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El Grupo de Sistemas Electrónicos de Potencia (GSEP) de la Universidad Carlos III de Madrid (España) ofrece su experiencia en servicios de consultoría, asesoría, proyectos I+D de financiación pública o privada y construcción de prototipos pre-industriales, en cuatro líneas de trabajo fundamentales: conversión de energía (diseño, modelado y construcción de equipos y sistemas), diseño y modelado de componentes magnéticos, sistemas fotovoltaicos y compatibilidad electromagnética.

The Power Electronics Systems Group (GSEP) at University Carlos III de Madrid (Spain) offers its wide experience and background in consultancy, R&D projects with private and public funding and pre-industrial prototype building in four main topics: energy conversion (design, modelling and prototyping of equipments and systems), magnetic components modelling and design, photovoltaic systems and electromagnetic compatibility (EMC).

Most of the electronic systems need several voltages with different values to work. This supposes an important market demand of reliable, cheap and robust power supply with several output voltages. The specifications of these systems are very different and variable, for this reason a big number of solutions have been developed to supply the market. Nowadays, the main design tendencies in electronic systems are going towards higher power, ‘smaller size, lower voltages (3.3V, 1.5V, 0.9V), and, therefore, higher currents. These requirements penalize the use of classical multiple output converters, since only an output voltage is fully regulated by means of a specific loop control. Consequently, the multiple output converters with all the outputs fully regulated are being more and more used. For this reason, the multiple output converters based on postregulation have had an important expansion. Generally, most of the multiple output converters with postregulation are more expensive than classical solutions, specially, in medium and high power. Therefore, new topologies and strategies are needed to get cheaper multiple output converters fully regulated, and, in any case, to get new alternatives to the nowadays used. For these reasons, in this thesis an original and extensive family of converters is proposed. This new family is composed of converters with and without transformer, and, with and without postregulation. The converters belonging to this new family are named “PWM-PD Multiple output converters”, since they are based 011 the novel “PWM-PD Control” (Pulse Width Modulation-Pulse Delay). The PWM-PD control is presented in this document. Furthermore, several new topologies, a general design method, and a set of accurate small-signal models are proposed. Finally, several prototypes have been built to test both, the circuits and the models developed. These prototypes have corroborated the good operation of this new family of converters. Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales por la Universidad Carlos III de Madrid Pedro M. Martínez Martínez.- Vocales: Joan Peracaula, Salvador Martínez García, Javier Sebastián Zúñiga.- Vocal secretario: Luis Alfonso Entrena Arrontes

En este trabajo de fin de grado se desarrolla el análisis, diseño, modelado, control, selección de componentes y simulación de un cargador de baterías basado en el convertidor CC-CC resonante LLC. Este cargador de batería responde a las especificaciones de un avión ligero eléctrico. Se describirá el convertidor resonante LLC explicando sus ventajas e inconvenientes y el motivo de su elección. Además, se enseñarán las técnicas de modelado y control que se llevarán a cabo. Se diseñará la etapa de potencia del convertidor buscando los valores de los componentes que mejor se ajustan. Por otro lado, se optimizará el control del convertidor usando distintos métodos y eligiendo el más adecuado. Finalmente, se realizará una simulación del proceso de carga completo para demostrar el correcto funcionamiento del diseño. In this Bachelor Thesis, the analysis, design, modeling, control, component selection and simulation of a battery charger based on the LLC resonant DC-DC converter are developed. This battery charger meets the specifications of a light electric aircraft. The LLC resonant converter will be described explaining its advantages and disadvantages and the reason for your choice. In addition, modeling and control techniques will be described. The power stage of the converter will be designed looking for the best values of the components. On the other hand, the control of the converter will be optimized using different methods and choosing the most suitable one. Finally, a simulation of the full load process will be performed to demonstrate the correct operation of the design. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

En los últimos años el aumento del consumo global de energía eléctrica ha continuado creciendo, sin embargo, en este mismo periodo la sociedad ha consolidado una mayor conciencia medioambiental, a la vez que sea comenzado a barajar una futura escasez de recursos energéticos derivados de los combustibles fósiles. Estas tendencias han dado lugar a numerosas investigaciones centradas en fuentes de energía limpias y renovables, como son la energía eólica, la energía solar, la energía hidráulica, la energía undimotriz, o la energía basada en la utilización de biomasa. En este entorno de profundización en el uso y la utilización eficiente de las energías limpias, la investigación contenida en este documento de tesis doctoral se ha centrado en el ámbito de la energía solar fotovoltaica. De entre las principales ventajas de la energía solar fotovoltaica, cabe destacar que se trata de una fuente de energía limpia e inagotable, con gran disponibilidad, que no emite gases en la generación de energía eléctrica, etc. Además, las instalaciones fotovoltaicas destacan por su fiabilidad, su bajo coste de operación y mantenimiento, y que no producen contaminación acústica, ya que no genera ruido. Por el contrario, las principales desventajas que presentan las instalaciones fotovoltaicas son la elevada inversión inicial, la superficie requerida y la limitación geográfica, dado que se precisa de zonas con alta irradiación solar. Más allá de las desventajas mencionadas, las instalaciones fotovoltaicas sufren un problema adicional de gran importancia, relacionado con la reducción de la potencia generada debido a los desajustes entre los paneles fotovoltaicos. Dichos desajustes pueden ser ocasionados por diferencias constructivas entre los paneles fotovoltaicos, diferencias térmicas durante la operación, envejecimiento o diferente grado de irradiancia o irradiación solar. Para maximizar la potencia generada independientemente de los desajustes entre paneles fotovoltaicos, en las instalaciones fotovoltaicas se emplea generalmente un tipo de arquitectura en la que se asocia un convertidor CC-CC a cada panel fotovoltaico. El convertidor CC-CC tiene una doble función, por un lado, hace trabajar al panel fotovoltaico en su punto de máxima potencia, permitiendo obtener la potencia máxima de dicho panel, con las condiciones de temperatura e irradiancia particulares del mismo. Por otro lado, aísla al panel fotovoltaico del resto de paneles fotovoltaicos, impidiendo que cualquier fallo o diferencia en alguno de los otros paneles fotovoltaicos, obligue a reducir la potencia generada por el panel fotovoltaico al que está conectado el convertidor. Este tipo de arquitectura se conoce como arquitectura con seguimiento del punto de máxima potencia distribuido (DMPPT). Dado el gran número de paneles fotovoltaicos empleados en una instalación fotovoltaica, para poder implementar la arquitectura con seguimiento del punto de máxima potencia distribuido, se precisarán también un gran número de convertidores CC-CC. Por lo tanto, para que la solución sea viable y rentable económicamente, y se consiga la mayor flexibilidad posible en el diseño de las instalaciones fotovoltaicas, se requieren convertidores CC-CC que presenten las siguientes prestaciones: elevada potencia, bajo coste, alta fiabilidad y capacidad para reducir y elevar tensiones. En el presente documento de tesis se profundiza en el estudio de este tipo de convertidores, y se propone una nueva familia de convertidores CC-CC para su aplicación a instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, que cumplen con las prestaciones anteriormente mencionadas. La familia de convertidores consta de tres convertidores diferentes, aunque todos ellos comparten la misma raíz topológica. Estos convertidores se analizan y estudian en el dominio del tiempo y de la frecuencia, se diseñan para cumplir con unas especificaciones establecidas, se simulan, se validan experimentalmente, y finalmente se comparan. La memoria de esta tesis se ha estructurado en ocho capítulos, tal y como se describe a continuación: Capítulo 1. Este capítulo tiene por objeto describir las motivaciones y objetivos del presente trabajo de investigación, así como de presentar las particularidades del campo de aplicación en el cual se plantea la investigación. Capítulo 2. En este capítulo se realiza el estudio del estado de la técnica, centrado en las soluciones actualmente disponibles en la literatura, referentes a los convertidores CC-CC aplicados en instalaciones FV con arquitectura DMPPT. Capítulo 3. En este capítulo se introduce la familia de convertidores propuesta. Se describen las características comunes de los convertidores que forman la familia, así como sus diferencias topológicas. Capítulo 4. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Reductor-Elevador Forward-Serie Modificado (BBMSF). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Además, en este capítulo se presenta el caso de estudio empleado para el diseño de los prototipos de los tres convertidores de la familia propuesta. Capítulo 5. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Forward-Flyback con Autotransformador (AFF). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Capítulo 6. En este capítulo se presenta y analiza el convertidor Forward con Autotransformador y desmagnetización resonante tipo Zeta (AFZ). El análisis se ha realizado tanto en el dominio del tiempo, con y sin inductancia de dispersión del autotransformador, como de la frecuencia, incluyendo el principio de funcionamiento y la validación experimental. Capítulo 7. En este capítulo se comparan las prestaciones de los tres convertidores de la familia propuesta, tanto analíticamente como sus resultados experimentales. Capítulo 8. En este capítulo se presentan las conclusiones de la memoria de la tesis y se proponen futuras líneas de investigación. También se detallan otras aportaciones relacionadas con la tesis doctoral. Capítulo 9. En este capítulo se detallan todas las referencias empleadas a lo largo del documento de tesis. Capítulo 10 - Anexos. En este capítulo, se incluyen los dos anexos de la memoria de tesis. El primero de ellos se centra en el diseño del driver, mientras que el segundo se centra en el diseño del sensor de corriente, ambos empleados en los prototipos de los convertidores de la familia propuesta. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Gabriel Garcerá Sanfeliú.- Secretario: José Ignacio León Galván.- Vocal: Diego González Lamar

