En esta tesis se profundiza en el estudio del comportamiento del motor de inducción alimentado con convertidor de frecuencia y se aportan soluciones constructivas prácticas de su diseño que permiten una mejora de las características de funcionamiento.Mediante la aplicación de la transformada "Wavelets" al análisis de la señal que alimenta el motor de inducción se han podido obtener las frecuencias y la amplitudes de las tensión y de la corriente de la señal fundamental y también de los armónicos en el transcurso del tiempo, lo que ha permitido solventar los problemas que presenta la transformada rápida de Fourier (FFT) cuando varia la frecuencia de la portadora en el tiempo.Asimismo, se ha investigado sobre el origen de las pérdidas y su distribución en los motores alimentados con convertidor de frecuencia. A tal fin se emplea el método de los elementos finitos para evaluar las pérdidas armónicas (el desplazamiento de la corriente en los conductores del rotor y las pérdidas en el hierro) y un método experimental basado en el análisis armónico (MAA) que permite la determinación de las pérdidas dependientes de la carga en el hierro y en el cobre.La inclusión de las pérdidas armónicas en el cálculo de las pérdidas equivalentes, utilizadas en el modelo térmico del motor eléctrico, permite prever, partiendo de motores de referencia conocidos, los nuevos incrementos de temperatura de las partes más significativas del motor. Los resultados anteriores permiten la introducción de modificaciones en la máquina para disminuir las pérdidas donde se originan. Por ejemplo, nuevos diseños de ranura rotórica que disminuya el fenómeno del desplazamiento de la corriente, también la transformación de ranuras abiertas en ranuras cerradas o la utilización de chapa magnética de bajas pérdidas.Los buenos resultados obtenidos durante la validación experimental de los procedimientos de optimización sobre los prototipos construidos y la sistematización del proceso, hace posible una aplicación inmediata al desarrollo de toda la gama de motores normalizados IEC, lo que redundaría en una mejora del rendimiento de los mismos. / The aim of this thesis is to achieve further knowledge in the behaviour of the induction motor fed by frequency converter and to offer practical solutions in the motor design to improve its performance. By means of the introduction of the Wavelets Transform Analysis, it is possible to obtain the amplitude and frequency of fundamental and the harmonics of voltage and current of the induction motor. This solves the problem that introduces the analysis with the Fast Fourier Transform (FFT) when the carrier changes its frequency during operation.Meanwhile the causes that produce the losses and their distribution in the motors fed by frequency converters have been investigated. To get a better approach, a FEM application is used to calculate accurately each motor loss and especially those produced by skin effect in the rotor slots and the iron losses. An empirical method based on the harmonics analysis (MAA) has been developed to obtain easily the stray load losses. In this issue these losses are called "Summation of iron and copper losses load dependent".The harmonic losses are taken into account to calculate the new equivalent losses that are used in the thermal model of the electric machine. With the aid of the results of a reference motor, these losses offer the chance to estimate by calculation, the temperature rise of the main parts of a new motor design.Above results allow the introduction of design changes in the induction motor in order to reduce the cause that produces these losses. For instance, new rotor designs to reduce the current skin effect in the slots, to change from open slot to close slot design and to use low losses lamination.The good results obtained at the experimental validation of the optimisation proceedings with the production of the new prototypes and a systematisation allow an immediate application to the development to the hole range of IEC standard motors in order to improve their efficiency.

En esta tesis se hacen contribuciones al control de los motores de reluctancia autoconmutados (switched reluctance motors) de potencias comprendidas entre 0.25 y 10 kW. En primer lugar, después de una breve introducción histórica, se ubica al motor de reluctancia autoconmutado en el contexto de los accionamientos eléctricos y se analiza su constitución, modelo y principio de funcionamiento. A continuación se hace una relación de sus ventajas e inconvenientes, de sus principales aplicaciones comerciales así como de sus expectativas futuras. En segundo lugar, tras un breve repaso sobre el estado del arte del control de los motores de reluctancia autoconmutados se estudian y comparan las distintas estructuras de los convertidores estáticos utilizados en este tipo de accionamientos y se hace una descripción de las distintas alternativas utilizadas para la detección de las corrientes y de la posición rotórica/velocidad. Seguidamente se presentan las distintas estrategias de control que se pueden aplicar, al control de par medio, en los motores de reluctancia autoconmutados y se describen las distintas posibilidades de implementación de las citadas estrategias de control.En tercer lugar, se presenta un accionamiento para motor de reluctancia autoconmutado de bajo coste que permite regulación de velocidad y de par con ángulos de conmutación constantes. El control de este accionamiento se ha construido mediante componentes discretos analógicos y digitales. Respecto a los sensores se ha utilizado un único sensor de corriente y el sensor de posición/velocidad se ha construido mediante tres optointeruptores y un disco ranurado. Sobre la base de este accionamiento se ha estudiado la influencia de diferentes estrategias de control construidas principalmente por distintos tipos de reguladores (PWM, histéresis, PWM con regulación de corriente) sobre algunos parámetros característicos de funcionamiento del motor como rendimiento y ruido audible. En cuarto lugar, se presenta una plataforma para el diseño de accionamientos digitales para motores de reluctancia autoconmutados, utilizando como base una placa de control Dspace Ace kit 1104 CLP. Sobre esta plataforma se han desarrollado tres alternativas distintas de control de par medio para SRM a partir de las señales procedentes de tres optointerruptores. La primera consiste un control en línea (online) de los ángulos de inicio y bloqueo de conducción para aplicaciones de velocidad variable, que no requiere del conocimiento de la curvas de magnetización del SRM sino de unos pocos datos del motor. El ángulo de inicio de la conducción se calcula mediante la regla de Bose y el ángulo de bloqueo en base a la teoría del ángulo de bloqueo de Gribble. La segunda alternativa se trata de un control que incluye un bloque optimizador del rendimiento en el cual a partir de los ángulos de inicio y bloqueo de conducción obtenidos con el control antes descrito, se van modificando estos ángulos en línea (online) mediante un algoritmo hasta minimizar la potencia de entrada y por tanto maximizar el rendimiento. En la tercera de las alternativas propuestas se pretende optimizar el rendimiento a partir de una tabla, obtenida experimentalmente, en la que se recogen los ángulos de inicio y de bloqueo de la conducción que minimizan la potencia de entrada del accionamiento para distintas zonas de funcionamiento, con márgenes de velocidad previamente establecidos. Se ha realizado, además, una comparación del rendimiento entre los resultados obtenidos aplicando distintas alternativas de control digital con el que se obtiene con un accionamiento con motor de inducción alimentado con un equipo comercial de control vectorial. Se ha estudiado, también, la influencia de las distintas alternativas de control digital que optimizan el rendimiento sobre el rizado del