Ens proposem fer girar tubs de material conductor (coure o alumini) de diferents llargades i diàmetres. Aquest tub que hom vol fer girar és el secundari d'una màquina elèctrica d'inducció, i actua de rotor o part mòbil. L'inductor de la màquina, que actua d'estàtor o part fixa, està alimentat per mitjà d'una font de corrent ideal. Ens trobem, per tant, en un sistema elèctric alimentat per font de corrent, en contraposició al sistema elèctric usual que s'alimenta per font de tensió. En el sistema elèctric de font de corrent, la potència en borns s'aconsegueix per variació de la tensió aplicada a la màquina, mentre que es manté fix el corrent. Cal evitar el circuit obert com calia evitar el curtcircuit en el sistema de font de tensió.Aquest treball està enquadrat en un marc més ampli que amb els nous materials (nuclis de ferrites, superconductors, electrònica) es qüestiona la mateixa essència constructiva de les màquines elèctriques, de soca-rel. Els resultats són esperats per altres persones que treballen en camins paral.lels i complementaris.Es contempla aprofitar aquestes noves màquines en una aplicació tèxtil.Constructivament, es treballa amb un sol conductor per ranura. Fa que aquestes màquines siguin aptes per anar substituint trams de conductor rígid per superconductor. Els conductors de l'inductor van refrigerats per aigua, per així incrementar la densitat de corrent. Quan s'esdevingui la utilització amb superconductors caldrà refrigerar amb nitrogen líquid.El mètode de treball és experimental, però sense menystenir altres eines (ajustaments teòrics, simulació per elements finits). Es comença per dissenyar un primer prototipus amb les dues úniques exigències de: màxima simplicitat i alimentació per font de corrent. És l'anomenada màquina de "canyeria" o Prat-1.Els resultats permeten dissenyar dos nous prototipus. De cadascun se'n fan dues variantsPrimerament, la màquina de sector d'estàtor. El seu inductor és només un arc d'estàtor (Prat-2.1). El model complet és la màquina de vuitanta conductors (Prat-2.0). De totes dues se'n construeixen i assagen els prototipus pneumàtics. De Prat-2.1 se n' estudia també la part electromagnètica.Després es construeix una màquina que, alimentada en monofàsic, arrenca per variació de reluctància, i alimentada en bifàsic, arrenca per camp giratori. Es la màquina d'arrencada per reluctància (Prat-3). Se'n construeix una segona versió fent servir estany fos (que per mitjà d'uns utillatges apropiats passa a omplenar els camins destinats a circuit elèctric). Hom l'anomena màquina d'estany colat (Prat-4). Industrialment, es preveu substituir l'estany per alumini. Totes dues tenen vuit conductors de coure refrigerats amb aigua.Tots aquests resultats previs permeten construir una màquina trifàsica de rotor extern i amb dos inductors (Prat-5).Aquests prototipus giren sense rodaments mecànics. En el cas de Prat-2.0/ Prat-2.1 es fa servir un coixí pneumàtic. En la màquina de "canyeria" (Prat-1), s'observa un desplaçament axial del rotor cap a fora quan augmentem el corrent. Els altres tres prototipus giren sense rodaments i amb frecs poc importants. Hom no aprofundeix en tot el tema de levitació associat a aquests fenòmens, perquè en aquest treball interessaven més els aspectes constructius.Destaquem com a fets més representatius haver treballat amb un sol conductor per ranura, la gran importància de les simetries en el disseny d'aquestes màquines, la necessitat d'un transformador d'intensitat sobre la pròpia màquina, i la convicció que hom ha de tendir cap a ranures cada vegada més aplanades. La màquina de "canyeria" sense ranures (pura capa de corrent), és la que millor gira, i a més, levita. / Nos proponemos hacer girar tubos de material conductor (cobre o aluminio) de distintas longitudes y diámetros. Este tubo que se quiere hacer girar es el secundario de una máquina eléctrica de inducción, y actúa de rotor o parte móvil.El inductor de la máquina, que actúa de estátor o parte fija, se alimenta de una fuente de corriente ideal. Nos encontramos, por tanto, en un sistema eléctrico alimentado por fuente de corriente, en contraposición al sistema eléctrico al uso que se alimenta por fuente de tensión. En el sistema eléctrico de fuente de corriente, la potencia en bornes se consigue por variación de la tensión aplicada a la máquina, manteniéndose fija la intensidad. Cabe evitar el circuito abierto, al igual que debíamos evitar el cortocircuito en el sistema de fuente de tensión.Este trabajo se encuadra en un marco mucho más amplio que con los nuevos materiales (núcleos de ferrita, superconductores, electrónica) se cuestiona la misma esencia constructivas de las máquinas eléctricas. Los resultados los esperan otros que trabajan en caminos paralelos y complementarios.Se contempla aprovechar