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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
e-mail: [email protected] ; [email protected]
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,...).
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
[3][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 3 respectivamente.
60
-
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
50
Impedancia [dBOhm]
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:
40
30
20 5
10
10
6
10
7
Frecuencia [Hz]
Fig. 2 Impedancia en modo común de un motor de inducción
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.
11 >>
1) CH1:
3. Efectos de la modulación RMC
100 Volt 500 us
Fig. 3 Tensión VMn 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
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
Vref
el efecto de una nueva modulación orientada a la
reducción de la corriente de fuga. Esto representa un
cambio en la fuente de perturbación.
γ
Conexión
Configuración
A
B
C
D
S1
S2
S3
On
Off
On
On
On
On
Off
On
Off
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
E1
E1
T1
Tz
T1'
E1 Tz
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.
Tn
E3 3
Tn
E5 3
Tn
3
E3
T3
T3'
E3 Tz
Tz
E1
Tn
E1 3
Fig. 10 Modulación RMC
De esta forma, un periodo de la tensión de salida queda
dividida en 12 sectores. La tensión VMn producida por esta
tensión aparece en la Figura 11
11 >>
1) CH1:
100 Volt 500 us
Fig. 11 Tensión VMn 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 1/3 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.
100
Trazo oscuro:
Trazo claro:
90
Conf B
Conf A
80
[dBuA]
70
60
50
40
30
20
0
0.5
1
1.5
Frecuencia [Hz]
2
2.5
3
x 10
7
Figura 2. Medida sobre M1 Configuraciones B y A
100
Trazo oscuro:
Trazo claro:
90
Conf B
Conf C
80
[dBuA]
70
60
50
40
30
20
0
0.5
1
1.5
Frecuencia [Hz]
2
2.5
3
x 10
7
Figura 3. Medida sobre M1 Configuraciones B y C
100
Trazo oscuro:
Trazo claro:
90
Conf B
Conf D
80
[dBuA]
70
60
50
40
30
20
0
0.5
1
1.5
Frecuencia [Hz]
2
Figura 4. Medida sobre M1 Configuraciones B y D
2.5
3
x 10
7
100
Trazo oscuro:
Trazo claro:
90
Conf A
Conf B
80
[dBuA]
70
60
50
40
30
20
0
0.5
1
1.5
Frecuencia [Hz]
2
2.5
3
x 10
7
Figura 5. Medida sobre M2 Configuraciones A y B
100
Trazo oscuro:
Trazo claro:
90
Conf A
Conf C
80
[dBuA]
70
60
50
40
30
20
0
0.5
1
1.5
Frecuencia [Hz]
2
2.5
3
x 10
7
Figura 6. Medida sobre M2 Configuraciones A y C
100
Trazo oscuro:
Trazo claro:
90
Conf A
Conf D
80
[dBuA]
70
60
50
40
30
20
0
0.5
1
1.5
Frecuencia [Hz]
2
Figura 7. Medida sobre M2 Configuraciones A y D
2.5
3
x 10
7
Ctrl. Inversor
PC/DSP
RED
380V AC
L1
L2
L3
M≈
M2
PE
S1
M1
S2
S3
Pinza Amp. RF
(0.01-30MHz)
Analizador de Espectros
(9kHz-1.8GHz)
Pinza Amp. RF
(0.01-30MHz)
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)
Transactions on Industrial Applications. Vol.31, No.6.
Noviembre/Diciembre 1995
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 150kHz. Sin embargo, presenta un
inconveniente que limita su aplicación práctica: su reducido
valor del índice de modulación de amplitud.
Referencias
[1]
Zhong, E., Lipo, T. A., “Improvements in EMC
performance of inverter-fed motor drive”. IEEE
[2]
Julian, A.L. , Lipo, T.A. , Oriti, G. , “Elimination of
Common Mode Voltage in Three Phase Sinusoidal Power
Converter”. Power Electronics Specialist Conference,
1996. Pag.1968-1972.
[3]
Cacciato, M., Consoli, A., Scarcella, G., Testa, A.,
“Reduction of Common Mode Currents in PWM
Inverter Motor Drives”. IEEE Transactions on Industry
Applications, vol.35,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