Universidad Autónoma de San Luis Potosí Maestría en Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad Autónoma de San Luis Potosí Maestría en Ingeniería Eléctrica Segundo de avance de tesis Convertidor CACA multinivel para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos y transformadores de estado solido. Alumno: Ramón de la Torre Santos Directores de tesis: Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo. Dr. Cesar Fernando Francisco Méndez Barrios. Institución donde se realiza el trabajo de tesis: Centro de Investigación y Estudios de Posgrado. Facultad de Ingeniería. UASLP. Periodo: Septiembre 216 Enero Introducción Este reporte se estructura en tres secciones, en la primera parte se reporta el estudio de un convertidor CDCA con modulación PWM pseudoinversor la cual consta de un convertidor pushpull, un transformador trabajando en alta frecuencia (por sus siglas en ingles HF ) y un convertidor matricial CACA. También se presenta la configuración monofásica con flujo de potencia bidireccional en conjunto con sus esquemas, simulaciones, así como también la configuración de dos celdas, conectadas en serie la entrada y paralelo a la salida. La segunda parte estudia el convertidor DAB con flujo de potencia bidireccional, el cual consta de dos puentes H y un transformador HF. En la última sección se plantea el funcionamiento de DAB con una entrada de CA y salida en CD desarrollando el análisis con la finalidad de llegar a un esquema que permita transferir potencia bidireccional, teniendo a la entrada y a la salida una señal de CA para posteriormente hacer el análisis en configuración multinivel Análisis de topología de estudio en la investigación La topología que se propone debe tener ciertas características, se propone la topología matricial multinivel como la que se muestra en la figura 1. Ventajas de la topología matricial: no es necesaria una conversión CACDCA; no almacenamiento de adicional; menor número de dispositivos lo cual incrementa la confiabilidad del sistema; se ha reportado que genera un buen desempeño con técnicas de control como pasividad y/o predictivo. Se pretende seguir analizado las topología para ver prestaciones y evaluar si es factible para el desarrollo de esta tesis de investigación Objetivo general de la investigación Analizar y desarrollar un convertidor multinivel para integrar sistemas de generación fotovoltaicos y transformadores de estado sólido en media tensión, con enlace en media frecuencia considerando estrategias de control adecuadas para acoplar los sistemas a la red.

2 CA CA Bajo Voltaje (CA) Alto Voltaje (CA) CA CA Vin Ld 1 N Vp Vs TRHF Vout CA Convertidor matricial Convertidor matricial CA Figura 1. Topología de estudio en la investigación Objetivos particulares Para este trabajo se consideran los siguientes objetivos particulares: Analizar estructuras CA/CA multinivel con aislamiento en alta frecuencia. Dimensionar los convertidores CA/CA para formar celdas en la estructura propuesta. Evaluar el desempeño del sistema propuesto considerando una estrategia de control adecuada. Se considera el caso de operación de un sistema monofásico. Construcción y validación experimental de un prototipo de laboratorio a escala. La potencia nominal total es de 1 kw, con dos celdas en conexión. 2. Trabajo desarrollado Las actividades realizadas a lo largo de este semestre se en listan a continuación: 1. Aprobar cursos académicos. 2. Análisis y búsqueda de bibliografía. 3. Estudio del convertidor matricial con enlace en alta frecuencia y entrada en CD. 4. Análisis del convertidor DAB CDCD y CACA. 5. Exploración de configuración multinivel. 6. Estudio de las estructuras de control predictivo. 7. Escritura de documento y presentación avance de tesis. 3. Estudio del convertidor matricial con enlace en alta frecuencia y entrada en CD. El proceso de conversión CA/CA ha sido resuelto fundamentalmente por topologías basadas en inversores de enlace en corriente directa y provistas de aislamiento mediante transformadores a frecuencia de línea, teniendo las ventajas de ser sistemas Enero de

