Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Lo intermedio como lugar : lo intersticial, lo fronterizo y lo impreciso en la arquitectura contemporánea

1. Nuestra investigación se centra en el estudio de los “ámbitos o espacios intermedios” en momentos de la arquitectura contemporánea, en un período de transición entre finales de los años 80 y nuestros días. Pretendemos analizar cómo se presenta el ámbito intermedio en el objeto o lugar arquitectónico y su función o relación con el entorno cercano, desde el proyecto hasta su repercusión en la experiencia vivida. 2. El concepto de intermedio entendido como ámbito o espacio intersticial, fronterizo y ambivalente (o multivalente), atraviesa en la presente investigación el campo de la etimología, de la ciencia, del pensamiento y del arte, para detenerse en la arquitectura actual, llevándose a cabo una indagación concreta en el proceso de concepción, en la propuesta formal, espacial y funcional, así como en la percepción y demás experiencias o vivencias en el lugar arquitectónico. 3. En primer lugar nos proponemos estudiar y explorar el concepto de “intermedio” en sus características, funciones y ubicaciones dentro de la cultura contemporánea, detectando sus antecedentes culturales más importantes, para a continuación aplicarlo reflexivamente a obras significativas de arquitectura. La investigación se enfoca en la modalidad figural (imprecisa) de lo intermedio (en alusión al “figural” deleuziano), cuyas metáforas base son lo translúcido, la penumbra y la espuma, vinculadas al actual paradigma cultural de la complejidad (C. Jencks). A continuación se analizan las relaciones o implicaciones de dicha modalidad figural en obras de arquitectos como Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel y Bos, y Siza, comprobando su valor operativo y poniendo de manifiesto su sentido e importancia en la actualidad y en la disciplina. El estudio tiene como trasfondo el concepto de in-between de la obra de Eisenman, y utiliza conceptos de la filosofía del límite de Trías como algunos de sus principales fundamentos. 4. En cada una de las obras de arquitectura presentadas esta modalidad imprecisa se traduce en un ámbito o espacio intermedio figural específico. Son obras en las que real y virtual, matricial y objetual, arquitectura y territorio, existente y nuevo, colectivo e individual, social e íntimo, interior y exterior, y demás usos y funciones se entrelazan o funden. Son arquitecturas cuya geometría ya no se encuentra tan determinada por aspectos bi o tridimensionales del dibujo o de la construcción. A través de la manipulación de estas geometrías más o menos complejas, dinámicas e intersticiales, estas obras reflejan (o intuyen) las premisas del actual Zeitgeist: un cambio de esquemas de objetos a relaciones basado en un pensamiento más holístico, transdisciplinar, sistémico o complejo (E. Morin), y una nueva conciencia colectiva sobre la realidad que anuncia la crisis de la percepción, el cambio de paradigma y nuevos valores (F. Capra). Emerge otra forma de sentir y percibir el mundo, los lugares y los espacios, que poco a poco está cambiando el modo de pensar y dibujar la arquitectura, y consecuentemente de interaccionar con ella. 5. El sentido del espacio intermedio figural, emerge en las cada vez más complejas cualidades morfológico-espaciales y funcionales de una parte importante de la arquitectura actual. Arquitectura, geometría y tecnología informática están más entrelazadas que nunca, y de un modo más libre, para así poder indagar en nuevas formas de pensar y crear lugares en que los “espacios intermedios” que investigamos son un testimonio. El espacio arquitectónico se vuelve afectivo e interactivo, un lugar intermedio figural, formalizado por espacialidades intersticiales que parecen aludir a lo líquido, donde la forma es más matriz que configuración, el espacio más espacialidad que compartimiento, la función más versátil y multivalente que específica o autónoma, y la perplejidad, la imaginación y la evocación se entrecruzan y vuelven patentes. 6. La arquitectura de los lugares intermedios valora no solamente el “plano”, la “configuración” y la “transparencia”, sino sobre todo el “espacio” y la “relación” en sus interrelaciones con los usuarios y demás contextos. De la identidad a la relacionalidad, de la representación a la presentación, es una arquitectura que propone “otros espacios” que más que espacios son topografías y espacialidades intersticiales, de tensión, transición, transformación, relación, intercambio e interacción. Son lugares intermedios reales y virtuales, que se sirven tanto de la morfología como de la topología para conquistar nuevas espacialidades, pretendiendo salir de la estricta operación de “forming”/”morphing”/formación/”conformación” para explorar la de “spacing”/espaciamiento. Son lugares que se basan en conceptos como la zona de indiscernibilidad de Deleuze, la imagen- flujo de Buci-Glucksmann, la suspensión-entre de Sloterdijk, o el espacio no-objetivo al que se refiere José Gil, plasmándose en la arquitectura contemporánea como tropos de lo intersticial. 