Universit Joseph Fourier N attribu par la bibliothque /__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/ THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LUNIVERSITE JOSEPH FOURIER Spcialit : Gnie Electrique Prpare au Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble UMR 5529 Dans le cadre de lcole doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Tlcommunication, Signal Prsente et soutenue publiquement par Franck BARRUEL Le 20 Juillet 2005 Titre :Analyse et conception des systmes lectriques embarqus. Application aux rseaux de bord davion M. JEAN PAUL FERRIEUX Prsident M. BERNARD MULTONRapporteur M. XAVIER ROBOAMRapporteur M. NICOLAS RETIEREDirecteur de thse M. JEAN LUC SCHANENDirecteur de thse M. ETIENNE FOCHExaminateur M. MARIO MARTINEZExaminateur tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Discussion pr-liminaire Ah sans votre aide !? Question que je me pose pour commencer les classiques remerciements. Ilyaunan,quasijourpourjour,jtaisici,jardin duLuxembourgParisentraindefaireune bauchedeplanpourcemmoire.Comparaisonfaiteaveclaversionfinale,ilnerestequela conclusion en commun. Pas grave. Fallait bien commencer ! Maiscelanerpondpasmaquestion.Queserait-onseulface sonsujetdethse ?Bahbien dans la mouise et intrt avoir un financement rallongeHeureusement cela na pas t le cas, bienaucontraire.Quellesaienttprofessionnellesounon,ilyenaeudesrencontresetdes changes. Et cest, sans nul doute, grce ces rencontres que jesuis l le 1er aot 2005 face au Snat (ok il y a mieux comme endroit mais bon) lesprit lger profiter de mes vacances (bien mrites !). Alors pour cela davance merci toutes et tous. Faire une liste exhaustive de tous les gens que jai rencontres pour faire avancer directement ou indirectementleschmilblickseraithasardeux.Alorsquelesabsent(e)sdecettelistemexcusent, ma mmoire est parfois slective. Mais coup sr jai pens vous un moment. Premier coup de chapeau ceux qui sont l depuis le dbut de cette conqute de lespace (houl jmemballe !), mes Chefs . Au dbut, ma (notre) culture aronautique tait un peu comparable -273C. On avoisine la temprature ambiante maintenant.EnrichissanterencontreavecvousNicoetJeanLuc.Surunsujetderecherche,lechoixdun thsardavecsesencadrantsestalatoire.Le hasard atgnreuxavecmoi.Relations humaines obligent, il y a parfois eu des noms doiseaux qui ont travers mes penses en sortie de certainesrunions.Maisaufinal,quedebonaugurecesoiseaux.Mercidevotreconfiance,de votre coute (parfois hors sujet de thse) et bien sr pour toutes vos ides ! Cest en grande partie grce des gens comme vous que je souhaite continuer chercher ! Si je peux me permettre, continuezdanscesensavecvosprochainspoulains,voustesdanslevrai(euhNico,soitplus cool quand mme parfois face des mes sensibles :)) NB : Je ris toujours en repensant notre premire runion POA tous les trois (la seule dailleurs aprsjai,commequidirait,bottentouche !)etmongrandmomentdesolitude anglais essayant de parler de moi (car on me lavait demand, of course) dans un silence de cathdrale, et vous en train de vous bidonner pfff il est trs bien mon anglais ! Cest dailleurs cause de ces runions manques de ma part, que je navais pas eu loccasion de rencontrer Monsieur Foch et que trop peu Monsieur Martinez. Vous ne men avez apparemment pastenurigueurpuisque vousavezacceptdeparticipermonjury.Merci pourcetteprsence industrielle primordiale.Leretourdepersonnesextrieuresestvidemmentlobjetdetoutethse.MerciMonsieur MultonetMonsieurRoboampourvoustreintressscetravail.Lenombredequestions, remarques,critiques,devotrepartmaassurdelintrtcertainquevousavezportce mmoire(malgruncalendriercharg).Bellercompensepourmoi.Bernard,jesouhaiteque notre intrt commun pour le renouvelable fasse nous rencontrer de nouveau. ResteLEprsident,JeanPaulFerrieux.Commejetelaiditloraltuastmonpremier professeurdEPlIUTetdonc,lepeuquemammoireaitbienvouluassimilersurles convertisseurs est en grande partie grce toi. Tu boucles la boucle en ayant accept de prsider ce jury. Il y a des gens pour qui on a un profond respect inexplicable. Tu en fais partie. Certainesdiscussionsavecdespersonnesdulaboratoireonttdunegrandeaide.Jepense notammentSeddik(mercipourtouslesconseilssurlamodlisationmoyenne),James(jamais trsloindemes chefs ),BertrandRaisonpourlesdiscussionstrsMatlabetpuislapetite Delphine (qui ma mis pour la premire fois un schtroumpf entre les mains ! Je crois que lessai a t concluant. ENORMES bisous Olivier !). tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Etpuisilyavousmesdames,Danielle,Elise,Monique(trsagrablecompagnieauBrsilavec lirremplaableSchaffou)quimettezdeladouceurcelabo.Ettoi,Jacqueline.Millebisouset merci davoir t l. Toujours plant sur mon fauteuil au Luxembourg, cette fois cest envers ma famille que vont mes penses.PartiaudpartpourdeuxansdIUT,jemeretrouveneufansaprstoujoursavecma carte dtudiant. Dsol ! Mais surtout merci de mavoir fait confiance et davoir financ en partie cesannessansjamaisdouterdemoi.Ilparatquonnechoisitpassafamille,heureusement, jaurais eu du mal trouver mieux. Les ami(e)s, eux (elles), on les choisit. Encore faut-il avoir le choix. Et pour cela jai t gt. Le LEG est un vivier de personnes intressantes et attachantes. Certainesrencontresdatentdavantlathse.Kiki,lesavoyardlepluschiant(surtoutquandila malloreille2hdumatcausedelalcool !)maisaussileplusadorablequejeconnaisse.Il aime le sport mais pas sr que cela soit rciproque. Et surtout il dbute en ski, pas glorieux pour un 73 !JPeg, impressionnant defficacit au travail. Toujours un vrai plaisir de refaire le monde tous les deux autour dun bon sky. Par contre lui aussi ne sait pas skier ! Pas grave les ptits loups, Branck vous donnera des cours.Merci tous les deux pour votre compagnie de bureau . Pur plaisir ! Etdelammepromo,ilaRogerYvesSouchard(bonokluiiltientsurdesplanches !),doux dingue, papa heureux. Embrasse Ela pour moi. Puis Valdo, la force tranquille. Ensuite il y a les rencontres avec les vieux briscards thsards avec qui je garde toujours contact. Babe (tu peux tinscrire sur la liste des cours de ski), Goubs (toi tu fais plus souvent du surf sur le ventre),Rico(Okbonbahlpourleskijmetaisjtebatsquandmmeausquash),Yvan, Raphy,Poj,LoloetDamien.Deuxmentionsspciales.UneSebGrhant,montagnardaux idologies proches des miennes, doux rveur. Mon petit doigt me dit quon a des choses faire ensemble... Et puis Coye. Tas intrt te rattraper pour le 20 Juillet si tu veux que je conserve la profonde estime que jai pour toi !Jenevaispasleslister,maisunGROSbisoutoutesvosfemmesquivoussupportentelles ont du mrite !! Viennent ensuite les vieux qui restent : RV, pass du cot obscur rcemment. Merci dtre plus chauve que moi ! Guillaume,1ergroscube ensemble,2megroscube ensemble.Superbe compagnonderoute(pas quesurlebitume)etfinpilote.Calmequandmme.Ahoui,grandegueuleincomparable(sisi plus que moi). Merci toi.Relation particulire avec un homme particulier, Guybrush. Verbe haut (trs haut), humour noir (trsnoir).Faadedepierreetpeusouriant ;-)maisquicacheuncurgroscommeca !Tas toujours t l en cas de besoin. MERCI.Merci ces deux Gui pour leur aide capitale sur la forme de ce mmoire.Les jeunes : Benj,quinousassureunerelvedelespritEPTE.Unpeutroptimidemongotmaisilse soigne ! Guillaume. R et Alex, vrais Syrel ou faux EP (et inversement).X,tesmaladetulesais.Maistesunsacrfoutudrledepersonnage !Sijerestedanslecoin lanne prochaine, je garantis de mouvementer ta rdac ! Calme quand mme la birepour ton ventre plat ! MisterAndrew.Mercipourtonaideprcieuse.Etenplustuasrussimefaireapprcierles anglais (sauf au Rugby). Clin dil aussi tous mes stagiaires. Mes dernires penses vont Corine, Adi, Nataliya, et une mention spciale Mariya. Vous avez supportnotrehumourmasculintouslesjours.Pourcelavousmritezunepalmedor.Mais surtout vous avez mis de la couleur dans notre quotidien. Merci jolies fleurs.