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Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique
Industrielle
Journées EEA
1
18 – 19 mars 2004
Électronique de Puissance pour la qualité de l’énergiedes réseaux de bord d’avion
P. Ladoux, F. Richardeau, L. Raulin
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique
Industrielle
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18 – 19 mars 2004
Le système électrique avionLe système électrique avion
Ex : A330-300 – Power generating systems
CSM/G
BAT 1 & 2BCL 1 & 2STAT INVEmergencypower centreTR ESS
RATBAT APUTR APU APU GEN
Primary power centreTR 1 & 2
IDG 1 & 2EXT PWR
Electrical System
Hydraulic System
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18 – 19 mars 2004
THS actuators
APU starter
Rudder actuators
Ex : A330-300 – Major power consumers (emergency configuration)
Electrical System
Hydraulic System
Windshield and windows anti-ice systems
Electronics (essentials loads)
Landinglight
Fuel pump
THS actuators
Braking system
Elevator actuators
Inboard aileron actuators
Outboard aileron actuators
Slats actuators
Le système électrique avionLe système électrique avion
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Journées EEA
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18 – 19 mars 2004
ProblématiqueProblématique de de maîtrisemaîtrise de de la la QualitéQualité RéseauRéseau
•• TENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demainTENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demain
–– Réseau & Consommateurs : de Réseau & Consommateurs : de plus forte puissanceplus forte puissance•• Puissance installée de la génération principale :Puissance installée de la génération principale :
»» A340A340 :: 300 kVA300 kVA»» A380A380 :: 600 kVA600 kVA»» MEA MEA ((More Electrical AircraftMore Electrical Aircraft) :) : ≥≥ 1 MVA1 MVA
–– Généralisation de l’Généralisation de l’Electronique de PuissanceElectronique de Puissance•• Etages de redressement passif 115VAC / 270VDCEtages de redressement passif 115VAC / 270VDC
»» 66--PulsesPulses»» 1212--PulsesPulses
•• Convertisseurs statiques pilotésConvertisseurs statiques pilotés»» Ensembles Onduleur/MoteurEnsembles Onduleur/Moteur»» Convertisseurs Convertisseurs AC/DC & AC/DC & DC/DCDC/DC
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18 – 19 mars 2004
ProblématiqueProblématique de de maîtrisemaîtrise de de la la QualitéQualité RéseauRéseau
•• TENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demainTENDANCES : L’AVION d’aujourd’hui et de demain
–– Réseau & Consommateurs : de Réseau & Consommateurs : de plus forte puissanceplus forte puissance•• Puissance installée de la génération principale :Puissance installée de la génération principale :
»» A340A340 :: 300 kVA300 kVA»» A380A380 :: 600 kVA600 kVA»» MEA MEA ((More Electrical AircraftMore Electrical Aircraft) :) : ≥≥ 1 MVA1 MVA
–– Généralisation de l’Généralisation de l’Electronique de PuissanceElectronique de Puissance•• Etages de redressement passif 115VAC / 270VDCEtages de redressement passif 115VAC / 270VDC
»» 66--PulsesPulses»» 1212--PulsesPulses
•• Convertisseurs statiques pilotésConvertisseurs statiques pilotés»» Ensembles Onduleur/MoteurEnsembles Onduleur/Moteur»» Convertisseurs Convertisseurs AC/DC & AC/DC & DC/DCDC/DC
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• CHARGES non-linéaires Distorsion sur la tension délivrée au POR
ProblProbléématiquematique de de mamaîîtrisetrise de de la la QualitQualitéé RRééseauseau
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18 – 19 mars 2004
• LA QUALITE RESEAU
– Risques et impacts :• Augmentation des pertes : sur-dimensionnement du système• Diminution du MTBF des équipements• Impact sur la performance des équipements
Un besoin :
–Maîtriser le THDV au “Point Of Regulation”
•En imposant des contraintes topologiques
•En évaluant des solutions de filtrage actif
EGIDE : contrôleur de FAN à absorption sinus
COMPENSATEUR PARALLELE
ProblProbléématiquematique de de mamaîîtrisetrise de de la la QualitQualitéé RRééseauseau
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18 – 19 mars 2004
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
Aucune modification des étages d’entrée des récepteursAucune modification des étages d’entrée des récepteursnon linéairesnon linéaires
fréquence de commutation élevée fréquence de commutation élevée
Tension de bus continu élevée Tension de bus continu élevée ?
frmax = 800 Hz Rang 25 : f = 20 kHz !
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18 – 19 mars 2004
E/2
vr vond
modulateurvond réf
E/2
g1
g2
g1 g2
Raccordement d ’un onduleur de tension sur le réseau
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
L E/2
vriond
vond
modulateurvond réf
E/2
g1
g2
g1 g2
Raccordement d ’un onduleur de tension sur le réseau
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
L E/2
vriond
vond
modulateur
i
iréf
-+
PIvond réf
E/2
g1
g2
g1 g2
Raccordement d ’un onduleur de tension sur le réseau
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
Vsynchro
Iactif
L E/2
vriond
vond
modulateur
i
iréf
-+
PIvond réf
E/2
g1
g2
g1 g2
Raccordement d ’un onduleur de tension sur le réseau
X
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
Principe du filtrage actif parallèle
i ch
Σ I n
Réseau
i r
Z
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
Réalisation d’un filtrage actif parallèle
Vsynchro
Iactif
L E/2
iondvond
modulateur
i -+
PIvond réf
vr
E/2
g1
g2
g1 g2
x
réseau
ich
FFT
ihréf
+
E
-+
PIE2
réf
E2x2
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
Exemple de dimensionnement :
30 mΩ
20 µH
vr
ich
115 V – 800 Hz
thtItItih
hch I ωωπω )16sin(23sin23
cos2)(4
11631 ±++
−= ∑
=±
225
223
2,519
2,517
513
511
7,57
95
93
251
Valeur efficace (A)
Rang
tV .cos2 ω
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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18 – 19 mars 2004
Exemple de dimensionnement :
ich(t)
vr(t)Simulation Psim
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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Choix de la tension du bus continu
Détermination de la tension E :
Compensation des harmoniques jusqu’au rang 25 :Compensation des harmoniques jusqu’au rang 25 :
Tension délivrée par l’onduleur :
L
dtdi
Lvv ondrond +=
max
))((.2
a
ond
mtvMaxE =
th
tIti
hh
ond
I .)16sin(2
.3sin2)(4
116
3
ω
ω
±+
=
∑=
±
thL
tILtVtv
hh
rndo
I .)16cos(2..
