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En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSIT DE TOULOUSEDlivr par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP
Toulouse)Discipline ou spcialit :
Gnie lectrique
Prsente et soutenue par :M. HOUDHAYFA OUNISle mardi 8 novembre
2016
Titre :
Unit de recherche :
Ecole doctorale :
CONCEPTION INTEGREE PAR OPTIMISATION MULTICRITERE MULTI-NIVEAU
D'UN SYSTEME D'ACTIONNEMENT HAUTE VITESSE POUR
L'AVION PLUS ELECTRIQUE
Gnie Electrique, Electronique, Tlcommunications (GEET)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE)Directeur(s)
de Thse :
M. XAVIER ROBOAMM. BRUNO SARENI
Rapporteurs :M. JEAN-CLAUDE VANNIER, SUPELEC
M. STEPHANE BRISSET, ECOLE CENTRALE DE LILLE
Membre(s) du jury :1 M. GUY FRIEDRICH, UNIVERSITE DE COMPIEGNE,
Prsident2 M. BRUNO SARENI, INP TOULOUSE, Membre2 M. RAPHAEL
VILAMOT, LIEBHERR AEROSPACE TOULOUSE SAS, Membre2 M. XAVIER ROBOAM,
INP TOULOUSE, Membre
-
II
-
III
Conception intgre par optimisation multicritre multi-niveaux dun
systme dactionnement haute
vitesse pour lavion plus lectrique
Rsum :
Les avantages que prsentent les systmes lectriques par rapport
aux autres systmes (mcaniques, hydrauliques et pneumatiques) ont
permis dintensifier llectrification des systmes embarqus bord des
aronefs : cest le concept davion plus lectrique. Dans ce contexte,
lapproche de conception intgre par optimisation (CIO) de ces
systmes savre aujourdhui une ncessit pour pouvoir rpondre aux
exigences en termes defficacit nergique, de fiabilit et de masse...
Dans cette thse, nous avons appliqu la CIO une chaine de conversion
lectromcanique utilise dans le systme de conditionnement dair dun
avion. Deux objectifs sont cibls : la minimisation de la masse du
systme et laugmentation de son efficacit nergtique. Ces objectifs
sont intgrs diverses contraintes htrognes, allant de la qualit
rseau au respect de la mission de vol dans le plan couple vitesse,
en passant par la thermique,
Compte tenu de la complexit du systme tudi et de son caractre
multidisciplinaire, des approches de conception par optimisation
dites MDO (pour Multidisciplinary Design Optimization) sont tudies.
En effet, au del des comptences physiques et techniques, la
conception intgre par optimisation des systmes complexes ncessite
des efforts supplmentaires en termes de mthodologies de conception.
Nous avons prsent dans cette thse trois approches :
Approches mono-niveau : squentielle et globale ; Approche
multi-niveaux, couplant niveaux systme et niveau constituants
(filtre, onduleur,
machine) ; des formulations adaptes notre problme de conception
sont prsentes afin de rsoudre les problmes lis aux optimisations
mono-niveau.
Les performances des diffrentes approches de conception sont
prsentes analyses et compares. Les rsultats obtenus montrent
clairement les avantages que prsente la formulation multi-niveaux
par rapport aux approches classiques de conception.
MOTS CLES :
avion plus lectrique mission de vol optimisation
multi-niveaux
mthodologie de conception MDO optimisation multicritre
-
IV
Integrated design by multiobjective and multilevel optimization
of a high speed actuation system for a
more electric aircraft
ABSTRACT
The benefits of electrical systems compared to other systems
(mechanical, hydraulic and pneumatic) are a serious motivation for
the electrification of embedded systems in more electric aircraft.
In this framework, the integrated optimal design of these systems
appears necessary to meet requirements in terms of efficiency,
reliability and weight reduction. In this thesis, we have applied
the integrated optimal design to an electromechanical system used
in the air conditioning system of a more electric aircraft. Two
objectives are targeted: the minimization of the system weight and
the increase of its efficiency. Both objectives are integrated with
several heterogeneous constraints, from network quality till flight
mission fulfilment in the torque vs speed plan.
Because of the complexity of the studied system and its
multidisciplinary nature, "MDO" approaches (for Multidisciplinary
Design Optimization) are studied. In fact, beyond physical and
technical skills, integrated optimal design of complex systems
requires additional efforts in terms of design methodologies. Three
approaches are presented in this thesis:
One-level Approaches: sequential and global;
Multilevel approach, coupling system level with device level
(filter, inverter, electric machine); a set of formulations adapted
to our design problem are presented to solve the issues associated
to the one-level approaches.
The performance of these design approaches are presented,
analyzed and compared. The results clearly show the advantages that
involves multilevel formulation compared to conventional design
approaches.
KEYWORDS: more electric aircraft flight mission multilevel
optimization
design methodology MDO multiobjective optimization
-
V
Remerciements :
Cette thse a t effectue au niveau du laboratoire
LAPLACE-Toulouse, site de lENSEEIHT
(Ecole Nationale Suprieure dElectrotechnique, dElectronique, de
lInformatique, de lHydraulique
et des Tlcommunications) et en collaboration avec lindustriel
Liebherr Aerospace -Toulouse.
En premier lieu, je tiens remercier mes deux encadrants : Xavier
ROBOAM, Directeur de
recherche CNRS et Bruno SARENI, Professeur des universits pour
mavoir soutenu et encourag
durant lensemble de mes travaux de thse. Je les remercie pour
leur encadrement, leur
disponibilit, leurs conseils avertis, leur suivi et leur
patience.
Je tiens remercier les membres du jury :
Monsieur Stphane Brisset, Maitre de confrences HDR de lEcole
Centrale de Lille, pour
avoir accept de rapporter cette thse ;
Monsieur Jean Claude Vannier, Professeur Centrale Supelec, pour
lintrt quil a manifest
pour ces travaux de recherche en sengageant tre rapporteur ;
Monsieur Guy Friedrich, Professeur UTC-LEC Compigne, pour avoir
accept la participation
mon jury en tant quexaminateur ;
Monsieur Raphael Vilamot, Chef de groupe Mcatronique au sein de
la socit Libherr
Aerospace-Toulouse, dabord pour sa participation la ralisation
de ces travaux de
recherche et pour sa disponibilit. Je le remercie aussi pour sa
participation dans ce jury en
qualit dexaminateur.
Par la suite je tiens remercier tout ceux qui ont particip de
prs ou de loin la ralisation
de ces travaux de recherche. Je remercie les membres du groupe
de recherche GENESYS pour leurs
critiques constructives. Je remercie aussi les experts en
conception machine de la socit
Liebherr Aerospace : Raphael Vilamot, Couderc Mathieu et
DEVANNEAUX Vincent.
Je remercie tous les membres du groupe GENESYS. Je commence par
mes collgues du
bureau : Mickael Faucher, Mame Andalleh Diop et Hadbi Djamel
pour les bons moments quon a
pass ensemble et aussi pour toutes les discussions scientifiques
quon a eu. Je tiens remercie
aussi : Amine Djaafar, Nicolas Roux, Stphane Astier, Hubert
Piquet, Cristophe Turpin et Eric Bru.
Je remercie bien-sr les doctorants du Laplace-ENSEEIHT et
particulirement :, Khaled
Kahalerras, Abdelkader Bouarfa, Lopold Sepulchre, Sami El Aabid,
Malek Zaibi, Hafedh Ben
-
VI
Abdelghani , Amel Damdoum, Phoc Chrin, Antoine Hanna Nohra,
Ibtissem Helal, Olivier Goualard,
Clment GARREAU, Alvaro Morentin-Etayo , GHANTY Yann , VARAIS
Andy.
Enfin, je tiens remercier toutes les personnes qui mont aid,
dune manire ou une autre,
surpasser les moments difficiles de la thse. Je remercie
profondment mes parents, ma femme
Imne, mes frres et surs, mes beaux-parents et tous les membres
des familles : OUNIS, Gasmi,
Lakrache, Ouennouri, Djelloul.
http://www.laplace.univ-tlse.fr/annuaire/article/v-w
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VII
Table des matires :
Rsum...............................................................................................................................................III
Abstract.............................................................................................................................................
IV
Remerciements................................................................................................................................V
Table des
matires.......................................................................................................................VII
Introduction
gnrale.................................................................................................................
1
Chapitre 1 : Contexte gnral
1 Introduction :
...........................................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 2 Lavion plus lectrique :
...........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 3 Projet de recherche :
...............................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4 Description du systme tudi (VCS) :
.................................................... Erreur !
Signet non dfini.
4.1 Dfinition :
.......................................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.2 Compresseur vis :
.........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.3 Intgration du moteur
lectrique....................................................
Erreur ! Signet non dfini.
5 Intgration de la mission de vol dans la conception du VCS :
................. Erreur ! Signet non dfini. 6 Contraintes de
qualit rseau :
...............................................................
Erreur ! Signet non dfini. 7 Optimisation multidisciplinaire (MDO)
: ................................................. Erreur ! Signet
non dfini. 8
Conclusion...............................................................................................................................
.... 25
Chapitre 2 : Modle analytique multi-physique du VCS
1 Introduction :
...........................................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 2 Machines haute vitesse :
......................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
2.1 Dfinition de la haute vitesse :
........................................................ Erreur !
Signet non dfini. 2.2 Pourquoi la haute vitesse :
..............................................................
Erreur ! Signet non dfini.
3 Choix de la topologie de la HSPMSM :
.................................................... Erreur !
Signet non dfini. 4 Modle multi-physique de la machine synchrone
aimants permanents haute vitesse HSPMSM :
..................................................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
4.1 Gomtrie de la machine :
..............................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.2 Modle magntique :
......................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.3 Modle circuit lectrique
................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.4 Modle de contrle :
.......................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.5 Modle de Pertes :
..........................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
4.5.1 Pertes cuivre :
..........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 4.5.2 Pertes magntiques :
...............................................................
Erreur ! Signet non dfini.
4.6 Modle thermique :
........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 5 Modlisation de londuleur de tension
deux niveaux : ........................ Erreur ! Signet non
dfini.
5.1 Modle du composant de puissance :
............................................. Erreur ! Signet non
dfini.
_Toc463226492
-
VIII
5.2 Modle du boitier du module de puissance :
.................................. Erreur ! Signet non dfini. 5.3
Modle de pertes :
..........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 5.4 Modle thermique et refroidissement :
.......................................... Erreur ! Signet non
dfini. 5.5 Stratgie de commande de londuleur de tension :
........................ Erreur ! Signet non dfini.
6 Modlisation du filtre dentre :
.............................................................
