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

1

Avion & électricitéde 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

• Systèmes de génération actuels

Etat de l’artEtat de l’art

Turbine

Système de génération électrique basé sur une GS à 3 étages

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

TurbineSystème

mécanique ou hydraulique

Système mécanique ou hydraulique

GS à 3 étages

= cte

Réseau de bord115V, 400Hz

Integrated drive generator IDG

Constant speed drive CSD




• Deux systèmes de génération électrique sur les réseaux de bord d’avion

Inconvénient : coût nécessaire à la maintenance du CSD

4

Convertisseurs MLI

Convertisseurs MLI

Turbine GS à 3 étages

Réseau de bord115V, 400Hz

Variable frequency generator VFG

Convertisseurs MLI

Convertisseurs MLI


• Deux systèmes de génération électrique sur les réseaux de bord d’avion

Inconvénient: dimensionnement en puissance du convertisseur

Autres structures de type VFG

Nécessité de diminuer les dimensions du conertisseur

5

Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe

Redresseur MLI

Redresseur MLI

MADA

MSAP

Turbine

Unité de commandeUnité de

commande

Réseau de bord115V - 400Hz

Charges RL,charges non-linéaires


Onduleur MLI

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

Ps

g.Ps

Système autonome

6

Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe

Redresseur MLI

Redresseur MLI

MADA

MSAP

Turbine

Unité de commandeUnité de

commande

Réseau de bord115V - 400Hz



Onduleur MLI

Onduleur MLI

• Cahier des charges :

- Génération autonome

- Puissance nominale à fournir : 50 kVA

- Plage de variation de la vitesse :

- 40% de Ns en hyposynchronisme

- 25% de Ns en hypersynchronisme

- Dimensions et poids les plus faibles possibles

7

Modélisation de la MADA Modélisation de la MADA

dt

diσL.i.ωσL.i.r

L

Mr.v

L

M.ω

L

M.φ

τL

Mv

dt

diσL.i.ωσL.i.r

L

Mr.v

L

M.ω

L

M.φ

τL

Mv

sqssdsssqr

2

r

srsrq

r

srrd

r

srrq

rr

srsq

sdssqsssdr

2

r

srsrd

r

srrq

r

srrd

rr

srsd

• Problématique : établir une modélisation exploitable du système

MADAMADARéseau

P* , Q*

Réseau

P* , Q*

Vs

Is

Vr

Équation de sortie impropre

rqsqrsrrdrrqrrq

rdsdrsrrqrrdrrd

v.iTM.φω.φT1dt

dφ

v.iTM.φω.φT1dt

dφ

Pour les besoins de la commande :

8

Stratégie de commande de la MADA 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 Vs 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

s

2s

sr

rrds

srs

rqssr

s

ω

3V

M

LV3

σM

σ1Q

V3σM

σ1P

9

• Schéma-bloc de la commande de la MADA :

Schéma-bloc de la commande de la MADA Schéma-bloc de la commande de la MADA

Qs

Ps

irq

isd

ird

isq

MADA +

charges

MADA +

charges

irdisq irq

Termes de couplage

Termes de couplage

isd isq

PI PI*

rq Vrd*

PI PI*

rd Vrq*

Estimateur du flux rotoriqueEstimateur du flux rotorique

rd

rq

-

- -

-

isd

Ki/s Ki/s

2sq

2sd VV 2

sq2

sd VV

sr

rs

M

LL

sr

rs

M

LLisq

Termes de couplage

Termes de couplage

isd isq

vsd

Vs*

vsq

-

-

10

• Cascade côté rotor :

Schéma de la cascade côté rotorSchéma de la cascade côté rotor

Redresseur MLI Onduleur MLI

~

=MSAP

N~

=

IondIred

Ic

MADAUc

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 Uc du bus continu

11

Modélisation de la MSAP en vue de la commande Modélisation de la MSAP en vue de la commande

• Equations d’état de la MSAP :

qqqqmsq

ddddmsd

EIdt

dLIRV

EIdt

dLIRV

avec

fddq

qqd

ωIωLE

IωLE

- Machine symétrique → Ld = Lq

• Commande de la MSAP :

- Objectif : Réguler Uc 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

Principe de commande de la MSAP Principe de commande de la MSAP

fddq

qqd

.I.L.V

I.L.V

qqdd V.IV.IP

• En régime permanent et en négligeant Rms :

• Iq fixe Vd et Uc limitant V → besoin d’une stratégie de défluxage

f

*q .