3 sencillos y robustos en cuanto a su control e implementación, siendo ampliamente estudiados y expuestos en la literatura especializada. Sin embargo presenta ciertas desventajas tales como: el procesamiento redundante en la energía del sistema, altos niveles de esfuerzo en el voltaje en los interruptores del sistema cuando se emplean esquemas de elevación de los bajos voltajes de entrada propios de una fuente de energía renovable, y en caso de realizar un aislamiento galvánico a frecuencia de línea, la dimensión física y alta relación peso/potencia del sistema, así como un factor de eficiencia debido al número de etapas utilizadas. En la figura 2 se muestra el diagrama esquemático del convertidor matricial monofasico con enlace en alta frecuencia. Se observa que el convertidor de salida hacia la red eléctrica es un convertidor matricial monofásico (también llamado cicloconvertidor monofásico), el cual se integra por 8 interruptores bidireccionales en configuración de emisor común (IGBT) fuente común (MOSFET), como se observa en la figura 2. El convertidor de entrada es un convertidor tipo PushPull, no obstante, puede ser otro tipo, como convertidor medio puente o puente completo. En comparación con topología de CACA con enlace en CD, la topología de la figura 2 propone la eliminación de rectificación lo cual aumenta la eficiencia, pero con una modulación más compleja. PushPull TRHF Q1 Q5 V1 Q8 Q3 Re Le V2 V1 Red Eléctrica Q6 Q2 VCD S2 S1 Q4 Q7 io< io> Figura 2. Circuito convertidor matricial, Convertidor PushPull, transformador HF y enlace con la red eléctrica El objetivo del convertidor mostrado en la figura 2 consiste en tomar energía de corriente directa y convertirla en una tensión alterna de alta frecuencia, para transferir la a través del enlace proporcionado por el transformador al cicloconvertidor de salida, El cicloconvertidor procesa y genera una tensión modulada con una componente dominante en baja frecuencia. Los interruptores en color rojo representan aquellos elementos que conducen mientras la corriente de salida es positiva, mientras que los interruptores de color verde corresponden a los elementos que conducen cuando la corriente de salida es negativa. En el caso que la tensión del secundario del transformador sea positivo y la corriente de salida también es positiva; en este modo de operación conducen los interruptores Q 1 y Q 2 y los diodos en antiparalelo de los interruptores Q 7 y Q 8. De manera similar cuando el voltaje del secundario es negativo y la corriente de salida también es negativa,en este modo los interruptores que conducen son Q 5 y Q 6 y los diodos en antiparalelo de los interruptores Q 3 y Q 4. Las combinaciones restantes pueden obtenerse de una manera similar y se muestran en la tabla 1. Tabla 1: Estado de los interruptores del convertidor matricial para la síntesis del voltaje de salida V 2 i o > i o < Q 1,Q 2 ON Q 3,Q 4 ON Q 5,Q 6 ON Q 7,Q 8 ON v v v v v v v v Enero de

4 3.1. Modulacion PWM pseudoinversor La tensión de salida del ciclo convertidor (V CM α) es una señal PWM con una componente de 6 Hz, donde su magnitud y ángulo son controlados por la técnica de modulación. Se inicia el estudio de la modulación con el convertidor pushpull, en el cual el interruptor S 1 se controla por una señal cuadrada con ciclo de trabajo fijo del 5%, esta señal determinará la frecuencia de la tensión de salida del pushpull, y el interruptor S 2 es controlado por la misma señal desfasada 18, como se muestra en la figura 3. Como señal auxiliar se propone γ que es la comparación entre la señal de conmutación y la referencia, para de esta manera transformar los valores de S 1 S 2 = { 1,1} a γ = {,1}. Señal moduladora S1 Σ Comparador γ Desfase 18 S2 Figura 3. Modulación del convertidor PushPull El voltaje en el secundario del transformador esta dado por: V 2 = NV CD (S 1 S 2 ) (1) Donde N es la relación de trasformación del transformador. La modulación del convertidor matricial se basa en que se conoce el estado de la tensión V 2 y se tiene la señal PWM a la que se quiere llegar a la salida, entonces a partir de la estrategia conmutación del convertidor matricial lograr sintetizar la tensión deseada. Se construye una señal PWM de 3 niveles la cual sera la referencia, de ella se obtienen la señales auxiliares α y β, donde α es la multiplicación de la señal de referencia y la función signo de la señal moduladora, lo que da una señal PWM en niveles lógicos (α), y beta sera la función signo en niveles lógicos de la señal moduladora como se muestra en la figura 4. Comparador β Sgn(V m ) X α Señal moduladora Comparador Σ Señal PWM de referencia Señal portadora Desfase 18 Comparador Figura 4. Señales α y β Enero de

