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Actualmente, existe una fuerte tendencia en los nuevos diseños de aviones militares y civiles hacia el concepto de avión más eléctrico ó totalmente eléctrico. Esto es debido principalmente a la substitución de los sistemas mecánicos, neumáticos e hidráulicos por sistemas parcial o totalmente eléctricos. El concepto de avión más eléctrico presenta una serie de ventajas o mejoras frente a los aviones convencionales, desde el punto de vista de eficiencia, peso, volumen, impacto ambiental, etc. En estos aviones los tradicionales sistemas de distribución de potencia eléctrica (SDPE) son un elemento clave debido, principalmente, a los nuevos requisitos de demanda de potencia y las funcionalidades requeridas. Esto ha provocado que los nuevos sistemas eléctricos hayan evolucionado hacia nuevas arquitecturas de distribución, basadas en sistemas distribuidos, donde los tradicionales niveles de tensión 28 VCC y 115 VCA, han sido sustituidos por niveles de 270 VCC, ±270 VCC y 230 VCA. Los nuevos SDPE han originado que los aviones más eléctricos requirieran de un mayor número de equipos electrónicos, como son convertidores CC/CC, rectificadores, inversores y protecciones de estado sólido, que permiten hacer frente a las necesidades planteadas en estas nuevas arquitecturas. Un elemento clave de estos nuevos SDPE es la introducción de los controladores de potencia de estado sólido (SSPC) como elementos de protección del cableado y de control de las cargas eléctricas. Estos dispositivos permiten la sustitución de los magneto-térmicos y relés que se usan en los convencionales SDPE, los cuales presentan problemas de funcionamiento en los nuevos SDPE debido, principalmente, a los cambios en los niveles de tensión. Además, el desarrollo de la funcionalidad y nuevas capacidades de los SSPC está ligado a la configuración de las nuevas arquitecturas de los sistemas eléctricos, a los elementos con los que interaccionan, su localización dentro de la arquitectura y las cargas a las que se conectan. Dentro de estos sistemas, la conexión de determinadas cargas, como las altamente capacitivas, implica la necesidad de desarrollar nuevas estrategias de control orientados a mejorar el proceso de conexión de este tipo de cargas. En este trabajo de investigación, se ha realizado un análisis detallado de cinco procedimientos de conexión de cargas altamente capacitivas, mediante circuitos de control constituidos con elementos pasivos y activos. De este modo, se han presentado nuevos procedimientos de control activo de la corriente por el SSPC, aplicables durante la conexión, que permiten conectar cargas altamente capacitivas. Las estrategias de control activo, desarrolladas en esta tesis doctoral, que permiten la conexión de cargas muy capacitivas son: control activo por corriente constante, control activo por derivada de corriente constante, control activo generalizado y control activo por trayectoria óptima de la corriente. En cada uno de los métodos de conexión de cargas altamente capacitivas, se han definido ecuaciones sencillas que permiten calcular el condensador máximo que es posible cargar en función del tiempo de la conexión, la corriente nominal, la corriente máxima y el valor de la parte resistiva de la carga. Por otro lado, teniendo en cuenta el incremento de la complejidad de los nuevos SDPE embarcados, los modelos de los SSPC juegan un papel fundamental a la hora de reproducir el funcionamiento de estos componentes y anticipar posibles problemas de funcionamiento dentro de las nuevas arquitecturas. No obstante, los fabricantes de SSPC no proporcionan modelos de estos dispositivos. Por lo tanto, con el fin de analizar los efectos de estos nuevos dispositivos de protección en los sistemas embarcados, se hace necesario desarrollar nuevos modelos de SSPC, que permitan, en un primer lugar, predecir fallos de funcionamiento y, en segundo lugar, detectar los efectos introducidos por los SSPC en los sistemas una vez integrados junto al resto del componentes, simplificando el proceso de validación de la funcionalidad de todo el sistema. Por estas razones, otro de los objetivos planteados en esta tesis es el desarrollo de modelos que permitan validar el comportamiento de los SSPC, durante las diferentes fases del proceso de desarrollo y posterior integración dentro del SDPE. Así pues, en esta tesis se presentan dos tipos de modelos aplicables a los SSPC. El primero se denomina modelo estructural, y está basado en la estructura del componente. Este tipo de modelo es específico para cada fabricante de SSPC y tiene que ser modificado de acuerdo con la estructura interna de cada uno de los SSPC. El modelo permite detectar problemas durante las fases de diseño, previo al montaje final del dispositivo. En este modelo estructural se incluyen algoritmos, que permiten calcular los tiempos de activación de distintos tipos de protecciones (I2t, sobrecorriente, cortocircuito, etc.). El segundo modelo propuesto en la tesis es el basado en el modelado comportamental del SSPC. Este modelo se fundamenta en bloques, que son totalmente independientes de la estructura interna del SSPC. Esto permite configurarlo de acuerdo con las hojas de características proporcionadas por el fabricante y las medidas experimentales del dispositivo comercial. Otra de las ventajas de este modelo es la sencillez con la que se puede exportar a distintas plataformas de simulación. Los modelos comportamentales propuestos han sido validados con SSPC comerciales. Finalmente, en esta tesis se han desarrollado dos prototipos de SSPC. El prototipo final ha permitido validar experimentalmente las diferentes estrategias de control para la conexión de cargas altamente capacitivas