Ingeniería Electrónica

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Análisis, modelado y caracterización de inductores de modo común para sistemas monofásicos y trifásicos
(2024-07-15) Ojeda Rodríguez, Álvaro; Bernal Méndez, Joaquín; Martín Prats, María de los Ángeles; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
La tesis titulada "Análisis, modelado y caracterización de inductores de modo común para sistemas monofásicos y trifásicos" presenta una investigación centrada en el estudio de inductores o chokes de modo común (CMCs, Commonmode chokes) para sistemas monofásicos y trifásicos. La tesis adopta la forma de un compendio de artículos, presentando varias publicaciones clave sobre el tema. En primer lugar se contextualiza el trabajo mediante la presentación de una visión general de la importancia tecnológica de la electrificación creciente en el sector del transporte, particularmente en aeronaves y vehículos eléctricos. La electrificación implica un aumento de la demanda de potencia eléctrica, lo que requiere nuevos enfoques en el diseño de sistemas de distribución de energía. Se detallan los desafíos asociados con las interferencias electromagnéticas (EMI) en estos sistemas, especialmente con respecto a la mitigación de las señales de ruido electromagnético generado por los convertidores de potencia. La eficacia y optimización de los filtros EMI es crucial para cumplir con la estricta normativa de EMC a la vez que se minimiza el impacto en el peso y volumen del sistema. Los objetivos específicos de la tesis incluyen desarrollar un modelo de circuitos preciso para inductores de modo común, que incluya sus principales efectos parásitos y que abarque un amplio rango de frecuencias relevantes para las normativas de EMC. Se propone un análisis detallado de los fenómenos físicos subyacentes en el comportamiento de los CMCs. En particular el modelo de circuitos propuesto se desarrolla a partir de un enfoque modal que permite asociar cada uno de sus elementos con uno solo de los modos naturales del CMC cuándo éste se analiza como una red pasiva de 2N-puertos. Se hace hincapié en distinguir entre modos naturales del dispositivo como elemento pasivo de filtrado y modos de propagación de las señales de ruido, así como de qué manera están relacionados entre ellos. En resumen, el trabajo se enfoca en abordar el desarrollo y la optimización de un modelo preciso para los CMCs como componentes esenciales de los filtros EMI para sistemas monofásicos y trifásicos, mediante una visión detallada de los efectos físicos que rigen su comportamiento. El objetivo es que dicho modelo cuente con el menor número de elementos posible, sea fácil de interpretar y de ajustar, y también sea capaz de reproducir con precisión la respuesta de los CMCs en un rango amplio de frecuencias.
Predictive analytics of energy economy for electric mobility
(2024-06-21) Sennefelder, Roman Michael; González Carvajal, Ramón; Martín Clemente, Rubén; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica; Universidad de Sevilla. Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
Mobility is one of the most fundamental necessities in society. Especially in urban environment, transportation based on conventional technologies causes traffic jam, pollution, greenhouse gas emissions and many other negative effects. To meet the demand for mobility and environmental respectively health goals alike, anticipating alternative drive systems is inevitable. Both private and public transportation still rely mainly on combustion engine vehicles. The adoption to electrified systems is complex, since they operate differently. Uncertainty about energy consumption and thus operating time and range, leads to conservative vehicle system design, which lasts in inefficiency, high costs and of the lack of trust into novel technologies. Optimized vehicles, a tailored infrastructure and a robust range prediction, reduce costs, save resources, encourage for new technology and thus can be a solution to this socioeconomic problem. There is a broad consense to use real-world data whenever vehicles energetics are to be calculated. Either for running vehicle driving simulations, for speed profile synthesis or for novel big data driven methods. Within this dissertation I introduce several different data driven approaches to improve accuracy and robustness of calculating the energy demand and it's prediction. Predictive analytics increase transparency in this field and facilitates design and operation planning of alternative fleets. Especially public transport is often organized heuristically making it prone to error and inefficiency. In the first study (chapter 2), a feasibility assessment for retrofitting a conventional diesel engine bus fleet in a hot country application, a methodology to innovatively synthesize speed profiles, auxiliary power demand and passenger variation to determine the energy demand of BEBs is introduced. We decribe a novel approach using bootstrapping, inverse transform sampling and empirical equations to synthesize these profiles and utilize them in a massive simulation framework. The confidence interval width of 95% likelihood for key parameters of interest such as operating time and range, overall energy consumption, recuperated energy or spatial rated consumption, is reduced and thus uncertainty from 10% at the beginning based on the real measurement data to less than 1% using the extended data. In the second study (chapter 3), we split speed profiles by a smart segmentation algorithm and introduce a feature space characterizing these profiles. The extracted meta data is used in a second-stage regression model to predict the vehicles' energy demand by statistical means from these driving characteristics - in particular using multiple linear regression. Achieving a prediction accuracy of more than 85% this simple approach turns out to be robust and precise alike. Starting from this baseline, in the next study (chapter 4), we analyze the postulated feature space more deeply. The extracted meta data is used in several machine learning models and a comprehensive sensitivity analysis regarding their relevance and predictive value is done. Considering features, like Shannon Entropy, that respect the temporal evolution of the velocity, we reach an outstanding prediction accuracy of up to 94% by Gaussian Process Regression. The last study (chapter 5) completes this preliminary framework as it is about predictive classification of vehicles' energy economy. We investigate a data driven approach based on a set of descriptive features to be used in different machine learning algorithms for exact identification and predictive classification. This generic approach targets the highest, strategic planning level for alternatively powered fleets and sustainable public transport. It supports decision makers to design and plan the operation of electric buses in urban environment properly on a solid base with a prediction accuracy of up to 90% and identification of up to 95%.
Deep reinforcement learning for adaptive monitarizacion and patrolling of water resources with unmanned surface vehicles
(2024-05-31) Yanes Luis, Samuel; Gutiérrez Reina, Daniel; Toral, S. L.; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
The monitoring of hydrological resources represents a fundamental task for both the conservation of biological ecosystems and for human interest. Large water bodies such as lakes, rivers, and reservoirs deserve special attention as strategic resources for human development. However, monitoring these resources involves significant human efforts and high costs. The use of autonomous surface vehicles equipped with water quality measurement equipment and pollution variables increases efficiency and improves the precision and validity of biological models for such resources. Deploying these vehicles requires special attention to monitoring decision-making policies: where to take samples, how to take samples, and how often, to obtain the most accurate and up-to-date model. The intelligent vehicles must be equipped with adaptive decision-making policies capable of overcoming changing conditions, obstacles, and coordination among a variable number of agents. This thesis summarizes advances over the past 10 years in the development of Artificial Intelligence algorithms for autonomous decision-making in mobile robotics to apply to the monitoring of hydrological resources. The two fundamental problems of monitoring in rivers and lakes have been outlined: on one hand, informative path planning, consisting of obtaining the best possible model, and on the other hand, informative patrolling, consisting of a persistent monitoring of the environment. Both problems have been addressed from the single-agent and multiagent perspective using Deep Reinforcement Learning to deal with high computational complexity and dimensionality. These techniques allow the use of Neural Networks to estimate a policy capable of acting by maximizing a defined reward function for such tasks. Specifically, the Double Deep Q-Learning algorithm, used for decision problems with discrete actions has been modified to work in different problems and typical situations of persistent monitoring such as fully observable non-homogeneous patrolling, as well as the partially unobservable case, where both patrolling and the model are constructed simultaneously. The same algorithm has been used to solve informative patrolling to improve information acquisition and obtain more accurate models. In this sense, this thesis includes, beyond the policy optimization processes, two new model proposals for water quality variables. The first one is based on Local Gaussian Processes when no information about the function to be measured is available. On the other hand, in a deep architecture of Variational Auto-encoder, useful when there is a simulator of discharge phenomena or previous data of water quality variables available. These contributions are structured around six scientific articles published or under review for publication. The obtained results demonstrate that Deep Reinforcement Learning represents a flexible and accurate methodology for optimizing policies with multiple agents and that a single DRL algorithm can solve multiple problems of different nature simply learning through interaction.
