Conception d'architectures et dimensionnement de systèmes propulsifs électriques aéronautiques

Design of architectures and sizing of aeronautical electric propulsion systems

• Auteur / Autrice : Alexandre Richard
• Direction : Xavier Roboam, Nicolas Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 01/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe ENergie Electrique et SYStémique (Toulouse ; 2007-....) - LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie / LAPLACE
• Jury : Président / Présidente : Marc Budinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Roboam, Nicolas Roux, Marc Budinger, Serge Pierfederici, Christophe Saudemont, Carole Hénaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Serge Pierfederici, Christophe Saudemont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique -- Recherche

Thèses et écrits académiques

Avions électriques

Mots clés libres

Avion plus électrique

Avion hybride électrique

Machines Synchrones à Aimants Permanents

Bus AC

Stabilité

Architecture propulsive

Dispositif de stockage

Batterie

Hybridation de puissance

More Electric Aircraft

Hybrid Electric Aircraft

Permanent Magnet Synchronous Machines

AC Bus

Stability

Powertrain

Battery Storage

Power Hybridization

Résumé

Cette étude se situe dans le contexte de l’électrification de la propulsion aéronautique, intégrant une chaîne de conversion d’énergie électrique originale connectant, via un bus alternatif (AC), uniquement des machines synchrones à aimants permanents sans électronique de puissance. Une telle architecture passive permet d’envisager des gains de masses et de coûts et se différencie des architectures électriques propulsives usuelles couplant des électroniques de puissance pilotables à travers des étages à courant continu. Cette architecture couplant « rigidement » générateur et moteurs synchrones pousse à étudier son fonctionnement en régime transitoire et permanent afin d’évaluer sa stabilité. Cette thèse apporte ainsi une première contribution à travers différents moyens dédiés à l’analyse de stabilité d’un canal AC synchrone composé d’un générateur et d’un moteur synchrone. La voie analytique est tout d’abord exploitée en se basant sur un modèle mis sous forme d’espace d’état. Ce modèle est linéarisé permettant une analyse du lieu des pôles du canal AC synchrone qui permet de caractériser analytiquement sa stabilité en montrant directement les effets de chaque paramètre sur la stabilité du canal. L’analyse du lieu des pôles est ensuite comparée, d’une part à une simulation temporelle du canal AC synchrone exploitant le modèle d’état précédent, puis d’autre part à un banc expérimental à échelle de puissance réduite (5.5 kW). Ceci a pour but de confirmer la pertinence et la robustesse de l’analyse de stabilité. Selon les dimensions et le paramétrage du contrôle, les analyses effectuées permettent de mettre en évidence certains phénomènes d’instabilité se traduisant par des oscillations voire un décrochage des deux machines synchrones. Dans ce contexte, un dispositif de stabilisation active du canal AC est proposé intégrant une branche d’hybridation énergétique constituée d’une batterie et d’un onduleur couplé au canal AC. L’étude de ce dispositif s’est alors concentrée sur la conception et les réglages de son architecture de contrôle puis sur son exploitation en simulation et sur banc expérimental. Ces deux moyens d’études ont alors permis de conclure au bon fonctionnement du dispositif de stabilisation du canal AC, permettant à ce dernier de fonctionner de manière stable même dans les zones caractérisées comme instables en l’absence de ce dispositif. Afin d’augmenter l’intérêt d’un tel dispositif de stabilisation induisant l’ajout d’une batterie et d’un onduleur à l’architecture de base, d’autres fonctions d’hybridation (injection de puissance sur le réseau) ou d’aide au démarrage du canal AC synchrone sont étudiées et mises en œuvre. Pour conclure, une mise à l’échelle du canal AC synchrone vers un dimensionnement représentatif en aéronautique (500 kW) est menée afin de vérifier si les phénomènes mis en évidence à puissance réduite se retrouvent à l’échelle du cas applicatif aéronautique.

In the context of the electrification of aeronautical propulsion, this thesis proposes the study of an original electrical energy conversion chain which connects through an AC bus permanent magnets synchronous machines without using power electronics. This passive architecture enables potential mass and costs gains and differs from the usual propulsion electrical architectures which couple controllable power electronics through DC stages. However this architecture by rigidly linking synchronous generator and motors encourages the study of its operation in transient and steady state in order to assess its stability. This thesis thus makes a first contribution to answer this question proposing differents means dedicated to the stability analysis of a synchronous AC channel consisting of a synchronous generator and a synchronous motor. An analytical approach is first considered based on a non linear state space model. This model is then linearized enabling a root locus analysis of the AC channel which has the ability to directly characterise its stability. Moreover this approach allows to study thanks to parametrical sensitivity the influence of each parameters on the stability of the synchronous channel. This root locus approach is then compared on the one hand to a time simulation of the non linear state space model of the AC channel and on the other hand to an experimental bench at a reduced power scale (5,5 kW). This comparison is intended to confirm the relevance and the robustness of the stability analysis. According to the dimensions and the configuration of the control of the AC channel, the analyses carried out underline some phenomena of instability resulting in oscillations and even stall of the two synchronous machines. In this context, an active stabilization device of the AC channel is proposed integrating an energy hybridization branch consisting of a battery and an inverter coupled to the AC bus. The study of this device first focused on the design and settings of its control architecture and then on its use in simulation and on the experimental bench. These two means of study of the AC channel led to the conclusion that this stabilization system was working properly enabling the synchronous channel to operate in a stable manner even in areas characterised as unstable in the absence of the stabilization system. In order to increase the interest of the stabilization system, which induces the addition of a battery and an inverter to the architecture of the AC channel, other functions such as hybridization (injection of power on the bus) or start-up assistance of the AC channel are studied and implemented. To conclude this study, a scaling of the AC synchronous channel towards a representative aeronautical design and power scale (500 kW) is carried out in order to verify if the phenomena underlined at a reduced power scale are found at the power scale of the aeronautical application case.