El proceso de electrificación de los medios de transporte plantea, en la actualidad, un conjunto de desafíos relacionados con el desarrollo de sistemas de distribución de potencia y propulsión basados en el uso de energías limpias, que deben ocasionar un mínimo impacto sobre el medio ambiente. Por esta razón, los sistemas que gestionan este tipo de energías deben ser lo más eficientes posible. Esta marcada tendencia, que va desde los sistemas de propulsión basados en combustión interna a los sistemas de propulsión basados en el uso de energías alternativas, requieren de sistemas de almacenamiento que ayuden y garanticen la adecuada operación del vehículo. De esta manera, se distingue entre la fuente de energía principal, como puede ser una pila de combustible de tipo PEM cuyo combustible es el hidrógeno, y las fuentes de energías secundarias, típicamente baterías y supercondensadores, las cuales en la relación tamaño energía y potencia son las más indicadas para aplicaciones dirigidas a vehículos eléctricos. El diseño, dimensionamiento y utilización de las fuentes de energía plantea un desafío a nivel de modelado y control, asociado al constante compromiso entre complejidad y precisión. En este sentido, para la realización de la simulación del sistema, previa a su implementación, es necesario disponer del modelo de todos los elementos que componen el sistema, los cuales deben ser capaz de representar con suficiente precisión el comportamiento real de cada elemento, y como consecuencia del sistema completo. Por todas estas razones, en esta tesis doctoral se plantea un procedimiento de modelado de baterías y supercondensadores. En este procedimiento se requiere disponer de un modelo, un perfil de identificación, un algoritmo de optimización matemática, y un perfil de verificación. La flexibilidad de control de estos elementos permite, en gran medida, hacer que la estimación sea suficientemente adaptable a distintos tipos de modelos y sistemas, asegurando su generalidad. Mediante una adecuada identificación de los parámetros del modelo, se puede plantear una comparativa entre los modelos de baterías y supercondensadores, disponible en estado de la técnica, para extraer las ventajas e inconveniente de cada modelo, y seleccionar aquel que mejor se adapte a cada aplicación. En esta tesis doctoral, el modelado de baterías se ha centrado en aquellas baterías con tecnología de Ion-litio, por su aplicabilidad al vehículo eléctrico. Fruto del estudio de los modelos y métodos de identificación realizado, se ha podido verificar la importancia de la señal de identificación, en el proceso de modelado. Es por esta razón, que en esta tesis se propone una nueva señal de identificación pseudoaleatoria compuesta, denominada Pulso-PRBS, que presenta como bondad la capacidad de cubrir en amplitud y frecuencia a la señal de verificación o señal de funcionamiento real del sistema, reduciendo, de esta manera, el error de los modelos que utilizan perfiles de identificación convencionales, habitualmente utilizados en baterías y supercondensadores. Finalmente, los modelos seleccionados e identificados se utilizan en el diseño del control de la energía de un sistema completo, en el que se precisan de uno o varios convertidores CC-CC, en concreto se selecciona la topología reductora-elevadora no invertida, para la gestión de la energía asociada a cada fuente, sea principal o secundaria. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Manuela González Vega.- Secretario: Enrique Romero Cadaval.- Vocal: Joaquín Vaquero López

La sociedad actual basa gran parte de sus actividades en el uso de equipos electrónicos que en su mayoría contienen circuitos integrados (CI). Un ejemplo de estos CI son los microprocesadores, dispositivos en continua evolución según postuló Gordon Moore en su artículo de 1965 [12] El procesamiento de datos exige microprocesadores con velocidades y capacidad de operación cada vez mayores, que desemboca en un aumento exponencial del número de transistores que los componen. Como consecuencia, y aún con la mejora de rendimiento, el tamaño y la disipación de potencia de los microprocesadores crece. Para solucionar estos inconvenientes se emplean semiconductores con geometrías cada vez más pequeñas, lo que establece un gran reto para los diseñadores y siembra de dudas la continuidad de la Ley de Moore en los términos actualmente planteados. Menores geometrías suponen menores consumos y menores tensiones de alimentación. El aumento del número de transistores, que permite una mayor velocidad de operación, también representa mayor demanda de corriente y un comportamiento más dinámico de ésta. Los retos que establece la inquieta industria microelectrónica, obligan a una continua revisión de los sistemas de alimentación con desarrollos especiales y configuraciones dedicadas, a fin de cumplir con necesidades de potencia, respuesta dinámica, rendimiento y ruido. En el presente proyecto se lleva a cabo el desarrollo de un nuevo tipo de Fuente Híbrida de control Lineal – no Lineal postulado por el Dr. D. Ramón Vázquez Perdomo en su tesis doctoral “Estrategias avanzadas de control para mejorar la respuesta dinámica de las fuentes de alimentación con baja tensión de salida”. Dicho sistema cuenta con una Fuente Conmutada Principal con control mixto Lineal – no Lineal y una Fuente de Corriente Auxiliar, también conmutada, con control no Lineal en paralelo. Este montaje supone una mejora general sobre las características de las soluciones anteriormente disponibles. Como parte necesaria ante el planteamiento de un nuevo diseño conceptual de fuente de alimentación, la implementación del equipo con técnicas y elementos comerciales y su posterior estudio de capacidades, es esencial para establecer la viabilidad del mismo. Ingeniería Técnica en Electrónica

El creciente problema medioambiental que se sufre a nivel global, que se manifiesta a través de la contaminación atmosférica, partículas en suspensión, contaminación acústica, efecto invernadero, y calentamiento global, junto con el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, exige un cambio tecnológico que alcance a todos los sectores de la industria. Se prevé que el parque automovilístico mundial se duplicará entre el año 2015 y el año 2030, pasando de 800 millones a 1600 millones de vehículos, lo que pone de manifiesto la necesidad de que el cambio tecnológico alcance al campo de la automoción para asegurar una movilidad sostenible a largo plazo. Los principales fabricantes de vehículos, entre ellos Toyota, Renault, BMW, Peugeot y Nissan, han dado un primer paso hacia el vehículo limpio y energéticamente eficiente introduciendo en el mercado vehículos híbridos que combinan motores de combustión interna con baterías, como son los automóviles ActiveHybrid5, 3008 Hybrid4 y Toyota Prius, y vehículos eléctricos propulsados únicamente por baterías como pueden ser el Twizy, Fluence Ze, iOn, o Leaf. A pesar de que se estima una cuota de mercado en ventas de vehículos eléctricos del 2% en 2020 y entre el 11% y el 30% en 2030, aún quedan barreras tecnológicas por vencer, que impiden la sustitución definitiva de los vehículos de combustión interna. Los vehículos propulsados por pilas de combustible empiezan a ser considerados como una alternativa firme a los vehículos puramente eléctricos, a pesar de la necesidad de mejorar aspectos tecnológicos relacionados con el almacenamiento del hidrógeno, la creación de redes de distribución de hidrógeno, reducción de costes del vehículo, etc. Honda ya ha presentado el primer vehículo propulsado por una pila de combustible de fabricación en serie, el modelo FCX Clarity, con una autonomía de 460km y velocidad máxima de 160km/h. De momento se fabrica en Japón y se comercializa en Japón y en California, con una previsión de comercialización en Europa en 2015. Por su parte, Hyundai ha iniciado la producción en serie del modelo ix35 FCEV en Corea del Sur, con un objetivo de producción de 10.000 unidades en 2015. De hecho, se han establecido diferentes alianzas entre grupos automovilísticos, que investigan de forma conjunta en el desarrollo del sistema de propulsión de vehículos basados en pilas de combustible, con objeto de llegar al mercado de masas lo antes posible. El sistema de distribución de potencia de un vehículo eléctrico propulsado por pilas de combustible está formado por una pila de combustible como fuente de energía principal, un conjunto de convertidores de potencia, unidireccionales o bidireccionales, y por sistemas acumuladores de energía, que suelen ser baterías y/o supercondensadores. En función del número, ubicación y naturaleza de los convertidores de potencia y de los sistemas acumuladores de energía, existen multitud de posibilidades en cuanto al diseño de una arquitectura de distribución de potencia, aún más si se tienen en cuenta la estrategia de control, la gestión de la potencia y el almacenamiento de la energía procedente del frenado regenerativo. Debido a la complejidad inherente a este tipo de sistemas, es necesario el uso de herramientas de simulación que permitan llevar a cabo un diseño y análisis óptimos del sistema de distribución de potencia eléctrica completo, para lo que resulta imprescindible disponer de modelos dinámicos de todos los subsistemas que integran una arquitectura de distribución de potencia, desde la pila de combustible hasta el propio vehículo. Por otro lado, tanto el dimensionamiento como la selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para un vehículo es una tarea compleja y con grandes repercusiones sobre la masa, volumen, coste, eficiencia, consumo y autonomía del vehículo. En este ámbito, las propuestas presentadas en esta tesis doctoral están relacionadas con el proceso de dimensionamiento, análisis, y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para una aplicación específica. Se proponen dos modelos de pila de combustible, uno para pilas con respuesta temporal sobreamortiguada, y otro para pilas con respuesta temporal impulsional-sobreamortiguada. Ambos modelos aportan simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y gran precisión en su comportamiento. Por otra parte, se propone un método de dimensionamiento óptimo para un sistema de propulsión completo, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible. Además, se presenta un mapa de soluciones en el que es fácilmente identificable cuál es la configuración del sistema de propulsión más adecuada, desde el punto de vista del coste, masa y volumen global, en función de la máxima potencia que entregue la pila de combustible. Y finalmente se demuestra cómo una adecuada gestión de la energía permite reducir el consumo de hidrógeno de la pila de combustible, habiendo realizado tanto un dimensionamiento óptimo como inadecuado de todos los subsistemas del sistema de propulsión. La descripción en detalle de todas las aportaciones se ofrece a lo largo del documento, que se estructura tal y como se describe a continuación. El primer capítulo ofrece una visión global del papel de la automoción, y más en concreto de los vehículos propulsados por pilas de combustible, baterías y supercondensadores, en el empeño y necesidad de migrar hacia el uso de energías respetuosas con el medio ambiente. En el segundo capítulo se hace una revisión del estado de la técnica de todos los subsistemas que forman un sistema de distribución de potencia eléctrica. En primer lugar se exploran las diferentes topologías de sistemas de propulsión que se han presentado en la literatura, así como las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. A continuación se estudian los diferentes modelos y técnicas de identificación de parámetros que existen para la pila de combustible, baterías y supercondensadores. En cuanto a los convertidores de potencia, se resumen brevemente las topologías más adecuadas para este tipo de arquitecturas de distribución de potencia, sus ventajas e inconvenientes. Posteriormente se describe qué tipos de motores de tracción pueden resultar más atractivos para aplicaciones de automoción. Y finalmente se analizan en detalle los procedimientos de dimensionamiento que existen para los diferentes sistemas de propulsión, así como las distintas técnicas que se pueden aplicar para alcanzar una adecuada gestión de la energía. El tercer capítulo detalla, una vez realizada la revisión del estado del arte e identificados los aspectos en los que se pueden ofrecer contribuciones a la técnica, cuáles son los objetivos y principales aportaciones que persigue esta tesis doctoral: dos modelos de pila de combustible para simulación a nivel de sistema, sencillos, fáciles de parametrizar y precisos; un procedimiento sencillo de dimensionamiento óptimo de sistemas de distribución de potencia eléctrica en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo mapa de soluciones en cuanto a qué sistema de distribución de potencia eléctrica resulta más adecuado implementar en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo análisis de los principales factores que influyen directamente sobre el dimensionamiento y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica óptimo; y finalmente el análisis y comprobación de la necesidad de aplicar estrategias de gestión de la energía con el propósito de minimizar el consumo de hidrógeno de la pila de combustible. En el cuarto capítulo se describe el marco de aplicación de los sistemas de propulsión. En primer lugar se concretan las características básicas de los convertidores de potencia, sistemas acumuladores de energía, y pila de combustible. Además, se describen los perfiles de conducción que se van a aplicar al vehículo. Por último, se presentan las diez arquitecturas de distribución de potencia sobre las que se aplica el procedimiento de dimensionamiento óptimo propuesto. El capítulo quinto se dedica por completo a la descripción detallada del procedimiento de dimensionamiento óptimo que se aplica a los sistemas de distribución de potencia eléctrica basados en pilas de combustible, baterías y supercondensadores, y constituye una de las aportaciones originales de esta tesis doctoral. Mediante la aplicación de este método de dimensionamiento se ha podido identificar en qué rangos de la potencia máxima entregada por la pila de combustible resulta más adecuado el uso de baterías, supercondensadores, o ambos a la vez. No sólo se han establecido tres rangos diferentes de potencia, sino que además se han identificado cuáles son los valores limítrofes de potencia que minimizan la masa, volumen y coste globales de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Atendiendo a los límites de potencia de diseño, todos los sistemas de distribución de potencia eléctrica analizados se han clasificado de forma natural atendiendo al tipo de sistema acumulador de energía que implementan. Finalmente, el resultado final del proceso de dimensionamiento es un mapa de soluciones en el que se puede identificar qué tipo de sistema de distribución de potencia eléctrica es el más adecuado, junto con qué tecnología de sistema de acumulación de energía, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible, desde el punto de vista de la masa, volumen y coste global del sistema de propulsión. El capítulo sexto estudia detenidamente cuáles son las repercusiones, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, de aplicar diferentes perfiles de conducción sobre el vehículo: urbano, inter-urbano y de carretera. También se analiza la influencia de utilizar diferentes tecnologías de baterías, así como el impacto de extraer mayor o menor cantidad de energía de los sistemas acumuladores, tanto de las baterías como de los supercondensadores. Del mismo modo, se ha estudiado el efecto que ejerce sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, los diferentes valores de potencia mínima que deba entregar la pila de combustible. También se ha evaluado de qué manera afecta la máxima energía que deben suministrar las fuentes de energía secundarias en cada ciclo de conducción, respetando la especificación de tensión del bus de corriente continua, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Finalmente, se ha analizado la repercusión sobre la masa, volumen y coste, así como sobre el mapa de soluciones, de que los sistemas acumuladores entreguen, ciclo a ciclo, una energía neta negativa, es decir, que la energía que entregan durante cada ciclo sea menor que la recibida del frenado regenerativo en dicho ciclo. En todos estos análisis, no sólo se han considerado las repercusiones sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, sino que también se ha analizado cómo se ven modificados los rangos de potencia en los que se recomienda diseñar cada grupo de arquitecturas. El capítulo se cierra con un breve análisis de sensibilidad de costes. Con objeto de validar mediante simulación el procedimiento de dimensionamiento óptimo descrito, en el capítulo séptimo se describe el modelado de cada uno de los subsistemas que forman el tren de potencia de un vehículo propulsado por pilas de combustible, baterías y supercondensadores. Los dos modelos que se proponen de la pila de combustible son aportación original de este trabajo. Cada modelo reproduce uno de los dos tipos de respuesta transitoria específica que presentan las pilas de combustible. Sendos modelos se caracterizan por su simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y precisión en su comportamiento. También destaca la descripción detallada que se efectúa sobre el modelado del conjunto driver-motor-vehículo, desde las ecuaciones eléctricas y mecánicas que describen su comportamiento, hasta la obtención del modelo de pequeña señal para diseñar los lazos de control, y el modelo de simulación eléctrica implementado en la herramienta de simulación. Una vez desarrollados los modelos de todos y cada uno de los subsistemas que forman las arquitecturas de distribución de potencia, el capítulo octavo se centra en el análisis mediante simulación eléctrica del comportamiento de un total de cuatro sistemas de distribución de potencia eléctrica, gobernados con lazos de control en modo corriente y en modo tensión. Cada sistema de distribución de potencia eléctrica se ha dimensionado de acuerdo al rango de potencia óptimo en el que se sugiere su diseño. Las simulaciones con lazos de control en modo corriente y en modo tensión se muestran para un único ciclo de conducción. Además, con el objetivo de verificar que el dimensionamiento de los sistemas de distribución de potencia eléctrica llevado a cabo es correcto, se presentan simulaciones de una jornada de funcionamiento del vehículo de ocho horas de duración. La validación experimental de los sistemas de distribución de potencia eléctrica se aborda en el capítulo noveno. En primer lugar se describe el diseño e implementación física de los convertidores de potencia y de los circuitos de control, que junto a las baterías y supercondensadores constituyen cada uno de los sistemas de distribución de potencia eléctrica que se implementan. A continuación, se presentan el conjunto de pruebas y medidas experimentales que se han llevado a cabo, y que dan veracidad al método de dimensionamiento presentado. En el capítulo décimo se analiza la repercusión de aplicar estrategias de gestión de la energía sobre los sistemas de propulsión. Para ello, se analiza y compara el comportamiento de las fuentes de energía (pila de combustible y batería) de un sistema de distribución de potencia eléctrica cuando está sujeto o no a la acción de este tipo de técnicas. Las conclusiones que se extraen de este capítulo se centran en el consumo de combustible (hidrógeno) a lo largo de una jornada laboral, y por tanto en el coste diario del hidrógeno consumido, y en el coste diario de la electricidad necesaria para recargar las baterías al final del día. El capítulo undécimo resume las conclusiones obtenidas a lo largo del documento, así como las aportaciones originales de este trabajo, y propone un conjunto de posibles trabajos futuros., Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática, Presidente: Gabriel Garcerá Sanfelíu.- Vocal: Pedro Alou Cervera

