Analysis and Comparison of Topologies of Three-Phase Active Rectifiers for Aircraft Applications

Zhao, Sisi (2018). Analysis and Comparison of Topologies of Three-Phase Active Rectifiers for Aircraft Applications. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.50342.

Description

Title: Analysis and Comparison of Topologies of Three-Phase Active Rectifiers for Aircraft Applications
Author/s:
  • Zhao, Sisi
Contributor/s:
  • Alou Cervera, Pedro
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

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 pues 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. ----------ABSTRACT---------- The constantly boosting air traffic in aircraft industry, has demanded future aircraft to evolve towards higher efficiency, lower take-off weight, and thus less air pollution. Conventional aircraft are composed of four different power subsystems after the engine: mechanical, hydraulic, pneumatic and electrical. However there has been an emerging trend to replace the first three parts by electrical equipment which are more efficient, light-weighted, and accordingly less CO2 emissions. Thus aiming at the MEA concept, more electrical power conversion is required which calls for converter topologies that can provide high efficiency and high power density. Nowadays the rectifiers on the aircraft mainly employ passive solutions involving uncontrolled diode bridges and mains-frequency transformers, since they are extremely reliable. Thus more enhanced rectifier topologies are demanded, with better performance and controllability, meanwhile complying the corresponding standards. In Chapter 2 an overview of the state of the art is provided. Both two-stage structure and single-stage with isolation structure, as candidates for aircraft applications are reviewed and briefly compared. In this dissertation, the standards that the rectifier systems have to comply are MIL-STD-704F regarding input three-phase power quality, and MIL-STD-461F regarding EMI issues. Besides, galvanic isolation is also a basic requirement for safety concerns. As a contribution, a single-stage isolated three-phase buck-type rectifier topology is proposed. Its operating principle and modulation method in SVM are both thoroughly discussed in Chapter 3. Due to the bridge-leg structure, together with sufficient leakage inductance from the transformer, ZVS can be achieved in every switching instant of this rectifier using the presented asymmetrical modulation sequence. Thus ZVS is an outstanding feature of this topology, which improves the overall efficiency of the rectifier, as well as EMI performance. Detailed analysis on ZVS conditions are presented. Throughout the literature, VIENNA Rectifier III is a topology variation close to the proposed one. However the difference in both phase-leg implementation and modulation sequence makes the proposed rectifier feature less conduction losses, and capability of realizing ZVS which VIENNA Rectifier III does not have. A detailed comparison is also carried out. In Chapter 4, the design of the proposed rectifier is carried out following the presented design guidelines. Transformer is the key component in the topology, since volt-second balance has to be maintained during operation meanwhile presenting sufficient leakage inductance for the ZVS feature. Upon finishing the transformer leakage inductance and winding resistance are measured, and the results show good accordance to the design. Since the proposed rectifier features buck-type topology, the input currents present a pulsating waveform. In order to filter this pulsating current to a smooth sinusoidal-shaped current and comply with the MIL-STD-461F standard, a two-stage EMI filter is designed. Simulation results show that at nominal power, the rectifier together with the designed EMI filter can comply with the standard and meanwhile maintaining a very low THD and nearly-unity power factor. Next, the voltage and current stresses of all the semiconductor devices in the topology are derived. Output filter Lo − Co is also designed. With the diode rectifier on the secondary, ringing effect occurs due to the leakage inductance in the transformer and the parasitic capacitance of the diodes on the secondary. This ringing introduces high voltage peak and high-frequency noises that can cause EMI issues. A passive snubber solution and an active snubber solution are both presented and designed for the rectifier. Simulation results are shown to prove the functionality of both solutions. Finally a breakdown of total losses estimation is provided at the end of this chapter. In Chapter 5, a hardware demonstrator is designed and constructed to validate the theoretical analysis presented in the dissertation. First, the prototype test working as phase-shifted full-bridge DC-DC converter is performed with each snubber solution installed. Waveforms and measurement results are presented and compared. Next, prototype test working as the proposed rectifier (AC-DC test) is performed and measurement results show very good accordance to the simulation in terms of THD and PF. In the last chapter, a summary with highlighted contributions and conclusions from this work is addressed and a vision of future work is given.

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Item ID: 50342
DC Identifier: http://oa.upm.es/50342/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:50342
DOI: 10.20868/UPM.thesis.50342
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 30 May 2018 06:45
Last Modified: 30 Nov 2018 23:30
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