Piezoelectric energy harvesting

One common use of energy harvesting systems is in those places where the access to conventional sources of energy is difficult due to availability, space constraints, environmental hazards or sealed equipment. This article explores the possibilities of piezoelectrics to extract electrical energy and store it in capacitors to supply power of ultra-low power microprocessors.

The piezoelectric under test is a Lead Zirconate Titanate PZT-5J with reference S128-H5FR-1808YB manufactured by MIDE. The tests I am going to conduct are aimed at a specific application in which the piezo has to extract energy at 100 Hz with an acceleration as low as 2 ms^{-2} or 0.2 g.

From right to left, the setup consists of a signal generator, signal conditioner and amplifier (top), signal amplifier (bottom), oscilloscope and vibrator or shaker with the piezoelectric (behind the oscilloscope).

Continue reading Piezoelectric energy harvesting

Conex Plus – Primera convocatoria de solicitudes

Formo parte de los supervisores del programa CONEX-Plus:

La Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) pone en marcha un programa de financiación para movilidad entrante, denominado CONEX-Plus. Este programa tiene por objeto impulsar la formación y el desarrollo profesional de investigadores internacionales experimentadas, sobre la base de la denominada dimensión triple “i” (Aspectos Internacionales, exposición Intersectorial e Interdisciplinariedad). Todos los participantes se beneficiarán de un programa de formación con módulos dedicados a habilidades transversales relevantes y formación en la industria.

Las áreas estratégicas de investigación se identifican en la “Estrategias Nacionales y Regionales para la Especialización Inteligente” (RIS3) de la Comunidad de Madrid:

  • Materiales Avanzados, Tecnologías de Fabricación y Espacio.
  • Energía, medio ambiente y transporte (incluida Aeronáutica).
  • Salud y Biotecnología.
  • Tecnologías de la Información y Comunicaciones.
  • Ciencias Sociales y Humanidades.

Dentro de estas áreas, los temas que puedo dirigir serían los marcados en negrita:

  • Área Nanotecnología, Materiales Avanzados, Tecnologías Industriales y del Espacio
    • Nanociencias
    • Materiales avanzados
    • Tecnología y Conservación del patrimonio
    • Desarrollo de instrumentación, microsistemas y sensores
    • Tecnologías industriales (incluye procesos de menor impacto ambiental) y robótica aplicada
    • Tecnologías de acceso al espacio y demostración en órbita para pequeñas cargas de pago
    • Técnicas, equipamiento, instrumentación avanzada, sistemas a bordo y sistemas terrenos de seguimiento y monitorización de satélites
    • Desarrollo de aplicaciones basadas en información de satélites
    • Investigación científica del espacio exterior
    • Fotónica
  • Área Energía, Medio Ambiente y Transporte (incluida Aeronáutica)
    • Tecnologías de uso sostenible, restauración del medio natural y conservación de la biodiversidad
    • Gestión de residuos, vertidos y emisiones: incluye microcontaminantes, contaminantes emergentes, reutilización/eliminación de materias residuales, recuperación de energía
    • Fuentes de energía renovables y sostenibles
    • Redes eléctricas inteligentes
    • Sistemas de navegación, control de tráfico y seguridad en el transporte
    • Diseño, desarrollo y fabricación de sistemas de propulsión y sistemas auxiliares de vehículos de transporte

Los adjudicatarios llevarán a cabo un proyecto de tres años, libremente elegido, en uno de los 27 departamentos de la UC3M, con el apoyo de un supervisor de la UC3M.

El rendimiento del proyecto debe estar respaldado por la realización de una estancia en una organización no académica de alto nivel, que permita el máximo beneficio de esta Ayuda de Investigación en el desarrollo de su carrera.

Toda la información se puede encontrar en:


O contactando conmigo:


Fecha límite de entrega de solicitudes: 30 de septiembre de 2019.

Propagation characteristics of partial discharge signals in medium voltage branched cable joints using HFCT sensors

Available in open access here: https://www.cired-repository.org/handle/20.500.12455/388

Muhammad SHAFIQ (1), Guillermo ROBLES (2), Kimmo KAUHANIEMI (2), Brian STEWART (3), Matti Lehtonen (4). Propagation characteristics of partial discharge signals in medium voltage branched cable joints using HFCT sensors. 3 – 6 June 2019, 25th international conference and exhibition on electricity distribution (CIRED 2019). Madrid – Spain

(1) University of Vaasa – Finland

(2) Carlos III University of Madrid – Spain

(3) University of Strathclyde – UK

(4) Aalto University – Finland

Abstract—Rapid proliferation of underground cables in today’s distribution networks need improved fault monitoring and diagnostic capabilities. Dielectric insulation is the most critical element of underground cables and exposed to various stresses. Cable joints and terminations are always needed and are the most vulnerable locations for insulation defects within the cable feeder. Partial discharge (PD) signals emerging during the progression of insulation faults, travel along the lines and split into connected branches at the T/Y splices. This makes the use of conventional diagnostics solution inappropriate as compared to straight cable section. This paper presents a study on the propagation behaviour of PD signals in a branched joint configuration. Experimental investigations are presented to study the PD propagation across the T/Y-splices. The presented study provides interesting outcomes that can be used for development of an efficient PD monitoring system to watchdog the cable feeder.

