Critères fonctionnels

L’objectif de ce travail est de contribuer à la démarche de recherche de généricité en identifiant les standards topologiques répondant à l’ensemble des besoins fonctionnels. Les applications recensées précédemment concernent essentiellement les systèmes d’entraînement à vitesse variable. En considérant une chaîne générique de traitement de l’énergie d’un variateur de vitesse (figure I.15), plusieurs fonctions de conversion apparaissent déjà. D’autres applications encore sont susceptibles d’être présentes en observant l’ensemble du réseau électrique et ses éventuelles évolutions.

figure I.15 : fonctions de conversion pouvant composer une chaîne "type" de variation de vitesse

I.2.2.1 Conversion alternatif-alternatif

L’autopilotage d’une machine électrique requiert d’adapter l’énergie provenant du réseau alternatif. La conversion est effectuée en deux étapes par des étages distincts alternatif-continu et alternatif-continu-alternatif. Cette structure indirecte est traditionnellement avantageuse par rapport aux convertisseurs directs alternatif-alternatif, car elle procure plus de degrés de liberté pour le réglage des formes d’onde côté réseau et côté moteur, le filtrage sur le bus continu est plus aisé, elle est plus modulaire et elle permet d’envisager une tolérance de panne. Toutefois, les convertisseurs matriciels connaissent un regain d’attention et des prototypes aéronautiques sont proposés [WHE03] [KLU02] ; s’ils permettent de réduire le nombre de composants et peuvent bénéficier d’une plus forte intégration, la commande, la commutation et le filtrage côté réseau sont plus délicats.

I.2.2.2 Conversion continu-alternatif

La fonction onduleur triphasé (figure I.16), dédiée à l’autopilotage de machines tournantes, est le convertisseur commandé le plus répandu dans les réseaux actuels d’avions "plus électriques". La tension du bus continu étant fixée par des redresseurs passifs de type hexaphasé ou dodécaphasé, elle vaut 270V sans considérer de chute de tension ou de fonctionnement dissipatif sur le bus continu. Cette application est développée dans les chapitres II et III.

Le Static Inverter mentionné précédemment (cf. I.1.2.1) est un onduleur monophasé qui permet de fournir une tension alternative 115V/400Hz à partir des batteries du réseau secondaire 28V. Une topologie classiquement employée associe un hacheur survolteur de type

Chapitre I

figure I.16 : onduleur triphasé figure I.17 : onduleur monophasé (convertisseur indirect)

D’autre part, l’évolution des réseaux risque d’entraîner une multiplication des charges polluantes telles que les redresseurs passifs, ce qui peut impliquer un recours au filtrage actif. Par exemple, dans une configuration parallèle (figure I.18), un filtre actif a pour rôle de compenser les harmoniques de courant occasionnés par ces charges non linéaires. La fréquence de commutation des interrupteurs doit être très supérieure aux composantes spectrales traitées.

Toujours dans le domaine des équipements de traitement de la qualité réseau, l’application UPFC (Unified Power Flow Controller) est à mentionner car elle peut être constituée de structures identiques à celle de l’onduleur triphasé mentionné plus haut. L’UPFC permet de gérer les échanges d’énergie sur une partie d’un réseau alternatif triphasé maillé : aiguillage des puissances active et réactive, compensation des chutes de tensions et des composantes harmoniques de courant et de tension [FOC98] [MAK99]. Dans le cas cette fois de réseaux de distribution haute tension en courant continu (HVDC : High voltage Direct

Current), la structure MAPFC (Mixed function for Actuation and Power Flow Control) peut

être mentionnée ; elle est constituée de deux onduleurs triphasés connectés à chacune des extrémités des enroulements de la machine (figure I.20) et combine les fonctions actionneur et gestion des transferts de puissance entre deux réseaux continus [BAU05].

