Debido al aumento de la presencia de dispositivos no lineales en los Sistemas Eléctricos de Potencia existe un creciente interés en la formulación y resolución del flujo de cargas en presencia de armónicos. El tratamiento del problema anterior pasa, entre otras cosas, por una correcta caracterización de dichos dispositivos no lineales ya que son los elementos contaminantes del sistema. Es por ello que existen en la literatura gran cantidad de estudios sobre su modelización e incorporación al flujo de cargas. Entre dichos dispositivos destacan los convertidores AC/DC de seis pulsos debido a su extensa utilización así como al hecho de ser un consumidor de elevada potencia, y por tanto, muy contaminante. También son utilizados, aunque con menos frecuencia, los convertidores AC/DC de doce pulsos, ya que con ellos se elimina la inyección de los armónicos mas bajos en la red (el quinto y el séptimo) que son los de mayor magnitud. Su menor utilización, a pesar de la ventaja que ofrecen, es por ser mucho más complejos y caros de fabricación. Se inicia la Tesis realizando un extenso y completo estudio sobre las numerosas modelizaciones del convertidor AC/DC de seis pulsos existentes en la bibliografía para, posteriormente realizar un estudio general de dicho dispositivo. En este sentido se analiza su funcionamiento con alimentación no senoidal y desequilibrada y no se supone igualdad en las impedancias de cortocircuito del transformador que conecta el convertidor a la red. Se considera la posibilidad de componente resistiva en las impedancias de las tres fases del sistema. Asimismo, se hace el tratamiento para ángulos de disparo distintos, y se considera el rizado en el lado de continua. Esta generalidad en el tratamiento del problema es una de las aportaciones de la tesis.Además se presentan tres modelos simplificados para el cálculo aproximado de los armónicos de corriente que el convertidor AC/DC de seis pulsos inyecta en la red en condiciones desequilibradas, generalizando los modelos existentes en la literatura para el caso de la alimentación equilibrada. También se realiza un estudio de la validez de estos modelos. La propuesta de estos modelos aproximados (en condiciones desequilibradas) para el calculo de la intensidad que inyecta el convertidor constituye otra de las aportaciones de la tesis. Por último, se presenta el estudio del convertidor de doce pulsos totalmente análogo al presentado para el convertidor de doce pulsos se considera conectado a la red por dos transformadores, ambos con la misma placa de características pero uno en estrella-estrella y el otro en triangulo-estrella. Esta diferencia en el tipo de conexión de los transformadores es clave para la secuencia de topologías del convertidor. Se analiza el funcionamiento del convertidor con alimentación no senoidal, desequilibrada, asimismo, se admite la posibilidad de que las impedancias de cortocircuito de los transformadores que conectan el convertidor a red sean distintas en cada una de las fases. Se considera la posibilidad de componente resistiva en las impedancias de las fases del sistema. Asimismo, se hace el tratamiento para ángulos de disparo distintos, y se considera el rizado en el lado de continua. Esta generalidad en el tratamiento del problema es otra de las aportaciones de la tesis.

ESTA TESIS HA TENIDO POR OBJETO EL DISEÑO Y REALIZACION DE ESTRATEGIAS DE REALIMENTACION PARA REGULADORES CONMUTADOS CONTINUA-CONTINUA, QUE CONTEMPLAN LOS SIGUIENTES ASPECTOS: A) MODELACION LINEAL. EFECTO DE LA REALIMENTACION DE ESTADO Y DE LA PREALIMENTACION EN EL FUNCIONAMIENTO DE LOS CONVERTIDORES CONTINUA-CONTINUA. B) MODELACION NO LINEAL. ESTUDIO DE VIABILIDAD DE LA TRANSFORMACION BILINEAL-LINEAL EN LOS CONVERTIDORES ELEMENTALES PARA EL DISEÑO DE NUEVAS TECNICAS DE CONTROL NO LINEAL. C) APLICACION DEL CONTROL NO LINEAL EN CONVERTIDORES DE ORDEN ELEVADO. D) DISEÑAR CIRCUITOS DEL CONTROL NO LINEAL QUE PERMITAN MEDIANTE PSEUDOLINEALIZACION, ALCANZAR EL COMPORTAMIENTO GLOBALMENTE ESTABLE DE LOS CONVERTIDORES CONTINUA-CONTINUA ELEMENTOS ("BUCK", "BOOST" Y "BUCK-BOOST"). E) EXTENDER EL DISEÑO ANTERIOR AL CASO DE CONVERTIDORES DE ORDEN ELEVADO ("LUK") Y PARTICULARIZANDOLO EN LAS SITUACIONES DE DISMINUCION DE ORDEN QUE ALGUNO DE ESTOS CONVERTIDORES PERMITAN. F) DETERMINAR EXPERIMENTALMENTE LAS PRESTACIONES DEL REGULADOR CONMUTADO QUE UTILIZA EL CIRCUITO DE CONTROL LINEAL DESARROLLADO EN LA FASE ANTERIOR.

