REDUCCIÓN DE IEM EN CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA

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1 REDUCCIÓN DE IEM EN CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Fredy Edimer Hoyos Velasco Universidad Nacional de Colombia sede Manizales Estudiante de Doctorado en Ingeniería - Línea Automática Telephone: (057-6) Ext fehoyosv@unal.edu.co Eduardo Antonio Cano Plata Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia sede Manizales Telephone: (057-6) Ext eacanopl@unal.edu.co Camilo Younes Velosa Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia sede Manizales Telephone: (057-6) Ext eacanopl@unal.edu.co Abstract Se presentan los resultados obtenidos en cuanto a la aplicación de algunas técnicas para reducción de IEM en fuentes conmutadas tipo convertidores electrónicos de potencia. Entre las técnicas aplicadas están realizar un adecuado apantallamiento de las señales de control y de potencia, separar las referencias del sistema de potencia de las señales y medidas, implementación de filtros análogos y se configuró un adecuado driver de tal forma que se disminuyeran al máximo la posibilidad de cortocircuitos en la conmutación. Se muestran los resultados antes y después de aplicar las técnicas y se comprobaron los resultados obtenidos ejecutando una técnica de control en tiempo real implementada en una RSP. I. INTRODUCTION Debido al constante aumento de cargas electrónicas el problema de interferencias electromagnéticas (IEM) ha adquirido importancia y la situación se ha visto agravada al crecer la densidad de integración de los circuitos integrados [1]. Con los avance agigantados en la electrónica digital y de potencia cada ves mas rápido se pueden realizar procesos. Recientes estudios [2], [3], [4], [5] han demostrado que la rápida conmutación de convertidores es la responsable de la de la mayoría de emisiones conducidas. Los convertidores electrónicos trabajan en régimen transitorio, conmutando corrientes entre diversas ramas del circuito y dando lugar a generación de armónicos, sobretensiones locales, picos dυ de corriente, altos y di que, como consecuencia, generan interferencias (IEM) que afectan a la propia red de alimentación, a los receptores conectados a la misma, a los circuitos alimentados y a los circuitos de recibir las perturbaciones por radicación [1]. Se pueden generar IEM conducidas y radiadas, muchas conclusiones han sido sacadas y muchas clases de filtros han sido propuestos con el fin de minimizar su efecto, por ejemplo un filtro de modo diferencial a sido propuesto en [6] y uno de modo común ha sido propuesto en [7]. Aplicaciones industriales y tecnológicas a nivel mundial requieren que la energía eléctrica sea de buena calidad, pues de lo contrario los equipos sufrirán daños significativos en sus componentes internos, pérdidas de información y errores en los datos. Se estima que el 90 % de la energía eléctrica se procesa a través de convertidores de potencia antes de su uso final [8]. Los sistemas electrónicos sensibles a las IEM consumen aproximadamente el 1 % de toda la energía producida y el 99 % restante es gastado principalmente en alumbrado, motores eléctricos y calefacción [9], [10] y en estos procesos es donde se produce la gran mayoría de IEM que afectan a los equipos y al medio que los rodea. En este artículo se presentan fenómenos de IEM característicos de fuentes conmutadas, para este caso un ondulador monofásico funcionando como inversor es presentado, este es controlado desde el computador usando simulink mediante un RCP (Rapid Control Prototyping). Se implementan algunas técnicas de reducción IEM entre ellas: filtros análogos, manejo de tierras, apantallamiento y distribución de los componentes en la mesa de trabajo. Además se muestran los resultados antes y después de aplicar las técnicas. II. CONVERTIDOR EN ESTUDIO El convertidor en estudio tiene la configuración mostrada en la figura (1). Está conformado por un suiche que hace la conmutación, un filtro LC y la carga a alimentar que es una carga resistiva pura (R). Con esta configuración se parte de una tensión DC no regulado (E) a la entrada y mediante modulación de ancho de pulsos PWMC a frecuencias constante de hasta 20 khz, se conseguirá tener una salida regulada DC o AC, variable en frecuencia y en amplitud, según la aplicación que requiera el usuario y con la característica que la salida es menor en magnitud a la fuente de alimentación, debido a que es un convertidor reductor. El suiche o conmutador estará ubicado en 1 ó 2 dependiendo de la señal de control como muestra la figura (2), en donde se aprecian las salidas: d, PWMC y PWMCinv. Estas señales

