Evolutions vers l’avion plus électrique

Evolutions vers l’avion plus électrique 

Sources d’énergie de bord

En aéronautique, le besoin énergétique des équipements embarqués tels que les commandes de vol, les équipements électroniques et les charges commerciales est important. L’énergie utilisée se présente sous différentes formes : hydraulique, électrique et pneumatique. Ces énergies, dites de servitude, permettent de garantir le fonctionnement de l’aéronef et d’assurer les performances, la sécurité et le confort. L’énergie pneumatique est obtenue par prélèvement d’air sur les compresseurs du moteur. Le prélèvement d’air permet principalement la pressurisation et la climatisation du cockpit et de la cabine. La génération de l’énergie hydraulique est obtenue par un entraînement mécanique à partir des moteurs à réaction. Elle est utilisée pour actionner les commandes de vol et elle permet la sortie et la rentrée du train d’atterrissage, ainsi que le freinage (LAN,05).

Concernant l’énergie électrique, elle est également obtenue par un prélèvement mécanique effectué sur le moteur. L’utilisation de cette énergie était à l’origine limitée aux calculateurs et instruments de navigation ; elle concerne aujourd’hui de nombreux équipements. Les réseaux hydrauliques et pneumatiques possèdent une forte densité de puissance permettant de remplir les principales fonctions au sein de l’aéronef, d’alimenter les charges de fortes puissances et de répondre aux variations brutales de puissance – ces performances restent difficiles à atteindre au niveau d’un réseau électrique. Par contre, le réseau hydraulique est constitué d’une tuyauterie rigide importante ; ainsi il présente d’une part, une masse considérable et d’autre part des risques de corrosion et d’incendie lors d’une fuite du liquide hydraulique, ce qui représente un inconvénient majeur à son intégration. Concernant le réseau pneumatique, les prélèvements d’air effectués sur les réacteurs pour maintenir la pression dans le circuit sanctionnent le rendement du réacteur. Par ailleurs, l’adoption de la philosophie d’avion « plus électrique » (ROS,07), a conduit à une augmentation permanente de la demande en électricité. Ce concept fait croître la proportion de cette énergie au détriment des autres. Elle est utilisée davantage, en particulier pour la gestion électrique des commandes de vol ou les servocommandes à puissance électriques. Cette évolution est principalement liée aux développements apportés aux nouvelles structures des réseaux de distribution électrique et aux avancées technologiques réalisées ces dernières années dans le domaine de l’électronique de puissance.

Avantages de la distribution électrique

L’apparition des avions de transport civils de nouvelle génération a entraîné de nombreux progrès dans la distribution des énergies embarquées. Ces évolutions ont engendré des modifications du réseau électrique afin de répondre aux différentes attentes des concepteurs et des utilisateurs. Parmi les améliorations qui ont été ainsi effectués jusqu’à l’heure actuelle, nous considérons celles introduites sur l’A380 qui a marqué l’histoire de l’aéronautique et ouvert la voie vers l’avion tout électrique. Nous pouvons ainsi citer les principaux changements:

➤ Augmentation du niveau de tension : la tension du bus principal est passée de 115V à 230V entre phase et neutre, à fréquence variable. Le passage d’une fréquence fixe (400Hz) à une fréquence variable (360-800Hz) permet de fournir une tension dont la fréquence subit les variations de vitesse du moteur. Ceci a permis de supprimer l’IDG (Integrated Drive Generator), l’organe mécanique chargé d’entrainer les alternateurs à vitesse fixe et conduit par la suite à un système plus fiable et de masse réduite.
➤ Transition vers le système hybride : le réseau hydraulique a conservé une place importante dans la conception du système en particulier au niveau des architectures hybrides « électro-hydraulique » tels que les EHA (ElectroHydrostatic Actuator) (CRO,96) mais il serait avantageux de le remplacer par un système mécanique et nous parlons ici d’EMA (Electro-Mechanical Actuator) (ROS,07), (DEL,08). Ces nouveaux systèmes représentent aujourd’hui plus d’un tiers des actionneurs à bord de l’avion. La partie électrique de ces actionneurs est composée d’un étage d’entrée constitué d’un pont de diodes puis d’un onduleur de tension commandé en courant, comme présenté en Fig.2. Le niveau de tension du bus continu de chaque onduleur est de 270 VDC. Cette évolution est un pas significatif vers la propagation de l’électricité dans le réseau de bord avionique, vus la rentabilité, la sécurité et le contrôle qu’elle assure.
➤ Passage au « Bleedless » : les charges électriques vont remplacer intégralement les charges pneumatiques, ce qui permet la suppression de l’ensemble du circuit pneumatique (voir Fig.3) ; les fonctions de pressurisation seront réalisées par des ECS (Environmental Cooling System) chargés d’assurer le conditionnement d’air électrique. Ceci mènera à un gain de masse et une augmentation de la puissance, étant donné que le réacteur pourra utiliser la totalité de l’air entrant pour la poussée.

Le remplacement des systèmes hydrauliques par des dispositifs hybrides, et les charges pneumatiques par des charges électriques imposent une nouvelle conception du réseau, une augmentation de la puissance électrique embarquée et le respect des contraintes avioniques qui exigent la sécurité de fonctionnement des équipements.

