Analysis and comparison of topologies of three phase active rectifiers for aircraft applications
- Autores: Sisi Zhao
- Directores de la Tesis: Pedro Alou Cervera (dir. tes.), Jesús Ángel Oliver Ramirez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Cobos Marquez (presid.), Miroslav Vasic (secret.), Antonio Lázaro Blanco (voc.), Emilio José Bueno Peña (voc.), Javier Sebastián Zúñiga (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por la Universidad de Oviedo y la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
El constante impulso del tráfico aéreo en la industria aeronáutica, ha exigido que los futuros aviones evolucionen hacia una mayor eficiencia, menor peso de despegue y, por tanto, menos contaminación atmosférica. Los aviones convencionales se componen de cuatro subsistemas de energía diferentes después de la turbina: mecánico, hidráulico, neumático y eléctrico. Sin embargo, hay una tendencia emergente para reemplazar los tres primeros subsistemas por equipos eléctricos, los cuales son más eficientes, de peso ligero, y por consiguiente, con menos emisiones de CO2. Por lo tanto, dentro del concepto del avión más eléctrico (MEA), se requiere una mayor conversión de energía eléctrica que requiere de topologías de convertidor de alta eficiencia y alta densidad de potencia. Hoy en día los rectificadores de aviónica emplean principalmente soluciones pasivas, que implican puentes de diodos no controlados y transformadores a frecuencia de red, mientras son extremadamente fiables. Así pués las topologías de rectificador más avanzadas tienen un mejor rendimiento y controlabilidad, mientras que se exije que cumplan con los requisitos correspondientes.
En el capítulo 2 se proporciona la visión general del estado del arte. Los candidatos son: la estructura de dos etapas y la de una sola con aislamiento, y se repasan y se comparan brevemente. En esta disertación, los estándares que los sistemas de rectificador tienen que cumplir son principalmente MIL-STD-704F con respecto a voltaje trifásico de la entrada, y MIL-STD-461F con respecto a problemas de EMI. Además, el aislamiento galvánico es también un requisito básico por preocupaciones de seguridad. Como contribución, se propone una topología de rectificador de tipo reductor trifásico aislada de una sola etapa. Su principio de funcionamiento y el método de la modulación vectorial se discuten a fondo. Debido a la estructura de la pierna del puente, junto con la suficiente inductancia de fuga del transformador, ZVS se puede alcanzar en cada instante de la conmutación de este rectificador usando la secuencia asimétrica presentada de la modulación. Así, el ZVS es una característica excepcional de esta topología, que aumenta el rendimiento del rectificador. Se presenta el análisis detallados, sobre las condiciones de ZVS.
A lo largo de la bibliografía, el rectificador III de VIENNA es una variación topológica cercana a la propuesta. Sin embargo, la diferencia en la ejecución de la fase-pierna y la secuencia de la modulación, hace que la característica propuesta del rectificador tenga menos pérdidas de conducción, y capacidad de realizar ZVS, que el rectificador III de VIENNA no tiene. También se realiza una comparación detallada.
En el capítulo 4, el diseño del rectificador propuesto se lleva a cabo siguiendo las pautas de diseño presentadas. El transformador es el componente clave en la topología, ya que se debe mantener el equilibrio de voltios-segundo mientras se alcanza la suficiente inductancia de fuga para la característica de ZVS. Al acabar la manufactura del transformador, la inductancia de fuga y la resistencia del devanado se miden. Los resultados se concuerdan bien al diseño. Puesto que el rectificador propuesto ofrece la topología del tipo reductor, las corrientes de entrada presentan una forma de onda pulsante. Con el fin de filtrar esta corriente pulsantea una forma de corriente sinusoidal suave y cumplir con el estándar MIL-STD-461F, un filtro EMI de dos etapas se ha diseñado. Los resultados de la simulación demuestran que en la potencia nominal, el rectificador junto con su filtro EMI pueden cumplir con el estándar y mientras tanto mantener un THD muy bajo y un factor de potencia cercano a la unidad. A continuación, se derivan las especificaciones de tensión y corriente de los semiconductores de la topología. El filtro de salida Lo-Co también se ha diseñado.
Con el rectificador del diodo en el secundario, las oscilaciones ocurren debido a la inductancia de fuga del transformador y a la capacidad parásita de los diodos en el secundario. Estas oscilaciones introducen picos de alta tensión y ruidos de alta frecuencia que pueden causar problemas de EMI. Soluciones de atenuador pasivo y activo se presentan y se diseñan para el rectificador. Los resultados de la simulación demuestran la funcionalidad de ambas soluciones. Al final de este capítulo, se proporciona un desglose de la estimación de las pérdidas totales.
En el capítulo 5, se diseña y construye un prototipo para validar el análisis teórico presentado en la disertación. Con el prototipo que trabaja primero como convertidor puente completo de fase desplazada se realiza con cada solución de atenuador instalado. Las formas de onda y las medidas se presentan y comparan. A continuación, se realiza una prueba del prototipo trabajando como el rectificador propuesto y las medidas concuerdan muy bien con la simulación en términos de THD y de factor de potencia.
En el último capítulo, se aborda un resumen de las contribuciones y conclusiones de este trabajo y se da una visión de las lineas futuras.