Esta tesis estudia el fenómeno del caos en las ecuaciones que modelan un convertidor buck con control PWM. Desde el punto de vista matemático, contribuye al estudio de los sistemas lineales a trozos tridimensionales, con émfasis en las perspectivas geométrica y de cálculo numérico. Se consiguen resultados analíticos pero, finalmente, deben emplearse métodos numéricos para calcular efectivamente las órbitas periódicas, bifurcaciones, variedades invariantes y cuencas de atracción. Desde el punto de vista de la ingeniería, esta tesis contribuye, por una parte, a dilucidar ciertas cuestiones acerca del comportamiento observado en el circuito electrónico experimental, y por otra parte, plantea nuevas preguntas que debe responder la comunidad científica dedicada a la ingeniería. Entre ellas, la búsqueda experimental de fenómenos secundarios detectados en las simulaciones numéricas y la posibilidad de implementar algunos de los métodos de control de caos deducidos en un prototipo experimental.El capítulo 2 resume la información básica sobre convertidores conmutados de corriente contínua, y también sobre qué tipo de comportamiento cabe esperar de un sistema dinámico no lineal. Se discuten las referencias más relevantes sobre circuitos no lineales, y en concreto, las que atañen a circuitos caóticos en electrónica de potencia.Los sistemas de ecuaciones diferenciales lineales a trozos con dos topologías se introducen en el capítulo 3. Como caso particular, se dan las ecuaciones que rigen la dinámica del convertidor buck con control PWM, y se establecen algunas propiedades básicas de las soluciones. La técnica general para obtener órbitas periódicas se particulariza para las soluciones T-periódicas y 2T-periódicas, y se establecen resultados para algunos tipos específicos de las nT-periódicas. En el capítulo 4 se detalla el análisis de la aplicación estroboscópica. Este capítulo está orientado geométricamente, aunque el cálculo numérico es también imprescindible para obtener resultados específicos. Se halla también una región de atrapamiento para el sistema, en la cual se encuentra una aplicación de tipo horseshoe. La herramienta principal de este capítulo es la continuidad de la aplicación de Poincaré asociada, que permite deducir analíticamente como se transforman las diferentes regiones del espacio de fases. El capítulo 5 está dedicado a las bifurcaciones secundarias halladas conjuntamente con el atractor principal. En este capítulo, el cálculo numérico es esencial para hallar los diagramas de bifurcaciones, las variedades invariantes y las cuencas de atracción. Como las soluciones son conocidas analíticamente a trozos, los algoritmos se benefician de ello en rapidez y sencillez. Se encuentran bifurcaciones suaves y no suaves. Se dan también expresiones exactas para los multiplicadores característicos, lo cual representa una gran ventaja cuando se calculan las bifurcaciones.El capítulo 6 se aparta ligeramente del espíritu general de la tesis. En lugar de describir el comportamiento caótico del sistema, se sugieren algunos métodos de control de caos y se simulan éstos para comprobar si producen los efectos deseados. En concreto, se dan tres opciones: primero, se concreta el método OGY para las ecuaciones del convertidor buck ; segundo, se sugieren varios esquemas de control de realimentación con retardos, y tercero, se propone un método de control de lazo abierto. El control del comportamiento caótico en este circuito es importante, puesto que reduce el rizado de salida y por tanto, amplia el rango operacional del convertidor.Algunas sugerencias para seguir el estudio de estos sistemas dinámicos se dan en el capítulo 7. Algunas simulaciones se han hecho con una versión suavizada del sistema de ecuaciones diferenciales con el software standard AUTO. También se proponen aproximaciones de la aplicación de Poincaré, que pueden proporcionar un tratamiento más analítico y simulaciones más rápidas.

Aquesta Tesi estudia el control d'un sistema complex, un sistema d'emmagatzement d'energia cinètica, incloent les seves especificacions de control, modelat, disseny de controladors, simulacions, muntatge i validació experimental.Primerament, s'estudia l'interconnexió i control dels sistemes electromecànics. Es presenta el formalisme Hamiltonià (PCHS) en general, i després particularitzant en els sistemes electromecànics, inclòs els sistemes d'estructura variable (VSS).L'IDA-PBC (Interconnection and damping assignment-passivity based control) és una tècnica de control basat en els PCHS. En aquesta Tesi s'estudien el problemes que apareixen en controlar, per IDA-PBC, sortides de grau relatiu u quan el paràmetres nominals del controlador són incerts. Per evitar-los es proposa introduir una acció integral que pot ésser interpretada dins l'estructura Hamiltoniana.En aquesta Tesi també es presenten dues modificacions que permeten millorar el rang d'aplicacions de la tècnica IDA-PBC. Primer, es demostra que el fet de descomposar la tècnica de l'IDA-PBC en deformar la funció d'energia i una injecció de fregament, redueix el conjunt de sistemes que es poden estabilitzar mitjançant aquest mètode. Per evitar aquest problema, es proposa fer simultàniament els dos passos donant lloc a l'anomenat SIDA-PBC. Per altre costat, el mètode IDA-PBC requereix el coneixement de la funció energia (o Hamiltonià). Això representa un problema perquè, en general, el punt d'equilibri depèn de paràmetres incerts. En aquest treball es desenvolupa una metodologia per seleccionar l'estructura Hamiltoniana que redueix aquesta dependència dels paràmetres. Aquesta tècnica permet millorar la robustesa dels les sortides d'ordre relatiu superior a u.El sistema d'emmagatzement d'energia cinètica consisteix en una màquina d'inducció doblament alimentada (DFIM) amb un volant d'inèrcia, controlada pel rotor per un convertidor de potència back-to-back (B2B). L'objectiu és gestionar el flux d'energia entre la DFIM i una càrrega local connectada a la xarxa, commutant entre diferents punts de funcionament. Per això es planteja una gestió de l'energia, basada en la velocitat òptima de la DFIM.Pel què fa al control de la DFIM, es proposa un nou esquema de control que ofereix importants avantatges, i que és considerablement més senzill que el mètode clàssic, el vector control. Aquest nou controlador permet una fàcil descomposició de les potències activa i reactiva de l'estator, i el seu control a