Erreur ! Signet non dfini. 6.1 Topologie du filtre dentre :
.......................................................... Erreur !
Signet non dfini. 6.2 Modle circuit du filtre dentre :
................................................... Erreur ! Signet
non dfini. 6.3 Modle des composants du filtre dentre :
................................... Erreur ! Signet non dfini.
6.3.1 Modle analytique de linductance :
....................................... Erreur ! Signet non dfini.
6.3.2 Modle de la capacit :
........................................................... Erreur
! Signet non dfini. 6.3.3 Modle de la rsistance :
........................................................ Erreur !
Signet non dfini.
6.4 Modle de pertes :
..........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 7 La DSM , une approche matricielle pour
la structuration dun modle analytique : ....... Erreur ! Signet non
dfini.
7.1 Cration de la DSM :
........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 7.2 Restructuration du modle de
dimensionnement de lActionneur HSPMSM : . Erreur ! Signet non
dfini.
Chapitre 3 : Approches de conception par optimisation
mono-niveau appliques au VCS
1 Introduction :
...........................................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 2 Formulation des problmes doptimisation
: .......................................... Erreur ! Signet non
dfini.
2.1 Formulation du problme Actionneur :
.......................................... Erreur ! Signet non
dfini. 2.1.1 Variables de dcision :
.............................................................
Erreur ! Signet non dfini. 2.1.2 Les contraintes du problme
Actionneur : ......................... Erreur ! Signet non dfini.
2.1.3 Fonctions objectifs
:.................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
2.2 Formulation du problme doptimisation onduleur de tension +
filtre dentre : . Erreur ! Signet non dfini.
2.2.1 Variables de dcision:
..............................................................
Erreur ! Signet non dfini. 2.2.2 Contraintes :
............................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
3 Approche doptimisation squentielle:
................................................... Erreur ! Signet
non dfini. 3.1 Boucle doptimisation Actionneur
............................................. Erreur ! Signet non
dfini.
3.1.1 Configuration de lalgorithme doptimisation NSGAII :
........... Erreur ! Signet non dfini. 3.1.2 Analyse des rsultats
de loptimisation .................................. Erreur ! Signet
non dfini.
3.2 Boucle doptimisation Onduleur de tension + filtre dentre ...
Erreur ! Signet non dfini. 3.2.1 Rglage de lalgorithme
doptimisation NSGAII : .................... Erreur ! Signet non
dfini. 3.2.2 Analyse du front de Pareto :
.................................................... Erreur !
Signet non dfini. 3.2.3 Evolution des contraintes et points
dimensionnant de la mission de vol : Erreur ! Signet non dfini.
3.2.4 Evolution des variables de dcision :
....................................... Erreur ! Signet non
dfini.
4 Approche doptimisation globale :
.......................................................... Erreur !
Signet non dfini. 4.1 Analyse du front de Pareto :
............................................................ Erreur
! Signet non dfini. 4.2 Evolution des contraintes et points
dimensionnants : .................... Erreur ! Signet non dfini.
4.3 Evolution des variables de dcision
:............................................... Erreur ! Signet
non dfini.
5 Conclusion : vision critique des approches doptimisation
mono-niveau ......... Erreur ! Signet non dfini.
-
IX
Chapitre 4 : Approches de conception par optimisation
multi-niveaux appliques au VCS
1. Introduction :
...........................................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 2. Dcomposition dun systme complexe et
identification des variables de couplage: ......... Erreur ! Signet
non dfini.
2.1 Dcomposition dun systme complexe :
....................................... Erreur ! Signet non dfini.
2.2 Classification des mthodes de dcomposition :
............................ Erreur ! Signet non dfini.
3. Formulation ATC deux niveaux :
........................................................... Erreur
! Signet non dfini. 3.1 Formulation du problme de conception du
niveau systme : Erreur ! Signet non dfini. 3.2 Formulation du
problme de conception du niveau sous-systme : ... Erreur ! Signet
non dfini. 3.3 Exemple de stratgie de coordination :
.......................................... Erreur ! Signet non
dfini.
4. Application de la formulation ATC sur le problme de
conception du VCS : ..... Erreur ! Signet non dfini.
4.1 Problme de conception au niveau systme :
.......................... Erreur ! Signet non dfini. 4.2 Problmes
de conception au niveau sous-systme : ................ Erreur !
Signet non dfini.
5. Formulation multi-niveaux adapte au problme de conception du
VCS : ....... Erreur ! Signet non dfini.
5.1 Modification de la formulation ATC :
.............................................. Erreur ! Signet non
dfini. 5.2 Problmes lis la formulation bi-objectif du problme :
.............. Erreur ! Signet non dfini. 5.4 Discussion des
rsultats :
................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
6. Influence de la dcomposition des sous systmes sur la
rsolution du problme multi-niveaux :
..........................................................................................................
Erreur ! Signet non dfini.
6.1 Discussion des rsultats et comparaison des deux formulations
multi-niveaux : ........ Erreur ! Signet non dfini.
7. Adaptation de lalgorithme gntique (NSGA-II) pour la rsolution
des problmes de conception multi-niveaux multi-objectifs :
........................................................................
Erreur ! Signet non dfini. 8. Conclusion : Comparaison de
performances des diffrentes formulations multi-niveaux .. Erreur !
Signet non dfini.
Conclusion
gnrale.............................................................................................................
Annexes.....................................................................................................................................
Rfrences...............................................................................................................................
149
155
204
-
X
To my other half, Imne
To my parents
-
XI
A la mmoire de mon oncle : Rchid
A la mmoire de mon oncle : Med Larbi
A la mmoire de mes grands-parents
-
1
INTRODUCTION GENERALE
-
Introduction gnrale
2
Depuis le premier vol motoris des frres Wright (1903), qui
possdait un moteur dmarrage lectrique, la conception des aronefs a
connu de nombreuses avances notamment autour du vecteur lectricit :
le premier vol motoris. Lindustrie aronautique a toujours bnfici du
dveloppement technologique de beaucoup de disciplines qui
interviennent directement dans sa conception savoir la mcanique,
lhydraulique, le pneumatique et llectrique. La part de lnergie
lectrique embarque bord de lavion na pas cess daugmenter depuis son
invention. En effet, les recherches scientifiques dans le domaine
du gnie lectrique ont contribu rpondre aux exigences des
constructeurs. Les systmes lectriques embarqus ont bnfici des
progrs remarquables quont connu plusieurs domaines tels que : les
matriaux ddis aux applications du gnie lectrique, les nouvelles
topologies des machines lectriques, llectronique de puissance et
les mthodes de contrle...
Avec le temps et grce aux efforts de recherche, les systmes
lectriques ont atteint une maturit proche des autres disciplines.
En plus, un systme lectrique prsente des avantages majeurs pour les
constructeurs aronautiques pour satisfaire les contraintes de plus
en plus exigeantes et les normes appliques dans ce domaine. En
effet, un systme lectrique domine les autres vecteurs (mcanique,
hydraulique, pneumatique) en termes defficacit nergtique,
maintenabilit, disponibilit, simplicit et scurit de
fonctionnement.
Le soutien de la composante lectrique bord des aronefs modernes
sinscrit dans un concept appel MEA (More Electric Aircraft). Ce
concept reprsente une tape intermdiaire vers llectrification totale
et la rationalisation des sources dnergie embarques. Les efforts
scientifiques dans ce contexte ont t marqus par la mise sur le
march des avions plus lectriques, commencer parlA380 de Airbus et
le B787 de Boeing. Sur ces deux modles, plusieurs systmes ont connu
llectrification ; on peut citer titre dexemple le systme de
conditionnement dair ECS et le dgivrage puissance lectrique sur le
B787.
En plus des avantages que prsentent les systmes lectriques, leur
intrt environnemental est dterminant. En effet, llectrification des
systmes embarqus semble la seule solution raliste pour rpondre aux
objectifs environnementaux souhaits : une efficacit nergtique
intressante permet la rduction du poids de lavion et loptimisation
de la consommation du carburant qui signifie une limitation de la
pollution.
Au XXIme sicle, la prservation de lenvironnement devient une
exigence primordiale dans tous les domaines. En aronautique, au
niveau national, de multiples plateformes ont t cres sous la
tutelle du CORAC (COnseil pour la Recherche Aronautique Civile)
pour organiser les efforts de recherche afin de rpondre des
contraintes environnementales de plus en plus exigeantes. Les
travaux de recherche prsents dans ce manuscrit sinscrivent dans la
plateforme GENOME (GEstioN OptiMise de lEnergie). Ils ont t
effectus au niveau du laboratoire LAPLACE Toulouse au sein du
groupe de recherche GENESYS (Groupe ENergie Electrique &
SYStmique) en collaboration avec lindustriel Liebherr Aerospace
Toulouse. Ces travaux se situent parfaitement dans ce contexte,
avec pour objectif loptimisation conjointe des masses embarques et
de lefficacit nergtique.
-
Introduction gnrale
3
Dans cette thse, nous tudions et proposons ainsi des mthodes de
conception par optimisation dun systme dentranement lectromcanique,
le VCS (Vapor Cycle System), utilis au sein du systme de
conditionnement dair dun aronef pour le refroidissement des
quipements lectroniques. Un tel systme implique plusieurs domaines
dexpertises coupls, savoir : la conception des machines lectriques,
la conception des convertisseurs statiques et leur commande et le
filtrage ncessaire au respect des normes. Des mthodes de conception
par optimisation ont t labores au cours des annes pour satisfaire
le caractre multidisciplinaire dun tel systme. La MDO
(Multidisciplinary Design Optimization) cherche trouver des
solutions globales aux problmes de conception des systmes
multidisciplinaires, problmes parmi lesquels on peut citer : les
problmes de convergence dus la complexit des modles mis en jeu, la
qualit des solutions issues de loptimisation et les problmes lis la
gestion des projets industriels (confidentialit et secret
industriel).
Ce travail est divis en quatre chapitres :
Le premier chapitre introduit le contexte gnral, partant de
lavion plus lectrique et des avantages des systmes lectriques par
rapport aux autres systmes. Ensuite, une description simplifie du
VCS est propose avec une vue sur son environnement de
fonctionnement. Finalement, nous introduisons les mthodes de
conception dites MDO.
Le deuxime chapitre sera compltement ddi la modlisation du VCS
en vue de loptimisation. Nous nous inspirons des travaux de thse de
[AND13] pour proposer des modles analytiques appropris pour les
trois parties constitutives du systme : le moteur synchrone haute
vitesse aimants permanents monts en surface, londuleur de tension
deux niveaux et sa commande et le filtre dentre. Nous tenons
prciser quun travail de validation par lments finis a t ralis pour
caractriser la prcision des modles analytiques sur la partie
actionneur.
