avec la société SAFRAN ELECTRICAL & POWER, il a donc été choisi deux applications aéronautiques en adéquation avec le cœur de métier de l'industriel et propices à la montée en vitesse mécanique. Ces deux applications sont la ventilation qui est maitrisée par la division SAFRAN VENTILATION SYSTEMS de la société SAFRAN ELECTRICAL & POWER et la micro hybridation des hélicoptères supportée par SAFRAN HELICOPTER ENGINES. Ces deux applications sont présentées et analysées de manière à en extraire les points importants pour notre cadre d'étude.
1.5.1 Application de démarrage électrique de turbomachines pour la micro-hybridation des hélicoptères
Le terme d'avion plus électrique ne s'applique pas seulement aux avions, il serait sans doute plus juste d'employer l'expression « aéronef plus électrique ». En effet, au niveau des hélicoptères, une révolution autour de l'énergie électrique s'opère également. Le démarrage des turbomachines de manière électrique n'est pas la plus grande nouveauté, il s'agit plutôt de l'hybridation avec la possibilité de mettre en veille une turbine lors de la phase de croisière avec une assistance électrique à l'image du "Stop & Start" dans l'automobile. De plus, dans le but de minimiser l'impact de ce moteur électrique de forte puissance, sa vitesse de rotation mécanique est relativement rapide.
1.5.1.1 Description et fonctionnement du starter
La fonction première d'un starter est d'entraîner la turbine lors de son démarrage et de l'accompagner dans sa montée en vitesse avant que cette dernière puisse fonctionner par ses propres moyens de combustion. Ici le cas de figure considéré est un starter de turbomachines ayant une fonctionnalité supplémentaire en plus de celle de démarrage. En effet, la machine électrique est utilisée pour entraîner la turbine à basse vitesse lorsque celle-ci est en mode veille.
Les hélicoptères destinés à transporter des charges lourdes possèdent deux moteurs. Ce type d'appareil nécessite l'utilisation de ses deux moteurs à pleine puissance pour le décollage et arracher sa masse du sol. Or lors de sa croisière (cruise), un fonctionnement classique consiste à utiliser ses deux moteurs mais à une puissance réduite. Ce mode n'est pas optimal d'un point de vue de consommation d'énergie, c'est pourquoi, il est proposé un mode "efficient cruise mode" qui n'utilise qu'un seul moteur pour la propulsion, le second est en mode vieille entrainé par le moteur électrique à faible vitesse. Les deux turbines peuvent être réutilisées à pleine puissance pour une manœuvre de trajectoire ou bien l'atterrissage (Figure 1-37).
Figure 1-37 Concept de l'hybridation pour les hélicoptères - [90]
Le moteur électrique haute vitesse aidant à la réalisation de cette hybridation a donc un fonctionnement à haute-vitesse lors du démarrage ou redémarrage de turbine qui est temporaire et une phase de mode vieille à basse vitesse et puissance réduite qui va durer la majeure partie du vol de l'hélicoptère comme le montre la Figure 1-38.
1.5.1.2 Profil de mission et caractéristique couple/vitesse
La description de la mission de vol d'un hélicoptère hybride avec la mise en veille d'une des deux turbomachines se traduit au niveau de la machine électrique haute-vitesse par le profil de couple-vitesse et le cycle de mission de la Figure 1-38. Figure 1-38
Figure 1-38 Profil de couple/vitesse (à droite) et cycle de mission (à gauche) pour l'application starter
L'étude de ce cycle de mission permet de distinguer deux phases de fonctionnement très différentes en tous points. En effet, il est possible d'identifier une phase haute-vitesse de durée très réduite, c'est-à-dire quelques dizaines de secondes et une phase à faible vitesse (environ 10% de la vitesse maximale) avec une faible puissance (moins de 20% de la puissance maximale) mais dont la durée est relativement très longue.
La phase basse vitesse correspond au moment où la turbomachine est en mode veille, soit durant la phase de croisière de l'hélicoptère qui dure quasiment tout le cycle mission soit plusieurs heures. D'emblée, il est possible de dire que le rendement de cette phase doit être l'objet d'une attention particulière pour le maximiser afin d'assurer la tenue thermique du moteur.