Contributions to long prediction horizon FCS-MPC design in advanced digital platforms for power converters
(2024-03-15) Zafra Ratia, Eduardo; Vázquez Pérez, Sergio; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
La creciente integración de fuentes de energía renovable y la electrificación de diversos sectores industriales dependen del desarrollo de tecnologías de conversión de potencia de alta eficiencia y fiabilidad. Este documento de tesis explora técnicas avanzadas de control predictivo basado en modelo (MPC) para convertidores de potencia. En particular, se desarrollan y presentan diversas técnicas para alcanzar horizontes de predicción largos en MPC, que tiene como objetivo conseguir mejoras de rendimiento, eficiencia y calidad armónica durante la operación del convertidor de potencia. Los primeros capítulos de esta tesis presentan el contexto del escenario energético actual, subrayando la importancia de mayores avances científicos en el campo de la electrónica de potencia y, en especial, del control de convertidores. Los principales métodos de control se presentan de forma breve, profundizando con especial importancia en las técnicas finite control set - MPC (FCS-MPC). Como paso introductorio al estudio de estas estrategias, se presenta un análisis donde se muestran los principales conceptos, técnicas y desafíos de los controladores de tipo FCS-MPC con horizontes largos de predicción (LPH-FCS-MPC). Aunque las técnicas MPC consiguen resultados prometedores, generalmente presentan un alto coste computacional (especialmente con horizontes de predicción largos), lo que obstaculiza una mayor extensión en aplicaciones de electrónica de potencia. Por este motivo, gran parte de este trabajo de investigación está dedicado al desarrollo y la implementación de algoritmos de optimización para LPHFCS- MPC. Estos diseños se realizan con el objetivo de aprovechar la aparición de plataformas programables modernas de tipo FPSoC y sus excelentes características para la paralelización de algoritmos. Se incluirán una discusión del aspecto computacional de estas técnicas y guías detalladas para su implementación. Así mismo, se presentan resultados de simulación y experimentales que validan las técnicas propuestas y ponen de manifiesto las mejoras en rendimiento que se pueden obtener. Por último, se lleva a cabo un análisis detallado del comportamiento de las estrategias de control LPH-FCS-MPC en función de diversos parámetros de ajuste. El principal objetivo de este estudio es mejorar el entendimiento sobre el efecto que estos parámetros tienen en el comportamiento y establecer guías sistemáticas para optimizar el rendimiento para unas condiciones dadas. Mediante el desarrollo de estos puntos de investigación, se espera que esta tesis pueda contribuir de cara a una mayor difusión y adopción de las técnicas LPH-FCS-MPC en la industria, de modo que puedan convertirse en el principal método de control utilizado para diversas aplicaciones de electrónica de potencia.
Métodos de equilibrado de convertidores modulares cascada
(2023-03-01) Galván García-Pérez, Luis; Carrasco Solís, Juan Manuel; Galván Díez, Eduardo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Este trabajo describe dos métodos de equilibrado para convertidores de potencia modulares con topología en cascada: uno diseñado para convertidores de tipo CHB, y el otro para MMCs. Ambos métodos consideran la posibilidad de distribuir libremente la energía entre los módulos (de puente o de rama) que conforman los convertidores. De esta forma el funcionamiento del convertidor puede mantenerse estable aun cuando unos módulos tienen más tensión de DC-link que otros por decisión del usuario. El interés de esta investigación es desarrollar métodos generales que contemplen todas las posibilidades de los convertidores, de modo que puedan ser empleados en cualquier tipo de aplicación. Para alcanzar este objetivo, en los capítulos 2 y 6 se modelan el CHB y el MMC, respectivamente. Se hace un extenso desarrollo matemático en el que se considera el caso más general posible. De esta forma los modelos pueden ser empleados también en futuros trabajos de investigación. A partir de estos modelos, en los capítulos 3 y 7 se propone un método para cada convertidor. Por un lado, el método dado en el capítulo 3, aprovecha todas las redundancias de un convertidor CHB para minimizar el error de tensión de sus DC-links, las pérdidas de conmutaciones y la desviación de potencia en cada módulo. Por otro lado, el método del capítulo 7 utiliza las corrientes circulantes de un MMC para transferir potencia entre sus ramas, incluso cuando el convertidor esté conectado a una red desequilibrada en tensión. Pese a la complejidad matemática de los modelos, los métodos propuestos pueden ejecutarse en el hardware de control habitual en un tiempo razonable. Ambos métodos son probados en un convertidor de laboratorio y los resultados obtenidos se muestran y se discuten en los capítulos 4 y 8. El capítulo 9 resume las conclusiones a las que se llega a partir de estos resultados.
Intelligent Online Water Quality Monitoring through multiple Autonomous Surface Vehicles using the Bayesian Optimization Framework
(2022-07-25) Peralta Samaniego, Federico; Gutiérrez Reina, Daniel; Toral, S. L.; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Monitoring water resources and their quality is an activity that is gaining more importance over the years. Efficient and intelligent monitoring systems must be developed taking advantage of cutting-edge technologies like robotic agents. The utilization of autonomous surface vehicles equipped with water quality sensors is a promising approach to continuously measure physico-chemical parameters related to water quality. However, most of the current related works do not acknowledge the increasing availability and affordability of these systems. Therefore, current approaches do not generalize well to account for multiple objectives and the involvement of multiple agents. The present work provides a bottom-up-designed system that considers the usage of multiple agents equipped with multiple water quality sensors so that online modeling of water bodies is done. Furthermore, the measurements are done considering a Voronoi Region Partitioning system using an underlying Bayesian optimization framework with multiple objectives. The results show that the system can robustly obtain very accurate models despite the limited available information and the constraint on vehicle energy autonomy. Comparisons with coverage and patrolling-based offline approaches have also been made and the proposed system outperforms these approaches on average by 8,2% and 14,4% with respect to the modeling error. The performance of this approach is also enhanced by its robustness and scalability compared to offline monitoring missions.
Caracterización del rendimiento de los tubos receptores de tecnología solar termoeléctrica cilindroparabólica
(2021-02-03) Navarro Hermoso, José Luis; Prieto Rios, Cristina; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
La energía solar térmica de alta concentración mediante colectores cilindroparabólicos (CCP) es la tecnología mas empleada a nivel comercial en todo el mundo para la producción de electricidad mediante la energía solar térmica. La radiación solar directa es concentrada mediante unos espejos en forma de parábola y redirigida a unos tubos receptores formados por dos tubos concentrivos, uno exterior de vidrio y otro interior de acero. El fluido que circula dentro del tubo de acero se calienta y cede el calor a un ciclo Rankine de producción de electricidad. Para el desarrollo de esta tecnología y el incremento de capacidad instalada en los próximos años es imprescindible avanzar en la eficiencia y reducción de costes de la misma. El tubo receptor supone el elemento más diferenciador de la tecnología de CCP, por lo cual se require un avance en el desarrollo y mejora de eficiencia del mismo. La presente investigación se enmarca en un proyecto de investigación denominado “Sol y Visión para la Energía Térmica Actual. Solventa”, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España y liderado por la empresa Abengoa (IPT 2011 1424 920000). El objetivo de esta investigación es la caracterización del rendimiento de los tubos receptores de tecnología solar termoeléctrica cilindroparabólica. Este objetivo puede ser desglosado en dos sub objetivos. El primero es el desarrollo de equipos de medida óptico electronica no existentes en el estado del arte y que permiten caracterizar los tubos, tanto en laboratorio como en campo solar. El segundo es realizar estudios novedosos que contribuyan al mejor conocimiento de sus propiedades y que arrojen conclusiones no publicadas en el estado del arte. Se desarrolla un equipo de alta precisión de laboratorio que permite caracterizar el rendimiento de los tubos, tanto el térmico, en forma de pérdidas, como el óptico, en concreto los valores de transmitancia y reflectancia. Se evalúa por primera vez el comportamiento de la capa altamente absortiva del tubo interior en condiciones reales de operación. El equipo permite realizar medidas independientes de la transmitancia y la reflectancia a lo largo de las longitudes de onda del espectro solar y en cualquier punto del tubo, independientemente de su longitud o diámetro. Se presentan estudios de evaluación de tubos con el equipo desarrollado, como el comportamiento de las propiedades ópticas de la capa antireflejante del tubo interior a temperaturas de operación o el incremento de transmitancia provocado por la capa antireflejante de cada fabricante. Se desarrolla un segundo equipo, en este caso portátil para su uso en las plantas solares, que gracias a la propiedades ópticas de los tubos y a las Leyes de Planck y Wien, permite medir simultáneamente y sin contacto la temperatura de los dos tubos concéntricos, el tubo exterior de vidrio y el interior de acero. Este equipo, patentado en julio de 2016, WO 2016/107959 A1, permite determinar el estado de los tubos en operación en un campo solar en lo que se refiere a pérdida del vacío interanular y rendimiento térmico. Por último se realiza un estudio de la correlación de la eficiencia de los tubos con el ensuciamiento de los mismos y las limpiezas que son aplicadas durante la operación normal en las plantas. Se testan diferentes métodos de limpieza variando los parámetros, y midiendo su eficacia en el redimiento del tubo, determinando la eficiencia de los métodos tanto a corto como a largo plazo. Se obtienen conclusiones sobre el efecto de la limpieza en el deterioro de la capa antireflectante del tubo, el ritmo de pérdida de rendimiento de un tubo en una planta o la importancia de la direccionalidad en la limpieza que pone en cuestión la posición de los colectores los días de lluvia cuando no es posible operar.