El objetivo de este proyecto es la construcción de un vehiculo tipo longboard que este dentro de los catalogados anteriormente en el concepto de “micro-movilidad” urbana. El proyecto consiste en, basándonos en las especificaciones que posteriormente se definirán en el capitulo 3, diseñar y construir todo lo necesario para transformar un longboard Standard en uno motorizado eléctricamente. Además de cumplir todas esas especificaciones de diseño, el longboard deberá ser una base sólida para que futuros estudiantes de fin de carrera puedan retomar dicha base y así poder seguir desarrollándola en los campos que la universidad considere interesantes. Ingeniería Técnica en Electrónica

El objetivo de este proyecto es diseñar un emulador de pilas de combustible tipo PEM basado en un convertidor electrónico de potencia y orientado al sector transporte, para su aplicación al desarrollo de vehículos eléctricos híbridos. Los emuladores de pilas de combustible son sistemas electrónicos que presentan un comportamiento muy similar al de una pila de combustible, pero que internamente funcionan de una manera completamente distinta. Este tipo de sistemas se utilizan para reproducir el comportamiento de una pila de combustible sin la necesidad de tener físicamente dicha pila. El emulador que se pretende desarrollar debe ser capaz de reproducir tanto las características estáticas como dinámicas de las pilas de combustible. El proyecto está orientado al sector transportes ya que es uno de los principales campos de aplicación de las pilas de combustible. En concreto, pretende utilizar en el desarrollo y la investigación de coches eléctricos híbridos, con el fin de conseguir medios de transporte más limpios y sostenibles. Actualmente existen dos retos a resolver relacionados con el desarrollo de coches completamente eléctricos, la autonomía y el tiempo de carga o repostaje. La utilización de pilas de combustible tipo PEM puede resolver ambos retos y salvar las limitaciones de los vehículos totalmente eléctricos. Los emuladores de pilas de combustible son necesarios cuando se pretende hacer ensayos de laboratorio ya que aportan algunas ventajas con respecto a utilizar pilas de combustible. Un emulador es un sistema más sencillo y compacto que una pila de combustible, no necesita una instalación especial y compleja y al no tener combustible es mucho más seguro, durante la fase de pruebas. Las pilas de combustible tipo PEM presenta dos características destacables desde el punto de vista de las pruebas: la deriva térmica y el envejecimiento. Al utilizar un emulador en lugar de una pila de combustible real estos dos inconvenientes se solventan, y se puede obtener repetitividad en los ensayos de laboratorio. El emulador de pilas de combustible tipo PEM se compone de un convertidor electrónico de potencia, gobernado a través de las funciones estáticas y dinámicas de la pila de combustible. Estas características del comportamiento de la pila de combustible tipo PEM han sido obtenidas por investigaciones previas desarrolladas y publicadas por el Grupo de Sistemas Electrónicos de Potencia (GSEP), como se indicará a lo largo de la memoria. A continuación, se describe la estructura del presente proyecto: En el capítulo dos se dan unas nociones generales sobre pilas de combustible centrándose especialmente en las pilas de combustible tipo PEM. A continuación, se explica la motivación del proyecto y el estado de la técnica, donde se exponen los proyectos que se consideran más relevantes sobre emuladores de pilas de combustible. El sistema del emulador de la pila de combustible tipo PEM desarrollado se explica en el capítulo tres, junto con el modelo de pila de combustible PEM que se ha utilizado. También se explica en este capítulo el funcionamiento de los convertidores electrónicos multifásicos y las topologías de electrónica de potencia que se han analizado en este proyecto. El capítulo cuarto se dedica a la descripción de tres topologías de convertidores electrónicos de potencia y al estudio de cuál de ellos es más óptimo para esta aplicación. Las topologías analizadas y diseñadas son las siguientes: Convertidor Reductor Convertidor Full Bridge Convertidor Dual Active Bridge El capítulo 5 está dedicado a la selección de los componentes magnéticos y semiconductores para la topología de potencia y número de fases elegido. El diseño de la etapa de control para la topología y número de fases elegido se explica en el capítulo 6. En el capítulo siete se aportan las conclusiones extraídas del estudio realizado y proponen trabajos futuros. El documento concluye con el capítulo octavo, donde se desarrolla un estudio económico del trabajo desarrollado en este proyecto. Ingeniería Industrial

