Existen perturbaciones típicas, debido a las propias condiciones naturales físicas de los elementos (ruido térmico, ruido por cuantización de las cargas, ruido de semiconductor, etc.) y otras provenientes de dispositivos en condiciones de su operación (contactos, motores, lámparas, soldadores, etc.) [10 y 11].
3.3.1 Perturbación por conmutación de interruptores
Con este término nos referimos a todos los dispositivos cuyo objetivo es cerrar o abrir uno o varios circuitos eléctricos por medio de contactos separables, como se observa en la figura 3.4.
PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
La perturbación que se produce en un contacto obedece al tipo de carga que se le coloque, por ejemplo:
• Comportamiento con carga resistiva. La conmutación de una carga resistiva por medio
de un contacto seco no genera ninguna, o casi ninguna perturbación.
• Comportamiento con carga inductiva. La conmutación de una carga inductiva presenta
dos regímenes. Primer régimen (estable), un contacto que alimenta una carga inductiva no genera perturbaciones. Segundo régimen (inestable), la apertura de un circuito inductivo genera, en las bornes dos situaciones (Ver figura 3.5):
Figura 3.5 Tensión en los bornes después de un corte de corrientes inductivas.
1.- Una sobretensión importante que produce una serie de descargas eléctricas, seguidas ocasionalmente de un régimen de arco.
2.- Una oscilación armónica de tensión a la frecuencia propia del circuito constituido por una carga inductiva.
Las pruebas de laboratorio se realizan sobre un interruptor convencional, propio de una instalación eléctrica donde la principal carga de estos interruptores es una lámpara incandescente (Ver figura 3.6).
Los resultados obtenidos se muestran en las gráficas de las figuras 3.7 y 3.8, cuando el circuito conmuta a la posición de encendido y apagado de una lámpara incandescente de 200W.
Figura 3.7. EMI conducida generada por un interruptor con carga, a la posición de encendido
La figura 3.8 muestra la forma de perturbación al momento de apagado de una lámpara incandescente foco de 200W.
Figura 3.8. EMI conducida generada por un interruptor con carga, a la posición de apagado.
Las perturbaciones de este tipo generan transitorios que varían entre 1 y 10KV aumentando de acuerdo a la velocidad de apertura del interruptor y energía almacenada en el circuito (cables,
PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
componentes, etc). El efecto que se presenta sobre los componentes electromecánicos tradicionales es despreciable, pero pueden perturbar algunos circuitos electrónicos, ya sea por conducción o por radiación.
Por conducción: se tiene una serie de sucesos de tipo transitorio superpuestos a la corriente de
alimentación, que pueden provocar el accionamiento imprevisto de tiristores, triacs y la conmutación o la destrucción de entradas sensibles.
Por radiación: Estas perturbaciones de altas frecuencias pueden perturbar los circuitos
vecinos (cables colocados en la misma canaleta, pistas de tarjetas de circuitos impresos, etc). Además, pueden perturbar los aparatos de telecomunicación próximos (televisión, radio, etc.).
3.3.2 Perturbación por conmutación de semiconductores
Con este término nos referimos a todos los componentes electrónicos que establecen y/o interrumpen la corriente en un circuito eléctrico. Los conmutadores electrónicos basados en tiristores, y dispositivos electrónicos de conmutación (Ver figura 3.9), que se utilizan en el control de motores y fuentes de potencia, son generadores de ruido de amplio espectro, como consecuencia de la rapidez de sus cambios.
Figura 3.9 Dispositivos de conmutación electrónica
Los convertidores electrónicos utilizados en los variadores de velocidad, tanto de C.C. como de C.A. y en los sistemas de alimentación ininterrumpida generan interferencias electromagnéticas, denominadas vulgarmente «parásitas». La causa de tales perturbaciones son los flancos abruptos de tensión y corriente originados por conmutación de semiconductores.
En general, las EMI están formadas por la superposición de señales de alta frecuencia que van desde los 10kHz a algunos GHz. Este tipo de interferencias suelen causar mal funcionamiento en equipos de computo, autómatas programables, equipos de control numérico, etc. De alguna manera, se trata de interruptores muy rápidos que se abrirán o cerraran en función de la orden enviada al accionador del interruptor, a saber, la base (B) o la compuerta (G) según sea el dispositivo. Las perturbaciones generadas por estos dispositivos son de dos tipos:
• Armónicos de baja frecuencia: 10KHz
• Transitorios de baja y de alta frecuencia: hasta 30MHz, y se pueden transmitir tanto por conducción como por radiación.