Productivity Measurement of Call Centre Agents using a Multimodal Classification Approach
(2021-10-18) Ahmed, Abdelrahman; Toral, S. L.; Shaalan, Khaled; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Call centre channels play a cornerstone role in business communications and transactions, especially in challenging business situations. Operations’ efficiency, service quality, and resource productivity are core aspects of call centres’ competitive advantage in rapid market competition. Performance evaluation in call centres is challenging due to human subjective evaluation, manual assortment to massive calls, and inequality in evaluations because of different raters. These challenges impact these operations' efficiency and lead to frustrated customers. This study aims to automate performance evaluation in call centres using various deep learning approaches. Calls recorded in a call centre are modelled and classified into high- or low-performance evaluations categorised as productive or nonproductive calls. The proposed conceptual model considers a deep learning network approach to model the recorded calls as text and speech. It is based on the following: 1) focus on the technical part of agent performance, 2) objective evaluation of the corpus, 3) extension of features for both text and speech, and 4) combination of the best accuracy from text and speech data using a multimodal structure. Accordingly, the diarisation algorithm extracts that part of the call where the agent is talking from which the customer is doing so. Manual annotation is also necessary to divide the modelling corpus into productive and nonproductive (supervised training). Krippendorff’s alpha was applied to avoid subjectivity in the manual annotation. Arabic speech recognition is then developed to transcribe the speech into text. The text features are the words embedded using the embedding layer. The speech features make several attempts to use the Mel Frequency Cepstral Coefficient (MFCC) upgraded with Low-Level Descriptors (LLD) to improve classification accuracy. The data modelling architectures for speech and text are based on CNNs, BiLSTMs, and the attention layer. The multimodal approach follows the generated models to improve performance accuracy by concatenating the text and speech models using the joint representation methodology. The main contributions of this thesis are: • Developing an Arabic Speech recognition method for automatic transcription of speech into text. • Drawing several DNN architectures to improve performance evaluation using speech features based on MFCC and LLD. • Developing a Max Weight Similarity (MWS) function to outperform the SoftMax function used in the attention layer. • Proposing a multimodal approach for combining the text and speech models for best performance evaluation.
Nonlinear Control Approaches of Several Power Converters
(2021-03-20) Yin, Yunfei; Vázquez Pérez, Sergio; Liu, Jianxing; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
The exploitation and utilization of renewable energy have become the important measures taken by countries all over the world to solve the contradiction among energy shortage, economic development and ecological environment. As an important bridge and energy conversion channel between renewable energy and electric energy, power converter is a basic form of transformation and control of electric energy, which plays a vital role in the exploitation and utilization of renewable energy. In the past few decades, due to the significance of both theory and practical applications, the study of power converter has become one of the hotspots of research in the field of power electronics and automation. The study of power converter control strategies is an important study research of power converter. The control strategy as the core of the control system directly determines the dynamic and static performance of the power converter. The power converter system is a typical nonlinear system. However, most of power converter control strategies are designed based on linearization control methods, which makes the control system sensitive to system parameter variations, slow dynamic response speed and poor steady-state performance, etc. Thus, in order to further improve the dynamic and static performances of power converters, the investigation of using nonlinear control methods for power converters is a challenging and meaningful work. Based on modern control theory utilizing nonlinear control approaches, this dissertation investigates the nonlinear control strategies design for several typical power converters, and the main contributions are as follows: (1) The important role of power converters in renewable energy power generation systems is introduced. Then the internal and overseas research situations of the control strategies design for the several typical power converters are classified and summarized, where the theoretical significance and the practical application backgrounds are given, and the study structures and contents of this dissertation are presented. (2) Two system models are built for the DC-DC Buck converters, respectively, i.e., the nominal system model and uncertain system model. Based on the nominal system without considering parametric uncertainties, the single-loop adaptive control strategy is built by adaptive and back-stepping control approach, and the double-loop adaptive control strategy is set up by adaptive and sliding mode control approach. Based on the uncertain system model, the single-loop disturbance observer based control strategy is developed using designed disturbance observer and back-stepping control technique, and the double-loop disturbance observer based control strategy is synthesized using designed disturbance observer and sliding mode control method. (3) The control strategy of voltage regulation and current tracking for three phase two-level grid-connected power rectifiers is presented. By using power-invariant Park’s transformation, an averaged mathematical model of power converters is obtained in synchronous reference frame. Then a novel control strategy using adaptive control and technique is proposed to regulate the dc-link output voltage as well as track a desired current reference. More specifically, an efficient adaptive controller is established in the external loop for regulating dc-link output voltage in the presence of external disturbances. A set of controllers are designed in the internal loop to force the input currents track their desired values. (4) A novel robust control strategy is proposed for three-level neutral-point-clamped power rectifiers. The proposed control scheme consists of three control loops, i.e., instantaneous power tracking control loop, voltage regulation loop and voltage balancing loop. First, in the power tracking control loop, a set of adaptive sliding mode controllers are established to drive the active and reactive power tracking their desired values via radial basis function neural network technology. In the voltage regulation loop, an efficient but simple adaptive controller is designed to regulate dc-link output voltage where the load is considered as an external disturbance. Moreover, a composite controller is developed in the voltage balancing loop to ensure imbalance voltages between two dc-link capacitors close to zero, in which a reduced-order observer is used to estimate sinusoidal disturbance improving the converter performance. (5) Based on the second order sliding mode control technique, a novel control strategy is proposed for three-phase power rectifiers under unbalanced grid conditions to achieve cooperative control between power and current. A consolidated control objective which can be flexibly adjust among the degree of oscillation in active and reactive powers and balance of three-phase current is obtained in the stationary frame. Based on the dynamic of the converter and control objective, a control scheme in a cascaded framework is presented, in which an adaptive observer is applied to estimate the positiveand negative-sequence of grid voltage without complex filtering process. In the current tracking loop, the super–twisting algorithm current controller coupled with super-twisting differentiator is implemented to force the currents to their references, featuring a fast dynamic and an improved robustness. Also, in the voltage regulation loop, an effective composite controller is developed for regulation of the output voltage, where a supertwisting observer is used to estimate load disturbance. (6) The problem of regulation output voltage of three-phase two level filtered voltage source inverters is presented using disturbance observer-based integral sliding mode control approach. First, the dynamics of the inverter are reformulated to facilitate the use of the proposed control strategy, which consider the parametric uncertainties of filter. A disturbance observer is designed to estimate the parametric uncertainties and external disturbances. Then, an integral sliding mode surface is established considering the voltage tracking error, its integral and the estimations of the parametric uncertainties and external disturbances. A sliding mode controller is proposed such that the systems are robustness to the admissible uncertainties and disturbances and satisfy the reaching condition. The stability of the closed-loop system is proved based on the Lyapunov theory.
Cost-Effective Model Predictive Control Techniques for Modular Multilevel Converters
(2021-07-09) Yin, Jiapeng; León Galván, José Ignacio; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
In this thesis, model predictive control (MPC) techniques are investigated with their applications to modular multilevel converters (MMCs). Since normally a large number of submodule (SM) capacitor voltages and gate signals need to be handled in an MMC, the MPC schemes studied in this thesis are employed for determining only the voltage levels of converter arms, while gate signals are subsequently generated by the conventional sorting method. Emphasis is given to inner-loop current control in terms of phase current and circulating current, aiming at performance enhancement and computation reduction. A variable rounding level control (VRLC) approach is developed in this thesis, which is based on a modification of the conventional nearest level control (NLC) scheme: instead of the conventional nearest integer function, a proper rounding function is selected for each arm of the MMC employing the MPC method. As a result, the simplicity of the NLC is maintained while the current regulating ability is improved. The VRLC technique can also be generalized from an MPC perspective. Different current controllers can be considered to generate the arm voltage references as input of the VRLC block, thus refining the control sets of the MPC. Based on the decoupled current models, the accumulated effect of SM capacitor voltage ripples is investigated, revealing that the VRLC strategy may not achieve a proper performance if the accumulated ripple is nontrivial compared to the voltage per level. Two indexes are also proposed for quantifying the current controllability of the VRLC. Benefiting from this analysis, A SM-grouping solution is put forward to apply such MPC techniques to an MMC with a large number of SMs, leading to an equivalent operation of an MMC with much reduced number of SMs, which significantly increases the current regulating capability with reduced complexity. As an example, the SM-grouping VRLC proposal is analyzed and its system design principles are described. This thesis also develops another MPC technique which directly optimizes the cost function using quadratic programming technique. Both a rigorous and a simplified procedure are provided to solve the optimization problem. Compared with the conventional finite control set (FCS)-MPC method which evaluates all voltage level combinations, the proposed scheme presents apparent advantage in terms of calculation cost while achieving similar performance.