Este proyecto tiene como objetivo final el estudio de la influencia de las cargas de potencia constante (CPL- “Constant Power Load”) en las redes eléctricas de los aviones convencionales y en redes de corriente continua de alta tensión (HVDC – “High-Voltage, Direct Current”). Para conseguir este objetivo el proyecto desarrolla los siguientes apartados: Introducción de los sistemas de distribución de potencia en aviones convencionales. Introducción a los convertidores electrónicos. Estudio estático y dinámico del convertidor reductor. Estudio y caracterización de una CPL. Diseño y simulación mediante los software Psim y SmartCtrl de una carga de potencia constante (CPL). Estudio de las distintas características que ofrecen los filtros pasivos en sus diferentes configuraciones. Estudio estático y dinámico del corrector de factor de potencia basado en un convertidor elevador. Diseño mediante Psim y SmartCtrl de un corrector de factor de potencia. Elección del filtro más adecuado para un corrector de factor de potencia. Estudio de la influencia de las cargas de potencia constante en redes de aviones convencionales y en redes de HVDC ante perturbaciones en la tensión de entrada, mediante simulación en Psim. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Nowadays, electrical engineers face significant changes in the way the electrical energy is generated and distributed to the consumers. On the one hand, the number of electronic and electrical loads in power distribution systems is continuously growing. Developments in power electronics technology during last decades have enabled the use of power-electronics-based subsystems as an alternative to mechanical, hydraulic and pneumatic subsystems, looking for more reliable and light systems, and a reduction in maintenance costs and environmental impact. On the other hand, due to the growth of alternative energy sources, power distribution systems supply the load not only from a single source but from a variety of energy sources such as batteries, fuel cells, solar panels and electromechanical generators. Consequently, power distribution systems are incorporating more and more power electronics converters, thus moving from traditional centralized architectures to distributed ones, where a variety of interconnected power converters supply a number of electrical and electronic loads with different voltage levels and dynamic requirements from a variety of energy sources. Current trends in power distribution systems for aircrafts, naval ships, hybrid/electric vehicles, telecommunications, datacenters, satellites as well as initiatives in micro-grids illustrate this concept. Such increase of power converters means increasing complexity of the power distribution architecture, at system-level rather than at converter-level. Dynamic interactions between regulated converters, activation of protections, connections and disconnections of load and sources are some problems to be faced by system engineers. Hence, modeling and simulation becomes a powerful system integration tool to ensure proper performance of the whole system at all operating conditions. However, modeling in power electronics have been traditionally focused on the design of the converters itself, rather than the integration of systems comprised of multiple converters. Most modeling approaches provide a detailed description of the internal signals of the power converter as well as requires detailed knowledge of its internal structure. However, new power distribution systems are comprised of a number of power converters provided by a variety of manufacturers. Companies need to protect their know-how, so they provide limited information about their products which is rarely sufficient to build a conventional average model or switching model. Also, excessively detailed models lead to unacceptable simulation time when large power distribution systems are analyzed. In order to cope with this lack of models, first proposals on system-level modeling of power converters have been recently proposed. The models are referred to as “behavioral models” since they only reproduces the behavior of the input-output voltages and currents and do not represent in detail the internal structure of the converter. Hence, they can be provided by the manufacturer while keeping confidential information. Moreover, behavioral models can be fully parameterized from a set of experimental measurements by the end user. However, the reported references so far are focused on DC-DC converters, either un-regulated or output voltage-regulated. The aim of this thesis is to propose novel system-level behavioral modeling and identification methods for several types of power electronics converters and other power-electronics-based subsystems typically integrated in power distribution architectures. The main characteristics of the proposed methods are the following ones: · The models are fully parameterized from a set of experimental tests and do not represent details about the internal structure of the modeled converter/subsystem. The models are simple, are built using dynamic transfer functions combined with nonlinear static functions, and reproduce the large-signal behavior of the converter/subsystem in terms of the signals required for system-level analysis, typically input-output voltage and currents. · The proposed identification method is based on the transient response of the input-output signals under a set of step tests. The tests are simple and can be carried out using low-cost equipment: switches, passive loads and a data acquisition system (e.g. an oscilloscope). From the transient response, a parametric identification algorithm is applied to identifiy transfer function models., En la actualidad, los ingenieros eléctricos están haciendo frente a cambios significativos en la manera en que la energía eléctrica se genera y distribuye a los consumidores. Por una parte, el número de cargas eléctricas y electrónicas en los sistemas de distribución de potencia está creciendo significativamente. Los desarrollos en electrónica de potencia durante las últimas décadas permiten la utilización de subsistemas basados en electrónica de potencia como una alternativa a subsistemas mecánicos, hidráulicos y neumáticos. Ello permite obtener sistemas más robustos y ligeros así como menores costes de mantenimiento e impacto medioambiental. Por otra parte, debido al crecimiento de las fuentes de energía alternativas, las cargas en los sistemas de distribución de potencia son suministradas con energía proveniente de múltiples fuentes de energía, tales como baterías, paneles solares, generadores electromecánicos, pilas de combustible, etc. En consecuencia, los sistemas de distribución de potencia están incorporando más y más convertidores electrónicos de potencia, pasando de las tradicionales estructuras centralizadas a estructuras distribuidas. En estas últimas, una variedad de convertidores interconectados suministran potencia a varias cargas eléctricas y electrónicas, con distintos niveles de tensión y requerimientos dinámicos, desde varias fuentes de energía. Las tendencias actuales en sistemas para aviones, barcos, vehículos híbridos y eléctricos, telecomunicaciones, centros de datos, así como las microrredes ilustran este concepto. Tal incremento en el número de convertidores de potencia significa un incremento en la complejidad del comportamiento de los sistemas. Interacciones dinámicas entre convertidores regulados, activación de protecciones, conexión y desconexión de cargas y fuentes son algunos problemas a los que los ingenieros deben hacer frente. El modelado y la simulación son herramientas potentes para asegurar buenas prestaciones de los sistemas bajo todas las condiciones de funcionamiento. Sin embargo, el modelado en electrónica de potencia se ha enfocado tradicionalmente al diseño de los convertidores en sí mismo, en vez de a la integración de sistemas compuestos por múltiples convertidores. La mayoría de las técnicas de modelado dan una descripción detallada de las señales internas de los convertidores, y requieren un profundo conocimiento de la estructura interna de los mismos. Sin embargo, los nuevos sistemas de distribución de potencia están compuestos por convertidores y subsistemas suministrados por una variedad fabricantes. Las compañías necesitan proteger su “know-how”, y debido a ello dan información limitada de sus productos a los usuarios, la cual habitualmente es insuficiente para poder construir un modelo convencional (por ejemplo, un modelo promediado o un modelo conmutado). Por otra parte, utilizar modelos excesivamente detallados suele llevar a tiempos de simulación inaceptables cuando se simulan sistemas de potencia grandes. Con el fin de hacer frente a esta carencia de modelos, se han propuesto las primeras propuestas de modelado a nivel de sistema de convertidores de potencia en los últimos años. Estos modelos se denominan “modelos comportamentales” debido a que sólo reproducen el comportamiento de las señales de entrada/salida de los convertidores y además no representan en detalle su estructura interna. Esto permite que puedan ser suministrados por los fabricantes sin revelar información confidencial. Por otra parte, los modelos comportamentales pueden ser identificados a partir de ensayos eléctricos y medidas de la respuesta de entrada-salida, con lo cual los usuarios pueden obtener modelos de los equipos si el fabricante no los suministra. Sin embargo, por el momento las técnicas existentes se centran en convertidores CC-CC, bien no regulados o con tensión de salida regulada. El objetivo de esta tesis es proponer nuevas técnicas de modelado e identificación a nivel de sistema para convertidores electrónicos de potencia y otros subsistemas basados en convertidores, que típicamente se integran en arquitecturas de distribución. Las principales características de los métodos propuestos son las siguientes. · Los modelos no representan detalles sobre la estructura interna del convertidor/subsistema modelado. Los modelos son sencillos y se componen básicamente de funciones de transferencia dinámicas combinadas con funciones estáticas no lineales. Estos modelos reproducen el funcionamiento de gran señal del convertidor/subsistema modelado en términos de las señales requeridas para análisis a nivel de sistema, típicamente tensiones y corrientes de entrada/salida. · Los parámetros de los modelos se identifican completamente a partir de ensayos experimentales. El método de de identificación propuesto está basado en la respuesta transitoria de las señales de entrada/salida de los convertidores/subsistemas ante una serie de ensayos sencillos de tipo escalón. Los tests son sencillos y se pueden llevar a cabo utilizando equipos de bajo coste, tales como interruptores, cargas pasivas y un sistema de adquisición de datos (por ejemplo, un osciloscopio). A partir de la respuesta transitoria, se aplican algoritmos de identificación paramétrica para identificar modelos de función de transferencia.

Este proyecto pretende llevar a cabo el estudio profundo del convertido CC/CC SEPIC (Single-ended primary-inductor converter), con la finalidad de su utilización en sistemas portátiles (PDAs). Para ello se realizará un estudio completo de dicha topología atendiendo a diferentes aspectos. En una primera parte se realiza una pequeña introducción a los convertidores CC/CC explicando el funcionamiento en el que se basan, así como las topologías básicas que existen y en que consiste el control de convertidores. También se realiza una pequeña introducción en el campo de las PDAs. Seguidamente, se entrará en un estudio del funcionamiento del convertidor en régimen estático, en donde se observan el funcionamiento y características estáticas del convertidor. También se realizará un estudio en régimen permanente de los componentes, observando sus corrientes y tensiones tanto desde el punto de vista analítico como gráfico. Para terminar, se ejecutará una simulación de un caso particular, a través de la herramienta de software PSIM, analizando y observando los datos obtenidos. A continuación se realizará un análisis dinámico del convertidor. Se observará su comportamiento en régimen transitorio. Se desarrollará un modelado del convertidor, para llegar al cálculo de las funciones de transferencia en pequeña señal del circuito. En primer lugar se obtendrá el circuito equivalente promediado del convertidor, se analizara su comportamiento y se comparará con el circuito conmutado. Posteriormente se realizará el modelado en pequeña señal del convertidor. Una vez conseguido éste, se podrá proceder a calcular la rama de realimentación de control del mismo. Se llevará a cabo el cálculo del lazo de control para conseguir las especificaciones de frecuencia de cruce y margen de fase deseadas, a través de la herramienta de software SmartCtrl. Finalmente, se simulará el circuito realimentado, comprobando su correcto funcionamiento ante variaciones de las distintas entradas del convertidor. Por último, se describirá el funcionamiento del convertidor aplicados a sistemas portátiles (PDAs). Son alimentadas desde una batería de Li-Ion. Se calcularán los elementos del convertidor a partir de unas condiciones requeridas por el sistema. Habiendo expuesto anteriormente la teoría y cálculos del modelado dinámico del convertidor y del lazo de control en modo tensión, se pasará al cálculo directo en las condiciones expuestas. Para terminar, se comprobará el efecto de las pérdidas en el convertidor, a causa de las resistencias parásitas en los elementos del sistema. Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