par y el ruido audible.Finalmente se relacionan las aportaciones realizadas, se presentan las conclusiones finales y se apuntan futuras líneas de trabajo. / In this thesis contributions are made to the Electronic Control of the Switched Reluctance Motors (SRM) to a given margin of power between 0.25 -10 kW.Following a brief historical introduction to SRM's, the SRM is placed in the context of the electric drives, its constitution, its model, and afterward its principles of operation are then analyzed. Following this a relationship between its advantages and drawbacks are then carried out along with its commercial applications and future expectations.Secondly, after a brief review on the state-of-the-art of SRM controls, several structures of power converter used in these types of drives are studied. Then different alternatives to the current and position/speed sensing are described. Subsequently, the different control strategies, likely to be applied to the average torque in SRM, are presented as well as the different implementing possibilities to the afore-mentioned control strategies.Thirdly, a low-cost drive of the SRM which permits regulation of speed with constant commutation angles is proposed. The control of this drive has been built by means of analogical and digitally discrete components. With respect to the sensors, a single current sensor has been used and the position/speed sensor has been build by means of three optical-interrupters and a slotted disc. Regarding the basics of this drive, we have studied how some motor parameters such as efficiency and acoustic noise have been influenced by the different strategies of control which were mainly built by different types of regulators (Pulse-Width Modulation PWM, Hysteresis, PWM with current regulation) with some characteristic parameters focusing on the motor's operation, such as efficiency and acoustic noise.Fourth, a platform is presented for a design of the digital SRM drives by using as a base the Dspace Ace kit 1104 CLP. On this platform, three distinct alternative averaging torque controls have been developed for SRM starting from the signals coming from three optical-interrupters. The first alternative consists of an online control of the turn-on and turn-off angles for variable speed applications which does not depend on curves of magnetization but on a few parameters of the motor. The turn-on angle is calculated through Bose's law and the turn-off angle is calculated through Gribble's turn-off angle theory. The second alternative consists of a control that includes a performance turn off optimizer in which starting from the turn-on and turn-off conduction obtained from the aforementioned control modifying itself online by means of an algorithm in order to minimize input power and maximize performance. The third alternative tries to maximize efficiency from a table, experimentally obtained, which picks up the turn-on and turn-off angles minimizing the drive input power in distinct operational zones with margins of speed pre-established. An efficiency and electrical consumption comparison between the results obtained applying different digital control alternatives and with a commercial vector-controlled induction motor drive of the same size is included. The influence of different digital control alternatives that optimize efficiency on torque ripple and acoustic noise is also studied.Finally, all the contributions were brought together, final conclusions presented and a summary of future lines of work offered.

El presente trabajo es una contribución al estudio de la estabilidad de un convertidor reductor de dos celdas utilizando diferentes estrategias de control. En el capítulo 1 se hace una introducción general de la electrónica de potencia y sus diferentes aplicaciones en el manejo eficiente de la energía eléctrica. A continuación se nombran las topologías típicas de los convertidores conmutados DC/DC, y sus principales estrategias de modulación. En el capítulo 2 se hace un estudio general de los convertidores multicelulares, explicando porque son útiles para aplicaciones de alta tensión. Seguidamente se muestran las diferentes topologías que se pueden desarrollar. En el capítulo 3 se exponen tres formas de modelar un convertidor, empezando por el modelo natural que es el modelo conmutado, desde el cual se deduce el modelo promediado que es el más utilizado para diseños en tiempo continúo. Seguidamente, se expone el modelo discreto obtenido desde una sección de Poincaré del modelo conmutado. Por último se presenta el modelo en fasores dinámicos del convertidor. Al final de este capítulo se comparan las formas de onda en transitorio y en estado estacionario que proporcionan cada uno de los modelos. En el capítulo 4 se hace un estudio del convertidor con el modelo promediado y el discreto en lazo cerrado para los controladores Proporcional (P) y Proporcional Integral (PI). Se hace un estudio analítico de cada uno de los modelos definiendo el espacio de parámetros estable. En el capítulo 5 se utiliza sólo el modelo discreto del convertidor reductor de dos celdas y se proponen dos algoritmos de control con el fin de estabilizar el sistema para ampliar el rango de parámetros estable. El control TDFC permite ampliar el espacio de parámetros estable pero tiene un error de estado estacionario. El GTDFC también permite estabilizar un rango de parámetros, y tiene la ventaja de tener un error de estado estacionario nulo. En ambos casos se hace un estudio analítico con su respectivo espacio de parámetros estable. En el capítulo 6 se presentan las conclusiones y los trabajos futuros. Finalmente, en el apéndice A se da una descripción de la implementación de un convertidor reductor de dos celdas. prototype of a DC-DC two-cell buck converter. / This work is a contribution to the study of the stability of a DC-DC two-cell buck converter using different control strategies. Chapter 1 provides a general introduction to power electronics and its different applications in the efficient management of electrical energy. Then, some typical topologies of DC-DC switched converters and their main modulation strategies are presented. Chapter 2 gives an overview of multi-cell converters, explaining why they are useful for high voltage applications. Below, the different kind of topologies of multi-cell converters that can be developed are shown. Chapter 3 presents three ways of modeling a DC-DC switched-mode two-cell converter, starting with the natural switched model from which the widely used averaged model is derived. Next, we discuss the discrete-time model obtained from the Poincaré section technique. Finally the dynamic phasor model of the converter is presented. At the end of this chapter a comparison, among the waveforms of the system obtained from each model in transient and in steady state, is carried out. Chapter 4 presents a study of the converter using the averaged model and the discrete-time mode under proportional (P) and Proportional Integral (PI) controllers. An analytical study of the system using each model is carried out defining the stable region in the parameter space. Chapter 5 uses only the discrete-time model of a two-cell buck converter and proposes two control algorithms able to stabilize the system and to expand the range of working parameters with a stable behavior. These algorithms are: TDFC control that can extend the parameter space but has a stable steady-state error and the GTDFC which also can stabilize the system over a wide range of parameter space, and has the advantage of obtaining a zero steady state error. In both cases, an analytical study is performed determining the stable region in the parameter space. Chapter 6 presents some concluding remarks and future works. Finally, an Appendix is added at the final of the document to present an implemented prototype of a DC-DC two-cell buck converter.