Comunicaciones inalámbricas de bajo consumo con aplicación en los sectores loT de los sistemas inteligentes de transporte y de la telemedida de contadores de agua
(2021-06-01) García Martín, Juan Pablo; Torralba Silgado, Antonio Jesús; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Esta Tesis Doctoral se centra en las comunicaciones inalámbricas que, desde la pasada década, se han erigido como la mejor alternativa a los costosos despliegues de sistemas cableados. El Internet de las Cosas (IoT) es el ecosistema común que comprende multitud de aplicaciones de interés. Los sistemas inalámbricos han ido integrándose en los últimos años en las soluciones IoT con el doble reto de reducir el coste global y de reducir el consumo de los dispositivos. Normalmente, la alimentación viene dada por baterías cuya vida útil ha de ser extendida el máximo tiempo posible. En este trabajo se identifican las problemáticas actuales que se presentan en el diseño, en el desarrollo, en la implementación y en el despliegue de redes inalámbricas. Dada la creciente diversidad de los sistemas IoT de bajo consumo desarrollados y la dificultad de que estos sistemas escalen en proporción a los requerimientos, se propone un modelo de diseño conjunto de soluciones inalámbricas. A continuación, hasta cuatro aplicaciones IoT son desarrolladas utilizando redes inalámbricas basadas en la norma IEEE 802.15.4. Primeramente, son analizadas las posibilidades tecnológicas que existen para una combinación de sistemas inalámbricos con un objetivo que difiere de los que comúnmente aparecen la literatura: el aprovechamiento de las ventajas individuales de las tecnologías implicadas en la solución conjunta. A partir de ahí, se propone un modelo de red combinada a nivel de dispositivo basado en el estándar de área personal IEEE 802.15.4 y en la tecnología móvil de bajo consumo y área amplia (LPWA) IoT de banda estrecha (NB IoT). Se caracteriza matemáticamente el consumo energético requerido en el enlace de comunicación entre el dispositivo NB IoT y el primer elemento de la red troncal, la estación base. Son considerados todos los parámetros relevantes de esta tecnología (temporizador extendido, temporizador activo, tasa de intercambio de mensajes, número de segmentos en las comunicaciones ascendentes/descendentes y número de tonos en la modulación). Las repeticiones también son evaluadas, como mecanismo que permite definir diferentes niveles de cobertura. En un segundo momento, la topología en árbol de clústeres para la red combinada es descrita. Partiendo de una red IEEE 802.15.4 ya desplegada, se incorporan nodos con doble conectividad a la estructura de la red original. Las diferentes fases de diseño de la red combinada son llevadas a cabo. Se propone un algoritmo de selección enlaces, de forma que los jefes de clústeres elijen en tiempo de ejecución el enlace preferente por el que enviar los paquetes. Dos niveles de simulaciones son completados para la obtención de resultados sobre: 1) el enlace NB IoT individual y 2) la red inalámbrica combinada. Posteriormente, se presentan 3 aplicaciones IoT para la mejora de los sistemas inalámbricos de transporte, desarrolladas en el marco de sendos proyectos de investigación y desarrollo. Un sistema de ayuda a la operación ferroviaria en instalaciones singulares, con aplicación en el Puerto de Sevilla, es mostrado en primer lugar. Se emplean detectores de ejes de ruedas de los trenes de la empresa Pintsch Tiefenbach, especialista en el sector ferroviario, para el algoritmo de cálculo de la longitud de las composiciones y bucles inductivos con forma rectangular para detectar la ocupación de los puntos críticos del trazado (pasos a nivel y cambios de aguja). Tanto la longitud estimada como las ocupaciones se transmiten por la red inalámbrica hacia la plataforma avanzada de integración de servicios (ASIP). El segundo sistema aplica a los transportes por carretera en zonas suburbanas y rurales. Se trata de una nueva solución de bajo coste para mejorar la seguridad en estas vías, en las que las tasas de siniestralidad continúan siendo demasiado elevadas. Se emplean señales de tráfico led parpadeantes que se activan remotamente, según la lógica implementada en el sistema. A través de cámaras, se detecta la presencia de vehículos o personas en torno a los pasos de cebra, así como autobuses en las paradas o animales en las zonas anexas a una carretera rural. Estos eventos permiten enviar las órdenes de encendido y apagado desde el controlador remoto a través de la red inalámbrica programada usando el sistema operativo Contiki. Se puede aplicar a otros tipos de señales verticales de interés gracias al diseño modular. Todos los elementos son autónomos, utilizando paneles solares y baterías para la alimentación. Dos demostradores del sistema (en Villafranca de Córdoba y en Aznalcóllar) han estado funcionando continuadamente durante más de 30 meses con resultados satisfactorios. En una plataforma web se han almacenado todos los eventos registrados y el histórico de los valores medidos por los sensores (temperatura, humedad relativa, iluminancia y lluvia). Un último sistema de ITS, totalmente compatible con el anterior, es ilustrado a continuación. Consiste en el control remoto de la iluminación de intersecciones y zonas del trazado con baja visibilidad. El nivel de intensidad de las luminarias se ajusta en función de las condiciones atmosféricas (iluminancia y presencia de lluvia/nieve) y de la detección de vehículos. El ajuste es, por lo tanto, diferente en cada uno de los momentos del día: noche, amanecer, período diurno y atardecer. El sistema de Villafranca de Córdoba fue ampliado para la validación de este caso de uso, añadiendo las luminarias led con intensidad graduable y aprovechando la mayor parte de los componentes de la solución. El siguiente paso comprende la aplicación de las comunicaciones inalámbricas de bajo consumo a otro sector IoT de relevancia, el de los sistemas de telemedida y smart grid. En el caso de la gestión de las redes de distribución de agua, una de las acciones necesarias es la lectura remota de los contadores de agua presentes en el domicilio o lugar de trabajo de los consumidores para un manejo eficiente del agua. La red basada en el estándar IEEE 802.15.4g transporta los datos leídos por los medidores de caudal hacia una plataforma central de control. Cada dispositivo router distribuye los intervalos de tiempo asignados a los dispositivos finales asociados a él. De esta forma se consigue que los nodos estén la mayor parte del tiempo en estado de bajo consumo. Así, las primitivas de red y de capas superiores son diseñadas para un consumo energético eficiente en las operaciones de adquisición de las medidas. Tras la descripción exhaustiva del diseño e implementación del sistema, el demostrador de validación es presentado. Ha sido desplegado en los laboratorios de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros (Universidad de Sevilla). Los nodos de la red se ubican en interiores para dificultar la propagación debido a las reflexiones, interferencias y a la atenuación de la señal producida en los muros y obstáculos intermedios. Un total de 105 nodos son testados y gestionados desde la plataforma central. La aplicabilidad de la red combinada a nivel de dispositivo a estas aplicaciones de los sectores de los ITS y del smart metering es también contemplado, como primera fase de la implementación de las soluciones. Se prevé en el futuro el desarrollo completo de estos sistemas conforme a la red combinada IEEE 802.15.4 y NB IoT. Con lo cual, las mediciones experimentales complementarán los resultados de simulación obtenidos. Por lo tanto, la aportación de esta Tesis se compone del modelo exhaustivo del enlace NB IoT, del modelo de red combinada con algoritmo de selección dinámica de enlaces y del desarrollo completo de 4 sistemas IoT de bajo coste y bajo consumo. Los resultados han sido recopilados en 4 artículos de revistas internacionales y en 2 aportaciones a congresos de reconocido prestigio. Además, otras 2 publicaciones están parcialmente relacionadas con los contenidos de este trabajo.
