Soutenance mémoire
Fonctionnement de la conception hybride du système d’alimentation de secours
REVUE DE LA LITTÉRATURE
Dès le début de la mise en œuvre de ce projet, il est apparu que plusieurs domaines devaient être approfondis pour la conception du système d’alimentation hybride. Tout d’abord, de l’information sur la génération et la distribution électrique d’un aéronef doit être trouvée afin de bien comprendre les particularités se trouvant dans les appareils. Par la suite, puisque le nouveau système hybride d’alimentation de secours est conçu pour un avion de type plus électrique, il est important de trouver des renseignements sur ce type d’aéronef. Finalement, de l’information sur l’assemblage éolien (assemblage RAT) du système d’alimentation d’urgence doit être obtenue. Ces informations sont nécessaires pour bien modéliser l’éolienne et le générateur d’urgence de l’avion. 1.1 Architecture électrique des aéronefs Pour faire un travail adéquat sur le système d’urgence d’un aéronef, il est important de bien comprendre la distribution électrique et les divers systèmes utilisés dans l’aviation commerciale. La recherche d’informations est effectuée sur les avions de Bombardier Aéronautique (B.A.) puisque ce mémoire traite de ces avions. Suite à la lecture de maints documents techniques divers renseignements sont trouvés. Tout d’abord, la tension ca dans l’avion Global Express de B.A. est produite par l’intermédiaire de quatre générateurs à fréquence variable (VFG). Deux générateurs sont mécaniquement couplés au moteur gauche et il en est de même pour les deux autres générateurs qui sont couplés au moteur droit. Les paramètres de chacun des générateurs est 200V, 40kVA, 3 phases, 324- 596Hz L’autre élément alimentant le réseau ca de l’avion est le groupe auxiliaire de puissance (APU). Ce générateur se trouvant dans le cône de la queue, alimente l’appareil en électricité lorsque ce dernier est au sol. Il peut aussi être utilisé lors d’une situation d’urgence au cours d’un vol. Cependant, un autre système doit être disponible puisque le démarrage de l’APU n’est aucunement garanti en altitude. Ce système est l’assemblage ram air turbine (RAT), ce dernier est utilisé lorsqu’il y a un problème avec l’alimentation électrique ou s’il y 4 a une perte des moteurs. Le rôle du générateur du RAT est de fournir en tension le bus ca essentiel (AC ESS BUS) de l’appareil au cours de la situation d’urgence. La turbine éolienne du RAT du Global Express est aussi couplée à une pompe hydraulique qui alimente le système hydraulique numéro 3 (SYSTEM 3). La tension cc de 28V est quant à elle fournie par quatre unités transformateur-redresseur (TRU) de 150A. Ces unités (TRU 1, TRU 2, ESS TRU 1, ESS TRU 2) sont branchées sur le réseau ca. En plus de ces quatre unités, la tension cc peut être produite par deux batteries nickel-cadmium (Ni-Cd) se trouvant à l’intérieur de l’avion ou bien par les batteries de l’APU. Les batteries Ni-Cd sont utilisées en paire en situation d’urgence et elles peuvent fournir l’aéronef en puissance cc pour un minimum de 15 minutes. De plus, elles fournissent l’entièreté de la puissance électrique avant que le RAT soit actif ou lorsque la vitesse de l’appareil n’est plus suffisante pour faire tourner la turbine éolienne. Chacune des batteries possède son propre chargeur, le chargeur la maintient en tout temps à pleine charge lors de conditions de vol normales. Lors d’une situation d’urgence seulement le bus d’urgence (DC EMERGENCY BUS), le bus des batteries (BATT BUS) et le bus essentiel (DC ESS BUS) demeurent actifs. La Figure 1.1 montre le système de génération et de distribution électrique (EPGDS) du Bombardier Global Express. Les diagrammes détaillés de la distribution électrique du réseau ca et du réseau cc sont fournis à l’ANNEXE I. 1.2 Avion plus électrique Alors que la compétition devient de plus en plus grande dans le monde du transport aérien, la marge de profit des transporteurs devient de plus en plus faible. En ajoutant à cela le prix du carburant qui augmente, il est maintenant plus difficile pour les compagnies d’engendrer des profits. Une nouvelle approche de conception des aéronefs est alors envisagée par les 6 manufacturiers pour permettre une réduction des coûts d’exploitation et de maintenance. Effectivement, ces coûts sont hautement problématiques puisqu’à long terme ce sont eux les plus dommageables pour les transporteurs aériens. L’avion plus électrique (MEA) est une nouvelle façon de concevoir le système d’alimentation des aéronefs [6]. Comme son nom l’indique, ce concept met en œuvre une approche plus électrique pour l’alimentation en énergie de plusieurs composantes. Cette nouvelle façon de faire est avantageuse puisqu’elle permet de remplacer les alimentations hydrauliques centralisées dans les aéronefs. En effet, un avion de ce type utiliserait des actuateurs de type électro-hydrostatique (EHA). La particularité de ces actuateurs est qu’ils possèdent une alimentation hydraulique locale. La Figure 1.2 et la Figure 1.3 montrent les différences entre la distribution de puissance conventionnelle et celle dans les avions futurs aéronefs de type MEA. En observant les deux figures, on aperçoit que l’énergie électrique est beaucoup plus utilisée dans l’avion de type MEA. En fait, son utilisation consiste surtout à amener la puissance et les signaux de contrôle