5 Se simplifica el circuito como se muestra en la figura 5, para el convertidor matricial se propone una salida monopola. Con TRHF V1 Q1 Q3 V1 V2 Q2 Q4 V CM Re Le Red Eléctrica V red VCD S1 S2 PushPull Convertidor matricial Figura 5. Circuito convertidor matricial. lo que se establecen las siguientes condiciones: si α =, & β = 1 ó, & γ = ó 1 Q 1 = Q 2 = si α = 1, & β = 1, & γ = 1 ó 1 Q 1 = 1 & Q 2 = si α = 1, & β = 1, & γ = ó 1 Q 1 = & Q 2 = 1 si α = 1, & β =, & γ = 1 ó 1 Q 1 = & Q 2 = 1 si α = 1, & β =, & γ = ó 1 Q 1 = 1 & Q 2 = Haciendo la tabla de verdad y reducción por mapas de Karnaugh se llega a las siguientes funciones lógicas: Q 1 = β γ (2) Q 1 = α β γ (3) y el voltaje de salida del convertidor matricial esta dado por: V CM = V CD N(S 1 S 2 )(Q 1 Q 2 ) (4) 3.2. Análisis del flujo de potencia entre dos fuentes acopladas por una impedancia La figura 6 muestra el diagrama equivalente en las fuentes de tensión del convertidor matricial monofasico conectado a la red eléctrica de la figura 2. Re Le I Le Z V CM P V red Figura 6. Diagrama equivalente conexión con la red. la potencia aparente entregada a la red eléctrica está dada por: S = V CM 2 Z cos(γ) V CMV red Z cos(α β γ) j VCM2 Z sen(γ) j V CMV red sen(α β γ) (5) Z Enero de

6 Si se considera que la fase del voltaje de salida del convertidor matricial está especificado con respecto a la red eléctrica, es decir, β = y que la impedancia de acoplamiento es una inductancia ideal esto es R e = Ω y γ = 9, las expresiones de potencia activa y reactiva están dadas por: P = V CMV red ωl e sen(α) (6) Q = V 2 CM ωl e V CMV red ωl e cos(α) (7) 4. Simulación del convertidor matricial con enlace en alta frecuencia y entrada en CD Con los parámetros de la tabla 2, se realizaron las simulaciones con el fin de comprobar el funcionamiento. Se muestran las formas de onda de simulación en la figura 7. El valor eficaz de la corriente de salida es de 6.314A, el voltaje eficaz de la red eléctrica es de 127V, el ángulo de desfase es El funcionamiento cosiste en transmitir potencia activa controlando el ángulo de desfase de la tensión del convertidor matricial, también se analizo el flujo bidireccional de potencia, posteriormente se estudia la configuración de dos módulos en serie con una fuente de CD de entrada, y salida en paralelo con la red eléctrica. Tabla 2: Parámetros del sistema Parámetro U Voltaje de entrada V CD 48 V Relación de transformación N 1 /N 2 1 Frecuencia de conmutación f sw 2.7 khz Frecuencia de salida f o 6 Hz Indice de modulación m a.892 Potencia de salida P o 8 W (a) Voltaje de red 6hz. V red (b) Voltaje de salida del convertidor matricial V an (c) Corriente entregada a la red. I re Potencia [W] (d) Potencia entregada a la red. P Figura 7. Simulación del convertidor matricial monofasico Enero de