figure I.18 : filtre actif parallèle figure I.19 : redresseur actif triphasé

Modules génériques de conversion pour réseaux électriques aéronautiques

I.2.2.3 Conversion alternatif-continu

Le convertisseur alternatif-continu constitue l’étage d’entrée du variateur de vitesse. Dans les équipements actuels, il est pratiquement toujours passif, en particulier car il n’est pas autorisé à renvoyer de l’énergie sur le réseau. L’évolution des réseaux de bord pourrait toutefois amener cette norme à changer. Le chapitre IV de ce mémoire évoque l’application de modules génériques de conversion pour des topologies de redresseurs. Si la comparaison de ces structures est avant tout basée sur des critères de masse, il y est aussi fait état que certains équipements comprenant un redresseur hexaphasé ne respectent pas les normes de qualité réseau. Une solution peut résider dans le filtrage actif évoqué plus haut, mais si cela s’avère pénalisant, par exemple sur le plan du dimensionnement, il pourrait être plus viable de traiter le problème à la source en remplaçant chaque pont de diodes pollueur par un redresseur actif à absorption quasi-sinusoïdale de courant (PFC : Power Factor Corrector). Une topologie classique est présentée à la figure I.19 : elle est semblable à celle de l’onduleur triphasé décrit ci-dessus. De plus amples détails sont donnés au chapitre IV.

Une autre application est présente dans le réseau de distribution : il s’agit du redresseur dévolteur assurant la génération du réseau continu 28V à partir du réseau alternatif triphasé. Il est constitué d’un transformateur dont chacun des bobinages secondaires est relié à un pont de diodes double-alternance. Il est possible qu’à l’avenir cet équipement soit remplacé par un convertisseur commandé remplissant des fonctions annexes : le contrôle de la tension continue de sortie permettrait de laisser les batteries couplées en permanence sur le réseau 28V, constituant ainsi un tampon assurant l’élimination des coupures d’électricité sur le réseau continu.

I.2.2.4 Conversion continu-continu

La dernière famille de conversion peut être utilisée pour l’interconnexion de sources dans le but de faire du stockage d’énergie. Un exemple est fourni dans le chapitre IV, avec un hacheur permettant, lors des phases de freinage de l’actionneur, de stocker l’énergie renvoyée par l’ensemble machine-onduleur dans un banc de supercondensateurs. D’autres applications requérant une conversion continu-continu sont envisageables pour des sources de puissance (éléments de stockage tels que des volants d’inertie) ou des sources d’énergie (pile à combustible) mais elles restent encore à l’état de prospective.

Une première topologie envisageable de hacheur réversible en courant est représentée à la figure I.21. Les cellules de commutation peuvent également être parallélisées, avec des inductances couplées ou non, pour augmenter le calibre en courant (figure I.22). Enfin, l’association de cellules de commutation en différentiel (figure I.23) procure un degré de liberté supplémentaire pour le réglage de la tension de sortie (cf. chapitre IV).

Chapitre I

Cependant, le dimensionnement de ces convertisseurs directs est d’autant moins optimisé que le rapport entre les tensions d’entrée et de sortie est élevé, car la puissance silicium installée devient importante par rapport à la puissance traitée puisque chaque interrupteur est dimensionné pour les grandeurs électriques crêtes. Pour optimiser la compacité et le coût silicium, une alternative consiste à insérer un transformateur, soit dans un montage direct (exemple du fly-back faisant partie de la figure I.17), ou soit dans un montage indirect associant un onduleur et un redresseur monophasés, comme par exemple à la figure I.24.

Un autre type d’application peut être mentionné dans la perspective d’architectures à base de réseaux continus haute tension : le coupleur de réseaux nommé DCPFC (Direct

Current Power Flow Controller). Cette structure de type buck-boost comprend une

inductance pour gérer les transferts de puissance entre deux réseaux continus, par exemple pour en équilibrer les charges, en réguler la tension et secourir un réseau dont la génération serait en défaut [ENS05]. Si cette fonction introduit un point commun entre les réseaux et requiert donc une conception adaptée des architectures du point de vue de la sûreté de fonctionnement, elle préfigure une possible évolution vers des réseaux de distribution HVDC à disponibilité élevée.

figure I.24 : exemple de convertisseur continu-continu indirect figure I.25 : DCPFC

I.2.2.5 Synthèse topologique et fonctionnalités additionnelles

Cette vue d’ensemble non exhaustive des applications d’électronique de puissance montre qu’un nombre restreint de configurations de semi-conducteurs permet de satisfaire le plus grand nombre de topologies de convertisseurs. Le dénominateur commun topologique est une cellule de commutation bidirectionnelle en courant et unidirectionnelle en tension, ou "bras d’onduleur", dont les caractéristiques technologiques doivent permettre de remplir les fonctions envisagées de manière adéquate.