estas nuevas máquinas en una aplicación textil.Constructivamente se trabaja con un solo conductor por ranura. Las hace a estas máquinas aptas para que tramos de conductor rígido puedan ser sustituidos por superconductor. Los conductores del inductor se refrigeran por agua para incrementar las densidades de corriente admisibles. En el caso de superconductores habrá que cambiar el refrigerante a nitrógeno líquido.El método de trabajo es experimental, sin menoscabro de otros (ajustes teóricos, simulación por elementos finitos). Se diseña un primer prototipo con dos únicas exigencias: máxima simplicidad y alimentación por fuente de corriente. Se le llama máquina de cañeria o Prat-1.Los resultados permiten diseñar dos nuevos prototipos. Dos variantes de cada uno.El primero, la máquina de sector de estátor. Su inductor es un arco de estátor (Prat-2.1). El modelo completo es la máquina de ochenta conductores (Prat-2.0). De ambas se construyen y ensayan los prototipos neumáticos. De Prat-2.1 también la parte electromagnética.Después se construye una máquina que, alimentada en monofásico, arranca por variación de reluctáncia, y alimentada en bifásico, arranca por campo giratorio. Es la máquina de arranque por reluctáncia (Prat-3). Se construye una segunda versión utilizando estaño fundido (mediante unos utillajes apropiados pasa a rellenar los huecos destinados a ubicar el circuito eléctrico). Se la llama máquina de colada de estaño (Prat-4). En la industria se prevé sustituir estaño por aluminio. Ambas tienen ocho conductores de cobre refrigerados por agua.Estos resultados previos permiten construir una máquina trifásica de rotor externo y dos inductores (Prat-5).Estos prototipos giran sin rodamientos mecánicos. En Prat-2.0/ Prat-2.1 se utiliza cojín neumático. En la máquina de cañeria (Prat-1), se observa un desplazamiento axial del rotor hacia el exterior si incrementamos la intensidad de corriente. Los tres restantes prototipos giran sin rodamientos y con fricciones de poca monta. No se profundiza en el tema de levitación asociado por tratarse de un trabajo más orientado a aspectos constructivos.Como hechos más representativos se citan haber trabajado con un solo conductor por ranura, la gran importancia de las simetrías en el diseño de estas máquinas, la necesidad de un transformador de corriente sobre la propia máquina, i la convicción que hay que tender a ranuras cada vez más planas. La máquina de cañeria sin ranuras (pura capa de corriente), es la que mejor gira y encima levita / Our idea is to rotate pipes produced of conductor materials (copper or aluminium) having different lengths and diameters. The pipe to be rotated is secondary in an induction electrical device and acts as rotor, or mobile part.The inductor of the device, acting as stator or fixed part, is powered by means of an ideal current source. Therefore we deal with an electical system powered by a current source, in contrast to usual electrical systems powered by means of a voltage source. In an electrical system powered by a current source, the terminal power is obtained by varying the voltage applied to the device, the current being fixed. One should avoid open circuits similar to avoiding short circuits in a system powered by a voltage source.This work fits into a wider framework which, using new materials (ferrite, superconductors, electronics), puts into question the whole essense of electrical devices. The results obtained are as expected by other authors who follow parallel and complementary ways.The possibility of using these new devices in textil applications is considered.Constructively, we work with an only conductor per slot. This enables one to replace segments of rigid conductor by superconductors in our devices. The inductor conductors are water-cooled in order to increase the current density. When superconductors are used, cooling by liquid nitrogen will be required.The working method is experimental; however, other tools are not discarded (theoreticaladjustments, simulations using the finite elements). We begin with designing a first prototype to meet the only two restrictions: maximum simplicity and powering by a current source. This is the so-called "cane"device, or Prat-1.The results obtained enable us to design two new prototypes. Two variants of each of these prototypes are made. The first is a stator sector device. The inductor of this device is the one and only stator arc (Prat- 2.1). A complete model is a device containing eighty conductors (Prat-2.0). Pneumatic prototypes of the both devices are made and tested. The electromagnetic part of Prat-2.1 is also studied.The next step is to construct a device which starts by reluctance variation, if powered inmonophase, and by rotary camp, if powered in biphase. This is the reluctance