Doctor en Ingeniería Eléctrica. Doctor of Philosophy in Electrical and Electronic Engineering / La potencia nominal de los Sistemas de Conversión de Energía Eólica se ha incrementado constantemente alcanzando niveles de potencia cercanos a los 10 MW. Por tanto, convertidores de potencia de media tensión están reemplazando a los convertidores Back-to-Back de baja tensión habitualmente empleados en la etapa de conversión de energía. Convertidores Modulares Multinivel se han posicionado como una solución atractiva para Sistemas de Conversión de Energía Eólica de alta potencia debido a sus buenas prestaciones. Algunas de estas prestaciones son la capacidad de alcanzar altos voltajes, modularidad y confiabilidad. En este contexto, esta tesis discute la aplicación del Convertidor Modular Matricial Multinivel para conectar Sistemas de Conversión de Energía Eólica de alta potencia. Los modelos matemáticos y estrategias de control requeridas para esta aplicación son descritos y discutidos en este documento. Las estrategias de control propuestas habilitan una operación desacoplada del convertidor, proporcionando seguimiento del máximo punto de potencia en el lado del generador eléctrico del sistema eólico, cumplimiento de normas de conexión en el lado de la red eléctrica y regulación de los condensadores flotantes del convertidor. La efectividad de las estrategias de control propuestas es validada a través de simulaciones y experimentos realizados con un prototipo de laboratorio. Las simulaciones se realizan con un Sistemas de Conversión de Energía Eólica de 10 MW operando a 6.6 kV. Dicho sistema se implementa en el software PLECS. Por otro, se ha desarrollado un prototipo de laboratorio de 6kVA durante el desarrollo de este proyecto. El prototipo de laboratorio considera un Convertidor Modular Matricial Multinivel de 27 módulos Puente-H . El sistema es controlado empleando una plataforma de control basada en una Digital Signal Processor conectada a tres tarjetas del tipo Field Programmable Gate Array que proveen de 50 mediciones análogo-digital y 108 señales de disparo. La entrada del convertidor es conectada a una fuente programable marca Ametek que emula el comportamiento de la turbina eólica. A su vez, la salida del convertidor es conectada a otra fuente programable con capacidad de producir fallas en la tensión. Los resultados obtenidos, tanto en el prototipo experimental como en simulación, confirman la operación exitosa del Convertidor Modular Matricial Multinivel en aplicaciones eólicas de alta potencia. En todos los casos, las estrategias de control propuestas aseguran regulación de la tensión en los condensadores flotantes, seguimiento del máximo punto de potencia en el lado del generador eléctrico del sistema eólico y cumplimiento de normas de conexión en el lado de la red eléctrica. / The nominal power of single Wind Energy Conversion Systems has been steadily growing, reaching power ratings close to 10MW. In the power conversion stage, medium-voltage power converters are replacing the conventional low-voltage back-to-back topology. Modular Multilevel Converters have appeared as a promising solution for Multi-MW WECSs due to their characteristics such as modularity, reliability and the capability to reach high nominal voltages. Thereby, this thesis discusses the application of the Modular Multilevel Matrix Converter (\mc) to drive Multi-MW Wind Energy Conversion Systems (WECSs). The modelling and control systems required for this application are extensively analysed and discussed in this document. The proposed control strategies enable decoupled operation of the converter, providing maximum power point tracking capability at the generator-side, grid-code compliance and Low Voltage Ride Through Control at the grid-side and good steady state and dynamic performance for balancing the capacitor voltages of the converter.\\ The effectiveness of the proposed control strategies is validated through simulations and experimental results. Simulation results are obtained with a 10MW, 6.6 kVM3C based WECS model developed in PLECS software. Additionally, a 5 kVA downscale prototype has been designed and constructed during this Ph.D. The downscale prototype is composed of 27 H-Bridges power cells. The system is controlled using a Digital Signal Processor connected to three Field Programmable Gate Array which are equipped with 50 analogue-digital channels and 108 gate drive signals. Two programmable AMETEK power supplies emulate the electrical grid and the generator. The wind turbine dynamics is programmed in the generator-side power supply to emulate a generator operating in variable speed/voltage mode. The output port of the M3C is connected to another power source which can generate programmable grid sag-swell conditions. Simulation and experimental results for variable-speed operation, grid-code compliance, and capacitor voltage regulation have confirmed the successful operation of the \mc{} based WECSs. In all the experiments, the proposed control systems ensure proper capacitor voltage balancing, keeping the flying capacitor voltages bounded and with low ripple. Additionally, the performance of the generator-side and grid-side control system have been validated for Maximum Power Point Tracking and Low-Voltage Ride Through, respectively.

