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Ingeniería e Investigación

Print version ISSN 0120-5609

Ing. Investig. vol.30 no.2 Bogotá May/Aug. 2010

 

Técnicas de filtrado de IEM en convertidores electrónicos de potencia

EMI filter techniques in power electronic converters

Fredy Edimer Hoyos Velasco1 Camilo Younes Velosa2 y Eduardo Antonio Cano Plata3

1 Ingeniero Electricista. M. Sc., en ingeniería - Línea Automatización Industrial. Estudiante de Doctorado en Ingeniería Línea – Automática, Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Colombia. Miembro del Grupo de investigación PCI, Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Colombia. fehoyosv@unal.edu.co 2 Ingeniero Electricista, M. Sc., en Ingeniería Eléctrica, Ph. D., en ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. Profesor Asociado, miembro del grupo de investigación GREDyP, Universidad Nacional de Colombia, Manizales. Colombia. cyounesv@unal.edu.co 3 Ingeniero Electricista. Especialización en Transitorios Electromagnéticos, Universidad Nacional de San Juan. Especialización en Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Colombia. Ph. D., en ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Argentina. Profesor Asociado, miembro del grupo de investigación GREDyP, Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Colombia. ecano@ieee.org


RESUMEN

En este artículo se presentan los resultados de la aplicación de algunas técnicas de reducción de EMI en convertidores electrónicos de potencia. Las técnicas aplicadas incluyen el apantallamiento de señales de control y de potencia, la separación de las referencias del sistema de potencia de las señales y medidas, la implementación de filtros análogos y la configuración de un adecuado sistema de disparo, de tal forma que se disminuyan al máximo las emisiones tipo IEM. En este artículo se presentan los resultados obtenidos antes y después de aplicar las técnicas de reducción de interferencias. Además los resultados son verificados usando dos técnicas de control en tiempo real RCP (Rapid Control Prototyping).

Palabras clave: EMI reduction, DSP, power electronic converters, shielding, rapid control prototyping (RCP).


ABSTRACT

This paper presents the results of EMI reduction techniques applied to power electronic converters. The techniques applied included shielding control and power signals, separating power system references regarding reference for instrumentation and measurement signals, implementing analog filters and configuring an appropriate switch trigger system for electronic power to decrease shifting EMI emissions to the maximum. Thispaper presents the results before and afterapplying the techniques to reduce interference. The results were also veryfied by using two real time control strategies rapid control prototyping (RCP).

Keywords: EMI reduction, DSP, power electronic converters, shielding, rapid control prototyping (RCP).


Recibido: junio 24 de 2009 Aceptado: junio 11 de 2010

Introducción

Las interferencias electromagnéticas (IEM) han ganado importancia debido al constante incremento de cargas electrónicas, y la situación se ha visto agravada al crecer la densidad de integración de los circuitos (Josep Balcells et al., 1992).

Usando las ventajas de la electrónica digital y de potencia más trabajos y procesos pueden ahora ser hechos con mayor eficiencia, seguridad y bajo costo. Estudios recientes (Huibin Zhu y Lai, J. S., 1999; Chingchi, Chen, 2003; Paul, C. R. y Hardin, K. B., 1998; Ran, L. y Gokani, S., 1998) han demostrado que los altos dv/dt y di/dt son los responsables de la mayoría de emisiones conducidas. Los convertidores electrónicos trabajan en régimen transitorio, conmutando tensiones y corrientes entre diversas ramas del circuíto, dando lugar a generación de armónicos, sobretensiones locales, picos de corriente, altos dv/dt y di/dt que, como consecuencia, generan interferencias IEM que afectan a la propia red de alimentación, a los receptores conectados a ella, a los circuitos alimentados y a los circuitos que reciben las perturbaciones por radiación (Josep Balcells et al., 1992).

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 ha sido propuesto en (S. J. Kim y S. K. Sul, 1997) y uno de modo común ha sido propuesto por S. Ogasawara y H. Akagi (2001).

