1 avion & électricité de l’électrotechnique haute performance commande d’un système de...
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Avion & électricitéde l’électrotechnique haute performance
Commande d’un système de génération électrique pour réseau de bord d’avion
Introduction de charges non linéaires et mise en place d'un filtre LC
Commande d’un système de génération électrique pour réseau de bord d’avion
Introduction de charges non linéaires et mise en place d'un filtre LC
F. Khatounian, C. Khatounian, E. Monmasson, F. Berthereau, J.P. Louis
UMR 8029
2
• Systèmes de génération actuels
Etat de l’artEtat de l’art
Turbine
Système de génération électrique basé sur une GS à 3 étages
Système de génération électrique basé sur une GS à 3 étages
- Prise de mouvement à vitesse variable
• Ne permet pas d’obtenir une tension à fréquence fixe → besoin d’un troisième élément
3
TurbineSystème
mécanique ou hydraulique
Système mécanique ou hydraulique
GS à 3 étages
= cte
Réseau de bord115V, 400Hz
Integrated drive generator IDG
Constant speed drive CSD
Etat de l’artEtat de l’art
Système mécanique ou hydraulique
Système mécanique ou hydraulique
• Deux systèmes de génération électrique sur les réseaux de bord d’avion
Inconvénient : coût nécessaire à la maintenance du CSD
4
Convertisseurs MLI
Convertisseurs MLI
Turbine GS à 3 étages
Réseau de bord115V, 400Hz
Variable frequency generator VFG
Convertisseurs MLI
Convertisseurs MLI
Etat de l’artEtat de l’art
• Deux systèmes de génération électrique sur les réseaux de bord d’avion
Inconvénient: dimensionnement en puissance du convertisseur
Autres structures de type VFG
Nécessité de diminuer les dimensions du conertisseur
5
Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe
Redresseur MLI
Redresseur MLI
MADA
MSAP
Turbine
Unité de commandeUnité de
commande
Réseau de bord115V - 400Hz
Charges RL,charges non-linéaires
Charges RL,charges non-linéaires
Onduleur MLI
Onduleur MLI
Variable speed constant frequency VSCF
Système fréquemment utilisé dans l’éolien et la microhydraulique
Machine asynchrone à double alimentation
Machine synchrone à aimants permanents
Ps
g.Ps
Système autonome
6
Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe Système de génération à vitesse variable et fréquence fixe
Redresseur MLI
Redresseur MLI
MADA
MSAP
Turbine
Unité de commandeUnité de
commande
Réseau de bord115V - 400Hz
Charges RL,charges non-linéaires
Charges RL,charges non-linéaires
Onduleur MLI
Onduleur MLI
• Cahier des charges :
- Génération autonome
- Puissance nominale à fournir : 50 kVA
- Plage de variation de la vitesse :
- 40% de Ns en hyposynchronisme
- 25% de Ns en hypersynchronisme
- Dimensions et poids les plus faibles possibles
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Modélisation de la MADA Modélisation de la MADA
dt
diσL.i.ωσL.i.r
L
Mr.v
L
M.ω
L
M.φ
τL
Mv
dt
diσL.i.ωσL.i.r
L
Mr.v
L
M.ω
L
M.φ
τL
Mv
sqssdsssqr
2
r
srsrq
r
srrd
r
srrq
rr
srsq
sdssqsssdr
2
r
srsrd
r
srrq
r
srrd
rr
srsd
• Problématique : établir une modélisation exploitable du système