En esta tesis se presenta el análisis, diseño y construcción de una nueva topología de convertidor CC-CC apto para aplicaciones fotovoltaicas. Se realiza un análisis de estado estacionario del convertidor que permite predecir el comportamiento de todas sus corrientes y tensiones, en todo su rango de operación. A partir de este análisis se obtiene un modelo de pérdidas en los principales componentes del circuito, con lo que puede conocerse en dónde se produce el mayor monto de pérdidas y estimarse la eficiencia global del sistema. Se construye el transformador de aislamiento de un modo no convencional, con el cuál puede obtenerse una inductancia de dispersión elevada de valor específico, para conseguir que las llaves del convertidor operen en conmutación suave. Se desarrolla un modelo dinámico promediado no lineal del convertidor y a partir de la linealización del mismo en un punto de trabajo adecuado, se diseña un controlador para la tensión de salida del sistema. Se construye y ensaya un convertidor de 3kw con el en de corroborar y contrastar los resultados teóricos obtenidos a lo largo de la tesis. / En esta tesis se presenta el análisis, dise~no y construcción de una nueva topología de convertidor CC-CC apto para aplicaciones fotovoltaicas. Se realiza un análisis de estado estacionario del convertidor que permite predecir el comportamiento de todas sus corrientes y tensiones, en todo su rango de operación. A partir de este análisis se obtiene un modelo de pérdidas en los principales componentes del circuito, con lo que puede conocerse en dónde se produce el mayor monto de pérdidas y estimarse la eficiencia global del sistema. Se construye el transformador de aislamiento de un modo no convencional, con el cuál puede obtenerse una inductancia de dispersión elevada de valor específico, para conseguir que las llaves del convertidor operen en conmutación suave. Se desarrolla un modelo dinámico promediado no lineal del convertidor y a partir de la linealización del mismo en un punto de trabajo adecuado, se diseña un controlador para la tensión de salida del sistema. Se construye y ensaya un convertidor de 3kw con el fin de corroborar y contrastar los resultados teóricos obtenidos a lo largo de la tesis. / This thesis presents the analysis, design and construction of a new topology of DC-DC converter suitable for photovoltaic applications. A steady-state analysis of the converter that allows to predict the behavior of all its currents and voltages, throughout its range of operation is performed. From this analysis a model of the losses of the main components of the circuit is obtained, which identifies where the major losses occur, and also the overall eficiency of the system can be estimated. The isolation transformer is constructed in an unconventional way, which achieves high leakage inductance of an specific value to ensure that the switches of the converter operate in soft switching. A dynamic nonlinear averaged model of the converter is developed. From the linearization of this model in a suitable working point, a controller for the output voltage of the system is designed. A 3kW converter is constructed and tested in order to verify and compare the theoretical results obtained throughout the thesis.

El presente trabajo muestra el estudio sobre los sistemas de conversión de energía eólica de pequeña y mediana potencia, en el mismo se realiza un análisis del estado del arte en relación a las diferentes topologías existentes, además del modelado de cada uno de los elementos y su efecto sobre la integración con el convertidor de potencia back-to-back. Igualmente se estudia las principales técnicas de estimación de velocidad y posición de rotor sin sensor aplicada a los generadores sincrónicos de imanes permanentes. Además, se demuestra que la técnica del estimador simplificado de Kalman presenta el mejor desempeño en la aplicación en cuestión. También es planteada la estrategia de control, aplicada al convertidor de potencia back-to-back, donde los lazos de control de corriente y tensión son diseñados tomando en cuenta el rendimiento del sistema y las característica dinámica de la turbina eólica, de la misma manera es analizado el control de potencia de salida en el generador mediante la manipulación del par electromecánico ó la velocidad de rotor. Otro aspecto estudiado en esta tesis, son los diferentes algoritmos de seguimiento de máxima potencia utilizados en estos sistemas, a su vez es propuesto una modificación del clásico algoritmo perturbar y observar, a fin de reducir las variaciones de par asociado al sistema mecánico sin disminuir significativamente el rendimiento. En relación al convertidor de potencia, es realizado un estudio sobre el efecto de la sincronización entre las señales portadoras de los moduladores PWM de las etapas rectificadora e inversora sobre la corriente en el condensador equivalente de la DC-Link. Se demuestra que es posible disminuir el rizado de corriente si se sincronizan ambas señales portadoras, de manera que se reducen las pérdidas y aumenta la vida útil en los condensadores. Las técnicas estudiadas son comprobadas de manera experimental, simulando las condiciones ambientales utilizando DSP TMS320F2812 como dispositivo de control / González Morales, LG. (2011). Mejora de la eficiencia y de las prestaciones dinámicas en procesadores electrónicos de potencia para pequeños aerogeneradores sincrónicos operando en régimen de velocidad variable [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10915

[ES] Los convertidores de potencia de estado sólido se utilizan como generadores eléctricos polifásicos de tensión o corriente para múltiples aplicaciones, como por ejemplo el control de motores, generación eléctrica, mejora de calidad de red, etc. el uso de este tipo de convertidores supone una ventaja técnica muy importante, pues permite el control preciso de las máquinas eléctricas y la conversión de energía de diferentes naturalezas que, de otro modo, no sería posible. Debido a las limitaciones propias de la técnica de los semiconductores de potencia, la potencia de un convertidor viene limitada por la capacidad de entregar corriente de dichos semiconductores o de la tensión máxima de funcionamiento de los mismos. La manera de construir un convertidor de potencia escalable en potencia se fundamenta en utilizar topologías de circuitos, en los que los semiconductores se colocan en serie o en paralelo de forma modular para incrementar la tensión y/o la corriente del convertidor. Cuanto mayor sea la limitación eléctrica de los semiconductores, más complicado se hace realizar un convertidor de alta potencia. Hoy en día existen múltiples topologias que permiten construir de forma práctica convertidores de más de 50MVA como, por ejemplo, los convertidores multinivel modulares (MMC) o los convertidores multinivel en cascada (MCHB). Estas topologías se basan en el uso de módulos o celdas independientes que se colocan en serie para generar la tensión de salida. Este tipo de convertidores, por el hecho de ser modulares y escalables, presentan la ventaja de poder seguir trabajando en caso de fallo de uno de los módulos de potencia que lo componen, lo que en grandes convertidores de potencia es de gran importancia puesto que este tipo de accionamientos suelen estar situados en el control de procesos críticos de plantas industriales o en sistemas de generación eléctrica que requieren de una alta fiabilidad de funcionamiento. Ante un fallo en uno de los módulos de potencia, el equipo puede seguir trabajando e intentando entregar la potencia máxima posible. Sin embargo, el convertidor, ante un fallo de uno (o varios) de sus módulos, no será capaz de entregar una tensión equilibrada a la salida si no se aplica algún tipo de técnica para resolver este problema. Al margen de esto, la utilización de múltiples módulos en serie en la construcción de un convertidor plantea otro inconveniente, que es que todos los módulos no son iguales ni el sistema de alimentación a dichos módulos tampoco está perfectamente equilibrado, lo que lleva a un cierto nivel de desequilibrio de tensiones de salida en el convertidor incluso aunque no haya ningún módulo en fallo. Además de todo esto, en aplicaciones en donde entre el convertidor y el dispositivo accionado haya una impedancia desequilibrada, aunque el convertidor genere una tensión equilibrada, en el dispositivo accionado, la corriente no lo será. Así pues y a modo de resumen, podemos decir que, en los convertidores de potencia, existen al menos 3 problemas importantes asociados al desequilibrio de tensiones o corrientes en la construcción y operación de un convertidor de alta potencia: 1.