En la presente memoria, se presenta un análisis de compatibilidad electromagnética de la electrónica de potencia en el diseño de un sistema de calentamiento inductivo. Los cables de alimentación y la electrónica de potencia a frecuencias entre 100 [Hz] y 10 [kHz] crean campos electromagnéticos intensos en los gabinetes de control y en su proximidad. Se propone estudiar sus efectos en los semiconductores utilizados y sobre los operadores en la zona cercana. Para tal efecto, se propone medir campos electromagnéticos en variadores de frecuencia y sistemas de calentamiento de modo de conocer los niveles frecuencias de los campos emitidos. Se comparará esos valores con las normas existentes para la protección de la salud de las personas contra las emisiones electromagnéticas. Se realizará también simulaciones de modelos físicos de semiconductores para estudiar los efectos de aplicación de flujo magnético en IGBT. titulo La metodología seguida consiste, en primer lugar, en una revisión bibliográfica del tema de la compatibilidad electromagnética para los variadores de frecuencia, del funcionamiento de los inversores para sistemas de calentamiento por inducción, de los modelos a nivel físico de los semiconductores típicos, de las ecuaciones de electromagnetismo y de difusión de partículas, de los métodos de resolución del sistema de ecuaciones y simulaciones realizadas por otros autores de semiconductores o de campos electromagnéticos emitidos o recibidos por la electrónica. Se realizará después mediciones de campos electromagnéticos en un variador de frecuencia para motor de inducción, dos hornos de inducción, de potencias y frecuencias distintas, para fundir metales y un prototipo del sistema de calentamiento de fluidos por inducción de 15 [kW]. Luego, se realizarán modelos físicos de diodo, MOSFET, BJT y IGBT con el software COMSOL, que se contrastarán con las ecuaciones teóricas de física electrónica y características eléctricas propias. Los resultados obtenidos indican que los modelos para simulación de semiconductores son fiables. Se demuestra que los campos magnéticos generados no son lo bastante intensos como para perturbar el funcionamiento de los IGBT que forman parte del inversor del sistema. También, se estudió los riesgos posibles para la salud de los trabajadores, encontrándose que en todos las situaciones anteriores, las normas no son sobrepasadas.

Durante la última década, los métodos de optimización heurísticos basados en imitar a nivel computacional procesos naturales, biológicos, sociales o culturales, han despertado el interés de la comunidad científica debido a su capacidad para explorar eficientemente espacios de soluciones multimodales y multidimensionales. En este ámbito, esta tesis aborda el desarrollo, análisis y puesta a punto de diferentes métodos de optimización tradicionales y heurísticos. En concreto, se considera un método de búsqueda local basado en símplex y varios métodos heurísticos, tales como el recocido simulado, los algoritmos genéticos y la optimización con enjambre de partículas. Para estos dos últimos algoritmos se investigan diferentes esquemas con el objetivo de superar las limitaciones propias de los esquemas clásicos.La puesta a punto de los diferentes métodos de optimización se realiza considerando como problema de referencia la caracterización de la radiación de antenas a partir de medidas en campo próximo sobre geometría plana, utilizando un método de transformación de campo cercano a campo lejano basado en corrientes equivalentes. Para cada método de optimización se incluye un análisis paramétrico, en los casos en los que se ha considerado necesario, así como resultados de transformación de campo teóricos obtenidos para diferentes antenas de apertura y antenas de bocina piramidal. Los resultados de un estudio comparativo, realizado utilizando fuentes teóricas y medidas, demuestran la utilidad del método y permiten concluir que la optimización con enjambre de partículas es el algoritmo que proporciona las mejores prestaciones para esta aplicación.Los métodos de optimización desarrollados e investigados en este trabajo han sido también aplicados a otros problemas como son la síntesis de agrupaciones lineales o el modelado de fuente en aplicaciones de compatibilidad electromagnética. / For the last decade, heuristic optimization methods based on imitating natural, biological, social or cultural processes in a computational way have aroused great interest among the scientific community, due to its ability to explore efficiently multimodal and high-dimension solution spaces. On this basis, this thesis tackles the development, analysis and tuning of different traditional and heuristic optimization methods. In short, a local search method based on simplex and several heuristic methods, such as simulated annealing, genetic algorithms and particle swarm optimization are considered. For these last two algorithms different schemes are investigated so as to overcome the typical limitations of classical schemes.The tuning of the optimization methods is carried out considering as a reference problem the antenna radiation characterization from near-field measurements over a planar geometry, using a near-field to far-field transformation method based on equivalent currents. A parametric analysis is included for each optimization method, in those cases in which it has been considered necessary, as well as theoretical field transformation results obtained with aperture and pyramidal horn antennas. Results of a comparative study, carried out using theoretical sources and measurements, demonstrate the usefulness of the method and make it possible to conclude that the particle swarm optimization is the algorithm that provides the best performance for this application.The optimization methods developed and investigated in this work have also been applied to other problems, such as the synthesis of linear arrays or the source modelling in electromagnetic compatibility applications.

