Analyse et conception des systèmes électriques embarqués.<br />Application aux réseaux de bord d'avion

Abstract

Solid state networks like power network are in constant modification due to the development of the power electronics systems. The future is clear : the embedded power will be electric and the hydraulic and pneumatic power will be reduced. At this time, this transformationis present civil aircraft.However, the increasing number of power electronicconverters connected to aircraft electrical supply networksincreases the harmonic levels and the risk of unstability.For analysis an design goals, appropriated methods must be used. In this context, the first part of this report describes the evolution of the state power network until 50 years. In the second part, a global methodology for design embedded systems is proposed.The two following parts are applications of this methodology in the European project context calledPower Optimized Aircraft. One analyses the dynamic effects in a HVDC structure composed with a starter generator and a fuel pump motor. The modal approach linked to the averages models is discussed. The participation factor and the sensitive analysis are presented in this application.The last part proposes a methodology to optimize a passive input filter and to fulfil harmonic standards. Themethod is applied to a diode rectifier, with capacitive load, which represents a very common Power Input Stage for actuators.0510915236Les réseaux embarqués, au même titre que les réseaux de distribution, subissent de profondes mutations dues à l'essor de l'électronique de puissance. La tendance est claire : la puissance doit être intégrée au maximum sous forme électrique aux dépens de l'hydraulique et de la mécanique. Cette intégration de puissance est rendue possible par l'utilisation de convertisseurs d'électronique de puissance, fiables, modulaires et garantissant une grande souplesse de fonctionnement. C'est ce qui se passe actuellement pour les avions civils gros porteurs où la puissance électrique à bord est passée de 27kW à 600kW en 50 ans, le taux de charges non-linéaires atteignant 75%. Pour faciliter cette intégration de puissance, on envisage même, à moyen terme, de passer à un réseau haute tension continue au lieu du classique 115V-400Hz.Les conséquences de l'insertion massive de convertisseurs d'électronique de puissance dans les réseaux embarqués posent cependant quelques problèmes. Ils sont dus principalement à la prolifération des harmoniques et à l'introduction de nouvelles dynamiques, qui peuvent être déstabilisantes pour le système. Pour pouvoir quantifier et s'affranchir de ces problèmes, on doit utiliser des méthodes d'analyse et de conception adaptées.Dans ce contexte, le premier chapitre du mémoire fait un tour d'horizon de l'évolution des réseaux embarqués au cours des dernières décennies. Les impacts harmoniques et dynamiques des charges non linéaires sont également montrés sur des exemples simples et concrets. La deuxième partie concerne les méthodes et les outils adaptés à l'analyse et la conception d'un système embarqué. Les méthodes sont issues des domaines de l'électronique de puissance et du réseau. Il est question notamment d'approches :• par Load Flow, pour les aspects statiques,• temporelles et fréquentielles, pour l'étude des harmoniques,• modales, pour l'étude dynamique.A la fin de ce chapitre, une méthodologie de conception des systèmes embarqués est finalement proposée.Les deux chapitres suivants sont les premières applications de la méthode dans le contexte du contrat européen Power Optimized Aircraft. L'un est consacré à l'étude dynamique d'une système embarqué haute tension continue. L'approche modale, couplée au modèle moyen généralisé, est détaillée. L'accent est particulièrement mis sur les facteurs de participation et de sensibilité. L'intérêt d'une telle approche pour l'étude de la stabilité et le prédimensionnement du système est illustré sur cet exemple. Le dernier chapitre concerne la dépollution harmonique optimale. On propose, avec une approche originale, de minimiser le volume des organes de filtrage. Pour conclure l'optimisation, les critères normatifs sont discutés par une confrontation norme harmonique / volume de filtre. On identifie notamment comment les normes devraient évoluer pour permettre de plus grands gains lors de l'optimisation.Compte tenu du vaste champ de recherche qu'est la conception d'un système embarqué, de nombreuses perspectives concluent le mémoire

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This paper was published in Hal - Université Grenoble Alpes.

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