A lo largo del presente Proyecto Fin de Carrera se ha analizado el convertidor Elevador-TLP que cuenta con un transformador situado de modo que en toff , la corriente que viene a través de la fuente se divide en dos ramas, la correspondiente al primario, que pasa por la bobina, y la correspondiente al secundario, que no pasa por la bobina consiguiendo por tanto, que la intensidad de corriente que pasa por la bobina sea menor en el convertidor propuesto que en el clásico. Se pudo comprobar que la cantidad de corriente desviada es función de la relación de transformación, y siempre se desviará una parte. Esto implica que la corriente por la bobina siempre será menor, considerándose el caso límite la relación de transformación a = 0, que es equivalente a quitar el transformador, y tener en consecuencia, un Elevador clásico. Se ha observado que puesto que el transformador sólo está activo durante toff , es en la ecuación correspondiente a la pendiente de bajada donde entra en juego la relación de transformación, siendo la pendiente de subida idéntica a la del Elevador clásico. Se ha analizado la influencia del transformador con más detalle para modo de conducción continua, observándose que, comparando el Elevador-TLP con el Elevador con las mismas variables: la ganancia disminuye, con lo que se consiguen ganancias más cercanas a la unidad, a igualdad de ciclo de trabajo D. La corriente por la bobina disminuye. Es importante destacar que puesto que disminuye la corriente es posible que el circuito deje de estar en MCC, siendo por tanto necesario, una comparación más cuidadosa, puesto que los dos circuitos no estarán en el mismo modo. En el estudio gráfico realizado se ha representado una familia de curvas para distintas relaciones de transformación de la curva G-D. Se ha observado, que para ganancias iguales, es posible seleccionar ciclos de trabajo mayores en el circuito Elevador-TLP que en el Elevador, derivándose una posible aplicación para el convertidor Elevador-TLP, que consiste en que es posible conseguir valores de ciclo de trabajo centrados para ganancias cercanas a la unidad (Vo Vi). Finalmente, se ha diseñado un Elevador-TLP, comprobándose que el ciclo de trabajo seleccionado debe ser mayor que 1 􀀀 1 G, y mostrándose una posible aplicación del circuito estudiado, verificándose los resultados mediante su simulación en PSIM. A lo largo del presente estudio se ha observado, que el Elevador clásico, es un caso particular del circuito estudiado para el que a = 0, proponiéndose algunos posibles usos, y quedando suficientemente definido mediante curvas y ecuaciones para cualquier uso que se deseara hacer del circuito. Ingeniería Industrial

Actualmente pueden encontrarse en el mercado dispositivos electrónicos de bajo consumo que se alimentan a partir de fuentes y sistemas de generación renovables. La utilización de dichos sistemas es limitada, dada su capacidad y discontinuidad energética. Aún así se han desarrollado aplicaciones de utilidad con importantes ventajas respecto a su equivalente con alimentación tradicional (pilas o baterías). Estos sistemas ‘limpios’ proporcionan alimentación autónoma sin necesidad, en la mayoría de los casos, de mantenimiento. El objetivo principal de este proyecto es desarrollar dos aplicaciones a partir de uno de estos sistemas de generación para lograr un funcionamiento completamente autónomo. Estos sistemas de generación usados en dispositivos de bajo consumo son los llamados ‘recolectores’ o ‘energy harvesting systems’ en la bibliografía anglosajona. Entre las fuentes primarias de las que extraen energía eléctrica se encuentran la luz solar (también luz artificial), el movimiento, gradientes de temperatura, cargas electrostáticas, etc. Cada sistema tiene sus particularidades especiales de aplicación en función de factores como su capacidad energética, disponibilidad de la misma, tamaño, peso, etc. En este proyecto se ha optado por la energía solar por motivos que se expondrán más adelante. Se ha empleado un pequeño panel fotovoltaico del tamaño habitual de los que usa un farol de jardín, que habitualmente se encarga de cargar un par de pilas AA de 1,2 V y 500 mAh durante el día para encender un diodo led durante la noche. En relación a la aplicación, se ha decidido desarrollar dos sistemas basados en radiofrecuencia. Estos sistemas utilizan circuitos integrados con reducidos consumos y funcionalidades diversas tales como redes de sensores, sistemas de seguridad y detección, riego automático, etc. En estos ejemplos se elimina la conexión física entre el control y el sistema a controlar, permitiendo una comunicación remota a distancias de hasta decenas de metros y un funcionamiento independiente del emisor y el receptor. Son, por lo tanto, aplicaciones óptimas en los que poder instalar los sistemas de generación anteriormente mencionados. Los productos de radiofrecuencia encontrados en el mercado se alimentan generalmente a partir de baterías, y en algunos casos a partir de la red eléctrica (receptores). En el caso de las baterías, los problemas asociados son un almacenamiento de energía limitado, la disminución acelerada de su carga, oxidación y sulfatación de los contactos, y en última instancia, pérdida del electrolito que puede llegar a inutilizar el dispositivo. Debido a ello, otro de los objetivos de este proyecto ha sido modificar el sistema de almacenamiento para reducir en lo posible estos problemas. El primer sistema desarrollado tiene como objetivo la activación del timbre de una casa, mientras que el segundo sistema es un control de encendido y apagado del alumbrado de un recinto. En ambos casos se ha construido un prototipo. Se han escogido estas dos aplicaciones debido a su reducido número de activaciones requeridas diariamente. De esta forma, el circuito emisor de ambos sistemas puede ser alimentado puntualmente cuando sea requerido enviar una señal a los receptores, lo que reduce el consumo y permite una mayor autonomía cuando la energía ofrecida por el panel sea escasa o nula. Los objetivos generales de este proyecto se resumen en: · Utilizar un pequeño panel solar como fuente de energía principal. · Evitar la utilización de pilas y baterías. · Desarrollar un control inalámbrico del timbre de una puerta. · Desarrollar un control inalámbrico de luminarias. En ambas aplicaciones, el emisor no tendrá, por lo tanto, conexión a la red eléctrica ni a pilas o baterías. Por el contrario, el receptor podrá disponer de conexión a la red eléctrica o a una fuente de corriente continua. Este tipo de sistemas podría aplicarse donde no sea viable o económica la instalación de cableado de alimentación, o bien en el que se requiera una mayor funcionalidad de los sistemas. Ingeniería Industrial

Doctor por la Universidad Carlos III de Madrid. Programa en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática Presidente: Emilio Olias Ruiz.- Secretario: Emilio José Bueno Peña.- Vocales: Marta María Hernando Álvarez, Enrique Romero Cadaval, Aurelio García Cerrada