Un premier critère concerne les niveaux électriques des interrupteurs. Pour les applications basse tension (BT) envisagées, un calibre standard de 600V est adapté, puisque les redresseurs traditionnels délivrent à partir du réseau alternatif une tension continue de 270V et pouvant s’élever jusqu’à 450V environ en cas de transitoire réseau ou de renvoi d’énergie sur le bus continu. Les transistors sont donc préférablement de technologie IGBT ou CoolMOS si de hautes fréquences sont requises. Pour les applications avec une source très basse tension (TBT), l’utilisation de ces mêmes composants n’est pas forcément viable pour la raison d’optimisation du dimensionnement évoquée précédemment. Il peut donc sembler plus opportun de disposer de deux modules de conversion, l’un basse tension et l’autre très basse tension, chacun ayant un calibre en courant adapté à la gamme de puissance envisagée.

Un second critère concerne la fréquence de découpage, qui peut varier de manière importante entre les différentes applications. Certaines d’entre elles, spécifiques à

Modules génériques de conversion pour réseaux électriques aéronautiques

l’aéronautique, ont des performances fréquentielles supérieures à celles des applications industrielles classiques. Elles requièrent donc une fréquence de découpage suffisante (Fd>20kHz). Par exemple, dans le cas d’un redresseur actif, sa valeur doit être assez élevée pour être compatible avec la fréquence du réseau (jusqu’à 800Hz) et minimiser la taille des inductances de ligne nécessaires au filtrage du courant réseau. Le dimensionnement des interrupteurs cherche alors davantage à réduire les pertes par commutation. A l’inverse, pour l’alimentation d’une machine, il peut parfois être préférable de fonctionner à faible fréquence de découpage pour limiter les pertes par commutation et les contraintes de CEM : les interrupteurs ont alors plutôt intérêt à présenter des pertes par conduction réduites. Même si ces contraintes ne vont pas dans le même sens, un compromis peut être trouvé car il existe des modules opérant sur toute la gamme de fréquences. En ce qui concerne les applications TBT, la symbolique employée sur les schémas est celle de l’IGBT mais la technologie MOSFET peut être préférable pour l’étage TBT.

Sur le plan de la mise en œuvre, l’utilisation d’éléments de conversion modulaires est naturellement quelque peu antagoniste avec la notion d’intégration. La tâche de conception industrielle visant à assurer l’intégration des modules de conversion au sein des convertisseurs est donc complexe, d’autant plus que la masse et le volume sont souvent des contraintes primordiales dans la spécification des équipements aéronautiques. Par contre, cette propriété de modularité amène une prédisposition à la redondance qu’il peut être intéressant d’exploiter afin d’améliorer la disponibilité opérationnelle des systèmes sans dégrader la sécurité. Pour cela, il convient d’utiliser les redondances topologiques internes de convertisseurs pour leur conférer la capacité de tolérer une ou plusieurs pannes.

En utilisant des convertisseurs à tolérance de panne pour des équipements sensibles, comme par exemple des actionneurs de surfaces de commandes de vol, la plus grande disponibilité du système concerné se répercute directement sur le dispatch¹ des avions. Un bénéfice supplémentaire de tels convertisseurs découle du diagnostic interne permanent, qui constitue un facteur d’amélioration de la maintenance puisque l’identification des défauts est facilitée. La tolérance de panne peut donc contribuer à une baisse des coûts d’exploitation et une sûreté accrue des systèmes.

Ce principe constitue un sujet majeur de ce mémoire. Il est d’abord développé dans le chapitre II, où les topologies envisagées sont décrites et caractérisées par simulation. Pour les études expérimentales exposées au chapitre III, il a été conçu un prototype de module de conversion pour la mise en œuvre d’un onduleur capable de s’auto-protéger en cas de défaillance interne puis de se reconfigurer afin de maintenir son fonctionnement. Auparavant, dans la suite de ce chapitre, une application de référence va être définie pour les besoins de simulation.

Chapitre I