- Desequilibrio de tensiones debido al fallo de un módulo de potencia. 2.- Desequilibrio de tensiones debido a asimetrías constructivas del convertidor. 3.- Desequilibrio de corrientes debido a la existencia de una impedancia asimétrica entre el accionamiento y el dispositivo accionado. El presente trabajo, pretende dar solución a estos 3 problemas y, en general, desarrollar el conocimiento general en el estado de la técnica para abordar el problema del desequilibrio en los sistemas polifásicos en tiempo real. El presente estudio se ha realizado sobre un convertidor del tipo MCHB (Multilevel Cascaded H-Bridge), pero los resultados son aplicables a cualquier tipo de convertidor. / [EN] Solid-state power converters are used as multi-phase voltage or current generators for multiple applications, such as motor control, power generation, network quality improvement, etc. The use of this type of converters is a very important technical advantage, since it allows the precise control of electrical machines and the energy conversion of different natures, which otherwise would not be possible. Due to the inherent limitations of the power semiconductor technique, the power of a converter is limited by the capacity to deliver current of said semiconductors or the maximum operating voltage thereof. The way to build a power scalable power converter is based on using circuit topologies, in which the semiconductors are placed in series or in parallel in a modular way to increase the converter voltage and/or current. The greater the electrical limitation of the semiconductors, the more complicated a high-power converter is made. Nowadays, there are multiple topologies that allow the construction of more than 50MVA converters, such as, for example, modular multilevel converters (MMC) or cascade multilevel converters (MCHB). These topologies are based on the use of independent modules or cells that are placed in series to generate the output voltage. In general, these topologies use same power cells arranged in series for each phase to generate the output voltage. Each cell generates its own output voltage in such a way that the output voltage per phase is the sum of all the voltage cells, what means that if one of the cells fails, we can isolate the failed cell and continue working with the rest. This is very interesting in general, because the converter may continue working even with a failure in the power stage, but especially interesting is for huge converters, usually employed in critical industrial plant processes or energy generation plants that require a high reliability working degree. Not only is important that the converter continues working after a failure, it is also important to maximize the output voltage. Generally speaking, if one or several cells fail, the converter will not be able to give the output voltage balanced unless we perform some technique to fix this problem. Besides that, the use of multiple cells in series poses another inconvenient that is all the cells are not identical and do not generate exactly the same output voltage with the same input command so the output voltage results unbalanced even without failed cells. Additionally, in applications where the converter and the load are both far away and the electrical connection is unbalanced due to the natural asymmetry of the uneven wiring arrangement even with a balanced output voltage, the current to the load will be unbalanced as well. It's likely the load be unbalanced as well, so with the output voltage balanced and without any wiring asymmetry to the load, the currents could be also unbalanced. As summary, we may say that in huge power converters, there are at least 3 important problems associated to the voltage or current unbalances whose origin could be linked to the building, operation or the load of the converter: 1.- Voltage unbalance due to a failed power cell. 2.- Voltage unbalance due to building asymmetries. 3.- Current unbalance due to the impedance unbalance to the load. The purpose of this work is to offer a onetime solution to the 3 problems and in general, to develop the knowledge of the state of the art electrical magnitudes unbalance in multiphase electrical systems in real time. The practical approach of this work was focused in a MCHB converter (Multilevel Cascaded H-Bridge) but the results are applicable to any type of multiphase switched mode power converter. / [CA] Els convertidors de potència d'estat sòlid s'utilitzen com a generadors elèctrics polifàsics de tensió o corrent per a múltiples aplicacions, com ara el control de motors, generació elèctrica, millora de qualitat de xarxa, etc. ús d'aquest tipus de convertidors suposa un avantatge tècnica molt important, ja que permet el control precís de les màquines elèctriques i la conversió d'energia de diferents naturaleses que, d'altra manera, no seria possible. A causa de les limitacions pròpies de la tècnica dels semiconductors de potència, la potència d'un convertidor ve limitada per la capacitat de lliurar corrent d'aquests semiconductors o de la tensió màxima de funcionament dels mateixos. La manera de construir un convertidor de potència escalable en potència es fonamenta en utilitzar topologies de circuits, en els quals els semiconductors es col·loquen en sèrie o en paral·lel de forma modular per incrementar la tensió i / o el corrent del convertidor. Com més gran sigui la limitació elèctrica dels semiconductors, més complicat es fa realitzar un convertidor d'alta potència. Avui dia hi ha múltiples topologies que permeten construir de forma pràctica convertidors de més de 50MVA com, per exemple, els convertidors multinivell modulars (MMC) o els convertidors multinivell en cascada (MCHB). Aquestes topologies es basen en l'ús de mòduls o cel·les independents que es col·loquen en sèrie per generar la tensió de sortida. Aquest tipus de convertidors, pel fet de ser modulars i escalables, presenten l'avantatge de poder seguir treballant en cas de fallada d'un dels mòduls de potència que el componen, el que en grans convertidors de potència és de gran importància ja que aquest tipus d'accionaments solen estar situats en el control de processos crítics de plantes industrials o en sistemes de generació elèctrica que requereixen d'una alta fiabilitat de funcionament. Davant una fallada en un dels mòduls de potència, l'equip pot seguir treballant i intentant lliurar la potència màxima possible. No obstant això, el convertidor, davant una fallada d'un (o diversos) dels seus mòduls, no serà capaç de lliurar una tensió equilibrada a la sortida si no s'aplica alguna mena de tècnica per resoldre aquest problema. Al marge d'això, la utilització de múltiples mòduls en sèrie en la construcció d'un convertidor planteja un altre inconvenient, que és que tots els mòduls no són iguals ni el sistema d'alimentació a aquests mòduls tampoc està perfectament equilibrat, el que porta a un cert nivell de desequilibri de tensions de sortida al convertidor fins i tot encara que no hi hagi cap mòdul en fallada. A més de tot això, en aplicacions on entre el convertidor i el dispositiu accionat hagi una impedància desequilibrada, tot i que el convertidor generi una tensió equilibrada, en el dispositiu accionat, el corrent no ho serà. Així doncs i com a resum, podem dir que, en els convertidors de potència, hi ha almenys 3 problemes importants associats al desequilibri de tensions o corrents en la construcció i operació d'un convertidor d'alta potència: 1.- Desequilibri de tensions causa de la fallada d'un mòdul de potència. 2.- Desequilibri de tensions a causa de asimetries constructives del convertidor. 3.- Desequilibri de corrents a causa de l'existència d'una impedància asimètrica entre l'accionament i el dispositiu accionat. El present treball, pretén donar solució a aquests 3 problemes i, en general, desenvolupar el coneixement general en l'estat de la tècnica per abordar el problema del desequilibri en els sistemes polifàsics en temps real. El present estudi s'ha realitzat sobre un MCHB (Multilevel Cascaded H-Bridge), però els resultats són aplicables a qualsevol tipus de convertidor. / Poveda Lerma, A. (2020). Contribución al desarrollo de convertidores multinivel de alta tensión tolerantes a fallos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153806