Las pruebas de laboratorio se realizan sobre una fuente de alimentación que se utiliza como cargador de baterías para teléfono celular y un regulador de C.A. conocido también como Dimmer utilizado para controlar la intensidad luminosa de un foco o resistencia calorífica (Ver figura 3.10).
Figura 3.10. Ejemplos de dispositivos que emplean conmutadores electrónicos.
La evaluación de los resultados obtenidos para el cargador de baterías al momento de conexión con la línea de alimentación eléctrica y durante el funcionamiento normal se muestra en las gráficas de las figuras 3.11 y 3.12 respectivamente.
PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
Figura 3.11. EMI conducida generada por un cargador de baterías telefónico al momento de conexión con el suministro eléctrico.
La descripción de la figura 3.12 corresponde a la evaluación de perturbaciones generadas por un cargador telefónico en su operación normal. Para ello se realiza un barrido en frecuencia hasta 30MHz de acuerdo a lo convenido por las normas CISPR antes referidas.
Figura 3.12. EMI conducidas generada por un cargador de baterías telefónico durante su funcionamiento normal.
La evaluación de los resultados obtenidos para el uso de un regulador de C.A. se obtiene de acuerdo al tipo de carga instalada (lámpara incandescente, resistencia calorífica, transformador, etc), que determina un nivel de amplitud y ancho de pulso máximo / minino durante el funcionamiento del Dimmer. Las gráficas de las figuras 3.13 y 3.14 muestran los resultados obtenidos para distintas cargas controladas por un Dimmer.
Figura 3.13. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una lámpara incandescente de 200W de carga
La característica de EMI conducida que muestra un dimmer es similar a la de un interruptor con carga, solo que en esta ocasión la perturbación esta presente en todo momento debido a la velocidad de las múltiples conmutaciones que realiza el dimmer hacia la carga.
De acuerdo a lo observado en esta prueba, es posible mantener un nivel máximo/minimo de amplitud y ancho de pulso controlado por el tiempo de abertura de la compuerta G del tiristor con el que fue diseñado el dimmer. Otros resultados obtenidos son al momento de cambiar el tipo de carga, como se observa a continuación en las siguientes gráficas (ver figura 3.14 , 3.15 y 3.16).
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Figura 3.14. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una lámpara incandescente de 100W de carga
Figura 3.15. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una resistencia calorífica de 25W de carga
Figura 3.16. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con un transformador de carga
3.3.3 Perturbación por motores eléctricos
Los motores eléctricos constituyen una fuente importante de perturbación tanto conducida como radiada, estas dependen del tipo de motor (inducción, escobillas, síncronos, etc.) empleados durante la aplicación [11].
Motores de inducción: La diferencia entre el motor de inducción y el motor síncrono es que en
el motor de inducción el rotor no es un imán permanente sino que es un electroimán. Tiene barras de conducción a lo largo de su estructura, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos a cada extremidad del rotor. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas llamadas "jaula de ardilla" (Ver figura 3.17).
Cada par de barras es una revolución en cortocircuito, desde el punto de vista magnético. El rotor se magnetiza por las corrientes inducidas en sus barras, debido a la acción del campo magnético, girando en el estator. Mientras que el campo del estator pasa a lo largo de las barras del rotor, el campo magnético que cambia induce altas corrientes en ellas y genera su
PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
La polaridad del campo magnético inducido del rotor es tal que repele al campo del estator que lo creó, y esta repulsión resulta en un torque sobre el rotor que provoca el giro. Por esta razón, los motores de inducción son poco perturbadores.
Figura 3.17 Motor de inducción o jaula de ardilla
Motores de escobillas: las perturbaciones se originan en las escobillas de los colectores que
funcionan como interruptores mecánicos operando a gran velocidad, y que generan un ruido con espectro entre 1 y 10 kHz (Ver figura 3.18).
Figura 3.18 Motor de escobillas típico
Los motores con escobillas generan perturbaciones de tipo transitorio, que se producen en la fase de conmutación de las escobillas.
Señales emitidas:
• Armónicos de baja frecuencia.
• Perturbaciones en la red de alimentación (caída de tensión)
Las pruebas de laboratorio se realizan para un taladro con motor de escobillas y un ventilador con motor de inducción (Ver figura 3.19), donde se muestra las diversas características de EMI conducida que generan ambos motores al momento de conmutación encendido / apagado y durante su operación normal.
