La present tesi doctoral estudia els inversors trifàsics multinivell del tipus denominat de díodes de fixació (diode-clamped converters). Aquests convertidors poden generar tres o més nivells de tensió a cada fase de sortida, i normalment s'apliquen a sistemes de gran potència ja que poden treballar amb tensions majors que els inversors clàssics. L'anàlisi es centra fonamentalment en la topologia de tres nivells, tot i que també es realitzen contribucions per a convertidors de més nivells. Els principals objectius són la proposta de nous algorismes de modulació vectorial PWM de processat ràpid, l'estudi i la compensació dels efectes dels desequilibris de les tensions dels condensadors del bus de continua, i l'anàlisi de llaços de control avançat.S'han desenvolupat diversos models que han permès obtenir resultats de simulació de les tècniques de modulació i control proposades. A més, gràcies a l'estada d'un any de l'autor al Center for Power Electronics Systems (CPES) a Virginia Tech, USA, la tesi també inclou resultats experimentals que consoliden les conclusions i metodologies presentades. Les principals contribucions es resumeixen a continuació. Es presenta un nou algorisme de modulació vectorial PWM que aprofita simetries del diagrama vectorial per a reduir el temps de processat. S'analitzen i es quantifiquen les oscil·lacions de tensió de baixa freqüència que apareixen en el punt central dels condensadors del convertidor de tres nivells. Aquesta informació permet dimensionar els condensadors donades les especificacions d'una determinada aplicació.L'algorisme de modulació també s'aplica a convertidors de més nivells. Pel cas concret del convertidor de quatre nivells, es comprova l'existència de corrents continus en els punts mitjos dels condensadors que fan que els sistema sigui inestable. Es determinen gràficament les zones d'inestabilitat. Es presenta un nou i eficient algorisme de modulació vectorial feedforward en el convertidor de tres nivells que és capaç de generar tensions trifàsiques de sortida equilibrades, malgrat l'existència de desequilibris en les tensions dels condensadors.S'estudien els efectes negatius de càrregues lineals desequilibrades i càrregues no lineals en el control de les tensions dels condensadors. Es justifica que l'existència d'un quart harmònic en els corrents de càrrega pot inestabilitzar el sistema. És determina la màxima amplitud tolerable d'aquest harmònic.S'estudia la millora en l'equilibrat de les tensions d'una connexió de dos convertidors de tres nivells al mateix bus de continua (back-to-back connection). Un exemple d'aplicació pràctica és la conversió AC/DC/AC per a l'accionament de motors d'alterna treballant amb factor de potència unitari.Finalment s'aplica un controlador òptim al convertidor de tres nivells treballant com a rectificador elevador (boost). El llaç de control LQR (Linear Quadratic Regulator) es simplifica donat que la tasca d'equilibrat de les tensions dels condensadors es dur a terme en el mateix modulador.

A prerequisite for safe and stable operation of an electric power system is the accurate and reliable measurement of the system parameters, in particular, current and voltage. Conventionally, this has been achieved on High Voltage (H.V.) systems by expensive, bulky iron-core transformers and also by capacitor transformers. Both of them are increasingly coming under review (chapter 1) in modern power system due to their cost, safety implications for personnel and surrounding plant if failure occurs, installation time and indeed substation land requirements. Research effort into viable alternatives to instrument transformers has been ongoing for many years to reduce the cost and improve the safety and accuracy of this devices. In the last years, this research has accelerated due to the new requirements of the modern metering and protection systems based on electronic and microprocessor devices. This trend in the modern systems has allowed the development of novel transducers where the accuracy, the reliability and the safety has been significantly improved. The main alternative incorporate optic fibre viewed as the most realistic method of providing cheap and safe isolation between the chosen sensor at phase potential and earth. The sensor itself is, in the case of current measurement, based on the Faraday effect while in the case of the voltage measurement is generally a Pockels or Kerr effect device measuring a fraction of the actual phase voltage by employing a capacitive voltage divider.In parallel to the development of the optical alternative other different transducers have been studied based on the properties offer for new materials and technologies developed in the last years. A clear example of new emergent technologies is found in the piezoelectricity (chapter 2).In just over 100 years piezoelectricity has moved from a laboratory curiosity to big business. During this period, several technologies have been developed to utilise the piezoelectric effect.In turn, each of these technologies has become an essential component in many kinds of electronic products. The U.S. piezoelectric industry, good mirror for analyse the internationaltechnologic development, has gone through several boom and bust cycles. However, new applications are emerging for piezoelectricity because of the developments in piezoelectric ceramics and polymers. Even though piezoelectric quartz crystal still holds the largest marketsegment, several new piezoelectric ceramic and piezoelectric polymer materials are being developed that represent good, attractive market segments in terms of growth, competition, and investment.This thesis proposes an alternative for the measurement in High Voltage environments by using the piezoelectric technology. The thesis was initially concentrated in the alternative of the voltage measurement, but the successfully results in this field have open the way to propose alternatives for measuring current.Accordingly, the present thesis develops a novel instrument transformer based on the mechanical forces developed for the piezoelectric materials under the influence of an electric field. The transformer consists of an actuator piezoelectric column and a sensor piezoelectric column. The actuator column is connected to the a.c. High Voltage to be measured. This electrical voltage produces the generation of mechanical forces within the material. The forces can be measured by means of the piezoelectric sensor and convert it back into a low electrical signal which can drive an electronic protection or measuring system. The novel piezoelectric transformer herein treated is of wide application in electrical networks for measuring, providing both advantageous accuracy and large transformation ratio. Furthermore, It is expected to reduce the volume, weight and manufacturing cost of the traditional electromagnetic transformers.

La humitat és un dels paràmetres més característics del sòl i el seu coneixement té interès des de diversos àmbits de la enginyeria. Conèixer la humitat mitjançant la impedància elèctrica planteja un estudi acurat de les tècniques de mesura per determinar quins factors o components es mesuren realment. Cal saber, a més, si corresponen a la presència i quantificació de la humitat o a interferències com fenòmens de transducció iònico electrònica, fenòmens en el si del material o limitacions pròpies de la instrumentació, sovint poc aprofundits per la bibliografia. L'estudi teòric de les propietats elèctriques, conductivitat i permitivitat, de les barreges estableix unes directrius o punts de partida. El sòl és un sistema de partícules amb tres fases: la sòlida, l'electrolítica i els buits, que es comporta com un dielèctric compost amb moltes pèrdues. La interacció entre fases modifica les propietats elèctriques de les barreges teòriques i ens porta a l'estudi detallat de diverses lleis pseudoempíriques i al plantejament d'un model propi.S'han analitzat les tècniques clàssiques de mesura d'impedància elèctrica, abast, validesa i limitacions quan s'estudia el medi sòl. La no consideració dels punts febles o el seu oblit pot portar a interpretacions errònies. Aquesta anàlisi de tècniques de mesura i l'estudi elèctric de materials ha portat al desenvolupament de cèl.lules adaptades a diferents estratègies de mesura, a la combinació de diversos instruments i a la connexió adient de les parts amb diverses solucions originals.La conductivitat dels sòls no depèn de la freqüència en el marge estudiat (1 Hz a 100 MHz); sí que depèn dels continguts de sals dissoltes en l'electròlit. A partir d'un llindar, hi ha una relació lineal entre conductivitat i humitat en sòls de tipus sorrenc. En canvi, la relació en sòls llimosos i argilosos és de tipus potencial fins a una saturació. A freqüència baixa, no és possible mesurar la permitivitat de sòls atesa la influència de la conductivitat. A freqüències superiors a 1 MHz, la relació permitivitat humitat és aproximadament lineal en sòls sorrencs i potencial en sòls llimosos i argilosos. Aquests resultats s'han contrastat amb els models bibliogràfics, que s'han adaptat o modificat.L'anàlisi i desenvolupament de les tècniques de mesura i els models elèctrics de sòls permeten conèixer el contingut d'humitat dels sòls, tot i que cal un coneixement del tipus de sòl de què es tracta i de la concentració inicial de l'electròlit. Les tècniques desenvolupades complementen de forma ràpida i barata les tècniques clàssiques no elèctriques i poden substituir les si s'accepta una incertesa del 5%.

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.