Dans le troisime chapitre, nous allons appliquer des approches
de conception par optimisation mono-niveau au VCS. Lapproche
squentielle consiste sparer le processus doptimisation des
diffrentes parties du systme. Dans cette approche, le modle du VCS
sera divis en deux grandes parties : lactionneur sera en premier
lieu trait dans une premire boucle doptimisation, puis londuleur de
tension et son filtre dentre sont optimiss dans une autre boucle
pour plusieurs solutions particulires de la premire boucle. La
deuxime approche, dite globale , consiste concevoir tout le systme
en une seule boucle doptimisation. Le chapitre sera conclu par une
comparaison entre les deux approches.
Le quatrime chapitre sera consacr aux approches doptimisation
multi-niveaux multi-objectifs du VCS. Plusieurs formulations
inspires de lATC (Analytical Target Cascading) seront appliques et
une tude comparative sera mene pour souligner les avantages et les
inconvnients des formulations multi-niveaux par rapport aux
formulations mono-niveau traites dans le troisime chapitre.
-
4
CHAPITRE 1
CONTEXTE GENERAL
-
Contexte gnral
5
1 Introduction :
Depuis linvention du premier avion au dbut du XXme sicle,
lnergie lectrique a pris place bord des aronefs. Avec le progrs
technologique qua connu le gnie lectrique et surtout aprs la
fiabilisation et la commercialisation des convertisseurs statiques
et le dveloppement des microprocesseurs, la part de lnergie
lectrique par rapport aux autres sources dnergie ne cesse
daugmenter. Les recherches dans ce domaine vont dans le sens de
rationaliser les sources dnergie (lectrique mais aussi mcanique,
pneumatique et hydraulique) embarques dans un aronef. Cette
rationalisation a pour but de rduire la masse totale des avions ce
qui entranera une rduction des missions CO2 donc une prservation de
lenvironnement. Dautres amliorations, notamment en gains sur la
maintenance sont escomptes avec lavion plus lectrique.
Dans ce contexte, nous trouvons dans la littrature le concept de
lavion tout lectrique (AEA : All Electric Aircraft). Ce concept
revient lutilisation exclusive de lnergie lectrique pour assurer
toutes les fonctions non propulsives bord dun aronef. Mais en
attendant ce concept en rupture, le MEA ou More Electric Aircraft a
t vu ces dernires annes comme une tape intermdiaire vers lAEA ; il
appelle laugmentation progressive de la part de lnergie lectrique
embarque. Cela se fait par lintgration de nouveaux systmes
lectriques la place dautres systmes mcaniques, hydrauliques et
pneumatiques. Sur le plan industriel, lAirbus A380 et en
particulier le Boeing B787 (bleedless, cest--dire sans prlvement
dair ni systme pneumatique) reprsentent des applications relles du
concept de MEA. Des systmes comme les commandes de vol, le
conditionnement dair, le dgivrage, sont remplacs par des systmes
puissance lectrique.
Dans ce contexte, loptimisation de la masse des systmes
puissance lectrique devient donc un enjeu crucial ; ces travaux de
recherches sinscrivent dans cette optique. Dans ce premier
chapitre, nous allons aborder les points suivants :
le contexte scientifique de la thse ; le contexte industriel de
la thse ; la prsentation du systme tudi (VCS : Vapor Cycle System)
; les contraintes imposes par le systmier (Airbus) ; lintroduction
des mthodes de conception par optimisation multi-niveaux utilises
dans ces
travaux.
2 Lavion plus lectrique :
Lintgration de lnergie lectrique bord des aronefs remonte la fin
du 19me sicle. En 1883, le franais Gaston Tissandier tait le
premier utiliser des moteurs lectriques pour la propulsion dun
ballon dirigeable [REN, ART et HER 1884]. Il marque ainsi, le dbut
de lexprience humaine avec les avions lectriques.
-
Contexte gnral
6
Comme pour lindustrie automobile, les avions commercialiss au
cours du 20me sicle intgrent principalement des systmes mcaniques,
hydrauliques et pneumatiques avec une utilisation limite de lnergie
lectrique [AND13].
lnergie mcanique est produite sur larbre des turboracteurs.
Cette puissance mcanique est distribue la bote daccessoires Gearbox
. Son rle est dentraner mcaniquement les pompes de lubrification,
les pompes carburant, les pompes hydrauliques et les gnrateurs
lectriques ;
lnergie pneumatique est issue du prlvement dair chaud fortement
comprim au niveau des turboracteurs de lavion. Classiquement appel
systme bleed de traitement dair, cette nergie est utilise pour
alimenter le systme de contrle de l'environnement ECS Environnement
Control System et pour fournir de l'air chaud pour le systme de
protection antigivrage WIPS Wing Ice Protection System ;
lnergie hydraulique est gnre grce lentranement mcanique de
pompes hydrauliques par le turboracteur. Ces pompes sont appeles
EDP Engine Driven Pump et il existe classiquement trois circuits
hydrauliques indpendants. Lnergie hydraulique est responsable de la
fourniture de puissance ncessaire pour diriger lavion. Elle pilote
donc les actionneurs de commandes de vol (becs, volets, spoilers,
ailerons, gouvernes, plan horizontal, etc.), les freins du train
d'atterrissage et le systme d'armes dans le cas d'avions militaires
;
lnergie lectrique est obtenue par lentranement mcanique
dalternateurs connects aux turboracteurs (de mme que pour les
pompes hydrauliques cites prcdemment). Pour les anciennes gnrations
(avant lA380) llectricit bord est frquence fixe, gnre partir de
gnrateurs appels IDG Integrated Drive Generator constituant le
rseau alternatif triphas principal de tension de 115 200 VAC. A ce
niveau, il existe un tage rgulateur de frquence appel CSD Constant
Speed Drive confrant au rseau une frquence fixe de 400 30 Hz. Pour
les faibles charges lectriques (avionique, contrle) il y a aussi un
rseau secondaire continu de tension 28 V, obtenu partir du rseau
principal travers des transformateurs et des redresseurs.
Plusieurs raisons sont lorigine de la limitation initiale de
lutilisation de lnergie lectrique bord des aronefs, nous pouvons
citer :
le dveloppement de lindustrie ptrolire qui a impos lutilisation
de lnergie fossile pour la propulsion des avions.
la maturit des systmes mcaniques, hydrauliques et pneumatiques
par rapport aux systmes lectriques (Tab.1- 1).
-
Contexte gnral
7
Tab.1- 1 : Comparaison des systmes secondaires de distribution
de puissance dans un avion
Systme Complexit Maintenance Maturit
Electrique Complexe Simple Mature (Nouvelles
technologies immature)
Mcanique Trs complexe Frquente et lente Trs mature
Hydraulique Simple Complexe et dangereuse
Mature
Pneumatique Simple Complexe Trs mature
A la fin des annes 70, le concept de lavion plus lectrique (MEA)
voit le jour [EMA et EHS 00] [JON 99] [QUI 93]. Lide est de faire
des pas vers lavion tout lectrique en augmentant progressivement la
part de la puissance lectrique embarque (Fig.1- 1) avec
lutilisation des systmes lectriques la place des autres systmes
(Fig.1- 2). La Fig.1- 1 montre laugmentation significative de la
puissance lectrique non propulsive embarque dans les avions, qui va
jusqu 1MW pour le B787 de Boeing et 0.6MW pour lA380 dAirbus.
Techniquement, les systmes dactionnement puissance lectrique
constituent une alternative performante aux autres sources
secondaires traditionnelles. Le remplacement total des sources
secondaires par la source dorigine lectrique prsente par exemple
comme bnfices potentiels [AND13] :
une rduction du poids : les systmes pneumatiques et hydrauliques
sont encombrants et lourds. Ils contribuent fortement au poids de
l'avion. Le gain de masse nest pas acquis aujourdhui avec lavion
plus lectrique, mais les perspectives de progrs sont substantielles
;
une rduction de la consommation de carburant: lnergie
pneumatique s'appuie sur l'air comprim partir des turboracteurs.
Cette nergie est donc gnre au dtriment de la consommation de
carburant. Elle na aucune contribution la pousse des turboracteurs
;
une augmentation de l'efficacit nergtique : les systmes
pneumatiques et hydrauliques sont moins efficaces que les systmes
lectriques. Les pertes dans les conduites pneumatiques/hydrauliques
sont plus leves que dans les cbles lectriques. Cela signifie que la
consommation d'nergie des systmes hydrauliques et pneumatiques est
tout instant plus leve que ncessaire. De plus, ces systmes nont pas
lavantage du systme lectrique de pouvoir tre allums/teints en
fonction de l'nergie demande ;
une amlioration de la maintenabilit : le passage un vecteur
nergtique unique avec des systmes touts lectriques offre des gains
en termes de rationalit : moins de pices de rechange et moins
doutils dentretien. Il offre une amlioration significative du point
de vue diagnostic et dtection de dfauts par les techniques de test
intgr BIT Built-in-Test . Cette amlioration rduit nettement
lindicateur de maintenabilit MTTR Mean Time To Repair , soit une
rduction du temps moyen de rparation par avion ;
-
Contexte gnral
8
une amlioration de la disponibilit du systme et de la fiabilit :
la distribution lectrique est plus pratique et offre une grande
souplesse de reconfiguration du systme en cas de panne (plus
difficile raliser avec le systme hydraulique). Mme si les systmes
dactionneurs traditionnels, servocommandes hydrauliques notamment,
sont trs fiables, les systmes dactionnement puissance lectrique,
lectromcaniques EMA et lectro-hydrostatiques EHA amliorent de jour
en jour leur fiabilit : ceci se mesure travers lindicateur de MTBF
Mean Time Between Failure , soit une augmentation du temps de
fonctionnement moyen entre dfaillances conscutives [SAG08] ;
une amlioration de la scurit de fonctionnement de vol : une
configuration lectrique interconnectant les diffrents sous-systmes
bord dun avion permet deffectuer une surveillance plus efficace (le
health monitoring ). Cette surveillance permettra dviter les
dfaillances de mode commun ou dfaillances simultanes, caractrises
par la mise en dfaut de plusieurs sous-systmes dpendant dune seule
cause de panne initiale ;
une simplification des systmes dactionnement : le rseau de bord
tant compos de plusieurs charges entraines par des actionneurs
lectriques, linsertion des paliers magntiques supprimerait tous les
systmes d'huile [HOWS03, FAL05, ROS07]. Leur utilisation dans les
circuits de dmarrage des turboracteurs et de lAPU Auxiliary Power
Unit est envisage.