PI

(avec Ld = Lq)

d

f2qc

2lim*

dclim

*dclim

ωL

ωVUVIUVV

0IUVV

→ Iq* directement proportionnel à la puissance demandée ou renvoyée par la MADA

13

Principe de commande de la MSAP Principe de commande de la MSAP

• Régulation de Uc

qfredc IωIUP

ondredc II

dt

dUC

ondqc

fc

redf

cq

IIU

ωCp.U

Iω

UI

En supposant les pertes nulles :

Equation de base pour la régulation du bus continu:

14

Schéma-bloc de la commande de la MSAP Schéma-bloc de la commande de la MSAP

• Schéma-bloc de la commande de la MSAP

Iq

PI PI-

0

0

Id*

Id

V*d

U*c

Uc

PI PI

Iond

PI PIIq*

Iq

Termes de découplageTermes de découplage

Iq

Uc

I2

Id

- -

-

-

d

f

2*qq

2lim

L.

.I.L.V

d

f

2*qq

2lim

L.

.I.L.V

ω

Id ω

V*q

f

cU

*

f

cU

*

15

Résultats de simulation Résultats de simulation

• Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6Ns à 1.25Ns

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.6

0.8

1

1.2

N / Ns

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1x 10

4

Ps (W)

Qs (VAR)

Ps

Qs

0 0.5 10

50

100

150

200

250

Vs (V)

Vr (V)

Vs

Vr

0 0.5 10

100

200

300

400

Uc (V)

t (s) t (s)

t (s) t (s)

16

• Pont redresseur à 6 diodes

Ajout de charges non-linéairesAjout de charges non-linéaires

is1

is2

is3 C R

Uc

Ic

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

1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 370

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

harmonic rank

harm

on

ics

perc

en

tag

e

17

• Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6Ns à 1.25Ns après ajout des charges non-linéaires

Influence des charges non-linéairesInfluence des charges non-linéaires

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.6

0.8

1

1.2

N / Ns

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1x 10

4

Ps (W)

Qs (VAR)

Ps

Qs

0 0.5 10

50

100

150

200

250

Vs (V)

Vr (V)

Vs

Vr

0 0.5 10

100

200

300

400

Uc (V)

t (s)

t (s) t (s)

t (s)

18

• Influence des charges non-linéaires

Influence des charges non-linéairesInfluence 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

0.345 0.35 0.355-200

-100

0

100

200

Vs1

(V)

0.345 0.35 0.355-200

-100

0

100

200

Is1

(A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

10

20

30

THDVs

(%)

t (s)

t (s)

t (s)

19

Mise en place d’un filtre LC Mise en place d’un filtre LC

• Mise en place d’un filtre LC

• Avantages : structure simple, robustesse

• Inconvénients : introduction d’un élément supplémentaire qui augmente le poids et le volume du système

MA

DA

L , r Réseau

de bordC

is ig

ic

Vs Vg

• Emplacement : entre le stator de la MADA et le réseau

20


• Dimensionnement du filtre

sV

sI

1rLs

Cs1

ωs2mωs²

ω

sV

sI

s

res

2oo

2o

res

s

LC

1ω0

C

L2

rm avec

• TDHVres < 5% ωo = 6300 rad/s, m

• PJ < 1% 2s_nom

s_nommax

3I

0.01Pr

• L = 10% Ls 20Lω

1C

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

pulsations propres (rad/s)

TD

HV

res (

%)

21


• Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6Ns à 1.25Ns après la mise en place du filtre LC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.6

0.8

1

1.2

N / Ns

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1

0

1

2

3

4

5

6x 10

4

Ps (W)

Qs (VAR)

Ps

Qs

0 0.5 10

50

100

150

200

250

Vs (V)

Vr (V)

Vs

Vr

0 0.5 10

100

200

300

400

Uc (V)

t (s) t (s)

t (s) t (s)

22


• Formes d’onde au niveau de la MADA et du réseau

0.345 0.35 0.355-200

-100

0

100

200

Vs1

(V

)

0.345 0.35 0.355-200

-100

0

100

200

I s1 (

A)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

10

20

30

TH

DV

s (%

)

t (s)

t (s)

t (s)

0.345 0.35 0.355-200

-100

0

100

200

Vre

s1 (

V)

0.345 0.35 0.355-200

-100

0

100

200

I res1

(A

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

10

20

30

TH

DV

res (

%)

t (s)

t (s)

t (s)

23

Conclusion 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 – TDHVres important

• Mise en place d’un filtre LC

Tension du réseau régulée en amplitude et en fréquence avec TDH < 5%

24

Perspectives 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

25

?

Documents

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