1 Avion & électricité de l’électrotechnique haute performance Commande d’un système de génération électrique pour réseau de bord d’avion Introduction de.

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1 1 Avion & électricité de l’électrotechnique haute performance Commande d’un système de génération électrique pour réseau de bord d’avion Introduction de charges non linéaires et mise en place d'un filtre LC Commande d’un système de génération électrique pour réseau de bord d’avion Introduction de charges non linéaires et mise en place d'un filtre LC F. Khatounian, C. Khatounian, E. Monmasson, F. Berthereau, J.P. Louis UMR 8029

2 2 Systèmes de génération actuels Etat de l’art Turbine  Système de génération électrique basé sur une GS à 3 étages - Prise de mouvement à vitesse variable Ne permet pas d’obtenir une tension à fréquence fixe → besoin d’un troisième élément

3 3 Turbine Système mécanique ou hydraulique GS à 3 étages   = cte Réseau de bord 115V, 400Hz Integrated drive generator IDG Constant speed drive CSD Etat de l’art Système mécanique ou hydraulique Deux systèmes de génération électrique sur les réseaux de bord d’avion Inconvénient : coût nécessaire à la maintenance du CSD

4 4 Convertisseurs MLI TurbineGS à 3 étages Réseau de bord 115V, 400Hz  Variable frequency generator VFG Convertisseurs MLI Etat de l’art Deux systèmes de génération électrique sur les réseaux de bord d’avion Inconvénient: dimensionnement en puissance du convertisseur è Autres structures de type VFG è Nécessité de diminuer les dimensions du conertisseur

5 5 Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe Redresseur MLI MADA MSAP Turbine Unité de commande Réseau de bord 115V - 400Hz Charges RL, charges non-linéaires Charges RL, charges non-linéaires Onduleur MLI Variable speed constant frequency VSCF Système fréquemment utilisé dans l’éolien et la microhydraulique Machine asynchrone à double alimentation Machine synchrone à aimants permanents PsPs g.P s Système autonome

6 6 Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe Redresseur MLI MADA MSAP Turbine Unité de commande Réseau de bord 115V - 400Hz Charges RL, charges non-linéaires Charges RL, charges non-linéaires Onduleur MLI Cahier des charges : - Génération autonome - Puissance nominale à fournir : 50 kVA - Plage de variation de la vitesse : - 40% de N s en hyposynchronisme - 25% de N s en hypersynchronisme - Dimensions et poids les plus faibles possibles

7 7 Modélisation de la MADA Problématique : établir une modélisation exploitable du système MADA Réseau P*, Q* Réseau P*, Q* VsVs IsIs VrVr Équation de sortie impropre Pour les besoins de la commande :

8 8 Stratégie de commande de la MADA Structure : - Boucles internes de régulation du flux rotorique - Boucle externe de régulation de la tension de réseau (tension statorique) Objectif : Commander V s en amplitude et en fréquence Principe : Commande vectorielle dans le but de découpler les puissances Choix du repère : - référentiel lié au champ statorique - flux statorique aligné avec l’axe d :  sd =  s et  sq = 0

9 9 Schéma-bloc de la commande de la MADA : Schéma-bloc de la commande de la MADA QsQs PsPs i rq i sd i rd i sq MADA + charges MADA + charges i rd i sq i rq Termes de couplage i sd i sq PI  * rq V rd * PI  * rd V rq * Estimateur du flux rotorique  rd  rq - - - - i sd K i /s i sq Termes de couplage i sd i sq v sd Vs*Vs* v sq - -

10 10 Cascade côté rotor : Schéma de la cascade côté rotor Redresseur MLI Onduleur MLI ~ = MSAP N ~ = I ond I red IcIc MADA UcUc Commande de la MADA Commande du bus continu Complexité : - Couplage mécanique ET électrique - Chaîne bidirectionnelle en énergie → Commander le redresseur afin de réguler la tension U c du bus continu

11 11 Modélisation de la MSAP en vue de la commande Equations d’état de la MSAP : avec - Machine symétrique → L d = L q Commande de la MSAP : - Objectif : Réguler U c à sa valeur nominale - Principe : Commande vectorielle – référentiel lié au flux inducteur Structure : - Boucles internes de régulation des courants statoriques - Boucle externe de régulation de la tension du bus continu

12 12 Principe de commande de la MSAP En régime permanent et en négligeant R ms : I q fixe V d et U c limitant V → besoin d’une stratégie de défluxage (avec L d = L q ) → I q * directement proportionnel à la puissance demandée ou renvoyée par la MADA

13 13 Principe de commande de la MSAP Régulation de U c En supposant les pertes nulles : Equation de base pour la régulation du bus continu:

14 14 Schéma-bloc de la commande de la MSAP IqIq PI -  0 0 0 Id*Id* IdId V*dV*d U*cU*c UcUc I ond PI Iq*Iq* IqIq Termes de découplage IqIq UcUc I2I2 IdId - - - - ω IdId ω V*qV*q

15 15 Résultats de simulation Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6N s à 1.25N s

16 16 Pont redresseur à 6 diodes Ajout de charges non-linéaires i s1 i s2 i s3 C R UcUc IcIc Réseau de bord Modélisation groupée de toutes les charges non-linéaires en un seul pont à diodes Réseau avec 50% de charges non-linéaires imposé par le cahier des charges

17 17 Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6N s à 1.25N s après ajout des charges non-linéaires Influence des charges non-linéaires

18 18 Influence des charges non-linéaires - Répercussion des harmoniques de courant sur la tension → MADA mauvaise source de tension → Nécessité de filtrer afin de réguler la tension du réseau

19 19 Mise en place d’un filtre LC A vantages : structure simple, robustesse Inconvénients : introduction d’un élément supplémentaire qui augmente le poids et le volume du système MADA L, r Réseau de bord C isis igig icic VsVs VgVg Emplacement : entre le stator de la MADA et le réseau

20 20 Mise en place d’un filtre LC Dimensionnement du filtre avec TDH Vres < 5%  ω o = 6300 rad/s,  m P J < 1%  L = 10% L s 

21 21 Mise en place d’un filtre LC Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6N s à 1.25N s après la mise en place du filtre LC

22 22 Mise en place d’un filtre LC Formes d’onde au niveau de la MADA et du réseau

23 23 Conclusion Présentation d’un système de génération VSCF basé sur une MADA. Principes de commande de la MADA et de la MSAP et simulations.  Régulation en amplitude et en fréquence de la tension de réseau sous une large plage de variation de la vitesse. Introduction de CNL : pont redresseur à 6 diodes.  Détérioration des formes d’onde et des résultats obtenus – TDH Vres important Mise en place d’un filtre LC  Tension du réseau régulée en amplitude et en fréquence avec TDH < 5%

24 24 Perspectives Meilleure modélisation de la charge : - répartition des charges non-linéaires (succession de ponts) - prise en compte des câbles (feeders) - introduction de déséquilibres au réseau Optimisation du filtrage : - filtre réparti ou charges à absorption sinus - réduction de l’encombrement du filtre (poids et volume) Optimisation du bus continu Comparaison des résultats de ce système avec les systèmes actuels

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