Las enfermedades de degeneración macular y retinosis pigmentaria afectan directamente a la retina, provocando la pérdida de células fotoreceptoras, denominadas bastones y conos, encargadas de la transformación de señales luminosas provenientes del entorno en señales eléctricas que son interpretadas en el cerebro como imágenes. Estas enfermedades son de interés porque provocan la pérdida de células cuyo funcionamiento se puede reemplazar por dispositivos electrónicos, ya que utilizan cargas eléctricas como portadoras de información. El presente trabajo de tesis se centra en el diseño de un controlador de corriente como circuito integrado en un neuroestimulador que forma parte de un sistema de mayor complejidad, denominado prótesis epiretinal. Las entradas del circuito a diseñar son señales digitales, que determinarán la forma de onda de corriente a generar, y corrientes de referencia para establecer la resolución del controlador de corriente. El diseño se basa en una topología de espejos de corriente SCCT (Self Cascode Composite Transistor ) como estructura base de Conversores Digital-Analógico colocados directamente a la salida del controlador de corriente, distribuidos en ramas LSB, 2LSB, 4LSB y 8 LSB, con la posibilidad de compartir un circuito de polarización entre los canales locales. Se ha utilizado transistores de 5 V de la tecnología AMS (Austria Micro Systems) 0.35 µm. La carga utilizada para simular el circuito es un modelo de electrodo de impedancia de 30 kΩ en serie con 100 nF. El circuito fue probado utilizando el simulador SPECTRE en el software de diseño de circuitos integrados CADENCE. El presente trabajo permitió generar una forma de onda bifásica de corriente máxima de 55 µA, con un rango de voltaje a la salida de 2.2 V. La disipación de potencia del circuito se encuentra entre 10.2 µW y 72.2 µW, dependiendo de la etapa de forma de onda en que se encuentre. El área ocupada por la disposición física del circuito es de 0.006408 mm2. / Tesis

El presente trabajo se enmarca dentro de las actividades del proyecto FONDECYT N° 1085289, titulado: “Generación a velocidad variable utilizando conversores matriciales de cuatro piernas”. El objetivo general consiste en implementar un prototipo experimental capaz de emular un sistema diesel de generación a velocidad variable, y de alimentar cargas balanceadas y desbalanceadas, con tensiones de amplitud y frecuencia constantes. Para ello, se hace necesaria la programación de un algoritmo que incluya la rutina de un motor diesel operando a velocidad óptima. La emulación se realiza utilizando un motor de inducción jaula de ardilla, cuya velocidad es controlada utilizando un variador de frecuencia. La referencia de velocidad se regula de forma que el sistema sigue la dinámica asociada a un motor de combustión de consumo mínimo, cuya velocidad está ligada al nivel de potencia que requiera suministrar. Por otra parte, la generación variable hace necesaria la incorporación de una unidad conversora, de manera que la carga sea alimentada con niveles de tensión estables. Para ello, se utiliza un conversor matricial de cuatro piernas, aprovechando sus ventajas de tamaño, peso y confiabilidad. La portabilidad del sistema propuesto aumenta al considerar un generador de imanes permanentes acoplado a la emulación del motor diesel. El generador de imanes permanentes posee alta eficiencia y alta densidad de potencia, por lo que permite inyectar mayores niveles de potencia para una misma envergadura, en comparación a generadores convencionales. El sistema de conversión de voltajes hace uso de un algoritmo que incluye la modulación de las señales de entrada, para lo cual se implementa una rutina de modulación por vectores espaciales (SVM, por sus siglas en inglés). Al mismo tiempo, se utiliza un controlador resonante sintonizado en 50 [Hz], con el fin de establecer un valor específico (y programable) del voltaje fase-neutro en carga, y poder mantener una buena regulación de los niveles de tensión en carga, ante variadas perturbaciones. Las pruebas realizadas permitieron verificar la respuesta de los sistemas de control ante cargas de índole resistiva, capacitiva, inductiva y no lineal, al aplicar impactos balanceados y desbalanceados. En forma general, la respuesta del sistema resultó satisfactoria, pudiendo seguir las referencias de velocidad y mostrando una buena regulación de tensiones. Los casos de desconexión total de carga y de impacto monofásico no lineal fueron aquellos que presentaron resultados menos prometedores. En efecto, el caso de desconexión presentó problemas relativos al tiempo de estabilización de tensiones (200 [ms] de tiempo de estabilización), mientras que durante el impacto no lineal, hubo intrusión de componentes armónicas significativas, tanto en el estator de la máquina de imanes permanentes como en los voltajes fase-neutro de la carga (distorsión armónica total ~7,5%). Sin embargo, en todos los casos, el sistema fue capaz de mantenerse en funcionamiento, lo que se asegura su confiabilidad ante una gran variedad de topologías. Como resultado, se obtuvo un sistema experimental que permite emular un motor diesel con inercia, retardos, coeficiente de fricción y número de cilindros programable. Este sistema es capaz de alimentar cargas de diversa naturaleza y topología, de manera que mantiene estables las tensiones suministradas y adapta su velocidad de generación, a fin de optimizar el uso de combustible. Se puede concluir que la implementación resultó exitosa, ya que se logra establecer una metodología que cumple con los criterios de optimización del motor diesel y de estabilidad en carga. El sistema es útil para el estudio de motores diesel de características variadas, e incluso es adecuado para todo requerimiento en que la amplitud y/o frecuencia de generación presenten variaciones.