.3cos2...cos2)(4
116
3
ωω
ωωω
±+
+=
∑=
±
ichir
vr
vond
iond
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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Formes d ’ondes
Simulation Psim360 Vvond(t)
E = 800 V !
( L = 55 µH)
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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Bras d’onduleur multiniveaux à trois cellules imbriquées
E/32E/3
fc = 75 kHzTransistors MOS
ALf
EId
4,5.36max ==∆
E/3 = 266 V
fdec = 225 kHz
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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Formes d’ondes
iond(t)
vr(t)
vond(t)
vond réf(t)
Simulation Psim
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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Formes d’ondes avec filtre LCSimulation Psim
iond(t)
vr(t)
ir(t)
FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUESFILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES
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Un objectif double :Un objectif double :
Absorption sinusoïdale du courant intégrée à un convertisseur AC / DC
Régulation de la tension d'un bus DC
Mono / Tri 115 / 200VFixe 400Hz
Variable 360Hz / 800Hz
Bus régulé local ou distribué200V / 300V
REDRESSEURS ACTIFSREDRESSEURS ACTIFS
Cos ϕ ≈ 1, THDi ≈ 0
Critères de conception :Critères de conception :
Minimiser la masse des éléments passifs (inductances en particulier) et la masse (volume)d’un dissipateur. Il y a donc, a priori, un fréquence de découpage optimale vis-à-vis de laMasse globale de l’équipement
Examiner la conséquence d’un défaut au sein du convertisseur, établir une stratégie permettantde sécuriser le convertisseur, son environnement et de poursuivre le fonctionnement
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REDRESSEURS ACTIFSREDRESSEURS ACTIFS
PFC "simple (économique)"PFC "simple (économique)"
α = 1 - |Vres| / Vbus
Tension découpée à l'entrée du CVSà deux niveaux : +Vbus , 0.
L = Vbus / (4. Fdec . K%. Imax)
Défaut en "court-circuit" du transistor : le bus est naturellement protégé, c'est la protection amont qui est sollicitée.
Défaut en "ouverture" du transistor : alimentation permanente du réseau sur le bus (type pont de diode),la tension moyenne du bus est diminuée.
Simulation Psim
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REDRESSEURS ACTIFSREDRESSEURS ACTIFS
PFC "multiniveaux série"PFC "multiniveaux série"
Ve
Ve
Entrelacement des commandes : Tension 3N : 0, Vbus/2, Vbus.Doublement de la fréquence apparente.
L = Vbus / (16. Fdec . K%. Imax)
Tension flottante stable (filtre équilibrant externe)
Tension flottante à stabiliser par la commande (α1-α2).
α1
α2
Défaut sur les interrupteurs : même effet qu'en deux niveaux, sauf si le défaut n'affecte qu'un seul transistor.
Ve
Ie
Ie
Vbus
Vbus
Simulation Psim
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REDRESSEURS ACTIFSREDRESSEURS ACTIFS
Extension au Triphasé (non réversible)Extension au Triphasé (non réversible) 2 boost à cde séquentielle / bras
Cas identique au simple boost :
L = Vbus / (4. Fdec . K%. Imax)
Phase 1 Phase 2 Phase 3
160V
-160V
200µH
50kHz
Défaut en "ouverture" du transistor : alimentation permanente du réseau sur le bus (type pont de
diodes), la tension moyenne du bus est diminuée.
2N par demi-période (0, Vbus) :
Vbus
Défaut en "court-circuit" des transistors d'un bras : le bus est naturellement protégé par les diodes,
c'est la protection amont qui est sollicitée (réseau).
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REDRESSEURS ACTIFSREDRESSEURS ACTIFS
Onduleur de tension "triphasé"Onduleur de tension "triphasé"
Tension Bras 2 niveaux : ±VbusTension phase - neutre :(±2Vbus/3, ±Vbus/3, 0) pseudo 5 niveaux !Harmonique majoritaire à 2Fdec
Neutre
VbusA B C
VAN
Courants réseau
- le rapport cyclique est centré autour de 1/2, il n'est plus limité,aucune distorsion au passage par zéro de la tension.- le court-circuit d'un bras (2 transistors en série) est hautement critique -> CC du bus. Une protection locale et rapide est indispensable (intégrée au composant / driver).
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CONCLUSIONSCONCLUSIONS
Redresseurs actifsRedresseurs actifs
Solutions à moindre coût Solutions à moindre coût
Bonne disponibilité : marche dégradé possible Bonne disponibilité : marche dégradé possible
Filtre actifFiltre actif
Structure avec une commande complexe Structure avec une commande complexe
Electronique ultra Electronique ultra –– performante !performante !
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