Análisis, simulación y pruebas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas

En la actualidad se está desarrollando la electrónica para el diseño de sistemas de conversión de potencia de alta frecuencia, que reduce notablemente el peso y el ruido de los dispositivos convertidores y aumenta a su vez la densidad de potencia sin afectar negativamente al rendimiento, coste o fiabilidad de dichos dispositivos. La disciplina que se encarga de investigar y crear estos sistemas es la electrónica de potencia. Este documento recoge la metodología empleada para el diseño, análisis y simulación de un convertidor DC/DC de 10 kW de aplicación aeronáutica. Este dispositivo forma parte de un proyecto en el que colaboran el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI - UPM) y las empresas Indra y Airbus. Su objetivo es el diseño y construcción de un rectificador trifásico que proporcione una salida continua de 28 V y 10 kW de potencia. Durante su aplicación final, se dispondrá de dos dispositivos idénticos al diseñado en este proyecto, aportando cada uno de ellos 5 kW, sin embargo, debido a la importancia en seguridad en las aplicaciones aeronáuticas, cada rectificador debe ser capaz de aportar 10 kW de potencia en caso de fallo en uno de ellos. En primer lugar, este trabajo explica el diseño elegido para dicho convertidor, que sigue una topología Dual Active Bridge (DAB), en creciente interés para el desarrollo de dispositivos de potencia en alta frecuencia por sus mejoras en eficiencia y densidad de potencia. Esta topología consiste en dos puentes completos de dispositivos de conmutación, en este caso MOSFET, con un transformador entre medias diseñado para proporcionar la tensión de salida deseada. La topología ha sido modificada para satisfacer especificaciones del proyecto y cumplir las expectativas del diseño preliminar, que se centra en la transición suave de corriente en el transformador, siendo clave el diseño de un filtro resonante en serie con el transformador que proporciona una corriente senoidal con valor nulo en los instantes de conmutación de los MOSFET. Una vez introducida la topología, el siguiente capítulo se centra en el procedimiento de selección de componentes internos del convertidor: destacando el análisis de condensadores y MOSFET. Para su selección, se han estudiado las exigencias eléctricas en los puntos en los que estarán instalados, conociendo así las tensiones y corrientes que deberán soportar. Para asegurar un diseño seguro, los componentes han sido seleccionados de forma que durante su funcionamiento se les exija como máximo el 70% de sus capacidades eléctricas y físicas. Además, a partir de los datos aportados por los fabricantes ha sido posible estimar las pérdidas durante su funcionamiento. Este proyecto tiene un enfoque de aplicación aeronáutica, lo que exige un diseño robusto y seguro, que debe garantizar una detección rápida de fallos, de modo que sea capaz de aislar la anomalía de forma eficaz y no se propague a otros componentes del dispositivo. Para asegurarlo, se ha realizado la selección de sensores de tensión y corriente, que permiten la detección de fallos y la monitorización del convertidor. Al final de este apartado se muestra el esquema de alimentación, se analiza el consumo de los MOSFET y los sensores y se recopilan las pérdidas estimadas por los componentes internos del convertidor. Una vez terminado el diseño y selección de componentes, se muestran las simulaciones realizadas para prever el comportamiento del convertidor. Se presenta el modelo construido y las modificaciones instaladas para las diferentes simulaciones. Se destacan el diseño del regulador que introduce la entrada de corriente del convertidor para analizar su arranque, la construcción de una máquina de estados para analizar la detección de tensiones y corrientes fuera del intervalo correspondiente del correcto funcionamiento, y el modelo de MOSFET para simular los fallos posibles en estos dispositivos. También se analiza la influencia de la oscilación de la carga en los valores de tensión y en la resonancia del convertidor. Tras la simulación del equipo se describen las pruebas realizadas en los componentes magnéticos construidos dentro del periodo de elaboración de este trabajo: el transformador y la bobina externa, diseñada para mejorar el filtro resonante. La etapa final de este trabajo se ha centrado en la elaboración de un código de generación de señales PWM que controlen el funcionamiento de los MOSFET. Para esto se ha programado una tarjeta de control del procesador digital de señales (DSP)Delfino (TMS320F28335) instalado en una placa de experimentación (TMS320C2000), desarrollado por la empresa Texas Instruments, que facilita el acceso a los terminales GPIO y ADC del DSP durante el desarrollo del código, anexo a este documento.

Realineamiento por campo magnético en estructuras cilíndricas de cristal líquido nemático

En este artículo se presenta un análisis del realineamiento inducido por campos magnéticos aplicados sobre estructuras cilíndricas de cristal líquido nemático. Se analizan las dos posibles configuraciones moleculares, homeotrópica y homogénea,con campos longitudinales y transversales aplicados a ellas. Los resultados más significativos son la aparición de un campo umbral, para configuraciones homogéneas y campos transversales, y de un plano de moléculas que no sufren reorientación, para configuraciones homeotrópicas y campos transversales.

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.