7. Son los lugares intermedios de la arquitectura actual, de espacialidad háptica, más “afectiva”, generativa e interactiva, donde ese ámbito intermedio transforma y es transformado, “afecta”, “con-mueve” (nos hace mover/accionar) y evoca otros lugares, otras posibilidades de espacio habitable u ocupable. Emerge lo intermedio como lugar, algo que anuncia y exhibe, de manera paradigmática y manifiesta, el monumento de Eisenman en Berlín. ABSTRACT 1. Our research focuses on the study of “in-between spaces or environments” at particular times in contemporary architecture, in a transition period from the end of the 1980’s through to today. We aim to analyse how in-between environments are presented in the architectural object or place and their function or their relationship with the nearby surroundings, from the project through to the experience had. 2. In this research, the in-between concept, understood as an interstitial, border and ambivalent (or multi-purpose) environment or space, is assessed from the viewpoint of etymology, science, thought and art, to conclude in current architecture, with specific exploration of the conception process, of the formal, spatial and functional proposal, together with the perception and other experiences in the architectural place. 3. Firstly, we aim to study and explore the “in-between” concept as regards its features, functions and locations within contemporary culture, revealing its most important cultural background, to then apply it reflexively to important works of architecture. The research focuses on the figural (imprecise) mode of in-between (in allusion to Deleuze’s “figural” approach) whose base metaphors are the translucent, semi-darkness and foam, linked to the current cultural paradigm of complexity (C. Jenks). We then go on to assess the relationships or implications of said figural mode in architectural works by Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel and Bos, and Siza, verifying their operational worth and revealing their meaning and importance today and in this discipline. The backdrop of the study is the in-between concept of Eisenman’s work and it also uses concepts from the philosophy of the limit of Trías as its main underpinnings. 4. In each of the architectural works presented, this imprecise mode is translated into a specific in-between environment or space. They are works in which real and virtual, matricial and objectual, architecture and territory, existing and new, collective and individual, social and intimate, interior and exterior and other uses and functions all intertwine or blend together. They are architectures the geometry of which is not so much determined by bi- or tri-dimensional aspects of the drawing or construction. Through the manipulation of these more or less complex, dynamic and interstitial geometries, these works reflect (or insinuate) the premises of the current Zeitgeist: A change in the scheme of objects to relationships towards a more holistic, transdisciplinary, systemic or complex thought (E. Morin), and a new collective conscience about the reality which announces the crisis of perception, the change in paradigm and new values (F. Capra). Another way of feeling and perceiving the world, places and spaces, which little by little is changing the way of thinking and drawing architecture and hence of interacting with it. 5. The meaning of figural in-between space emerges in the increasingly complex, morphological-spatial and functional qualities of a large part of architecture today. Architecture, geometry and computer technology are more than ever intertwined in a freer way to inquire into other ways of thinking and making places, where the “in-between” spaces we research are a testimony. Architectural space becomes affective and interactive, a figural in-between place, formed by interstitial spatiality which seems to allude to something liquid, where shape is more matrix than configuration, space more spatiality than compartment, its function more versatile and multi-purpose than specific or autonomous, and perplexity, imagination and evocation criss-cross each other, becoming obvious. 