Dans ce premier chapitre, nous avons mis en évidence la problématique des réseaux DC à tension variable dans le cadre des avions "plus électriques" du fait de la génération de puissance électrique par des générateurs à vitesse variable (VSG), et plus particulièrement la prise en compte des contraintes qu'imposent cette variation de tension sur l'alimentation électronique des actionneurs électriques haute-vitesse.
La première section de ce chapitre a recentré la problématique dans son contexte en retraçant partiellement l'évolution de la puissance électrique et son utilisation dans les différents avions. Cela a aussi été l'occasion d'introduire les réseaux de bord plus
électriques de type "2E+2H" qui suppriment un circuit hydraulique pour le remplacer un circuit électrique avec l'exemple de l'AIRBUS A380. La section suivante a exposé les différentes normes aéronautiques et leurs attentes avant de conclure sur le choix de respecter la norme DO160 dans le cadre de ces travaux. Une fois l'environnement et le contexte des travaux ainsi que les contraintes qui y affèrent ont été introduits, la structure d'alimentation classique d'une MSAP haute-vitesse et son contrôle ont été étudiés pour mieux mettre en évidence les contraintes autour du dimensionnement de l'onduleur et l'intérêt d'utiliser une structure d'alimentation alternative utilisant un convertisseur DC/DC supplémentaire. En effet, nous avons montré que malgré la simplicité de son contrôle, la structure d'alimentation classique d'un MSAP haute-vitesse, comprenant un onduleur seul, présente le désavantage majeur d'avoir des contraintes importantes en courant et tension impliquant un surdimensionnement de l'onduleur et de son dissipateur, pénalisant la masse et le volume global de la chaine de conversion. C'est pour ces raisons qu'il a été dressé un aperçu des solutions utilisant une association convertisseur DC/DC - onduleur tout en tenant compte des contraintes de tension variable du bus DC, fréquence d'alimentation élevée de la MSAP, respect des normes CEM et compacité. Il a aussi été vu que l'ajout de ce convertisseur DC/DC supplémentaire, en plus de pallier les contraintes sur l'onduleur observées dans le cas de la structure classique, permet également de réaliser une stratégie de commande PAM réduisant a priori davantage les pertes de l'onduleur. Cependant, nous avons montré qu'ajouter un convertisseur dans la chaine de conversion augmente significativement l'ordre du système, pouvant entrainer des instabilités même si chacun des convertisseurs est séparément stable. Des éléments sur le contrôle de cette structure alternative ont été donnés pour montrer les contraintes et la difficulté de réaliser leur contrôle avec les commandes à base de régulateurs linéaires, nécessitant plusieurs boucles imbriquées. En effet dans ce cas, le réglage des dynamiques des différentes boucles imbriquées est assez complexe et la réponse dynamique de certaines variables devient relativement lente. C'est donc naturellement, qu'après avoir justifié le besoin d'introduire un contrôle global non linéaire du système, qu'un aperçu des commandes existantes est établi pour ne retenir que deux architectures de contrôle pouvant répondre à nos besoins : la commande par passivité et la commande basée sur la platitude.
Afin d'évaluer les architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC associées à leurs commande, nous avons retenu deux applications industrielles ; une application de démarrage de turbomachines et une application de conditionnement de l'air. Après avoir présenté les caractéristiques de chacune des applications, en termes de profil de couple/vitesse et profil de mission, il a été possible de faire le lien avec les structures d'alimentation présentées avant et en déduire a priori celles plus adaptées pour atteindre l'objectif de réduction de la masse, du volume à iso-pertes. Ainsi nous avons proposé de choisir l'onduleur à quasi z-source avec couplage magnétique des inductances pour l'application starter et une structure alliant un convertisseur DC/DC élévateur en cascade avec un onduleur et appliquant une stratégie de contrôle PAM pour l'application ventilateur.
Ces propositions de structures d'alimentation alternatives à la structure classique ne peuvent être validées que si la réduction de masse et volume à iso-rendement est effective, ce qui nécessite donc de mener une optimisation globale se basant sur des modèles analytiques de pertes et d'évaluation du volume et de la masse des différents éléments de la chaine de conversion. C'est alors que l'avant dernière section de ce chapitre introductif a établi un certain nombre de modèles analytiques permettant d'évaluer les pertes et le volume des différents constituants des actionneurs à structures d'alimentation retenues. Le chapitre se clôt sur un aperçu des différents algorithmes d'optimisation afin de déterminer le plus adapté à la comparaison des structures d'alimentation proposées par rapport à la structure classique et c'est l'algorithme de recherche exhaustive qui est retenu et sera utilisé au chapitre II. Le cœur de ces travaux de recherches traite de l'alimentation et de la commande d'une Machine Synchrone à Aimants Permanents haute-vitesse connectée à un réseau DC à tension variable généré à partir d'un VSG et ce pour les deux applications présentées précédemment: le démarrage de turbomachines et la ventilation comme l'illustre la Figure 1-51.
Figure 1-51 Placement de l'apport des travaux présentés Source DC 270Vn de tension variable Convertisseur DC/AC alimentant la machine haute-vitesse MSAP haute-vitesse Charge mécanique (ventilateur ou starter) ou Contrôle-commande de la MSAP HV et de son alimentation Domaine d’étude des travaux Norme DO160F Spécifications de l’application Ω Γ Ω Γ f dBµA
2 CHAPITRE II:
ETUDE DES ARCHITECTURES D'ALIMENTATION
D'UNE MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS
PERMANENTS HAUTE-VITESSE POUR DES
APPLICATIONS AVIONIQUES
2.1 Introduction
Comme il a été rappelé au chapitre I, la production de l'énergie électrique dans le cadre de l'avion plus électrique, est assurée par des Générateurs à Vitesse Variable dans le but de supprimer les boites à vitesse pour réaliser une réduction de masse considérable. En revanche, le principal inconvénient de cette approche est que l'amplitude de tension et la fréquence du réseau triphasé de distribution deviennent variables. De ce fait, la tension d'un bus DC issu de ce réseau par un redresseur non commandé à diode (TRU ou ATRU) est variable ; de 230V à 335V pour une tension nominale de 270V (lorsque la valeur efficace de la tension du réseau AC est fixée à 115V).