mediante el uso del SSPC con tecnología MOSFET. Además, se han validado diferentes funcionalidades del SSPC, como puede ser la protección i2t, la protección contra cortocircuito, el efecto de la memoria térmica, y la disipación de la temperatura, etc. Por otra parte, se ha validado el modelo estructural y el modelo comportamental, a partir de las medidas experimentales sobre el prototipo construido. Por último, se han validado el funcionamiento del prototipo de SSPC con tecnología IGBT., There is a strong trend in the new designs of military and civil aircraft towards the concept of more or fully electric aircraft. This is mainly due to the replacement of pneumatic and hydraulic systems by fully or partially electrical systems. The concept of more electric aircraft presents a series of advantages and improvements in comparison with conventional aircraft, from the point of view of efficiency, weight, volume, environmental impact, etc. In these new aircrafts the electrical power distribution systems (PDS) are the key element, principally due to the new requirements of demanded power and the required functionality. Therefore the new electrical systems have evolved towards new distribution architectures based on distributed systems, where traditional voltages levels at 28 VDC and 115 VAC, have been replaced by levels of 270 VDC, ±270 VDC and 230 VAC. Because of these new PDS, more electric aircrafts require a greater number of electronic equipments, such as converters, rectifiers, inverters and solid state protections, that allow to fulfil the needs arising from these new architectures. One of the key elements of these new PDS is the introduction of the solid state power controllers (SSPC) as elements of wiring protection and control of the electrical loads. These devices allow to replace the magneto-thermal and relays that are used in the conventional SDP, since these conventional devices present operational problems in the new PDS, due mainly to the changes in the voltage levels. Furthermore, the development of the new functionality and capabilities of the SSPC are related to: the configuration of the new PDS architectures, the elements that interact, their location within the architecture and the loads to which they connect. Within these systems, the connection of certain loads, such as the highly capacitive loads, imply the need to develop new control strategies to improve the process the connection of such loads. In this research, a detailed analysis of five procedures for connecting highly capacitive loads has been done. The five procedures are implemented with control circuits made with passive and active elements. Therefore, new methods have been presented in order to obtain the active control of the current through the SSPC, applicable during connection period, which allow the connection of highly capacitive loads. The active control methods developed within this thesis are the following: active control with constant current, active control with slope constant current, generalized active control and active control by optimum trajectory current. Each method has been defined by simple equations that allow to calculate the maximum capacitor that is possible to be charged during the connection, as a function of the nominal current, the maximum current and the value of the resistive component part of the load. Taking into the account the complexity of the new onboard PDS, the SSPC models play a fundamental role when the function of the components is being reproduced to anticipate potential problems of operating within the new architectures. However, SSPC manufacturers do not provide models of these devices. In order to analyze the effects of these new devices of the onboard systems, it is necessary to develop new models of SSPC, which allow, on one hand, predicting malfunctions and, on the other hand, detecting the effects inducted by the SSPC in PDS when integrated with the rest of the components. Thus, these models allow simplifying the process of validating the functionality of the whole system. Therefore, one of the goals outlined in the thesis has been the development of the models that allow to validate the behaviour of SSPC during the different stages of the development process and their further integration in the PDS. In this thesis two types of models have been presented, that are applicable to the SSPC. The first type is a structural model, and it is based on the internal structure of the SSPC. This model allows to detect problems during the design phases, before final assembly of the device. The second model, which has been proposed in the thesis, is based on the SSPC behavioural modelling. This model is divided in blocks, which are entirely independent of the of the SSPC internal structure. Therefore, it can be configured according to the datasheets provided by the manufacturers and the experimental measurements of the commercial device. Another advantage of this model is that it can be easily exported to different simulation platforms. The proposed behavioural models have been validated with two commercial SSPC (DDC and Sensitron manufacturers). Finally, in this thesis have been developed two prototypes of SSPC. The final prototype allows verifying experimentally the different control strategies for connecting highly capacitive loads, using MOSFET technology. There have also been validated different SSPC functionalities, such as I2t protection, short circuit protection, thermal memory effect, etc. Moreover, there have been validated the structural and the behavioural model, based on the experimental measurements of the final prototype. Finally, the operating of the SSPC prototype based on IGBT technology has been also validated.