6. The architecture of in-between places values not only “flat”, “configuration” and “transparency”, but above all “space” and the “relationship” in its interrelations with users and other contexts. From identity to relationality, from representation to presentation, it is an architecture that proposes “other spaces”, which more than spaces are topographies and interstitial spatialities, of tension, transition, transformation, relation, exchange and interaction. They are real and virtual in-between places, that take in both morphology and topology to conquer new spatialities, aiming to depart from the strict “forming”/”morphing” operation in order to explore “spacing”. They are places that derive both from Deleuze’s indiscernibility zone concept, from Buci-Glucksmann´s image-flow concept, from Sloterdijk’s suspension-between, and from the non-objective space referred to by José Gil, and they are embodied in contemporary architecture as tropes of the interstitial. 7. They are the in-between places in architecture today, of haptic spatiality, more “affective”, generative and interactive, where that in-between environment transforms and is transformed, “affects”, “moves” (it makes us move/act) and evokes other places, other possibilities of habitable or occupiable space. The in-between emerges as a place, which paradigmatically and declaredly, Eisenman´s monument in Berlin announces and exhibits. RESUMO 1. A investigação centra-se no estudo dos “âmbitos ou espaços intermédios” em momentos da arquitectura contemporânea, no período de transição entre os finais dos anos 80 e os nossos dias. Pretende-se analisar como se apresenta o âmbito intermédio no objecto ou lugar arquitectónico e sua função ou relação com o meio envolvente, desde o projecto até à sua repercussão na experiencia vivenciada. 2. O conceito de intermédio entendido como âmbito ou espaço intersticial, fronteiriço e ambivalente (ou multivalente), atravessa na presente investigação o campo da etimologia, da ciência, do pensamento e da arte, para deter-se na arquitectura actual, realizando-se uma indagação concreta no processo de concepção, na proposta formal, espacial e funcional, assim como na percepção e demais experiencias ou vivencias no lugar arquitectónico. 3. Em primeiro lugar, explora-se o conceito de “intermédio” nas suas características, funções e concretizações na cultura contemporânea, detectando os seus antecedentes culturais mais importantes, para em seguida aplicá-lo reflexivamente a obras significativas de arquitectura. A investigação centra-se na modalidade figural (imprecisa) do intermédio (alusão ao figural deleuziano) cujas metáforas base são o translúcido, a penumbra e a espuma, relacionadas com o actual paradigma da complexidade (C. Jencks). Em seguida analisam-se as relações ou implicações da referida modalidade figural em obras de arquitectos como Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel e Bos, e Siza, como modo de comprovar o seu valor operativo e revelar o seu sentido e importância na actualidade e na disciplina. O estudo tem como referencia o conceito de in-between da obra de Eisenman, e utiliza conceitos da filosofia do limite de Trias como alguns dos seus principais fundamentos. 4. Em cada uma das obras de arquitectura apresentadas esta modalidade imprecisa traduz-se num âmbito ou espaço intermédia figural especifico. São obras nas quais real e virtual, matricial e objectual, arquitectura e território, existente e novo, colectivo e individual, social e intimo, interior e exterior, e outros usos e funções se entrelaçam ou fundem. São arquitecturas cuja geometria já não está tão determinada por aspectos bi ou tridimensionais do desenho ou da construção. Através do uso destas geometrias mais ou menos complexas, dinâmicas e intersticiais, estas obras reflectem (ou intuem) as premissas do actual zeitgeist: uma mudança de esquemas de objectos a relações para um pensamento mais holístico, transdisciplinar, sistémico ou complexo (E. Morin) e uma nova consciência colectiva sobre a realidade, que anuncia a crise da percepção, a mudança de paradigma e novos valores (F. Capra). Emerge uma outra forma de sentir e perceber o mundo, os lugares e os espaços, que gradualmente vai alterando o modo de pensar e desenhar a arquitectura, e consequentemente de interagir com ela. 5. O sentido do espaço intermédio figural, emerge nas cada vez mais complexas qualidades morfológico-espaciais e funcionais de uma parte importante da arquitectura actual. Cada vez mais, arquitectura, geometria e tecnologia informática, relacionam-se de um modo mais livre para indagar outras formas de pensar e fazer lugares, onde os espaços intermédios que investigamos são um testemunho. O espaço arquitectónico torna-se afectivo e interactivo, um lugar intermédio figural, formalizado por espacialidades intersticiais que parecem aludir ao estado liquido, onde a forma é mais matriz que configuração, o espaço mais espacialidade que compartimento, a função mais versátil e multivalente que especifica ou autónoma, e a perplexidade, a imaginação e a evocação entrecruzam-se e tornam-se patentes. 