Ω, vitesse mécanique t, temps basse vitesse Vitesse maximale 60krpm Majorité du cycle de fonctionnement à basse vitesse
Montée en vitesse, jusqu’à vitesse maximale arrêt Ω, vitesse mécanique faible couple Couple maximal Iso-puissance à puissance maximale Γ, couple moteur basse vitesse
A l'inverse, la phase haute-vitesse est transitoire, le rendement n'est donc pas primordial sur cette partie du cycle (il faut tout de même s’assurer que le pic de puissance dans cette phase soit encaissable thermiquement par la machine et l’électronique de puissance). En revanche, la machine électrique est une Machine Synchrone à Aimants Permanent (MSAP), il est donc important de s'assurer que les courants de phases sont bien contrôlés, même à haute-vitesse où la force électromotrice (fém) est maximale. Compte tenu de la nécessité de l’actionneur à fonctionner à haute-vitesse, le coefficient de couple (aussi le coefficient de la fém) doit avoir une valeur suffisamment faible pour assurer le contrôle des courants de phase avec la tension disponible même dans le cas où le bus DC prend sa valeur minimale. En limitant ce coefficient, il faut un courant de phase plus grand pour le même couple moteur, ce qui fait augmenter les pertes et le volume de l'alimentation dans le cas où celle-ci se compose uniquement d'un onduleur de tension directement connecté au travers d'un filtre au bus de tension DC. En effet, pour une application dont la vitesse de rotation est faible la majeure partie de son cycle de fonctionnement et la vitesse augmente jusqu'à sa valeur maximale sur une période transitoire courte de la mission comme c'est le cas de l'application starter dont le profil de couple et de mission sont donnés sur la Figure 1-38, il est important d'optimiser énergétiquement le point de fonctionnement basse vitesse tout en assurant le contrôle du moteur à haute-vitesse. C'est pourquoi, une étude détaillée au chapitre II justifiera le fait qu'un onduleur à Quasi Z-source (Figure 1-23) sera préféré dans ce cas car il va permettre d'obtenir la fonction Boost avec un minimum de composants actifs car l'élévation de la tension se fait par des courts-circuits de bras d'onduleur. Ainsi lors de la phase basse vitesse (majoritaire dans le cycle), l'alimentation va s'apparenter à l'association d'un filtre d'entrée suivi d'un onduleur de tension, proche à une alimentation classique. Et dans la phase de démarrage, la tension de bus sera survoltée pour s'adapter à la vitesse de rotation du moteur et garder le contrôle des courants de phase. De plus l'onduleur à quasi Z-source autorise le couplage de ses inductances de manière à rendre le courant d'entrée plat ce qui permet de réduire significativement le filtre de mode différentiel.
1.5.2 Application de ventilation et conditionnement d'air
Le conditionnement de l'air par l'énergie électrique et non plus via le réseau pneumatique (par exemple le Boeing 787 qui ne possède plus de réseau pneumatique - avion "Bleedless") est une fonction importante de l'avion plus électrique, cela représente une part non négligeable de la consommation électrique totale [91]. C'est pourquoi le conditionnement d'air sera la seconde application traitée dans ce travail de thèse. De plus, il s'agit d'une fonctionnalité se prêtant bien à la montée en vitesse pour réduire le volume de l'actionneur car à débit d’air égal, une vitesse de rotation plus élevée va permettre de diminuer le rayon des pales.
1.5.2.1 Description et fonctionnement d'un ventilateur
La spécificité des motoventilateurs (Figure 1-39) est d'évacuer les calories au sein d'un système par la génération d'un débit d'air. Le ventilateur est principalement dimensionné par son débit d'air massique nécessaire au refroidissement.
Il existe trois grands types de ventilateur; le ventilateur axial, le ventilateur centrifuge et le ventilateur mixte (Figure 1-40). Chacun possède un champ d'application qui lui est dédié [91].
Figure 1-39 Coupe d'un ventilateur [91] Figure 1-40 Les principaux types de ventilateur [91]
Dans les avions plus électriques comme l'AIRBUS A380, la ventilation est utilisée à plusieurs niveaux ( Figure 1-41), ce qui fait de cette fonction une grande consommatrice d'énergie.
