modulación orientadas a la reducción de las corrientes en modo común [][4]. En lo referente a la máquina, existen varias alternativas: se pueden utilizar cojinetes cerámicos, grasas conductoras o trenzas de descarga en los mismos. Para ayudar a comprender este tipo de efectos mostraremos el valor de un par de magnitudes que son significativas. La primera es la impedancia en modo común de un motor de inducción y la segunda es la tensión entre el punto medio del DC bus (M) y el neutro del sistema trifásico de salida del ondulador (n). Estas magnitudes se muestran en las Figuras 2 y respectivamente. Impedancia [dbohm] Fig. 2 Impedancia en modo común de un motor de inducción

2 1 > De la observación de las anteriore Figuras se desprende que si se desea minimizar la corriente en M1, para reducir el riesgo de disparo fortuito de interruptores diferenciales, la configuración B es mejor que la A. Sin embargo, si se desea minimizar la corriente en M2 para reducir el riesgo de daño en la máquina, la configuración A es mejor que la B, situación inversa a la anterior. No obstante desde este punto de medida puede observarse que la configuración C es ligeramente mejor que la configuración A para frecuencias muy determinadas. 1) CH1: Volt 0 us Fig. Tensión V Mn para la modulación vectorial clásica En este artículo se presentan los resultados de dos tipos de actuaciones: - el efecto sobre la corriente de fuga de diferentes configuraciones de conexionado a tierra del accionamiento. Esto representa un cambio en el medio de propagación - el efecto de una nueva modulación orientada a la reducción de la corriente de fuga. Esto representa un cambio en la fuente de perturbación. 2. Efectos sobre la corriente de fuga de diferentes conexionados a tierra En este apartado se ha estudiado la influencia de diferentes configuraciones de puestas a tierra del accionamiento sobre la circulación de corrientes de fuga. En la Tabla 1 se muestran todas las posibles configuraciones del accionamiento mostrado en la Figura 1 en cuanto a su conexión a tierra que cumplen con el reglamento de seguridad. En todos los casos se utilizó la modulación vectorial clásica. Como medidas significativas se han tomado las corrientes circulantes en los puntos M1 y M2 de la Figura 1. Conexión Configuración S1 S2 S A On On Off B Off On On C On Off On D On On On Tabla 1. Configuración de experimentos Las razones de esta elección son las siguientes: la corriente en M1 será la que fugue hacia la red y será la responsable de disparos espurios de interruptores diferenciales, mientras que la corriente en M2 es la que se cierra a través del motor. Los resultados en M1 se muestran en las Figuras 4, 5 y 6 y los de M2 en las Figuras 7, 8 y 9. Al realizar la comparación entre los diferentes resultados se observa que ninguna de las configuraciones ofrece un nivel mínimo de corriente en ambos puntos de medida para todo el rango de frecuencias. Además se observan mayores diferencias en M1 que en M2. Efectos de la modulación RMC La modulación para la reducción de la corriente en modo común (modulación RMC) se diferencia de la modulación vectorial clásica (modulación MVC) en que no se usan estados adyacentes ni estados nulos (E0 y E7). La obtención de un vector con esta modulación se ilustra en la Figura 10 γ Vref T1' T1 E5 T E E T' E Fig. 10 Modulación RMC De esta forma, un periodo de la tensión de salida queda dividida en 12 sectores. La tensión V Mn producida por esta tensión aparece en la Figura 11 1 > 1) CH1: Volt 0 us Fig. 11 Tensión V Mn para la modulación RMC Este resultado debe compararse con el mostrado en la Figura 2. Debe observarse que la amplitud de la señal en el caso de la modulación RMC es 1/ de la obtenida con la MVC. Además el número de pulsos por ciclo es mucho menor. Como consecuencia de ello, cabe esperar una reducción significativa en la corriente en modo común. En la Figura 12 aparece la comparación en el dominio frecuencial entre estas corrientes para ambas modulaciones.

3 Figura 2. Medida sobre M1 Configuraciones B y A Conf C Figura. Medida sobre M1 Configuraciones B y C Conf D Figura 4. Medida sobre M1 Configuraciones B y D

4 Figura 5. Medida sobre M2 Configuraciones A y B Conf C Figura 6. Medida sobre M2 Configuraciones A y C Conf D Figura 7. Medida sobre M2 Configuraciones A y D

5 RED V AC L1 L2 L Ctrl. Inversor PC/DSP M PE M2 M1 S1 S S2 Pinza Amp. RF (0.01-MHz) Analizador de Espectros (9kHz-1.8GHz) Pinza Amp. RF (0.01-MHz) Fig. 1 Accionamiento de una máquina de inducción trifásica con diferentes configuraciones de conexión a tierra Fig. 12 Corriente en MC para la modulación RMC (izquierda) y MVC (derecha) 4. Conclusiones Con las medidas realizadas se ha puesto de manifiesto que diferentes configuraciones equivalentes desde el punto de vista de seguridad no lo son para EMC. De hecho, se pueden apreciar diferencias en algunos rangos de frecuencia. Aunque los resultados obtenidos son difícilmente generalizables, puesto que las corrientes en MC circulantes son fuertemente dependientes de la configuración física del sistema, los resultados obtenidos dan idea del orden de magnitud de los cambios en función de la configuración empleada. En cuanto a la modulación RMC se puede afirmar que es un método efectivo de reducción de la corriente en modo común para frecuencias inferiores a los 1kHz. Sin embargo, presenta un inconveniente que limita su aplicación práctica: su reducido valor del índice de modulación de amplitud. Referencias Transactions on Industrial Applications. Vol.1, No.6. Noviembre/Diciembre 1995 [2] Julian, A.L., Lipo, T.A., Oriti, G., Elimination of Common Mode Voltage in Three Phase Sinusoidal Power Converter. Power Electronics Specialist Conference, Pag [] Cacciato, M., Consoli, A., Scarcella, G., Testa, A., Reduction of Common Mode Currents in PWM Inverter Motor Drives. IEEE Transactions on Industry Applications, vol.5,no.2, Marzo/Abril 1999 [4] D. Gonzalez, J. Llaquet, A. Arias, D. Bedford, J.L. Romeral, J. Balcells. Improvement possibilities of PWM voltage inverter EMI effects using different modulation methods EPE-99 [1] Zhong, E., Lipo, T. A., Improvements in EMC performance of inverter-fed motor drive. IEEE