0
100
200
300
400
500
600
P (KVA)
1962 1966 1969 1987 1993 2004 Year
Caravelle B737 Concorde A320 A330 A380
1000
2010
B787
Fig.1- 1 : Evolution de la puissance lectrique embarque
-
Contexte gnral
9
Andr DE ANDRADE
VFG
Energie pneumatique
Energie hydraulique
Energie mcanique
Energie lectrique
Andr DE ANDRADE
IDG/CSD Gearbox
Andr DE ANDRADE
EDP
bleed
(a) lavion dhier
(b) lavion daujourdhui
(c) lavion de demain
Fig.1- 2 : Electrification des fonctions non propulsives de
lavion : vers un avion tout lectrique
-
Contexte gnral
10
3 Projet de recherche :
Ces travaux de thse sinscrivent dans le projet de recherche
GENOME (GEstioN OptiMise de lEnergie). Ce projet de recherche est
pilot par le CORAC (COnseil pour la Recherche Aronautique Civile)
qui a t cr en juillet 2008 partir dengagements pris fin 2007 lors
du Grenelle de lEnvironnement . Le CORAC regroupe sous limpulsion
de la DGAC (Direction Gnrale de l'Aviation Civile) et du GIFAS
(Groupement des Industries Franaises Aronautiques et Spatiales),
lensemble des acteurs franais du secteur du transport arien,
cest--dire lindustrie aronautique, les compagnies ariennes, les
aroports, lONERA, les institutionnels et ministres concerns. La
mise en place du CORAC sinscrit dans une volont de mise en cohrence
des efforts de recherche et dinnovation dans le domaine
aronautique, notamment pour la prservation de lenvironnement et le
dveloppement durable. Parmi ses premires ralisations, il a tabli la
feuille de route technologique pour la recherche aronautique, base
de la mise en uvre dune stratgie de recherche ambitieuse et
coordonne autour dobjectifs de matrise de lempreinte
environnementale du transport arien, lhorizon 2020.
Pour les nouveaux avions, les dveloppements technologiques
tendent vers les objectifs suivants pour les nouveaux appareils
(vision 2020):
Gaz effet de serre : rduction de 50% des missions de CO2 ;
Polluants locaux : rduction de 80% des missions de NOx (oxydes
dazote) Bruit : rduction de 50% du bruit peru
Une autre stratgie long terme a t tablie en 2011 pour amliorer
encore plus les conditions environnementales :
Rduction CO2 de 75% par passager/Km ; Rduction NOx de 90% ;
Rduction du bruit peru de 65%, par rapport une rfrence anne
2000.
GENOME reprsente une des six plateformes de dmonstration
technologiques. Il propose des ruptures technologiques permettant
un gain de performances supplmentaire ncessaire pour tre attractif
devant des technologies matures en bute dvolution. Les retombes
attendues sont :
Environnementales :
Un gain suprieur 1% sur la consommation de carburant ; Une
disponibilit accrue des avions ; Une utilisation des avions plus
cologique au sol par la suppression du systme hydraulique,
le remplacement de lutilisation de lAPU par des infrastructures
aroportuaires lectriques gnralises ou le green-taxi avec des
moteurs roues.
-
Contexte gnral
11
Comptitivit :
La rupture de lavion tout lectrique est une des opportunits de
renforcer la comptitivit de toute la filire franaise en se
dmarquant des technologies actuelles faibles potentiels
damlioration ;
Llectronique de puissance est une technologie cl. Louverture
vers dautres secteurs industriels comme lautomobile sera ncessaire
pour gagner le challenge des cots.
Les partenaires principaux qui collaborent activement dans ce
projet de recherche sont les industriels : avionneurs (Airbus,
Dassault, Eurocopter) et quipementiers (Liebherr, Safran, Thales et
Zodiac). Le monde acadmique est notamment reprsent par le
laboratoire LAPLACE Toulouse et dautres laboratoires du groupement
de recherche SEEDS (Systmes d'Energie Electrique dans leur
Dimension Socitale), notamment AMPERE Lyon, G2ELab Grenoble ou
SATIE Cachan.
Les travaux de recherche prsents dans ce manuscrit ont t mens au
sein du groupe GENESYS du laboratoire LAPLACE, en collaboration
avec Liebherr Aerospace-Toulouse. Des mthodes de conception intgre
par optimisation ont t appliques un moto-compresseur vis (VCS :
Vapor Cycle System).
4 Description du systme tudi (VCS) :
4.1 Dfinition :
Le moto-compresseur fait partie d'un systme de cycle vapeur qui
comprend une ligne d'injection de vapeur (refroidisseur /
conomiseur). Ce systme assure le refroidissement des appareils
lectroniques dans un avion civil.
Le moto-compresseur est utilis pour:
assurer lcoulement du rfrigrant travers le systme hermtique ;
faire monter la pression entre l'vaporateur et le condenseur.
Larchitecture du VCS est reprsente par la Fig.1- 3.
Condenser
Evaporator
Refrigerant receiver
Expansion valve
Condenser fan
Compressor
Electrical motor
Liquid line
Heat exchanger
Solenoid valve
Expansion valve
Vapour injection
Fig.1- 3 : Architecture dun VCS
-
Contexte gnral
12
4.2 Compresseur vis :
Le compresseur vis (galement appel compresseur volumtrique) est
une machine rotative dplacement positif. Il se compose d'une paire
de rotors (mle et femelle) avec vis hlicodale, le tout tournant
dans un carter fixe qui les entoure totalement. La rotation grande
vitesse dans des sens opposs des deux rotors mle et femelle permet
l'aspiration, la compression, le refoulement du gaz. Le gaz est
transport le long de la vis, de l'orifice d'aspiration l'orifice de
refoulement de faon continue.
Comme les rotors tournent dans des sens opposs, l'espace
augmente en se dplaant vers l'avant et le gaz est aspir. Puis, cet
espace diminue au fur et mesure de l'avancement de la vis et le gaz
est comprim puis refoul par un orifice amnag en fin de parcours de
la vis. La Fig.1- 4 reprsente un exemple dun compresseur utilis en
aronautique pour lavion Airbus A380.
Fig.1- 4 : Exemple de compresseur vis LTS (A380 SCS
application)
Comme on le voit sur la Fig.1- 5, la vapeur pntre l'avant,
travers une ouverture dans le plan avant du botier, qui forme
l'orifice d'entre. La vapeur remplit les espaces entre les lobes ;
le volume pig dans chaque chambre augmente avec la rotation et la
ligne de contact entre les rotors recule. Au point o le volume
maximal est rempli, la rotation se fait sans aucune admission de
fluide supplmentaire (a). Le volume maximal pris au pige correspond
au dplacement du compresseur.
A partir de cette position, une rotation supplmentaire rduit le
volume de la vapeur pige entre les lobes et le botier. Cela
provoque une augmentation de la pression (b).
-
Contexte gnral
13
A la position o le volume pig est suffisamment rduit pour
obtenir l'lvation de la pression requise, les extrmits des rotors
sont exposes une ouverture sur la face infrieure du botier, qui
forme l'orifice d'vacuation. Une rotation supplmentaire rduit le
volume pig provoquant l'coulement du fluide travers l'orifice
d'vacuation (c). Cela se poursuit jusqu' ce que le volume pig soit
rduit pratiquement zro et que tout le gaz emprisonn entre les
lobes, la fin du processus d'aspiration, soit expuls. Le processus
est ensuite rpt pour chaque chambre. Ainsi, il existe une
succession des processus d'aspiration, de compression et de
refoulement raliss dans chaque rotation.
(a) Aspiration (b) Compression (c) Dcharge
Fig.1- 5 : Fonctionnement dun compresseur vis
4.3 Intgration du moteur lectrique
Toutes les parties du moteur : stator et rotor, seront entours
par la vapeur frigorigne. Le moteur est intgr la basse pression, ct
basse temprature du compresseur, avec un rotor intgr la vis. Le
refroidissement du stator sera assur par le flux du rfrigrant
provenant de l'entre d'aspiration du compresseur. La plage de
temprature du fluide frigorigne l'entre d'aspiration sera entre 0
et 30 C
Les principales voies de refroidissement sont conues dans le
carter du moteur et rparties tout autour du stator. Un chemin
secondaire sera assur par lentrefer entre le rotor et le stator ;
la Fig.1- 6 dcrit les chemins de refroidissement internes:
-
Contexte gnral
14
Fig.1- 6 : Circuits de refroidissement du moteur
5 Intgration de la mission de vol dans la conception du VCS
:
La conception dune machine lectrique est souvent ralise par
rapport un point de fonctionnement unique, appel Nominal [MES98].
Cette rgle est parfaitement adapte aux systmes industriels
fonctionnant rgimes constants ou peu variables. Avec lintgration
croissante des machines lectriques dans des applications qui
ncessitent un fonctionnement en rgime variable, tels que dans les
transports, les oliennes,... etc, le dimensionnement par rapport un
point nominal unique risque de dgrader les performances globales du
systme.
Pour optimiser lefficacit nergtique dun systme, la notion de
mission trouve une place trs importante dans la conception
systmique au travers de travaux de recherche plus ou moins rcents.
Nous pouvons citer, titre dexemple, les travaux de [JAA11] pour une
application ferroviaire et les travaux de [AND13] sur le systme de
conditionnement dair ECS : ces deux sujets de recherche ont t mens
au sein du groupe GENESYS du laboratoire LAPLACE.
Une mission peut tre dfinie comme tant un ensemble dinformations
ncessaires pour dcrire le fonctionnement dun systme dans son
environnement. Contrairement au dimensionnement par rapport un
point nominal unique, lintgration de la mission dans le processus
de conception implique la prise en compte de lensemble des points
de fonctionnement du systme. Limportance de chaque point est
notamment reprsente par son occurrence, cest--dire, la dure de
fonctionnement du systme sur ce point par rapport la dure totale de
la mission. Loccurrence est par exemple dimensionnante vis--vis de
la consommation nergtique du systme dactionnement.