started device (Prat-3).Another version of this device is constructed using fused tin (which, by means of appropriate tools, fills in the routes designed for the electic circuit). This is the so-called tin-filled device (Prat-4). In industrial applications, tin is suggested to be replaced by aluminium. Both devices have eight water-cooled copper conductors.All above results enable us to construct a three-phase device having an external rotor and two inductors (Prat-5).These prototypes rotate without mechanical bearings. In case of Prat-2.0/ Prat-2.1, a pneumatic bearing is used. In the "cane" device, a rotor axial displacement towards outside is observed when the current is increased. The remaining three prototypes rotate without bearings proving to have frictions of minor importance. We do not deal with the topic of levitation related to these phenomena, since our basic focus in this work has been rather on constructive aspects.Let us indicate as the most significant facts that we have worked with the only conductor per slot, that symmetries are of an utmost importance for designing these devices, that an intensity transformator is required for the device, and that we are sure that there should be a tendency towards more and more plain slots. The "cane" device having no slots (a pure current layer) is the one that rotates better and, moreover, levitates.

La existencia de máquinas eléctricas industriales desde finales del siglo XIX implica que es un sector de desarrollo maduro donde parecen difíciles nuevos conceptos de máquina, a no ser que el desarrollo de nuevos materiales o tecnologías de fabricación hagan que conceptos de máquina con pocas aplicaciones pase a ser objeto de mejora y optimización. Analizando la literatura de estos últimos años (ver bibliografía), donde se pueden encontrar máquinas nada convencionales, se infiere que los diseños más interesantes hacen referencia a flujos que ya no pueden simplificarse a dos dimensiones como en los motores convencionales, sino que requieren interpretarlo en sus tres dimensiones. De todas las topologías propuestas es la máquina de flujo axial la que está encontrando mayor número de aplicaciones.En esta tesis doctoral se pretende presentar el estado del arte de esta topología de máquina, justificar su necesidad frente/junto a las máquinas radiales, presentar los parámetros de diseño fundamentales de la misma, presentar el modelo analítico tradicional de máquina de inducción, aportando la solución analítica de las ecuaciones de la máquina.En las máquinas axiales de inducción con rótor sólido no ferromagnético se presentan fenómenos que no tienen explicación evidente, como puede ser el giro en vacío a velocidades muy alejadas de la de sincronismo, o las dificultades en el arranque de las mismas. Con anterioridad ya se han hecho intentos de aplicar caminos de corriente preferentes en maquinas de este tipo con el fin de mejorar las prestaciones, pero aún no se ha logrado encontrar una explicación a alguno de los fenómenos que rodean a este tipo de máquinas.Se ha analizado modelos en 3 dimensiones de máquinas de flujo axial empleando el Método de los elementos finitos (MEF), puesto que el problema de las máquinas de flujo axial es un problema tridimensional, como así se reconoce en la bibliografía consultada.La simulación en 3 dimensiones (3D) de campos electromagnéticos no es novedad, puesto que existe software que permite el cálculo en 3D, sin embargo las simulaciones consultadas en la bibliografía son siempre con campos magnéticos estáticos, la mayoría de veces en 2D y nunca aplicada a cuerpos en movimiento.De los trabajos realizados se ha comprobado que para extraer conclusiones, es tan importante el número como la imagen gráfica de la simulación. Se han validado los resultados en base a los prototipos desarrollados en el Departament d'Enginyeria Elèctrica de la UPC. Desarrollados dentro del equipo de trabajo en el que ha trabajado el autor, dirigidos por Ricard Bosch Tous.Estos prototipos tienen en común la geometría axial, el número de polos y las similares dimensiones interiores y exteriores. Se ha trabajado sobre máquinas de 20 pares de polos, formadas por 1 ó 2 inductores constituidos por un soporte ferromagnético o no, sobre el que se bobina el devanado inductor. El rótor es siempre un disco de aluminio de diferentes dimensiones en función del prototipo.Se ha concluido la necesidad de emplear rotores ranurados debido a los vórtices de corriente que se forman, con el fin de alargar las líneas de corriente y por lo tanto la componente útil de la misma.Se ha concluido también la necesidad de incrementar las frecuencias de trabajo por encima de la f de 50 Hz. Existiendo frecuencias donde se prevé un mejor funcionamiento, que son los 500 y 1000 Hz. / Electrical