través de les tensions de rotor. Aquest disseny s'obté aplicant el procediment que millora la robustesa de l'IDA-PBC.S'han estudiat d'altres controladors, com el vector control clàssic. També a partir de la tècnica IDA-PBC, on l'equació en derivades parcials que apareix en aplicar el mètode es pot resoldre fixant l'energia en llaç tancat, i afegint nous termes a la matriu d'interconnexió. Per obtenir un controlador definit globalment s'afegeix un terme de fregament depenent dels estats, que desacobla la part elèctrica i mecànica del sistema. Finalment, també es prova que mitjançant el SIDA-PBC es pot modelar l'energia total (elèctrica i mecànica) de la DFIM. Tots aquest controladors han estat simulats i comparats. El controlador robust IDA-PBC s'ha validat experimentalment amb uns resultats satisfactoris. A la Tesi també es presenta un controlador que permet el flux bidireccional de potència pel B2B. L'estudi de la dinàmica zero adverteix que les tècniques de control estàndard no garanties en l'estabilitat en ambdós direccions, i per això s'utilitza un controlador IDA-PBC. Pel disseny s'utilitza un model basat en GSSA (generalized state space averaging), on es descomposa i es trunca el sistema per determinades freqüències, i que permet expresar els objectius de control (tensió constant al bus de contínua i factor de potència unitari) com un problema de regulació. Les simulacions i els resultats experimentals validen, tant la llei de control, com les simplificacions efectuades.Els controladors proposats i validats experimentalment són usats, finalment, per implementar la gestió de potència del sistema d'emmegatzement d'energia cinètica. Els resultats confirmen el bon comportament del sistema i dels controladors IDA-PBC proposats. / This Thesis studies a complex multidomain system, the Flywheel Energy Storage System, including the control objectives specification, modeling, control design, simulation, experimental setup assembling and experimental validation stages.The port interconnection and control of electromechanical systems is studied. The port Hamiltonian formalism is presented in general, and particularized for generalized electromechanical systems, including variable structure systems (VSS).Interconnection and damping assignment-passivity based control (IDA-PBC) is a well known technique for port Hamiltonian systems (PCHS). In this Thesis we point out the kind of problems that can appear in the closed-loop structure obtained by IDA-PBC methodsfor relative degree one outputs, when nominal values are used in a system with uncertain parameters. To correct this, we introduce an integral control, which can be cast into the Hamiltonian framework.This Thesis also presents two new approaches which improve the range of applicability of the IDA-PBC technique. First, we show that the standard two-stage procedure used in IDA-PBC consisting of splitting the control action into the sum of energy-shaping and damping injection terms is not without loss of generality, and effectively reduces the set of systems that can be stabilized with IDA-PBC. To overcome this problem we suggest to carry out simultaneously both stages and refer to this variation of the method as SIDA-PBC.Secondly, we present an improvement of the IDA-PBC technique. The IDA-PBC method requires the knowledge of the full energy (or Hamiltonian) function. This is a problem because, in general, the equilibrium point which is to be regulated depends on uncertain parameters. We show how select the target port-Hamiltonian structure so that this dependence is reduced. This new approach allows to improve the robustness for higher relative degree outputs.The Flywheel Energy Storage System consists of a doubly-fed induction machine (DFIM), controlled through the rotor voltage by a power electronics subsystem (a back-to-back AC/AC converter (B2B)), and coupled to flywheel. The control objective is to optimally regulate the power flow between the DFIM and a local load connected to the grid, and this is achieved by commuting between different steady-state regimes. A police management based on the optimal speed for the DFIM is proposed.In this Thesis we propose a new control scheme for the DFIM that offers significant advantages, and is considerably simpler, than the classical vector control method. This controller allows an easy decomposition of the active and reactive powers on the stator side and their regulation, acting on the rotor voltage, via stator current control. This design was obtained applying the new robust IDA-PBC procedure.Other controllers are also designed along the dissertation. The classical vector control is studied. We also apply the classic IDA-PBC technique. It is shown that the partial differential equation that appears in this method can be circumvented by fixing the desired closed-loop total energy and adding new terms to the interconnection structure. Furthermore, to obtain a globally defined control law we introduce a state--dependent damping term that has the nice interpretation of effectively decoupling the electrical and mechanical parts of the system. This results in a globally convergent controller parameterized by two degrees of freedom. Finally, we also prove that with SIDA-PBC we can shape the total energy of the full (electrical and mechanical) dynamics of the DFIM. These different controllers (vector control, IDA-PBC, SIDA-PBC and robust IDA-PBC) are simulated and compared. The IDA-PBC robust controller is also experimentally tested and shown to work satisfactorily.A controller able to achieve bidirectional power flow for the B2B converter is presented. Standard techniques cannot be used since it is shown that no single output yields a stable zero dynamics for power flowing both ways. The controller is computed using standard IDA-PBC techniques for a suitable generalized state space averaging truncation of the system, which transforms the control objectives, namely constant output voltage dc-bus and unity input power factor, into a regulation problem. Simulation and experimental results for the full system confirm the correctness of the simplifications introduced to obtain the controller.The proposed and tested controllers for the DFIM and the B2B are used to implement the power management policy. These results show a good performance of the flywheel energy storage system and also validate the IDA-PBC technique, with the proposed improvements.