La presente tesis estudia, propone y realiza sus principales aportaciones en el campo del control para el convertidor CC/CA de tres niveles, sobre la topología denominada Neutral-Point-Clamped, aunque se puede extender a otras topologías y/o número de niveles. Se presenta una metodología de modelado que emplea funciones de conmutación de fase, el operador de promediado y la transformación D-Q, tal que los modelos obtenidos en el dominio D-Q contienen una información completa sobre la dinámica del sistema. La estrategia de conmutación se puede entender como una extensión de la estrategia PWM senoidal de dos a tres niveles. Esta estrategia es simple y no realiza el control de ninguna de las variables del sistema. En esta tesis, el controlador se encarga de regular todas las variables del sistema, incluido el equilibrio del bus de continua. Este es un enfoque diferente del convencional, donde el equilibrio del bus de continua se consigue mediante la elección adecuada de los estados redundantes del convertidor en la estrategia de conmutación, mientras que el resto de variables se regulan a través del controlador. Para la realización del controlador, se propone la técnica de control lineal multivariable LQR (Linear Quadratic Regulator), complementada con la técnica de control no lineal adaptativo denominada programación de ganancia (Gain Scheduling). Se presenta, además, una metodología de cálculo del controlador. Este control es versátil, abierto y adaptable. En cualquier caso, el controlador se puede adaptar a las necesidades concretas de cada aplicación. El cálculo del controlador se realiza mediante simulación con MatLab-Simulink. Los modelos matemáticos que emplean las funciones de conmutación del convertidor son aquellos que ofrecen un mejor compromiso entre velocidad de simulación y precisión. Para validar el control propuesto, se ha diseñado y construido un equipo experimental donde el controlador se ha mostrado aplicable, útil y eficaz en la regulación de las distintas cargas y aplicaciones experimentadas, incluso con carga no lineal, bajo diferentes condiciones de trabajo y variables a controlar, tanto en régimen permanente como en procesos transitorios. La rapidez y calidad de la respuesta transitoria es comparable a la de otros sistemas de control publicados. Es especialmente interesante el excelente control conseguido del equilibrio del bus de continua. Además, la robustez del control permite cancelar el error estacionario aunque diferentes parámetros del sistema presenten desviaciones significativas respecto los valores esperados. El uso de la programación de ganancia junto con la técnica LQR se ha mostrado muy efectivo, puesto que permite realizar diferentes tipos de control. Se ha comprobado la congruencia entre simulaciones y resultados experimentales obtenidos, lo que valida los modelos de simulación empleados y el proceso de diseño del controlador mediante simulación. / This dissertation study, propose and carry out the main contributions in the field of three-level inverter control, using the topology Neutral-Point-Clamped, although results can be extended to other topologies and/or number of levels. A procedure for modelling is presented, based on line-switching functions, moving average operator and D-Q transformation. Then, the obtained models in D-Q frame contain complete information about system dynamics. Switching strategy is simple and can be considered as an extension of two-level sinusoidal PWM to three level. The system variables are not controlled by the switching strategy. In this work, all the system variables are controlled by the regulator, including DC-link balance. This control approach is different than the conventional one, where DC-link balance is achieved by means of a proper selection of redundant states in the switching strategy, and the other variables are controlled by the regulator. The regulator is based on the multivariable linear control technique LQR (Linear Quadratic Regulator), in combination with the non-linear adaptive control technique Gain Scheduling. Moreover, a methodology for the calculation of the controller is presented. This controller is versatile, open and adaptable. However, the controller can be built depending on the concrete specifications of each application. The controller is calculated by means of simulation using MatLab-Simulink. The mathematical models based on the switching functions of the converter give the best trade-off between simulation speed and precision. In order to validate the proposed controller, an experimental prototype has been designed and implemented. Experimental results show that the controller is useful and effective for the regulation of different loads and applications, even with non-linear loads, different operation points and variables to control, in steady-state and transitory operation. Dynamic response speed and quality are similar to other control systems in the literature. The DC-link balance control achieved is specially interesting. Furthermore, steady-state error is cancelled due to the robustness of the controller, even though significant deviation of different system parameters are present. The use of Gain-Scheduling in combination with LQR is effective, allowing the calculation of regulators with different control strategies. Good agreement between simulations and experimental results has been found. This result validates simulation models and the design method for the controller, based on simulations.