[PDF] Conception dun réseau de secours électrique pour laéronautique

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N° d'ordre : 2349 Année 2006

THESE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications

Spécialité : Génie Electrique

Par

Olivier L

ANGLOIS

Ingénieur ENSEEIHT

_______________________________________ Conception d'un réseau de secours électrique pour l'aéronautique Soutenue le 22 juin 2006 devant le jury composé de :

MM. Eric M

ONMASSON Rapporteur - Président

Luis M

ARROYO Rapporteur

Xavier R

OBOAM Directeur de thèse

Hubert P

IQUET Codirecteur de thèse

Etienne F

OCH Encadrant

Frédéric W

URTZ Membre

Jean-Charles M

ARE Invité

Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT

Unité Mixte de Recherche INPT - CNRS N°5828

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Conception d'un réseau de secours électrique pour l'aéronautique

Résumé

Depuis le concept d'avion " plus électrique » introduit il y a plusieurs années,

l'électricité prend une part croissante dans les systèmes embarqués aéronautiques. Cela

implique de nombreux changements dans les réseaux de bord, et également dans la partie du réseau électrique utilisée en secours. Dans ce mémoire, une attention particulière est portée sur l'approche méthodologique de conception, qui passe notamment par une modélisation adapté e de chaque équipement utilisé en dernier secours. Parmi eux, les sources électriques constituant la génération de secours, dont l'actuelle turbine éolienne, ainsi que les actionneurs de commande de vol, de type électro-hydrostatique, sont étudiés de manière approfondie. Ces éléments impliquent divers domaines physiques, tels que la mécanique,

l'hydraulique et l'électricité. Pour cette raison, la modélisation adoptée est de type Bond

Graph, pertinente par sa capacité à représenter de façon unifiante des systèmes multiphysiques. En outre, une représentation en courant continu " équivalent » est choisie afin d'améliorer les performances de simulation et de se placer dans un contexte de réseau de bord futur. La modélisation concerne également la mission de secours que doit accomplir l'avion. Cela permet de connaître le besoin énergétique et d'obtenir un modèle systémique complet à finalité intégrée. Le concept d'hybridation de deux sources de nature différente est étudié dans le but de profiter des caractéristiques de chacune d'elles. Ce concept s'appuie sur une

source traditionnelle de type turbine éolienne, jouant le rôle de source d'énergie, associée

à un dispositif de stockage électrochimique, jouant le rôle de source de puissance instantanée. Plusieurs architectures d'hybridation sont proposées et dimensionnées, en utilisant différentes stratégies de gestion d'énergie, avec pour objectif de remplir la mission avec une masse embarquée minimale. L'usage de relations de similitude pour le redimensionnement des sources électriques permet d'obtenir des paramètres réalistes, en particulier pour le dimensionnement d'une nouvelle turbine éolienne. Ces relations sont également employées pour l'estimation de la masse de chaque composant. La génération électrique hybride montre ainsi un gain de masse potentiel par rapport à des solutions conventionnelles. Enfin, l'intégration des systèmes de génération de secours dans l'avion fait l'objet

d'une étude particulière. Cette intégration est entendue aux sens physique, électrique et

fonctionnel, en s'intéressant respectivement à l'emplacement, au raccordement et à l'utilisation des systèmes dans l'avion. L'idée de mutualiser le dispositif de stockage est notamment abordée, permettant d'exploiter au mieux ce dernier, en répondant en partie aux problématiques liées à l'avion " encore plus élect rique ».

Mots clés

Aéronautique - Réseaux de bord - Secours électrique - Conception systémique - Modélisation Bond Graph - Dimensionnement - Hybridation - Stockage d'énergie

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Design of an electrical emergency network for