Este trabajo se dedica a analizar los diferentes elementos y estructuras de los filtros híbridos paralelo, aplicados a redes trifásicas de potencia. Y dentro de este campo, se concentra en el desarrollo de filtros híbridos a cuatro hilos que además de las corrientes de secuencia directa e inversa, puedan eliminar las corrientes homopolares. El estudio de la calidad de la energía eléctrica, y dentro de esta, la problemática de los armónicos ha alcanzado gran interés en los últimos años debido al gran aumento de cargas no lineales conectadas a la red. En redes de baja tensión con neutro, este problema todavía se agrava más a causa de las cargas distorsionantes monofásicas, cuyas corrientes homopolares se suman en el conductor de retorno. En este trabajo se estudian las posibles soluciones a este problema y se ofrecen nuevas soluciones en el campo de los filtros híbridos de potencia. Se estudian las estructuras de filtros híbridos más destacadas en la bibliografía. Como resultado de este estudio se discrimina cuales de ellas son realmente competitivas frente a las demás. Se elige para el posterior desarrollo en la Tesis el filtro híbrido paralelo formado por un filtro pasivo serie LC, conectado en paralelo con la red. Y en serie con este un elemento activo que permite controlar y mejorar las prestaciones del filtro pasivo. Se presentan dos nuevas estructuras de filtros pasivos de cuatro hilos, con la particularidad que presentan dos frecuencias de resonancia distintas, una para las componentes de secuencia directa e inversa, y otra para las componentes de secuencia homopolar. Estos nuevos filtros permiten eliminar simultáneamente los armónicos característicos de secuencia directa/ inversa y los de secuencia homopolar. Esta nueva estructura de filtro pasivo de cuatro hilos también se puede incorporar a un filtro híbrido, haciendo que este pueda actuar también sobre las corrientes homopolares. Se analizan las diferentes topologías de inversores que pueden ser usados en filtros híbridos de cuatro hilos: de cuatro ramas, de condensador repartido y con conexión asimétrica del bus de continua a neutro. Se opta por este último tipo de inversor por ser una derivación del más usado industrialmente y no presenta problemas en el control de la tensión del bus de continua. Para el control del filtro se utiliza realimentación a partir de la corriente medida en el lado de red, aguas arriba del filtro. Dentro del lazo de control se hace control selectivo de armónicos en base a controladores resonantes. Gracias a este tipo de controladores se mejora la estabilidad del sistema y se mejora el grado de filtrado. Para el control de la tensión del bus de continua del inversor se recurre a una resistencia virtual que solo actúa sobre la corriente de frecuencia fundamental. La Tesis presenta sobre simulación toda una serie de pruebas realizadas sobre el modelo del filtro híbrido, como pueden ser: comprobación del grado de filtrado; respuesta a transitorios de conexión o cambios de carga; respuesta del filtro conectado en redes débiles y fuertes; conexión de filtros en serie a lo largo de una instalación; y conexión del filtros en paralelo en un punto de la instalación. Por último se presentan dos prototipos experimentales de filtro. El primero a cuatro hilos para filtrado simultaneo de corrientes de secuencia directa, inversa y homopolar. Y el segundo, con inversor de una rama, para el filtrado exclusivo de corrientes homopolares. Los resultados obtenidos en ambos prototipos validan las propuestas realizadas a lo largo de la Tesis. / The study of power quality in electrical networks, and specially, the harmful effects of the harmonic currents injection, produced by the increasing connection of nonlinear loads to the grid, has been treated in deep by the research community during the last years. In three-phase four-wires low-voltage systems, the effects of current harmonic currents can be even worse, if compared with three-wire networks with no neutral conductor, as an additional zero sequence current, produced by single-phase distorting loads, flows through the neutral wire. This PhD Thesis explores different solutions to this problem, oriented to enhance the THD in such systems, and offer new solutions in the field of hybrid power filters. This work is dedicated to analyze the various elements and structures of parallel hybrid filters applied to three-phase power networks. Within this area, this work is focused on developing novel four-wire hybrid filters topologies able to remove of direct and reverse sequence harmonics currents, while cancelling out the homopolar currents as well. Regarding the state of the art, this work performs a comparative analysis of the most prominent hybrid filtering structures, described in the literature. As a result of this study it is discriminated which of them are really competitive. Among the studied topologies, this PhD have been focused on improving the operation of parallel hybrid filter that consists of a series LC passive filter, connected in parallel with the network, connected in turn with an active element that can control and improve the performance of the passive filter. Two new three-phase four-wire passive filters structures are presented in this work. As a novel contribution, both proposals present two different resonance frequencies, one for the positive and negative sequence components, and another for the zero sequence components. These new filters are able to remove the characteristic positive/negative harmonics and zero sequence simultaneously. This new structure of four-wire passive filter can also be incorporated into a hybrid filter, permitting thus to cancel out zero sequence currents.

