25/03/2013

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8323

0913

-DO

C-T

AS-E

N-0

01

Les nouveaux défis pour le pilotage des tuyères de lanceur.

M. Bekemans20/03/2013

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Introduction

2

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Deux vérins orientent le jet de sortie des tuyères

3

Introduction

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Moteur du 3éme étageActionneur Electrique

Moteur principalActionneur Hydraulique

Moteur des propulseurs à poudreActionneur Hydraulique

4

Introduction

Ariane 5

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Gaz comprimé Huile

Actionneur hydraulique à huile perdue

VPE ⋅⋅=2α

α = 3 for a monatomic gas, (He) α = 5 for a diatomic gas (O2 or N2) α = 6 for a triatomique gas or more (CO2)

7 kWh

Pmoy= 75 kWPcrête= 200 kW

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DEFITS POUR LES FUTURS LANCEURS

ACTIONNEURS TOUT ELECTRIQUE pour les étages inférieurs

CONSEQUENCE:

Montée en puissance des actionneurs 5kW è 100 kW (TBC)Nouvelles approches pour la fiabilisation de la chaine complèteElément de stockage adapté au profil de mission très court

Trop court pour le stockage d’énergieTrop long pour le stockage de puissance

Tous les éléments du système doivent cohabiter et s’aider mutuellement

Tous les éléments du système doivent cohabiter et s’aider mutuellement approche mécatronique

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Effort Flux

• Tension

• Force

• Pression

• Courant

• Vitesse

• Débit

Puissance = Effort x Flux

Impédance =FluxEffort

Ns

ΦNbr

Pôle

Ubat

Ibat

Uond

Iond Iph

UphCem

ωe

CmF

Vω

1: k

BatteriesOnduleur

N

m/s

Schéma de la chaîne de conversion de l’actionneur

7

Filtre

moteur Vis à billes

Onduleur DC/AC

Chaine Mécatronique

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Nbr Pôles: NpNbr Spires: Ns Ubat > V . Nb.Np-1.Ns.Φ.Kc.k-1

ELECTRIQUES

Modulation Connexion DéfluxageImpédance Rapport

MECANIQUE

ELECTROTECHNIQUE

Kc :1Nb:1

m/s

N

Facteurs de transformation

(volt) (m/s) (Tesla.m)

8

Chaine Mécatronique

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DEFIS POUR LES FUTURS LANCEURS

Onduleurs de puissance 100 kW

Anticipation sur les moyens d’essaisProblématique des sources

Installation électrique adaptéeConsommation électrique importante

Problématique des chargesDissipationReprésentativité des régimes transitoiresSouplesse dans la configuration

Charge active & Circulation de puissance

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Schéma ElectriqueONDULEUR 100 kW

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100 kW

5 kW

5 kWONDULEUR 100 kW

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ONDULEUR 100 kW

Implémentation en cours de réalisation

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ONDULEUR 100 kW

Quels sont les éléments limitatifs au transfert de puissance ?

Stress des composantsTension maxCourant maxTemp max

Impédance de liaison !

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Transfert de puissance

Dans un échange entre sources AC, le transfert de puissance est limité par l’inductance de liaison !!

Transfert maximum de puissance

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).cos(.2.)( tUtE ω= ).cos(.2)( ϕω += tItI

( ) ( )ϕωϕ +⋅⋅⋅+⋅⋅= tIUIUtP 2cos(cos)(

)cos(.. ϕIUP =

IUS .=

)sin(.. ϕIUQ =

222 QPS +=

Transfert maximum de puissance

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E2(t)E1(t) L R

I(t)

E1

E2 ejα

αβ

I

∆U∆U

Axe réel

Axe

imag

inai

re

E1

E2 ejα

αβ

I

∆U∆U

Axe réel

Axe

imag

inai

re

Onduleur 1 Onduleur 2

2 degrés de liberté:

• L’amplitude

• La phase

2 degrés de liberté:

• L’amplitude

• La phase

Transfert maximum de puissance

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E1

E 2 ej

α

α

I

∆U

Axe réel

Axe

imag

inai

re

R.I

ω.L

.I

E1

E 2 ej

α

α

I

∆U

Axe réel

Axe

imag

inai

re

R.I

ω.L

.I

E1

α

I Axe réel

Axe

imag

inai

re

E2 e jα

∆U

ω.L

.I

R.IE1

α

I Axe réel

Axe

imag

inai

re

E2 e jα

∆U

ω.L

.I

R.I

Illustration des positions relatives des courants et des tensions pour :

b) extraire de la puissance de E1a) fournir de la puissance à E1.

Transfert maximum de puissance

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QjP .+=S

111 .QjP +=S

IS ⋅= 11 U

−=

LjeUUU

j

ω

α21

11S)sin()cos( ααα je j +=

−+=

LU

LUU

jLUU

ωα

ωα

ω

212121

1 )cos()sin(S

)sin(211 α

ω LUU

P =L

ULUU

Qω

αω

2121

1 )cos( −=

Puissance complexe

Puissance fournie par la source E1

Actif Réactif

Transfert maximum de puissance

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Si les tensions U1 et U2 sont égales, le lieu de la puissance échangée par la source E1 est un cercle paramétré en α.

LUω

2

Puissance échangée en fonction du déphasage entre les sources

Actif

Réactif

Transfert maximum de puissance

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Cercle de puissance si les tensions sont différentes

Transfert maximum de puissance

La puissance max est bien limitée par l’impédance de liaison entre les sources

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AC

DC DC

P

P P

Q

Transfert maximum de puissance

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Ref.:

Real time simulation systemUnder MATLAB/SIMULINKModel of SC AC motor driveGenerates PWM : HS, LSGenerates gap time

Pilotage par simulateur temps réel

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Ref.:

Power supply150V

5kW /10kW

4 phase inverter150V DC BUS

Up to 4 x 120A ACPWM : 6kHz

4 phase motor4 quadrant load

POWERPOWERControlControl

POWER

Pilotage par simulateur temps réel

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Ref.:

Control

POWER

Pilotage par simulateur temps réel

POWER

Control

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Couplage magnétique

FMM harmonique d’espace

θ

Couple

Effort

radial

Modèle temps réel du moteur

Con

nexi

ons

élec

triq

ues

Pilotage par simulateur temps réel

Un modèle électrique complet est nécessaire pour simuler les pannes.

Un modèle électrique complet est nécessaire pour simuler les pannes.

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DEFIS POUR LES FUTURS LANCEURS

Synthèse

L’utilisation de charges actives est indispensable pour manipuler les niveaux de puissance attendus.

Le pilotage des onduleurs par des outils de simulation temps réel permet

Une mise en œuvre rapide Une souplesse dans la mise au pointLa modélisation de systèmes complexesEx: Utiliser un des onduleurs pour simuler le moteur et sa charge