aeronautic applications

Abstract

Since the "more electric aircraft" concept introduced several years ago, the importance of electricity sharply increases in aeronautical systems. A lot of changes occur in electrical embedded networks and also in the part used in the event of an emergency. This thesis focuses one's attention on the design methodological approach, which deals with a suitable modeling of each equipment used in emergency cases. Among them, electrical sources making up the emergency generation system, including the current ram air turbine, and the flight control actuators, of electro-hydrostatic type, are detailed. Those elements involve different physical domains, such as mechanics, hydraulics and electricity. For this reason, Bond Graph formalism is chosen, since this modeling tool represents every physical domain with a same drawing. On the other hand, the "equivalent" direct current is used in order to enhance simulation performances and to consider the context of future networks. The modeling also includes the aircraft mission in order to identify precisely the energetic needs and to get a complete systemic design. The hybridization of two different electrical sources is studied to take advantage of each of them. This concept is based on a conventional ram air turbine, in the role of an energy source, associated to an electrochemical storage device, in the role of an instantaneous power source. Several hybridization architectures are proposed and sized, using different energy management strategies, with the aim of fulfilling the aircraft mission with a minimum onboard mass. Similarity relations are used to resize electrical sources. They allow getting realistic parameters, in particular for resizing a new ram air turbine. These relations are also employed to estimate the mass of each component. Thus, the hybrid electrical power generation system shows a mass reduction compared to conventional solutions. Finally, the integration of emergency power electrical generation devices in the aircraft is studied. This integration concerns physical, electrical and functional aspects, regarding respectively the place, the electrical connection and the way to be used of each device in the aircraft. Multifunctional use of the storage device is notably introduced, allowing a best working of this device inside the whole network, in the framework of the "even more electric aircraft".

Keywords

Aeronautic - Power electrical network - Emergency situation - Systemic design - Bond Graph modelling - Sizing - Hybridization - Energy storage

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Avant-propos

Le travail présenté dans ce manuscrit a été réalisé au sein d'Airbus France Toulouse et du Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle (LEEI), lequel est une Unité Mixte de Recherche entre l'Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), rattaché à l'Ecole Nationale Supérieure d'Electrotechnique, d'Electronique, d'Informatique, d'Hydraulique et des Télécommunications (ENSEEIHT). Cette thèse a pu être menée grâce à la collaboration entre le département d'ingénierie des systèmes électriques d'Airbus (EYAE) et le LEEI, qui a donné naissance au réseau de recherche Powernet. Je remercie donc Gilles C

ESCON, responsable du

département EYAE d'Airbus, ainsi que Yvon C

HERON puis Maurice FADEL, directeur du

LEEI. Je tiens ensuite à remercier les personnes qui ont accepté d'être membre de mon jury de thèse :

Monsieur Eric M

ONMASSON, professeur à l'université de Cergy Pontoise, intervenant au laboratoire SATIE de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan,

France ;

Monsieur Luis M

ARROYO, professeur à l'université de Navarre, à Pampelune,

Espagne ;

Monsieur Frédéric W

URTZ, chargé de recherches au CNRS, dans le Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (LEG), France ;

Monsieur Jean-Charles M

ARE, professeur à l'INSA de Toulouse, et rattaché au Laboratoire de Génie Mécanique de Toulouse (LGMT), France. Je remercie également, et plus sincèrement encore, les trois personnes complétant

mon jury, car elles n'ont pas seulement participé à l'évaluation de mes travaux, mais à la

confection de ceux-ci. Il s'agit bien sûr de mes encadrants directs :

Monsieur Xavier R

OBOAM, directeur de recherches au CNRS, responsable du groupe Energie Electrique et Systémique du LEEI (G-EnESys), qui fut mon directeur de thèse ;

Monsieur Hubert P

IQUET, professeur, rattaché à ce même groupe du LEEI, qui fut mon codirecteur de thèse ;

Monsieur Etienne F

OCH, responsable du groupe Recherche et Certification au sein du département EYAE d'Airbus, qui réalisa le suivi " industriel » de ma thèse. Merci donc à vous trois qui m'avez montré la voie à suivre tout au long de ces trois années. Vous avez su vous rendre disponible lorsqu'il le fallait, tout en me laissant libre dans mes recherches. Evidemment, je ne vous en veux pas d'avoir parfois réalisé

quelques corrections " dévastatrices » dans mes écrits. Ca a été un plaisir de travailler

avec vous, et je me réjouis que cela puisse continuer à l'avenir. Merci à tous ceux qui ont lu, au moins en partie, ce manuscrit, car il en fallait du courage pour aborder ce pavé. Ils m'ont permis de corriger et d'améliorer autant que possible sa qualité. Durant ma thèse, j'ai passé près d'un quart de mon temps au LEEI ; j'y ai donc connu de nombreux thésards. Je les remercie tous de m'y avoir accueilli. L'honorable