Caracterización a Altas Frecuencias de Chokes de Modo Común para Filtros EMI en Aplicaciones Aeroespaciales
(2020-07-17) Domínguez-Palacios Durán, Carlos Guillermo; Bernal Méndez, Joaquín; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
En los sistemas electrónicos de potencia modernos se emplean frecuencias de conmutación cada vez más altas para aumentar la densidad de potencia. Esta tendencia conlleva un agravamiento de los problemas de interferencias electromagnéticas (EMI), lo que dificulta el cumplimiento de las normas que limitan las emisiones electromagnéticas de estos equipos. En este contexto, un diseño apropiado y una caracterización del filtro EMI en un amplio rango de frecuencias puede ayudar en gran medida a mantener las emisiones electromagnéticas bajo control, evitando al mismo tiempo un sobrediseño del filtro. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde restricciones muy exigentes de tamaño y peso se combinan con regulaciones estrictas de compatibilidad electromagnética (EMC), como por ejemplo sucede en aplicaciones aeronáuticas. El trabajo que se presenta en esta Memoria está enfocado a mejorar las técnicas de caracterización de chokes de modo común, que son componentes fundamentales de los filtros EMI. Se parte de un circuito eléctrico de parámetros concentrados del choke de modo común donde no sólo se incluyen los efectos de baja frecuencia, sino también los parásitos que alteran el comportamiento de estos componentes a altas frecuencias. Se realiza un análisis modal del choke de modo común a partir del modelo de circuito planteado. Se obtienen expresiones analíticas de las frecuencias de resonancia y los coeficientes de transmisión para distintas configuraciones, y se identifica una conexión que permite analizar simultáneamente la respuesta del choke a las corrientes en modo común y en modo diferencial. Se desarrolla una técnica, basada en el uso de algoritmos de búsqueda avanzados, para encontrar los parámetros del modelo de circuito de alta frecuencia del choke de modo común que mejor aproxima el comportamiento real en las diferentes configuraciones. La clave del método propuesto lo constituye la disponibilidad de expresiones analíticas, lo que supone una disminución significativa del coste computacional típicamente asociado a estos algoritmos de búsqueda de parámetros. Se han medido diferentes chokes de modo común comerciales y se ha comparado la respuesta proporcionada por el modelo con las medidas experimentales. La ventaja fundamental que esta técnica de medida ofrece frente a técnicas previamente propuestas en la literatura es que permite caracterizar un choke de modo común a partir de una sola medida que además no requiere circuitos auxiliares (como balunes). El análisis realizado para caracterización de chokes ha permitido también diseñar una técnica alternativa para medir la atenuación de modo diferencial proporcionado por un choke de modo común. Esta configuración alternativa es más simple que la configuración que típicamente se usa para este fin. Se analiza la sensibilidad de esta configuración frente a acoplamientos eléctricos y magnéticos que tienden a aparecer en casos prácticos. Por último, en este trabajo también se presenta una técnica novedosa que permite mitigar los problemas de acoplo magnético que los chokes de modo común provocan en filtros compactos. Se analiza el efecto que tienen bandas conductoras colocadas cerca de un choke de modo común en la atenuación de modo común y modo diferencial proporcionada por un filtro EMI donde se monta el choke de modo común. Se diseña un apantallamiento cuya estructura particular permite reducir de forma significativa los acoplamientos electromagnéticos entre el choke de modo común y los condensadores cercanos sin perjudicar el rendimiento del choke de modo común en otras regiones de frecuencia. Las características principales de este apantallamiento son que es fácilmente aplicable y que no da lugar a un aumento del peso, volumen o coste del filtro.
MEMS-based Lab-on-chip platform with integrated 3D and planar microelectrodes for organotypic and cell cultures
(2020-05-08) Cabello Valverde, Miguel; Quero Reboul, José Manuel; Aracil Fernández, Carmen; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo y la validación de plataformas lab on chip (LOC) para su aplicación en el campo de la Biología, la Medicina y la Biomedicina, particularmente relacionados con el cultivo de células y tejidos, así como su tratamiento mediante electroestimulación y su actividad eléctrica. Actualmente, las investigaciones centradas en el desarrollo de LOCs han experimentado un crecimiento considerable, gracias, en gran medida, a la versatilidad que ofrecen. Dicha versatilidad se traduce en numerosas aplicaciones, de las cuales, aquellas relacionadas con la Biología y la Medicina, están alcanzando especial relevancia. La integración de sensores, actuadores, circuitos microfluídicos y circuitos electrónicos en la misma plataforma, permite fabricar sistemas con múltiples aplicaciones. Esta tesis se centra fundamentalmente en el desarrollo de plataformas para el cultivo in vitro de tejidos y células, así como para la monitorización y la interacción con dicho cultivo. Los cultivos in vitro resultan de vital importancia para realizar estudios en células o tejidos, experimentar con medicamentos o estudiar su proliferación y morfología. De esta manera, se cubriría la creciente necesidad de encontrar una alternativa para replicar modelos humanos de enfermedades in vitro para poder desarrollar nuevos fármacos y avanzar en la medicina personalizada. Por tanto, la posibilidad de realizar cultivos de media o larga duración en plataformas que no precisen de un equipamiento costoso como las incubadoras de CO2 y que puedan ser monitorizadas mediante aplicaciones ópticas, supone un salto cualitativo en el desarrollo de los cultivos in vitro. En este contexto, se presenta el trabajo relacionado con esta tesis que ha sido desarrollada dentro del grupo de Microsistemas de la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. La tesis está estructurada de manera que a lo largo de este escrito se da respuesta a los distintos aspectos anteriormente descritos. En primer lugar, se hace una breve introducción a la tecnología MEMS y a los principios básicos de la microfluídica. Dado que este trabajo se ha desarrollado en un ambiente multidisciplinar, esta sección resulta necesaria para dar una visión general a aquellos no familiarizados con esta disciplina. Tras esa introducción se realiza una descripción del estado del arte en el que se encuadra este trabajo, incluyendo los sistemas LoCs, y sus principales aplicaciones en el campo de la Biología, Medicina y Biomedicina, prestando especial atención a las aplicaciones de los LoCs relacionadas con cultivos organotípicos y de células. Tras la introducción y el estado del arte en el que se enmarca la tesis, se explican los resultados obtenidos durante este trabajo. Durante la primera parte, se describe el desarrollo, fabricación y caracterización de un sistema autónomo para el cultivo y electroestimulación de tejidos que integra un lab on PCB (LOP) formado por un array de microelectrodos en 3D (MEA) formado por hilos de oro de 25 µm en sustrato transparente, sensores y actuadores, junto con una plataforma microfluídica fabricada en metacrilato (PMMA) y polidimetilsiloxano (PDMS). El LOP permite mantener las condiciones de temperatura idóneas para llevar a cabo cultivos de media-larga duración sin necesidad de usar incubadoras deCO2 , así como su seguimiento de forma continua a través de un microscopio, gracias al uso de materiales transparentes. Este sistema también incluye una electrónica suplementaria y un programa que permite la monitorización del sistema y la electrostimulación de la muestra biológica. Tras explicar detalladamente el diseño y el novedoso proceso de fabricación del LOP, se presentan los resultados experimentales. En primer lugar, se ha demostrado que es posible desarrollar cultivos organotípicos de retinas de ratón durante más de 7 días, obteniendo resultados muy similares a los conseguidos para las mismas muestras biológicas, pero mediante métodos de cultivo tradicionales. Además, se ha logrado la neuro-protección mediante la electroestimulación de retinas de ratón con la enfermedad de la retinosis pigmentaria, logrando de esta manera ralentizar la degeneración de la muestra debido a la enfermedad. Otra de las aplicaciones que se quiere conseguir con el desarrollo del LOP anteriormente descrito se centra en la adquisición de señales eléctricas procedentes de las muestras biológicas cultivadas en el dispositivo, así como extrapolar su uso a cultivos celulares. Para la adquisición de señales procedentes del cultivo, la impedancia de los electrodos fabricados con hilos de oro de 25 µm ha resultado ser demasiado alta como para discernir entre el ruido base y la actividad eléctrica del cultivo. Por ello, la segunda parte de esta tesis doctoral se centra en la mejora de la MEA para la adquisición de actividad eléctrica. Dado el objetivo marcado en esta segunda parte, durante esta tesis se ha realizado una estancia en la Universidad de Bath. En dicha estancia, se ha caracterizado la actividad eléctrica de células del cáncer de próstata (PC-3), que fueron cultivadas en chips de silicio con electrodos de oro. La experiencia obtenida durante la estancia ha permitido avanzar en el desarrollo y la fabricación de nuevas MEAs para la adquisción de señales eléctricas de cultivos celulares. La primera aproximación para mejorar la MEA se ha realizado sobre PCB. Se trata de un dispositivo compuesto por pilares de oro en 3D fabricados mediante la técnica de Resumen XXV electroplating. Estos electrodos tienen 100 µm de diámetro y una altura de 25 µm que aseguran el contacto en el caso de cultivos de tejidos. Se ha demostrado una mejora significativa, traducida tanto en una impedancia más baja, como en una línea base de ruido menor con respecto a la MEA con hilos de oro. Asimismo, se han obtenido patrones de actividad eléctrica en las células PC-3 muy similares a los obtenidos con el chip de silicio y oro empleado en la estancia. Como mejora de la MEA 3D se ha cambiado el sustrato por otro transparente, como vidrio o PMMA, para permitir su uso en aplicaciones ópticas. Dichas MEAs integran electrodos planares fabricados mediante la técnica de sputtering de oro sobre su superficie. Estas MEAs están en una fase preliminar de desarrollo, y se está probando en primer lugar su biocompatibilidad y viabilidad para el desarrollo de cultivos celulares. Para finalizar, se exponen las conclusiones de esta tesis doctoral, entre las que destacan: el proceso de fabricación del LOP con electrodos de oro y la aplicación del sistema completo para desarrollar cultivos organotípicos, monitorizarlos y aplicar electroestimulación, logrando la neuro-protección de retinas de ratón con la retinosis pigmentaria; la transición hacia el desarrollo de una plataforma para cultivos celulares mejorando la MEA y su fabricación usando diferentes sustratos; la caracterización de la actividad eléctrica de las células PC-3. También se incluyen las líneas de investigación abiertas para continuar lo que se ha empezado en esta tesis doctoral. Para facilitar la comprensión del lector, se adjuntan los apéndices complementarios a esta tesis doctoral.