[EN] Road security is an actual issue because vehicular accidents are present when traffic conditions are unfavorable. Security in roads may be augmented if drivers could have the means to know potential traffic dangers beyond their relative position, for example, wether the driver is close to a region where the weather may cause to loose control of the vehicle. The systems presented as solutions to solve vehicle traffic problems and those presented as solution for the drivers needs have in common the simultaneous attention to the vehicle and to the road. These systems are known as Intelligent Transportation Systems-ITS. The final purpose of the ITS is to build a fast, secure, convenient and comfortable transportation system that helps to guarantee the security of drivers in roads, the soustened social economics development and to coordinate the environment conservation whith the human life style. Environmental surveillance is a fundamental factor to manage a safe vehicle conduction. Rain, wind, snow, fog, etc. are environmental conditions with high probability to cause traffic accidents. These dangers could be diminished or eliminated if drivers may know the road conditions in real time due to weather conditions. Then, it is necessary to implement weather sensors in order to obtain reliable information about factors modifying road conditions and alter vehicle security. The communication technology and the data aquisition system implemented in these instruments are to be small and easy to interface to a microcontroller, in order to have portable instruments for long time operation. Besides the instrument communications must be in a wireless way, they must be autonomous and, therefore, the consumption must be low. Clearly, the final design is to be of low cost. This work shows the design of weather sensor for ITS applications that met the above mentioned characteristics. A two case study is proposed and it has been able to introduce design innovations. The main objectives are: a) To design and test the prototype of a visibilimeter using an universal frequency-to-digital converter and to validate his ITS application. b) To design and test the prototype of a didrometer using an universal frequency-to-digital converter and to validate his ITS application Visibilimeters and pluviometers have been used in ITS applications, nevertheless, the new proposed instruments introduce a design innovation given that they use the frequency-to- digital code metrologic paradigm. This new data convertion has many advantages over the data acquisition conventional techniques, consisting of sampling and quantifying analog signals from sensors. The study presents two specific results: The design, construction and test of a visiblimeter with the following characteristics: - visibility measurement range: 41 to 662.5 m, - Bluetooth transmission range: 100 m, - application of a universal frequency-to-digital converter as data conversión system, - innovative optical interference supression techniques, - calibration from an auto-calibrated transmisometer, and - characteristics in accordance with ITS standards. The design, construction and test of an optical disdrometer with the following characteristics: - resolution: 1 mm·hr-1 - measurement range: 250 mm·hr-1 - Bluetooth transmission range: 100 m, - application of a universal frequency-to-digital converter as data conversión system - original algorithm to estimate pluvial precipitation index, - a design methodology to make possible the fusion of variables in a frequency-to-digital code scheme and - characteristics in accordance with ITS standards. The design and test experiences prove the posibility of using universal frequency-to-digital code devices to implement weather instruments for ITS applications. Beside, the new fusion variable and interference supression techniques are destacable issues in the design of a new weather instruments generation for ITS applications. / [ES] Los sistemas que se han presentado como soluciones para resolver los problemas relacionados con el tráfico de vehículos, así como los sistemas que responden a las necesidades de los conductores, tienen en cuenta al vehículo y a la vía simultáneamente y se conocen como Sistemas de Transporte Inteligente (ITS-Intelligent Transportation Systems). El propósito final de los ITS es construir un sistema de transporte rápido, seguro, conveniente y cómodo para garantizar la seguridad de los conductores en las autovías, el desarrollo sostenido de la economía social y coordinar la conservación del ambiente con el modo de vida humano. Por lo que se acaba de indicar, resulta necesario contar con sensores climáticos que proporcionen información completa y exacta de los factores que puedan incidir en la seguridad vial. Puesto que este tipo de sensores deben ser portátiles y capaces de funcionar durante largos periodos de tiempo, es necesario que la tecnología de comunicación y el acondicionamiento de la señal del sensor sean lo suficientemente compactos para poderse interconectar con microcontroladores sencillos y de bajo coste. Un sensor inteligente inalámbrico es autónomo y, por lo tanto, su diseño ha de optimizarse para que su consumo de energía sea mínimo. Claramente, la solución material final no debe representar un coste excesivo. En concreto, se propone el diseño, la construcción y la validación de dos instrumentos de medición medioambiental inalámbricos para sistemas inteligentes de transporte, con características innovadoras de funcionamiento. Estos instrumentos estarían orientados a la seguridad de los automovilistas que circulan en autovías donde el peligro potencial de conducir un vehículo aumenta cuando ocurren condiciones climáticas adversas. Los objetivos planteados son: a) Diseñar, construir y probar el prototipo de un visibilímetro que utilice un convertidor de frecuencia a código binario y validar su uso en aplicaciones ITS. b) Diseñar, construir y probar el prototipo de un disdrómetro que utilice convertidores de frecuencia a código binario y validar su uso en aplicaciones ITS. El trabajo presenta los siguientes resultados concretos: Diseño, pruebas y construcción de un visibilímetro con las siguientes características: - rango de medición de la visibilidad: 41 a 662.5 m, - transmisión Bluetooth de la información hasta 100 m, - uso de un convertidor universal de frecuencia a código digital como órgano de conversión numérica, - técnicas originales de supresión de interferencias ópticas, - calibración por intercomparación con un transmisómetro auto-calibrado y - autónomo, robusto, compacto y de bajo coste, de acuerdo al estándar ITS. Diseño, pruebas y construcción de un disdrómetro óptico con las siguientes características: - resolución: 1 mm·hr-1 - límite superior del rango de medición: 250 mm·hr-1 - transmisión Bluetooth de la información hasta 100 m, - uso de convertidores universales de frecuencia a código digital como órgano de conversión numérica, - algoritmo original de la estimación de la IPP, - directrices de diseño para instrumentos de medición con fusión de variables físicas bajo el paradigma de la conversión frecuencia-código digital y - autónomo, robusto, compacto