Després d'un capítol d'introducció (capítol 2) on es definieixen i s'expliquen les característiques i els fenòmens més importants dels sistemes dinàmics, aquest treball el podríem dividir bàsicament en dues parts. La primera d'elles és la que està desenvolupada en el capítol 3. En aquest capítol es recorda un dels mètodes numèrics més interessant, tan des del punt de vista numèric com des del punt de vista teòric, per calcular els exponents de Lyapunov. És el mètode que està basat en la descomposició QR de l'aplicació tangent que s'obté a l'estudiar l'evolució dinàmica de la diferència entre dues òrbites inicialment properes. S'ha aplicat el mètode als sistemes bilineals en general i s'han obtingut resultats específics pel convertidor buck. En concret, s'han escrit les equacions diferencials que han de complir els exponents de Lyapunov del convertidor buck, a partir de la descomposició QR de l'aplicació tangent obtinguda a partir d'una trajectòria de referència. S'han resolt numèricament les esmentades equacions i s'ha calculat l'exponent de Lyapunov més gran (LLE) per a un rang de valors del paràmetre de bifurcació i s'han resolt analíticament quan la trajectòria de referència és periòdica, tan si és estable com si és inestable. Quan l'òrbita periòdica és l'atractor dominant, el resultat analític coincideix amb el valor obtingut per integració numèrica. Els resultats també es corresponen amb el què prèviament es coneix a la literatura sobre la part real dels exponents de Floquet de les òrbites periòdiques del convertidor buck.La segona part del treball és la que està desenvolupada en els capítols 4 i 5. En ells s'ha estudiat la dinàmica del convertidor boost controlat amb una superfície de lliscament. En el capítol 4 s'ha estudiat la dinàmica de lliscament ideal del convertidor boost. S'han trobat les regions de lliscament en funció del paràmetre Vref i s'ha estudiat el caràcter del punt d'equilibri d'aquesta dinàmica ideal en funció també d'aquest paràmetre. Ja que aquest control significaria que el sistema commuta amb freqüència infinita, a efectes pràctics, s'haintroduït una banda d'histèresi. Aleshores s'ha analitzat la dinàmica del sistema en funció d'un altre paràmetre, Vg, el qual forma part de l'expressió del punt d'equilibri que presenta el convertidor en una de les seves configuracions quan aquest treballa en mode de conducció contínua (MCC). S'ha comprovat que en funció de la posició d'aquest punt d'equilibri, PE=(V_g,V_g/R), respecte la banda d'histèresi, la dinàmica o bé té un cicle límit que pot ser o no atractor, o un punt d'equilibri globalment estable o ambdues coses alhora.Finalment, en el capítol 5, s'ha intoduït un control integral i una tercera variable (variable error) al convertidor boost amb control de lliscament i amb banda d'histèresi. Les trajectòries són ara de $R^3$ i la dinàmica resultant és molt més complicada, havent-hi la possibilitat de la presència de caos. S'han trobat numèricament òrbites 1 i 2 periòdiques en funció del paràmetre de bifurcació $V_{ref}$ tan en MCC com en MCD i s'han trobat exemples de bifurcacions típiques dels sistemes suficientment diferenciables, com el desdoblament de període, i d'altres bifurcacions relativament noves a la literatura com són les que es produeixen per un canvi de mode de conducció, de MCC a MCD o a la inversa, o les que es presenten en sistemes non-smooth (que no són infinitament diferenciables a tot l'espai d'estats) com són les bifurcacions "border collision", etc. / After an introductory chapter (Chapter 2), where we define and explain the concepts and characteristics of dynamical systems relevant to our work, the rest of the thesis can be divided into two parts. The first part comprises Chapter 3, where we review the most interesting, both from the computational and theoretical points ofview, numerical method to compute the Lyapunov exponents, based on the QR decomposition of the tangent map with respect to a reference trajectory. We apply it to a general class of bilinear systems.Specific results have been obtained for the buck converter. Indeed, we have written the diferential equations for the Lyapunov exponents of the buck converter which arise from the QR decomposition, and we have numerically solved the equations and computed the largest Lyapunov exponent for a range of values of the bifurcation parameter; analytical results have been obtained when the reference trajectory is a periodic one, either stable or unstable. When a periodic orbit is the dominant attractor, the analytical result coincides with the value obtained by numerical integration. The results also agree with what was previously known in the literature about the real part of the Floquet exponents of the periodics orbits of the buck converter. The second part of this work is developed in chapters 4 and 5. We have studied the dynamics of the boost converter with a sliding surface control. In Chapter 4, we have studied the dynamics of ideal sliding of the boost converter, and described the sliding regions as a function of the parameter /Vref/, and the character (stable or unstable) of the equilibrium poin of the ideal sliding dynamics with respect the same parameter has been determined. Because the chosen control implies that the dynamics of the system switches with infinity frequency, we have introduced a hysteris band for numericalcomputation purposes. We have also analysed the dynamics of the system with respect another parameter, /Vg/, which sets one of the coordinates of the equilibrium point of the boost converter in one of its configurations, when working in continuous conduction mode (CCM). It is found out that the position of this equilibrium point, /PE=(Vg,Vg/R),/ with respect to the hysteresis band, determines whether the dynamics develops a limit cicle, attractive or not, or a global equilibrium, or both. Finally, in Chapter 5, we have introduced an integral control and a third variable (an error variable) into the system described in the previous chapter. Due to the extra dimension, the resulting dynamic is more complicated. In particular, the possibility of chaotic phenomena now arises. We have computed numerically trajectories of period one and two while varying the parameter /Vref/, either in CCM or in discontinuous conduction mode (DCM). We have also found examples of a known class of bifurcations for smooth systems, namely period doubling bifurcation, although some examples of new types ofbifurcations related to the transition from CCM to DCM or vice versa, like those which happen in non-smooth systems, as border collision bifurcations, have also been observed.

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.

L'actual situació energètica demanda cada cop més d'aplicacions que redueixin el consum energètic. A nivell d'energia elèctrica, i de la conversió d'aquesta a energia mecànica, els nivells d'eficiència energètica són força elevats si es compara amb altres fonts d'energia com poden ser els combustibles fòssils. Però no per això s'ha de deixar de treballar per tal de millorar l'eficiència d'aquests sistemes.Existeixen certes aplicacions de funcionament continu, que una petita millora en el seu rendiment significa, una gran millora en el consum absolut d'energia. Aquestes aplicacions poden ser bombes, ventiladors i compressors per aplicacions de ventilació, calefacció i aire condicionat (HVAC).En aquestes aplicacions, el cavall de tir fins avui dia ha estat el motor d'inducció. El motor d'inducció és relativament senzill de construir, es coneix molt bé el seu funcionament, i no requereix d'un sensor de posició per tal d'implementar un control de baixes prestacions com el necessari per aquestes aplicacions.Però es pot augmentar l'eficiència del sistema usant un motor síncron d'imants permanents. Aquest, pel fet de ser un motor síncron, necessita que les corrents injectades a l'estator estiguin perfectament sincronitzades amb la posició del l'imant del rotor per tal de produir el parell adequat. Per tant, cal desenvolupar nous mètodes de control, de baix cost, per aquests tipus de motor i que no requereixin d'un sensor de posició acoblat al rotor. Aquest tipus de sensors encareixen el cost final del producte i en redueixen la fiabilitat.Com que les aplicacions HVAC no requereixen d'una alta dinàmica del parell, el control $V/f$ es mostra com una estratègia adequada per aquest tipus de motors per aquestes aplicacions. Però pels motor síncrons d'imants permanents, fins i tot usant aquesta estratègia de control necessiten de la sincronització de la posició del rotor i les corrents injectades a l'estator.La primera part d'aquesta tesi versa sobre el modelat i l'anàlisi del motor síncron d'imants permanents, per proposar una alternativa de control sense sensor de posició pel control $V/f$ del motor síncron d'imants permanents.L'anàlisi d'estabilitat permet veure que es pot afegir esmorteïment al sistema modulant la freqüència d'excitació en funció de les pertorbacions de la potència. Finalment, la proposta es verifica mitjançant simulacions i resultats experimentals.La segona part d'aquesta tesi està enfocada als nous reptes en el control dels accionaments elèctrics i convertidors. L'electrònica de potència en si cada cop té més aplicacions. Convertidors de freqüència, filtres i rectificadors actius, fonts d'alimentació, escalfament per inducció, noves formes de transmissió de l'energia, i les energies renovables incorporen algun convertidor estàtic, i depenen d'aquesta per funcionar.Per tant, cal disposar d'eines per a poder experimentar a tots els nivells en aquests nous camps. El treball presentat a la segona part de la tesi és la feina duta a terme per l'autor durant aquest últims anys en el camp de l'experimentació i la docència del control dels accionaments elèctrics i els convertidors.Aquest treball a dut a la construcció d'una plataforma per a l'experimentació del control dels accionaments elèctrics i els convertidors. Aquesta plataforma es mostra com una eina efectiva també dins el nou Espai Europeu d'Educació Superior, ja que fomenta que sigui l'estudiant qui aprengui i també l'ús transversals dels coneixements. / The current energetic situation demands for a reduction in consumption. The efficiency levels in electrical energy and in the electromechanical transformation are high compared with other energy sources, like fossil fuels. But that it is not a reason not to work to increase efficiency.There are some continuous running applications where a small amount of efficiency increase means a huge amount of energy saved per year. These applications are pumps, fans and compressors for heating, ventilating and air conditioning (HVAC), for example.The workhorse for these applications has been for years the induction motor. The induction motor is a well known motor, a cheap motor, and does not require position sensor to implement a low-cost control for this kind of applications. But efficiency can be improved if the induction motor is substituted by a permanent magnet synchronous motor. However, in a permanent magnet synchronous motor, the stator currents have to be synchronized with the rotor permanent magnet in order to produce torque and not to lose synchronization. The need of a rotor position sensor increases cost and reduces reliability. Therefore, it is necessary to develop new control strategies to avoid the use of the rotor position sensor.Because the