7 5. Configuración con dos módulos bidireccionales en potencia La configuración modular propuesta es la mostrada en la figura 8, la cual consiste en dos módulos como los analizados anteriormente con la entrada en serie con la fuente de CD (la cual duplica su valor) y las salidas de los convertidores en paralelo con la red a través de una inductancia de enlace por convertidor. Adicionalmente se agrega un capacitor a la entrada de cada convertidor PushPull. V1 Q1 Q3 Re Le ie io V1 V2 Q2 Q4 Van Vin S1 S2 Red Eléctrica 2VCD i_e V_1 Q_1 Q_3 R_e L_e V_2 V_1 V_an Q_2 Q_4 V_in S_1 S_2 Figura 8. Circuito con dos módulos Se realizaron simulaciones, en primera instancia los dos módulos entregando o consumiendo la misma potencia por ejemplo los dos módulos entregando 25W cada uno para entregar a la red 5W, Como se puede observar en las figuras 9a y 9b. Los voltajes entregados por cada módulo son idénticos tal como se puede apreciar en las figuras figuras 9c y 9d. Por ley de corrientes de Kirchhoff en el nodo de enlace con la red eléctrica la corriente será la suma de las entregadas por los dos módulos esto se puede corroborar apartir de la figura 9g.También se observa que los voltajes de entrada de cada convertidor son idénticos 48V, figuras 9e y 9f. Por ultimo la figura 9h muestra la potencia entregada a la red. Como segunda prueba se demandaron potencias distintas a cada módulo por ejemplo al primer módulo 3W y al segundo módulo 2W para entregar a la red los mismos 5W, como se puede observar en la figura 13, los voltajes entregados por cada módulo son completamente distintos figura 12,esto producto de un desbalance en los voltajes de entrada de cada módulo figura 11 ya que cada módulo representara una carga equivalente distinta para la fuente de CD lo que resultara en un divisor de voltaje como consecuencia de entregar potencias distintas en cada módulo los mismo pasa cuando un módulo entrega potencia y otro recibe, por lo que se concluye que una restricción para esta configuración puede ser que los dos módulos entreguen o consuman la misma potencia. 6. Convertidor CD/CD basado en un DAB El convertidor CDCD de puente doble activo (DAB por sus siglas en inglés) [8], es una topología bidireccional en potencia, el desfase entre los dos puentes determina la dirección y la cantidad de potencia a transferir. La configuración DAB CDCD se muestra en la figura 11a, Para el análisis del comportamiento del circuito, se toman las siguientes consideraciones: relación de transformación unitaria, V in = V out = V CD ; el transformador se puede sustituir por una inductancia, los puentes por fuentes equivalentes como se muestra en la figura 11b, a partir de esta simplificación se hace el análisis de las señales de voltaje y corriente así como de energía que se transferirá a través del inductor. Enero de

8 (a) Corriente en el inductor de enlace del primer modulo (c) Voltaje de salida primer modulo. I e V an (b) Corriente en el inductor de enlace del segundo modulo (d) Voltaje de salida segundo modulo. I e _ V an _ (e) Voltaje de entrada del primer modulo. V in V in _ (f) Voltaje de entrada del segundo modulo (g) Corriente de salida hacia la red eléctrica. I o Potencia [W] P(t) P (h) Potencia instantánea de salida P(t), y potencia promedio de salida P. Figura 9. Simulación del convertidor matricial monofasico con 2 módulos entregando 25W por modulo El voltaje a través del inductor es la resta del voltaje en el primario y el voltaje en el secundario: V Ld = V p V s (8) Enero de

9 (a) Voltaje de entrada del primer modulo (c) Voltaje de salida primer modulo (e) Corriente en el inductor de enlace del primer modulo. V in V an I e V in _ (b) Voltaje de entrada del segundo modulo. V an _ (d) Voltaje de salida segundo modulo (f) Corriente en el inductor de enlace del segundo modulo. I e _ (g) Corriente de salida hacia la red eléctrica. I o Potencia [W] P(t) P (h) Potencia instantánea de salida P(t), y potencia promedio de salida P. Figura 1. Simulación del convertidor matricial monofasico con 2 módulos entregando 25W por modulo Vin Ld 1 N Vp Vs TRHF Vout V p L d V s Puente H Puente H (b) Simplificación del convertidor DAB CD/CD. (a) Convertidor DAB CD/CD. Figura 11. Convertidor DAB CD/CD. y la corriente que circula por el inductor de dispersión esta dada por la integral del voltaje del mismo en un periodo de tiempo, Enero de