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Etpuisilyatoi.BellepetiteElfe.Patienceimmodre,couragesansfaille,toujourslcoute, cettethseestaussilatienne.Grce toi,noussommesarrivscetquilibreextraordinaire entre deux personnes. Mais aprs tout on nous lavait bien dit !Cettefois,quartierSaintGermain,entraindesiroterunebire.Terminlesremerciements, termin cette belle aventure. Plus qu penser la suite renouvelable, of course ! tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Sommaire 7 Sommaire Discussion liminaire______________________________________________________11 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique ________________________________________________________________ 15 1Dfinition des rseaux embarqus ____________________________________________17 2Rle et volution de ces rseaux au cours des dernires dcennies __________________17 2.1Lautomobile _________________________________________________________________ 17 2.2Le navire ____________________________________________________________________ 20 2.3Quid de laronautique civil ? ____________________________________________________ 23 2.3.1De la Caravelle lA380 : 50 ans dvolution ____________________________________ 23 2.3.2Le POA, ses enjeux ________________________________________________________ 28 3Consquences des charges non linaires sur le rseau ____________________________30 3.1Dfinition et exemple dune charge non linaire______________________________________ 30 3.2Les effets frquentiels __________________________________________________________ 31 3.3Les risques dinstabilit _________________________________________________________ 38 4Ce quil faut retenir______________________________________________________41 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste _________________________________ 43 1Introduction ______________________________________________________________45 2Processus de conception des rseaux __________________________________________46 3Quelles mthodes danalyse pour quels domaines dtude ? _______________________49 3.1Quelques mots sur la simulation temporelle _________________________________________ 49 3.2Le domaine statique____________________________________________________________ 50 3.2.1Mthode du Load flow______________________________________________________ 51 aPrincipe et modlisation ___________________________________________________ 51 bApplication un rseau de bord _____________________________________________ 53 3.2.2Modlisation harmonique____________________________________________________ 56 3.3Le domaine dynamique _________________________________________________________ 60 3.3.1Critres de Middlebrook __________________________________________________ 61 3.3.2Approche modale __________________________________________________________ 66 aReprsentation dtat et linarisation _________________________________________ 66 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Sommaire 8bValeurs propres et vecteurs propres __________________________________________ 68 cMatrices modales et rponse temporelle_______________________________________ 68 dSensibilit et facteur de participation _________________________________________ 69 eModlisation moyenne ____________________________________________________ 73 fSynthse sur lanalyse modale ______________________________________________ 76 4Les outils _________________________________________________________________77 5Elments vers une conception ensembliste _____________________________________78 Chapitre III : Analyse de stabilit dun systme embarqu HVDC _________________ 81 1Objectifs de ltude ________________________________________________________83 2Analyse modale dun convertisseur DC/DC ____________________________________83 2.1Ecriture du modle ____________________________________________________________ 83 2.2Comparaison avec Middlebrook __________________________________________________ 85 2.3Analyse modale _______________________________________________________________ 87 3Application lASVR ______________________________________________________91 3.1Modlisation individuelle ou densemble ? __________________________________________ 92 3.2Modlisation et identification des modes ___________________________________________ 94 3.2.1HPSG ___________________________________________________________________ 94 aModlisation ____________________________________________________________ 94 bIdentification des modes ___________________________________________________ 99 3.2.2FPM ___________________________________________________________________ 100 aModlisation ___________________________________________________________ 100 bIdentification des modes __________________________________________________ 103 3.2.3Modle complet __________________________________________________________ 104 aModlisation ___________________________________________________________ 104 bIdentification des modes et tude de sensibilit ________________________________ 106 3.3Analyse pour la conception _____________________________________________________ 109 4Vers une modlisation plus fine et loptimisation _______________________________112 5Conclusion ______________________________________________________________115 Chapitre IV : Optimisation de filtres en prsence de charges non linaires __________117 1Positionnement de ltude __________________________________________________119 2Le filtrage _______________________________________________________________120 2.1Les filtres passifs _____________________________________________________________ 120 2.2Les filtres actifs ______________________________________________________________ 122 2.3Les filtres hybrides ___________________________________________________________ 123 3Etude dune structure filtre plus convertisseur ________________________________123 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Sommaire 93.1Effet de linductance de lissage __________________________________________________ 124 3.2Insertion dun filtre rsonant ____________________________________________________ 125 3.3Calcul du volume des lments ractifs____________________________________________ 128 3.3.1Volume dune inductance___________________________________________________ 128 3.3.2Volume dun condensateur__________________________________________________ 129 3.3.3Application la structure passive tudie ______________________________________ 130 4Processus doptimisation du volume dun filtre ________________________________131 4.1Modlisation du pont __________________________________________________________ 131 4.2Principe de loptimisation ______________________________________________________ 132 4.3Application _________________________________________________________________ 134 5Vers laide la conception des rseaux de bord ________________________________135 5.1Optimisation sous contraintes aronautiques________________________________________ 135 5.2Aide au choix des contraintes ___________________________________________________ 138 5.3Aide au choix de la localisation__________________________________________________ 139 6Quid de la frquence variable ? _____________________________________________141 7Conclusion ______________________________________________________________142 Discussion finale_______________________________________________________ 143 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Sommaire 10 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Discussion liminaire 11 Discussion liminaire Analyseetconceptiondessystmesembarqus ,voiluntitrebienprsomptueux !Ilestvrai quecessystmessubissentdeprofondesmutationsetdoiventtrerepenss.Lessorde llectroniquedepuissancelafindusicledernierestsansaucundoutelacauseprincipalede cette refonte. Fiabilit, modularit, masse, souplesse de fonctionnement sont des qualits qui ne sontplusdiscutablespourcesnouveauxmodesdeconversiondnergie.Facecela,lesides dapplicationetdutilisationnontcessdegermerdanslattedesconcepteursdesystmes embarqus.Latendanceestclaire :ilfautintgreraumaximumlaconversionetladistribution lectriqueauxdpensdelhydrauliqueetdumcanique.Leconstatestdjlpourleprouver, automobile,aviation,train,tramway,naviremigrenttousversle plus voirele tout lectrique. Les projets ne manquent pas et les retombes sont dj visibles. Qui ne peut constater lvolutionfaitedelaclbre 2chevaux lanouvelleC3 ?Delammemanire,la comparaisonentrelepremiertrainalimentparcatnaireetlenouveauTGVenditlongsur lapportdorganeslectriques.LA380assurerasansnuldouteuneaisancedepilotageetun confortautresqueceuxpropossdanslepremierCaravelle.Plusieursautresexemples illustrateursdecettemigrationautoutlectriquepeuventtrecits.Ilspossdenttousles caractristiques suivantes :confort,scurit, cot,environnement.Lacauseestdoncacquise,lessystmesembarqusdedemainseronttoutlectriquesou ne seront pas ! Dslors,denouvellesrflexionsdoiventtremenessurlerseaulectriqueembarqu. On ne peut, en effet, augmenter sans cesse la puissance des alternateurs pour assurer la fourniture lectriquedesnouvelleschargesinsressansrepenserlerseaudanssaglobalit.Lechoixdu typedalimentation(alternatifoucontinu),leniveaudetensionappliquer,lesrglesde protection,larchitecturegarantissantunefournitureoptimalesurlescharges vitales ,sont autant de points cl analyser.