6. A arquitectura dos lugares intermédios valoriza não só o “plano”, a “configuração” e a “transparência”, mas sobretudo o” espaço” e a ”relação” nas suas inter-relações com os utentes e restante contextos. Da identidade à relacionalidade, da representação à apresentação, é uma arquitectura que propõe “outros espaços”, que além de espaços são topografias e espacialidades intersticiais, de tensão, transição, transformação, relação, intercambio e interacção. São lugares intermédios reais e virtuais que utilizam tanto a morfologia como a topologia para conquistar novas espacialidades, pretendendo ultrapassar a estrita operação de “forming”/“morphing”/formação para explorar a de “spacing”/espaçamento. São lugares que se apoiam tanto no conceito de zona de indescernibilidade de Deleuze, como na de imagem-fluxo de Buci-Glucksmann como no de suspensão–entre de Sloterdijk ou de espaço-não objectivo que refere José Gil, e se plasmam na arquitectura contemporânea como tropos do intersticial. 7. São os lugares intermédios da arquitectura actual, de espacialidade háptica, mais “afectiva”, generativa e interactiva, onde esse âmbito intermédio transforma e é transformado, “afecta”, ”co-move “(nos faz mover/agir) e evoca outros lugares, outras possibilidades de espaço habitável ou ocupável. Emerge o intermédio como lugar que, paradigmática e manifestamente, o monumento de Eisenmann em Berlim, anuncia e exibe.

Análisis y modelado de las oscilaciones biológicas

Desde el descubrimiento de los ritmos ultradianos (Halberg 1967) en el estudio de las etapas de sueño humano (Dement y Kleitman, 1957) , muchos investigadores han dado cuenta de la existencia de estas oscilaciones en varias funciones de conducta, emocionales o fisiológicas. Si anteriormente predominó la idea de que los ritmos ultradianos tenían lugar únicamente durante el sueño, el descubrimiento de las oscilaciones en estado insomne (Weltzman et al, 1.970) y su persistencia en diferentes funciones bajo el efecto de inhibición de la droga (estados REM, Baekeland, 1967), han demostrado que persiste el mismo ciclo en el sueño que en estado insomne (Kleitman, 1969) que conduce y controla simultáneamente diferentes parámetros biológicos. Basado en este principio y a partir de nuestras estimaciones estadísticas de oscilaciones en el rango de 70-250 minutos de periodo en la actividad locomotora de diferentes especies; un mecanismo básico de desencadenamiento de los ritmos ultradianos por sincronizantes externos y su sincronización coherente con las oscilaciones circadianas (a través de acoplamientos mutuos o jerárquicos); presentamos un modelo matemático que simula el sistema oscilatorio de comportamiento ultradiano-circadiano producido por una secuencia bien definida luz-oscuridad. El modelo se basa en una topología de círculo límite (representada en un espacio bidimensional de estados) con control paramétrico producido por las transiciones luz—oscuridad y viceversa, siendo el efecto paramétrico dependiente de la fase endógena del sistema cuando se aplica las transiciones.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Development of a sensorimotor algorithm able to deal with unforeseen pushes and its implementation based on VHDL

Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL is the title of my thesis which concludes my Bachelor Degree in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. It encloses the overall work I did in the Neurorobotics Research Laboratory from the Beuth Hochschule für Technik Berlin during my ERASMUS year in 2015. This thesis is focused on the field of robotics, specifically an electronic circuit called Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) and its control algorithm based on VHDL hardware description language. The reason that makes the CSL special resides in its ability to operate a motor both as a sensor and an actuator. This way, it is possible to achieve a balanced position in any of the robot joints (e.g. the robot manages to stand) without needing any conventional sensor. In other words, the back electromotive force (EMF) induced by the motor coils is measured and the control algorithm responds depending on its magnitude. The CSL circuit contains mainly an analog-to-digital converter (ADC) and a driver. The ADC consists on a delta-sigma modulation which generates a series of bits with a certain percentage of 1's and 0's, proportional to the back EMF. The control algorithm, running in a FPGA, processes the bit frame and outputs a signal for the driver. This driver, which has an H bridge topology, gives the motor the