C ircuit de refroidissem e nt principal Circuit de
refroidissement secondaire
C arcasse
F luide Rfrigrant
V ers la chambre de compression
-
Contexte gnral
15
Pratiquement, la mission peut contenir un nombre trs important
de points, compliquant ainsi le processus de conception. Cependant,
des mthodes de compactage et de simplification peuvent tre utilises
pour rduire la taille de la mission [JAA11]. La mission quivalente
doit traduire fidlement toutes les caractristiques et contenir
toutes les informations de la mission totale. Les travaux de
[AND13] sur un systme de conditionnement dair pour une application
aronautique montrent que les points dimensionnant dun systme
peuvent tre trs difficiles identifier. Par exemple, pour son
systme, les contraintes de qualit rseau sont trs sensibles aux
points de fonctionnement trs faibles puissances, alors que ce sont
les points fortes puissances qui sont traditionnellement considrs
comme tant les plus contraignants pour le dimensionnement (en masse
notamment) dun systme dactionnement lectromcanique.
Dans notre cas, la mission de vol a t directement fournie par la
socit Liebherr Aerospace-Toulouse. Elle rsume lensemble des points
de fonctionnement du VCS pendant toutes les phases de vol en
prenant en considration les conditions climatiques de navigation.
Les tableaux Tab.1- 2,
Tab.1- 3, Tab.1- 4 rsument les caractristiques des points de la
mission de vol pour le mme systme mais trois vitesses nominales
diffrentes (8000, 1200 et 16000 [tr/min]). Cet ensemble de points
de mission englobe en ralit les quatre missions suivantes :
Cas Standard :
Mission 1 : reprsente par les points : 1, 6, 7, 8, 9 (pour 37.5%
du temps) Mission 2 : reprsente par les points : 1, 3, 4, 7, 8, 9
(pour 12.5% du temps)
Cas Emirates :
Mission 3 : reprsente par les points : 1, 5, 7, 8, 9 (pour 37.5%
du temps) Mission 4 : reprsente par les points : 1, 2, 3, 7, 8, 9
(pour 12.5% du temps)
Il est noter que la mission de vol globale considre est la
succession de ces quatre missions. Les points caractristiques de la
mission globale sont :
Point 1 : avec ce point, le systme dveloppe une puissance
maximale de fonctionnement de 13.8 [kW]. Le systme ne fonctionne
pas sur ce point (loccurrence de ce point est nulle) mais les
spcifications imposent que le VCS doit tre capable de le passer
..
Point 3 : le systme dveloppe son couple maximal pour ce point de
fonctionnement, nous verrons dans le chapitre 3 limportance de ce
point vis--vis les contraintes thermiques du problme.
Point 8 : malgr la faible puissance de ce point de
fonctionnement, son occurrence est la plus importante. Pour
optimiser le bilan nergtique, le systme doit avoir un point nominal
proche de ce point.
-
Contexte gnral
16
Tab.1- 2 : Points de la mission de vol du systme tournant 8000
[tr/min]
Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Phase de vol - Sol Sol Sol Sol Sol Vol
Vol Vol Dure [h] 0 3 2 3 3 3 1 4 2 Vitesse [tr/min] 8000 8000 5000
8000 5000 5000 4810 4160 3580 Couple[N.m] 16.5 15 18.5 12 15 11.2
8.6 8.9 3.9 Occurrences [%] 0 3.57 4.76 3.57 10.71 10.71 9.25 38.1
19.05
Tab.1- 3: Points de la mission de vol du systme tournant 12000
[tr/min]
Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Phase de vol - Sol Sol Sol Sol Sol Vol
Vol Vol Dure [h] 0 3 2 3 3 3 1 4 2 Vitesse [tr/min] 12000 12000
7500 12000 7500 7500 7215 6240 5370 Couple[N.m] 11 10 12.33 8 10
7.47 5.73 5.93 2.6 Occurrences [%] 0 3.57 4.76 3.57 10.71 10.71
9.25 38.1 19.05
Tab.1- 4: Points de la mission de vol du systme tournant 16000
[tr/min]
Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Phase de vol - Sol Sol Sol Sol Sol Vol
Vol Vol Dure [h] 0 3 2 3 3 3 1 4 2 Vitesse [tr/min] 16000 16000
10000 16000 10000 10000 9620 8320 7160 Couple[N.m] 8.25 7.5 9.25 6
7.5 5.6 4.3 4.45 1.85 Occurrences [%] 0 3.57 4.76 3.57 10.71 10.71
9.25 38.1 19.05
La Fig.1- 7 montre les points de la mission de vol dans le plan
couple-vitesse, pour les trois rgimes de rotation. La puissance
lectrique reste la mme, quand la vitesse de lactionneur augmente,
le couple diminue du mme rapport.
La Fig.1- 8 montre les occurrences des diffrents points de la
mission de vol du systme tournant 8000 [tr/min]. Nous pouvons
constater que les points les plus occurrents sont ceux de plus
faibles puissances (points 9 et 8). Daprs les travaux de [AND13],
Le dimensionnement du systme par rapport son point de puissance
maximale (point 1) ou par rapport au point de couple maximal (point
3) conduira un surdimensionnement. Lintgration de la mission de vol
permet de concevoir un systme dont le fonctionnement nominal se
rapproche plus des points fortes occurrences et qui permet
datteindre les points de fonctionnement les plus contraignants.
-
Contexte gnral
17
0 4000 8000 12000 160000
5
10
15
20 C
oupl
e [N
.m]
Points de la mission de vol
Vitesse [tr/min]
Mission de vol 8000 [tr/min]
Mission de vol 12000 [tr/min]Mission de vol 16000 [tr/min]
Fig.1- 7 : Les trois missions de vols dans le plan couple-
vitesse
0 2000 4000 6000 8000 100000
5
10
15
20
Cou
ple
[N.m
]
Occurences des points de la mission de vol
Vitesse [tr/min]
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Pt 9
Pt 8 Pt 7
Pt 6
Pt 5
Pt 3
Pt 1
Pt 2
Pt 4
Fig.1- 8 : Occurrences des points de mission pour
la vitesse 8000 [tr/min]
6 Contraintes de qualit rseau :
Dans le monde de la conception, lutilisation des normes devient
indispensable dans tous les domaines et dans toutes les
disciplines. La conception des systmes lectriques embarqus bord des
avions nchappe pas cette rgle. Ces normes en aronautique imposes
par le systmier concernent principalement les aspects de qualit du
rseau lectrique embarqu. Ainsi, plusieurs phnomnes lectriques
peuvent tre traits dans ces normes, on peut citer titre dexemple
:
Les creux de tension ; Les surtensions ; Les papillotements ;
Les fluctuations de la frquence ; Les harmoniques ; La
stabilit.
Les exigences sur la qualit du rseau lectrique embarqu entranent
logiquement des contraintes de conception pour les diffrentes
sources et charges connectes ce rseau. Dans notre tude, nous nous
intressons deux normes :
DO 160 (Environmental Condition and Test Procedures for Airborne
Equipment) : la premire version de cette norme est sortie le 28
fvrier 1975 et la dernire mise jour est faite en dcembre 2014. La
norme a pour but de dfinir une srie denvironnements de tests et de
procdures de tests pour les quipements embarqus dans un aronef. La
DO160 impose des niveaux de perturbation partir de la frquence
150kHz et jusqu la frquence 30MHz. Cette plage frquentielle
correspond la bande de frquences rglemente par la norme CEM formule
par le CISPR (Comit International spcial des Perturbations
Radiolectriques). Dans notre tude, nous limitons ltude la bonde
frquentielle [10Hz ; 150 kHz] (limite de la norme CEM). Par
consquent, seulement la premire frquence de la norme DO160 (150kHz)
sera prise en compte dans ce travail.
-
Contexte gnral
18
N24RP0831391 (Electrical characteristics of HVDC equipement) :
cette norme est impose par le constructeur avionique AIRBUS. Elle
insiste sur les aspects de qualit du rseau lectrique embarqu.
Ainsi, cette norme dfinit les caractristiques du rseau lectrique,
les contraintes harmoniques imposes aux quipements et leurs
contraintes de stabilit ainsi que les procdures des tests ralises
sur un rseau HVDC.
Le systme tudi dans notre cas reprsente une charge connecte au
rseau lectrique dun aronef. Les deux normes cites auparavant
imposent des contraintes sur la qualit des signaux lectriques
linterface charge-rseau. La Fig.1- 9 Reprsente les gabarits
normatifs en tension et en courant imposs une charge connecte un
rseau 540HVDC. Ces gabarits reprsentent des limites de la pollution
harmonique en dBV et en dBA sur une plage frquentielle allant de
10Hz 150 kHz Dune part, le systmier sengage vis--vis de
lquipementier (ct charge) respecter la norme en tension. Dautre
part, pour cette qualit rseau , lquipementier doit en retour
sengager respecter la qualit en courant sur le graphe de droite, ce
qui est le cas si et seulement si le spectre harmonique du courant
de charge est au-dessous du gabarit normatif.
A
mp
litu
de
d'h
arm
on
iqu
e (d
B d
e 1
Vm
ax)
Frquence (Hz)
Norme en tension
A
mp
litu
de
d'h
arm
on
iqu
e (d
B d
e 1
Am
ax)
Frquence (Hz)
Norme en courant
Fig.1- 9 : Gabarits normatifs en tension et en courant imposs
pour les charges [Airbus N24RP0831391 - 2.0]
La problmatique rencontre ce niveau vient du fait que le systme
tudi dans notre cas doit tre, pour des raisons techniques lies aux
exigences de LIEBHERR Aerospace Toulouse, aliment par un rseau
270VDC au lieu du rseau HVDC 540V. Par consquent, un travail
dadaptation sur les gabarits normatifs vus prcdemment a t
ncessaire. Dans cette partie, nous allons montrer les tapes que
nous avons suivies pour recrer une norme de qualit rseau typique de
la norme HVDC N24RP0831391 , mais adapte pour les charges connectes
un bus 270VDC.
Nous savons que pour des charges identiques (mme puissance
absorbe), le passage dun niveau de tension un autre revient
multiplier le courant par linverse du rapport entre les deux
tensions. Entre la tension 540HVDC et la tension 270VDC, le facteur
de passage vaut 2 . Dans une premire tape, nous nous appuyons sur
ce facteur de 2 pour reconstituer la norme de qualit rseau pour le
bus 270 VDC. La Fig.1- 10 montre une comparaison entre les gabarits
normatifs en
-
Contexte gnral
19
tension pour les deux rseaux 540 HVDC et 270 VDC avec un dcalage
de 6dB pour un rapport de 2. De mme, la Fig.1- 11 montre une
comparaison entre les gabarits normatifs en courant.