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Discussion liminaire 12La tche nest pas aise puisque en parallle des contraintes de qualit/continuit dalimentation peuvent venir sajouter le volume, le cot et la masse selon le systme embarqu (navire, voiture, avion). Laronautique,notrecasdtude,estdirectementconcerneparlesoucidelgret ! A lheure o lA380, le plus gros porteur jamais conu, effectue ses premiers essais en vol, la revue Science & Vie titre son numro de janvier 2005 : A380, et sil tait trop lourd... . Il faut donc chercher gagner des grammes. Ct lectrique, le nouveau fleuron dAirbus va pourtant dans le bonsens.Lesystmelectro-hydrauliquedegnrationdebord(lourdetcoteuxen maintenance) qui assurait jusqu' prsent une frquence fixe de 400Hz a t supprim et celle-ci devient variable entre 360Hz et 800Hz. Le pendant de ce changement est le besoin dinsrer de nouveauxconvertisseursstatiquesentagedentrepour absorber cesvariations.Deplus, contrairementauxprcdentsAirbusquiencomportaienttrois,lA380nauraquedeuxcircuits hydrauliques, le troisime tant remplac par un lectrique. Le niveau de pression au sein de ces circuits est galement augment. Le gain estim est de 1.2t tout de mme. Le projet europen Power Optimised Aircraft dans lequel se sont inscrits nos travaux est principalement ax sur les points qui viennent dtre abords. Quels seront les effets dun rseau frquencevariableaveclesnombreuseschargesnonlinairesquesontlesconvertisseurs statiques ? Quelle est la meilleure architecture possible ? Est-ce que le passage un rseau continu peutpermettredegagnerdelamasse ?Sioui,avecquelniveaudetension ?Carsiles convertisseurs statiques possdent des avantages indniables, ils ont aussi leurs inconvnients (en dehors du cot) et peuvent conditionner ces nouveaux choix.Tout dabord dun pointde vue frquentiel, laugmentation de tels tages dentre induit desperturbationsharmoniquessurlerseau.Leursconsquencessontbienconnues :pertes supplmentaires, chauffement des cbles, distorsion de la tension dalimentation, etc. Le gabarit normatif sur les diffrentes frquences multiples du fondamental est donc trs svre.Dun point de vue dynamique, ces nouvelles charges peuvent tre dstabilisantes lors de petites variations autour dun point dquilibre ou lors de transitoires brutaux. Ces problmes de stabilitsontprincipalementimputablesauxrgulationsquignrentdenouveauxmodessurle rseau et peuvent, en cas de mauvais rglage, crer des oscillations voire linstabilit complte du systme. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Discussion liminaire 13Tout le problme consiste donc analyser les effets frquentiels, statiques et dynamiques. Quels sont les mthodes et les outils employer suivant le domaine observ ? En bref, comment supplerlempirisme(toujoursindispensablemaisquimontreseslimitesenterme doptimisation) quasi centenaire des concepteurs de rseau davion ? Aussi, aprs avoir fait dans le premier chapitre, un rapide survol historique sur lvolution desrseauxembarqusetdesconsquencessurlaprolifrationdecesnouvellescharges,le second chapitre de ce mmoire sera entirement ddi aux outils et mthodes envisageables pour concevoir de manire optimale les futurs rseaux. Les deux chapitres suivants viendront illustrer cette rflexion sur la conception. Lun proposera une mthode danalyse de stabilit permettant, en plus du respect des critres dynamiques imposs, une aide la conception (en gardant toujours comme objectif une minimisation du volume et /ou de la masse). Lautre chapitre sera bas sur la (d)pollutionharmoniqueaveclapropositiondoutilsgnriquespermettantdeminimiserle volume des filtres passifs et actifs tout en garantissant le respect des normes. Dslors,touslesoutilsseront-ilsdonnspourdfinirLErseauoptimal ?Certesnon. Compte tenu de la non prise en compte de certains aspects lectriques et des aspects mcaniques ou thermiques, on ne peut prtendre un tel rsultat. Alors si le titre parat annonciateur, il faut modestement parler de contribution vers cet objectif quest la conception.bonne lecture. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007Discussion liminaire 14 tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 15 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 16tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 17 1Dfinition des rseaux embarqus Avantpropos,ilestutilededfinircequestunrseauembarqu[1].Enoppositionau rseaudedistributionpublic,ilsediffrencieparunefaiblepuissancedecourt-circuitet lalimentation de systmes isols. Dans la littrature, on parle aussi de rseau dalimentation ou de bordsuivantlessystmestudis.Cesdernierssontnombreux.Voitures,avions,navires, tramwaysvoirelesrseauxindustrielsoulots,constituentdescasdapplicationolerseau lectriquefonctionnepartiellementoucontinmentdemanireisole.Cesrseauxsont fortementnonlinairescarilssontcompossengrandepartiedeconvertisseurslectriques. Larchitecture est de type radiale et non maille et le flux de puissance est unidirectionnel. Ainsi, lesproblmesdinterconnexionsentreplusieurssourcesdnergiesontmoinssusceptibles dapparatremaisnanmoinsexistants,parexemple,lorsdeconditionsanormalesmaisnesont pas traits dans ce mmoire. 2Rle et volution de ces rseaux au cours des dernires dcennies Depuis les annes 80, les rseaux embarqus nont cess de prendre de limportance. Ce changementnestpastrangerceluidellectroniquedepuissance,bienaucontraire.La fiabilit, la robustesse et la souplesse de fonctionnement offertes par les convertisseurs statiques lorsquilssontassocisounondesmachineslectriquesontnaturellementconduitleur utilisation massive. De fait, les convertisseurs deviennent le cur mme des rseaux embarqus et leurs effets, notre principale source de recherche. Afin dillustrer ces propos, voici un rapide tour dhorizonnonexhaustifdansdesdomainesconnustelsquelautomobile,lemaritimeet laronautique.Cedernierseradavantageprsenttantdonnquilrestelecasdtudedece mmoire. 2.1Lautomobile Lemodedetransportleplusutilisdansles paysdveloppsesttrsreprsentatifdela migration vers le plus lectrique . Les chiffres de Renault sont loquents ; en 1980 une Renault 5consommaitunepuissancelectriqueinfrieure500Walorsquen2005,lefuturmonospace delagammeconsommera5kW,soitdixfoisplusen25ans.Certains visionnaires de lautomobile parlent mme datteindre 40kW en 2030 !tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 18Lescausesdecettecroissanceexponentiellesontprincipalementissuesdequatre facteurs : le confort, la scurit, lenvironnement, le cot. En effet, amliorer sa qualit de vie et son confort sont des causes communes bien des personnes et cela passe pour certains par son propre vhicule. Les constructeurs proposent ainsi des prestations varies. Siges chauffants, vitres lectriques, GPS, climatisation, direction assiste deviennentdesaccessoiresstandardises.Cesquipementssontlesplusgrandsconsommateurs dlectrons.Lavolontdaugmenterlascuritdupassagervagalementdanslesensdu dveloppement des systmes lectriques. Laide au freinage, au maintien de la tenue de route ou encore la direction assiste sont des fonctions qui sont ralises par lintermdiaire dactionneurs lectriques.Pourdemain,desprojetssontencourssurlutilisationdecblesenfibreoptique, transmettantlesdonnesfourniespardesservo-systmesetdescapteurslectroniquesun