Figure 1-41 Les différentes ventilations de l'AIBUS A380 [91] 1.5.2.2 Profil de mission et caractéristique couple/vitesse
Le profil couple/vitesse et le cycle de mission d'un ventilateur (Figure 1-42) sont relativement simples comparés au cas d'un starter. En effet, le cycle de mission d'un ventilateur présente une phase transitoire rapide de montée en vitesse, pour atteindre son point de fonctionnement nominal. Pour ce qui est du couple de charge, il est classiquement de type polynomial d'ordre 2 par rapport à la vitesse de rotation.
Dans ce cas d'application, dans la majeure partie du cycle de mission, la machine opère à haute-vitesse avec un couple moteur maximal. Le moteur de type MSAP fonctionne donc en permanence en limite de tension.
Dans le cas d'une alimentation classique se réduisant à un onduleur de tension connecté directement sur le bus DC, comme pour le cas du starter, le coefficient de couple doit être limité afin de contrôler le courant sur toute la plage de fonctionnement du moteur même avec la tension de bus DC minimale. Cette limitation du coefficient de couple engendre alors de forts courants pour fournir le couple maximal et donc des pertes élevées dans l'onduleur. De plus, le fonctionnement permanent à haute-vitesse (fréquence électrique maximale) demande alors un pilotage rapide de l'onduleur devant cette fréquence importante, pouvant avoisiner 2000Hz.
Figure 1-42 Cycle de mission (à gauche) et Profil de couple de charge/vitesse (à droite) pour l'application ventilateur
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 cou p le d e ch a rge ( p .u ) vitesse mécanique (rpm)
Couple de charge vs vitesse mécanique
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 v it es se m éc a n iq u e (r p m ) temps (s) Profil de mission
1.5.2.3 Perspectives d'évolutions pour l'application ventilateur
En reprenant la Figure 1-41 présentant les différents types de ventilation de l'AIRBUS A380, il est possible de détailler les quatre niveaux en précisant pour chacun, la puissance et la masse en jeu afin de prendre conscience des enjeux de la réduction de masse sur chaque actionneur [91].
Ventilation cabine et cargo (17 fans):
puissance apparente: 100kVA
poids: 165kg Ventilation avionique (3 fans):
puissance apparente: 15kVA
poids: 45kg
Ventilation "unpressurized bay" (2 fans):
puissance apparente: 8kVA
poids: 15kg Ventilation des freins (16 fans):
puissance apparente: 12,5kVA
poids: 42kg
La puissance électrique totale consommée est de l'ordre de 128kVA dans le cas où tous les équipements fonctionnent à leur régime maximal en même temps. Cette puissance représente environ 21% de la puissance totale des générateurs (4 VSGs soit 4x150kVA pour l'A380) et une masse de 267kg soit environ 0,05%de la masse de l'appareil.
Un axe d'amélioration de cette fonction majeure des avions est la montée en vitesse ce qui permet d'optimiser la masse et le rendement.
Dans le cas d'une application de ventilation (Figure 1-42), le moteur fonctionne principale à haute-vitesse, il est important d'optimiser ce point de fonctionnement. Dans ce but, il est possible d'imaginer une stratégie de contrôle Pulse Amplitude Modulation [22], [26], [29], qui permet de séparer les fonctions "adaptation de la tension" et "aiguillage du courant de phase" tout en augmentant le couplage rotor-stator pour diminuer le courant de phase pour une meilleure optimisation de la chaine électrique.
1.5.3 Synthèse et conclusion sur le choix des architectures d’alimentation des applications visées
Au vue des observations faites précédemment, il semble que l'ajout d'un convertisseur DC/DC supplémentaire soit une alternative intéressante pour alimenter une MSAP haute-vitesse par rapport à une structure d'alimentation classique. Cependant, l'ajout d'un convertisseur DC/DC supplémentaire ne pourra être accepté seulement si le volume et la masse globale de l'architecture d'alimentation sont réduits en conservant le même niveau de pertes qu'une architecture classique. Dans la suite des travaux (chapitre II), un convertisseur à Quasi Z-source sera utilisé pour alimenter la MSAP haute-vitesse dans le cas de l'application starter alors que pour l'application ventilateur, l'association d'un convertisseur DC/DC (Boost simple, Boost entrelacé et QZS DC/DC) et d'un onduleur de tension avec une stratégie de contrôle PAM sera mise en place. Pour les deux applications, les architectures d'alimentation seront optimisées en termes de masse, volume, rendement et les résultats seront comparés au cas de la structure classique pour quantifier les gains.