y de bajo coste, de acuerdo al estándar ITS. La experiencia en el diseño de los instrumentos medioambientales propuestos en este trabajo, ha demostrado que es posible cumplir con los estándares exigidos por la aplicación ITS cuando se incorpora el paradigma metrológico de la conversión frecuencia-código digital junto con adaptaciones no convencionales de supresión de interferencias, con lo cual se ha contribuido al diseño de una nueva generación de instrumentos medioambientales inalámbricos útiles en la seguridad en autovías / [CA] La vigilància de les condicions climatològiques és un factor bàsic per aconseguir una conducció segura. Condicions de clima adverses (pluja, vent, neu, boira, etc.) augmenten les probabilitats que es produïsquen accidents de trànsit. Si es disposa de sistemes d'informació a l'usuari que proporcionen l'estat del clima en les carreteres en temps real, es poden reduir considerablement els riscos. Pel que s'acaba d'indicar, resulta necessari comptar amb sensors climàtics que proporcionen informació completa i exacta dels factors que puguen incidir en la seguretat vial. Ja que aquest tipus de sensors han de ser portàtils i capaços de funcionar durant llargs períodes de temps, és necessari que la tecnologia de comunicació i el condicionament del senyal del sensor siguen prou compactes per poder-se interconnectar amb microcontroladors senzills i de baix cost. Un sensor intel·ligent sense fil és autònom i, per tant, el seu disseny ha d'optimitzar-se perquè el seu consum d'energia sigua mínim. Clarament, la solució material final no ha de representar un cost excessiu. En concret, es proposa el disseny, la construcció i la validació de dos instruments de mesurament mediambiental sense fils per a sistemes intel·ligents de transport, amb característiques innovadores de funcionament. Aquests instruments estarien orientats a la seguretat dels conductors que circulen en autovies on el perill potencial de conduir un vehicle augmenta quan ocorren condicions climàtiques adverses. Els objectius plantejats són: a) Dissenyar, construir i provar el prototip d'un 'visibilímetre' que utilitze un convertidor de freqüència a codi binari i validar el seu ús en aplicacions ITS. b) Dissenyar, construir i provar el prototip d'un 'disdrómetre' que utilitze convertidors de freqüència a codi binari i validar el seu ús en aplicacions ITS. Els instruments de mesura de visibilitat i precipitació pluvial ja s'han utilitzat en aplicacions ITS, no obstant això, els proposats en aquest treball resulten innovadors, ja que s'han dissenyat segons el paradigma meteorològic de la conversió de freqüència a codi digital. Aquest tipus de conversió numèrica posseeix diversos avanços sobre la tècnica convencional de la conversió de senyals analògiques a senyals digitals mitjançant dispositius electrònics que guarden els valors i els donen sentit. El treball presenta els següents resultats concrets: Disseny, proves i construcció d'un visibilímetre amb les següents característiques: - Rang de mesurament de la visibilitat: 41 a 662.5 m. - Transmissió 'Bluetooth' de la informació fins a 100 m. - Ús d'un convertidor universal de freqüència a codi digital com a òrgan de conversió numèrica. - Tècniques originals de supressió d'interferències òptiques. - Calibratge per comparar amb un transmisómetre ja calibrat I autònom, robust, compacte i de baix cost, d'acord a l'estàndard ITS. Disseny, proves i construcció d'un disdrómetre òptic amb les següents característiques: - Resolució: 1 mm·*hr-1. - Límit superior del rang de mesurament: 250 mm·*hr-1. - Transmissió 'Bluetooth' de la informació fins a 100 m. - Ús de convertidors de freqüència a codi digital com a òrgan de conversió numèrica. - Algorisme original de l'estimació de la IPP. - Directrius de disseny per a instruments de mesurament amb fusió de variables físiques segons el paradigma de la conversió freqüència-codi digital i autònom, robust, compacte i de baix cost, d'acord a l'estàndard ITS. L'experiència en el disseny dels instruments mediambientals proposats en aquest treball, ha demostrat que és possible complir amb els estàndards exigits per l'aplicació ITS quan s'incorpora el paradigma metrológico de la conversió freqüència-codi digital juntament amb adaptacions no convencionals de supressió d'interferències, amb la qual cosa s'ha contribuït al disseny d'una nova generació d'instruments mediambientals sense fil / Barrales Guadarrama, R. (2016). MONITORIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS CLIMÁTICOS Y MEDIOAMBIENTALES RELACIONADOS CON EL TRÁFICO DE VEHÍCULOS. SENSORES CLIMÁTICOS Y MEDIOAMBIENTALES INALÁMBRICOS PARA SISTEMAS INTELIGENTES DE TRANSPORTE [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63276

En esta tesis se estudia de manera analítica y numérica el comportamiento del convertidor tipo buck cuando es manejado con PWM y el cálculo de ciclo de trabajo se hace obligando a la dinámica de primer orden en el error del sistema a tener promedio cero en cada iteración (ZAD). Esta técnica de manejo del PWM, reportada por primera vez en la literatura en el año 2001, y ampliamente estudiada en la presente tesis, promete llevar al sistema a tener características deseables tales como: frecuencia fija de conmutación, robustez y bajo error de salida; cualidades estas muy importantes en un convertidor. Los principales puntos de análisis en la presente tesis son: determinación del punto de equilibrio de la aplicación de Poincaré del convertidor manejado con PWM y ZAD. Cálculo de la estabilidad de la órbita de período 1 asociada a la aplicación de Poincaré. Este estudio se ha hecho via Exponentes de Lyapunov, Exponentes de Floquet y Multiplicadores característicos. Debido a la presencia inherente de un periodo de atraso en un esquema de PWM con pulso al centro, se incuye para el análisis de estabilidad este caso particular. También se hace un estudio de la transición al caos, basado en la aplicación de Poincaré y se caracterizan de manera analítica las tres primeras bifurcaciones (Flip-colisión de borde-Flip). Se muestra además la conformación del caos a tavés de una aplicación estilo tienda de campaña. Se ha diseñado un controlador para cuando el sistema opera en zona de caos y se ha comparado con la técnica TDAS, mostrando mayor velocidad de respuesta y error más bajo. Por medio de la aplicación de la teoría de promedios se calcula una cota para el error, cuando el sistema opera en zona estable y en estado estacionario, garantizando un bajo error de salida. Finalmente los resultados experimentales corroboran algunos fenómenos no lineales y el límite de la estabilidad. / In this thesis the behaviour of the buck converter, driven with PWM and Zero Average Dynamic on error (ZAD) technique is studied in an analytical and numerical form. This technique for evaluating duty cycle in a PWM was reported for the first time in the literature in the year 2001. ZAD is widely studied in this thesis. Its main characteristics are: fixed frequency switching, robustness, and low error in the regulation case. These characteristics are very important in power converters. The main issues of this thesis are: To calculate the equilibrium point associated to the buck converter Poincaré map. To determine the stability of the 1-periodic orbit, based on Lyapunov exponents, Floquet exponents and characteristic multipliers. Also an scheme of PWM with a delay time has been studied finding its stability limit. A study of transition to chaos has been made. It has confirmed analytically that the first bifurcation is flip type, the second bifurcation is corner collision type and third bifurcation is flip type, again. Also a controller for chaos is designed and tested and it has been compared with TDAS technique, showing lower error and very fast response. Applying Average theory, a bound for error in the regulation case and in stationary state has been found. This bound confirms the advantages of the ZAD technique. Finally the analytical and numerical results are confirmed in an experimental form.

