Dans l'aéronautique, les restrictions sont telles que la masse des filtres peut représenter jusqu'à 50 % de la masse totale du convertisseur. De nos jours, dans les convertisseurs d’électronique de puissance, les filtres d’entrée et de sortie représentent une part importante de la masse du convertisseur.
Synthèse des réseaux aéronautiques
En fait, la majeure partie de la puissance pneumatique utilisée principalement pour la climatisation et le dégivrage des ailes et des nacelles provient du pompage de l’air des moteurs de propulsion. En revanche, la transition vers des systèmes électriques pour la climatisation et le dégivrage se traduit par une augmentation significative de la puissance électrique installée.
Structures de conversions d’énergies
- Introduction
- Structure de conversion type Buck
- Convertisseur multicellulaire
- Convertisseur multicellulaire série N niveaux
- Convertisseurs multicellulaires parallèles
- Similarité entre convertisseurs Buck et Boost multi-phases
- Structure de conversion triphasée
- Conclusion
Une augmentation du nombre de niveaux diminue l'amplitude d'ondulation de la tension de sortie du convertisseur. Faible courant de sortie -> réduire la masse du filtre de sortie.
Structures de conversions parallèles
Introduction
L'association de q cellules identiques fournissant des tensions régulièrement déphasées permet l'augmentation apparente de la fréquence de fonctionnement dans le rapport q. D'une part, le couplage est purement magnétique, le mélange des courants s'effectue dans le circuit magnétique.
Couplage magnétique (filtre de sortie)
- Méthode d’analyse temporelle
- Méthode d’analyse fréquentielle
- Alimentation permutée [Costan 2008]
Ils représentent les inductances indépendantes équivalentes de la structure de filtre pour le multiplicateur d'harmoniques de fréquence de commutation. Les amplitudes des courants de phase correspondent aux amplitudes des harmoniques de rang q de la tension PWM pour les mêmes valeurs du rapport cyclique.
Couplage par transformateur
- Montage matrice complète
- Montage cascade cyclique (Chaîne fermée)
- Conclusion partielle et analyse des montages précédents
- Détermination des courants et flux de phases
- Pertes fer dans les transformateurs de couplage
Les deux graphiques montrent les pertes fer pour un nombre variable de cellules entrelacées et pour différentes fréquences de commutation. Le choix du nombre de cellules et de la parité a des répercussions sur les pertes en fer. Dans le cas de multi-niveaux, la section de fer nécessaire et les pertes sont réduites.
Couplage monolithique
- Généralités
- Topologies connues
- Topologies à noyaux standard
La figure 2-57 montre l'évolution du flux dans les différentes parties du circuit magnétique représenté sur la figure 2-56. La figure 2-58 montre la répartition du flux dans les différentes barres transversales du circuit magnétique. La figure 2-61 montre l'évolution du flux dans les différentes parties du circuit magnétique représenté sur la figure 2-60.
Topologies monolithiques circulaires planars
- Choix de la forme de la structure
- Dimensionnement de la structure
- Dimensionnement et prise en compte des pertes cuivre
- Optimum de cellules
- Réalisation du coupleur
- Analyse temporelle et fréquentielle du coupleur planar
- Caractéristiques et masse du coupleur monolithique planar
Cela montre également qu’un grand nombre de plantes a un effet positif sur la quantité de fer. La figure 2-76 montre les pertes en fer calculées en fonction du nombre de cellules dans deux cas différents. Alimentation standard : Augmentation quasi linéaire des pertes en fonction du nombre de cellules de l'onduleur.
Analyse des pertes dans les convertisseurs multicellulaires parallèles
L'induction magnétique maximale de ce matériau, dans les gammes de fréquences de quelques kilohertz, entraîne une réduction des sections de fer ainsi qu'une réduction du nombre de spires. Les pertes dans les semi-conducteurs sont divisées en pertes de conduction dans les IGBT et les diodes, pertes à la mise sous tension des IGBT en tenant compte de la récupération des diodes et pertes de blocage dans les IGBT. Il est alors possible de calculer un volume et une masse du dissipateur en refroidissement par convection forcée ou simplement de considérer la valeur des pertes en refroidissement par plaque froide.
Conclusion
C'est pourquoi la Figure 2-89 donne les ondulations crête à crête des courants de sortie dans tous les cas représentés. Deuxièmement, ce chapitre propose une étude comparative des pertes et des efficacités pour diverses configurations d'entrelacement. Nous avons exposé et analysé les pertes et l'efficacité pour différentes structures : inducteurs séparés, cascade cyclique et monolithique.