Ingeniero Civil Electricista / La penetración de las fuentes de energía renovable, que generalmente se caracterizan por operar de manera intermitente, con velocidad y frecuencia variable, hace necesario el uso de conversores para conectar estas fuentes a la red eléctrica, que opera con tensiones y frecuencias constantes. La tecnología de conversores no ha dejado de evolucionar, nuevas topologías de conversores están ingresando a la industria, el objetivo de esta memoria es presentar las topologías multiniveles y profundizar en la topología del conversor de tres niveles de neutro enclavado por diodos (NPC). Las ventajas principales de estos dispositivos respecto a los conversores convencionales de dos niveles son: Mejor calidad de corriente que se refleja en menor THD y la posibilidad de reducir la frecuencia de switching y con ello aumentar la eficiencia en la conversión de energía. Estos inversores tienen aplicaciones en muchos ámbitos de la industria eléctrica, como en los sistemas de conversión eólicos, sistemas fotovoltaicos, mejora de la calidad del producto energía eléctrica, motores de velocidad variables, entre otras. El objetivo específico de este trabajo es operar un inversor de tres piernas usando la modulación SVM de vectores virtuales, a baja frecuencia de switching. El desarrollo del trabajo llevó a que lograr esto era bastante complejo, debido a desbalances inesperados de la tensión de los condensadores del DC-LINK lo que requirió modificar la modulación de vectores virtuales e implementar una estrategia de lazo cerrado para estabilizar la tensión de los condensadores, pero conservando el núcleo de la modulación de vectores virtuales. La lógica utilizada fue no suponer a priori que la modulación de vectores virtuales por si sola logra estabilizar la tensión, sino buscar un espacio de trabajo donde se pudiera sintetizar correctamente la tensión de salida y además lograr estabilizar la tensión de los condensadores del DC-LINK, para ello fue necesario definir las funciones de desviación de tensión y encontrar de manera veloz las soluciones de estas ecuaciones, utilizando técnicas de optimización lineal. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios ya que se pudo sintetizar correctamente la tensión y además estabilizar la tensión de los condensadores operando a baja frecuencia de switching. El costo de esto fue que la complejidad computacional aumento ostensiblemente, pero un análisis matemático e informático más profundo podría simplificar la solución conservando sus cualidades.