A
mp
litu
de
d'h
arm
on
iqu
e (d
B d
e 1
Vm
ax)
Frquence (Hz)
Norme en tension
Rseau 270 VDC
Rseau 540 HVDC
Fig.1- 10 : Comparaison entre les gabarits normatifs en tension
des rseaux 540HVDC et 270VDC
A
mp
litu
de
d'h
arm
on
iqu
e (d
B d
e 1
Am
ax)
Frquence (Hz)
Norme en courant
Rseau 270 VDC
Rseau 540 HVDC
Fig.1- 11 : Comparaison entre les gabarits normatifs en courant
des rseaux 540HVDC et 270VDC
Pour conforter notre approche dadaptation, nous faisons rfrence
une autre norme qui concerne les contraintes de qualit rseau avec
une tension de bus de 270VDC (MIL-STD-704F). La Fig.1- 12 montre le
gabarit normatif de tension impos par cette norme compar une
version antrieure de la norme Airbus 540HVDC (N24RP0831391-1.3).
Cette norme en tension a t modifie dans la version 2.0 (Fig.1- 9),
le but de cette comparaison est purement pdagogique pour valider
notre approche dadaptation de la norme. Les diffrences qui existent
entre lancienne et la nouvelle version de la norme Airbus sont dues
un changement de stratgie qui a pour but lamlioration de la tension
de bus en rduisant son continu harmonique.
-
Contexte gnral
20
A
mp
litu
de
d'h
arm
on
iqu
e (d
B d
e 1
Vm
ax)
Frquence (Hz)
Norme en tension
N24RP0831391-1.3
MIL-STD-704F
6 dB
Fig.1- 12 : Comparaison entre les gabarits normatifs en tension
des rseaux 540HVDC (Norme AIRBUS) et 270VDC (MIL-STD-704F)
La comparaison des deux gabarits montre que la diffrence entre
les deux amplitudes est constante pour toutes les frquences
considres. La diffrence entre les deux gabarits vaut 6 dB ou
20log10(2) :
2)2(log20
540
27010270540i
iii
ff
dBf
dBf
VVVV (1- 1)
Le rsultat trouv montre que le passage entre la norme du rseau
540HVDC une norme pour un rseau 270VDC peut se faire tout
simplement par une division de lamplitude des harmoniques de
tension par 2 et une multiplication des harmoniques de courant par
2 .
Remarque : la norme MIL-STD-704F ne contient quune norme en
tension contrairement la norme Airbus qui impose un gabarit
normatif en courant pour les sources et les charges connectes au
rseau.
7 Optimisation multidisciplinaire (MDO) :
Loptimisation multidisciplinaire (Multidisciplinary Design
Optimization : MDO) est un domaine de lingnierie qui concerne
lutilisation de loptimisation dans la conception des systmes qui
impliquent plusieurs domaines scientifiques ou plusieurs
disciplines. Lintrt que prsente loptimisation multidisciplinaire
consiste dans la considration des diffrents couplages qui existent
entre les parties du systme optimis. En effet, loptimisation
individuelle (optima locaux) ne suffit pas pour avoir des solutions
systme optimales. Dautre part, la prise en compte des interactions
entre les diffrentes disciplines demande, en gnral, une formulation
plus complique du problme doptimisation globale.
Les origines de la MDO remontent daprs [JOA] aux travaux de
Shmit [SCH60] et Haftka [HAF73] qui sont les premiers introduire
dautres disciplines dans leurs problmes doptimisation.
-
Contexte gnral
21
Depuis, loptimisation multidisciplinaire a t utilise dans
plusieurs travaux de recherches et projets industriels pour la
conception de diffrents systmes. Lapplication la plus connue dans
la littrature est celle de laile de lavion [MAN99] ou trois
disciplines fortement couples sont considres : larodynamique, la
structure et le contrle. On peut citer dautres applications comme :
les ponts [BAL00], les locomotives de trains [HE05], les voitures
[MCA03], les navires [PER03], les machines lectriques [FOU09].
Les difficults rencontres lors dune formulation MDO se rsument
dans le choix de la faon la plus adapte pour coupler les modles des
diffrentes disciplines et les algorithmes doptimisation. Il faut
formaliser comment le problme doptimisation globale va tre rsolu.
Dans ce contexte, nous appelons une architecture MDO cette
combinaison qui comporte : modles danalyse des disciplines,
organisation ou structure du problme et algorithme doptimisation.
Dans la littrature, le terme architecture MDO peut tre remplac par
dautres termes comme : mthode [KRO94], stratgie [CRA94],
formulation du problme [WUJ96],etc.
Plusieurs architectures MDO peuvent tre utilises pour rsoudre un
problme doptimisation multidisciplinaire. La structure du problme
et lalgorithme doptimisation influencent significativement la
qualit des solutions obtenues en fin de processus doptimisation
ainsi que le temps de calcul de la mthode. La complexit des
problmes doptimisation multidisciplinaires (tailles des modles
danalyse, nombre de disciplines, nombre de variables de
couplage,...) requiert lutilisation dalgorithmes doptimisation
rapides, tels que les algorithmes de type gradient . En revanche,
ces algorithmes sont connus par leur caractre local qui peut trs
probablement mener des optimums locaux, surtout dans le cas ou les
fonctions objectives sont multimodales. Lutilisation des
algorithmes dits globaux pour ce genre de dmarche est trs rare dans
la littrature cause de leurs cots de calcul trs levs.
Plusieurs travaux de recherche ont t consacrs ltude de la MDO
dans les derniers temps, nous citons ici quelques travaux publis
par ordre chronologique :
[HAF92] a t le premier donner un tat de lart des architectures
MDO connues lpoque ;
[CRA94] donne une formulation des architectures MDO mono-niveau
et dtaille des mthodes de rsolution de type gradient ;
[BAL96] propose quelques architectures mono-niveau et estime
leurs cots de calcul ; [ALE97] fournit un tat de lart complet des
architectures MDO mono-niveau et multi-
niveaux dans une srie darticles intitul Multidisciplinary Design
Optimization : State of Art ;
[ALE97] tudie la convergence de certaines stratgies de
coordination pour des architectures multi-niveaux ;
[BAL97] porte pour la sparation comme un moyen pour assurer
lautonomie des diffrentes disciplines dans un systme ;
[SOB97] publie une tude exhaustive de la littrature de la MDO
jusqu ce moment l ; [AGT09] prsente avec un groupe de chercheurs de
diffrentes nationalits lvolution des
architectures MDO.
-
Contexte gnral
22
[RAM et BRI 12] proposent des formulations MDO combines la
technique (Space-Mapping) pour la rduction du temps de calcul avec
la paralllisation.
Ces dernires annes, la MDO devient un domaine de recherche trs
actif, de nouvelles architectures ont t dveloppes et plusieurs
applications russies de la MDO ont vu le jour dans lindustrie et
surtout en aronautique [WIL03] et [PIP07]. Un article sorti en 2009
[TOS09] regroupe plusieurs architectures dveloppes dans les annes
2000 et qui ne sont pas cites dans les articles prcdents.
Toutefois, il ny a pas actuellement ( notre connaissance) un tat de
lart complet qui regroupe toutes les architectures MDO avec une
comparaison de leurs caractristiques, avantages et
performances.
Dans cette section, le but est de prsenter les principales
architectures MDO cites dans la littrature avec une seule notation
pour faciliter aux lecteurs la comprhension de ces architectures et
de leur permettre de faire une comparaison rapide entre elles.
Comme nous lavons cit auparavant, les architectures MDO se
regroupent en deux grandes familles selon le nombre de niveaux
considr : les architectures avec un seul niveau doptimisation dites
architecture mono-niveau et les architectures avec deux niveaux
doptimisation ou plus dites architectures multi-niveaux .
Architectures MDO mono-niveau :
Si nous ignorons les limites des disciplines, un problme MDO
nest rien de plus quun simple problme de programmation non-linaire
contraintes : il faut trouver le bon ensemble de variables de
dcision pour minimiser ou maximiser une ou plusieurs fonctions
objectives tout en respectant les contraintes du problme. Le
comportement de chaque composant du systme est reprsent par un
modle danalyse qui peut prendre plusieurs formes : quations
mathmatiques, mta-modle, tableau de valeurs, simulation,....
Lun des principaux dfis de la MDO est de savoir comment grer les
couplages qui existent au sein du systme. En effet, les modles
danalyse des diffrentes disciplines sont mutuellement
interdpendants : le modle de la discipline i ncessite les sorties
du modle de la discipline j . bien que cette interdpendance soit
ignore en pratique grce lutilisation des optimisations indpendantes
qui se produisent en parallle ou en squentiel, la considration des
couplages conduit gnralement une reprsentation plus prcise du
comportement du systme. Les architectures MDO offrent un cadre
formel cohrent pour grer ces couplages dans le processus de
conception.
Les architectures prsentes dans cette section sont appeles
architectures mono-niveau . Dans de telles architectures, le
problme MDO est rsolu comme tant un problme doptimisation unique,
cest--dire, dans une seule boucle doptimisation ou par des
optimisations squentielles.
-
Contexte gnral
23
Dans cette thse, nous nous sintressons deux types darchitectures
mono-niveau : une architecture globale (appele souvent MDF dans la
littrature pour Multi-Discipline Feasible) et une architecture
squentielle.
La Fig.1- 13 reprsente une architecture globale, le problme MDO
est dfini comme suit :
0)(
0)( : Avec
rapport Par
)( Minimiser
xHxG
xxf
x est le vecteur des variables de dcision du problme de
conception global. Ce vecteur englobe les variables de dcision de
toutes les disciplines intervenant dans la modlisation du systme.
Une partie de ces variables de dcision sont des variables de
couplage entre deux ou plusieurs disciplines y .
G est le vecteur des contraintes dingalit du problme de
conception.
H est le vecteur des contraintes dgalit du problme de
conception.
Optimiseur
Discipline 1
X
X1,Y
Discipline 2 Discipline 3
X2,Y X3,Y
Z1 Z2 Z3
F,G,H
Analyse multidisciplinaire
Fig.1- 13 : Approche doptimisation globale
La Fig.1- 14 reprsente une architecture squentielle avec deux
problmes doptimisation. Dans une telle formulation, nous commenons
par optimiser la conception dune partie du systme indpendamment du
reste. Une fois que ce problme de conception converge vers une
solution optimale, nous passons la deuxime partie du systme. La
conception du deuxime sous-systme doit prendre en considration le
vecteur des variables de couplage transmis par le premier
sous-systme pour assurer la cohrence entre les deux parties. Pour
cela, les variables de couplages sont traites par des contraintes
dgalit dans le deuxime sous-systme ce qui reprsente une perte de
degr de libert pour son optimiseur.