Avui dia cada vegada s'ha de tenir més en compte com es realitza el traçat de pistes en les plaques de circuit imprès (PCB). Això és degut a que cada vegada més hi viatgen senyals amb components freqüencials més elevades. Per tant, paràmetres com la desadaptació per impedància característica, acoblaments, ressonàncies i comportaments complexes de les transicions que es troben els senyals en la seva propagació per les pistes, han de ser considerats per evitar problemes d'integritat del senyal i garantir la compatibilitat electromagnètica (EMC) amb el seu entorn. El present treball de tesi s'ha centrat en l'estudi del comportament d'una situació particular, però molt habitual, de pistes: dues pistes sobre un pla de massa, formant el que es coneix com una línia de transmissió microstrip acoblada. Els senyals que viatgen a través d'una línia microstrip acoblada es poden descompondre en dos modes bàsics de propagació: mode comú (on la tensió està definida entre el pla de massa i cada pista) i el mode diferencial (on la tensió està definida entre les pistes). Aquesta descomposició és molt habitual en el món de la compatibilitat electromagnètica ja que les tècniques de filtratge de les interferències varien depenent si aquestes viatgen en mode comú o en mode diferencial. El treball desenvolupat s'ha focalitzat en l'estudi, des d'aquest punt de vista multimodal (que té en compte simultàniament tant el mode comú com el diferencial), de les diferents transicions que es pot trobar el senyal en la seva propagació degut al traçat de pistes. Com a resultat d'aquest estudi s'han obtingut uns models circuitals que permeten l'anàlisi i simulació dels diferents modes que intervenen i que han estat validats de forma experimental. Aquest fet ha permès l'ús d'aquests models en l'anàlisi de problemes d'integritat del senyal que són comuns en el entorn de la compatibilitat electromagnètica (EMC). Els resultats obtinguts han estat presentats en congressos nacionals i internacionals. / Hoy en día cada vez se debe tener más en cuenta como se realiza el trazado de pistas en las placas de circuito impreso (PCB). Esto es así debido a que cada vez más viajan por ellas señales con componentes frecuenciales más elevadas. Por lo tanto, parámetros como la desadaptación por impedancia característica, acoplamientos, resonancias y comportamientos complejos de las transiciones que se encuentran las señales mientras se propagan por las pistas, deben ser tenidos en consideración para evitar problemas de integridad de la señal y garantizar la compatibilidad electromagnética (EMC) con su entorno. En el presente trabajo de tesis se ha centrado en el estudio del comportamiento de una situación particular, pero habitual, de pistas: dos pistas sobre un plano de masa, formando lo que se conoce como línea de transmisión microstrip acoplada. Las señales que viajan a través de una línea microstrip acoplada se pueden descomponer en dos modos básicos de propagación: modo común (donde la tensión está definida entre el plano de masa y cada pista) y modo diferencial (donde la tensión está definida entre pistas). Esta descomposición es muy habitual en el mundo de la compatibilidad electromagnética ya que las técnicas de filtrado de las interferencias varían dependiendo si estas viajan en modo común o en modo diferencial. El trabajo desarrollado se ha focalizado en el estudio, desde este punto de vista multimodal (que tiene en cuenta simultáneamente tanto el modo común como el diferencial), de las diferentes transiciones que puede encontrarse la señal durante su propagación debido al trazado de pistas. Como resultado se han obtenido unos modelos circuitales que permiten el análisis y simulación de los diferentes modos que intervienen y que han sido validados de forma experimental. Este hecho ha permitido el uso de dichos modelos en el análisis de problemas de integridad de la señal que son comunes en el entorno de la compatibilidad electromagnética (EMC). Los resultados obtenidos han sido mostrados en congresos nacionales e internacionales. / Nowadays, the placement of the strips in a printed circuit board (PCB) has to be performed with increasing care, because of the rise of the spectral content of the signals propagating through the strips. Due to this fact, mismatches of the characteristic impedances, crosstalks, resonances and complex behavior of the transitions that the signals may encounter in their propagation have to be considered in order to avoid signal integrity problems and to guarantee the electromagnetic compatibility with their environment. This work is focused on the study of the behavior of a particular, but also a very common way of routing strips: two close strips above a ground plane, forming a extit{coupled microstrip transmission line}. The signals present at this transmission line can be decomposed into two basic signals known as common mode (where its voltage is defined between the ground plane and each strip) and differential mode (where its voltage is defined between the two strips). This decomposition is often found in electromagnetic compatibility because the different techniques of filtering interferences depend on their main mode of propagation. The study carried out in this thesis is focused on the analysis from a multimodal point of view of different transitions that signals encounter during their propagation in a coupled microstrip transmission line. As a result of this analysis, a number of circuit models for different transitions have been obtained and experimentally validated. These models have been used to successfully study signal integrity problems found in EMC and they have been presented in national and international symposiums.

