E Le système électrique avion EI - J3eA · Bras d’onduleur multiniveaux à trois cellules...

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Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique

Industrielle

Journées EEA

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18 – 19 mars 2004

Électronique de Puissance pour la qualité de l’énergiedes réseaux de bord d’avion

P. Ladoux, F. Richardeau, L. Raulin


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18 – 19 mars 2004

Le système électrique avionLe système électrique avion

Ex : A330-300 – Power generating systems

CSM/G

BAT 1 & 2BCL 1 & 2STAT INVEmergencypower centreTR ESS

RATBAT APUTR APU APU GEN

Primary power centreTR 1 & 2

IDG 1 & 2EXT PWR

Electrical System

Hydraulic System

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18 – 19 mars 2004

THS actuators

APU starter

Rudder actuators

Ex : A330-300 – Major power consumers (emergency configuration)

Electrical System

Hydraulic System

Windshield and windows anti-ice systems

Electronics (essentials loads)

Landinglight

Fuel pump

THS actuators

Braking system

Elevator actuators

Inboard aileron actuators

Outboard aileron actuators

Slats actuators

Le système électrique avionLe système électrique avion


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18 – 19 mars 2004

ProblématiqueProblématique de de maîtrisemaîtrise de de la la QualitéQualité RéseauRéseau

•• TENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demainTENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demain

–– Réseau & Consommateurs : de Réseau & Consommateurs : de plus forte puissanceplus forte puissance•• Puissance installée de la génération principale :Puissance installée de la génération principale :

»» A340A340 :: 300 kVA300 kVA»» A380A380 :: 600 kVA600 kVA»» MEA MEA ((More Electrical AircraftMore Electrical Aircraft) :) : ≥≥ 1 MVA1 MVA

–– Généralisation de l’Généralisation de l’Electronique de PuissanceElectronique de Puissance•• Etages de redressement passif 115VAC / 270VDCEtages de redressement passif 115VAC / 270VDC

»» 66--PulsesPulses»» 1212--PulsesPulses

•• Convertisseurs statiques pilotésConvertisseurs statiques pilotés»» Ensembles Onduleur/MoteurEnsembles Onduleur/Moteur»» Convertisseurs Convertisseurs AC/DC & AC/DC & DC/DCDC/DC

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18 – 19 mars 2004

ProblématiqueProblématique de de maîtrisemaîtrise de de la la QualitéQualité RéseauRéseau

•• TENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demainTENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demain

–– Réseau & Consommateurs : de Réseau & Consommateurs : de plus forte puissanceplus forte puissance•• Puissance installée de la génération principale :Puissance installée de la génération principale :

»» A340A340 :: 300 kVA300 kVA»» A380A380 :: 600 kVA600 kVA»» MEA MEA ((More Electrical AircraftMore Electrical Aircraft) :) : ≥≥ 1 MVA1 MVA

–– Généralisation de l’Généralisation de l’Electronique de PuissanceElectronique de Puissance•• Etages de redressement passif 115VAC / 270VDCEtages de redressement passif 115VAC / 270VDC

»» 66--PulsesPulses»» 1212--PulsesPulses

•• Convertisseurs statiques pilotésConvertisseurs statiques pilotés»» Ensembles Onduleur/MoteurEnsembles Onduleur/Moteur»» Convertisseurs Convertisseurs AC/DC & AC/DC & DC/DCDC/DC


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• CHARGES non-linéaires Distorsion sur la tension délivrée au POR

ProblProbléématiquematique de de mamaîîtrisetrise de de la la QualitQualitéé RRééseauseau

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• LA QUALITE RESEAU

– Risques et impacts :• Augmentation des pertes : sur-dimensionnement du système• Diminution du MTBF des équipements• Impact sur la performance des équipements

Un besoin :

–Maîtriser le THDV au “Point Of Regulation”

•En imposant des contraintes topologiques

•En évaluant des solutions de filtrage actif

EGIDE : contrôleur de FAN à absorption sinus

COMPENSATEUR PARALLELE

ProblProbléématiquematique de de mamaîîtrisetrise de de la la QualitQualitéé RRééseauseau


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FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES

Aucune modification des étages d’entrée des récepteursAucune modification des étages d’entrée des récepteursnon linéairesnon linéaires

fréquence de commutation élevée fréquence de commutation élevée

Tension de bus continu élevée Tension de bus continu élevée ?

frmax = 800 Hz Rang 25 : f = 20 kHz !

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E/2

vr vond

modulateurvond réf

E/2

g1

g2

g1 g2

Raccordement d ’un onduleur de tension sur le réseau



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L E/2

vriond

vond

modulateurvond réf

E/2

g1

g2

g1 g2



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18 – 19 mars 2004

L E/2

vriond

vond

modulateur

i

iréf

-+

PIvond réf

E/2

g1

g2

g1 g2




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Vsynchro

Iactif

L E/2

vriond

vond

modulateur

i

iréf

-+

PIvond réf

E/2

g1

g2

g1 g2


X


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Principe du filtrage actif parallèle

i ch

Σ I n

Réseau

i r

Z



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Réalisation d’un filtrage actif parallèle

Vsynchro

Iactif

L E/2

iondvond

modulateur

i -+

PIvond réf

vr

E/2

g1

g2

g1 g2

x

réseau

ich

FFT

ihréf

+

E

-+

PIE2

réf

E2x2


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Exemple de dimensionnement :