Machines began to develop in early beginning of XIXth century. This means they have evolved for two centuries, and actually, from an electromechanical point of view, it is difficult to improve them.But there exists other topologies of electrical machines which were forgotten practically from the beginning of their evolution, as in case of axial flux machines.New materials and manufacturing techniques can make possible to develop and improve them.Taking a look on the recent literature related with non conventional machines, as it is the case of linear or axial flux machines, one can see that conventional two dimensional analysis gives little result. Due to the particular topology of these machines, magnetic field must be analysed in its three dimensions.The aim and goal of this thesis is to show the state of the art of axial flux machines, to justify its need against/beside radial flux machines, to show the basic design parameters and to analyse a 2 stator 1 rotor axial flux machine using the Finite Element Merhod (FEM).Axial flux induction machines with non ferromagnetic rotor show results of extremely difficult explanation, as a no load speed far away from synchronous speed. In previous works other authors have tried to fix preferred paths for induced current in these machines, but actually no answer has been found for a lot of questions around them.In this work a three dimensional analysis of the axial flux machine, through FEM simulations with moving rotor, have been performed using ANSYS software.No references of similar works have been found in the literature.Prototypes of axial flux machines with non ferromagnetic conductive rotor have been developed in the "Departement d'Enginyeria Elèctrica" of the Polytechnic University of Catalonia, by the team of Dr. Ricard Boch.Iron and ironless inductors have been tested showing similar results and showing speeds at no load that agree with the simulations.The conclusion of the thesis is that these machines ar so sensitive to frequency (f) and s and show better results at 500 Hz and 1 kHz.It has been proposed to use slotted rotors to break the current vortex and to extent the current lines to improve the torque of the machine.

SA l'actualitat les societats industrials avançades basen el seu desenvolupament en les noves Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC). Però aquestes tecnologies són molt sensibles a la qualitat i continuïtat del seu subministrament d'energia elèctrica. Per aquest motiu els Sistemes d'Alimentació Ininterrompuda (SAI) i, per tant, els onduladors, estan agafant un nou protagonisme com a elements fonamentals de la nova societat de les TIC.Els equipaments de les TIC són en la seva totalitat equips electrònics que es comporten com a càrregues no lineals per a la xarxa elèctrica que els alimenta. Les càrregues no lineals consumeixen intensitats no sinusoïdals que en el cas d'ésser alimentades per SAI originen una distorsió harmònica de l'ona de tensió sinusoïdal de sortida. En aquests moments els SAI presents al mercat presenten una Distorsió Harmònica Total (THD) no inferior al 5% quan alimenten càrregues no lineals. Disminuir aquesta distorsió és l'actual repte en el disseny dels onduladors dels SAI.El present treball proposa una sèrie de tècniques de control, per tal d'aconseguir onduladors amb una molt baixa taxa de distorsió harmònica, basades en una nova metodologia de control no lineal provenint de la teoria del control en mode lliscant. La principal aportació del control en mode lliscant és la seva robustesa davant les pertorbacions i, per tant, sembla una tecnologia de control perfectament adaptada per a respondre a les càrregues no lineals de les TIC. La principal dificultat de l'aplicació pràctica dels controls que s'estudien en el present treball és la necessitat d'efectuar els càlculs necessaris amb una elevada velocitat per tal d'aconseguir freqüències d'execució de l'algoritme de control no inferiors a 40 kHz.En el present treball s'han dissenyat i construït els prototipus necessaris per tal d'implementar els algoritmes de control estudiats perquè siguin executats en un Processador Digital de Senyal (DSP) amb una freqüència d'execució prou elevada per tal d'aconseguir una distorsió harmònica total (THD) extraordinàriament baixa alimentant càrregues totalment no lineals. Es creu sincerament que no existeix, en aquests moments, al mercat cap altre ondulador amb les característiques aconseguides. / Nowadays, advanced industry societies base their development on Information Technologies and Communication (ITC). But these technologies are very sensitive to quality and continuity of power supply. For this reason Uninterruptible Power Supply (UPS) and, in fact, inverters are taking the chief role in fundamental elements of new