Un dels problemes més importants en la Compatibilitat Electromagnètica és el control de les interferències emeses i/o rebudes per un equip electrònic a través dels seus terminals d'alimentació monofàsica. Aquestes interferències es classifiquen en mode comú i mode diferencial. La manera més usual de mitigar-les és mitjançant la utilització de filtres de xarxa. Els mètodes actuals de disseny de filtres de xarxa tracten la mitigació d'aquest tipus d'interferències per separat: no tenen en compte que ambdós tipus de senyals (mode comú i diferencial) interaccionen entre sí i es transfereixen energia en qualsevol tipus d'asimetria originada pels equips electrònics o pels mateixos filtres. Aquest fet produeix freqüentment situacions inesperades: inefectivitat dels filtres de xarxa, aparició d'interferències en mode comú o diferencial inexplicables per la topologia dels circuits, selectivitat en freqüència del filtratge de les interferències, processos de radiació, etc. Aquest tipus de situacions poden ser analitzades i corregides a partir d'un anàlisi multimodal, que tingui en compte simultàniament el mode comú i el diferencial, i la seva interacció. El treball exposat aquí pretén:- Desenvolupar sistemes de mesura multimodal per a equips electrònics i filtres de xarxa. Aquests sistemes han de tenir en compte tant el mode comú, com el diferencial, com la seva interacció, i han de millorar les prestacions dels sistemes de mesura normatius actuals.- Trobar models equivalents des d'un punt de vista multimodal (tenint en compte simultàniament el mode comú, el diferencial i la seva interacció) tant d'equips electrònics com de filtres de xarxa.- Desenvolupar una metodologia de predicció de les interferències conduïdes que l'equip electrònic subministra a la xarxa elèctrica a través del filtre de xarxa al qual es troba connectat a partir dels models multimodals equivalents proposats per a ambdós dispositius.PARAULES CLAU: Compatibilitat electromagnètica, filtre de xarxa, equip electrònic, circuit equivalent, emissió conduïda, mode comú, mode diferencial, impedància d'entrada, paràmetres S. / Uno de los problemas más importantes en Compatibilidad Electromagnética es el control de las interferencias emitidas y/o recibidas por un equipo electrónico a través de sus terminales de alimentación monofásica. Estas interferencias se clasifican en modo común y modo diferencial. La manera más usual de mitigarlas es mediante el empleo de filtros de red. Los métodos actuales de diseño de filtros de red abordan la mitigación de este tipo de interferencias por separado: no tienen en cuenta que ambos tipos de señales (modo común y diferencial) interaccionan entre sí y se transfieren energía en cualquier tipo de asimetría originada por los equipos electrónicos o por los mismos filtros. Este hecho produce frecuentemente situaciones inesperadas: inefectividad de los filtros de red, aparición de interferencias en modo común o diferencial inexplicables por la topología de los circuitos, selectividad en frecuencia del filtrado de las interferencias, procesos de radiación, etc. Este tipo de situaciones pueden ser analizadas y corregidas a partir de un análisis multimodal, que tenga en cuenta simultáneamente el modo común y el diferencial, y su interacción. El trabajo aquí expuesto pretende:- Desarrollar sistemas de medida multimodal para equipos electrónicos y filtros de red. Dichos sistemas deben tener en cuenta tanto el modo común, como el diferencial, como su interacción, y deben mejorar las prestaciones de los sistemas de medida normativos actuales.- Hallar modelos equivalentes desde un punto de vista multimodal (teniendo en cuenta simultáneamente el modo común, el diferencial y su interacción) tanto de equipos electrónicos como de filtros de red.- Desarrollar una metodología de predicción de las interferencias conducidas que el equipo electrónico suministra a la red eléctrica a través del filtro de red al cual está conectado a partir de los modelos multimodales equivalentes propuestos para ambos dispositivos.PALABRAS CLAVE: Compatibilidad electromagnética, filtro de red, equipo electrónico, circuito equivalente, emisión conducida, modo común, modo diferencial, impedancia de entrada, parámetros S. / One of the most important problems in EMC is the control of the common and differential mode interferences emitted or received by an electronic device through its single phase power-line cable. These interferences are mitigated using power-line filters. The present power-line filter methodologies treat separately the mitigation of