[ES] La industria aeronáutica genera alrededor del 1.3% de las emisiones de dióxido de carbono globales. Para solucionar este problema, se ha marcado el objetivo de reducir las emisiones de CO2 en un 75% antes de 2050. Para ello es esencial desarrollar e implementar nuevas tecnologías que aporten soluciones de ahorro de energía y bajo impacto medioambiental. En el sector de transporte, esta visión ha conducido a una mayor electrificación de los vehículos debido a la mayor eficiencia de estos sistemas. Durante los últimos 30 años, la comunidad científica se ha interesado en el avance hacia sistemas de aviación electrificados para desarrollar el Avión Más Eléctrico. Desde los inicios de la aviación, se ha producido una evolución constante en la forma de generar electricidad a bordo, con un continuo incremento de la potencia necesaria para cumplir con las necesidades del avión. Siguiendo esta progresión y las intenciones de la industria mencionadas, es necesaria la implantación de nuevas tecnologías de generación, gestión y distribución de la energía, con topologías de generadores más eficientes, electrónica de potencia de nueva generación y redes de distribución de alto voltaje, e.g. Realizando un estudio del arte de la generación de potencia a bordo, aparecen cuatro topologías que podrían utilizarse en el futuro Avión Más Eléctrico: máquinas de inducción, síncronas de campo bobinado, de reluctancia y de imán permanente; siendo estas últimas las más interesantes por su alta densidad de potencia, eficiencia y diseño compacto. Los principales proveedores de estas máquinas de imán permanente son investigadas y sus principales generadores comparados. En cuanto a los sistemas electrónicos de potencia, se estudian las diferentes interfaces junto con sus ventajas e inconvenientes; así como sus diferentes usos y aplicaciones y los últimos avances tecnológicos. Con el fin de proponer una arquitectura eléctrica adecuada para un futuro Avión Militar Más Eléctrico, se estudia primero la arquitectura eléctrica del Lockheed Martin F-35, el avión militar con la arquitectura eléctrica más avanzada; estudiando los diferentes programas hasta su desarrollo y analizando sus principales sistemas eléctricos: el sistema de actuación electro-hidrostática, de gestión térmico y de energía y el de potencia eléctrica. Finalmente, teniendo en cuenta los requisitos necesarios para conformar los subsistemas eléctricos del F-35, y el estado del arte de las tecnologías de generación y distribución eléctrica; se diseña con la librería Simscape Electrical en el entorno de simulación de Matlab Simulink un modelo de arquitectura eléctrica para el Futuro Avión Militar Más Eléctrico estable que es capaz de regular eficazmente la tensión; con el que se pueden realizar ensayos de perfiles de misión típicos y estudiar el comportamiento del conjunto. [EN] The aviation industry generates about 1.3% of global carbon dioxide emissions. To solve this problem, the goal has been set to reduce CO2 emissions by 75% by 2050. To achieve this, it is essential to develop and implement new technologies that provide energy-saving solutions with a low environmental impact. In the transport sector, this approach has led to the electrification of vehicles due to the greater efficiency of these systems. Over the last 30 years, the scientific community has been interested in moving towards electrified aviation systems in order to develop the More Electric Aircraft. Since the beginning of modern aviation, there has been a constant evolution in the manner in which electricity is generated on board, with a continuous increase in the power required to meet the aircraft's needs. Following this progression and the intentions of the industry mentioned above, the implementation of new power generation, management and distribution technologies is necessary, with more efficient generator topologies, new stateof- the-art power electronics and high voltage distribution grids, e.g. By studying the state of the art of on-board power generation, four topologies appear that could be used in the future More Electric Aircraft: induction, field-wound synchronous, reluctance and permanent magnet machines; the latter being the most interesting due to their high power density, efficiency and compact design. The main suppliers of these permanent magnet machines are reviewed and their main generators compared. Regarding power electronic systems, the different interfaces are studied together with their advantages and disadvantages; as well as their different uses and applications and the latest technological advances. In order to propose a suitable electrical architecture for a future More Electric Military Aircraft, the electrical architecture of the Lockheed Martin F-35, the military aircraft with the most advanced electrical architecture, is first explored, studying the different programs leading up to its development and analyzing its main electrical systems: the electrohydrostatic actuation system, the thermal and energy management system and the electrical power system. Finally, taking into account the necessary requirements to conform the electrical subsystems of the F-35, and the state of the art of electrical generation and distribution technologies; an electrical architecture model for the Future More Electric Military Aircraft is designed with the Simscape Electrical library in the Matlab Simulink simulation environment, which is capable of effectively regulating the voltage; with which typical mission profile tests can be performed and the behavior of the system can be studied.