Dado el creciente uso de sistemas alternativos de generación operando a velocidad y frecuencia variable, surge la necesidad de incorporar elementos a la red de distribución que sean capaces de hacer de interfaz entre el sistema de generación, la carga, y/o la red, como son los rectificadores, inversores, variadores de frecuencia, y otros, etc. Entre estos elementos se encuentra el conversor matricial de cuatro piernas que como su nombre lo indica, posee una “cuarta pierna” (o fase extra), que actúa como "neutro", en caso de que la carga sea desequilibrada y sea necesario proporcionar un camino de retorno para las corrientes de secuencia cero. Este conversor posee muchas aplicaciones útiles en distintas áreas, entre las cuales están los sistemas de conversión eólicos, los sistemas diesel de generación, sistemas eólico diesel, etc. En estos sistemas la eficiencia puede aumentar considerablemente al operar a velocidad variable, ya que las máquinas se operan en puntos óptimos dependiendo de la carga conectada. Con el fin de compensar las caídas de tensión en el filtro de salida, agregado para disminuir la distorsión de armónicas producida por la conmutación de los switches del conversor (y/o carga no lineal), es que se requiere un lazo cerrado de control de tensión para proporcionar un funcionamiento ajustado a los requerimientos del sistema. El principal objetivo de esta memoria es comparar los desempeños de dos alternativas de control a lazo cerrado, aplicado a conversores matriciales de cuatro piernas y así poder elegir aquel que se ajusta mejor a los requerimientos. Durante el desarrollo de este trabajo se diseñan e implementan controladores para regular la tensión en una carga trifásica. Estos controladores son validados experimentalmente bajo diversas condiciones de operación, entre las cuales están: operar con impactos de conexión y desconexión de carga, sistemas balanceados y desbalanceados, cambios del tipo escalón de cargas resistivas, capacitivas, reactivas y no lineales. Se obtiene como resultado de este trabajo, una caracterización del desempeño, de un conjunto de reguladores de tensión cuando son sometidos a distintas pruebas experimentales, tales como las mencionadas anteriormente. Posteriormente, la caracterización del desempeño realizada en este trabajo se utiliza para definir bajo qué condiciones de operación cada familia de sistemas de control opera adecuadamente. Por ejemplo, el controlador resonante logra una reducción de un 15% en la distorsión total de armónicas (THD) cuando el sistema alimenta una carga altamente no lineal, llegando a un THD de 6%. Se concluye que el sistema de control más adecuado para regular la tensión en la carga cuando se utiliza un conversor matricial, es el controlador resonante. Esto se debe a que esta familia de controladores posee las cualidades de: fácil diseño e implementación, baja carga computacional, excelente regulación ante diversas perturbaciones, capacidad de eliminar la distorsión de armónicas y versatilidad en aplicaciones de generación a velocidad variable. En paralelo a este estudio se están realizando las pruebas experimentales necesarias para implementar un controlador resonante de alto orden que regule la tensión en una carga trifásica desbalanceada no lineal, conectada a un sistema de generación a velocidad variable.

Ingeniero Civil Eléctrico / En los últimos años, la integración de fuentes de generación distribuida dentro los sistemas eléctricos ha emergido como un tema crítico impulsado principalmente por motivaciones ambientales e incentivos económicos. En este contexto, la utilización de convertidores fuente de voltaje (VSC, Voltage Source Converters) como interfaz generador-red ha cobrado cada vez más importancia, pues permiten operar y controlar los sistemas de generación, desempeñando un rol esencial en redes desbalanceadas. En el contexto de una red desbalanceada, aparecerán oscilaciones de potencia de doble frecuencia en la red, siendo reflejadas como ripple en el DC-link de un VSC. En la red, las oscilaciones de potencia activa pueden causar excesivo ruido y estrés mecánico en generadores sincrónicos, mientras que la potencia reactiva oscilante puede causar pérdidas excesivas sobre el sistema eléctrico. Análogamente las oscilaciones de potencia en el DC-link pueden afectar negativamente al desempeño de sistemas energizados por paneles solares, baterías y celdas de combustibles, reduciendo su eficiencia, vida útil y la confiabilidad en el largo plazo. Además, a causa de estas oscilaciones podría haber un eventual disparo de las protecciones por sobre tensión en el caso del DC-link, o por sobre corrientes en el convertidor lado red. En virtud de lo anterior, se han desarrollado distintas estrategias para controlar los VSC usando principalmente corrientes de secuencia positiva y negativa. Mediante estas corrientes los objetivos de control que se buscan conseguir son: compensación de oscilaciones de potencia activa en la red, potencia reactiva constante, corrientes balanceadas, DC-link sin ripple, entre otros. Dado que los grados de libertad que otorgan estas corrientes no son suficientes para alcanzar todos los objetivos de control que se quisieran, se podrían presentar significativas oscilaciones de potencia activa y/o reactiva de doble frecuencia de red o corrientes