this kind of interferences: they do not take into account that both modes interact and exchange energy at any kind of asymmetry originated by the devices connected to the power-line, or by the power-line filters themselves. This fact leads to unexpected situations: power-line filter infectivity, appearance of common and differential mode interferences not accountable by the circuit topology, frequency selectivity of the interferences, radiation processes, etc. This kind of situations can be analyzed and corrected using multimodal analysis, which takes into account at the same time the common mode, the differential mode and their interaction. This project aims to:- Develop accurate multimodal measurement systems for both electronic devices and power-line network filters. They have to consider the common and differential modes, and their interaction, and have to improve the features of present normative measurement systems. - Derive equivalent models from a multimodal point of view (taking into account simultaneously the common mode, the differential mode and their interaction) for both electronic devices and power-line filters.- Develop a methodology for predicting the level of conducted emissions that an electronic device supplies to the power-line network through the power-line filter to which it is connected, using the equivalent multimodal models proposed for both devices.KEYWORDS: Electromagnetic compatibility, power-line filter, electronic device, equivalent circuit, conducted emissions, common mode, differential mode, input impedance, S parameters.

Les interferències de mode comú i diferencial que es propaguen en un cable de la xarxa elèctrica monofàsica s'acostumen a suprimir utilitzant els filtres de xarxa. Aquesta classe de filtres estan formats per xocs de mode comú, condensadors X i condensadors Y per a mitigar tant el mode comú com el mode diferencial. Tot i això, les metodologies actuals de disseny de filtres de xarxa presenten alguns inconvenients: els filtres es dissenyen per treballar en un entorn ideal amb impedàncies de 50 Ω i les atenuacions del mode comú i del mode diferencial s'analitzen de manera independent, sense considerar la conversió modal que es produeixen en les asimetries presents a la xarxa elèctrica, al dispositiu elèctric o al mateix filtre de xarxa. Aquests fets impliquen que les prediccions del comportament del filtre siguin inexactes i, conseqüentment, el filtre més adequat en una situació particular s'acaba majoritàriament escollint mitjançant la prova i error en llargues i costoses sessions de mesura. Per tal de millorar aquesta situació, aquest treball presenta:- Nous sistemes de mesura i caracterització per modelar completament el comportament dels filtres de xarxa, xarxa elèctrica i dispositius elèctrics. Amb aquesta finalitat, s'introdueix una nova metodologia de caracterització: la caracterització modal, que confina el mode comú i el mode diferencial en ports diferents, proporcionant així informació sobre la propagació de la interferència modal. Aquesta informació pot ser d'utilitat a l'hora de seleccionar el filtre de xarxa adient.- Una nova metodologia per a predir amb exactitud el nivell de les emissions conduïdes que un dispositiu elèctric introdueix a la xarxa elèctrica a través del filtre de xarxa. Aquesta metodologia està basada en les metodologies de caracterització presentades anteriorment. Caracteritzacions acurades permetran obtenir prediccions similars a les emissions conduïdes reals, evitant així llargues sessions de mesura.- Noves metodologies de disseny de filtres de xarxa per aconseguir implementacions òptimes i de baix cost. En una primera proposta, els components dels filtres de xarxa (condensadors i xocs) es caracteritzen modalment per trobar la combinació que obté el filtratge desitjat amb el mínim nombre de components. Aquesta metodologia és millorada posteriorment utilitzant filtres de xarxa asimètrics, obtenint així un filtratge òptim del mode comú i del mode diferencial.Tots els sistemes de mesura, així com les metodologies de caracterització, predicció i disseny, han estat provats amb èxit sobre equips reals. / Las interferencias de modo común y diferencial que se propagan en un cable de la red eléctrica monofásica se acostumbran a suprimir utilizando los filtros de red. Esta clase de filtros están formatos por choques de modo común, condensadores X y condensadores Y para mitigar tanto el modo común como el modo diferencial. Aún así, las metodologías actuales de diseño de filtros de red presentan algunos inconvenientes: los