Contribution à l'étude d'un système de dégivrage piézoélectrique pour l'aéronautique : actionnement vibratoire et alimentation de puissance HF adaptée

Contribution to the study of a piezoelectric deicing system for aeronautics : vibrational actuation and adapted high-frequency power supply

• Auteur / Autrice : Modar Jomaa
• Direction : François Costa, Dejan Vasic, Pierre-Etienne Lévy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 13/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Pommier-Budinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Giraud, Yves Lembeye, Lionel Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Giraud, Yves Lembeye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Onduleurs (électricité)

Aéronautique

Avions -- Givrage -- Prévention

Piézoélectricité

Mots clés libres

Dégivrage piézoélectrique

Actionneur piézoélectrique

Arcpi

Convertisseur à commutation douce

Piezoelectric deicing system

Piezoelectric actuator

Arcpi

Soft-Switching Converter

Résumé

Les contraintes environnementales, ainsi que leur impact sur l'opinion publique, ont conduit les équipementiers aéronautiques à accélérer la transition énergétique en aéronautique à travers l'avion plus électrique (More Electric Aircraft - MEA). Nous assistons donc à une augmentation progressive de la place de l'énergie électrique dans les applications embarquées. Ceci se traduit par une tendance à remplacer les systèmes non propulsifs (hydrauliques et pneumatiques) par des chaînes de conversion électromécanique. Ces sous-systèmes sont en effet souvent plus performants, dynamiques et précis avec des délais de maintenance plus courts que leurs équivalents hydrauliques. Le système de dégivrage est un candidat de choix pour cette transition.L'accumulation de glace sur les aéronefs a été reconnue comme risque majeur dans le domaine de l'aéronautique dès le début du XX^e siècle. Les solutions actuellement utilisées en vol, telles que le flux d'air chaud, les boudins pneumatiques, les systèmes électrothermiques, le fluide chimique ou les systèmes électromécaniques impulsifs/expulsifs, offrent une protection plus ou moins efficace, mais présentent des inconvénients tels qu'une consommation d'énergie significative, un encombrant ou une applicabilité limitée à certains types d'aéronefs. De plus, dans le cadre des avions plus électriques, les systèmes dépendants des moteurs thermiques sont susceptibles de devenir obsolètes, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux systèmes électriques.Le système électromécanique piézoélectrique de protection contre le givre s'est récemment révélé pertinent en termes de consommation d'énergie et de masse embarquée, et fait l'objet de cette thèse. Celle-ci se concentre sur la conception d'un système de dégivrage piézoélectrique résonnant, ainsi que sur son alimentation associée. Ce système repose sur l'utilisation des actionneurs piézoélectriques pour exciter la structure à dégivrer à une fréquence donnée. Lorsque cette fréquence correspond aux fréquences naturelles de la structure, l'amplitude des vibrations augmente, générant des niveaux élevés de contraintes et de déformations, dépassant éventuellement les résistances critiques de la glace (traction/compression, adhésion ou les deux).L'objectif de cette thèse est donc de développer d'un premier temps un prototype capable de démontrer une protection efficace et rapide contre le givre avec une consommation d'énergie minimale. Pour ce faire, une méthodologie de positionnement et de pilotage des actionneurs est proposée, utilisant une analyse analytique et modale par éléments finis pour identifier les modes de résonance les plus contributifs au dégivrage. Une validation expérimentale en plusieurs étapes afin d'arriver à un prototype de dégivrage opérationnel est assurée.Dans un second temps, l'accent est mis sur le développement d'une alimentation de puissance adaptée aux actionneurs piézoélectriques dans le cadre du dégivrage piézoélectrique. Compte tenu de la dépendance du comportement électrique des actionneurs à la charge mécanique et à la température, certains aspects doivent être pris en compte lors de la conception de l'alimentation électrique. Une recherche exhaustive dans la littérature est entreprise pour identifier les topologies appropriées pour piloter des charges piézoélectriques, conduisant à la proposition de la topologie ARCPI-LLCC. Cette dernière offre des avantages significatifs en termes de performances globales du système, notamment en termes de compensation de l'énergie réactive et de réduction du taux de distorsion harmonique.Enfin, l'ARCPI-LLCC est utilisée pour piloter le prototype de dégivrage conçu selon la méthodologie proposée. Les résultats obtenus démontrent un dégivrage opérationnel avec un rendement optimisé, validant ainsi l'efficacité de la technologie de dégivrage piézoélectrique dans le contexte de l'électrification des avions.

Environmental constraints and their impact on public opinion have led the aircraft industry to accelerate the energy transition in aeronautics toward a ''More Electric Aircraft'' (MEA). Therefore, we are witnessing a gradual increase in the role of electrical energy in onboard applications. This electrification trend aims to replace all non-propulsive systems (hydraulic and pneumatic) with electromechanical alternatives in order to optimize aircraft performance, decrease operating and maintenance costs, increase dispatch reliability, and reduce gas emissions. Among the systems affected by this transition is the deicing system. The deicing system is a prime candidate for this transition.Ice accumulation on aircraft has been recognized as a major risk in aviation since the early 20th century. Currently employed in-flight solutions, such as hot air flow, pneumatic boots, electrothermal systems, chemical fluid, or impulsive/expulsive electromechanical systems, offer varying degrees of effectiveness but come with drawbacks such as significant energy consumption, bulkiness, or limited applicability to certain aircraft types. Furthermore, within the context of more electric aircraft, systems dependent on thermal engines are most likely to become obsolete, paving the way for new electrical systems.The electromechanical piezoelectric ice protection system has recently proven to be relevant in terms of energy consumption and integration and is the focus of this thesis. It concentrates on the design of a resonant piezoelectric deicing system and its associated power supply. This system relies on the use of piezoelectric actuators to excite the structure to be deiced at a given frequency. When this frequency matches the natural frequencies of the structure, the magnitude of vibration increases, generating high levels of stress and deformation, eventually exceeding the critical strengths of the ice (traction/compression, adhesion, or both).The objective of this thesis is to develop, initially, a prototype capable of demonstrating efficient and rapid ice protection with minimal energy consumption. To achieve this, a methodology for positioning and controlling the actuators is proposed, utilizing analytical and modal finite element analysis to identify the most contributing resonance modes to deicing. Experimental validation through several stages is ensured to obtain an operational deicing prototype.Subsequently, emphasis is placed on the development of a power supply tailored to piezoelectric actuators for deicing purposes. Given the dependence of the electrical behavior of actuators on mechanical load and temperature, certain aspects must be considered when designing the electrical power supply. An exhaustive literature search is conducted to identify suitable topologies for driving piezoelectric loads, leading to the proposal of the ARCPI-LLCC topology. The latter offers significant advantages in terms of overall system performance, particularly in reactive energy compensation and harmonic distortion reduction.Finally, the ARCPI-LLCC is employed to drive the deicing prototype designed according to the proposed methodology. The results demonstrate operational deicing with optimized efficiency, thus validating the effectiveness of piezoelectric deicing technology in the context of aircraft electrification.