-
Contexte gnral
24
Optimiseur
Discipline 1
X1 F1,G1,H1
Optimiseur
Discipline 2
X2 F2,G2,H2,H2cY
Fig.1- 14 : Approche doptimisation squentielle
Le premier problme est dfini comme suit :
0)(
0)( : Avec
rapport Par
)( Minimiser
11
11
1
11
xHxG
xxf
Le deuxime problme doptimisation est dfini comme suit :
0)(
0)(
0)( : Avec
rapport Par
)( Minimiser
2
22
22
2
22
yHxHxG
xx
c
f
ix est le vecteur des variables de dcision du problme de
conception du rang i .
if est la fonction objectif du problme de conception du rang i
.
c2H est le vecteur des contraintes de coordination entre les
deux problmes doptimisation.
Dans cette approche la fonction objectif globale est dfinie
comme suit :
),F( 21 fff (1- 2)
Architectures MDO multi-niveaux :
Plusieurs architectures multi-niveaux sont proposes dans la
littrature. Les diffrences qui existent entre une architecture
multi-niveaux et une architecture mono-niveau peuvent tre rsumes en
deux points :
La prsence dun niveau systme ou systmier dans les architectures
multi-niveaux pour grer les problmes de conception des niveaux
infrieurs ;
-
Contexte gnral
25
La possibilit davoir plusieurs boucles doptimisation dans le mme
niveau de conception.
La Fig.1- 15 reprsente une architecture gnrale dune approche
multi-niveaux.
Fig.1- 15 : architecture gnrale dune approche doptimisation
multi-niveaux
Comme exemples darchitectures multi-niveaux nous pouvons citer
:
Concurrent SubSpace Optimization (CSSO) [BLO92] ; Collaborative
optimization (CO) [BRA96] ;
Bilevel Integrated System Synthesis (BLISS) [SOB00] ; Analytical
Target Cascading (ATC) [KIM01].
Dans ce travail, nous nous intressons lATC. Cette approche
multi-niveaux sera prsente en dtail dans le quatrime chapitre de
cette thse.
8 Conclusion
Ce chapitre introductif a dune part permis de situer le contexte
applicatif de notre tude, li lavion plus lectrique et les
contraintes notamment normatives qui sy rfrent. Dautre part, nous
avons introduit la dmarche mthodologique qui vise formaliser un
processus de conception systmique par optimisation bas sur des
approches issues de la MDO et plus spcifiquement multi-niveaux.
Avant de parvenir ces formulations, la premire tape, objet du
second chapitre consiste btir le modle de dimensionnement pour les
diverses disciplines couples au sein du systme.
Optimiseur global
Modle Discipline 1
X,
X 1 ,Y,..
Z 1
F,G,H,
Optimiseur1
Modle Discipline 2
X 2 ,Y,..
Z 2
Optimiseur2
Modle Discipline 3
X 3 ,Y,..
Z 3
Optimiseur3
-
26
CHAPITRE 2
MODELE ANALYTIQUE MULTI-PHYSIQUE DU VCS
-
Modle analytique multi-physique du VCS
27
1 Introduction :
Dans un objectif de conception par optimisation d'un systme,
nous devons disposer de modles qui permettent d'valuer
convenablement, partir de grandeurs dimensionnantes (variables de
dcisions), les indicateurs (objectifs et contraintes) jugs
pertinents pour dfinir sa structure, son fonctionnement et sa
faisabilit dans son environnement.
Dans notre travail, les systmes tudis peuvent coupler plusieurs
disciplines savoir la mcanique, la thermique, llectricit et
llectromagntisme. Pour dcrire ces physiques, plusieurs mthodes de
modlisation peuvent tre envisages : analytique, lments finis,
volumes finis, rseaux dadmittances, bond graph ... Le choix dune
mthode de modlisation est fait selon plusieurs critres. Parmi ces
critres, nous pouvons citer : la nature du phnomne, la prcision
voulue, la complexit du systme tudi ou encore le temps de calcul...
Le but derrire la modlisation de notre systme lectromcanique est
loptimisation de sa conception selon des critres quon fixe lavance.
Dans ce contexte, il parait vident et logique de sorienter vers une
modlisation qui offre un trs bon compromis entre prcision et temps
de calcul (loptimisation du systme ncessite un nombre important
dappels du modle pour lvaluation des contraintes et des objectifs).
Par consquent, afin de permettre dapprhender la vision globale de
systmes complexes et htrognes, nous avons opt pour un modle
analytique pour les trois parties du dispositif (actionneur,
onduleur et filtre dentre).
Un modle analytique est constitu entirement dquations
mathmatiques reprsentant les caractristiques physiques du systme.
Le reproche souvent oppos ce type de modlisation est la qualit de
ses rsultats (prcision) ; pour cela un travail de validation de
modle par des mthodes plus fines est fortement conseill. Dans
lAnnexe. I, un travail de validation par lments finis est ainsi
ralis sur un ensemble de machines issues du processus
doptimisation.
Le systme tudi est compos de trois parties de diffrentes
disciplines : une machine synchrone aimant permanent, un onduleur
de tension deux niveaux et un filtre dentre passif. Apres avoir
montr l'intrt de la haute vitesse pour les systmes embarqus ainsi
que les diffrentes topologies de machines envisageables, nous
dtaillons les principaux aspects de la modlisation analytique de la
machine synchrone aimants permanents monts en surface. Ces modles
permettent destimer les deux objectifs les plus pertinents pour les
applications embarques (masse et pertes) et dvaluer les diffrentes
contraintes du problme (gomtriques, lectromagntiques, thermiques et
de contrle).
Ensuite, les diffrents aspects de la modlisation de londuleur de
tension sont voqus. A travers une linarisation des interrupteurs de
puissance, du boitier et du systme de refroidissement, la plupart
des caractristiques de londuleur de tension sont dtermines y
compris sa masse. Un modle tempo-frquentiel est utilis pour la
reconstitution des signaux lectriques lentre et la sortie de
londuleur de tension. Ce modle permet de synthtiser les contraintes
de qualit rseau et dvaluer le rendement de londuleur en calculant
ses diffrentes pertes.
Aprs, nous nous intressons au filtre dentre qui remplit une
fonction principale dans notre systme en assurant le respect de la
qualit rseau impose par le systmier (AIRBUS). Le filtre est
-
Modle analytique multi-physique du VCS
28
modlis par un circuit quivalent dadmittance afin de dterminer
les grandeurs lectriques son entre et sa sortie. Pour valuer la
masse et les pertes du filtre, nous proposons des modles simples
pour les capacits et la rsistance bass sur linterpolation des
donnes issues de donnes de diffrents constructeurs. Un modle plus
fin est adopt pour la caractrisation de linductance.
Finalement, nous proposons une mthode de traitement des modles
analytiques par une approche dite DSM (Design Structure Matrix).
Cette mthode matricielle permet dans un premier temps de
restructurer les modles analytiques pour faciliter leur
manipulation et pour mieux dfinir les couplages entre les
diffrentes variables intervenant dans ces modles. Elle constituera
ensuite, dans le troisime chapitre, la base dune mthode daide au
choix des variables de dcisions (paramtres dentre du modle).
2 Machines haute vitesse :
2.1 Dfinition de la haute vitesse :
Plusieurs tentatives de dfinition de la haute vitesse ont t
proposes dans la littrature [MAE95, RAH04, BIN07]. Dans toutes ces
rfrences, la haute vitesse ne peut pas tre caractrise seulement par
la vitesse de rotation , les dimensions de la machine (surtout le
rayon extrieur du rotor) doivent tre aussi un critre de dfinition.
Cependant, la taille de la machine permet de prendre en compte les
contraintes mcaniques qui caractrisent la haute vitesse. Ainsi, une
machine
haute vitesse est rigoureusement caractrise par sa vitesse
tangentielle (ou priphrique) TangV et non par sa vitesse de
rotation . Un tel raisonnement pourrait avoir un sens, puisque le
facteur limitant de la vitesse de rotation est bien le stress
mcanique sur le rotor qui est principalement dfini en fonction de
la vitesse tangentielle de la machine. Les deux vitesses sont
relies par la relation suivante :
EXTrotTang RV (2- 1)
O EXTrotR est le rayon extrieur du rotor.
Selon cette dfinition, les trs grands gnrateurs fonctionnant
50/60 Hz sont aussi considrs parmi les machines haute vitesse alors
qu'ils nont, en aucun cas, les caractristiques connues de ces
machines. Pour cette raison, Binder et Schneider proposent de ne
considrer comme machines haute vitesse que celles vitesse variable
alimentes par un onduleur [BIN07].
Une dfinition plus gnrale de la haute vitesse t propose par
[REZ11] dans son ouvrage machines lectriques non conventionnelles :
chaque fois que la vitesse de rotation intervient comme contrainte
majeure, de faon directe ou indirecte, dans la conception et le
dimensionnement de la machine lectrique, on parle de machine haute
vitesse. En sappuyant sur cette dfinition, nous pouvons considrer
les actionneurs sujets de cette thse comme des machines haute
vitesse. Limpact de la vitesse de rotation (entre 8000 et 16000
Tr/min) est bien dtaill dans le chapitre III.
-
Modle analytique multi-physique du VCS
29
2.2 Pourquoi la haute vitesse :
Les machines haute vitesse prsentent des avantages multiples
dans plusieurs domaines d'application et surtout pour les systmes
embarqus. Elles offrent un gain de compacit trs apprci par
plusieurs secteurs comme en aronautique et dans lautomobile,
secteurs qui cherchent gagner le maximum possible de masse et
volume embarqus dans leurs systmes. A volume donn, l'augmentation
en vitesse permet d'augmenter la puissance lectrique de la machine,
cela signifie une amlioration importante de la puissance volumique
et massique disponible.
La puissance lectromagntique dveloppe par une machine lectrique
tournante peut sexprimer partir de la force magntique tangentielle
dfinie par le tenseur de Maxwell [BIN13].
max2 ntrEM BHVP (2- 2)
O rV est le volume du rotor ; max
nB est la valeur maximale de la composante normale de
linduction dans lentrefer et tH la valeur efficace de la
composante tangentielle du champ magntique. Elle sexprime
gnralement en fonction de la densit linique de courant LA par :
s
ssLt r
INmAH
(2- 3)
O m est le nombre de phase ; ss IN est la valeur efficace de la
force magntomotrice par
phase et sr le rayon d'alsage du stator.
En dfinissant rdrR , le rapport du rayon dalsage sr sur le rayon
extrieur du stator, la puissance volumique de la machine lectrique
peut scrire :
max22 nLrdrVol BARP (2- 4)
L'analyse de cette relation permet d'identifier les paramtres
sur lesquels doit jouer le concepteur pour amliorer la densit de
puissance de la machine.