Actualmente, existe una fuerte tendencia en los nuevos diseños de aviones militares y civiles hacia el concepto de avión más eléctrico ó totalmente eléctrico. Esto es debido principalmente a la substitución de los sistemas mecánicos, neumáticos e hidráulicos por sistemas parcial o totalmente eléctricos. El concepto de avión más eléctrico presenta una serie de ventajas o mejoras frente a los aviones convencionales, desde el punto de vista de eficiencia, peso, volumen, impacto ambiental, etc. En estos aviones los tradicionales sistemas de distribución de potencia eléctrica (SDPE) son un elemento clave debido, principalmente, a los nuevos requisitos de demanda de potencia y las funcionalidades requeridas. Esto ha provocado que los nuevos sistemas eléctricos hayan evolucionado hacia nuevas arquitecturas de distribución, basadas en sistemas distribuidos, donde los tradicionales niveles de tensión 28 VCC y 115 VCA, han sido sustituidos por niveles de 270 VCC, ±270 VCC y 230 VCA. Los nuevos SDPE han originado que los aviones más eléctricos requirieran de un mayor número de equipos electrónicos, como son convertidores CC/CC, rectificadores, inversores y protecciones de estado sólido, que permiten hacer frente a las necesidades planteadas en estas nuevas arquitecturas. Un elemento clave de estos nuevos SDPE es la introducción de los controladores de potencia de estado sólido (SSPC) como elementos de protección del cableado y de control de las cargas eléctricas. Estos dispositivos permiten la sustitución de los magneto-térmicos y relés que se usan en los convencionales SDPE, los cuales presentan problemas de funcionamiento en los nuevos SDPE debido, principalmente, a los cambios en los niveles de tensión. Además, el desarrollo de la funcionalidad y nuevas capacidades de los SSPC está ligado a la configuración de las nuevas arquitecturas de los sistemas eléctricos, a los elementos con los que interaccionan, su localización dentro de la arquitectura y las cargas a las que se conectan. Dentro de estos sistemas, la conexión de determinadas cargas, como las altamente capacitivas, implica la necesidad de desarrollar nuevas estrategias de control orientados a mejorar el proceso de conexión de este tipo de cargas. En este trabajo de investigación, se ha realizado un análisis detallado de cinco procedimientos de conexión de cargas altamente capacitivas, mediante circuitos de control constituidos con elementos pasivos y activos. De este modo, se han presentado nuevos procedimientos de control activo de la corriente por el SSPC, aplicables durante la conexión, que permiten conectar cargas altamente capacitivas. Las estrategias de control activo, desarrolladas en esta tesis doctoral, que permiten la conexión de cargas muy capacitivas son: control activo por corriente constante, control activo por derivada de corriente constante, control activo generalizado y control activo por trayectoria óptima de la corriente. En cada uno de los métodos de conexión de cargas altamente capacitivas, se han definido ecuaciones sencillas que permiten calcular el condensador máximo que es posible cargar en función del tiempo de la conexión, la corriente nominal, la corriente máxima y el valor de la parte resistiva de la carga. Por otro lado, teniendo en cuenta el incremento de la complejidad de los nuevos SDPE embarcados, los modelos de los SSPC juegan un papel fundamental a la hora de reproducir el funcionamiento de estos componentes y anticipar posibles problemas de funcionamiento dentro de las nuevas arquitecturas. No obstante, los fabricantes de SSPC no proporcionan modelos de estos dispositivos. Por lo tanto, con el fin de analizar los efectos de estos nuevos dispositivos de protección en los sistemas embarcados, se hace necesario desarrollar nuevos modelos de SSPC, que permitan, en un primer lugar, predecir fallos de funcionamiento y, en segundo lugar, detectar los efectos introducidos por los SSPC en los sistemas una vez integrados junto al resto del componentes, simplificando el proceso de validación de la funcionalidad de todo el sistema. Por estas razones, otro de los objetivos planteados en esta tesis es el desarrollo de modelos que permitan validar el comportamiento de los SSPC, durante las diferentes fases del proceso de desarrollo y posterior integración dentro del SDPE. Así pues, en esta tesis se presentan dos tipos de modelos aplicables a los SSPC. El primero se denomina modelo estructural, y está basado en la estructura del componente. Este tipo de modelo es específico para cada fabricante de SSPC y tiene que ser modificado de acuerdo con la estructura interna de cada uno de los SSPC. El modelo permite detectar problemas durante las fases de diseño, previo al montaje final del dispositivo. En este modelo estructural se incluyen algoritmos, que permiten calcular los tiempos de activación de distintos tipos de protecciones (I2t, sobrecorriente, cortocircuito, etc.). El segundo modelo propuesto en la tesis es el basado en el modelado comportamental del SSPC. Este modelo se fundamenta en bloques, que son totalmente independientes de la estructura interna del SSPC. Esto permite configurarlo de acuerdo con las hojas de características proporcionadas por el fabricante y las medidas experimentales del dispositivo comercial. Otra de las ventajas de este modelo es la sencillez con la que se puede exportar a distintas plataformas de simulación. Los modelos comportamentales propuestos han sido validados con SSPC comerciales. Finalmente, en esta tesis se han desarrollado dos prototipos de SSPC. El prototipo final ha permitido validar experimentalmente las diferentes estrategias de control para la conexión de cargas altamente capacitivas mediante el uso del SSPC con tecnología MOSFET. Además, se han validado diferentes funcionalidades del SSPC, como puede ser la protección i2t, la protección contra cortocircuito, el efecto de la memoria térmica, y la disipación de la temperatura, etc. Por otra parte, se ha validado el modelo estructural y el modelo comportamental, a partir de las medidas experimentales sobre el prototipo construido. Por último, se han validado el funcionamiento del prototipo de SSPC con tecnología IGBT., There is a strong trend in the new designs of military and civil aircraft towards the concept of more or fully electric aircraft. This is mainly due to the replacement of pneumatic and hydraulic systems by fully or partially electrical systems. The concept of more electric aircraft presents a series of advantages and improvements in comparison with conventional aircraft, from the point of view of efficiency, weight, volume, environmental impact, etc. In these new aircrafts the electrical power distribution systems (PDS) are the key element, principally due to the new requirements of demanded power and the required functionality. Therefore the new electrical systems have evolved towards new distribution architectures based on distributed systems, where traditional voltages levels at 28 VDC and 115 VAC, have been replaced by levels of 270 VDC, ±270 VDC and 230 VAC. Because of these new PDS, more electric aircrafts require a greater number of electronic equipments, such as converters, rectifiers, inverters and solid state protections, that allow to fulfil the needs arising from these new architectures. One of the key elements of these new PDS is the introduction of the solid state power controllers (SSPC) as elements of wiring protection and control of the electrical loads. These devices allow to replace the magneto-thermal and relays that are used in the conventional SDP, since these conventional devices present operational problems in the new PDS, due mainly to the changes in the voltage levels. Furthermore, the development of the new functionality and capabilities of the SSPC are related to: the configuration of the new PDS architectures, the elements that interact, their location within the architecture and the loads to which they connect. Within these systems, the connection of certain loads, such as the highly capacitive loads, imply the need to develop new control strategies to improve the process the connection of such loads. In this research, a detailed analysis of five procedures for connecting highly capacitive loads has been done. The five procedures are implemented with control circuits made with passive and active elements. Therefore, new methods have been presented in order to obtain the active control of the current through the SSPC, applicable during connection period, which allow the connection of highly capacitive loads. The active control methods developed within this thesis are the following: active control with constant current, active control with slope constant current, generalized active control and active control by optimum trajectory current. Each method has been defined by simple equations that allow to calculate the maximum capacitor that is possible to be charged during the connection, as a function of the nominal current, the maximum current and the value of the resistive component part of the load. Taking into the account the complexity of the new onboard PDS, the SSPC models play a fundamental role when the function of the components is being reproduced to anticipate potential problems of operating within the new architectures. However, SSPC manufacturers do not provide models of these devices. In order to analyze the effects of these new devices of the onboard systems, it is necessary to develop new models of SSPC, which allow, on one hand, predicting malfunctions and, on the other hand, detecting the effects inducted by the SSPC in PDS when integrated with the rest of the components. Thus, these models allow simplifying the process of validating the functionality of the whole system. Therefore, one of the goals outlined in the thesis has been the development of the models that allow to validate the behaviour of SSPC during the different stages of the development process and their further integration in the PDS. In this thesis two types of models have been presented, that are applicable to the SSPC. The first type is a structural model, and it is based on the internal structure of the SSPC. This model allows to detect problems during the design phases, before final assembly of the device. The second model, which has been proposed in the thesis, is based on the SSPC behavioural modelling. This model is divided in blocks, which are entirely independent of the of the SSPC internal structure. Therefore, it can be configured according to the datasheets provided by the manufacturers and the experimental measurements of the commercial device. Another advantage of this model is that it can be easily exported to different simulation platforms. The proposed behavioural models have been validated with two commercial SSPC (DDC and Sensitron manufacturers). Finally, in this thesis have been developed two prototypes of SSPC. The final prototype allows verifying experimentally the different control strategies for connecting highly capacitive loads, using MOSFET technology. There have also been validated different SSPC functionalities, such as I2t protection, short circuit protection, thermal memory effect, etc. Moreover, there have been validated the structural and the behavioural model, based on the experimental measurements of the final prototype. Finally, the operating of the SSPC prototype based on IGBT technology has been also validated.

Existen muchas aplicaciones de convertidores CC/CC que requieren, por un lado una reducción en los niveles de tensión, y por otro, corriente no pulsante o suave, al menos, a la entrada. Sin embargo, cuando se trata de comparar topologías reductoras las diferencias no son obvias y es necesario realizar un análisis detallado para conseguir sacar conclusiones relevantes. El objetivo de este proyecto es comparar las topologías reductoras de cuarto orden: Reductor con filtro LC de entrada y Súper Reductor, con el propósito de comprender y valorar las ventajas que presenta una topología respecto a la otra. La comparativa se realiza en términos estáticos y dinámicos, con el fin de dilucidar y justificar las ventajas que ofrece utilizar un convertidor Súper Reductor en lugar de un Reductor con filtro LC de entrada, y viceversa. Ingeniería Industrial

Este Proyecto Fin de Carrera tiene como objetivo el diseño del convertidor de potencia para la propulsión eléctrica de un microsatélite. El sector de los satélites ha sufrido una rápida evolución en las últimas décadas. El avance en la propulsión eléctrica, junto con la posibilidad que brindan las energías renovables y la miniaturización de los sistemas electromecánicos, ha obligado al replanteamiento de las sondas espaciales. La fuerza que impulsa al dispositivo tiene su origen en fenómenos electromagnéticos, en lugar de en la combustión de un derivado del petróleo. Evidentemente, el cambio de tecnología en el propulsor afecta a la totalidad del satélite. Pero sin duda, es el sistema de potencia el que sufre una mayor transformación. La introducción del propulsor eléctrico y de energía solar otorga un papel fundamental a la electrónica. La razón es que la energía que se produce en las células solares presenta tensión continua de bajo voltaje, mientras que el propulsor, necesita tensión también continua, pero de alto voltaje. El objetivo, por tanto, es diseñar un convertidor que acondicione los niveles de tensión para el correcto funcionamiento del propulsor. El sistema completo de potencia se compone de más elementos de los que en el presente trabajo se van a abordar. Este proyecto se centra en el diseño del convertidor, quedando al margen otras partes del sistema como son, por ejemplo, los paneles fotovoltaicos o el sistema de control. Sin embargo, no se puede llevar a cabo un diseño como éste ignorando otros módulos del sistema. Las interrelaciones entre ellos son lo suficientemente poderosas para descartar ciertas alternativas de diseño en base a características módulos anejos. Es decir, una cierta decisión concerniente al convertidor puede quedar determinada por una circunstancia del sistema de control. Por ello, aunque no pertenezcan al alcance del proyecto otras partes del sistema de potencia, no se puede diseñar al margen de ellos. Esta es la razón por la que a lo largo del documento se hará referencia en diversas ocasiones a estos módulos. Un esquema del sistema de energía se muestra en Figura 1-1. En ella se representan los distintos subsistemas de que se compone. Entre ellos están los paneles fotovoltaicos (Solar Array), de los que se extrae la energía. Una vez regulada (Power Conditioning Unit) es distribuida (Power Distribution Unit) a las distintos equipos. Se consideran Payloads a los equipos que el satélite tiene a bordo para llevar a cabo su misión, por ejemplo, en un satélite de comunicaciones serían los transpondedores. Existen otro tipo de equipos que requieren energía para el funcionamiento básico del satélite y son los englobados en System Bus. Este es el caso del sistema de propulsión. En concreto, el proyecto tiene como objetivo el subsistema denominado Power Processing Unit (PPU). En este módulo se acondiciona la energía regulada previamente para poder alimentar al propulsor en la forma que necesita. Obtener alta ganancia en tensión, consiguiendo alta tensión en la salida, con una potencia inferior a 10W y hacerlo de forma eficiente supone el principal reto de este proyecto. Ingeniería Industrial