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 (Angulo, F., 2004 y 2006). 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 (Francesc Daura, 1987; IEEE, 1982). 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 es controlado desde el computador usando simulink mediante un RCP. Se implementan algunas técnicas de reducción IEM, entre ellas: filtros análogos, manejo de tierras, apantallamiento y distribución de los componentes a interconectar. Además se muestran los resultados antes y después de aplicar las técnicas.

Convertidor en estudio

El convertidor en estudio tiene la configuración mostrada en la Figura 1. Está conformado por una llave que hace la conmutación, un filtro LC, y la carga que alimenta es resistiva pura (R). Con esta configuración se parte de una tensión no regulada (E) a la entrada y mediante modulación de ancho de pulsos PWMC a frecuencia constante de hasta 20 kHz.

La llave estará ubicada en 1 ó 2 dependiendo de la señal de control, como muestra la Figura 2, donde se aprecian las salidas: d, PWMC y PWMCinv. Estas señales de control son las encargadas de controlar el tiempo en que cada una de las fuentes estará conectada al filtro. La Figura 3 registra un esquema simplificado del convertidor, de él se toman las señales necesarias para efectuar alguna técnica de control, ellas son: la corriente en el inductor (iL), la tensión en el capacitor (Vc) y la corriente en la carga (iR). Estas señales, junto a la señal de referencia Vref, se procesan digitalmente dentro de una plataforma adecuada, en este caso una tarjeta de control y desarrollo (dspace, 2009), (DS1104 Controller Board, 2005), (DS1104 Features, 2005), (DS1104 RTI Reference, 2005), (DS1104 RTLib Reference, 2005).

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 indican cuánto 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 en alta frecuencia, que activen +E o -E a la entrada para alimentar al convertidor, logrando disminuir la diferencia entre la tensión real Vc y la de referencia Vref.

Modelado del sistema

El modelo lineal en variables de estado del sistema es el siguiente:

Donde las variables de estado son la tensión en el condensador (Vc) y la corriente en la inductancia (iL).

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 (2).

Donde:

Este sistema se puede representar como .

Se puede notar que para controlar este sistema es necesario tener conocimiento real de algunas variables de estado de él, que pueden ser: la tensión en el condensador (Vc), la corriente en el inductor (iL) o la corriente en la carga (iR) en el caso de conectar cargas complejas. Pero es necesario tener en cuenta que estas señales no deben estar contaminadas con IEM, ya sea del mismo equipo o de su vecindad.

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 interruptor desde la tarjeta DSP es necesario tener una tierra flotante con el objetivo de poder controlarlo.

Técnicas de reducción IEM aplicadas al convertidor en estudio

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, DSP, 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: señales de retorno, señales de potencia, apantallado y sistema de puesta a tierra (DS1104 Controller Board, 2005), (DS1104 Features, 2005), (DS1104 RTI Reference, 2005), (DS1104 RTLib Reference, 2005).

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. La línea de señal de retorno, que corresponde a la referencia de la señal que se quiere llevar, conduce la misma corriente de la señal y por lo general es de bajo valor. La tierra de la señal de potencia es el camino de retorno de la fuente de potencia eléctrica, ésta lleva gran cantidad de energía que por lo general es de forma alterna. El apantallamiento es una barrera para proteger las señales que estén dentro de ella, por lo general se conecta a un potencial del equipo y no es necesario que se conecte a la tierra del sistema; y por último, la tierra de protección se refiere al sistema de puesta a tierra diseñado para la protección de los equipos y de los usuarios. La correcta conexión de las señales externas (Vc, iL, iR) 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 puesta a tierra a través de la tarjeta. Además es necesario evitar conectar el apantallamiento con los pines GND de la tarjeta.

Se recomienda usar una línea de retorno para cada señal y llevarla a la tarjeta con cable par trenzado apantallado, pues éste protege la señal contra IEM, tiene baja inductancia y cancela los campos electromagnéticos parásitos.

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.

Se han implementado varios tipos de filtros análogos usando amplificadores operacionales y elementos pasivos como resistencia y capacitancias.