30 mΩ

20 µH

vr

ich

115 V – 800 Hz

thtItItih

hch I ωωπω )16sin(23sin23

cos2)(4

11631 ±++

−= ∑

=±

225

223

2,519

2,517

513

511

7,57

95

93

251

Valeur efficace (A)

Rang

tV .cos2 ω



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18 – 19 mars 2004

Exemple de dimensionnement :

ich(t)

vr(t)Simulation Psim


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Choix de la tension du bus continu

Détermination de la tension E :

Compensation des harmoniques jusqu’au rang 25 :Compensation des harmoniques jusqu’au rang 25 :

Tension délivrée par l’onduleur :

L

dtdi

Lvv ondrond +=

max

))((.2

a

ond

mtvMaxE =

th

tIti

hh

ond

I .)16sin(2

.3sin2)(4

116

3

ω

ω

±+

=

∑=

±

thL

tILtVtv

hh

rndo

I .)16cos(2..

.3cos2...cos2)(4

116

3

ωω

ωωω

±+

+=

∑=

±

ichir

vr

vond

iond



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Formes d ’ondes

Simulation Psim360 Vvond(t)

E = 800 V !

( L = 55 µH)


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Bras d’onduleur multiniveaux à trois cellules imbriquées

E/32E/3

fc = 75 kHzTransistors MOS

ALf

EId

4,5.36max ==∆

E/3 = 266 V

fdec = 225 kHz



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18 – 19 mars 2004

Formes d’ondes

iond(t)

vr(t)

vond(t)

vond réf(t)

Simulation Psim


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Formes d’ondes avec filtre LCSimulation Psim

iond(t)

vr(t)

ir(t)



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Un objectif double :Un objectif double :

Absorption sinusoïdale du courant intégrée à un convertisseur AC / DC

Régulation de la tension d'un bus DC

Mono / Tri 115 / 200VFixe 400Hz

Variable 360Hz / 800Hz

Bus régulé local ou distribué200V / 300V

REDRESSEURS ACTIFSREDRESSEURS ACTIFS

Cos ϕ ≈ 1, THDi ≈ 0

Critères de conception :Critères de conception :

Minimiser la masse des éléments passifs (inductances en particulier) et la masse (volume)d’un dissipateur. Il y a donc, a priori, un fréquence de découpage optimale vis-à-vis de laMasse globale de l’équipement

Examiner la conséquence d’un défaut au sein du convertisseur, établir une stratégie permettantde sécuriser le convertisseur, son environnement et de poursuivre le fonctionnement

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PFC "simple (économique)"PFC "simple (économique)"

α = 1 - |Vres| / Vbus

Tension découpée à l'entrée du CVSà deux niveaux : +Vbus , 0.

L = Vbus / (4. Fdec . K%. Imax)

Défaut en "court-circuit" du transistor : le bus est naturellement protégé, c'est la protection amont qui est sollicitée.

Défaut en "ouverture" du transistor : alimentation permanente du réseau sur le bus (type pont de diode),la tension moyenne du bus est diminuée.

Simulation Psim


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PFC "multiniveaux série"PFC "multiniveaux série"

Ve

Ve

Entrelacement des commandes : Tension 3N : 0, Vbus/2, Vbus.Doublement de la fréquence apparente.


Tension flottante stable (filtre équilibrant externe)

Tension flottante à stabiliser par la commande (α1-α2).

α1

α2

Défaut sur les interrupteurs : même effet qu'en deux niveaux, sauf si le défaut n'affecte qu'un seul transistor.

Ve

Ie

Ie

Vbus

Vbus

Simulation Psim

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Extension au Triphasé (non réversible)Extension au Triphasé (non réversible) 2 boost à cde séquentielle / bras

Cas identique au simple boost :


Phase 1 Phase 2 Phase 3

160V

-160V

200µH

50kHz

Défaut en "ouverture" du transistor : alimentation permanente du réseau sur le bus (type pont de

diodes), la tension moyenne du bus est diminuée.

2N par demi-période (0, Vbus) :

Vbus

Défaut en "court-circuit" des transistors d'un bras : le bus est naturellement protégé par les diodes,

c'est la protection amont qui est sollicitée (réseau).


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Onduleur de tension "triphasé"Onduleur de tension "triphasé"

Tension Bras 2 niveaux : ±VbusTension phase - neutre :(±2Vbus/3, ±Vbus/3, 0) pseudo 5 niveaux !Harmonique majoritaire à 2Fdec

Neutre

VbusA B C

VAN

Courants réseau

- le rapport cyclique est centré autour de 1/2, il n'est plus limité,aucune distorsion au passage par zéro de la tension.- le court-circuit d'un bras (2 transistors en série) est hautement critique -> CC du bus. Une protection locale et rapide est indispensable (intégrée au composant / driver).

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CONCLUSIONSCONCLUSIONS

Redresseurs actifsRedresseurs actifs

Solutions à moindre coût Solutions à moindre coût

Bonne disponibilité : marche dégradé possible Bonne disponibilité : marche dégradé possible

Filtre actifFiltre actif

Structure avec une commande complexe Structure avec une commande complexe

Electronique ultra Electronique ultra –– performante !performante !


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