desbalanceadas de elevada magnitud. De manera alternativa se han propuesto nuevas estrategias de control usando corriente de secuencia cero y de este modo aumentar los grados de libertad, sin embargo la principal desventaja de estas estrategias es que pueden llegar a necesitar elevadas corrientes de secuencia cero, lo cual no siempre es posible de obtener según los límites nominales del sistema En este trabajo se propone una extensión de la estrategia de control que utiliza secuencia cero, permitiendo trabajar con corrientes de secuencia positiva, negativa y cero dentro de un esquema colaborativo. La estrategia propuesta tiene la capacidad de compensar las oscilaciones de potencia en el DC-link manteniendo las corrientes de fase y del neutro dentro del límite nominal, y mitigar las oscilaciones de potencia activa y reactiva de la red. Para lograr esto, la estrategia es diseñada utilizando MATLAB y simulada en el software PLECS con el fin de estudiar su comportamiento, y luego validada experimentalmente usando la plataforma de control dSPACE DS1103.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo aborda los conceptos básicos, sobre electrónica, semiconductores de potencia, controladores digitales de señales y software de simulación en electrónica de potencia, para lograr diseñar y construir un inversor MPPT fotovoltaico de 2kW de potencia nominal que sirva como base para desarrollos en esta área. Se presenta una introducción al tema, los objetivos de la memoria y una breve descripción del estado del arte, conocimientos necesarios para desarrollar un equipo de estas características. En función de estos antecedentes se presenta el diseño y simulación de la primera etapa de conversión, correspondiente al módulo Boost, utilizado para realizar un seguimiento de máxima potencia al sistema fotovoltaico. A continuación, se muestra la segunda etapa de conversión, de corriente continua a alterna, mediante un puente inversor completo. Se diseñan los sensores a utilizar, que son de voltaje DC, voltaje AC, corriente y temperatura. Se presenta el diseño de las etapas necesarias de control realimentado, que se programan en un microcontrolador. Esta etapa incluye la determinación de la tensión de máxima transferencia, se sincroniza el inversor con la red y se limita el trabajo del equipo dentro de rangos seguros de operación. Con el software PSim, se simula cada etapa de conversión de potencia, lo que permite realizar un diseño rápido y seguro. Se logra probar los ciclos de control diseñados para el sistema y ver el tipo de comportamiento ante perturbaciones. Se presenta en detalle la fase de construcción de cada uno de los módulos diseñados, reportando los planos, dispositivos y elementos de integración. Se realizan pruebas de potencia para el módulo Boost y el Inversor, ajustando los sensores. Por último se realizan pruebas de control realimentado como seguidor de tensión y seguidor de fase. Se finaliza con los resultados de las características relevantes del equipo, como lo son la eficiencia (80%) y costo de construcción estimado ($1466 US), para luego realizar un análisis de recuperación del capital en base a la energía generada. Como trabajo futuro se requiere de las pruebas de inyección de potencia a la red y de transferencia de máxima potencia conectando un panel fotovoltaico como fuente primaria de energía.

Las enfermedades de degeneración macular y retinosis pigmentaria afectan directamente a la retina, provocando la pérdida de células fotoreceptoras, denominadas bastones y conos, encargadas de la transformación de señales luminosas provenientes del entorno en señales eléctricas que son interpretadas en el cerebro como imágenes. Estas enfermedades son de interés porque provocan la pérdida de células cuyo funcionamiento se puede reemplazar por dispositivos electrónicos, ya que utilizan cargas eléctricas como portadoras de información. El presente trabajo de tesis se centra en el diseño de un controlador de corriente como circuito integrado en un neuroestimulador que forma parte de un sistema de mayor complejidad, denominado prótesis epiretinal. Las entradas del circuito a diseñar son señales digitales, que determinarán la forma de onda de corriente a generar, y corrientes de referencia para establecer la resolución del controlador de corriente. El diseño se basa en una topología de espejos de corriente SCCT (Self Cascode Composite Transistor ) como estructura base de Conversores Digital-Analógico colocados directamente a la salida del controlador de corriente, distribuidos en ramas LSB, 2LSB, 4LSB y 8 LSB, con la posibilidad de compartir un circuito de polarización entre los canales locales. Se ha utilizado transistores de 5 V de la tecnología AMS (Austria Micro Systems) 0.35 µm. La carga utilizada para simular el circuito es un modelo de electrodo de impedancia de 30 kΩ en serie con 100 nF. El circuito fue probado utilizando el simulador SPECTRE en el software de diseño de circuitos integrados CADENCE. El presente trabajo permitió generar una forma de onda bifásica de corriente máxima de 55 µA, con un rango de voltaje a la salida de 2.2 V. La disipación de potencia del circuito se encuentra entre 10.2 µW y 72.2 µW, dependiendo de la etapa de forma de onda en que se encuentre. El área ocupada por la disposición física del circuito es de 0.006408 mm2.