Figura 3.19. Ejemplos de equipos con motor de escobillas e inducción.
La evaluación de los resultados obtenidos se muestran en las gráficas de las figuras 3.20, 3.21 y 3.22 cuando se emplea un taladro con motor de escobillas al momento de conmutación encendido / apagado y durante su operación normal.
La siguiente gráfica ilustra las características de EMI conducida que genera un taladro con motor de escobillar al momento de encendido.
PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
Similar a lo anterior, la gráfica de la figura 3.21 describe el comportamiento de EMI conducida generada por un taladro con motor de escobillas al momento de apagado.
Figura 3.21 EMI conducida generada por un taladro al momento de apagado.
Como complemento a la descripción de las EMI conducidas generadas por un taladro con motor de escobillas se muestra la gráfica de la figura 3.22, donde se detalla el comportamiento de ruido que se genera durante su operación normal.
Figura 3.22 EMI conducidas generadas por un taladro con motor de escobillas durante su operación normal.
Eventualmente se realizaron las mismas pruebas para el ventilador con motor de inducción sin embargo solo se presenta la gráfica donde se describe el comportamiento de ruido que genera este equipo durante su operación normal. En comparación con lo descrito anteriormente acerca del ruido que genera un motor de escobillas y uno de inducción se puede corroborar que ciertamente un motor de escobillas es más perturbador que uno de inducción. La gráfica que se muestra a continuación, describe las características de ruido que genera un ventilador con motor de inducción (Ver figura 3.23).
Figura 3.23. EMI conducidas generadas por un ventilador con motor de inducción.
3.3.4 Perturbación por lámparas fluorescentes controladas por balastro
Las lámparas de descarga tienen características altamente no-lineales y dan lugar a corrientes armónicas de órdenes impares. El problema resulta crítico en el caso de iluminación fluorescente, Figura 3.24, debido a la alta concentración de lámparas de este tipo; en una instalación trifásica a cuatro hilos, los armónicos múltiplos de tres se suman en el neutro, siendo dominante el tercer armónico.
PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
Figura 3.24 Lámpara de descarga de alto rendimiento.
Las pruebas de laboratorio para este tipo de dispositivos se realizan en base al circuito mostrado en la figura 3.25 donde se coloca una lámpara compacta autobalastrada de 65W.
Figura 3.25. Lámpara compacta autobalastrada de 65W.
El resultado obtenido de esta prueba se muestra en la gráfica de la figura 3.26 donde se detalla la característica de EMI conducida cuando el dispositivo conmuta a la posición de encendido.
3.3.5 Perturbación por transformadores
Los transformadores generan armónicos de corriente debido a la característica no lineal de su núcleo ferromagnético. Para que exista un flujo senoidal en el núcleo de los transformadores, es preciso que las corrientes magnetizantes presenten distorsión principalmente en los armónicos impares, en especial en el tercer armónico que da lugar a un sobrepico en las mismas. Este fenómeno se ve agravado con el grado de saturación del núcleo del transformador, principalmente si las corrientes circulantes presentan alguna componente continua. Hay que indicar que los transformadores dan lugar a otro fenómeno de suma importancia, que esta ligado con las corrientes elevadas de irrupción que se producen, de manera transitoria, durante la energización de estos [11].
La prueba de laboratorio se realiza a un transformador típico, donde se evalúa únicamente la característica de ruido que genera al poner continuamente en cortocircuito la salida.
CAPÍTULO 4
M
EDICIÓN DE LASE
MISIONESC
ONDUCIDASG
ENERADAS PORE
QUIPOS DEC
OMUNICACIÓNBPL
La incorporación de este capítulo al presente trabajo tiene como objetivo mostrar los resultados obtenidos en [9] y complementar las pruebas realizadas con nuevos equipos BPL adquiridos por esta sección de investigación.
En resumen. Se realizar una evaluación de las EMI conducidas provocadas por equipos de comunicación BPL sobre la red eléctrica, implementando para su valoración un sistema de medición referido por la norma internacional CISPR 22 y Solar Electronics Company [12, 13]. El uso de esta norma se debe a que actualmente no existe alguna que se dedique a la regulación sobre el uso de equipos que emplean la red eléctrica como medio de comunicación.