ability to rotate in both directions while it's supplied with the power needed. The objective of this thesis is to document the experiments and overall work done on push ignoring contractive sensorimotor algorithms, meaning sensorimotor algorithms that ignore large magnitude forces (compared to gravity) applied in a short time interval on a pendulum system. This main objective is divided in two sub-objectives: (1) developing a system based on parameterized thresholds and (2) developing a system based on a push bypassing filter. System (1) contains a module that outputs a signal which blocks the main Sensorimotor algorithm when a push is detected. This module has several different parameters as inputs e.g. the back EMF increment to consider a force as a push or the time interval between samples. System (2) consists on a low-pass Infinite Impulse Response digital filter. It cuts any frequency considered faster than a certain push oscillation. This filter required an intensive study on how to implement some functions and data types (fixed or floating point data) not supported by standard VHDL packages. Once this was achieved, the next challenge was to simplify the solution as much as possible, without using non-official user made packages. Both systems behaved with a series of interesting advantages and disadvantages for the elaboration of the document. Stability, reaction time, simplicity or computational load are one of the many factors to be studied in the designed systems. RESUMEN. Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL es un Proyecto de Fin de Grado (PFG) que concluye mis estudios en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. En él se documenta el trabajo de investigación que realicé en el Neurorobotics Research Laboratory de la Beuth Hochschule für Technik Berlin durante el año 2015 mediante el programa de intercambio ERASMUS. Este PFG se centra en el campo de la robótica y en concreto en un circuito electrónico llamado Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) y su algoritmo de control basado en lenguaje de modelado hardware VHDL. La particularidad del CSL reside en que se consigue que un motor haga las veces tanto de sensor como de actuador. De esta manera es posible que las articulaciones de un robot alcancen una posición de equilibrio (p.ej. el robot se coloca erguido) sin la necesidad de sensores en el sentido estricto de la palabra. Es decir, se mide la propia fuerza electromotriz (FEM) inducida sobre el motor y el algoritmo responde de acuerdo a su magnitud. El circuito CSL se compone de un convertidor analógico-digital (ADC) y un driver. El ADC consiste en un modulador sigma-delta, que genera una serie de bits con un porcentaje de 1's y 0's determinado, en proporción a la magnitud de la FEM inducida. El algoritmo de control, que se ejecuta en una FPGA, procesa esta cadena de bits y genera una señal para el driver. El driver, que posee una topología en puente H, provee al motor de la potencia necesaria y le otorga la capacidad de rotar en cualquiera de las dos direcciones. El objetivo de este PFG es documentar los experimentos y en general el trabajo realizado en algoritmos Sensorimotor que puedan ignorar fuerzas de gran magnitud (en comparación con la gravedad) y aplicadas en una corta ventana de tiempo. En otras palabras, ignorar empujones conservando el comportamiento original frente a la gravedad. Para ello se han desarrollado dos sistemas: uno basado en umbrales parametrizados (1) y otro basado en un filtro de corte ajustable (2). El sistema (1) contiene un módulo que, en el caso de detectar un empujón, genera una señal que bloquea el algoritmo Sensorimotor. Este módulo recibe diferentes parámetros como el incremento necesario de la FEM para que se considere un empujón o la ventana de tiempo para que se considere la existencia de un empujón. El sistema (2) consiste en un filtro digital paso-bajo de respuesta infinita que corta cualquier variación que considere un empujón. Para crear este filtro se requirió un estudio sobre como implementar ciertas funciones y tipos de datos (coma fija o flotante) no soportados por las librerías básicas de VHDL. Tras esto, el objetivo fue simplificar al máximo la solución del problema, sin utilizar paquetes de librerías añadidos. En ambos sistemas aparecen una serie de ventajas e inconvenientes de interés para el documento. La estabilidad, el tiempo de reacción, la simplicidad o la carga computacional son algunas de las muchos factores a estudiar en los sistemas diseñados. Para concluir, también han sido documentadas algunas incorporaciones a los sistemas: una interfaz visual en VGA, un módulo que compensa el offset del ADC o la implementación de una batería de faders MIDI entre otras.