En este Proyecto Fin de Carrera se presenta un estudio del estado de la técnica de las protecciones eléctricas en las Aeronaves. En este estudio se presenta el Controlador de Potencia de Estado Sólido o SSPC como la última y más moderna protección que se está implantando actualmente en los aviones, sustituyendo a los tradicionales Circuit Breakers. Pero debido a que el desarrollo de estos dispositivos es bastante reciente, el SSPC no tiene implantado aún algunas características que pueden ser desarrolladas gracias a la tecnología de estado sólido, la electrónica de potencia y los microcontroladores. Además en el poco tiempo que llevan en funcionamiento ya han mostrado algunos problemas. Una característica que no ha sido desarrollada todavía es el funcionamiento con altas cargas capacitivas las cuales podrían provocar sobrecorrientes que podrían dañar a los equipos y al cableado, además del propio SSPC. Es por ello por lo que uno de los objetivos de este proyecto ha sido el diseño y desarrollo de un SSPC que pueda conectar cargas altamente capacitivas. Además, debido a que las nuevas arquitecturas de los Sistemas de Distribución de Potencia en las aeronaves están cambiando a nuevos valores de voltaje, especialmente a 270VCC, este SSPC ha sido diseñado para este nivel de tensión. Finalmente, se ha diseñado y fabricado un prototipo de un SSPC que implementa estas funcionalidades, además de las que ya presentan los SSPCs actuales, y se ha comprobado que funciona correctamente tanto con cargas resistivas como capacitivas, y también bajo cortocircuitos y sobrecorrientes que pudieran provocar un arco eléctrico o fuego debido a la sobretemperatura en el cableado que esta aguas abajo del SSPC. _________________________________________________________________________ On this Final Degree Project it is presented a survey of the state of the art of the electrical protections in aircraft. This project is focused on the Solid State Power Controller or SSPC, which is the last and most modern protection introduced in the current airplanes, replacing the traditional electro-mechanical and thermo-magnetic Circuit Breakers. But due to the fact that the development of these devices is quite recent, the SSPCs have not implemented some features that could be developed using the state solid technology, the power electronic and the use of microcontrollers. On the other hand, in the little time that SSPC are working, they have shown some problems. A characteristic that has not been yet developed is the handle with high capacitive loads that could provoke over currents that could damage both the equipments and wiring, and also the SSPC. This is why one main objective in this project has been the design and development of a SSPC that can switch on high capacitive loads. Also, since new architectures of the Power Distribution Systems in aircraft are changing to new values of voltage, especially to 270VDC, this SSPC has been designed for that level of voltage. Finally, a prototype of a SSPC, which in addition to the current characteristics implements these new functions, has been designed, manufactured and proved that works properly under both resistive and capacitive loads, besides with short circuits and over currents which could provoke an arc fault or a fire due to the over temperature in the wiring downstream the SSPC. Ingeniería Industrial

El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera es el estudio del estado de la técnica referente al campo de las descargas eléctricas en sistemas embarcados. En este trabajo se identifican los problemas y las soluciones que se han descubierto hasta la fecha, relacionados con el campo de las descargas eléctricas, además se sintetizan y clarifican las leyes físicas que rigen este tipo de fenómenos. De esta forma se busca reunir en un único documento la información más importante y puntera sobre este tema. Se profundizará en el fenómeno de la formación y efectos de las descargas eléctricas, así como en las protecciones que se ofrecen actualmente en el mercado para este tipo de efectos. El estudio se centrará especialmente en el entorno de los sistemas embarcados aeronáuticos. Ingeniería Industrial