La norma internacional CISPR 22 trata sobre los límites y métodos para medir las características radioeléctricas producto de los aparatos de tratamiento de la información y es aplicable a todos los equipos con tecnologías para la información ETI que tienen como función principal una o mas de las siguientes funciones: introducir, almacenar, desplegar recuperar, transmitir, procesar, conmutar o controlar datos y mensajes de telecomunicaciones. La aplicación de esta norma siguiere los siguientes pasos.
1. Determinar el tipo de clase ETI al que pertenece el Equipo Bajo Prueba (EBP). 2. Determinar la frecuencia de operación del EBP
3. Fijar los límites de perturbación.
4.1 PREPARACIÓN DEL EBP PARA LA MEDICIÓN DE LAS EMI CONDUCIDAS
La prueba de medición de las EMI conducidas generadas por el EBP se sigue bajo las recomendaciones y pasos establecidos anteriormente por la norma. En particular las pruebas son realizadas en los equipos BPL Instant Powerline EtherFast 10/100 Bridge
fabricado por la empresa Linksys y Wall-plugged bridge XE102IS fabricado por la empresa NETGEAR1.
4.1.1 Determinar el tipo de clase ETI de los EBP Linksys y Netgear.
El tipo de clase ETI se especifica de acuerdo al lugar de operación del EBP. Según lo enunciado por esta norma la Clase B ETI esta pensada para dispositivos que funcionan dentro de un ambiente domestico, mientras que los equipos de la Clase A ETI se encuentran los dispositivos de uso comercial, industrial o de negocios.
De lo anterior se define que el uso de nuestros EBP se clasifica dentro de la clase B ETI ya que estos operan en el interior de una casa habitación
4.1.2 Determinar la frecuencia de operación de los EBP Linksys y Netgear.
Para medir la frecuencia de operación de los equipos BPL Linksys y Netgear, se realiza la siguiente prueba: se debe conectar la punta de corriente al analizador de espectros y sujetarla sobre la fase de alimentación, El siguiente esquema ilustra la configuración utilizada para esta prueba (Ver figura 4.1).
Figura 4.1 Medición de la frecuencia de operación de los equipos BPL Linksys y Netgear.
MEDICIÓN DE LAS EMISIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS DE COMUNICACIÓN BPL
El material y equipo empleado para esta prueba se menciona a continuación:
1. EBP Modem BPL.
2. Analizador de espectros FSH3. 3. Sonda de corriente EZ-17 4. Computadora personal.
5. Cable de red RJ-45 CAT 5 UTP
Como resultado de la prueba realizada sobre el equipo BPL de la marca Linksys se muestra en la figura 4.2.
Figura 4.2. Frecuencia de operación del equipo BPL Linksys.
En la figura 4.2 se muestra la frecuencia de operación del equipo BPL Linksys donde se observa la frecuencia de transmisión a 22 MHz y la frecuencia de recepción a 18 MHz.
Como dato importante, se ha establecido el uso de frecuencia entre 1.6 a 10 MHz para equipos PLC de acceso y frecuencias entre 10 a 30 MHz para equipos BPL dentro del hogar, evidentemente la prueba realizada anteriormente muestra valores de frecuencia comprendidos entre 10 y 30 MHz para los equipos BPL Linksys y por consecuencia es de esperar que la frecuencia de operación para los equipos BPL Netgear estén entre estos mismos valores.
4.1.3.Fijar los límites de perturbación.
Ahora se fijan los límites de perturbación de la tabla 4.1 descrita por la misma norma, donde se define la banda de frecuencia en función de la frecuencia de operación de nuestros EBP y el límite de perturbación en función del tipo de detector empleado para su medición.
Tabla 4.1.- Límites para el disturbio conducido en modo común de las terminales de telecomunicación, en el intervalo de frecuencia comprendido entre 0.15 a
30MHz para equipos de la Clase B.
Límite de tensión dB(μV) Límite de corriente dB(μA)
Banda de
frecuencia MHz Cuasi-pico Promedio Cuasi-pico Promedio
0.15 a 0.5 84 a 74 74 a 64 40 a 30 30 a 20
0.5 a 30 74 64 30 20
La frecuencia de operación de los EBP objeto de este estudio se encuentran entre 10 – 30 MHz lo que indica que el ancho de banda utilizado es de 0.5 a 30 MHz y la medición se realiza con un detector Cuasi-pico. por lo que el límite de perturbación es de 74dBμV.
4.2 SISTEMA DE MEDICIÓN PARA LAS PRUEBAS DE EMISIONES