Ainsi dans le cas d'une structure d'alimentation classique d'un actionneur (Figure 2-1), la machine est connectée directement sur ce bus DC à tension variable au travers d'un onduleur de tension et d'un filtre d'entrée connecté électriquement en amont de l'onduleur de sorte à respecter les normes aéronautiques vu précédemment.
Figure 2-1 - Architecture d'alimentation classique d'une Machine Synchrone à Aimants Permanents
Il a été montré dans le chapitre I que l'inconvénient majeur de cette structure classique d'alimentation réside dans le fait qu'elle apporte un certain nombre de contraintes sur le dimensionnement du convertisseur DC/AC. C'est ainsi qu'une solution alternative (Figure 2-2) consistant à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur a été introduite dans l'objectif de réduire les contraintes sur le dimensionnement de la chaine de conversion d'énergie électromécanique.
La nature du convertisseur DC/DC supplémentaire va dépendre de l'application considérée, c'est donc naturellement que les deux applications, traitées dans ces travaux, ont été présentées: une application de conditionnement de l'air (ventilateur) et une application de micro hybridation des turbomachines. L'identification de ces deux cas applicatifs et leurs caractéristiques (profil couple/vitesse et cycle de mission) a permis de conclure partiellement à l'intérêt d'utiliser un onduleur à Quasi Z-Source (QZS) avec un couplage magnétique de ses inductances pour l'application d'hybridation et un convertisseur DC/DC élévateur assorti d'un pilotage PAM de la chaine pour l'application de ventilation (voir les sections 1.4.2.2 et 1.4.2.3). Cependant, il ne peut être conclu directement de l'avantage de ces nouvelles structures par rapport à la solution classique (Figure 2-1) par une étude plus approfondie. De ce fait, nous allons nous attacher à optimiser en termes de masse, volume et rendement ces nouvelles architectures d'alimentation d'une MSAP haute-vitesse pour les deux applications déjà citées et arriver au final à les confronter à l'architecture d'alimentation classique actuelle pour juger de leur intérêt.
DC AC Filtre d’entrée Réseau AC AC DC MSAP Bus DC 270Vn Norme DO160F Tension variable de 230V à 335V Charge mécanique
Figure 2-2 Architecture d'alimentation d'une MSAP haute-vitesse intégrant un convertisseur DC/DC
Dans une première partie, l'onduleur à Z-source et l'onduleur à Quasi Z-source sont étudiés dans le but d'alimenter un actionneur haute-vitesse dans le cadre d'une application starter pour le démarrage de turbomachines. Après avoir proposé une modélisation analytique du convertisseur et expliqué son principe de fonctionnement avec notamment la méthode d'insertion des courts-circuits de bras dans le motif MLI pour le pilotage de l'onduleur, il est montré qu'il est possible de coupler les inductances de ces convertisseurs afin de supprimer les perturbations de mode différentiel en entrée du convertisseur, côté DC. Cette première partie s'achève sur une optimisation globale de l'ensemble filtre d'entrée-onduleur à QZS-machine pour une application starter, ce qui permettra de voir que cette proposition de structure d'alimentation peut convenir pour remplacer la structure classique filtre d'entrée-onduleur-machine car elle permet de réduire le volume de l'alimentation sans dégrader le rendement global.
La seconde partie de ce chapitre est dédiée à l'étude de la structure filtre d'entrée-convertisseur DC/DC-onduleur-machine avec une stratégie de commande Pulse Amplitude Modulation pour une application de ventilation. Il est d'abord présenté le principe de la PAM et l'impact de cette structure sur la machine ce qui nous amène à proposer des solutions afin de limiter les harmoniques basses fréquences générées par le pilotage pleine onde de l'onduleur. Puis des modélisations analytiques des convertisseurs Boost simple, convertisseurs Boost entrelacés et convertisseurs QZS DC/DC sont proposées en vue de l'optimisation globale en termes de masse/volume de la chaine de conversion d'énergie constituée de filtre d'entrée-convertisseur DC/DC-onduleur-machine.
De plus, comme nous l'avons indiqué en fin du chapitre I, le dernier paragraphe propose une nouvelle topologie de convertisseur dans le but d'associer les avantages procurés par la topologie Quasi Z-source avec le couplage magnétique de ses inductances aux avantages d'une stratégie de pilotage PAM sur toute la plage de fonctionnement pour une application dont le besoin serait un fonctionnement majoritaire à basse vitesse (tension d'alimentation réduite) mais qui nécessiterait néanmoins un passage transitoire à haute-vitesse (tension d'alimentation élevée). Cette topologie s'apparente à l'association d'un convertisseur QZS et d'un convertisseur DC/DC Buck pour proposer une fonction buck-boost. Un modèle analytique de la structure est développé suivi d'une analyse des pertes suivant la stratégie de pilotage. Enfin cette nouvelle structure est comparée à d'autres convertisseurs DC/DC ayant une fonction buck-boost et existant déjà, comme le convertisseur Cuk. Cette comparaison montre que la topologie proposée permet de réduire l'énergie stockée dans les éléments passifs pour certaines applications dont la partie élévation de tension n'excède pas 30% du cycle de fonctionnement.