En las figuras 6 y 7 se muestran los montajes ejecutados con los operacionales a éstos, además se les agregaron los circuitos necesarios para la protección contra sobretensiones y sobrecorrientes usando diodos zener de 9 voltios y un fusible de 0,5 amperios.

Resultados

En esta sección se presentan los resultados obtenidos antes y después de aplicar las técnicas mencionadas.

En la Figura 8 se detallan la señal de control PWM, la señal PWM de potencia y la señal de corriente (iL), que en este caso es la afectada por las interferencias electromagnéticas producto de la conmutación de los transistores.

En la Figura 9 se registran las señales de tensión en la carga (Vc) y corriente en el inductor (iL). Se puede apreciar que debido a los altos dv/dt se presentan fenómenos de IEM, los cuales se transmiten a estas variables. Si el control a ejecutar necesita esos estados del sistema en tiempo real sería 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 Figura 10 se exhibe una señal PWM de potencia de +/-130 voltios conmutando a 5 kHz la corriente en el inductor iL y la señal de ruido radiada, detectada con una sonda ubicada a 1 cm de las llaves de conmutación. Se comprobó experimentalmente que, a medida que se aleja de la fuente de interferencia, en este caso de los interruptores, el ruido radiado disminuye, y que este ruido era el que interfería en las señales sensadas y en general en todo el circuito. Por lo tanto, la señal radiada afecta el buen rendimiento de los controladores a implementar. En la gráfica 11 se reseña el mejoramiento en cuanto a la reducción del ruido; en la parte superior se muestra la señal PWM de potencia, luego está la salida de tensión en la carga (Vc), la corriente en el inductor (iL) y la corriente en la carga (iR); en todas ellas se puede ver que se ha reducido casi en su totalidad el ruido debido a la conmutación.

En las figuras 12 y 13 se muestran estas mismas señales con bajo nivel de IEM radiado. La Figura 12 despliega una señal periódica 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 es posible ejecutar mejor la acción de cualquier controlador en tiempo real.

En la Figura 14 (tomada de (Hoyos, F. E, 2008), se indica el rendimiento de una técnica de control ZAD —Zero Average Dynamics— (Angulo, F., 2003; Angulo, F. et al., 2008; Taborda, J. et al., 2007), trabajando en conjunto con la técnica de control FPIC —control por inducción al punto fijo— (Angulo, F. et al., 2007; Olivar, G. et al., 2005)

Después de haber reducido la IEM al máximo se aplicó otra técnica de control —control con histéresis— (Angulo, F., 2007; Hoyos, C.et al., 2007; Angulo, F. et al., 2007), donde es indispensable que las señales sensadas estén libres de IEM. En la Figura 15 se presenta el rendimiento de este controlador trabajando en tiempo real desde una DSP, para una referencia 40 sen (2 π 10t).

Conclusiones

Las IEM producidas por el convertidor bajo estudio fueron reducidas en su gran mayoría, usando las técnicas de supresión.

Después de haber eliminado la gran mayoría de las IEM fue posible ejecutar bien las técnicas de control y se observó un gran aumento en el rendimiento de éstas, implementadas en tiempo real.

Las siguientes son algunas consideraciones a tener en cuenta:

-Las líneas análogas de las digitales deben estar separadas.

-No usar conectores en páneles (correas) sin protección en áreas donde hay gran radiación electromagnética.

-Para llevar señales del exterior a la tarjeta es necesario usar cable par trenzado apantallado con el fin de llevar cada señal a un pin y devolverla por su señal de retorno, y que estén apantalladas.

-En lo posible, usar cables cortos entre el exterior y la tarjeta.

-No juntar líneas de 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 magnéti-cos entre líneas.

-Proteger las señales contra equipos que produzcan campos magnéticos tales como celulares, transformadores, bobinas, fuentes de poder, motores eléctricos, pantallas, etcétera.

Agradecimientos

Agradecimientos infinitos a la profesora Fabiola Angulo García por todo el apoyo brindado; sin él, hubiera sido muy difícil la realización de estas investigaciones.

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