MADAMADARéseau
P* , Q*
Réseau
P* , Q*
Vs
Is
Vr
Équation de sortie impropre
rqsqrsrrdrrqrrq
rdsdrsrrqrrdrrd
v.iTM.φω.φT1dt
dφ
v.iTM.φω.φT1dt
dφ
Pour les besoins de la commande :
8
Stratégie de commande de la MADA Stratégie de commande de la MADA
• Structure : - Boucles internes de régulation du flux rotorique
- Boucle externe de régulation de la tension de réseau (tension statorique)
• Objectif : Commander Vs en amplitude et en fréquence
• Principe : Commande vectorielle dans le but de découpler les puissances
• Choix du repère :
- référentiel lié au champ statorique
- flux statorique aligné avec l’axe d : sd = s et sq = 0
s
2s
sr
rrds
srs
rqssr
s
ω
3V
M
LV3
σM
σ1Q
V3σM
σ1P
9
• Schéma-bloc de la commande de la MADA :
Schéma-bloc de la commande de la MADA Schéma-bloc de la commande de la MADA
Qs
Ps
irq
isd
ird
isq
MADA +
charges
MADA +
charges
irdisq irq
Termes de couplage
Termes de couplage
isd isq
PI PI*
rq Vrd*
PI PI*
rd Vrq*
Estimateur du flux rotoriqueEstimateur du flux rotorique
rd
rq
-
- -
-
isd
Ki/s Ki/s
2sq
2sd VV 2
sq2
sd VV
sr
rs
M
LL
sr
rs
M
LLisq
Termes de couplage
Termes de couplage
isd isq
vsd
Vs*
vsq
-
-
10
• Cascade côté rotor :
Schéma de la cascade côté rotorSchéma de la cascade côté rotor
Redresseur MLI Onduleur MLI
~
=MSAP
N~
=
IondIred
Ic
MADAUc
Commande de la MADA
Commande du bus continu
Complexité : - Couplage mécanique ET électrique
- Chaîne bidirectionnelle en énergie
→ Commander le redresseur afin de réguler la tension Uc du bus continu
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Modélisation de la MSAP en vue de la commande Modélisation de la MSAP en vue de la commande
• Equations d’état de la MSAP :
qqqqmsq
ddddmsd
EIdt
dLIRV
EIdt
dLIRV
avec
fddq
qqd
ωIωLE
IωLE
- Machine symétrique → Ld = Lq
• Commande de la MSAP :
- Objectif : Réguler Uc à sa valeur nominale
- Principe : Commande vectorielle – référentiel lié au flux inducteur
• Structure : - Boucles internes de régulation des courants statoriques
- Boucle externe de régulation de la tension du bus continu
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Principe de commande de la MSAP Principe de commande de la MSAP
fddq
qqd
.I.L.V
I.L.V
qqdd V.IV.IP
• En régime permanent et en négligeant Rms :
• Iq fixe Vd et Uc limitant V → besoin d’une stratégie de défluxage
f
*q .
PI
(avec Ld = Lq)
d
f2qc
2lim*
dclim
*dclim
ωL
ωVUVIUVV
0IUVV
→ Iq* directement proportionnel à la puissance demandée ou renvoyée par la MADA
13
Principe de commande de la MSAP Principe de commande de la MSAP
• Régulation de Uc
qfredc IωIUP
ondredc II
dt
dUC
ondqc
fc
redf
cq
IIU
ωCp.U
Iω
UI
En supposant les pertes nulles :
Equation de base pour la régulation du bus continu:
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Schéma-bloc de la commande de la MSAP Schéma-bloc de la commande de la MSAP
• Schéma-bloc de la commande de la MSAP
Iq
PI PI-
0
0
Id*
Id
V*d
U*c
Uc
PI PI
Iond
PI PIIq*
Iq
Termes de découplageTermes de découplage
Iq
Uc
I2
Id
- -
-
-
d
f
2*qq
2lim
L.
.I.L.V
d
f
2*qq
2lim
L.