10 un periodo de tiempo es T = 1 f s donde f s es la frecuencia de conmutación de los interruptores y T 1 es el tiempo que equivale el desfase. i Ld = 1 T V Ld dt (9) Ld la expresión de energía procesada por el inductor de enlace: ( ) T E = I p V CD 2 T 1 (1) La potencia entregada está dada por: P = 2E T (11) Sustituyendo la ecuación (1) en (11) y simplificando se obtiene (12) ( P = I p V CD 1 2T ) 1 T (12) Tomando en cuenta que la corriente I p es: y el ciclo de trabajo es del voltaje en inductor de dispersión: I p = V CDT 1 L d (13) Entonces la potencia se puede reescribir: D = T 1 T (14) P = V 2 CD L d f s (D 2D 2 ) (15) Tomando en cuenta que T 1 T, y en términos del ciclo de trabajo D.5, la máxima transferencia de potencia está 2 limitada por la siguiente expresión D 2D 2 =, derivando para obtener el ciclo de trabajo en el cual se obtiene la máxima trasferencia de potencia resulta D =.25 lo cual equivale a un desfase de 9, así también de ecuación se puede obtener el inductor de dispersión adecuado para la transferencia de potencia para diseño se selecciona el inductor con D =.125, la potencia en función del ángulo de desfase está dada por la ecuación (16): P = V CD 2 ( φ 1 φ ) L d f s π Donde φ es el en ángulo de desfase entre la tensión del primario y la tensión del secundario del transformador: (16) φ = π π 2 4Cπ 2 (17) C = PX L V CD (18) se muestran en la figura 12, las señales de voltaje en el inductor figura 12b, corriente en el inductor figura 12c y el voltaje del primario y secundario del transformador figura 12a, para el caso de un V CD = 2, un inductor de dispersión de 1µH y un angulo de 9 que equivale a una potencia de 1W con una frecuencia f s = 5kHz Simulación DAB CD/CD Para la simulación se propone transferir 5W y un voltaje de entrada igual al de salida 2V una relación de transformación unitaria y una frecuencia de conmutación de 5kHz, con la ecuacion (19) se calcula el inductor de dispersión para diseño se toma un ciclo de trabajo D =.125. L d = V 2 CD P f s D(1 2D) (19) Enero de

11 Segundo avance de tesis. 2 V S 4 V Ld 2 T 2T 3T 4T 5T T 1 (a) Voltaje en en primario y en el secundario con desfase de 9. 1 V P x 1 4 (b) Voltaje en el inductor de dispersión. I Ld x 1 4 (c) Simplificación del convertidor DAB CD/CD. Figura 12. Simulación simplificación convertidor DAB CD/CD. Tabla 3: Parámetros del sistema Parámetro U Voltaje de entrada y salidav CD 2 V Relación de transformación N 1 /N 2 1 Frecuencia de conmutación f s 5 khz Inductancia de dispersión 1 µh Angulo de fase φ Potencia de salida P 5 W 2 1 V P V S x 1 4 (a) Voltaje del primario y secundario del transformador. 4 2 V CD V Ld x 1 4 (b) Voltaje de CD y voltaje en el inductor de dispersión Io I Ld x 1 4 (c) Corriente de salida y corriente en el inductor de dispersión Potencia [W] P(t) P x 1 4 (d) Potencia instantánea y potencia promedio. Figura 13. Simulación del convertidor DAB CD/CD entregando 5W Enero de