societies of ITC.ITC equipment is totally electronics and their behaviour is like a nonlinear load for electrical grid supplying them. Nonlinear loads consume non-sinusoidal currents that in case they are supplied by an UPS produce harmonic distortion of the voltage output wave. Nowadays, UPS in the market achieve a Total Harmonic Distortion (THD) not less than 5% when supplying nonlinear loads. Decrease this distortion is the goal in UPS inverter design.The present work proposes several techniques in order to obtain a low THD. These techniques are based on a new nonlinear control methodology developed from sliding mode control theory. The main feature of sliding mode control is its robustness in front of perturbations and, therefore, it seems a very interesting method for nonlinear loads of the ITC. However, the main difficulty in the actual application is the need for high speed processors in order to achieve high frequency algorithm execution, not less than 40 kHz.In the present work new prototypes have been designed and constructed to implement the studied control algorithms. Theses prototypes use high speed DSPs in order to achieve a low THD in the inverter supplying nonlinear loads. In the market does not exist a similar inverter with similar features like ones developed in this work.

Many methods for EMI suppression have been developed in the last fifty years, most of them, showing a hardly change in its implementation. Traditional tools for EMI suppression are related to the use of filters, shielding techniques and new methods for layout improvement. These hardware techniques are normally supported with waveform shapes having themselves a lower spectral content. This kind of signals makes part of a different concept of EMI suppression that consists of limiting the spectral content in the signal itself. When possible, just waveforms with a lower spectral content should be used, this way making easier, simpler and cheaper the use of filters and other suppression means. In this line, EMI-reduction techniques such a Spread Spectrum Clock Generation (SSCG) are contributing to eliminate or limit the problem at the root, that is, at the signal itself.This thesis is developed in several parts, corresponding to different chapters. A summary of these chapters is presented onwards:After introduction in chapter 1, a wide theoretical development of the modulation and related concepts are presented in chapter 2. It is explained generically all aspects related to the modulation and particularly, to the frequency modulation. Main parameters of frequency modulation are presented and explained in detail and how practical considerations may affect to the theoretical behaviour of these parameters. Because the theoretical part of this thesis is completely based on the fundamentals of Fourier Transform, a sufficient explanation was thought to include for its right understanding . Finally, all this knowledge is summarized in a computational algorithm (MATLAB environment), capable of generating any frequency modulation of a sinusoidal carrier and the corresponding spectral components resulting from the modulation process.Chapter 3 takes profit of the results obtained in Chapter 2 where it is possible to obtain the theoretical behaviour of the different modulation profiles of interest: sinusoidal, triangular, exponential and mixed waveforms. This way, chapter 3 is intended to completely understand and analyze the theoretical behaviour of these modulation profiles and be quantified according to several significant measure parameters. Afterwards, a comparison of these modulation profiles is carried out by means of the measure parameters defined previously. A proposal of control for a real power converter and theoretical considerations to apply a certain SSCG method to switching power converters are also included in this chapter. After all aspects of frequency modulation by means of SSCG methods have been theoretically developed, it is mandatory the verification of the theoretical conclusions through an experimental test plant. Chapter 4 starts with the description, theoretical calculation and physical implementation of this test plant. Most practical considerations are here dealt with, like the influence of the Spectrum Analyzer's Resolution Bandwidth (RBW) on the measured EMI, a proposal of a practical method to select a valuable SSCG technique applied to Switching Power Converters, comparative measurements of conducted EMI within the range of conducted emissions (0 Hz 30 MHz) and a proposal about SSCG as a method to avoid interfering a certain signal.Chapter 5 summarizes the whole conclusions gathered through the previous chapters and, finally, chapter 6 lists references related to the thesis, separated into different thematic groups.