Internet of Things en sistemas de monitorización inteligente con aplicación en transporte e infraestructuras
(2020-02-21) Hidalgo Fort, Eduardo; Muñoz Chavero, Fernando; González Carvajal, Ramón; García-Oya, José Ramón; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Lead pursuit control of multiphase drives
(2020-01-20) Martín Torres, Cristina; Barrero, Federico; Arahal, Manuel R.; Durán Martínez, Mario Javier; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Los accionamientos multifásicos, compuestos por una máquina eléctrica de más de tres fases alimentada por un convertidor de potencia, han atraído recientemente un importante interés en la comunidad investigadora debido a las ventajas que presentan frente a las máquinas trifásicas convencionales. Este es el caso de la mejor distribución de potencia por fase, la menor producción de armónicos en el convertidor de potencia y, la más importante, la tolerancia a fallos, lo cual significa que la máquina multifásica puede seguir funcionando cuando una o varias fases se pierden, siempre que el número restante de fases sea igual o mayor que tres. Debido a esta alta fiabilidad, los accionamientos multifásicos son especialmente adecuados para aplicaciones relacionadas con los vehículos eléctricos (terrestres, marítimos y aéreos) y las energías renovables por razones de seguridad y/o económicas. El uso de controladores avanzados y de alto rendimiento en accionamientos multifásicos es particularmente relevante, ya que las estrategias de control convencionalmente aplicadas a los accionamientos trifásicos no terminan de alcanzar un estándar en su extensión al caso multifásico. La razón es la mayor complejidad y número de variables a controlar. En este contexto, los controladores predictivos han encontrado un interesante nicho de aplicación en convertidores de potencia y accionamientos multifásicos debido a su formulación intuitiva y flexible: un modelo del sistema es usado para calcular las predicciones de las variables controladas, que luego se comparan con las referencias impuestas dentro de una función de coste. Esta estrategia permite incorporar varios objetivos de control y restricciones en el proceso de control a través de la función de coste. Sin embargo, es bien sabido que este tipo de controlador sufre de un alto coste computacional y contenido armónico de corriente que limita su aplicación en los accionamientos multifásicos. La investigación desarrollada en esta Tesis se centra en la mitigación de las limitaciones citadas siguiendo dos objetivos principales: • La incorporación de observadores de corrientes rotóricas en el controlador predictivo para mejorar así la precisión del modelo predictivo y, consecuentemente, el rendimiento del sistema de control, principalmente en términos de contenido armónico y pérdidas por conmutación en el convertidor de potencia. Un observador de Luenberger es construido para este propósito utilizando una estrategia innovadora de posicionamiento de polos en su diseño. • La introducción de un grado de libertad adicional en el controlador predictivo basado en tiempos de muestreo variables e implementado usando el concepto de lead pursuit. El resultado es un controlador novedoso que conduce a una resolución en los tiempos de conmutación más fina en comparación con las técnicas predictivas más convencionales, lo que proporciona una reducción importante en el contenido armónico. Las estrategias de control propuestas son validadas mediante simulación y experimentación utilizando un accionamiento compuesto por una máquina de inducción de cinco fases como caso de ejemplo. Los resultados y conclusiones derivadas de esta investigación han sido presentados en cinco trabajos principales publicados en revistas internacionales de alto impacto, los cuales constituyen las contribuciones de esta Tesis por compendio de artículos. Sin embargo, otros trabajos relacionados con la línea de investigación han sido también publicados en artículos de revista y conferencia y en un capítulo de libro.
Microlab-en-Chip para Producción de Radiofármacos para Diagnóstico PET
(2019-11-14) Salvador Domínguez, Blas; Luque Estepa, Antonio; Quero Reboul, José Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
El objetivo de esta tesis es realizar un sistema de síntesis de radiofármacos PET que mejore los actuales procesos de producción y optimizar la eficiencia de los protocolos de generación de dichos radiofármacos. Para llevar a cabo dicho objetivo se han realizado los estudios previos necesarios y las pruebas que confirman el correcto funcionamiento del sistema propuesto. Tras una introducción, que indica las motivaciones y necesidades que cubre la presente investigación, se ha realizado una revisión de la literatura, en la que se hace una composición de lugar de los sistemas microfluídicos que se emplean para la síntesis de radiofármacos y así se establecen las aportaciones más relevantes del estudio. Partiendo de este estado del arte, se ha realizado el diseño del dispositivo propuesto que constará de varios módulos principales. Para ello, se parte de la fabricación de los primeros chips que permiten la obtención de un prototipo final que se ha estudiado a fondo. Para conseguir el correcto control sobre los reactivos que intervienen en el proceso se implementa un sistema de control de flujo que emplea válvulas basadas en actuadores lineales y una estructura que permite su alineación. También es necesario para realizar la reacción la incorporación de un sistema que transmita correctamente la temperatura a la cámara y un sistema de extracción de gases. Para reducir el área efectiva del chip y hacer más eficiente el dispositivo se han integrado los módulos de intercambio iónico en el interior del chip. Otra de las aportaciones más importantes es la inclusión de un sensor de radiación SiPM para mejorar la monitorización del proceso. Se ha realizado un control preciso de todos los módulos que componen el dispositivo y de esta manera se consigue aumentar la eficiencia de este tipo de sistemas. Por ello, se ha llevado a cabo una automatización tanto a nivel hardware como software. También se considera una aportación interesante para la mejora del proceso la integración de un control de flujo de reactivos y un control de temperatura de la cámara de reacción. Para comprobar el correcto funcionamiento del sistema se han realizado las correspondientes pruebas que permitan validar el dispositivo. Gracias a ello se confirma la eficiencia de los módulos de retención y de purificación integrados en el chip. También se ha evaluado el funcionamiento del módulo de reacción y se ha confirmado que el PDMS es un material adecuado para la fabricación de este dispositivo. Se demuestra el funcionamiento apropiado del sistema de control y del sensor de radiación. Como pruebas finales, se alcanza el objetivo principal de este estudio, la síntesis del radiofármaco [18F]Fluoromisonidazol ([18F]FMISO) empleando el sistema propuesto en esta tesis. Finalmente se analizan los resultados más importantes obtenidos en el estudio y se indican las aportaciones más relevantes en el campo de los dispositivos microfluídicos, particularmente en los orientados a la generación de radiofármacos. También se especifican las posibles mejoras del dispositivo propuesto y las futuras líneas de investigación que se plantean en el campo de los microreactores.
