Isolated Swiss-Forward Three-Phase Rectifier for Aircraft Applications : Analysis, Design and Validation

Silva Faúndez, Marcelo Alexis (2018). Isolated Swiss-Forward Three-Phase Rectifier for Aircraft Applications : Analysis, Design and Validation. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52132.

Descripción

Título: Isolated Swiss-Forward Three-Phase Rectifier for Aircraft Applications : Analysis, Design and Validation
Autor/es:
  • Silva Faúndez, Marcelo Alexis
Director/es:
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En las últimas décadas, ha habido un gran interés importante en mejorar el sistema eléctrico tanto en aviones comerciales como militares. Estas mejoras han sido impulsadas por temas económicos y también ambientales ya que el reemplazar actuadores mecánicos, neumáticos o hidráulicos por sistemas eléctricos trae mejoras en eficiencia que reducen las emisiones de CO2 y los costos de vuelo. La tendencia de reemplazar el sistema mecánico, neumático e hidráulico por uno eléctrico comúnmente se llama MEA o “aviones más eléctricos”. Además, los actuadores eléctricos son ms fiables y requieren menos costes en mantenimiento. En las aplicaciones aeronáuticas, la distribución de la energía eléctrica se realiza utilizando fuentes trifásicas o de corriente continua. Clásicamente, las líneas de alimentación en alterna utilizan 115Vac y continua la tensión utilizada es 28Vdc. Sin embargo, en algunos de los aviones modernos, los niveles de tensión han aumentado a 230Vac en alterna y 270Vdc o 540vdc en continua, con el fin de reducir el peso del cableado. Siguiendo el concepto de MEA, este trabajo analiza y desarrolla una nueva topología de un rectificador trifásico con aislamiento galvánico enfocado a aplicaciones aeronáuticas. Como diseño de referencia para el análisis y desarrollo de un prototipo demostrador experimental, este trabajo considera una tensión trifásica de 115Vdc a 400Hz y 270Vdc para la tensión de salida y una potencia de carga de 3,3kW. En este trabajo se han estudiado diferentes soluciones de un rectificador trifásico aislado, incluyendo rectificadores pasivos, una topología de dos etapas o convertidores de una única etapa. La topología de dos etapas se puede montar utilizando un rectificador activo con un convertidor dc-dc aislado o utilizando un puente de diodo más un filtro de potencia activa con un convertidor dc-dc aislado. Por otra parte, en una configuración de una etapa, tanto el control de la corriente de entrada como el control de tensión de salida son realizados por el mismo convertidor que conduce a un sistema menos complejo, más fiable y más eficiente. En este trabajo, se ha seleccionado una solución de una etapa ya que este tipo de configuración tiene varios beneficios en términos de eficiencia, simplicidad y densidad de potencia. Existen varios tipos de rectificadores trifásicos de una etapa con aislamiento en la literatura electrónica de potencia, estos pueden clasificarse en tres grupos: el tipo DCM, el tipo Matriz y la familia de los Unidireccionales. En aplicaciones aeronáuticas, es necesario que los rectificadores trifásicos sean unidireccionales porque no se permite regenerar la energía hacia la parte alterna, por esta razón los rectificadores bidireccionales de tipo Matrix han sido descartados. Los rectificadores de DCM carecen de compensación de ángulo de corriente-voltaje en la entrada por lo tanto a la baja carga estos sistemas tienen un factor de potencia muy pobre. En este trabajo, se ha seleccionado un nuevo rectificador con aislamiento que pertenece a la familia de los unidireccionales. El rectificador Swiss Forward es una adaptación del nuevo rectificador Swiss no aislado. Para implementar el aislamiento se ha utilizado un convertidor forward resonante con el cual se puede aprovechar las ventajas que traen los nuevos materiales de los semiconductores como lo es el carburo de silicio o SiC. En este trabajo, se discute el principio de funcionamiento del rectificador Swiss-Forward así como la modulación del convertidor que permite la compensación del ángulo de corriente-voltaje. Además, en este trabajo se discute un modelo de orden de reducido de un rectificador de tipo reductor para el diseño del control del sistema. Por último, se ha diseñado un prototipo demostrador en donde sus resultados ----------ABSTRACT---------- In the last decades, there has been important interest in improving electrical system both in commercial and military aircrafts. These improvements have been driven by economic and environmental issues because replacing mechanic, pneumatic or hydraulic actuator by electric systems bring efficiency improvements reducing CO2 emissions and flying costs. The tendency of replacing mechanical, pneumatic and hydraulic system by electric one is commonly called MEA or more electric aircraft. In addition, electric actuators are more reliable and require less costs in maintenance. In aircraft applications, the electric power distribution is done using either three-phase or dc sources. Classically, the ac power line uses 115Vac and in dc the voltage used is 28Vdc. However in some of the modern aircrafts, the voltage levels have been increased to 230Vac and 270Vdc and 540vdc, in order to reduce the weight of the wiring. Following the MEA concept, this work analyses and develop a new converter topology of an isolated threephase rectifier focusing in aircraft applications. As reference design for the analysis and development of an experimental demonstrator prototype, this work considers a three-phase main of 115Vdc @ 400Hz and 270Vdc for the output voltage and a load power of 3.3kW. In this work, different solutions of an isolated three-phase rectifier have been studied including passive rectifiers, a two-stage topology or a single stage configuration. The two-stage topology can be assemble using an active rectifier with an isolated dc-dc converter or using a diode bridge plus an active power filter with an isolated dc-dc converter. On the other hand, in a single stage configuration both the ac input current shaping and the output voltage control are performed by the same converter leading to a less complex and more reliable and more efficient system. In this work, a single stage solution has been selected because this kind of configuration have several benefits in terms of efficiency, simplicity and power density. There are several single stage isolated three-phase rectifiers in the power electronic literature, they can be classified in three groups: the DCM type, Matrix-type and Unidirectional family. In aircraft applications, the unidirectionally is needed because it is not allowed regenerate power back to the ac side, for this reason Matrix-type rectifiers have been discarded. DCM rectifiers do not have current-voltage angle compensation therefore at light load these systems have a poor power factor. In this work, a new isolated three-phase rectifier that belong to the unidirectional family has selected. The Swiss Forward rectifier is an adaption of the novel non-isolated Swiss rectifier. In order to add the isolation feature in the system, a forward converter with resonant reset has been used because this topology allows to take advantage of the new semiconductor material such as the SiC. In this work, the principle of operation of the Swiss-Forward rectifier is discussed as well as a converter modulation that allows the current-voltage angle compensation. In addition, in this work is discussed a reduce order model of a buck-type rectifier system is used to design of the control. Finally, a demonstrator prototype has been designed and the experimental results obtained with prototype confirm that the proposed rectifier topology is a good alternative to classical single stage topologies.

Más información

ID de Registro: 52132
Identificador DC: http://oa.upm.es/52132/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52132
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52132
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 11 Sep 2018 05:13
Ultima Modificación: 11 Sep 2018 05:13
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