Sûreté de fonctionnement et tolérance au pannes
Introduction à la fiabilité et la disponibilité
Il est nécessaire d'avoir la possibilité de maintenir la disponibilité de la fonction réalisée en cas de panne. Ce chapitre n’est pas exhaustif en matière de fiabilité et de disponibilité. L'objectif de cette partie est de faire une première estimation de la fiabilité de ces structures et de ces procédés en cas de panne du convertisseur.
Défauts et défaillances internes à l’onduleur
- Défaillances de type haute impédance
- Défaillances de type basse impédance
Défaillance de type "haute impédance" d'un transistor, Figure 3-2 : Maintien d'un transistor à l'état ouvert, par ex. en raison d'une erreur de grille, il en résulte une perte de réversibilité du courant de l'interrupteur (seule la diode flyback reste). Défaillance de type « haute impédance » des deux transistors d'une cellule de commutation, Figure 3-4 : Cette condition de défaillance correspond à une perte de contrôle d'un bras, ses deux transistors restant ouverts. S'il s'agit d'une erreur de contrôle, le courant dans les transistors augmente jusqu'à ce que l'un d'entre eux soit détruit par la fusion de la puce.
Isolement électrique des défauts
- Interrupteur d’isolement inséré sur la phase
- Interrupteur d’isolement inséré sur les connexions au bus continu
- Procédure d’isolement sur défauts
- Fonctionnement de l’onduleur en cas de défaut
Une variante consiste à placer des interrupteurs d'isolement sur la connexion du bus DC. La résistance de commande des sectionneurs augmente, leurs électrodes sont connectées aux potentiels légèrement changeants de la source de tension continue. Dans tous les cas, l'interrupteur d'isolement de la cellule concernée doit être bloqué pour isoler le défaut.
Dysfonctionnement sur transformateur de couplage
- Identification des dysfonctionnements
- Cas du montage par transformateurs
- Hypothèse de défaut en court-circuit
- Hypothèse de défaut en circuit ouvert
- Cas des coupleurs monolithiques
- Méthode de résolution du dysfonctionnement
- Analyse de la méthode sur les différentes structures de filtrage
- Cas du montage à filtrage par transformateur
- Cas des montages monolithiques
- Inconvénient de la méthode
- Autres solutions
D'abord les conséquences expérimentales du dysfonctionnement, puis l'efficacité de la méthode par court-circuit de la phase inactive dans le cas d'un montage en cascade cyclique. Le fonctionnement sur 2 éléments n'exclut pas la présence de pertes d'éléments en court-circuit. L'ensemble de la structure est donc bien équilibré et les courants de phase ont tous la même amplitude.
Comparaison des deux méthodes
La seule façon de contrecarrer ces changements dans la section minimale du fer est de modifier la fréquence de commutation.
Conclusion
Expérimentation et prototype
Introduction
La plupart de ces réalisations ont été développées au sein du laboratoire G2Elab à des fins purement expérimentales. Il intègre également toute une gamme de mesures, ainsi que le contrôle implémenté directement sur la carte. Dans un avion, des capteurs analysent l'état du réseau et informent les convertisseurs de l'état de fonctionnement via un bus ARINC 429 (bus de données unidirectionnel standard).
Réalisation de l’onduleur
Au cours de cette thèse, plusieurs prototypes de convertisseurs entrelacés ont été réalisés, du simple au multi-niveaux. Ce type d'actions doit pouvoir être modifié en cours d'utilisation par une commande externe, dans notre cas par une interface PC communiquant via USB.
Dimensionnement de l’onduleur de tension
- Dimensionnement thermique et choix des semi-conducteurs
- Calibre en tension et en courant
- Choix des IGBT et des diodes
Cette valeur est proche de 20 A, courant nominal disponible dans le commerce compte tenu des tensions définies ci-dessus. Cependant, pour compenser toute surintensité, notamment celle provoquée par les ondulations de courant dans les coupleurs, et pour permettre un fonctionnement en surcharge, l'ampérage est doublé. Le tableau 5 donne les pertes avec différents IGBT pour 6 cellules avec bras 2 niveaux contrôlés à Fs=20kHz, ∆Icc=32%.
Architecture des circuits de commandes rapprochées (drivers)
Ces structures de contrôle serrées sont simples dans leur fonctionnement, mais nécessitent un grand nombre de composants et surtout une alimentation électrique isolée. Ce changement de stratégie de contrôle serré présente de nouveaux problèmes car les signaux à générer par le contrôle ne sont plus l'image des signaux pilotant le portail. La carte de commande de fermeture fabriquée (Figure 4-5) se compose de 12 pilotes de transformateur d'impulsions et d'un CPLD pour générer des signaux d'impulsion ON et OFF.