Keywords— Power cables, Partial discharges, Signal Propagation, Transmission lines.


Insulation design of low voltage electrical motors fed by PWM inverters

L. Lusuardi, A. Cavallini, M. G. de la Calle, J. M. Martínez-Tarifa and G. Robles, “Insulation design of low voltage electrical motors fed by PWM inverters,” in IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 35, no. 3, pp. 7-15, May-June 2019.

doi: 10.1109/MEI.2019.8689431


Abstract— This paper proposes a model to determine the partial discharge inception voltage of magnet wires, including the effect of elevated temperatures, and shows its applicability to the complete range of wire geometries considered in IEC Standard 60317-13.

For long, the insulation of magnet wires used in low voltage motors was mostly stressed by temperature and vibrations. In addition, moisture sometimes hastened thermo-mechanical stress by hydrolyzing the insulation leading to crack formation. The ultimate breakdown mechanism was an excessive leakage current throughout cracks and pinholes in the insulation. Within this framework, the thickness of the insulation was dictated mostly by mechanical considerations, to prevent crack formation during manufacturing and operation. Electrical stress did not play a key role in the aging process.
Power electronics changed this picture…

Keywords— inverter-fed machine, partial discharges, insulation design.

Multiple Partial Discharge Source Localization in Power Cables Through Power Spectral Separation and Time-Domain Reflectometry

G. Robles, M. Shafiq and J. M. Martínez-Tarifa, “Multiple Partial Discharge Source Localization in Power Cables Through Power Spectral Separation and Time-Domain Reflectometry,” in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. doi: 10.1109/TIM.2019.2896553

Open access post-print version (ie final draft post-refereeing) available (Copyright 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works).

Early access available at http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8653470&isnumber=4407674



Abstract— Insulated power cables are becoming increasingly popular in today’s developing distribution and transportion networks. However, due to aging, deterioration, and various operational and environmental stresses, insulation defects may appear and so the cable needs to be monitored in a timely manner to avoid unexpected failures. Many of these defects are responsible for partial discharge (PD) activity. The localization of the sources of these discharges is a highly decisive facet in the condition-based monitoring of power cables. The techniques for the localization of single-PD defects in insulated power cables are well presented in the current bibliography. However, when several simultaneous PD sources are active, the localization of the sources becomes quite complex. This paper develops an efficient technique for the separation and localization of multiple PD sources in a medium voltage cable. The experimental results are obtained with single-end-based measurements using a high-frequency current transformer in a laboratory environment. The data processing based on the spectral characteristics of the signals is carried out by using the power ratios technique in order to determine the presence of different types of PD. Once the signals are separated, the PD sources can be localized with an individualized analysis of each source through time-domain reflectometry. The proposed methodology can be very valuable to improve the location diagnostic capability of the condition-based monitoring solutions, especially for underground cables.

Keywords— Condition monitoring; partial discharges (PDs); particle swarm optimization (PSO); power cables; signal characterization; signal propagation; spectral power ratios (PRs); time-domain reflectometry (TDR).

Oferta de beca de investigador predoctoral (cerrada)

Esta convocatoria está ya cerrada pero es posible que salgan nuevas ofertas en el futuro que publicaré en el blog.


Beca de investigador predoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Carlos III de Madrid para el desarrollo de un Sistema de adquisición y análisis de datos de aerogeneradores para el mantenimiento basado en la condición del equipo.

En los últimos años se ha implantado una gran infraestructura de generación eléctrica cuya fuente primaria es la energía eólica. En el caso de España, se podría de decir que en términos de cobertura de demanda, la solución aportada es pionera, por lo consolidado de la tecnología empleada. Sin embargo, poco se sabe acerca de los mecanismos de degradación específicos que pueden afectar a los aerogeneradores que, en el caso de nuestro país, empiezan a encontrarse con un historial de una o dos décadas de operación continua, y por tanto, con los primeros fallos inesperados.

El departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Carlos III de Madrid (DIE-UC3M) es uno de los más destacados en investigación a nivel nacional en el ámbito de la energía eólica, con gran experiencia en la operación, control e integración de esta fuente energética. También tiene un grupo de investigación dedicado al diagnóstico de cables y máquinas eléctricas con una larga trayectoria en el estudio de sistemas de degradación de aislamientos eléctricos. Sin embargo, no hay ningún investigador con disponibilidad completa para abrir una línea de investigación conjunta que permitiera trabajar con la perspectiva más real e interdisciplinar posible.