HVAC applications do not demand for a high performance control, the V/f control strategy is suitable for these drives. However, even using a V/f control strategy for permanent magnet synchronous motor there is a need in synchronization for stator currents with the rotor magnet position.The first part of this thesis deals with modelling and analysis of permanent magnet synchronous motors in order to obtain a sensorless $V/f$ control.The stability analysis shows that adding damping by frequency modulation using input power perturbations stabilize the system. Finally, the method is verified by means of simulations and experimental results.The second part of this thesis deals with the new challenges in drives and power converters.Power electronics is now pervasive in even most applications. Frequency converters, drives, active filters and rectifiers, power supplies, induction heating, new power transmission systems (HVDC) and renewable energy sources include any type of static converter.Hence, it is necessary to develop new tools to experiment and to teach these new applications. The work presented in this second part has been done by the author during these last years in the education and training of drives and power electronics.This work has the result of the construction of a new platform for the experimentation, training and education for drives and power electronics. This unique platform appears as an effective tool also inside the European Higher Education Area, because is a learn-by-doing tool, and uses transverse knowledge from other disciplines.

Es constata que els accionaments elèctrics de petita potència (<50W) i reduïda tensió (<60V), tot i no formar una família homogènia, son principalment de tipus electromagnètic, encara que ja comencen a destacar el de tipus piezoelèctric. En el segment de potències i tensions en qüestió, els accionaments utilitzats actualment son els motors convencionals de CC. excitats amb imants permanents i, cada vegada més, motors de CC. sense escombretes. Aquests últims han popularitzat la simbiosi entre les estructures electromagnètiques tradicionals i els dispositius electrònics.Es constata l'interès actual despertat pel motor de Reluctància Autocommutat (SRM) degut a la seva robustesa i simplicitat constructiva, a la seva tolerància a falles i a la relativa senzillesa del seu control. Interès mostrat pels laboratoris de recerca, Universitats, i també pel món industrial. Es presenta el SRM sense sensors de posició com una alternativa als accionaments de CC. amb i sense escombretes, per aplicacions de petita potència i reduïda tensió, tan per requeriment de velocitat regulable com, especialment, per velocitat no regulable. Alternativa avalada per l'absència d'imants, l'eliminació del col·lector, la simplificació del convertidor estàtic i del control i les expectatives de baix cost, malgrat que en el rang de potències inferiors al kW el SRM no presenta tan bon rendiment ni quocient parell/volum prismàtic com en els motors amb imants permanents.Desprès d'un breu repàs de la història del SRM, i d'un recordatori del seu principi de funcionament, incloent el procés de producció de parell, la corba característica parell-velocitat, unes primeres consideracions sobre la forma de controlar-lo, els avantatges i inconvenients de la seva utilització, i les possibles aplicacions, es descriuen les parts constitutives de l'accionament: estructura electromagnètica, convertidor estàtic i captador de posició.Es construeix un primer accionament amb captador de posició en el rang de potències esmentat, sota el criteri de màxima simplicitat constructiva i baix cost. Es valora la importància i necessitat de prescindir del sensor de posició que es tradueix en un menor volum de l'accionament, la reducció d'una important font de falles i la millor adaptació a ambients hostils.Es classifiquen i descriuen els diferents mètodes existents per eliminar el sensor de posició utilitzant un nou criteri basat en la equació elèctrica del SRM. Es realitza un estudi comparatiu dels avantatges i inconvenients dels diversos mètodes. Per a la construcció d'un accionament sense captadors de velocitat s'escull un mètode de control que és una variació innovadora de l'estimació de flux magnètic en temps real, implementada en un microcontrolador econòmic de només 8 bits.Es realitzen proves experimentals exhaustives amb i sense regulació de velocitat, tan per accionaments amb sensors com per accionaments sense sensors, sobre les mateixes estructures electromagnètiques. Es discuteixen els resultats obtinguts comparant el comportament del SRM en tots els casos. Es valora el cost econòmic associat a l'eliminació del sensor i el cost comparat amb d'altres tipus d'accionaments. Es recullen algunes possibilitats per a la millora dels resultats. Es resumeixen les aportacions, es proporcionen les conclusions i s'orienten les futures línies de treball. / Se constata que los accionamientos eléctricos de pequeña potencia (<50W) y reducida tensión (<60V), sin llegar a formar una familia homogénea, son principalmente de tipo electromagnético, aunque los de tipo piezoeléctrico van adquiriendo una importancia creciente. En el segmento de potencias y tensiones en cuestión, los accionamentos utilizados actualmente son los motores convencionales de CC. excitados con imanes permanentes y, cada vez mas, motores de CC. sin escobillas. Siendo éstos los que han popularizado la simbiosis entre las estructuras electromagnéticas tradicionales y los dispositivos electrónicos.Se constata el interés actual despertado por el motor de Reluctancia Autocommutado (SRM) debido a su robustez y simplicidad constructiva, a su tolerancia a los fallos y a la relativa