La industria de la microelectrónica ha evolucionado muy rápidamente durante los últimos años y se prevé que esta tendencia se prolongue en el futuro, traduciéndose en circuitos electrónicos cada vez más rápidos. Los microprocesadores (μP) son los circuitos integrados que mejor representan esta tendencia y, de alguna manera, son los que encabezan este movimiento. Según se va incrementando la velocidad y la capacidad de procesamiento de los microprocesadores, los fabricantes se encuentran con un problema adicional: la alimentación del μP. Los requerimientos que se exigen a las fuentes de alimentación de los μPs son cada vez más exigentes. La tensión de salida de estas fuentes debe ser baja y requiere de una gran calidad para el correcto funcionamiento del μP, lo cual dificulta enormemente su diseño y fabricación. El diseño de este tipo de fuentes de alimentación es cada vez más complejo y con requisitos dinámicos cada vez más elevados. Las bajas tensiones de alimentación, las altas corrientes y las altas derivadas de corriente demandadas, son los retos actuales que imponen los microprocesadores a sus fuentes de alimentación. Además, se está produciendo un incremento de consumo de potencia por unidad de área, lo que genera un problema térmico adicional. De aquí, que una adecuada gestión térmica, es otro de los retos, no menos importante, con el que se enfrentan los diseñadores. Estas fuentes a su vez se alimentan de un bus de distribución. Tanto el bus de distribución como las fuentes de alimentación de los microprocesadores varían su arquitectura en dependencia del tipo de aplicación. No obstante, todas estas arquitecturas tienen como elemento en común, la posibilidad de pasar, muy rápidamente, de un estado de bajo consumo, unos cuantos amperios, a un estado de alta actividad, varias decenas de amperios (hasta 150A). Estas transiciones ocurren con derivadas de corrientes muy elevadas, que puede alcanzar los amperios por nanosegundo (aprox. 1,2A/ns). Con el objetivo de garantizar la adecuada respuesta ante los transitorios de carga, se necesitan un número elevado de condensadores. Estos condensadores están distribuidos en diferentes puntos, con el objetivo de minimizar la influencia de los parásitos. Por lo tanto, cualquier solución, tanto topológica como de estrategia de control, que permita disminuir el número de condensadores de salida garantizando los mismos requerimientos, implica una mejora considerable de las características de estas fuentes de alimentación, conocidas como módulos reguladores de tensión (VRM del inglés Voltage Regulator Module). Para alcanzar estos objetivos es necesario que los nuevos cambios tecnológicos estén dirigidos a investigar sobre topologías y estrategias de control avanzadas, con el objetivo de lograr un alto rendimiento, una alta densidad de potencia y rápida respuesta ante transitorios de carga, para aplicaciones de baja tensión y altas corrientes. El primer objetivo de este trabajo está centrado, en mejorar la respuesta dinámica de los VRM multifase para aplicaciones de baja tensión y altas corrientes de salida con altas derivadas de la corriente de carga, aplicando la estrategia de control conocida como control lineal no lineal (LnL). Por otra parte, se hace un análisis riguroso del control LnL y se estudia su comportamiento aplicado a los VRM. Como resultado, se destacan las ventajas que aporta esta estrategia de control respecto a la estrategia de control lineal, destacando la capacidad del control LnL de mejorar, significativamente, tanto las características dinámicas del VRM como su estabilidad ante perturbaciones de la carga. Como segundo objetivo se establece, el diseño de un convertidor VRM multifase reconfigurable con control analógico/digital mixto, en el que se pueda implementar tanto un control lineal como un control LnL, que permita validar experimentalmente los resultados teóricos obtenidos durante el estudio de las diferentes configuraciones topológicas analizadas. Un tercer objetivo se centra en el diseño de un convertidor VRM multifase con control totalmente digital, con el fin de contrastar las ventajas e inconvenientes del control LnL sobre una plataforma versátil basada en una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array). Además de resolver todas las particularidades resultantes de la adaptación del control LnL analógico a su implementación mixta o totalmente digital, se propone la optimización del control LnL utilizando el método del balance de cargas del condensador de salida. Se propone el algoritmo que optimiza la respuesta del convertidor para unos parámetros de diseño determinados y se propone el control LnL asimétrico como solución que permite disminuir las sobre corrientes durante los transitorios., The microelectronics industry has grown and developed very rapidly in recent years and this trend is expected to be extended in the future, resulting in electronic circuits faster and faster. Microprocessors (μP) are the integrated circuits that best represent this trend and, somehow, they lead this tendency. As increase the speed and processing capabilities of microprocessors, manufacturers are faced with an additional problem: to power the microprocessors. The requirements that require power supplies of μP are increasingly demanding. The output voltage from these sources should be low and requires a great quality for the proper functioning of μP, which greatly complicates its design and manufacturing. The design of such power supply is becoming increasingly complex and with dynamic requirements ever higher. The low output voltages, high output currents with high slope are the current challenges imposed by the microprocessor to their power supplies. In addition, there has been an increase in power consumption per unit area, creating an additional thermal problem. Hence, a proper thermal management is another challenge, not less important, that designers have to solve. These power supplies are fed from a distribution bus. Both, the distribution bus and microprocessor power supplies vary its architecture depending on the application. However, all these architectures have the possibility of changing very fast from a low-power state, few amperes, to a state of high activity, several tens of amperes (up to 150A). These transitions occurs with very high currents slopes that can reach amperes per nanosecond (about 1.2 A / ns). In order to guarantee an appropriate load transients response is necessary a large number of capacitors. These capacitors are distributed in different points of the circuit, with the objective of minimizing the influence of parasitic effects. Therefore, any topological or control solution which allows reducing the number of output capacitors, but guaranteeing the same requirements, implies a significant improvement in the characteristics of these power supplies, known as voltage regulator modules (VRM). To achieve these objectives is required that the new-technological changes are aimed to investigate new topologies and advanced control strategies, with the aim of achieving a high efficiency, high power density and fast load transient response, for low voltage and high currents applications. The first aim of this work is focused on improving the dynamic response multiphase VRM, for low voltage and high output currents applications, applying the control strategy known as linear-non-linear control (LnL). On the other hand, a rigorous analysis of LnL control is made and its behavior applied to the VRM is studied. As a result, the advantages of this control strategy to improve significantly both, the dynamic characteristics of VRM and the stability to disturbances of the load, are highlighted. The second aim is the design of a reconfigurable multiphase VRM with analog / digital mixed control, in which can be implemented either linear or LnL controls, allowing experimental verification of the theoretical results obtained during the study of different topological configurations analyzed. A third aim is oriented to the design of a multiphase VRM with fully digital control, in order to compare the advantages and disadvantages of LnL control implemented on FPGA (Field Programmable Gate Array) platform. In addition to solving all the features resulting from the conversion of the analog LnL control into mixed LnL (analog and digital) or digital LnL implementation, a LnL control optimization is proposed by means of the balance charge method on the output capacitor. The proposed algorithm optimizes the response of the converter for certain design parameters. Finally, the asymmetrical LnL control is proposed as a solution that allows decreasing overcurrent oscillations during transients, regarding the symmetrical LnL control.

En este Proyecto Fin de Carrera se presenta un estudio del estado de la técnica de las protecciones eléctricas en las Aeronaves. En este estudio se presenta el Controlador de Potencia de Estado Sólido o SSPC como la última y más moderna protección que se está implantando actualmente en los aviones, sustituyendo a los tradicionales Circuit Breakers. Pero debido a que el desarrollo de estos dispositivos es bastante reciente, el SSPC no tiene implantado aún algunas características que pueden ser desarrolladas gracias a la tecnología de estado sólido, la electrónica de potencia y los microcontroladores. Además en el poco tiempo que llevan en funcionamiento ya han mostrado algunos problemas. Una característica que no ha sido desarrollada todavía es el funcionamiento con altas cargas capacitivas las cuales podrían provocar sobrecorrientes que podrían dañar a los equipos y al cableado, además del propio SSPC. Es por ello por lo que uno de los objetivos de este proyecto ha sido el diseño y desarrollo de un SSPC que pueda conectar cargas altamente capacitivas. Además, debido a que las nuevas arquitecturas de los Sistemas de Distribución de Potencia en las aeronaves están cambiando a nuevos valores de voltaje, especialmente a 270VCC, este SSPC ha sido diseñado para este nivel de tensión. Finalmente, se ha diseñado y fabricado un prototipo de un SSPC que implementa estas funcionalidades, además de las que ya presentan los SSPCs actuales, y se ha comprobado que funciona correctamente tanto con cargas resistivas como capacitivas, y también bajo cortocircuitos y sobrecorrientes que pudieran provocar un arco eléctrico o fuego debido a la sobretemperatura en el cableado que esta aguas abajo del SSPC. _________________________________________________________________________ On this Final Degree Project it is presented a survey of the state of the art of the electrical protections in aircraft. This project is focused on the Solid State Power Controller or SSPC, which is the last and most modern protection introduced in the current airplanes, replacing the traditional electro-mechanical and thermo-magnetic Circuit Breakers. But due to the fact that the development of these devices is quite recent, the SSPCs have not implemented some features that could be developed using the state solid technology, the power electronic and the use of microcontrollers. On the other hand, in the little time that SSPC are working, they have shown some problems. A characteristic that has not been yet developed is the handle with high capacitive loads that could provoke over currents that could damage both the equipments and wiring, and also the SSPC. This is why one main objective in this project has been the design and development of a SSPC that can switch on high capacitive loads. Also, since new architectures of the Power Distribution Systems in aircraft are changing to new values of voltage, especially to 270VDC, this SSPC has been designed for that level of voltage. Finally, a prototype of a SSPC, which in addition to the current characteristics implements these new functions, has been designed, manufactured and proved that works properly under both resistive and capacitive loads, besides with short circuits and over currents which could provoke an arc fault or a fire due to the over temperature in the wiring downstream the SSPC. Ingeniería Industrial

El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera es el estudio del estado de la técnica referente al campo de las descargas eléctricas en sistemas embarcados. En este trabajo se identifican los problemas y las soluciones que se han descubierto hasta la fecha, relacionados con el campo de las descargas eléctricas, además se sintetizan y clarifican las leyes físicas que rigen este tipo de fenómenos. De esta forma se busca reunir en un único documento la información más importante y puntera sobre este tema. Se profundizará en el fenómeno de la formación y efectos de las descargas eléctricas, así como en las protecciones que se ofrecen actualmente en el mercado para este tipo de efectos. El estudio se centrará especialmente en el entorno de los sistemas embarcados aeronáuticos. Ingeniería Industrial

El desarrollo de este proyecto se engloba en un proyecto de cooperación internacional entre la Universidad Carlos III de Madrid (Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) y la Universidad de Lyon en Francia (Departamento de Mecánica de Fluidos), llamado SPEED (Solution de Production d´Énergie Éolienne Domestique / Solución de Producción de Energía Eólica Doméstica). El objetivo común de los dos grupos de trabajo es el desarrollo, prueba y puesta en marcha de un prototipo de molino eólico de 2kW. Para ello, se definieron las tareas de cada grupo de trabajo de tal manera que estuvieran perfectamente ligados a las especialidades de los departamentos participantes. Dichas tareas quedaron distribuidas de la siguiente manera: en la Universidad Carlos III desarrollaríamos la parte eléctrica/electrónica del proyecto y en la Universidad de Lyon la parte aerodinámica y mecánica. Tras barajar varias topologías de funcionamiento del sistema eléctrico se decidió desarrollar un esquema de funcionamiento como el que se muestra en la figura 1. A grandes rasgos se trata de rectificar la tensión de la máquina y elevar su tensión de continua hasta un valor de tensión específico de funcionamiento del inversor. Para ello se emplea un convertidor continua / continua elevador. En el control se programa un seguidor de máxima potencia de salida del inversor que gracias a la modificación del ciclo de trabajo del convertidor CC/CC optimizará el modo de funcionamiento de todo el sistema para hacerlo funcionar a potencia máxima, teniendo en cuenta que la máquina trabaja en todo momento a régimen variable y éste será función de la velocidad del viento. Ingeniería Industrial