aux diverses composantes. On constate que les contrôles primaires et secondaires ainsi que le train d’atterrissage possèdent maintenant des sources d’énergie hydraulique locales. Moins de tuyauterie hydraulique est donc nécessaire. De plus, moins de pièces mécaniques mobiles sont utilisées puisqu’aucune boite de transmission n’est maintenant nécessaire au bon fonctionnement de l’appareil. Ces particularités amènent des coûts de maintenance moins élevés pour les futurs opérateurs des avions plus électriques. Cependant, bien que les coûts de maintenance peuvent être moins grand grâce à cette nouvelle approche, il peut en être tout autre des coûts d’exploitation des aéronefs de type MEA. En effet, il est important que les futurs avions de ce type possèdent des convertisseurs énergétiquement efficaces. C’est-à-dire qu’ils ne doivent pas produire de grandes pertes de chaleur puisque cela entraîne un surdimensionnement des systèmes de refroidissement. Des systèmes de refroidissement trop volumineux entrainent une augmentation du poids de l’aéronef et par le fait même une augmentation de la consommation de carburant. En effet, bien que la tuyauterie hydraulique ne soit plus présente sur un MEA, des études ont prouvé 8 que des convertisseurs électriques mal dimensionnés amènent une masse supérieure à un avion de type standard où le système hydraulique central est présent. Donc, l’avion MEA offre une réduction de la consommation du carburant seulement si les convertisseurs sont très efficaces. Aussi, ces avions coûteront moins chers à produire à mesure que les nouvelles technologies des actuateurs EHA et de l’électronique de puissance évoluent. Le but ultime étant de faire un avion complètement électrique où les systèmes hydrauliques sont localisés et où les systèmes pneumatiques sont absents. 1.3 Assemblage RAT Peu d’informations sont disponibles sur les systèmes d’alimentation d’urgence dans les aéronefs. En effet, seulement quelques schémas du système d’alimentation d’urgence ont été fournis par Bombardier Aéronautique. De plus, les données techniques de l’éolienne et du générateur électrique sont maintenues confidentielles par les manufacturiers. Cependant, après maintes recherches, la thèse d’un étudiant de Toulouse se trouve être la meilleure source d’information pour la modélisation de l’assemblage RAT. Au cours de cette thèse [1], l’auteur développe un modèle de type Bond Graph du RAT tout en présentant les diverses particularités du système d’alimentation de secours. La Figure 1.4 illustre l’assemblage RAT standard.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Architecture électrique des aéronefs
1.2 Avion plus électrique
1.3 Assemblage RAT
CHAPITRE 2 PRÉSENTATION DU NOUVEAU CONCEPT
2.1 Introduction
2.2 Mise en contexte de la problématique
2.3 Système électrique d’urgence existant dans les aéronefs de B.A.
2.3.1 Configuration RAT du Bombardier Global Express
2.3.2 Configuration RAT du Bombardier CRJ-900
2.4 Choix des caractéristiques pour le modèle de simulation de l’assemblage RAT
2.5 Nouvelle conception hybride du système d’alimentation d’urgence
2.5.1 Choix de la source d’énergie parallèle à l’assemblage RAT
2.5.2 Fonctionnement de la conception hybride du système d’alimentation de
secours
2.5.2.1 Architecture du système
2.5.2.2 Asservissement du système
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 PRÉSENTATION DES MODÈLES DE SIMULATION
3.1 Introduction
3.2 Assemblage RAT
3.2.1 Turbine éolienne
3.2.1.1 Environnement de la turbine éolienne
3.2.1.2 Caractéristiques aérodynamiques de la turbine éolienne
3.2.1.3 Système d’orientation des pales
3.2.1.4 Modélisation de la turbine éolienne
3.2.2 Générateur électrique
3.2.2.1 Caractérisation du générateur
3.2.2.2 Asservissement du générateur
3.2.2.3 Modélisation du générateur électrique
3.2.3 Essai de l’assemblage RAT
3.3 Accumulateurs aux ions de lithium
3.3.1 Présentation du modèle
3.3.2 Spécifications des accumulateurs
3.4 Convertisseur cc-cc
3.4.1 Topologie du convertisseur
3.4.1.1 Analyse en régime permanent du convertisseur élévateur
3.4.1.2 Équations d’ondulation du convertisseur élévateur
3.4.1.3 Valeurs des composants du convertisseur élévateur
3.4.2 Contrôleur du convertisseur
3.5 Convertisseur ca-cc
3.5.1 Topologie du convertisseur
3.5.1.1 Principe de fonctionnement du convertisseur ca-cc
3.5.1.2 Dimensionnement du filtre LC
3.5.2 Contrôleur du convertisseur
3.6 Résistance de freinage
3.6.1 Topologie du circuit
3.6.2 Contrôleur du circuit
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATIONS
4.1 Introduction
4.2 Présentation des charges électriques
4.2.1 Charges communes aux deux simulations
4.2.2 Pompe hydraulique
4.3 Simulation d’un aéronef de type Bombardier Global Express
4.4 Simulation d’un aéronef de type Bombardier CRJ
4.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I DÉTAILS DU SYSTÈME DE GÉNÉRATION ET DE DISTRIBUTION
ÉLECTRIQUE (EPGDS) DU BOMBARDIER GLOBAL EXPRESS
ANNEXE II CONTRÔLES DE VOL PRIMAIRES ET SECONDAIRES DU
BOMBARDIER GLOBAL EXPRESS
ANNEXE III CIRCUITS HYDRAULIQUES DU BOMBARDIER
GLOBAL EXPRESS
ANNEXE IV PRÉLÈVEMENT DE DONNÉES SUR UNE FICHE TECHNIQUE
D’UNE CHARGE ÉLECTRIQUE DU BOMBARDIER CRJ-900
ANNEXE V DISPOSITION DES CHARGES ÉLECTRIQUES À
L’INTÉRIEUR DU BOMBARDIER CRJ-200
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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