Jérémi m'aura toujours été de bons conseils. J'ai une pensée particulière pour tous mes

collègues de bureau, avec, par ordre de passage : Adam, ChristopheTitou, Jean-Philippe, Jesus, Markos et l'inimitable Abdenour. Merci à ChristopheConilh et Jérôme pour l'ambiance dans la salle des calculs. Et même si on se disait parfois en regardant par la fenêtre : " j'aimerais mieux être un oiseau », on était bien en thésard ! De l'autre côté de Toulouse, je tiens à remercier mes collègues d'Airbus. En trois ans, je n'aurais pas réussi à leur faire comprendre que je n'étais pas stagiaire. Ils n'auront jamais cru non-plus que les jours où j'étais au LEEI, je n'étais pas au ski. Je remercie particulièrement mes collègues de bureau, même s'ils n'ont pas réussi à me supporter jusqu'au bout. Loïc fut le premier à partir. Il a quand même tenu près de deux ans. Marc et Jean-Jacques seront restés plus de deux ans et demi avant de me laisser seul dans mon grand bureau. Je ne vous en veux pas, merci d'être passé... et bienvenu aux remplaçants, Jean-Louis et Cédric, qui ont accepté de me laisser chef du bureau. Je remercie mes parents pour avoir cru en ma passion pour l'électricité. Je les remercie surtout de m'avoir laissé bidouiller l'installation électrique de la maison et faire

de nombreuses expériences. Désolé d'avoir brûlé la moquette et fait sauter les fusibles de

nombreuses fois. C'est aussi grâce à vous que j'ai pu m'exprimer pleinement et comprendre certains mystères de l'électricité. Vous m'avez fait confiance, j'espère que vous n'êtes pas déçu ! Je tiens à remercier particulièrement ma grand-mère qui m'a choyé pendant une partie de mes études, avec par exemple de succulents repas. Cela fut bénéfique à ma progression. De même, Jean-Paul et Pierrette ont toujours été un peu présent au cours de mes études. Qui sait quel chemin aurais-je emprunté s'ils ne m'avaient conseillé celui- ci ? J'ai également une pensé particulière pour François, mon compagnon d'expériences électriques domestiques. Il m'a permis de trouver un intérêt pour l'électronique fine, même si j'ai toujours préféré les grosses étincelles. Il y a aussi eu le grand Ronan le barbare. Avec lui, pas trop d'étincelles non-plus,

mais il a probablement contribué à me donner le goût du savoir, ou plutôt le goût du " je

m'demande bien comment ça marche ». Enfin, j'ai quand même conservé mon habitude de remonter les choses que je démontais. Dans la série des artistes, je continue avec Lucas, qui avait été mon fournisseur officiel de matériel électronique. Je n'ai pas non- plus oublié nos soirées animées avec notamment Xavier. Je dis merci à tous mes amis, car ils m'ont encouragé à faire cette thèse. Mon colocataire JP, dans son surnom le plus sobre, m'a également été très précieux ; son absence prolongée pendant ma phase de rédaction m'a permis une totale concentration sur mon travail. En sa présence, il y avait toujours ces histoires de père et de fils qui me perturbaient l'esprit, ou encore ce bambi dont je n'ai jamais vraiment compris le rôle. Il y a bien d'autres personnes à qui j'ai pensé en écrivant ces quelques lignes, mais je n'ai malheureusement pas pu citer tout le monde... Pardonnez-moi, et merci tout de même. Avant de terminer, je remercie ma très chère Valérie, qui a tenu aussi bien que moi durant ces trois longues années de thèse. Elle m'a encouragé, soutenu, donné un pied à terre à Paris, et tant d'autres choses encore. Qu'aurais-je fait, et que ferais-je, sans toi ? Pour finir, je remercie celles et ceux qui auront eu l'audace d'ouvrir ce rapport et

d'en lire une quelconque partie. Je me remercie également d'avoir été là pour achever à

temps cette thèse. Cher lecteur, excuse-moi pour ce paragraphe, mais il fallait bien se détendre un peu après de longues heures de rédaction en solitaire.

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Table des matières

Introduction générale........................................................................ ..19 Chapitre I Etat de l'art des architectures et des technologies utilisées en dernier secours ........................................... 23

I.1 Problématique du dernier secours électrique .....................................................24

I.1.1 Besoins énergétiques........................................................................

.............24

I.1.2 Cas de pannes à couvrir ........................................................................

........25

I.2 Description des réseaux de secours utilisés par Airbus .....................................27

I.2.1 Avions " conventionnels »........................................................................

......27 I.2.1.1 Energie hydraulique ........................................................................ .....................27

I.2.1.2 Energie électrique ........................................................................

.........................28

I.2.1.3 Architecture des réseaux hydrauliques et électriques........................................30

I.2.2 Avions " plus électriques »........................................................................

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