2 indican cuanto tiempo estará conectada la alimentación +E o E al filtro. A la fracción del periodo T en que la fuente +E está conectada recibe el nombre de ciclo de trabajo (d). La presencia del PWM genera una señal de control que permite modelar el sistema como uno de estructura variable, ya que conmuta de una topología a otra, cada vez que cambia la señal de control. Luego se puede realimentar el sistema a través de pulsos de control a alta frecuencia, que activen +E o E a la entrada para alimentar al convertidor, logrando disminuir cada vez más la diferencia entre la tensión real υ c y el de referencia υ ref. Fig. 1. Convertidor DC-(DC-AC) Fig. 2. Señales PWM y PWMinv controladas mediante d de control son las encargadas de controlar el tiempo en que cada una de las fuentes estará conectada al filtro. La figura (3) muestra un esquema simplificado del convertidor, de el se toman las señales necesarias para efectuar alguna técnica de control, ellas son: la corriente en el inductor (i L ), la tensión en el capacitor (υ c ) y la corriente en la carga (i R ). Estas señales junto a la señal de referencia (υ ref ) se procesan digitalmente dentro de una plataforma adecuada en este caso una tarjeta de control y desarrollo DSP (DS1104). III. MODELADO DEL SISTEMA En la figura (3) haciendo sumatoria de corrientes en el nodo 1 e igualando la corriente que pasa por la inductancia, con la corriente que fluye por el condensador y por la carga se obtiene: i L = C dυ c + υ c R (1) Luego haciendo sumatoria de tensiones en la malla, se equilibran la tensión entregada por la fuente (E) con el tensión en la inductancia, en la resistencia interna de la inductancia y en el capacitor υ c así: Eu = L di L + υ c + r L i L (2) Con las ecuaciones anteriores se obtiene un modelo lineal en variables de estado del sistema como el siguiente: [ ] [ ] [ ] [ ] υc 1 1 = RC C υc 0 i L 1 L r + L E u (3) L i L L Donde las variables de estado son la tensión en el condensador (υ c ) y la corriente en la inductancia (i L ). La variable de control (u) toma valores discretos +1 y -1 y para un mejor manejo de las ecuaciones el sistema se representa como en (4). [ ] [ ] [ υc a h υc = i L m p i L ] + [ 0 E L Donde a = 1 RC, h = 1 C, m = 1 L, p = r L L. ] u (4) Este sistema se puede representar como ẋ = Ax + Bu. Podemos notar que para controlar este sistema es necesario tener conocimiento real de algunas variables de estado del mismo que pueden ser la tensión en el condensador (υ c ), la corriente en el inductor (i L ) o la corriente en la carga (i R ) para el caso de conectar cargas complejas. Pero es necesario tener en cuanta que estas señales no deben estar contaminadas con IEM ya sea del mismo equipo o de su alrededor. Fig. 3. Circuito eléctrico en estudio Si la señal de referencia es de tipo sinusoidal el convertidor se comportará como uno DC-AC, si es continua será DC-DC. En la figura (2) se observan las señales de control las cuales En la figura (4)) se muestra el puente inversor que maneja la parte de potencia del circuito, es importante anotar que para poder controlar el los mosfets desde la tarjeta DSP es necesario tener una tierra flotante con el objetivo de poder controlar el mosfet superior, ello se hace con el integrado IR2110 este además evita que se generen problemas de interferencia y perdidas por calentamiento de los mosfet

3 La correcta conexión de las señales externas (υ c, i L, i R ), provenientes del sistema real se realizó con base en la figura (5), en ella se resalta que cada señal debe ser llevada desde el mundo exterior a la tarjeta a través de un cable par trenzado apantallado y que esta pantalla debe estar aterrizada al computador a través de la tarjeta, además es necesario evitar conectar el apantallamiento con los pines GND de la tarjeta. Fig. 4. Puente inversor implementado Como concejo se debe procurar usar una línea de retorno para cada señal y llevarla a la tarjeta con cable par trenzado apantallado, puesto que este protege la señal contra IEM, tiene baja inductancia y cancela los campos electromagnéticos parásitos. puesto que este viene configurado para entregar dos señales PWM las cuales son invertidas y además tiene un tiempo de espera entre el encendido de uno con respecto al otro con el fin de evitar que se presenten cortocircuitos. IV. TÉCNICAS DE REDUCCIÓN IEM APLICADAS AL CONVERTIDOR EN ESTUDIO IV-A. Correcta Conexión de dispositivos externos a la tarjeta de control En esta sección se va a describir la correcta conexión de dispositivos y acondicionamiento de señales las cuales entran o salen de la tarjeta de control, con el objetivo de minimizar al máximo las IEM. Es importante comentar que estas notas se pueden aplicar a cualquier otro dispositivo digital inteligente tales como (FPGA, Microcontroladores, Microprocesadores, DSPs, Tarjetas de control y desarrollo, Tarjetas de adquisición y control entre otros). Hay cuatro clases de señales que muchas veces son llamadas señales de tierra ellas son señales de retorno, señales de potencia, apantallado y sistema de puesta a tierra [11], [12], [13], [14]. Para mejorar los resultados con respecto a la calidad de la señal rechazo de ruido y al comportamiento electromagnético esas diferentes señales de tierra no deben ser mezcladas. Las Líneas de señal de retorno corresponde a la referencia de la señal que quiero llevar, conduce la misma corriente de la señal y por lo general es de valor bajo, La tierra de la señal de potencia es el camino de retorno de la fuente de potencia eléctrica esta lleva gran cantidad de energía que por lo general es de forma AC, apantallamiento: es una barrera para proteger las señales que estén dentro de ella, esta por lo general se conecta al un potencial del dispositivo y no es necesario que se conecte a la tierra del sistema y por ultimo la tierra de protección se refiere al sistema de puesta a tierra diseñado para protección de los equipos y de los usuarios. Fig. 5. Apantallado