Failure Detection by signal similarity measurement of Brushless DC motors
(2019-09-20) Fico, Vito Mario; Martín Prats, María de los Ángeles; Rodríguez Vázquez, Antonio Leopoldo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
During the last years the Brushless DC (BLDC) motors are gaining popularity as a solution for providing mechanical power, starting from low cost mobility solutions like the electric bikes, to high performance and high reliability aeronautical Electro- Mechanical Actuators (EMAs). In this framework, the availability of fault detection tools suited for these types of machines appears necessary. There is already a vast literature on this topic, but only a small percentage of the proposed techniques are developed to a Technology Readiness Level (TRL) sufficiently high to be implementable in industrial applications. The investigation on the state of the art carried out during the first phase of the present work, tries to collect the articles which are closer to a possible implementation. This choice has been influenced by the author experience when dealing with fault detection papers, which often are oriented towards a more academic public and do not concentrate on the implementation. The methodology used in this work to compile the state of the art has been the Systematic Literature Review (SLR) and it is still not diffused in the engineering world. For this reason a dedicated description has been inserted in the respective chapter of the thesis. From this study, some characteristics needed for the fault detection on electric machine have been listed and a new technique for demagnetisation detection on BLDC motors has been proposed. In the second part of the thesis, it is presented an algorithm to detect demagnetisation based on the dissimilarity between the voltages of the various electric turns of the motor due to this failure. The exposed method presents the advantages of not needing domain transforms or previous knowledge of the motor (made exception for the number of pole-pairs). Furthermore the proposed indicators are fast to be computed and require only the acquisition of motor phases voltages for a mechanical turn. The hypotheses made about the effect of a demagnetisation with Finite Element Method (FEM) have also been confirmed through simulations analysis and the proposed method to detect demagnetisation has been validated with experimental tests on a real motor. 2 Applications and Limitations The presented indicators have been studied, simulated and experimented only on an outrunner, low power BLDC motor. Anyway it is not excluded that, with some adaptation, they could be used on any BLDC motor or also on different types of motors; indeed this is an argument for a future work. Another important consideration is that, in order to detect demagnetisation, the motor should have a number of pole pairs greater than 2. This because the algorithm compares the electric turns between them and it is obviously necessary to have more than one. Another characteristic is that it can only detect partial demagnetisation. The demagnetisation of all the magnets to the same level, although very improbable, would not cause those differences in the voltage signals needed for fault detection. Various tests have been executed both at fixed and variable speed. In the first case it was possible to define a threshold to discern between the healthy and the demagnetised motor, while in the second case, even if the indicators are still separated, it was not possible to define a fixed threshold. Hence, if no classification algorithms are used (Support Vector Machine (SVM), Neural Network (NN), Artificial Intelligence (AI), etc.), the indicator shall be computed when the motor is running in steady state conditions. 3 Advantages The method of fault detection by using the proposed indicators has the main advantage of being straightforwardly applicable with no need of extra hardware. Another important characteristic to be highlighted is that the only previous needed knowledge of the motor is the number of pole-pairs. Also the intermediate data are easy to understand as they represent physical variables of the motor in the time domain. Thanks to this, also no domain transformations for frequency analysis are needed, saving computation time. The algorithm to compute the indicators is composed by few steps, it is fast to execute and does not need complex programming or libraries. Indeed the execution time for the PC implementation is already very low and an optimised implementation in a lower level programming language could easily fit in a microcontroller and be executed at even higher speed, permitting both real time monitoring and punctual testing during maintenance. Furthermore it uses only few and easily obtainable data, which makes it suitable for every industrial implementation and interesting for further academic researches. Having a maximum theoretical value for the indicator is also an important advantage, because it permits to evaluate a motor without previous knowledge of the same; indeed a healthy motor should have an ixc value always very close to this maximum value. It is worth to notice that the proposed indicators have been validated with experimental tests in various conditions, showing both good performances and space for further improvements. Finally, although it is true that constant speed is required for a correct analysis, it is needed for just a mechanical turn, i.e. for few milliseconds. For example if the motor is running at 3000 RPM, a complete turn is executed in 20 ms.
Advanced control strategies applied to power converters
(2019-09-05) Luo, Wensheng; Wu, Ligang; Liu, Jianxing; García Franquelo, Leopoldo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Los convertidores de potencia basados en interruptores de potencia controlables son equipos indispensables en los sistemas de potencia modernos. Sirven como interfaces inteligentes entre la red pública, las fuentes de energía renovables (incluidos los sistemas eólicos y los sistemas fotovoltáicos), los sistemas de almacenamiento de energía, los accionamientos de motores y las microredes. Además, también pueden servir como filtros activos de potencia, que cancelan los armónicos de corriente en la red pública y, en consecuencia, proporcionan una red eléctrica de alta calidad. Estos convertidores tienen importantes ventajas como: flujo de potencia bidireccional, corrientes de red de alta calidad, potencia ajustable y la tensión controlable en el lado de continua. Las principales tareas de control de dichos convertidores son regular la tensión de continua al valor deseado y proporcionar potencia activa/reactiva a la red/carga. Los dos factores principales que afectan el rendimiento de control del convertidor de potencia son: (1) perturbación de carga en continua; (2) incertidumbres en los parámetros del convertidor. Por un lado, la perturbación de carga variable en el tiempo en continua puede causar fluctuaciones en dicha tensión. El valor de la carga es impredecible y puede variar en un amplio rango. La magnitud de la carga y la robustez del controlador determinar´an si la tensión de continua se puede restaurar al valor de referencia. Para reducir la influencia negativa de la carga en la estabilidad del sistema, un método efectivo es emplear un observador de perturbaciones, que estima el valor de la carga y proporciona esta información al controlador. Por otro lado, las incertidumbres paramétricas del sistema causan diferencias entre el modelo del sistema y la planta real, por lo tanto, el controlador diseñado basado en el modelo puede no lograr el rendimiento deseable. Para resolver estos dos problemas, esta tesis investiga estrategias de control avanzadas aplicadas a convertidores de potencia conectados a la red. Por un lado, para reducir la influencia causada por la perturbación de la carga de continua, se han propuesto estrategias de control basadas en observadores de la perturbación, es decir, se estima el valor de la perturbación externa en tiempo real y se proporciona dicha información al controlador. Por otro lado, para mejorar la robustez y la adaptabilidad a las incertidumbres del sistema, se han empleado métodos de control avanzados, que incluyen controladores en moto deslizante (SMC), control adaptativo y control robusto de H∞. El contenido específico de la investigación de esta tesis es el siguiente:En primer lugar, para comparar la capacidad de rechazo de perturbaciones de carga en el lado dc con diferentes tipos de observadores, se han diseñado cuatro tipos de observadores para el convertidor de potencia de dos niveles en el Capítulo 2. Esto son un observador lineal, un observador de moto deslizante (SM), un observador de estado extendido lineal y un observador de estado extendido no lineal. Los resultados revelan que el observador de SM, el observador lineal y el observador de estado extendido lineal logran una buena estimación de la perturbación. A partir del Capítulo 2, se diseña un observador lineal mejorado de perturbaciones, que tiene dos parámetros para ajustar su rendimiento. Uno es para mejorar la respuesta transitoria que no influye en el rendimiento en régimen permanente. El otro parámetro está diseñado específicamente para mantener el rendimiento en régimen permanente. Este observador, conjuntamente con un controlador PI, conforman el bucle de regulación de tensión, resultando en un sistema lineal puro, que puede analizarse con las teorías de control clásicas y es conveniente para el uso práctico. Para verificar la efectividad de esta estrategia, se han llevado a cabo una serie de experimentos empleando un convertidor de potencia de 5 kW de potencia conectado a la red. En el Capítulo 4, para mejorar a´un más el rendimiento del bucle de regulación de tensión, se ha diseñado un observador SM mejorado. Comparado con el observador de perturbación lineal anterior, este observador SM no lineal obtiene una convergencia más rápida y presenta una mayor robustez frente a las incertidumbres del sistema. En paralelo, se emplea un controlador de tipo SMC super torsión en el bucle continua de tensión, mejorando la velocidad de convergencia y su robustez. La condición de convergencia de la tensión de continua se obtiene a través del método Lyapunov, y la ventaja de esta estrategia se verifica mediante simulación y experimentos en el laboratorio con un convertidor de potencia conectado a la red. Para reducir el impacto de la incertidumbre paramétrica, en el Capítulo 5 se agrega una la ley de adaptación al controlador de tipo SMC super torsión, que ajusta los parámetros de control junto con la variación de parámetros del sistema. Con esta ley adaptativa, el límite superior derivado de la perturbación externa no necesita conocerse a priori. Además, se adopta un control de tipo H∞ en el bucle de tensión para atenuar la influencia del error de estimación de la perturbación a la tensión de continua controlada. Las condiciones de convergencia de la tensión de continua y la corriente de red se obtienen a través del método de Lyapunov. Por ´ultimo, pero no menos importante, para extender el objetivo de control y el modo de control, se investiga el convertidor de NPC de tres niveles tipo mediante métodos de tipo VOC y control de potencia directo (DPC), respectivamente. En primer lugar, la mejora de rendimiento usando el observador de estado extendido lineal se estudia en el modo de control tipo VOC. En segundo lugar, la estrategia de control DPC está diseñada con un observador de estado extendido lineal, control H∞, control tipo SMC s´uper torsi´on y control adaptativo. Se obtienen las condiciones de convergencia de la tensi´on de continua, la potencia instantánea activa / reactiva y la diferencia de tensión entre los condensadores. Debido a la ley adaptativa resonante, se elimina la perturbación del tercer armónico en el bucle de equilibrio de la tensión de los condensadores.