La supervisión del investigador se realizará de forma simultánea entre investigadores de ambos grupos de investigación de UC3M, aunque siempre se tendrá en consideración la perspectiva de la empresa colaboradora. Se buscará la divulgación en revistas de alto impacto internacional al igual que la protección industrial de los equipos que pudieran ser de interés para empresas.

El grupo DIAMAT tiene a su completa disposición el laboratorio de investigación y ensayos en alta tensión (LINEALT), perteneciente a la red de laboratorios (nº28) de la Comunidad de Madrid. Esta infraestructura permite hacer ensayos adecuados sobre materiales aislantes, los más sensibles a envejecimiento de cualquier activo eléctrico. También dispone de sistemas de instrumentación para la medida y adquisición de datos en distintos rangos de frecuencia de muestreo, canales de entrada, resolución y ancho de banda. Cuenta con sensores inductivos, capacitivos y electromagnéticos para la medida de variables eléctricas. Dispone de equipos comerciales para la monitorización de descargas parciales en máquinas eléctricas y medida de resistencia de aislamiento y tangente de delta. Además, cuenta con el software necesario para la adquisición y análisis de datos. El candidato tendrá su puesto personal con su ordenador en uno de los despachos comunes del departamento y su puesto asignado en el laboratorio de alta tensión.

El trabajo a realizar es el diseño de un sistema de adquisición de datos de 10+3 canales con procesador y capacidad de almacenamiento y comunicación inalámbrica. La etapa de proceso de datos y la programación de los algoritmos de análisis de los datos debe ser en Python o C. La comunicación y las peticiones externas serán mediante una tarjeta de comunicaciones telefónicas, WiFi y NFC (near field comunications)

Es deseable, pero no imprescindible, que el perfil del candidato cumpla con los siguientes requisitos:

  • Se valorarán estudios de Ingeniería o Grado en Ingeniería, preferiblemente en especialidad o intensificación eléctrica, electrónica o telecomunicaciones.
  • Se valorará estar en posesión de un Máster en un área tecnológica.
  • Preferible experiencia laboral en el sector de las energías renovables, en concreto en el mantenimiento de aerogeneradores o en mantenimiento eléctrico en general.
  • Se requiere un elevado grado de motivación e iniciativa para llevar a cabo las tareas asignadas.
  • Se valorarán conocimientos generales de:
  1. Instrumentación y medida.
  2. Sistemas de adquisición de datos.
  3. Acondicionamiento y proceso de señal.
  4. Técnicas de clasificación de datos. Machine Learning.
  5. Matlab y Simulink.
  6. Programación en Python y C. Conocimientos de LINUX
  7. Desarrollo de circuitos lógicos para FPGAs en VHDL.
  8. Programación de microprocesadores: ATMEGA, ARM, PIC.

Muy importante

Esta oferta saldrá publicada también en la página web de la UC3M. Para que las solicitudes sean vinculadas, los candidatos deben solicitar la plaza tanto en el portal de empleo Madrimasd, como en la oferta de plazas de la UC3M que se publicará en el siguiente enlace:


Los candidatos deben estar inscritos en el Fichero del Sistema de Garantía Juvenil (http://www.sepe.es/garantiajuvenil/es/accesoJovenes.html

Classification and localization of electromagnetic and ultrasonic pulsed emitters

[pdf] Classification and localization of electromagnetic and ultrasonic pulsed emitters
Outstanding Thesis Award Recipient 2017-2018 Edition
Director(es): Robles, Guillermo
Departamento/Instituto: Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Eléctrica
Titulación: Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática
Fecha de edición: 2017-12
Fecha de defensa: 2017-12-18
Tribunal: Presidente: Andrea Cavallini.- Secretario: José Antonio García Souto.- Vocal: Iliana Portugués Peters
Palabras clave: Ultrasonic pulsed emitters , Electromagnetic waves , Radiative sources , Signal processing , Algorithms , Monte Carlo methods
Derechos: Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España