filtros se diseñan para trabajar en un entorno ideal con impedancias de 50 Ω y las atenuaciones del modo común y del modo diferencial se analizan de manera independiente, sin considerar la conversión modal que se producen en las asimetrías presentes en la red eléctrica, en el dispositivo eléctrico o en el mismo filtro de red. Estos hechos implican que las predicciones del comportamiento del filtro sean inexactas y, consecuentemente, el filtro más adecuado en una situación particular se acaba escogiendo mayoritariamente mediante la prueba y error en largas y costosas sesiones de medida. Para mejorar esta situación, este trabajo presenta:- Nuevos sistemas de medida y caracterización para modelar completamente el comportamiento de los filtros de red, red eléctrica y dispositivos eléctricos. Con este objetivo, se introduce una nueva metodología de caracterización: la caracterización modal, que confina el modo común y el modo diferencial en puertos diferentes, proporcionando así información sobre la propagación de la interferencia modal. Esta información puede ser de utilidad a la hora de seleccionar el filtro de red adecuado. - Una nueva metodología para predecir con exactitud el nivel de las emisiones conducidas que un dispositivo eléctrico introduce en la red eléctrica a través del filtro de red. Esta metodología está basada en las metodologías de caracterización presentadas anteriormente. Caracterizaciones precisas permitirán obtener predicciones similares a las emisiones conducidas reales, evitando así largas sesiones de medida. - Nuevas metodologías de diseño de filtros de red para conseguir implementaciones óptimas y de bajo coste. En una primera propuesta, los componentes de los filtros de red (condensadores y choques) se caracterizan modalmente para encontrar la combinación que obtiene el filtraje deseado con el mínimo número de componentes. Esta metodología es mejorada posteriormente utilizando filtros de red asimétricos, obteniendo así un filtraje óptimo del modo común y del modo diferencial. Todos los sistemas de medida, así como las metodologías de caracterización, predicción y diseño, han sido probados con éxito sobre equipos reales. / The common mode and differential mode interference propagated through the single-phase power-line cable is usually suppressed with power-line filters. This kind of filters is composed by common-mode chokes, X capacitors and Y capacitors to mitigate both the common mode and the differential mode. However, the present-day power-line filter design methodologies present some disadvantages: they are designed to be placed in an ideal 50-Ω system and the common mode and differential mode attenuations are analyzed independently, without considering the mode conversion that can be produced by asymmetries in the power-line filter, in the power-line network or in the electric device. These facts lead to inaccurate predictions of the power-line filter behavior and, consequently, the suitable filter is usually selected by trial and error in long and expensive measurement sessions. In order to improve this situation, this work presents:- New measurement systems and characterization methodologies to completely model the behavior of power-line filters, power-line networks and electric devices. To this end, a new characterization methodology is presented: the modal characterization, which confines the common mode and the differential mode into a different port and provides the information about the propagation of the modal interference, information that can be useful to select the suitable filter for its mitigation.- A new methodology to accurately predict the level of conducted emissions that an electric device supplies to the power-line network through its power-line filter, based on the measurement systems and characterization methodologies presented before. Accurate characterizations will allow predictions similar to the actual conducted emissions, avoiding long measurement sessions.- New design methodologies of power-line filters to achieve optimal and low cost implementations. In a first proposal, the components of the power-line filters are modally characterized to find, by computation, the combination that gets the desired filtering response with the minimum number of components. This methodology is further improved by using asymmetric power-line filters, obtaining an optimal mitigation of the common and differential mode.All measurement systems, as well as characterization, prediction and designing methodologies, have been successfully tested on actual devices.