En esta tesis se hacen contribuciones a la simulación interactiva de motores de reluctancia autoconmutados desde la perspectiva de la ingeniería concurrente.En primer lugar, después de una breve introducción histórica, se sitúa el motor de reluctancia autoconmutado (SRM) en el marco de los accionamientos eléctricos y se introducen los principios básicos de la ingeniería concurrente utilizando el prototipado rápido de accionamientos eléctricos.En segundo lugar se presenta la constitución del accionamiento con SRM y sus principios de funcionamiento. Se especifican los antecedentes en el modelado de los SRM y se presenta un tratamiento original de las curvas de magnetización.Seguidamente se trata la simulación de los accionamientos eléctricos desde la perspectiva de la ingeniería concurrente. Tras estudiar la evolución de la simulación (analógica, numérica, analógica digital, multidisciplinar, física, etc.), se muestran los procedimientos de la ingeniería concurrente que parten del modelado del accionamiento con SRM usando las técnicas SIL (Software In the Loop) que permiten escoger y ajustar los controles más adecuados usando un prototipo virtual del accionamiento y que integra los procedimientos utilizados en las técnicas HIL (hardware in the loop), concretándose todo ello en una plataforma digital para el desarrollo de los accionamientos con SRM.A continuación se procede, después de hacer una descripción general del accionamiento programado, a detallar los programas utilizados en la simulación interactiva de los diferentes componentes (convertidor estático, detectores de posición, sensores de corriente, cargas, etc) del accionamiento completo con SRM, considerando diferentes estrategias de control (pulso único, control de corriente mediante histéresis y PWM) y condiciones de funcionamiento (régimen permanente, transitorios y faltas).Posteriormente, se diseña una plataforma para el desarrollo de accionamientos con SRM en tiempo real mediante un entorno de prototipado rápido. Esta plataforma es flexible modular y robusta permitiendo; configurar distintas topologías del convertidor, implementar distintas estrategias de control en tiempo real tanto para el convertidor como para el accionamiento, evitando los problemas habituales de prueba y ajuste, que tanto tiempo hacen perder en el diseño convencional de accionamientos, para centrar la atención y los esfuerzos en los conceptos y aspectos clave de los accionamientos con SRM.Una vez construida la plataforma de desarrollo, esta se utiliza para contrastar y validar los resultados obtenidos mediante la simulación SIL, constatándose además la capacidad de la plataforma para el desarrollo de accionamientos de SRM, así como sus ventajas para la enseñanza e investigación en este tipo de accionamientos. Finalmente, se enumeran las aportaciones realizadas, se presentan las conclusiones finales y se describen futuras líneas de investigación. / In this thesis, contributions are made to the interactive simulation of switched reluctance motors (SRMs) from the perspective of concurrent engineering.Firstly, after a brief introduction to the history of switched reluctance motors (SRMs), they are placed in the context of electric drives. The basic principles of concurrent engineering are then described by means of the rapid prototyping of electric drives.Secondly, the design of drives using SRMs and the principles behind their operation are presented. An overview of SRM modeling is given and an original treatment of magnetization curves is presented.Subsequently, the simulation of electric drives from the perspective of concurrent engineering is carried out. After a study of how simulation (analogical, numerical, analogical-digital, multidisciplinary and physical) has evolved, the procedures of concurrent engineering are demonstrated. The procedures start out by modeling drives with SRMs using SIL (software-in-the-loop) techniques. This makes it possible to choose and to fit the most suitable controls by using a virtual prototype of the drive and integrating the procedures used in HIL (hardware-in-the-loop) techniques. The final outcome is a digital platform for the development of drives using SRMs.After a general description of the drive, the programs used in the interactive simulation of the components (static converters, position detectors, current sensors, loads, etc.) of the complete drive with an SRM are described. Various strategies ranging from control (single pulse, control of current by means of hysteresis and PWM) to conditions of operation (permanent, transitory and faulty schemes) are also considered.A platform for the development of drives using SRMs in real time by means of rapid prototyping is designed. This platform is flexible, modular and robust, which makes it possible to configure different topologies for the converter and to implement different control strategies in real time for the converter and the drive. This avoids the habitual problems of testing and adjusting, which take up a great deal of time in conventional drive design, thus making it possible to focus on the drive's conceptual features.Once the development platform has been built, it is used to validate the results obtained by means of SIL simulation. The platform's capacity to contribute to the development of SRM drives and its advantages for teaching and research in this particular field are demonstrated.Finally, all the original contributions are put forward, the conclusions are presented and future lines of research are described.