12 7. Convertidor CA/CA basado en un DAB Se propone un convertidor DAB como el de la figura 11a pero en este caso se sustituyen los interruptores por bidireccionales para tener un convertidor matricial en cada puente como se muestra en la figura 14. [9] V in L d 1 N V p V s TRHF V out Convertidor matricial Convertidor matricial Figura 14. Circuito DAB CACA con convertidores matriciales. Para inicial el análisis se propone tomar un voltaje de entrada CA con un componente de CD tal que no existan cruces por cero, y un voltaje de CD a la salida así se calcula el angulo de desfase cada periodo de muestreo del simulador teniendo en cuenta que la diferencia máxima entre el voltaje de entrada y salida sera determinado por la potencia ecuación (16), frecuencia de conmutación e inductor de enlace ecuación (19) así como la relación de transformación, dadas en las ecuaciones cuando la diferencia entre el voltaje de entrada y salida sea máximo el angulo de desfase sera 9 y cuando sea mínimo el angulo tendera a, siendo estas dos restricciones importantes. la ecuacion (16) se modificara: P = V in 2 ( dφ 1 φ ) X L π (2) d = V out NV in (21) Para la modulación se pone un condicional para el voltaje mínimo de entrada con el cual se puede transmitir potencia, si el voltaje de entrada es mas pequeño que el voltaje mínimo el angulo de desfase sera siempre 9, teniendo por esta condición perdida de potencia debida por estas consideraciones. El siguiente estudio se enfoca en una fuente de CA a la entrada y a la salida con componente de CD tal que ninguna de las 2 tiene cruces por cero, la consideración del la diferencia de voltaje máximo ahora considerara el peor caso, y se pone la condicional de que si el voltaje de entrada o salida es menor a los voltajes mínimo de entrada y salida con el cual se puede transmitir potencia, el angulo de desfase sera siempre 9. Ahora se toma en cuenta que cualquiera de los voltajes sea negativo para esta condición de operación se puede confrontar con una función lógica XOR a la cual entren las señales de conmutación de cada interruptor bidireccional y el signo de el voltaje entrada (1 si es negativo si positivo), con lo anterior las ecuaciones no se modificaran. Se combinan las condiciones para que los voltajes sean CA centrados en el origen, para tal caso los voltajes mínimos de entrada y salida en la modulación tendrán la siguiente condición si el valor absoluto del voltaje de entrada o salida es menor a el mínimo de entrada y salida con el cual se puede transferir potencia entonces el angulo sera de 9. Para el flujo bidireccional de potencia el calculo es el mismo solo que el angulo tomara el signo de la potencia Simulación CA/CA basado en un DAB Para la simulación se propone transferir 5W, con un voltaje de entrada y salida de 18V p a 6Hz, una frecuencia de conmutación de 5kHz y un inductor de 2µH haciendo los cálculos ecuacion (2) para este caso el voltaje minimo de entrada y salida seran iguales V inmin = V outmin = 63.5V Enero de

13 Tabla 4: Parámetros del sistema Parámetro U Voltaje de entrada y salidav CA 127 V rms Relación de transformación N 1 /N 2 1 Frecuencia de conmutación f s 5 khz Inductancia de dispersión 2 µh Potencia de salida P 5 W (a) Voltaje de entrada y salida. V in V out (b) Voltaje en el inductor de dispersión. V L 9 φ 5 P Angulo [ ] 45 P [W] (c) Angulo de desfase entre el voltaje del primario y el secundario (d) Potencia instantánea y potencia promedio. Figura 15. Simulación del convertidor DAB CA/CA entregando 5W 8. Calendario de actividades para el siguiente semestre Con base a los objetivos del trabajo de investigación, se propone el siguiente cronograma. Tabla 5: Cronograma Actividad Meses Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Análisis y búsqueda bibliográfica.. 2. Propuesta de mejora para los parámetros de desempeño. 3. Estudios de las estructuras de control (predictivo y pasividad). 4. Desarrollo y construcción de un prototipo experimental. 5. Evaluación experimental. 6. Escritura de artículo de congreso y/o revista internacional. 7. Escritura del documento de tesis. 8. Presentación examen previo y examen de grado. Enero de

14 Referencias [1] H. M. VIDALES, Estudio de inversores multinivel para aplicaciones en filtros actrivos trifásicos de corriente, 23. [2] M. A. Cruz, Análisis y desarrollo de un convertidor CA / CD / CA de tres puertos para el control del flujo de potencia, 215. [3] P. Khemmook and S. Khomfoi, Solid State Transformer using a Modular Multilevel Inverter for PV Farm Applications, pp. 3, 215. [4] M. I. T, MIT Technology REview, consultado [5] P. Javier, N. Ciro, and C. Víctor, Control lineal para un rectificador monofásico PWM puente completo, Antiguo.Itson.Mx, vol. 7, no. 2, pp. 8 15, 29. [Online]. Available: [6] I. A. A. Torres, Desarollo de un convertidor matricial mónofasico con enlace en alta frecuencia para sistemas fotovoltaicos en microgeneración eléctrica, p. 113, 212. [7] D. S. F. Castañeda, Desarrollo de un microinversor fotovoltaico con enlace en alta frecuencia para compensación de corrientes armónicas usando un tercer puerto, 215. [8] M. H. Kheraluwala, R. W. Gascoigne, D. M. Divan, and E. D. Baumann, Performance Characterization, Ieee Transactions on Industry Applications, vol. 28, no. 6, pp , [9] H. Qin and J. W. Kimball, Solidstate transformer architecture using ACAC dualactivebridge converter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 6, no. 9, pp , 213. Enero de