Plataformas de ejercicios de ciberseguridad

El objetivo principal de este proyecto es estudiar, desde un punto de vista práctico, las posibilidades que ofrece la plataforma de ejercicios de ciberseguridad propuesta por la Universidad de Rhode Island en Estado Unidos, denominada Open Cyber Challenge Platform (OCCP); para ello primero nos ubicaremos dentro del campo de la ciberseguridad, estudiando porqué este área está tomando tanta relevancia, observando datos de estudios reales realizados por instituciones de prestigio, al mismo tiempo estudiaremos la tendencia actual y futura de los ciberataques. Seguidamente, analizaremos el estado del arte de la enseñanza en ciberseguridad y como se está enfocando por parte de las universidades y empresas más importantes en el sector. En esta parte del sector se está imponiendo una novedosa forma para desarrollar el aprendizaje tanto práctico como teórico basada en simular situaciones reales mediante escenarios virtuales. Una vez vistas otras opciones, nos centraremos en OCCP, podremos estudiar el estado de desarrollo de esta plataforma, la situación actual y las principales características. Además detallaremos el primer escenario propuesto por ellos mismos, estudiando los principales componentes, la topología de la red virtual de la empresa virtualizada, los principales ficheros de configuración, e incluso la montaremos y ejecutaremos y podremos observar como el equipo rojo ataca el servidor web de la empresa que lo tiene que proteger el equipo azul y consigue que la web deje de funcionar. También incluiremos una guía de instalación del escenario para que el lector pueda probar con su propio ordenador las posibilidades de esta plataforma. VirtualBox es un programa gratuito de virtualización perteneciente a la empresa Oracle. Más adelante estudiaremos este programa centrándonos en el servicio web ofrecido por VirtualBox ya que es utilizado por la plataforma Open Cyber Challenge Platform como virtualizador o hipervisor. Podremos ver como suelen funcionar los servicios web de este tipo en general y después nos centraremos principalmente en el archivo descriptivo de las interfaces que ofrece esta plataforma. Finalmente, resumiremos los resultados y conclusiones proponiendo un trabajo futuro ya que como hemos dicho esta plataforma está en estado de desarrollo y seguramente al final de la lectura del proyecto incluso el lector se haya podido percatar del potencial tan elevado que tiene una plataforma de este estilo. ABSTRACT. The main objective of this project is to study, from a practical standpoint the possibilities offered by the cybersecurity exercises platform proposed by the University of Rhode Island in United States, called Cyber Challenge Open Platform (OCCP); therefore we will place first in the field of cybersecurity, studying why this area is taking so much relevance, watching real data studies by prestigious institutions and the current and future trend of cyber-attacks. Then, we will discuss the state of the art of teaching cybersecurity and how universities and major companies in the sector are focusing to reach the aims among students or workers. In this part of the sector it is increasing the popularity of a new way to develop both practical and theoretical learning based on simulating real situations through virtual scenarios. Once seen other options, we will focus on OCCP, we can study the state of development of this platform, the current situation and main characteristics. In addition we will detail the first proposed scenario by the very own university, studying the main components, the topology of the virtual network virtualized enterprise, the main configuration files, and even we would mount and execute it. We will see how the red team attacks the web server of the company and get it thrown out. At the same time the blue team will have to protect it. We will also include an installation guide of the scenario so that the reader can test in their own computer the possibilities of this tool. VirtualBox is a free virtualization program belonging to the Oracle enterprise. Later on we will study this program focusing on the web service provided by VirtualBox because it is used by the Open Cyber Challenge Platform like hypervisor. We will see how this kind of web services work and then we will focus mainly on the descriptive file of the interfaces provided by this tool. Finally we summarize the results and conclusions proposing a future work since as we have said this platform is in the development stage and certainly at the end of reading the project even the reader may have realized of such high potential as would have a tool of this kind.