Contributions for the integration of renewable energy and electric vehicles in the grid
(2019-07-05) Barros Herrera, Danilo de; Galván Díez, Eduardo; Carrasco Solís, Juan Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
La energía producida en el sistema eléctrico está compuesta por diversas fuentes de generación y la distribución de la energía generada se transporta mediante diferentes tipologías de líneas eléctricas, dentro del sistema de transmisión. Actualmente la producción de energía eléctrica a partir de fuentes de energías renovables está creciendo significativamente, pero se enfrenta a grandes desafíos tecnológicos para la conexión al sistema eléctrico actual. El desarrollo de las tecnologías actuales permite aumentar, cada vez más, la penetración de estas fuentes de energías renovables. Además de la adecuación del sistema eléctrico y la evolución tecnológica de la energía renovable, se busca reducir el consumo de combustibles fósiles y, para ello, también se tiende a una mayor electrificación del transporte, mediante el aumento del uso de los vehículos eléctricos. Con todo esto, se tendría una red eléctrica más completa, donde los coches eléctricos serían los elementos activos del sistema, pudiendo incluso contribuir a la estabilidad y sustentabilidad de dicho sistema eléctrico. Teniendo en cuenta todos estos avances, se requiere mejorar el sistema eléctrico, considerándolo como un todo, para poder controlarlo más activamente. El uso, cada vez mayor, de convertidores electrónicos de potencia es una de las principales soluciones a estos nuevos retos, ya que recae principalmente en éstos la responsabilidad de controlar y de cumplir con los requisitos del sistema. De este modo, este trabajo tiene como objetivo proporcionar soluciones novedosas en cuanto al control y las topologías de convertidores de potencia. En el trabajo, se aplican estas nuevas tecnologías a las dos problemáticas principales, anteriormente mencionadas, la evacuación de las fuentes de energías renovables y al diseño de los accionamientos y la conexión a la red eléctrica de los vehículos eléctricos a través de dichos accionamientos. El primero de estos trabajos consistió en el desarrollo de una nueva estrategia de control para optimizar la conversión de potencia en la interconexión de grandes plantas de generación basadas en energías renovables con la red eléctrica con el fin de permitir reducir el coste y la complejidad de dichas instalaciones. Esta nueva tecnología da resultado un sistema más eficiente, fiable y de menor coste. El sistema propuesto es de aplicación a parques eólicos marinos, con enlace de evacuación HVDC, para el transporte de la energía eléctrica generada. En cuanto al segundo trabajo, se propuso la integración del vehículo eléctrico como un elemento activo del sistema eléctrico. Se diseñó un motor de seis fases de reluctancia síncrona y se aplicó un novedoso método de control con el objetivo de facilitar el uso del vehículo eléctrico, reduciendo los costes de infraestructura y aumentando la robustez del sistema, la autonomía y la fiabilidad. Para el primer tema de trabajo: Novedoso control de convertidores de potencia para Aerogeneradores en sistemas offshore aplicados en links Diodo-HVDC, los principales objetivos se centran en:  Reducir el peso y el tamaño de la subestación offshore del enlace HVDC.  Reducir de los costes de un típico VSC-HVDC en subestación Offshore.  Aplicación a zonas remotas y a parques eólicos marinos.  Mantener la disponibilidad de más de 99,97%.  Reducir las pérdidas.  Aplicación de la novedosa estrategia de control que integra a todos los aerogeneradores del parque offshore. Se propone un control centralizado, que permite el uso de cualquier aerogenerador comercial, sin modificación de su control. Para el segundo tema de trabajo: aplicación de novedoso control en un nuevo motor de coche eléctrico (SynRM), los principales objetivos se centran en:  Mejorar la seguridad mediante redundancia de componentes.  Mejorar la eficiencia con respecto al estado de la técnica.  Proponer una novedosa topología del convertidor de potencia para conectar a un motor de seis fases.  Proponer un nuevo control directo de par aplicado a máquinas multifásicas basadas en ORS y técnicas predictivas.  Definir los objetivos de seguridad y convertidor tolerante a fallos.  Proponer un nuevo concepto de máquina eléctrica que funciona como cargador bidireccional. Todas las aportaciones han sido validadas en simulación y experimentalmente con máquinas eléctricas comerciales y realizadas específicamente para el desarrollo de este trabajo.
Reactive evolutionary path planning for autonomous surface vehicles in lake environments.
(2019-03-15) Arzamendia Lopez, Mario Eduardo; Gregor Recalde, Derlis; Gutiérrez Reina, Daniel; Toral, S. L.; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
Autonomous Surface Vehicles (ASVs) have found a lot of promising applications in aquatic environments, i.e., sea, lakes, rivers, etc. They can be used for applications of paramount importance, such as environmental monitoring of water resources, and for bathymetry to study the characteristics of the basing of a lake/sea or for surveillance in patrol missions, among others. These vehicles can be built with smaller dimensions when compared to regular ships since they do not need an on-board crew for operation. However, they do require at least a telemetry control as well as certain intelligence for making decisions and responding to changing scenarios. Water resources are very important in Paraguay since they provide fresh water for its inhabitants and they are crucial for the main economic activities such as agriculture and cattle raising. Furthermore, they are natural borders with the surrounding countries, and consequently the main transportation route for importing/exporting products. In fact, Paraguay is the third country in the world with the largest fleet of barges after USA and China. Thus, maintaining and monitoring the environmental conditions of these resources is key in the development of the country. This work is focused on the maintenance and monitoring of the greatest lake of the country called Ypacarai Lake. In recent years, the quality of its water has been seriously degraded due to the pollution caused by the low control of the dumping of waste thrown into the Lake. Since it is also a national icon, the government of Paraguay has put a lot of effort in recovering water quality of the Lake. As a result, it is monitored periodically but using manual procedures. Therefore, the primary objective of this work is to develop these monitoring tasks autonomously by means of an ASV with a suitable path planning strategy. Path planning is an active research area in robotics. A particular case is the Coverage Path Planning (CPP) problem, where an algorithm should find a path that achieves the best coverage of the target region to be monitored. This work mainly studies the global CPP, which returns a suitable path considering the initial conditions of the environment where the vehicle moves. The first contribution of this thesis is the modeling of the CPP using Hamiltonian Circuits (HCs) and Eulerian Circuits (ECs). Therefore, a graph adapted to the Ypacarai Lake is created by using a network of wireless beacons located at the shore of the lake, so that they can be used as data exchange points between a control center and the ASV, and also as waypoints. Regarding the proposed modeling, HCs and ECs are paths that begin and end at the same point. Therefore, the ASV travels across a given graph that is defined by a set of wireless beacons. The main difference between HC and EC is that a HC is a tour that visits each vertex only once while EC visits each edge only once. Finding optimal HCs or ECs that minimize the total distance traveled by the ASV are very complex problems known as NP-complete. To solve such problems, a meta-heuristic algorithm can be a suitable approach since they provide quasi-optimal solutions in a reasonable time. In this work, a GA (Genetic Algorithm) approach is proposed and tested. First, an evaluation of the performance of the algorithm with different values of its hyper-parameters has been carried out. Second, the proposed approach has been compared to other approaches such as randomized and greedy algorithms. Third, a thorough comparison between the performance of HC and EC based approaches is presented. The simulation results show that EC-based approach outperforms the HC-based approach almost 2% which in terms of the Lake size is about 1.4 km2 or 140 ha (hectares). Therefore, it has been demonstrated that the modeling of the problem as an Eulerian graph provides better results. Furthermore, it has been investigated the relationship between the number of beacons to be visited and the distance traveled by the ASV in the EC-based approach. Findings indicate that there is a quasi-lineal relationship between the number of beacons and the distance traveled. The second contribution of this work is the development of an on-line learning strategy using the same model but considering dynamic contamination events in the Lake. Dynamic events mean the appearance and evolution of an algae bloom, which is a strong indicator of the degradation of the lake. The strategy is divided into two-phases, the initial exploration phase to discover the presence of the algae bloom and next the intensification phase to focus on the region where the contamination event is detected. This intensification effect is achieved by modifying the beacon-based graph, reducing the number of vertices and selecting those that are closer to the region of interest. The simulation results reveal that the proposed strategy detects two events and monitors them, keeping a high level of coverage while minimizing the distance traveled by the ASV. The proposed scheme is a reactive path planning that adapts to the environmental conditions. This scheme makes decisions in an autonomous way and it switches from the exploratory phase to the intensification phase depending on the external conditions, leading to a variable granularity in the monitoring task. Therefore, there is a balance between coverage and the energy consumed by the ASV. The main benefits obtained from the second contribution includes a better monitoring in the quality of water and control of waste dumping, and the possibility to predict the appearance of algae-bloom from the collected environmental data.

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