Augmenter la charge linique de courant LA : selon la qualit de
l'isolant du bobinage (Tab.2- 1) et le mode de refroidissement
adopt ; la densit de courant peut aller de 2.5 jusqu' 20 A/mm
[REZ11]. Les limitations thermiques sont les contraintes
principales pour cette solution, lamlioration de la qualit des
isolants et des systmes de refroidissement peut repousser les
limites actuelles.
Augmenter le niveau de l'induction maxnB : au niveau de
l'entrefer, cette augmentation permettra d'amliorer le couple de la
machine, tandis qu'au niveau du stator (culasse et dents) la
saturation des matriaux magntiques contraint cette solution. Les
recherches dans ce domaine apportent continuellement des
amliorations l'image de nouveaux matriaux haute induction de
saturation (suprieure 2T pour des alliages Fer-Cobalt, Fer-Si ou
Fer pur [TEC]).
-
Modle analytique multi-physique du VCS
30
Augmenter la vitesse de rotation : la vitesse de rsonance et les
efforts centrifuges vont limiter la vitesse de rotation de l'arbre
[LAR90, ZWY06, ZHO07].
Parmi les trois solutions cites, l'augmentation de la vitesse de
rotation de la machine est la plus efficace pour l'amlioration de
la densit de puissance. Cependant, les deux premires solutions
permettent d'atteindre les limites thermiques et magntiques qui
sont gnralement plus svres et plus difficiles contourner que les
problmes mcaniques lis la haute vitesse. Les progrs technologiques
probables sur ces deux secteurs (refroidissement diphasique,
nouveaux matriaux magntiques) constituent cependant une voie de
progrs.
Tab.2- 1 : Classes d'isolants selon les normes IEC 85 et UL 1446
[DUP]
Classe de temprature IEC 85
Temprature maximale au point le
plus chaud
Classe de temprature UL 1446
Temprature maximale au point le
plus chaud Y 90 - 90 A 105 - 105 E 120 - 120 B 130 B 130 F 155 F
155 H 180 H 180
200 200 N 200 220 220 R 220 250 250 S 240
* * >240 >240 * Au-del de 250C, chaque classe de
temprature est suprieure de 25C la prcdente.
3 Choix de la topologie de la HSPMSM :
Diffrentes topologies du rotor structure cylindrique illustrs
dans la Fig.2- 1 sont envisageables selon la disposition des
aimants. Parmi les diffrentes morphologies de rotor, nous retenons
la topologie aimants monts en surface base cylindrique (a), appele
ples lisses ou sans pices polaires.
Cette topologie a t impose dans le cahier de charges par
LIEBHERR-Toulouse Aerospace. Associe une frette de maintien, cette
structure constitue en effet le meilleur choix pour le
fonctionnement haute vitesse. Elle offre une rsistance mcanique en
rotation suprieure la structure aimants enterrs (d) [BIN06], ce qui
permet datteindre des vitesses suprieures. En plus davoir une
robustesse mcanique suprieure, la structure adopte est approprie,
car offrant un THD (Taux harmonique de distorsion) de la force
contre-lectromotrice plus faible [NAG05]. Enfin, une caractristique
propre de la topologie (a) est davoir une rluctance constante le
long de lentrefer, donc une inductance synchrone constante
indpendante de la position mcanique du rotor. Linductance synchrone
a une faible valeur, due la permabilit de l'aimant ajoute celle de
lentrefer, toutes les deux proches de celle de lair. Dautre part,
lpaisseur de la frette de maintien sajoutera lpaisseur de lentrefer
mcanique de manire ce que la hauteur des aimants soit suffisante
pour satisfaire le niveau dinduction dsir dans lentrefer.
-
Modle analytique multi-physique du VCS
31
Par rapport la structure base plate Fig.2- 1 (a), la topologie
retenue est en revanche plus difficile fabriquer. Par contre, une
caractristique propre de la topologie (a) est davoir une rluctance
constante le long de lentrefer donc une inductance synchrone
constante indpendante de la position mcanique du rotor [AND13].
(a) (b) (c)
(d) (e)
Fig.2- 1 : Diffrentes topologies de rotor : aimants monts en
surface (a et b) ; aimants insrs (c) ; aimants enterrs (e) ;
concentration de flux (d)
4 Modle multi-physique de la machine synchrone aimants
permanents haute vitesse HSPMSM :
Dans ce sous-chapitre, nous nous intressons la modlisation de la
machine synchrone aimants permanents monts en surface pour des
applications de haute vitesse. Ce modle est largement inspir des
travaux de thse dA. De Andrade [AND13], mens par le LAPLACE et
Liebherr Aerospace. En vue d'une conception par optimisation de
l'HSPMSM, et a fortiori de son insertion dans un systme
dactionnement complet (incluant filtre et onduleur), la modlisation
analytique semble la plus adapte par rapport aux modles en lments
finis ou en rseaux de permances. La simplicit des modles
analytiques et leurs temps de calcul trs courts sont des avantages
qui facilitent les tches de l'optimiseur. En plus, moins
d'informations sont ncessaires pour la dfinition du systme
contrairement aux autres modles qui ncessitent parfois un trs grand
nombre de donnes d'entre. Cependant, ces modles sont moins prcis
compars aux lments finis par exemple, puisqu'ils ncessitent des
hypothses de simplification gnralement valables pour un domaine de
fonctionnement bien prcis. Par consquent, afin doptimiser le
compromis rapidit-validit, un recalage du modle analytique via une
validation par lment finis est toujours indispensable. Ce recalage
peut (doit) tre fait a priori (avant optimisation) sur un modle de
rfrence puis a posteriori (post optimisation) sur quelques
solutions particulires juges optimales.
Le modle doit dcrire tous les phnomnes physiques intervenant
dans le fonctionnement de la machine. Aprs la dfinition de la
gomtrie de la machine, un modle magntique permet de
-
Modle analytique multi-physique du VCS
32
calculer la plupart de ses dimensions. Ensuite, un modle
lectrique permet de dfinir les diffrents paramtres lectriques de la
machine. A ce stade, la structure de la machine est totalement
dfinie et ses masse et volume sont ainsi dtermins. Les pertes dans
les diffrentes parties de la machine sont calcules pour chaque
point de fonctionnement de la mission de vol. Finalement, la
machine conue doit rpondre des exigences particulires en termes de
la tenue thermique de ses diffrentes parties et de l'tat magntique
des aimants. Ainsi, un modle thermique est propos tenant compte des
systmes de refroidissement dfinis dans le cahier des charges impos
par la socit LIEBHERR Aerospace-Toulouse.
Pr-simulatuion
Modle gomtrique
NS
Modle magntique
Modle lectrique
DimensionsMachine
Post-simulatuion
Plancouple x vitesse
pilotage
rotor statorentrefer
rendement
Modle de pertes
Modle thermique
DimensionsMachine
Paramtres duCircuit lectrique
Fig.2- 2 : schma descriptif des diffrentes facettes du modle
analytique de lactionneur et leurs interactions
4.1 Gomtrie de la machine :
La Fig.2- 3 reprsente une coupe verticale de la machine. Le
stator est caractris par la forme droite des dents et trapzodale
des encoches. Cette configuration permet une meilleure pntration du
flux magntique. Les aimants sont colls sur la culasse rotorique et
spars par des intercalaires en aluminium dont la fonction
principale est d'assurer leur positionnement et de les protger
vis--vis des courants de Foucault.
La dtermination des paramtres gomtriques de la machine se fait
en fonction du modle magntique prenant en compte les bobinages
statoriques, les aimants et les matriaux des lments constitutifs de
la machine.
Dans le Tab.2- 2, nous dfinissons quelques paramtres gomtriques
utiliss par la suite dans les quations de dimensionnement de la
machine.
Fig.2- 3 : coupe verticale de lactionneur HSPMSM
-
Modle analytique multi-physique du VCS
33
Fig.2- 4 : visualisation du pas dencoche et du pas dentaire
Tab.2- 2 : relations utilises pour le dimensionnement de
lactionneur HSPMSM
sg (entrefer total quivalent total) (2- 5)
prS
p
2
(pas polaire) (2- 6)
enc
Senc N
r
2 (pas dencoche voir Fig.2- 4) (2- 7)
eppencd NpmN
2
(angle du pas dentaire (voir Fig.2- 4) ) (2- 8)
dp (angle lectrique du pas dentaire) (2- 9)
grSm
magnet
(angle douverture externe daimant) (2- 10)
magnetp pK (panouissement daimant) (2- 11)
O p est le nombre de paires de ples ; eppN le nombre dencoches
par ple et par phase et
m le nombre de phases considr.
4.2 Modle magntique :
Dans cette partie, nous nous intressons aux diffrents aspects
lis aux phnomnes magntiques dans la machine dont les principaux
acteurs sont les aimants au rotor et les bobines des phases
statoriques. Les problmatiques lies lentrefer, au flux de fuites
des aimants, la raction dinduit et la dmagntisation des aimants
sont abordes.
Parmi les diffrents modles possibles, nous avons dvelopp un
modle bas sur la circulation du champ magntique cr par un aimant.
Les avantages de ce modle concernent surtout le comportement
magntique dans lentrefer (paramtre important pour la haute vitesse)
et la possibilit davoir un modle gnrique pour diffrentes
configurations de lactionneur, fonction du nombre dencoches et du
nombre de paires de ples du rotor.
Le modle circulation de champ magntique est bas sur les quatre
quations de Maxwell complmentes par les relations de constitution
qui permettent de dfinir le problme lectromagntique. Le modle
suppose les hypothses simplificatrices suivantes :
-
Modle analytique multi-physique du VCS
34
Ltude de lactionneur est porte sur le domaine de la
quasi-statique dans lequel la dynamique de lactionneur est analyse
pas pas dans le temps et en respectant la condition suivante :
.f elec
2
1 (2- 12)
O elecf est la frquence du champ tournant ; est la permittivit
lectrique et est la conductivit lectrique des matriaux.
La densit statique de charges lectriques volumiques uniformment
nulle nous
p
![blog.uclm.esblog.uclm.es/escueladetraductores/files/2016/11/folleto...Bandiera Rossa de Bouchra Khalili Recycling Tri: 'saiklin] de Abdelaziz Taleb Biographie de la Pierre de Abdelghani](https://img.pdfslide.fr/doc/110x75/5afd764c7f8b9a8b4d8d94e8/bloguclm-rossa-de-bouchra-khalili-recycling-tri-saiklin-de-abdelaziz-taleb.jpg)