La retina es un tejido del ojo que se encarga de convertir la luz incidente en pulsos eléctricos para luego ser enviados al cerebro. Las células encargadas de dicha conversión son las células fotorreceptoras, estas hacen posible la visión. La prótesis de retina se encarga de reemplazar la función que realizaban las células fotorreceptoras al recrear la sensación de visión por medio de la estimulación de las células neuronales sanas restantes en la retina por medio del envío de pulsos bifásicos a través de un arreglo de electrodos. No obstante, una de las grandes preocupaciones en cuanto a la estimulación de la prótesis de retina, es que cualquier exceso de acumulación de carga que supere los límites de seguridad tolerables puede causar daño a la retina. A raíz de lo anterior mencionado, se procedió al estudio de un circuito cuyo objetivo es balancear la carga residual existente de forma controlada. Asimismo, se realizó un análisis de cada etapa del circuito: comparadores dinámicos, latch SR, parte de lógica y la etapa de compensación y se definió la estructura del circuito de seguridad. Por último, gracias a la herramienta Analog Design Environment de CADENCE se realizó simulaciones comprobando la funcionalidad de la solución planteada al dimensionar correctamente los transistores y definir una correcta corriente de compensación. Así pues, se obtuvo un circuito capaz de monitorear y corregir la carga del electrodo cuando ésta sale de los límites de seguridad y que presenta una baja disipación de potencia.

El uso de nodos de sensores wireless,en inglés: wireless sensors node (WSN), se ha vuelto popular en los últimos años. Estos dispositivos tienen aplicaciones tanto en salud, estilo de vida de las personas, en recolección de información en las industrias y en el mantenimiento predictivo de las estructuras. Lamentablemente, el uso de estos dispositivos no ha sido masificado debido a que el tiempo de vida y la densidad de potencia de las baterías limitan drásticamente el uso estos. Estas limitaciones pueden ser superadas a través del uso de la cosecha de energía para poder recargar las baterías. La cosecha de energía es una técnica que se basa en la recolección y uso de algún tipo de energía presente en el ambiente. Los cosechadores de energía necesitan de un conversor DC-DC para acondicionar el voltaje de salida del cosechador a un voltaje con el cual el dispositivo wireless funcione correctamente. El tipo de conversores DC-DC usados para esta aplicación son los conversores DC-DC a base de capacitores conmutados (SC DC-DC) ya que poseen una alta densidad de potencia, tienen un alto porcentaje de eficiencia de potencia y son compatibles con la tecnología CMOS.

Actualmente, en respuesta a la necesidad de vehículos eléctricos que utilicen una fuente de energía diferente a la gasolina o petróleo, debido al agotamiento, se han creado vehículos capaces de funcionar con energía eléctrica almacenada en una batería interna. El dispositivo interno encargado del proceso del control de carga de la batería eléctrica es un convertidor electrónico DC-AC, pues la batería necesita una corriente continua para recargarse. A razón de esta interacción entre el vehículo eléctrico y la red eléctrica, se han planteado diferentes estrategias de control que permitan el intercambio de potencia entre la batería y la red eléctrica, para asegurar el funcionamiento correcto de la red durante el proceso de recarga o en caso de fallas en la red eléctrica. A este tipo de estrategias se le denominan comúnmente “Vehicle-to-Grid” (V2G). Este trabajo de tesis plantea una estrategia de control V2G denominada “Grid Forming”, la cual permite controlar el intercambio de potencia entre la red eléctrica y la batería emulando el comportamiento dinámico de una maquina síncrona. No obstante, dado que la estrategia de control se implementa en un convertidor electrónico de potencia, este es dimensionado para que trabaje a potencia nominal y no para corrientes de cortos circuitos, dado que esto incrementaría considerablemente el costo del convertidor o podría acarrear daños irreparables en su estructura. Es debido a la problemática anteriormente planteada, que esta tesis busca evaluar e implementar una nueva estrategia de control V2G de tipo “Grid Forming”, que permita al vehículo dar soporte a la red y recibir energía de la misma a través del control del voltaje y frecuencia y, proponer un método más sencillo de limitación de corriente en caso de fallas en la red eléctrica. Además, se analiza el impacto de los armónicos a bajas frecuencias en la transferencia de energía entre la red y el vehículo.