de señales (Cortesía de [11]) Para realizar un apantallamiento completo del sistema donde se protejan todas las señales y dispositivos hubo la necesidad de encerrar el sistema a una jaula de Faraday, la cual presenta baja resistencia y especialmente baja inductancia. Esta jaula fue configurada en el laboratorio a la cual llamamos Mesa de Fuentes Conmutadas donde además de proteger a la tarjeta de control y desarrollo DSP, se han configurado varios módulos los cuales maximizan y facilitan el trabajo de investigación, puesto que ella brinda las herramientas necesarias para realizar pruebas de laboratorio he investigación de alta calidad. Esta mesa es presentada en la figura (6), ella brinda la posibilidad de realizar una rápida conexión de dispositivos, equipos y señales del mundo exterior o también ejecutar comandos desde la tarjeta hacia afuera en tiempo real y con alta calidad. Se han implementado varios tipos de filtros análogos usando amplificadores operaciones y elementos pasivos como resistencia y capacitancias. Pero debido a la necesidad de un filtrado fino donde solamente sea posible filtrar algunas frecuencias, pero dejando intactas las otras todos los filtros implementados a nivel analógico y digital fueron desechados puesto que las técnicas de control implemtentadas requieren que los estados del sistema sean inalterados en tiempo y

4 Fig. 6. Apantallado de señales usando mesa de laboratorio frecuencia puesto de lo contrario es bastante tedioso ejecutar control en tiempo real. Por lo tanto se recurre a uso del amplificador de gama baja LM324N con el fin de aprovechar su respuesta en frecuencia, permitiendo atenuar las señales de frecuencias superiores que eran las debidas a IEM propias de la conmutación las cuales son de más de 100kHz. En las figuras (7) y (8) se muestran los montajes ejecutados con los operacionales a estos además se les agrego los circuitos necesarios para la protección contra sobretensión y sobrecorriente usando diodos zener de 9 voltios y un fusible de 0.5 Amperios. Fig. 8. Sensado, protección y filtrado de corriente a la salida ese caso es la afectada por la Interferencias Electromagnéticas producto de la conmutación de los transistores. En la gráfica Fig. 9. Señal de corriente (i L ) afectadas por las IEM Fig. 7. Sensado, protección y filtrado de tensión a la salida V. RESULTADOS En esta sección se presentan los resultados obtenidos antes y después de aplicar las técnicas antes mencionadas. En la figura 9 se muestran la señal de control PWM, la señal PWM de potencia y la señal de corriente (i L ) que en 10 se muestran las señales de tensión en la carga (υ c ) y corriente en el inductor (i L ). Se puede apreciar que debido a los altos (dv/) se presentan fenómenos de IEM los cuales se transmiten a estas variables, si el control a ejecutar necesita estos estados del sistema en tiempo real seria necesario filtrar estas señales para poder aplicar la acción de control, pues de lo contrario no se tendrá un buen rendimiento de la técnica usada. En la gráfica 11, se muestra una señal PWM de potencia de +/-130 Voltios conmutando a 5kHz, la corriente en el inductor (i L ) y la señal de ruido radiado detectada con una sonda ubicada a 1 cms de los suiches de conmutación. Se comprobó experimentalmente que a medida que se aleja de la fuente de interferencia en este caso de los suiches, el ruido radiado disminuye, que este ruido radiado era el que interfería en las señales sensadas y en general en todo el circuito y por lo tanto afectaba el buen rendimiento de los controladores a implementar. Después de haber aplicado las técnicas de

5 Fig. 10. Señales (υ c) y (i L ) afectadas por IEM Fig. 12. Señales υ c, i L y i R sin IEM para estado estable Fig. 11. Señal EMI radiada medida con una sonda Fig. 13. Señales υ c, i L y i R sin IEM para estado estable supresión de ruido descritas en este articulo en la gráfica 12 se muestra el mejoramiento en cuanto a reducción de ruido en la parte superior se muestra la señal PWM de potencia, luego esta la salida de tensión en la carga (υ c ), la corriente en el inductor (i L ) y la corriente en la carga (i R ); en todas ellas se puede ver que se ha reducido casi en su totalidad el ruido debido a la conmutación. En las gráficas 13 y 14 se muestran estas mismas señales con bajo nivel de IEM radiado la primera para el caso donde las señales son periódicas de periodo 6 y la segunda para cuando entran en zona de caos. Es de anotar que estas señales están libres de IEM y con ellas ya posible ejecutar mejor la acción de cualquier controlador en tiempo real. En la figura 15 se muestra el rendimiento de una técnica de control ZAD (Zero Average Dynamics), trabajando en conjunto con la técnica de control FPIC (Control por Inducción al Punto Fijo). Estas dos técnicas de control para su correcto funcionamiento necesitan que las señales υ c, i L y i R tengan bajo nivel de IEM, para una referencia 110sen(2π20t). histéresis Después de haber reducido la IEM al máximo se aplico otra técnica de control (Control con histéresis) donde es Fig. 14. Señales υ c, i L y i R sin IEM para zona caótica indispensable que las señales sensadas esten libre de IEM. En la figura 16 se presenta el rendimiento de este controlador trabajando en tiempo real desde una DSP, para una referencia 40sen(2π10t).