Este proyecto se centra en el estudio de sistemas de alimentación para aplicaciones de bajo consumo, con la capacidad de aprovechar energías de diferente índole y transformarla en electricidad de muy baja potencia, generalmente del orden de microvatios. Estos sistemas recavan energía eléctrica a partir de fuentes como la luz solar, esfuerzos, movimientos, reacciones químicas, etc. Parte de la energía disponible en diferentes ámbitos es transformada en energía eléctrica, cuyos niveles de tensión y corriente son posteriormente tratados para adecuarlos a los del sistema electrónico que va a ser alimentado. Son por tanto sistemas totalmente autónomos, con un objetivo muy específico. Existen en la actualidad dispositivos de este tipo comercializados por algunas empresas, con aplicaciones muy variadas, aunque su utilización está, por lo general, más centrada en la experimentación y análisis de sus posibilidades. Por otro lado, el aumento de aparatos de bajo consumo, generalmente portátiles, se ha producido en gran medida gracias a su pequeño tamaño, peso, portabilidad y bajo coste entre otras características. Esto confiere un amplio abanico de posibilidades de integración para estos pequeños generadores. El propósito básico de este texto es dar a conocer estos sistemas, así como sus campos principales de aplicación para un posible desarrollo, por que no, de futuros proyectos de investigación y desarrollo de dispositivos comerciales a disposición de la comunidad. En este texto se estudian los diferentes tipos, sus características y propiedades, además de estudiar algunas aplicaciones y exponer brevemente otras tantas, abriendo así una puerta a nuevas ideas en su utilización. Para finalizar se analizan las capacidades de uno de estos sistemas, llevando a cabo el montaje y experimentación del mismo junto a su estudio económico y presupuesto. Ingeniería Técnica en Electrónica

Para minimizar los efectos negativos de los armónicos de corriente inyectados en las redes de distribución de energía eléctrica por parte de los equipos electrónicos, la Unión Europea ha impuesto el cumplimiento de la norma IEC 6 1000-3-2. Para lograrlo, frente a los tradicionales convertidores alterna — continua conmutados en dos etapas, que demandan de la red corriente sinusoidal, pero que presentan un elevado coste para un rango de potencia inferior a los 500 W, surgen como alternativa aquellos, cuya corriente se limita a cumplir dicha norma. En este trabajo de investigación se propone una nueva familia de convertidores CA / CC que se ha denominado con el acrónimo Sil (Intervalo de inductancias en Serie), para intentar mejorar las principales limitaciones de los actuales convertidores CA / CC monofásicos de baja potencia. Los convertidores desarrollados utilizan una técnica de división paralelo de energía mediante el uso de un conmutador magnético. Esta técnica consigue reducir el valor y también la variación de la tensión en el condensador de almacenamiento y por tanto su tamaño. Al mismo tiempo se cumplen los límites de la Clase D de la norma IEC 6 1000-3-2 y todo ello con un coste reducido, para un rango de potencia hasta los 300W. Conventional power supplies return harmonic currents to the utility. Rarmonics Regulations arise to reduce the problems related to harmonics currents (voltage distortion, extra heating, lower capability of energy generation and transmission, etc.). However, the presence of these regulations such as the WC61000-3-2 has provided new possibilities for power supplies. Now, it is enough to present harmonic currents lower than the regulation limits. Based on this idea, a new group of solutions, which take non-sinusoidal current from the une, have gained much attention because of their potential lower cost and lower complexity compared with the two stages approach, mainly for low power applications. These solutions have been also calleci single — stage PFC (power factor correction) AC / DC converters. The revision of the state of the art of the single-stage PFC converters allows detecting which are the main features that could be improved. These are the foliowing: • The maximum value and the variation of the storage capacitor voltage should be reduced in order to obtain a lower size and a lower cost for this capacitor. • The harmonic content of the input current of the converter should comply with the WC 6 1000-3-2 Class D limits. In this case, the converter can be applied to feed also the “high impact products” such as PCs, PC monitors and television sets. In order to achieve these aims, in this thesis an original family of converters has been proposed. This new family is characterized by presenting a stage of the switching period, in which the magnetizing inductance of the two inner transfonners result corinected in series while their common reset is produced. The name of “Series Inductance Interval (Sil)” come from this feature. in this work a detailed analysis of the steady - state operation for the proposed converters has been carried out. Moreover, sorne calculus programs has been developed to automatically design both, the power stage and the regulator of the feedback loop. In this work a large signal average model has been obtained for each converter of the family. These models are oriented to circuit simulation and they have been developed using PSpice. The simulation results have been used to predict the small sigua! behavior as well as to determine which values of gain, bandwidth and phase margin are required for the proper operation of the converters. Finaily, a prototype of each converter of the proposed family has been built in order to check both, the circuits and the modeis developed. These prototypes have corroborated the good operation of this new family of converters. Doctor por la Universidad Carlos III de Madrid. Programa en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática Presidente: Javier Uceda Antolín.- Secretario: Horacio Lamela Rivera.- Vocales: Leopoldo García Franquelo, Javier Sebastián y Zúñiga, Javier Azcondo Sánchez

El rápido desarrollo de los procesadores digitales (para ordenadores, equipos de comunicación, consolas de juegos electrónicos, etc.) ha supuesto, para los fabricantes de fuentes de alimentación, una carrera hacia las bajas tensiones de alimentación (1, 1-1,5 V) y hacia las altas corrientes (más de 60A en el Pentium IV). A estas características, ya muy exigentes para las fuentes conmutadas, se adiciona la necesidad de una rápida respuesta durante los escalones de corriente de carga. Esta exigencia es debida a que los nuevos procesadores digitales pueden pasar de su consumo mínimo (algunos miliamperios) a su consumo máximo (decenas de amperios) en algunos nanosegundos. Para responder a este nuevo problema, se ha desarrollado un grupo de topologías de fuentes de alimentación para procesadores digitales, dentro de las cuales aparecen los convertidores paralelos entrelazados como la solución de mayores perspectivas. Los convertidores paralelos entrelazados están compuestos por un grupo de convertidores conectados en paralelo que operan simultáneamente, repartiendo las corrientes aportadas a la salida de forma equitativa entre ellos. Estos convertidores se basan en la topología reductora o en sus variantes con transformador. Otras soluciones topológicas, para mejorar la respuesta dinámica, plantean la utilización de convertidores o fuentes lineales que se conectan en paralelo a la salida únicamente durante los escalones de corriente de carga. Por lo tanto, la fuente de baja tensión de salida estará compuesta por una fuente principal que opera continuamente y una fuente auxiliar que opera sólo durante los escalones de corriente de carga. Es decir, las fuentes principal y auxiliar operan de forma complementaria. En esta tesis se definirán las fuentes conmutadas, formadas por más de un convertidor, corno fuentes compuestas. Las fuentes compuestas pueden tener sus fuentes simples operando simultáneamente o de forma complementaria. Ninguna de las soluciones, presentadas hasta el momento para resolver los problemas asociados a las bajas tensiones de salida, aparece como la solución definitiva a las futuras exigencias que se pronostican para las fuentes de baja tensión. Actualmente, el problema más que de topología es un problema de tecnología de los componentes electrónicos, sobre todo de los transistores MOSFET y los condensadores del filtro de salida. Por otra parte, para mejorar la respuesta de las fuentes conmutadas se están investigando diferentes estrategias de control. El control optimizado en modo tensión, así como el control por histéresis y el control V2 son los que parecen dar mejores resultados. Sin embargo, en todos los casos las soluciones que se obtienen son de compromiso. El control lineal en modo tensión es optimizado alrededor de un punto de trabajo, en otros puntos su respuesta no es óptima. Por otra parte, su ancho de banda está acotado por la frecuencia de conmutación, la cual a su vez está limitada por las pérdidas en conmutación. Además, los modelos lineales no pueden describir el comportamiento de las fuentes conmutadas cuando se satura el ciclo de trabajo, ya que esta saturación tiene un comportamiento no-lineal. La saturación de ciclo de trabajo puede aparecer durante los escalones de corriente de carga. Los controles por histéresis y V2 son muy rápidos, pero tienen muchas características negativas en su contra, tales como la dependencia de la frecuencia de conmutación, de la corriente de carga y de los parásitos del filtro de salida. Las mejoras de estos problemas, en estas estrategias de control, se realizan a costa de disminuir la rapidez de su respuesta. Microprocessors and DSPs have experimented a very important development in recent years. The current trends about these components foresee higher clock operation frequency. This is possible, increasing the integration and decreasing the operation voltage. These solutions imply higher current slew rate and higher current consumption. In general, the main requirements to feed last generation microprocessors and DSPs are the following: Low output voltage: 1.1 to 3.3 V.; Output voltage tolerance: ± 2% ; High load current: 1 to 65 A ; High current slew rate: up to 5 A/ns; Reduced converter size & improved converter efficiency. In order to get lower voltages synchronous rectification is being used. Nowadays, the main challenge to feed microprocessors and DSPs is to develop power supply with high current slew rate and therefore fast transient response. Different techniques try to give a solution. At first, there are three main ways to get a better transient response: Increasing the bulk capacitor in output filter. This capacitor must present very low values of equivalent series resistance and equivalent series inductance; Getting a bigger bandwidth. This is possible increasing the switching frequency or optimizing the control, among others; Changing the topologies. In this way an interesting solution has been presented, in recent years, named Voltage Regulator Module with Interleaving Techniques. Regarding the control new trends are used to improve the converter transient response. Sorne of them are based on improving the linear control and other solutions introduce the non-linear control. Among the non-linear solutions two different ways can be distinguished. Those that the non-linear control operates all the time like hysteretic control and V2 control and those that the non-linear control works in a short period of time. Finally, this last way can be implemented either modifying the power block or modifying the control gain. In this thesis, an original non-linear control, named "LnLc control", is presented. LnLc control can reach an optima! response in the buck converter during the load current steps. Also it improves the large signal stability. The LnLc control is based on the combination of a linear control with a non-linear control, which can adequately saturate the duty cycle, during the load current step. The stability of the buck converter with control LnLc have been theoretical researched using the "describing function method" Furthennore, in this thesis the compound converters have been studied, as solution to improve the current slew rate of the low voltage switching supplies. This type of converter is composed of both a switching converter (main converter) anda linear or switching one (auxiliary converter) connected in parallel. In steady-state operation only the main converter works delivering all power that the output requires. Wben a load current step occurs the main converter cannot keep constant the output voltage, in that case, the auxiliary converter starts to work contributing the power necessary to keep the outpu_t voltage within the imposed limits. The compound converters allow making use of the main advantages of each converter, the higher efficiency of the main converter and the fast response of the auxiliary converter. In this way, slow response of the main converters and low efficiency of the auxiliary converters do not affect, meaningfully, to the whole converter. Nowadays, many topologies of compound power supplies are reported. In order to improve their dynamic behavior, in this thesis, a new control method for compound power supplies is proposed. This control is named "LnL". The LnL control includes the LnLc control in adequately combination with LnLp control. LnLp control is a known control for the compound power supplies. The control LnL decreases the recovering time ofthe main converter, and increases the efficiency. Finally, severa! prototypes have been built to test the different proposed control methods. The experimental results have validated the theoretical conclusions. Doctor por la Universidad Carlos III de Madrid. Programa en Ingeniería Mecatrónica Presidente: Joan Peracaula Roura.- Secretario: Jorge Pleite Guerra.- Vocales: Salvador Martínez García, Carlos Martínez Peñalver, Freire José Antonio Cobos Márquez