ordinateurdebord.Ainsi,onpeutenvisagerunavenirolescommandesutilisesparle conducteur(volant,pdales,levierdevitesse)serontgrespardetelscbles.Toutceciserade bon augure pour le conducteur mais demande l encore une alimentation lectrique.Un troisime aspect cologique vient tayer lutilisation de llectricit bord des voitures. Larductiondactionneursetdetransmissionsmcaniquesethydrauliques,auprofitdorganes lectriques,induitungaindemasseetdoncunebaissedelaconsommationthermiquedela voiture et indirectement des produits polluants. Lapport de llectrique doit galement permettre une meilleure utilisation du moteur (injection lectronique) et donc une dure de vie accrue.Enfin,pourlaspectfinancier,ledveloppementconsidrabledellectroniquede puissanceaeupoureffetderduiresonprixetdefacilitersondveloppementauseindes voitures.Levirageversle pluslectrique estprisdepuislongtemps.Dslors,lagestionde lnergie lectrique devient plus complexe et le rseau actuel 14VDC nest plus adapt (Figure I- 1).Laugmentationdelapuissancefournirinduituneaugmentationdelatailledescbleset doncdupoids.Pourrpondrecesconsquencescoteusesdansunsystmeembarqu,une solutionestdemonterleniveaudetension.Ainsi,pourunemmepuissanceabsorbe,les niveaux de courant circulant dans les cbles seront moindres [2]. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 19Moteurs lectriquesLumiresCharges lectroniquesChauffageAutres chargesRelais, fusibles et commandes manuellesAlternateur/ redresseurMoteur thermiqueBatterie 12VDCDmarreurBus 14VDCSystme de dmarrage Figure I- 1 : Rseau de bord actuel 14VDC Ce niveau de tension a t fix 42VDC principalement pour des raisons de scurit des personnes. Cependant, la prsence de charges fonctionnant encore sous 14VDC dans les stocks desquipementiersaamenlesconstructeursunesolutionhybrideaveclesdeuxniveauxde tension(FigureI-2).Maishormislelobbyingdesfabriquants,laprsencededeuxrseaux distincts permet un dcouplage dans lalimentation des charges. En effet, et lautomobile nest pas le seul cas, on voit se profiler dans les rseaux embarqus un bus qui alimente les charges dites de puissanceetunautreosontconnecteslesorganesdestineslacommunicationauseindu vhiculeoudesactionneursdefaiblepuissance.Danslecasdurseau42-14VDC,cestun hacheurquiassurelaconversionDC/DCentrecesbus.Celui-ciadailleursfaitlobjetde nombreusestudestantsursaconceptionquesurseseffets(notammentdynamiques)surle rseau [3]. Alterno/ dmarreur Moteur thermiqueBatterie 36VDC/rgulateurBus 42VDCConvertisseur bidirectionnel AC/DCDCChargeDCChargeBatterie 12VDC/rgulateurBus 14VDC Figure I- 2 : Rseau 42/14VDC tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 20La gnration lectrique se voit galement modifie. Lvolution des technologies sur les machinesaidant,ledmarreuretlalternateurneformentplusquunseulsystme,dontun redresseur rversible command assure le raccordement au rseau.Le rseau des voitures hybrides (TOYOTA Pryus, HONDA Insight) est trs semblable celuidelaFigureI-2.Endehorsdeschargeslectriquesencoreplusnombreuses,seullajout dunmoteurlectriquesurlebuscontinu hautetension (viadenouveauunconvertisseur) change du prcdent.Leconstatestainsiclair,larchitecturedurseaulectriquedesnouvellesvoituresest fortementcomposedorganesbasedlectroniquedepuissancequisontvuscommedes charges non linaires et dont les effets lectriques doivent tre quantifis. 2.2Le navire Dans des proportions diffrentes, un autre exemple significatif de cette migration au tout lectrique est le cas des navires. Sans parler des bateaux militaires, les navires de croisire ont bien volu.Cesvillesflottantesontsugalementtirerungrandbnficedelvolutionde llectronique de puissance. La premire propulsion lectrique ne date pourtant pas dhier. Dans lesannes1930,leNormandietaitquipdemachineslectriquespermettantdentranerles quatrehlicesde40000chchacune. Cependant,ilsagissaitlpoque,desystmesdutype arbrelectrique entrelaturbinevapeuretlhlice,enremplacementdelalongueligne darbre et de rducteur associ. Par arbre lectrique on entend une liaison borne borne entre gnratriceetmoteur,laquelle,auxpuissancesconsidres,nepouvaitsefairequepardes arbresconstitusparunalternateurentranparuneturbineetunmoteursynchroneou asynchrone [4].Ilfautattendreledbutdesannes90,etcommenouslavonsdit prcdemment,ledveloppementdellectroniquedepuissance,pourvoirlapplicationdes systmes modernes dalimentation et de commande sur les machines de propulsion [5]. De plus, aummetitrequelesvoitures,le standing bordchange !Ascenseur,piscine,sallesvido, restaurantsetbiendautresviennentalourdirlaconsommationlectriqueembarque.Cest pourquoi,danslesannes90,le naviretoutlectrique afaitlobjetdenombreuxprojets. Architecture,conception,protectiondesrseaux,choixducontinuoudelalternatif,tousces aspects ontfait (et font encore) lobjet de rflexions et danalyses pour se prparer au paquebot de demain (cela concerne aussi les navires militaires) [6]. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 21 Larchitecture standard tellequelleestencemomentdanslesnaviresestdonne FigureI-3.Laproductiondnergieestassurepardesgroupeslectrognesdontlapuissance est fonction de la taille du btiment. Mais titre dexemple, pour un navire de 22000 t (le Queen MaryIIenfait150 000t !),laproductionlectriqueestdenvironunedizainedemgawattsen navigation 15 nuds (le double 20 nuds) rpartie de la manire suivante : 2 x 2.7 MW pour la propulsion principale (2 x 9.2 MW 21 nuds), 2 x 1 MW pour la propulsion auxiliaire, 2 x 1 MW pour les compresseurs dair conditionn, 4MWpourlerseaudebord(440V,60Hz)quiassurelalimentationdetoutesles autres charges (servitudes). Soitautotalquatregroupesde6.3MWquisontconnectsunrseaude6.6kV.Les chargeslieslapropulsionetlairconditionnsontdirectementalimentesparcerseau (Tableau MT) et les autres passent par lintermdiaire dun transformateur 6.6kV/440V (Tableau BT).Ilestintressantdenoterlaprsencedefiltresharmoniquesquiassurentuntauxde distorsioninfrieur5%surlatensionBTquelquesoitlergimedefonctionnementdela propulsionetlimitentgalementlesamplitudesdescourantsharmoniques.Eneffet,la prolifrationdestagesdentredeschanesdeconversionlectromcanique(biensouventdes pontsdediodestriphass)gnredesharmoniquesditsbassesfrquences.Encasdecharges quilibres, ces structures crent des courants harmoniques de rangs 5, 7, 11, 13, etc. Ces derniers saccompagnent non seulement de pertes dans les cbles et les lments bobins, mais surtout de perturbationssurlecoupleetlavitessedesmachinesconnectesaurseau, dolobligationde filtrage. Mais cela induit des contraintes en taille - masse - argent. Le rseau continu est-il la solution de demain pour rduire lencombrement de lensemble desconstituantsdurseau ?Quellessontlesconsquencessurlesharmoniques(siilssont supprims en BF, il reste nanmoins les problmes de CEM) ou sur la stabilit du systme ? Sans rentrer dans le dtail, il est possible de faire une analyse qualitative [7]. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 22MASFiltres harmoniquesChargesTableau MT 6.6kV, 60HzDieselAlternateurDieselAlternateurDieselAlternateurDieselAlternateurACACMSPropulseur dtrave et compresseursMoteur de propulsionFiltres harmoniquesACACMSMoteur de propulsionTableau BT 440V, 60HzChargesServitudes de bord Servitudes de bordAutres charges Autres chargesMASPropulseur dtrave et compresseurs Figure I- 3 : Installation classique de production diesel-lectrique d'un navire [7] Du point de vue des harmoniques, si la suppression des tages dentre quengendre le passageaucontinupermetdesaffranchirdeleurseffetsBFsurlerseau,ilresteles perturbationsliesauxfrquencesdedcoupagedesinterrupteurs(IGBT).Sanslaprsencede filtres(cettefoisCEM),cescourantshautesfrquencespeuventserpartirsurlensembledu rseauetnesontlimitsqueparlimpdancedesjeuxdebarres.Enplusdelaprsencedeces nouveaux filtres, il faut bien voir que toutes les charges doivent tre alimentes par lintermdiaire deconvertisseurs.Autrementdit,mmeleschargesquifonctionnentfrquencefixe(etqui nontpasbesoindesystmedeconversiondanslecasdunrseaualternatif)doiventtre maintenant munies dlectronique de puissance. Conclusion, on gagne dun ct ce que lon perd de lautre !En ce qui concerne la stabilit, la prsence exclusive de convertisseurs commands devant chaquechargeaugmentetrssignificativementlenombredemodesprsentssurlerseau. Linterconnexion de ces organes accrot donc le risque de prsenter des modes instables. Si pour linstantcettenotionde mode restepeudtaille,elleleseraplusamplementpuisquellefait lobjet du chapitre IV.