Abstract  – The localization of radiative sources is very important in many fields of work such as: sonar, radar and underwater radar, indoor localization in wireless networks, earthquake epicenter localization, defective assets localization in electrical facilities and so forth. In the process of locating radiative sources exist many issues which can provoke errors in the localization. The signals acquired may belong to different sources or they can be mixed with environmental noise, then, their separation before using localization algorithms is of great interest to be efficient and accurate in the computational process. Furthermore, the geometry and radiation characteristics of the receivers, the nature of the signal or their measuring process may cause deviations in the signal onset calculus and therefore the source localization could be displaced from the actual position. In this thesis, there are three kinds of algorithms to undertake three steps in the emitter localization: signal separation, onset and time delay estimation of the signals and source localization. For each step, in order to reduce the error in the localization, several algorithms are analyzed and compared in each application, to choose the most reliable. As the first step, to separate different kinds of signals is of interest to facilitate further processing. In this thesis, different optimization techniques are presented over the power ratio (PR) maps method. The PR uses a selective spectral signal characterization to extract the features of the analyzed signals. The technique identifies automatically the most representative frequency bands which report a great separation of the different kinds of signals in the PR map. After separating and selecting the signals, it is of interest to compare the algorithms to calculate the onset and time delay of the pulsed signals to know their performance because the time variables are inputs to the most common triangulation algorithms to locate radiative and ultrasonic sources. An overview of the algorithms used to estimate the time of flight (ToF) and time differences of arrival (TDoA) of pulsed signals is done in this thesis. In the comparison, there is also a new algorithm based on statics of high order, which is proposed in this thesis. The survey of their performance is done applied to muscle deep estimation, localization in one dimension (1D), and for the localization of emitters in three dimensions (3D). The results show how the presented algorithm yields great results. As the last step in the radiative source localization, the formulation and principle of work of both iterative and non-iterative triangulation algorithms are presented. A new algorithm is presented as a combination of two already existing improving their performance when working alone. All the algorithms, the proposed and the previous which already exist, are compared in terms of accuracy and computational time. The proposed algorithm reports good results in terms of accuracy and it is one of the fastest in computational time. Once the localization is achieved, it is of great interest to understand how the errors in the determination of the onset of the signals are propagated in the emitter localization. The triangulation algorithms estimate the radiative source position using time variables as inputs: ToF, TDoA or pseudo time of flight (pToF) and the receiver positions. The propagation of the errors in the time variables to the radiative source localization is done in two dimensions (2D) and 3D. New spherical diagrams have been created to represent the directions where the localization is more or less sensible to the errors. This study and their sphere diagrams are presented for several antenna layouts. Finally, how the errors in the positioning of the receivers are propagated to the emitter localization is analyzed. In this study, the effect in the propagation of both the relative distance from the receivers to the emitter and the direction between them has been characterized. The propagation of the error considering the direction is also represented in spherical diagrams. For a preferred direction identified in the spheres, the propagated error in the source localization has been quantified regarding both the source distance and the magnitude of the errors in the receivers positioning.

Compensación de reactiva en sistemas monofásicos

El siguiente documento muestra cómo compensar toda la reactiva en tres casos diferentes:

  1. La carga está conectada directamente al generador.
  2. La carga está conectada al generador por una línea con impedancia y la tensión del generador permanece constante.
  3. La carga está conectada al generador por una línea con impedancia y la tensión de la carga permanece constante.

En todos los casos, la capacidad que hay que poner para compensar toda la reactiva es la misma ya que la impedancia de la carga no cambia.

También se demuestra de dónde se obtiene la ecuación que permite calcular la capacidad que compensa la reactiva a cualquier factor de potencia \cos\varphi':


y por qué es posible utilizarla en cualquier caso aunque la tensión de la carga varíe al conectar un condensador en paralelo.

Compensación de reactiva (pdf)


Designing a Rogowski coil with particle swarm optimization

Guillermo Robles; Muhammad Shafiq; Juan Manuel Martínez-Tarifa, Designing a Rogowski coil with particle swarm optimization, November 2018, Proceedings of the 5th International Electronic Conference on Sensors and Applications session Physical Sensors (doi: 10.3390/ecsa-5-05721)

Open access at https://sciforum.net/paper/view/conference/5721

Abstract—Rogowski coils are inductive sensors based on Faraday’s and Ampère’s Laws to measure currents through conductors without galvanic contact. The main advantage of Rogowski coils when compared with current transformers is the fact that the core is air so they never saturate and the upper cut-off current can be higher. These characteristics makes Rogowski coils ideal candidates to measure high amplitude pulsed currents. On the contrary, there are two main drawbacks. On the one hand, the output voltage is the derivative of the primary current so it has to be integrated to measure the original signal; and, on the other hand, the transfer function is resonant due to the capacitance and the self-inductance of the coil. The solution is the use of a passive integration with a terminating resistor at the output of the sensor that splits the two complex poles and gives a constant transfer function for a determined bandwidth. The downside is a loss of sensitivity. Since it is possible to calculate the electrical parameters of the coil based on its geometrical dimensions, the geometry can be  adapted to design sensors for different applications depending on the time characteristics of the input current. This paper proposes the design of Rogowski coils based on their geometric characteristics maximizing the gain-bandwidth product using particle swarm optimization and adapting the coil to the specific requirements of the application.

Keywords—Rogowski coils; particle swarm optimization; gain-bandwidth product; current
measurement; magnetic field measurement.