Generación y estudio de los modos de creación de espectro ampliado en convertidores de potencia basados en conmutación PWM
- Autores: Tomás Morales Leal
- Directores de la Tesis: Antonio Moreno Muñoz (dir. tes.), Manuel A. Ortiz López (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2025
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Luis Roncero Sánchez-Elipe (presid.), Aurora del Rocío Gil de Castro (secret.), Enrique Romero Cadaval (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Computación Avanzada, Energía y Plasmas por la Universidad de Córdoba
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis: La transformación eficiente de energía eléctrica es uno de los fines principales de la propia ingeniería eléctrica en general e ingeniería electrónica en particular. La generación se adecua a los voltajes y potencias más convenientes con el fin de transportar la energía de la forma más eficiente. Prácticamente siempre va a ser necesaria una conversión de nivel y características de la señal proveniente, normalmente, de una red de suministro público para ajustarse a la necesitada por el dispositivo final. En la actualidad la conversión de potencia eléctrica se realiza principalmente mediante conmutación de señales de voltaje o de corriente. La técnica de conmutación más utilizada con diferencia es la modulación por anchura de pulso, denominada por su nombre en inglés "pulse width modulation" de forma simplificada PWM.
Como el principio de funcionamiento de generación PWM consiste en cortar una señal eléctrica a una determinada frecuencia, tal acción conlleva emisión electromagnética, creando perturbación que puede producir interferencia electromagnética, llamada EMI, acrónimo en inglés de "electromagnetic interference". La emisión de un dispositivo puede producir interferencia electromagnética en otro dispositivo más o menos cercano al productor de la emisión. [1]. Cuando se empezó a utilizar en convertidores la técnica de conmutación de voltaje, o corriente, a una frecuencia de conmutación invariable, enseguida quedó de manifiesto el efecto indeseado de la emisión electromagnética conducida y radiada originada en los componentes de conmutación [2]. Observándose que los efectos perniciosos provenían de los fuertes picos de emisiones electromagnéticas a ciertas frecuencias.
Con el fin de reducir la amplitud de los picos se ideó ampliar el espectro de emisión, técnica llamada de espectro ampliado (spread spectrum en inglés, cuyo acrónimo es SS). El principio físico de la ampliación del espectro es que la energía total de emisión no disminuye, pero se ensancha la banda de dispersión sobre la frecuencia de la cresta de radiación, consiguiéndose atenuar la amplitud del pico, el cual es el productor de los efectos perjudiciales de la emisión.
La creación de espectro ampliado se consigue implementando dos tipos distintos de variación de los parámetros PWM. El primer tipo es la variación periódica de la frecuencia de conmutación, el segundo tipo es la variación aleatoria de los parámetros. Cada tipo a su vez admite múltiples diversificaciones, cada una de la cuales se llama modo de creación de espectro ampliado 2.Contenido de la investigación: En el presente trabajo de investigación se plantean y confeccionan gran cantidad de combinaciones posibles de generación de espectro ampliado en convertidores cuyo principio de conversión es la modulación por ancho de pulso.
Cada modo de creación de espectro ampliado se programa e implementa en una tarjeta FPGA, y se ensaya en un convertidor Buck. Se mide y se cuantifica la emisión armónica de cada uno de los modos tanto a la entrada del convertidor, como a la salida del convertidor.
En la variación periódica se utilizan tres clases de señales distintas, senoidal, triangular y exponencial. Cada modo de variación periódica frecuencial admite distintos grados de variación [3]. En el convertidor Buck se implementan los tres modos de variación periódica de la frecuencia de conmutación, y cada uno con distintos grados, se mide la reducción en las emisiones armónicas de cada combinación a la entrada y a la salida de convertidor. Se compara la reducción de cada modo y grado de variación con respecto a los otros dos modos. Se obtiene el modo con mayor reducción.
En la variación aleatoria de los parámetros PWM se generan distintos modos de aleatorización. En cada modo se aleatoriza uno o varios parámetros. Los parámetros que admiten variación son: tiempo de duración del periodo, tiempo de duración del pulso y tiempo de espera del pulso [4]. También se ensayan distintos grados de variación de los parámetros. Se programa y prueba cada modo aleatorio en el convertidor Buck, tanto a la entrada como a la salida. Se mide su emisión armónica. Se compara la reducción de la emisión de cada modo con las reducciones de los demás modos.
En las combinaciones de las variaciones aleatorias de los parámetros de la señal PWM surgen nuevos modos no probados antes de la inclusión en el presente trabajo de investigación. Todos estos modos noveles se programan y se prueban en el convertidor usado para medir sus emisiones armónicas obteniéndose resultados de reducción de emisión bastante altos.
3.Conclusión: Se han conseguido altos grados de reducción de picos armónicos con la variación periódica triangular y variación periódica exponencial. En cambio, con la variación periódica senoidal las reducciones obtenidas son en menor amplitud que en los otros dos tipos d variación periódica.
Las reducciones de picos de emisión con las variaciones aleatorias de los parámetros de conmutación son variadas. Hay modos de variación en los que apenas hay reducción de picos, y modos en los que las reducciones de picos son muy altas. En todos los modos cuanto mayor es el grado de variación del parámetro mayor es la amplitud de reducción, pero en algunos modos la diferencia entre los grados de variación del parámetro es tan pequeña que se prefiere un grado menor de variación del parámetro ya que ofrece mayor estabilidad de la señal de entrada o salida. Algunos modos cuya frecuencia de conmutación es variable ofrecen grandes reducciones de picos de emisión, pero algunos modos con frecuencia de conmutación fija también ofrecen grandes reducciones, prefiriéndose éstos últimos ya que ofrecen más estabilidad en los casos que haya realimentación en el convertidor.
Los modos de variación aleatoria no introducidos antes de la realización de la tesis ofrecen grandes reducciones en los picos de emisiones armónicas, siendo aptos para ser implementados en convertidores prácticos