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 23MASChargesRseau 6.6kV, 60HzDieselAlternateurDieselAlternateurDieselAlternateurDieselAlternateurPropulseur dtrave et compresseursRseau continu 5kVServitudes de bordMASPropulseur dtrave et compresseursACDCRseau 440, 50HzDCACMSDCACFreinageStockageChargesServitudes de bordDCACMSDCACFreinageStockageDCACMoteurs de propulsion Moteurs de propulsion Figure I- 4 : Schma de principe d'un rseau de navire avec une partie DC [7] Enfin, il reste la difficult du niveau de tension. Pour les puissances lies la propulsion, il fautenvisagerunrseaucomprisentre3et5kV.Ceniveaunestvidementpasapplicableaux servitudes de bord, do la prsence dautres rseaux auxiliaires. Compte tenu de tout cela, larchitecture la plus envisageable ce jour reste un mixte entre continu et alternatif telle quelle est donne schmatiquement sur la Figure I- 4. 2.3Quid de laronautique civil ?2.3.1De la Caravelle lA380 : 50 ans dvolution Commelesdeuxprcdentesillustrationsdecettemigrationautoutlectrique, laronautiquecivilenestpasenreste.Lencoreleschiffresparlentdeux-mmes.Dansles annes50,lepremieravioncivillongcourrier(laCaravelleSE210,80passagers)consommait environ27kWavecunedistributionlectriquede28Vencontinu.Alpoque,lensembledes commandestaithydrauliqueetmcanique.Dbut70,AirbuscommercialiselA300(260 passagers) et la consommation est de 250 kW avec une distribution compltement revue.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 24Lerseauprincipalestde115Valternatiftriphas400Hz.Pourquoicechangementetces choix ?Larponseestencorelielamasse.Toutdabord,lesmachinescourantalternatif peuventsansproblmetournerdeshautesvitesses(12000tr/min).Or,puissancegale,la masseesttrsapproximativementinversementproportionnellelafrquencedutilisation.Par exemple,ilestpossibledegagner80%surlamassedunalternateursicelui-citournehuitfois plus vite (rapport entre 50 et 400Hz). Dans ces conditions, pourquoi cette limite en frquence ? Cette fois la raison est purement financire. En effet, le gain de masse se fait principalement sur lecircuitmagntiquequi,plushautefrquence,ncessiteunetouteautreconceptionetune technologiebienplusonreuse[8].Enquiconcerneleniveaudetension,lorigineestplus difficiletrouvermaiscestsansnuldoutelatailledesconducteursvisvisdeleurdensitde courantadmissiblequiestlaraisondecechoix.Acejour,lerseauprincipaldesavionscivils possde toujours ces caractristiques.Alafindesannes80,lAirbusA320consomme300kVA,soitgureplusqueson prdcesseur,maisilsonneleglasdesanciennescommandesdevol.Dotdunsystmeappel Fly by Wire , les commandes deviennent lectriques et lancien manche balai est mis au placard !Tellementscurisanteetsoupledutilisation,cettenouvelletechnologieseraapplique par les autres avionneurs[9]. De plus, lavionique bord devient entirement numrique (Figure I- 5). Figure I- 5 : A gauche, cockpit de la Caravelle, droite celui de lA380 ; 50ans dvolution Dans le mme temps, le confort et la scurit ne font que crotre au fil des avions. Siges lectriques, vido, cuisines, prises de courant viennent amliorer la vie du passager.Quant la scurit et la souplesse de fonctionnement : actionneurs, capteurs, dgivrage, freinage, ne sont que quelques exemples de la monte en puissance des systmes lectriques. AvantdefinirlesurvolhistoriqueparledernierfleurondAirbus,ilestutilededcrire une architecture type dun gros porteur (A330 par exemple, Figure I- 6).tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 25Charges DCBusbar1 115V, 400HzEngine1Gen 1ACTRCharges commercialesDC Busbar1EXT 1Engine2Gen 2DCACTRDCBusbar2 115V, 400HzCharges techniquesCharges commercialesCharges techniquesDC Busbar3DC Busbar2BatteriesCharges DC Charges DCPompe PompeAPU EXT 2CSM/GRATPompePompeH1H2H3 Figure I- 6 : Architecture type du rseau lectrique d'un biracteur. Circuits hydrauliques en tirets (H1 H3) [10]. Deuxalternateurssontconnectsauxturbines(Engine+Gen)etalimententsparment unbusbarde115V-400Hz.Lensembledeschargesdefortepuissance(commercialesou techniques)estbranchsurcebusbar.Pourassurerlaconstancedelafrquence,unsystme lectro-hydrauliquepermetdefixerunevitesseconstantesurlarbredelamachine(Constant Speed Drive). Lensemble alternateur plus CSD est appel Integrated Drive Generator. La Figure I-7dcritlastructuretroistagesclassiquedunalternateurdavion.Unemachineaimants permanents(PMG)assurelalimentationduneexcitatriceparlebiaisdunensembleredresseur plusconvertisseurDC-DC.Cettedernireestunalternateurinverspourlequellinduitest connect un pont de diodes tournant qui permet dexciter lalternateur principal. La rgulation detensionestassureenjouantsurlexcitationdelalternateurprincipal.Lintrtdunetelle structureestsafiabilitetsonfaiblecotdemaintenancepuisquelesystmeestsansbalaiset autonome. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 26 Figure I- 7 : Architecture et principe de la rgulation de tension Danscertainesconditions,unesourcelectrogneauxiliaire(AuxiliaryPowerUnit), souventenqueuedavion,assurelagnrationdairpourledmarragedesmoteursetle conditionnementdelacabine(elleestdoncprincipalementutiliseausol,contrairementaux ides reues).Deuxprisesdeparc(ExtAetB)permettentdalimenterlavionquandcelui-ciest larrt.Untransformateurredresseur(TR)assurelaconversionentrelebusbaralternatifet continu(28VDC).Sansentrerdansledtaildeslments,lastructureestcomposedunfiltre dentre,duntransformateur,dedeuxpontsdediodes,duneinductancedinterphaseetdun filtredesortie.Lesystmeestainsidodcaphasafindefaciliterlefiltragedesharmoniquesde courant gnrs et de rduire les ondulations de tension en sortie [11].28VDC115V, 400HzFiltreFiltre Figure I- 8 : Schma dun Transformateur Redresseur Enfin, cot secours, des batteries branches sur le busbar DC assurent lalimentation des organesdevolvitaux.Deplus,uneoliennedesecours(RamAirTurbine)permetlafoisde pressuriser un circuit hydraulique (H1) et dassurer la fourniture lectrique de ces mmes organes via un alternateur de quelques kW (Constant Speed Motor /Generator).tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 27Un niveau suprieur de contrle et de pilotage (non reprsent sur la figure) gre les rgulations et les systmes de protection tant sur lalternateur que sur les charges.Encequiconcernelescircuitshydrauliques,ilenexistetroisindpendants(H1,H2et H3)dontlagnrationestassurepardespompes.Chacundecescircuitspossdeun accumulateur(nonreprsentsurlafigure)quipermetdabsorberlesvariationsdepressions. Lun de ces circuits, on vient de le dire, sert galement de secours. LA380sediffrencienettementdelaprcdentearchitectureettraduitlesouhaitdes avionneurs daller vers le plus lectrique. Tout dabord, du point de vue de la puissance installe bord,celle-cipasse600kVAavecquatregnrateursfrquencevariablede150kVAchacun. LeprcdentsystmeIDGdevientVFG(pourVariableFrequencyGenerator)en saffranchissant du systme CSD. Si cette modification parat minime, elle a tout de mme pour consquence de revoir lensemble des charges lectriques par les quipementiers car la frquence peutdsormaisvarierentre360Hzet800Hz(cfFigureI-9etFigureI-10).Latensionest toujours rgule 115V/200V. PMG Exciter MainCSD4500-9000 tr/min24 000 tr/min PMG Exciter Main4500-9000 tr/min12 000-24 000 tr/min Figure I- 9 : Principe du systme IDG [10]Figure I- 10 : Principe du systme VFG [10] DeuximediffrenceparrapportauxanciensAirbus,enplusdescommandesdevol lectriques,lesactionneurssonteuxaussiplus lectriques .Ainsi,lesvrinsetmachines hydrauliquessontremplacspardenouveauxsystmestelsquelesEHA(Electro-Hydrostatic Actuator) et EMA (Electro-Mechanical Actator) qui reprsentent maintenant plus dun tiers des actionneurs bord de lavion (Figure I- 11). La partie lectrique de ces actionneurs est compose dun tage dentre par pont de diodes puis dun onduleur command en courant. Le niveau de tensiondubuscontinudechaqueonduleurestde270VDCpourunepuissancedeplusieurs kilowatts.Enfin,lesystmedesecoursvialaRATdeviententirementlectrique,dola