Système de commande
Les tensions d'entrée et de sortie ainsi que le courant d'entrée sont mesurés par un seul CAN. Ces filtres sont utilisés pour lisser les mesures et pour atténuer le bruit de mesure et de conversion ADC. Un programme de diagnostic développé en C++ permet la configuration et l'affichage en temps réel des paramètres de l'onduleur via une connexion USB.
Méthode de mesure des courants et tensions
Mise en œuvre
Il est également possible de disposer les transformateurs en cercle, mais l'inconvénient est qu'il reste beaucoup d'espace vide sur le PCB à la fin de la construction. La configuration du filtre est basée sur des transformateurs inter-cellules dans une configuration en cascade cyclique, pour garantir une ondulation de courant de phase relativement faible, les transformateurs sont réalisés avec des tores nanocristallins. Cette étude est réalisée sous Matlab à partir de la modélisation thermique d'un ensemble refroidisseur-puce développée dans la thèse [Lefevre 2004].
Résultats expérimentaux
- Mesure des signaux
- Essai jusqu’à charge nominale
Les limitations de la norme DO160 imposent une ondulation du courant de sortie de 10 µA pour les onduleurs réseau. C'est pour cette raison que le filtre de sortie est complété par un étage supplémentaire qui remplit une double fonction. Elle est mesurée entre le bus d'entrée et le bus de sortie pour une charge parfaitement équilibrée, Figure 4-20.
Conclusion
Le contrôle à distance est réalisé par une carte FPGA développée au cours de la thèse. Lefevre, Conception de convertisseurs statiques pour pile à combustible, Thèse de doctorat en génie électrique, Laboratoire Electrotechnique de Grenoble, 2004. Les pertes de charge du réseau sont déterminées à partir de la courbe de charge donnée dans la fiche constructeur.
Annexe : Analyse fréquentielle
Chaque élément diagonal de la matrice conduit à une valeur d'inductance qui représente l'inductance équivalente de la structure du filtre sur une phase. Toutes les harmoniques peuvent être affectées à une inductance de la matrice selon h = k q + n où n représente la position n x n dans la diagonale. Le spectre du courant est donc calculé en multipliant chaque harmonique de la tension par l'harmonique de l'inductance équivalente.
Annexe : Section de fer des transformateurs multicellulaires
Annexe : Choix du circuit magnétique
Plusieurs types de circuits magnétiques sont considérés, dans un premier temps l'étude s'est concentrée sur le 3C96 pour les faibles pertes qu'il offre dans les gammes de fréquences utilisées. Deuxièmement, pour la disponibilité, nous nous sommes intéressés au matériel PC40, très proche du 3C96 et du PC47, particulièrement efficace.
Annexe dimensionnement circuit magnétique
- Calcul des pertes fer pour un circuit magnétique en 3F4
- Détermination des pertes cuivre
Compte tenu de la forme des circuits ERxx, les virages peuvent être effectués en cercle. La perméabilité de la ferrite sur les côtés de la fenêtre est considérée comme infinie. Pour ce type de conducteur, Dowell a défini un facteur de remplissage image de la proportion de cuivre dans la largeur de la fenêtre b.
Annexe : Topologies monolithiques
- Topologies en échelle
- Topologies circulaires
- Topologies circulaires basées sur des noyaux standards
La figure F-5 montre la répartition du courant dans les différentes barres du circuit magnétique. La figure F-8 et la figure F-9 montrent la répartition du courant dans les différentes barres du circuit magnétique. La figure F-17 et la figure F-18 montrent l'évolution du courant dans différentes parties du circuit magnétique.
Annexe : Conception du coupleur planar
- Dimensionnement et hypothèses
- Caractéristiques du PCB
- Choix des dimensions de fer
- Dimensionnement et prise en compte des semi-conducteurs
Ils doivent impérativement être placés à l'extérieur des virages pour éviter tout contact avec les virages inadaptés. Dans le cas de l’embrayage, le choix n’est pas particulièrement compliqué. Il s'agit d'une simple bobine encerclant un bras d'enroulements. La géométrie planaire du circuit ne favorise pas les inductances de fuite, il est très probable qu'un courant non négligeable à fdec s'ajoute au composant à p.fdec des enroulements.
Annexe Structure de commande
- Annexe : Expérience sur la canalisation des flux
Annexe : Modèle équivalent d’un transformateur de couplage