sencillez de su control. Interés mostrado por laboratorios de investigación, Universidades, y también por el mundo industrial. Se presenta al SRM sin sensores de posición como una alternativa a los accionamentos de CC. con y sin escobillas, para aplicaciones de pequeña potencia y reducida tensión, tanto en el caso de precisar velocidad variable como, especialmente, para velocidad no regulable. Alternativa avalada por la ausencia de imanes, la eliminación del colector, la simplificación del convertidor estático y del control y las expectativas de bajo coste, a pesar de que en el rango de potencias inferiores al kW el SRM no presenta tan buen rendimiento ni cuociente par/volumen prismático como en los motores con imanes permanentes.Después de un breve repaso de la historia del SRM y de un recordatorio de su principio de funcionamiento, incluyendo el proceso de producción del par, la curva característica par-velocidad, unas primeras consideraciones sobre la forma de controlarlo, las ventajas y inconvenientes de su utilización, y las posibles aplicaciones, se describen las partes constituyentes del accionamiento: estructura electromagnética, convertidor estático y captador de posición.Se construye un primer accionamiento con captador de posición en el rango de potencias aludido, bajo el criterio de máxima simplicidad constructiva y bajo coste. Se valora la importancia y la necesidad de prescindir del sensor de posición que se traduce en un menor volumen del accionamiento, la reducción de una importante fuente de fallos y la mejor adaptación en ambientes hostiles.Se clasifican y describen diferentes métodos para eliminar el sensor de posición utilizando un criterio nuevo basado en la ecuación eléctrica del SRM. Se realiza un estudio comparativo de las ventajas y inconvenientes de los diversos métodos. Para la construcción de un accionamiento sin captadores de velocidad se escoge un método de control que es una variación novedosa de la estimación de flujo magnético en tiempo real, implementada en un microcontrolador económico de solo 8 bits.Se realizan pruebas experimentales exhaustivas con y sin regulación de velocidad, tanto para accionamientos con sensors como para accionamientos sin sensores, sobre las mismas estructuras electromagnéticas. Se discuten los resultados obtenidos comparando el comportamiento del SRM en todos los casos. Se valora el coste económico asociado a la eliminación del sensor y el coste comparativo respecto de otros tipos de accionamientos. Se reseñan algunas posibilidades para la mejora de los resultados. Se resumen las aportaciones realizadas, se proporcionan las conclusiones y se orientan las futuras líneas de trabajo. / Nowadays low power (<50W) and low voltage (<60V) electrical drives do not belong to an homogeneous family although they are mainly electromagnetic, but recently the piezoelectric drives have been increasingly used. Permanent magnet DC drives and, more and more, permanent magnet brushless DC are used in this segment of power and voltage treated. The brushless ones have widespread the symbiosis among traditional electromagnetic structures and electronic devices.In recent years the Switched Reluctance Motor (SRM) is receiving great attention because of its simple and inherently rugged motor construction, almost all fault tolerant and its relatively easy control. The focus of its great interest is found not only at research laboratories and Universities but also in the industry. The sensorless SRM is proposed as an alternative to well established DC motor drivers with or without brushes, for low power and low voltage applications that require or much better those which do not require adjustable speed. This proposal is based on the absence of magnets and mechanical commutator, the power converter and control simplification and the low cost expectation. Despite that, the SRM of power range below 1 kW does not have as good efficiency and ratio torque to gross electromagnetic magnetic volume as could be obtained with a permanent magnet motor. After some brief notes on SRM history and a review of its principle of work that includes the torque process production, the torque-speed characteristics, some first considerations about the control manner, the advantages and disadvantages, and the most suitable applications; the drive constitutive parts are described: the electromagnetic structure, the power converter and the position sensor.First a drive with position sensor has been developed on the power range mentioned and with the maximum simplicity and low cost criteria. The importance of sensorless control is emphasized in order to reduce the drive volume, to reduce an important source of failures and the better adaptation to harsh environments.Many different methods of sensorless control have been described and classified using new criteria based on the SRM electrical equation. A compared study of the advantages and disadvantages of different methods has been done. In order to implement a sensorless driver choice a control method is chosen that is one of the newest variations of the magnetic flux estimation in real time, it has been implemented in a cheap 8-bit microcontroller.Exhaustive experimental tests have been done, with or without speed regulation, either with sensor or sensorless control position on the same electromagnetic structures. The obtained results have been discussed by comparison of the SRM performance in all situations. The cost reductions due to sensorless construction and the comparative cost of other kinds of drivers have been quoted. Some possibilities are proposed so as to improve the results. A summary of contributions, conclusions and the future work lines are given.