suppressioncomplteduncircuithydraulique(H1nexisteplusetlaRATestdirectement connecte au bus alternatif). Avec laugmentation de la pression du liquide,le gain de masse est estim 1.2 t [12].tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 28PompeMS115V, 400HzRedresseur OnduleurFiltrage + Systme dissipatifFigure I- 11 : Schma de principe dun Electro-Hydrostatic Actuator et photo dun Electro-Mechanical Actuator Ainsi, en 50 ans, la puissance lectrique installe a t multiplie par 20 ! Et tout laisse penserquecelanevapassarrterlsilonenjugelaFigureI-12.Autantleschargesdites techniquesaurontlgrementtendancediminuer,autantleschargescommercialesprendront leur envol .CestprincipalementfacececonstatquestnleprojeteuropenPower Optimised Aircraft dbut en janvier 2002 [13]. Figure I- 12 : Estimation de la puissance fournir [13] 2.3.2Le POA, ses enjeux LePOAapourprincipalobjectifdobtenirunerductiondelaconsommationde puissance non propulsive avec les nouveaux systmes lectriques disponibles. Cela va mme plus loin puisquau dpart du projet, les objectifs atteindre sont les suivants : rduire dans certaines configurations de vol, les pics de consommation de puissance non propulsive de 25%, rduire dans sa globalit la consommation de puissance non propulsive, rduire de 5% la consommation de krosne, rduire la masse totale de lappareil, tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 29rduire les cots de maintenance, ne pas augmenter les cots des quipements, augmenter la fiabilit et la sret. LavionderfrenceestlAirbusA330(entermedemasse,decot,deconsommation, etc) qui est un biracteur dune capacit de 300 passagers.Pourarrivercesobjectifs,plusieursrflexionssontmenes.Laprincipalesaxeautour delarchitecturedurseauellemme.Ilfauttrouverlarchitecture optimale quipermet dinclure les nouveaux systmes tout en atteignant les objectifs fixs (Figure I- 13 et Figure I- 14). Delammemanirequepourlesnavires,unrseauprincipalencontinuapparatcommeune solution viable et implique une tude approfondie (ici le niveau serait de 350VDC) [14]. Mais au pralable, cela implique une analyse pousse du comportement des charges qui deviennent toutes muniesdeconvertisseursetdontlamiseenrseausoulvedesinterrogations.Lesnouvelles technologies dactionneurs (EHA, EMA) sont ainsi testes individuellement puis connectes sur lerseau.Aummetitre,toutlesystmedegnration(turbines,alternateurs,lectroniques, commandes) est repens pour amener une solution plus compacte et plus lgre.Commandes de volContrle moteurDgivrageCommandes de volCommandes de volTrain datterrissageCharges commercialesDistribution lectriqueAlterno-dmarreurRacteurContrle cabinesCommandes de volContrle moteurDgivrageCommandes de volTrain datterissageCharges commercialesDistribution HydrauliqueGnrateur + boite de vitessesRacteurContrle cabinesElectriquePneumatiqueHydrauliqueMcaniqueDistribution lectriqueCommandes de vol Figure I- 13 : Architecture conventionnelle type A330 Figure I- 14 : Architecture dun futur gros porteur civil tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 30Laphasedevalidationdelarchitecturedurseauestfaiteplusieursniveaux.Une simulation avec lensemble des quipements (Virtual Iron Bird) valide la fois leur modlisation etleurinsertiondanslerseau(enplusdelaspectlectrique,lamodlisationtientcomptedes aspects de fiabilit, de cots et de poids). Ensuite, un premier banc de test est ralis pour valider tout le systme de gnration (Engine Systems Validation Rig). Enfin, un second banc (Aircraft Systems Validation Rig) mesure linfluence des nouveaux quipements lectriques sur le rseau et sur lalternateur. 3Consquences des charges non linaires sur le rseau Ilapparatquelinsertiondenombreuxconvertisseursstatiquesnestpassans consquencespourlerseauembarqu.Harmoniques,chargesnonlinaires,instabilit,etc sontdestermesquimritentdeplusamplesexplicationscarilssontenpartielesraisonsde nouvellesrflexionssurlaconception.Quelerseausoitalternatifoucontinu,seulesles structuresdesconvertisseurschangentmaisleseffetsvusdurseaurestentlesmmes.Voici donc un rapide tour dhorizon de limpact des non linarits illustres par des exemples prcis.3.1Dfinition et exemple dune charge non linaire Pardfinition,unsystmelinairedoitrpondreauxprincipesdesuperpositionet dhomognit. Autrement dit, la rponse s(t) dun systme linaire une entre e(t) compose de la combinaison linaire de plusieurs entres (Eq I. 1) est la somme des rponses lmentaires) (t sk chacune des entres individuelles (Eq I. 2)= =n1 kk k) t ( e ) t ( e Eq I. 1= =n1 kk k) t ( s ) t ( s Eq I. 2Pourunconvertisseurstatique(pontredresseur,onduleur,etc.),larponseencourant une sollicitation en tension ne rpond pas ces deux principes.Structuretrssouventemployeentagedentredeschanesdeconversion lectromcaniques, le pont redresseur triphas diodes (ou pont de Graetz) est un cas de charge nonlinaire.Ceconvertisseursedmarqueparsasimplicitdemiseenuvre,soncotetsa fiabilit.SurlaFigureI-15onvoitlarponseencourant(Ip)pouruneentreentension(Vs) sinusodale.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 31La non linarit est claire puisque le courant est compos dune somme de sinus. Le taux dedistorsionharmonique(TDH)peutdpasser80%avecindividuellementlesrangs5et7qui atteignentrespectivement70%et40%.Danslhypothseolesystmeestquilibr,les harmoniques produits sont des multiples de 6n1 avec n entier (ici le fondamental est 400Hz).ipC RLs, rsVCVs 0.069 0.07 0.071 0.072 0.073 0.074 0.075 0.076 0.077-150-100-50050100150Temps (s) Double chelle courant (A) / tension (V)Vsip 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800005101520253035Frquence (Hz)Amplitude (A)ip(f) Figure I- 15 : Schma d'un pont de diodes triphas sur capacit en tte (Ls=20H). Forme d'onde du courant absorb en temporel ( gauche) et en frquentiel ( droite) 3.2Les effets frquentiels Tellequellevientdtremontre,unechargenonlinairepeutgnrerunspectreriche enharmoniques.Quenest-ildelamiseenrseaudeplusieursdeceschargesnonlinaires ? Quelles sont les consquences sur le spectre vu delalternateur ? Pourrpondre cela, prenons lapplication dun mini-rseau donn Figure I- 16. Sans tre une reprsentation exacte dun rseau lectriquedunavioncivil,cetexempleseveuttoutdemmeillustrateur.Ilestcomposdun pontdediodestriphasidentiqueceluidcritprcdemment,dunredresseurabsorption sinusodaletriphas(PFC)etduntransformateurredresseurdodcaphas.Larpartitionde puissance est donne sur la Figure I- 16.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 32115V, 400HzAlternateurACDCRtrTR20kWACDCRcPont de diodes20kWPFC10kWRsistance20kWLigne 1Ligne 2 Ligne 3 Ligne 5RpdACDCLigne 4N1RpfcIsourceITR IPDIPFCIR Figure I- 16 : Mini-rseau illustratif Sans entrer dans le dtail de la modlisation, il faut prciser que chaque convertisseur est modlis par sa topologie exacte ainsi que les commandes qui lui sont associes. Les lignes sont reprsentes par un circuit srie R, L . Les principales hypothses sont les suivantes : les interrupteurs commands (ou non) sont considrs idaux avec une rsistance nulle ltat passant et infinie ltat bloqu,les charges sont toutes triphases quilibres. La simulation de lensemble est faite sous SABER avec une analyse de Fourier en post traitement (FFT).Lensemble des courants absorbs par chaque charge ainsi que le courant et la tension au nudN1sontreprsentsdelaFigureI-17laFigureI-22.Ilssontcomparslanorme aronautiqueimposeauxquipementiersquiestrelativeaufondamental(ABD0100.1.8,[15]) pourleschargesmonoettriphases(TableauI-2).Quantlatension,enrgimenormal,la normeimposeuntauxdedistorsionharmoniquequinedoitpasdpasser10%etuntaux individuel (TI) limit 8% quelle que soit la frquence. Longueur (m) R (m/m)X (m/m) Ligne 1260.722.51 Lignes 2, 3, 4 et 5100.62.51 Tableau I- 1 : Donnes des cbles tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 33 Rang HarmoniqueLimites 3 , 5 et 7 I3 = I5 = I7 = 0.02 I1 n = 9, 15, 21,., 39In = 0.1 x I1 / n 11 I11 = 0.1 x I1 13 I13 = 0.08 x I1 17 et 19 I17 = I19 = 0.04 x I1 23 et 25 I23 = I25 = 0.03 x I1 29, 31, 35 et 37 In = 0.3 x I1 / n 2 et 4 In = 0.01 x I1 / n Harmoniques pairs > 4(n = 6, 8, 10, .,40 ) In = 0.0025 x I1 Tous les autres harmoniques > 40 (jusqu 