Projets PREMEP et ISS

Les recherches et développement sur l’avion plus électrique, où les systèmes hydrauliques et pneumatiques équipant les appareils actuels seront remplacés par des systèmes électriques, sont très actifs depuis plusieurs années ; c’est dans ce cadre que les projets PREMEP (AER) et ISS (Innovative Solutions for Systems) s’inscrivent. Ils ont comme objectifs la définition et la conception de systèmes électriques prévus pour être embarqués dans les nouvelles générations d’avions. Le projet PREMEP approuvé par Aerospace Valley, et porté par les sociétés Technofan, Liebherr Aerospace Toulouse, Cirtem, des PME régionales et le partenaire académique Laplace, a débuté en 2007. A noter que les travaux de cette thèse s’inscrivent dans la tache n°3 du 3éme lot de ce projet qui a pour objectif d’optimiser l’ensemble moteur électrique et électronique de commande dans l’environnement aéronautique embarqué pour le nouveau réseau d’alimentation électrique (230VAC et 540 HVDC) en particulier pour les futurs systèmes de conditionnement d’air, avec des applications potentielles à d’autres secteurs.

Le projet ISS a ressemblé des partenaires nationaux, acteurs majeurs de l’industrie aéronautique. Il a comme objectif d’établir de nouveaux standards industriels pour les systèmes électriques adaptés aux avions commerciaux.

Contribution de la thèse dans le cadre des projets PREMEP et ISS

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la thématique des réseaux de distribution de puissance embarqués de type HVDC. Pour l’ensemble des équipements d’un réseau HVDC intégrant une électronique de puissance et de contrôle, nous devons définir une méthodologie de caractérisation des équipements électriques permettant d’analyser la stabilité et la qualité de l’ensemble du système et étudier l’impact des phénomènes d’interactions entre équipements et réseau par rapport à la stabilité et la qualité du système complet. Nous nous sommes intéressés également à étudier et comparer les solutions curatives par actions logicielles ou ajout de matériel, permettant d’améliorer la stabilité et la qualité des réseaux, tout en minimisant les composants de filtrage, de façon à limiter les masses et les volumes embarqués.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 Contexte de l’étude et état de l’art
1.1. Introduction
1.2. Evolutions vers l’avion plus électrique
1.2.1. Sources d’énergie de bord
1.2.2. Avantages de la distribution électrique
1.2.3. Projets PREMEP et ISS
1.2.3.1. Description des projets
1.2.3.2. Contribution de la thèse dans le cadre des projets PREMEP et ISS
1.3. Les réseaux à courant continu et haut niveau de tension : HVDC
1.3.1. Présentation du réseau HVDC : contexte aéronautique
1.3.2. Réseaux électriques embarqués maillés
1.3.3. Problématiques liés à l’utilisation des réseaux HVDC
1.3.4. Couplage entre les équipements et le risque de stabilité
1.4. Normes standards de qualité des réseaux électriques embarqués
1.4.1. Qualité de l’électricité
1.4.2. Qualité du réseau électrique embarqué : Problématique des harmoniques
1.5. Quelques structures des cellules de filtrage
1.5.1. Filtre passif
1.5.2. Filtre actif
1.6. Analyse de stabilité
1.6.1. Introduction
1.6.2. Les critères de Middlebrook
1.6.3. Le critère de Routh-Hurwitz
1.6.4. Etude comparative
1.7. Conclusion
Chapitre 2 Modélisation des équipements électriques embarqués
2.1. Introduction
2.2. Modélisation des équipements : détermination de l’admittance équivalente
2.2.1. Présentation de l’équipement
2.2.2. Mise en équation
2.2.3. Détermination des paramètres de l’admittance
2.2.3.1. Les paramètres de l’équipement
2.2.3.2. Les paramètres de la boucle de régulation
2.2.4. Modélisation automatique de l’équipement
2.3. Modélisation des charges par simulation numérique
2.3.1. Principe de la modélisation numérique
2.3.2. Automatisation de la démarche de caractérisation
2.4. Approche expérimentale
2.4.1. Introduction
2.4.2. Dispositif de caractérisation expérimentale de l’équipement
2.4.3. Description des éléments du dispositif expérimental
2.4.3.1. Principe de la commande numérique
2.4.3.2. L’environnement de supervision
2.4.3.3. Caractérisation du condensateur d’entrée du hacheur
2.4.4. Caractérisation de l’ensemble : hacheur dévolteur et la charge RL
2.4.5. Caractérisation des équipements aéronautiques embarqués
2.4.5.1. Drive Laplace
2.4.5.2. Caractérisation du drive Technofan
2.4.5.3. Etude du modèle du drive Liebherr
2.5. Conclusion
Chapitre 3 Identification des modèles équivalents des équipements
3.1. Introduction
3.2. Recherche optimale des paramètres du modèle équivalent : « System d’identification Toolbox »
3.2.1. Présentation
3.2.2. Principe
3.2.3. Décryptage et automatisation de code de processus d’identification
3.2.3.1. Description de l’approche
3.2.3.2. Présentation d’un exemple d’identification
3.2.4. Explication
3.3. Recherche optimale des paramètres du modèle équivalent : Algorithme génétique
3.3.1. Introduction
3.3.2. Les Algorithmes Génétiques avec méthodes de nichage
3.3.2.1. Définition de l’algorithme
3.3.2.2. La méthode d’éclaircissement : CLR (Clearing)
3.3.3. Application à l’identification d’un système fréquentiel
3.3.3.1. Présentation des critères de modélisation
3.3.3.2. Les contraintes
3.3.3.3. Processus d’optimisation
3.3.3.4. Résultat
3.4. Conclusion
Conclusion Générale

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