High power conversion chain for hybrid aircraft propulsion
Chaine de conversion forte puissance pour la propulsion aéronautique hybride
Résumé
Recently, the use of air transport systems has increased considerably. Therefore, the current environmental considerations are pushing to reduce their ecological impact. Projects such as Clean Sky 2 provide an answer to this problem, by proposing a reduction in CO2 emissions and noise pollution. The development of a hybrid-electric aircraft would reduce these emissions by reducing the size and weight of the systems and using more efficient electrical systems. This would reduce fuel consumption and therefore pollutant emissions. This work takes part into HASTECS Clean Sky 2 European project which aims to optimize the complete electrical chain of the hybrid aircraft integrating all aeronautical constraints such as partial discharges for electrical equipment placed in the non-pressurized zone. HASTECS project has set itself the challenge of doubling the specific power of electric machines including their cooling from 5 kW/kg to 10 kW/kg, while the power electronics, with their cooling system, would evolve from 15 kW/kg in 2025 to 25 kW/kg in 2035. To increase the specific power, the cooling system mass should be decreased either by optimizing its components which is done by the 4th work package (WP4) or by reducing power losses. Inverter losses reduction could be achieved by using small voltage rating components, by playing on modulation strategies or by using more performant semiconductors. The first option could be done by using multilevel architectures to avoid the direct series association. Unlike direct series association, the parallel one is easier to manage in terms of switches command so it was allowed in our studies. Several inverter topologies (2-, 3- and 5-level topologies) and modulation strategies (PWM, third harmonic injection, discontinuous PWM and full-wave) were compared using several semiconductors generations to choose the most performant solution in terms of efficiency and specific power. For the considered mission profile, the inverter could be sized for the maximum power point (takeoff) or the most extended flight phase (cruise). A comparative study of modulation strategies was carried out to highlight the structure and modulation presenting the best performance to minimize the losses for the chosen sizing points using most interesting topologies for the studied mission profile using two electrical motor windings configurations proposed by WP1
Ces dernières années, l’utilisation des systèmes de transport aérien s'est considérablement amplifié. Par conséquent, les considérations environnementales actuelles poussent à réduire leur utilisation. Des projets tels que Clean Sky 2 tentent d’apporter une réponse à ce problème, en proposant une réduction des émissions de CO2 et des nuisances sonores. Le recours à l’hybridation de la propulsion des avions réduirait ces émissions en réduisant la taille et la masse des systèmes et en utilisant des systèmes électriques plus efficaces ce qui permettrai d’augmenter le nombre de passager. Cela permettrait de réduire la consommation de carburant et donc les émissions polluantes. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet européen HASTECS Clean Sky 2 qui vise à optimiser l'ensemble de la chaîne électrique de l'avion à propulsion hybride en intégrant toutes les contraintes aéronautiques telles que les décharges partielles pour les équipements électriques placés en zone non pressurisée. Le projet HASTECS s'est fixé le défi de doubler la densité de puissance des machines électriques pour passer de 5 kW/kg à 10 kW/kg, y compris leur refroidissement, tandis que pour l'électronique de puissance, avec son système de refroidissement, le but sera de passer à 15 kW/kg en 2025 et à 25 kW/kg en 2035. Pour augmenter la densité de puissance, la masse du système de refroidissement doit être diminuée dans un premier temps soit en optimisant ses composants, ce qui est fait par le 4ème lot de travail (WP4), soit en réduisant les pertes. La réduction des pertes de l'onduleur pourrait être obtenue en utilisant de semi-conducteurs de faible calibre en tension, en jouant sur les stratégies de modulation ou en utilisant des semi-conducteurs plus performants. La première option peut être faite en utilisant des architectures multi-niveaux pour éviter l'association en série direct. Contrairement à l'association directe en série, l'association parallèle est plus facile à gérer en termes de commande de interrupteurs, ce qui a été autorisé dans nos études. Plusieurs topologies d'onduleurs (topologies à 2, 3 et 5 niveaux) et stratégies de modulation (PWM, injection de troisième harmonique, PWM discontinu et pleine onde) ont été comparées en utilisant plusieurs technologies de semi-conducteurs pour choisir la solution la plus performante en termes de rendement et de densité de puissance. Pour le profil de mission considéré, l'onduleur pourrait être dimensionné pour le point de puissance maximum (décollage) ou la phase de vol la plus longue (croisière). Une étude comparative des stratégies de modulation a été réalisée pour mettre en évidence la structure et la modulation présentant les meilleures performances afin de minimiser les pertes pour les points de dimensionnement choisis en utilisant les topologies les plus intéressantes pour le profil de mission étudié en utilisant deux configurations différentes de bobinage du moteur électrique proposées par le WP1
Origine : Version validée par le jury (STAR)