6 tarjeta. No juntar líneas se señal con líneas de potencia de lo contrario se pueden llevar en paralelo pero con una cierta distancia entre ellas esto es con el fin de reducir acoples magnéticos entre líneas. Proteger las señales contra equipos que produzcan campos magnéticos tales como Celulares, transformadores, bobinas, fuentes de poder, motores eléctricos, pantallas, etc. Fig. 15. Resultados con ZAD y FPIC con IEM corregida AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Dirección de Investigación de Manizales (DIMA) por su apoyo en la investigación. Así mismo, al Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y computación de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales por facilitar el uso de los recursos informáticos y equipos de laboratorio. REFERENCES Fig. 16. Resultados con el controlador con histéresis con IEM corregida VI. CONCLUSIONES Con las técnicas aplicadas para la supresión de ruido se pudo reducir en gran medida la IEM producida por el convertidor en estudio. Después de haber eliminado la gran mayoría de las IEM, fue posible ejecutar bien las técnicas de control y se observo un gran aumento en el rendimiento de estas implementadas en tiempo real. Es importante separar las líneas análogas de las digitales. No usar conectores en paneles (correas) en areas donde hay gran radiación electromagnética. Para llevar señales del exterior a la tarjeta es necesario usar cable par trensado apantallado con el fin llevar cada señal a un pin y devolverla por su señal de retorno y que estas estén apantalladas. [1] Josep Balcells and Francesc Daura and Rafael Esparza and Ramón Pallás, Interferencias Electromagnéticas en sistemas Electrónicos, Barcelona España, [2] Huibin Zhu, J.S. Lai, Analysis of conducted IEM emissions from PWM inverter based on empirical models and comparative experiments, IEEE PESC 99, 1999, 2(27): [3] Chingchi Chen, Characterization of power electronics IEM emission, IEEE Electromagnetic Compatibility Conf, 2003, [4] C. R. Paul and K. B. Hardin, Diagnosis and the common mode and differential mode conducted IEM noise, IEEE Trans, Electromagnetic Compatibility, 1998, [5] L. Ran, S. Gokani, Conducted electromagnetic emission in induction motor drive systems part I: time domain analysis and requirement, should be met identification of dominant modes, IEEE Trans. Power Electron, 1998, [6] S. J. Kim, and S. K. Sul, A novel filter design for suppression of high also eliminate a small part ofcm noise. voltage gradient in voltage-fed PWM inverter, IEEE Proceeding Applied Power Electronics, 1997, [7] S. Ogasawara H Akagi, Suppression of common-mode voltaje in a PWM rectifier/inverter system, IEEE Industry Applications, Conference 2001, [8] F. G. Angulo, Análisis de la dínámica de convertidores electrónicos de potencia usando pwm basado en promediado cero de la dinámica del error (zad), Ph.D. dissertation, Universidad Politécnica de Cataluña, Cataluña, España, Mayo [9] Francesc Daura Luna. El ruido en sistemas digitales I: Mundo Eléctrico n. o 175, [10] IEEE Guide for the Installation of Electrical Equipment to Minimize Electrical Noise Inputs to Controllers from External Sources, IEEE Std [11] DS1104 Controller Board, dspace, Hardware Installation and Configuration, For DS1104 and CP1104 CLP1104 Connector Panels, Release 5.0 November [12] DS1104 Controller Board, Features, dspace, Release 5.0 November [13] DS1104 Controller Board, RTI Reference, dspace, Release 5.0 November [14] DS1104 Controller Board, RTLib Reference, dspace, Release 5.0 November En lo posible usar cables cortos entre el exterior y la