Compatibilité électromagnétique des aéronefs à voilures tournantes à propulsion électrique

Electromagnetic compatibility of rotary wing and electric propulsion aircraft

• Auteur / Autrice : Pierre-Louis Bourlon
• Direction : Arnaud Bréard, Christian Vollaire, Marc Meyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/06/2024
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Edith Clavel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Bréard, Christian Vollaire, Marc Meyer, Isabelle Junqua
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadir Idir, Jean-Luc Schanen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

CEM

Ségrégation

Diaphonie

Électronique de puissance

Aéronef

Intégration

EMC

Segregation

Crosstalk

Power electronics

Aircraft

Integration

Résumé

La propulsion électrique des aéronefs à voilures tournantes ouvre de nouveaux usages comme l'hybridation ou une mobilité urbaine plus respectueuse de l'environnement. Ces nouvelles plateformes embarquent une chaîne de propulsion électrique composée de batteries, onduleurs, câbles et moteurs. Ainsi, la puissance embarquée est plus importante comparée aux plateformes conventionnelles à propulsion thermique. En parallèle, les densités de puissances nécessaires au niveau des onduleurs impliquent l'utilisation de transistors à Carbure de Silicium qui augmentent les perturbations électromagnétiques. Ainsi, il est à craindre des problèmes de compatibilité électromagnétique avec des systèmes basse tension usuellement embarqués. Les standards aéronautiques (DO-160G/ED-14G) et les méthodologies d'intégration actuelles doivent évoluer afin de prendre en compte les spécificités de ces nouvelles plateformes électriques. Cette thèse vise à spécifier les performances CEM attendues d'une chaîne de propulsion électrique et à définir ses règles d'installation sur une plateforme à voilures tournantes et à propulsion électrique. La nouvelle méthodologie repose sur la relaxation des limites des émissions conduites, l'utilisation de la modélisation boite noire terminale en phase de conception puis d'intégration et l'usage d'outils permettant de gérer d'éventuelles non-conformités en fin de développement. En l'absence de couplage en pied d'antenne, il est possible de relaxer de 14 dB le gabarit des émissions conduites des standards DO-160G/ED-14G. La prise en compte du mode différentiel dans les émissions et le couplage par diaphonie permet de relâcher de 20 dB la limite s'appliquant à ce mode dans les premiers harmoniques de découpage. La robustesse du modèle boite noire a été vérifiée pour différentes conditions d'impédances de réseau d'alimentation afin de pouvoir prédire les émissions sur lors de l'intégration finale. Enfin, différents abaques sont proposés afin de comparer simultanément différentes solutions d'intégration comme le filtrage et la ségrégation.

The electric propulsion of rotary-wing aircraft opens up new opportunities, such as hybridization or more environmentally friendly urban mobility. These news platforms carry an electric propulsion chain made up of batteries, inverters, cables and motors. As a result, the onboard power is greater compared to conventional fuel-powered platforms. In parallel, the power density requirement for inverters leads to the use of Silicon Carbide transistors, which increase electromagnetic disturbances. Thus, electromagnetic compatibility issues with low-voltage systems usually on board may arise. Aeronautical standards (DO-160G/ED-14G) and actual integration methodologies must evolve in order to take into account the specificities of these new electrical platforms. This thesis aims to specify the EMC performances expected from an electric propulsion chain and to define its installation rules on a rotary wings and propulsion platform electric. The new methodology is based on the relaxation of conducted emissions limits, the use of terminal black box modeling in the design and integration phases, and tools to manage possible non-conformities at the end of development. In the absence of front-door coupling, it is possible to relax the conducted emissions limit in the DO-160G/ED-14G standards by 14 dB. Taking into account the differential mode in emissions and crosstalk coupling allows the limit applying to this mode to be relaxed by 20 dB in the first switching frequency harmonics. The robustness of the black box model has been verified for different power network impedance conditions to predict the emissions on the final platform. Finally, different abacus are proposed to compare simultaneously different integration solutions, such as filtering and segregation.