.I.L.V
ω
Id ω
V*q
f
cU
*
f
cU
*
15
Résultats de simulation Résultats de simulation
• Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6Ns à 1.25Ns
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.6
0.8
1
1.2
N / Ns
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1x 10
4
Ps (W)
Qs (VAR)
Ps
Qs
0 0.5 10
50
100
150
200
250
Vs (V)
Vr (V)
Vs
Vr
0 0.5 10
100
200
300
400
Uc (V)
t (s) t (s)
t (s) t (s)
16
• Pont redresseur à 6 diodes
Ajout de charges non-linéairesAjout de charges non-linéaires
is1
is2
is3 C R
Uc
Ic
Réseau de bord
• Modélisation groupée de toutes les charges non-linéaires en un seul pont à diodes
• Réseau avec 50% de charges non-linéaires imposé par le cahier des charges
1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 370
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
harmonic rank
harm
on
ics
perc
en
tag
e
17
• Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6Ns à 1.25Ns après ajout des charges non-linéaires
Influence des charges non-linéairesInfluence des charges non-linéaires
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.6
0.8
1
1.2
N / Ns
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1x 10
4
Ps (W)
Qs (VAR)
Ps
Qs
0 0.5 10
50
100
150
200
250
Vs (V)
Vr (V)
Vs
Vr
0 0.5 10
100
200
300
400
Uc (V)
t (s)
t (s) t (s)
t (s)
18
• Influence des charges non-linéaires
Influence des charges non-linéairesInfluence des charges non-linéaires
- Répercussion des harmoniques de courant sur la tension
→ MADA mauvaise source de tension
→ Nécessité de filtrer afin de réguler la tension du réseau
0.345 0.35 0.355-200
-100
0
100
200
Vs1
(V)
0.345 0.35 0.355-200
-100
0
100
200
Is1
(A)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
10
20
30
THDVs
(%)
t (s)
t (s)
t (s)
19
Mise en place d’un filtre LC Mise en place d’un filtre LC
• Mise en place d’un filtre LC
• Avantages : structure simple, robustesse
• Inconvénients : introduction d’un élément supplémentaire qui augmente le poids et le volume du système
MA
DA
L , r Réseau
de bordC
is ig
ic
Vs Vg
• Emplacement : entre le stator de la MADA et le réseau
20
Mise en place d’un filtre LC Mise en place d’un filtre LC
• Dimensionnement du filtre
sV
sI
1rLs
Cs1
ωs2mωs²
ω
sV
sI
s
res
2oo
2o
res
s
LC
1ω0
C
L2
rm avec
• TDHVres < 5% ωo = 6300 rad/s, m
• PJ < 1% 2s_nom
s_nommax
3I
0.01Pr
• L = 10% Ls 20Lω
1C
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pulsations propres (rad/s)
TD
HV
res (
%)
21
Mise en place d’un filtre LC Mise en place d’un filtre LC
• Variation de charge suivie d’une variation de vitesse de 0.6Ns à 1.25Ns après la mise en place du filtre LC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.6
0.8
1
1.2
N / Ns
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1
0
1
2
3
4
5
6x 10
4
Ps (W)
Qs (VAR)
Ps
Qs
0 0.5 10
50
100
150
200
250
Vs (V)
Vr (V)
Vs
Vr
0 0.5 10
100
200
300
400
Uc (V)
t (s) t (s)
t (s) t (s)
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Mise en place d’un filtre LC Mise en place d’un filtre LC
• Formes d’onde au niveau de la MADA et du réseau
0.345 0.35 0.355-200
-100
0
100
200
Vs1
(V
)
0.345 0.35 0.355-200
-100
0
100
200
I s1 (
A)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
10
20
30
TH
DV
s (%
)
t (s)
t (s)
t (s)
0.345 0.35 0.355-200
-100
0
100
200
Vre
s1 (
V)
0.345 0.35 0.355-200
-100
0
100
200
I res1
(A
)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
10
20
30
TH
DV
res (
%)
t (s)
t (s)
t (s)
23
Conclusion Conclusion
• Présentation d’un système de génération VSCF basé sur une MADA.
• Principes de commande de la MADA et de la MSAP et simulations.
Régulation en amplitude et en fréquence de la tension de réseau sous une large plage de variation de la vitesse.
• Introduction de CNL : pont redresseur à 6 diodes.
Détérioration des formes d’onde et des résultats obtenus – TDHVres important
• Mise en place d’un filtre LC
Tension du réseau régulée en amplitude et en fréquence avec TDH < 5%
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Perspectives Perspectives
• Meilleure modélisation de la charge :
- répartition des charges non-linéaires (succession de ponts)
- prise en compte des câbles (feeders)
- introduction de déséquilibres au réseau
• Optimisation du filtrage :
- filtre réparti ou charges à absorption sinus
- réduction de l’encombrement du filtre (poids et volume)
• Optimisation du bus continu
• Comparaison des résultats de ce système avec les systèmes actuels
25
?
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