150kHz) In = 0.0025 x I1 Tableau I- 2 : Norme aronautique ABD 0100-1-8 pour les quipements triphass Les points notables sur les diffrents spectres sont les suivants : lharmonique de rang 5 gnr par le pont de diodes pollue lensemble du rseau. Son amplitude est telle que la norme nest jamais respecte. La tension de rseau, mme si elle est en dessous de la norme se trouve ainsi dforme. Ceci a un effet direct sur le courant en entre du PFC qui est limage de la tension dalimentation (principe dun redresseur absorptionsinusodaleolasinusodederfrenceestprlevesurlatensionamontau convertisseur).Autrementdit,silatensionnestpassinusodale,lecourantnelestpas nonplusetpossdelesmmesharmoniques.Ceteffetpeuttreattnusiunfiltreest placensortieducapteurdetension.Cependant,cefiltrepassebasdoittredordre lev, ce qui nest pas sans consquence sur le gain statique et le dphasage, lharmonique7estaussifortementprsentaveclesmmesrpercussionssurlecourant du PFC, les harmoniques de rangs 11 et 13 provoqus pas le TR se superposent ceux gnrs par le pont de diodes et sont parfois limites la norme, lesharmoniquescaussparlaMLI15kHzsontsignificatifsdanslecasducourant dentre du PFC et ne passent pas la norme, Il va de soit que le niveau de puissance des charges influe fortement sur ces points. Cest pourquoi,sanstredesconclusionsabsolues,lesrsultatsdecettesimulationmontrentquun soin particulier doit tre apport lanalyse harmonique des rseaux embarqus et leur filtrage.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 340 2000 4000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000051015202530IsourceNorme ABD0100Frquence (Hz)Amplitude ducourant (A)Fondamental, 400 Hz, 268A 0 2000 4000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 0000102030405060708090100110120130140150160Norme ABD0100VN1Frquence (Hz)Amplitude de la tension simple (V)Fondamental, 400 Hz, 158V Figure I- 17 : Courant de sortie de lalternateurFigure I- 18 : Tension simple au Nud N1 0 2000 4000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000051015202530IpdNorme ABD0100Frquence (Hz)Amplitude ducourant (A)Fondamental, 400 Hz, 72A 0 2000 4000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000012345IpfcNorme ABD0100Frquence (Hz)Amplitude ducourant (A)Fondamental, 400 Hz, 43A Figure I- 19 : Courant dente du pont de diodes Figure I- 20 : Courant dentre du PFC 0 2000 4000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 00002468ItrNorme ABD0100Frquence (Hz)Amplitude ducourant (A)Fondamental, 400 Hz, 75A0 2000 4000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 00002468IrABD0100Frquence (Hz)Amplitude ducourant (A)Fondamental, 400 Hz, 78A Figure I- 21 : Courant dentre du TRFigure I- 22 : Courant dentre de R tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 35Leseffetsinstantansoupluslongtermedecesperturbationsharmoniquessont aujourdhui bien connus. Les tensions harmoniques peuvent drgler les dispositifs de commande ainsiquelescommunicationsdesquipementspar courantfaible [16].Lescourants harmoniques, quant eux, crent des chauffements dans les cbles et des pertes supplmentaires lieslaugmentationdelarsistancedelmedueleffetdepeau.Danslesmachinesetles transformateurs, les effets ne sont galement gure dsirables : pertes cuivre, par hystrsis et par courants de Foucault (dans les circuits magntiques),couples pulsatoires. Face ces risques, il convient dinsrer un tage de filtrage en amont des structures dEP. Ces filtres peuvent tre passifs, actifs ou encore hybrides. Nous ne rentrerons pas davantage dans le dtail de ces organes puisquils feront lobjet du chapitre III et seront largement discuts. Lessurtensionsharmoniquessontgalementprsentesdanslesrseauxpollus.Elles sontcresparlarsonanceparalllelapulsationdunharmoniqueentre lescondensateurset lesimpdancesdeslignes.Sidesharmoniquessontprsentsautourdecettersonance,ils peuvent tre amplifis et devenir dangereux pour les condensateurs voire les autres quipements. Parexemple,danslecasdelaFigureI-23,enpetitssignaux,leschmaquivalentestune impdance parallle Lcc, C qui, la rsonance, provoque un gain important. Le produit de cette impdanceaveclespectredecourantpeutprovoquerdessurtensionssilachargepolluante possde des harmoniques fr.0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400000.20.40.60.81Impedance (ohms)Frquence (Hz)SourceLcc, impdance de court-circuitCharge polluanteC LccSchma quivalent petits signauxC Lcc 21fr =fr Figure I- 23 : Illustration de leffet de rsonance, source de surtensions harmoniques Il est possible dillustrer cet effet en reprenant le rseau de la Figure I- 16 puis en ajoutant un banc de capacits triphas quilibr au point de raccordement N1. Volontairement, la valeur descapacitsestchoisiepourcrerunersonanceautourde2800Hz(soitlerang7)avec tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 36linductancedelaligneL1.Denouveau,lespectredelatensionestdonnFigureI-24avec exactement la mme consommation en puissance des charges.0 2000 4000 6000 8000 10000 1200000.511.522.533.544.55Tension source avec CapaTension source sans CapaFrquence (Hz)Amplitude de la tension simple (V)Fondamental, 400 Hz, 158V Figure I- 24 : Tension au Nud N1 avec et sans banc de capacits Lesrsultatsmontrentquelharmoniquederang7estpassde1,9%2,5%du fondamentaletdanscecas,nerpondpluslanorme.Maisleffetintervientgalementsur lharmonique de rang 5 qui passe de 8% 10%. Ceci est d la prsence des autres impdances de lignes qui, avec le banc de capacits, gnrent dautres frquences de rsonance.En ce qui concerne la tension, mme si cela reste en dessous de la norme, le TDH passe de 6% 7 % avec individuellement le rang 5 qui passe de 4,3% 6% et le rang 7 de 1,5% 2%.Cetexempleestcertesunpeusimplistemaisilmontretoutdemmelesrisquesde rsonanceprsentsdanslesrseaux.Cesrisquessaccentuentvidemmentsiplusieursbancsde capacits sont insrs. Lesconvertisseursdlectroniquedepuissancenegnrentpasseulementdes harmoniquesdits bassesfrquences .Lescommutationsdesinterrupteurscommands provoquent des perturbations hautes frquences. Celles-ci, conduites ou rayonnes appartiennent au domaine de la compatibilit lectromagntique (CEM). Les lois de commande (gnralement modulationdelargeurdimpulsion),lesmodesdecblage,lesplacementsdescomposantssont autant de facteurs qui contribuent polluer le convertisseur ainsi que les organes avoisinants.En terme de consquence, les courants haute frquence peuvent provoquer des chutes de tension et le basculement dune porte logique par exemple.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 37Lintgration de ces contraintes dans les tapes de pr-conception des convertisseurs reste trs rcente [17]. Il y a peu, des travaux ont t mens pour modliser et optimiser une chane de conversion complte (association convertisseur, filtres, cbles et machine) dans le but de prvoir etdapporterdesaidesauconcepteur[18],carilfautnoterquelaspectlectromagntiqueest jusqu' prsent mesur en post-conception et filtr en consquence. Enfin,plusrarementconnumaisdjvoqudanslalittrature,lesharmoniquesHF peuventprovoquerdesoscillationsbassesfrquencessurlerseau[19].Lorsquedeux convertisseurs, des frquences de dcoupage lgrement diffrentes, sont connects un mme bus,ilpeutapparatdesharmoniquesdesrangsproportionnelsladiffrencedeces frquences. Par exemple si on note f1 et f2 les frquences des deux convertisseurs considrs, des harmoniques peuvent apparatre (entre autre) aux rangs multiples de f1-f2. L encore, il suffit de prendre un exemple simple pour illustrer cela.Soit deux hacheurs sries connects sur un mme bus DC tels quils sont reprsents sur laFigureI-25.Lafrquencededcoupageduhacheur1estde10kHzetcelleduhacheur2de 10,1kHz. Les puissances sont identiques (5kW). De la mme manire que pour le rseau alternatif prcdent, le logiciel utilis est SABER.SourceHacheur 1Hacheur 2VsourceISourceIH1IH2DCDCDCDCR1R1VDC1VDC2 CRLL LhCh CRLL LhCh Figure I- 25 : Exemple de deux hacheurs connects sur un mme bus DC ( gauche). Structure dun hacheur considr ( droite) LaFigureI-26montrelecourantfourniparlasourceenrgimetemporelpuisen frquentiel.Icilanotiondinter-harmoniqueapparatpuisquelespectreestcomposdune multitude de raies tous les 100Hz. Ceci est bien visible sur le trac temporel avec une oscillation 100Hz trs nette. Une fois encore, ce cas est simple mais la transposition un cas plus complexe avecplusieursconvertisseursdesfrquencesdedcoupagedistinctes,laisseimaginerunfort contenu spectral. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 380.075 0.08 0.085 0.09 0.0957071727374757677787980Temps (s)Courant (A)0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 1100000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2Frquence (Hz)Amplitude courant (A)Fondamental 0Hz, 75AMLI 10kHz, 1.3AT=1/100HzIsource(t) Isource(f) Figure I- 26 : Courant de sortie Isource de la source de tension en temporel ( gauche) puis en frquentiel ( droite) 3.3Les risques dinstabilit En rgime transitoire, les effets sont diffrents mais tout aussi pnalisants, si ce nest plus, puisquedanslextrmeonpeutperdrelastabilitcompltedurseau.Danslesrseauxde distributions,indpendammentdesmthodesquiserontdtaillesdanslechapitresuivant,il existe plusieurs classifications de stabilit relatives (cf Figure I- 27) :langle du rotor des gnrateurs, la frquence, la tension. Stabilit des rseauxStabilitdangle interneStabilit de la frquenceStabilit de la tensionPerturbations petits signauxPerturbations grands signauxCourt termeCourt termeCourt termeLong termeLong termePerturbations petits signauxPerturbations grands signaux Figure I- 27 : Classification des instabilits dans les rseaux de distribution [21] tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 39Lapremirecatgorierfrelacapacitdunsystmeinterconnectretrouverle synchronismeaprsuneperturbation.Celadpenddelquilibreentrelecouple lectromagntiqueetlecouplemcaniquepourchaquealternateur.Deuxsouscatgoriesde perturbations peuvent tre recenses : les perturbations petits signaux cres par des oscillations localises sur le rseau, les perturbations grands signaux lies des dfaillances sur le rseau (court-circuit) ou des fortes variations de charge. Les risques doscillations de la frquence sont causs par des forts dsquilibres entre les sources et les charges. Ce scnario est susceptible de se produire principalement dans les rseaux lots.Lesinstabilitsdetensionsontassociesauxchangesdefluxdepuissanceactiveet ractive qui peuvent crer des fluctuations de tension. A lextrme, celles-ci peuvent provoquer la dconnexion dune partie du rseau et un effet cascade. De la mme manire que la stabilit lie langle du rotor, les perturbations peuvent tre petits ou grands signaux. Cette distinction est faite carlesmoyensdanalyseassocissontdiffrents.Danslecasdeperturbationspetitssignaux,il estpossibledutiliserlestechniquesdessystmeslinaires.Enrevanche,laspectnonlinaire provoqupardegrandesvariationsrequiertdestechniquesdiffrentes[20].Lensembledes classifications, des causes et des critres de stabilit sont trs dtaills dans [21]. Encequiconcernelesrseauxembarqus,lesmthodesdanalyseetlescauses dinstabilit diffrent quelque peu. Face une source faible puissance de court-circuit et de fait du grand nombre de convertisseurs, des instabilits lies des interactions filtres/convertisseurs et convertisseurs/convertisseurs apparaissent. Ltat de lart dans ce domaine montre une analyse decesinteractionspluttdanslesrseauxcontinus.Mais,encoreunefois,lapprochereste valable dans le cas de rseaux alternatifs.Lesnouvelleschargeslectriquesont,nonseulementlinconvnientdtrenonlinaires, maisdeplus,ellessont puissanceconstante .Parexemple,lorsquunsystmeestrgulen tensionetsilachargeenavalestconstante,larelationtension/courantenentredu convertisseurestcaractriseparunehyperbole.Enpetitssignaux,larsistancequivalentequi enrsulteestngativepuisqueunediminutiondelatensiondentrecorrespondune augmentation du courant. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 40Parexemple,pourlehacheursriesurchargersistiveconstanteR,prcdemment prsentFigureI-25,ilestpossibledemontrerquenbassefrquencelimpdancedentredu convertisseur est gale R Zin =avec DCsourceVV= [22]. Lorsque celui-ci est associ un filtre dentre (LC, dans le cas du hacheur), le systme oscille si C RLZLin =et peut devenir instable siZinestinfrieurecettevaleur.Maislaconclusionnestpasaussividentepuisquhaute frquence,linductanceduhacheurLhprdominedevantlarsistanceetlimpdancedentre devient h inL Z = .Ainsi,lalimitedestabilitchange.Derrirecelasecachelebesoinde prendreencomptelimpdancecompltesurtoutelagammedefrquencesdechaque constituant du systme et den assurer leur adaptation.Cette notion nest pas nouvelle puisquen 1976, Middlebrook a publi cette analyse pour, terme,dfiniruncritreponyme[22].Sansrentrerdansledtaildecettemthodologie,car nousleferonsamplementdanslechapitresuivant,lecritreconsisteadapterlesimpdances dentre/sortie des lments dun systme. Cependant,toujoursdansunsouciillustratif,reprenonslecasdedeuxhacheurs connectsunmmebuscommesurlaFigureI-25.CettefoislesfrquencesdeMLIsont identiques ainsi que tous les composants des deuxhacheurs. Lapplication de ce qui vient dtre ditsurlimpdancedufiltredentreestmontresurlaFigureI-28.Danslecasstable, linductance dentre L est de 200H et dans le cas instable nous avons chang cette valeur sur un seul hacheur 1000H, tous les autres composants restant identiques. Danslecasolinductanceestde1000H,latensiondesortieduhacheuroscille significativement avec une lente divergence. Ces effets se rpercutent sur le courant dlivr par la source qui entre galement en oscillation. 0 0.005 0.01 0.015-200-150-100-50050100150200250Temps (s)Courant (A)cas instablecas stable0 0.005 0.01 0.0150510152025303540Temps (s)Tension (V)cas instablecas stableTemps (s) Temps (s)Tension (V)Courant (A) Figure I- 28 : Tension de sortie dun hacheur et courant fournit par la source dans le cas de deux hacheurs connects un mme bus. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 41Enrsum,ltudedestabilitestuncasparticulierdeltudedynamiquedunsystme. Au mme titre que les normes harmoniques, il existe des normes avec des gabarits de tension respecter.Parexemple,enrgimedynamique,encequiconcernelatension115V-400Hzdun rseau davion, en amplitude, celle-ci doit rpondre aux limites imposes par la norme ABD0100 (FigureI-29).Or,laprolifrationdeconvertisseurscommands(ounon)accentue significativementlerisquededpassementdecesgabarits.Celaseradtaillparlasuitedansle chapitre sur ltude dynamique. VOLTAGE RANGE IN STEADY TIME SECONDSVOLTS RMS 2001801601401201008060402000,01 0,11 101234VOLTAGE RANGE IN STEADY STATE Figure I- 29 : Norme avionique relative la tension du bus alternatif. 1et 4pour des conditions anormales de vol et 2 et 3 pour des conditions normales. 4Ce quil faut retenir Aprs ce rapide survol des causes et consquences de lvolution des rseaux embarqus au cours de ces 50 dernires annes, voici en quelques lignes ce quil est important de retenir.Llectricitdevientlevecteurnergtiqueleplusutilisetlemieuxadaptpourdes utilisationsmobiles.Cependant,lesproblmeslislaconversiondecettenergierestaient jusqu peu le verrou de son vritable essor. La clef est venue de llectronique de puissance qui a suaucoursdesvingtderniresannesmontrersafiabilitetsamodularitpourserpandre touslesniveaux.Exitdonclestransmissionspneumatiques,mcaniquesethydrauliquesquine font plus le poids devant la souplesse offerte par llectrique.Mais,toutervolutionsaccompagnedesonlotdinconvnientsetcesconvertisseurs statiquescrentquelquesperturbationsnotables.Dunpointdevuestatique,lesharmoniques quils gnrent viennent amputer le rendement global de linstallation tout en diminuant la dure de vie de certains composants. Le respect des normes impose lutilisation de filtres adapts.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre I : De la voiture lavion en passant par le navire vers une migration au tout lectrique 42Or,engrandequantit,cesorganesdefiltragedoiventtreconusdemanireoptimalepour rduire leur impact, tant sur le rendement que sur la masse et lencombrement.Endynamique,lapparitiondenouveauxmodeslisauxcommandesdesconvertisseurs dlectronique de puissance cre des interactions et des effets dstabilisants. Il est donc ncessaire de dtecter et dimposer ces modes des marges respecter afin de ne passubir une instabilit potentielle et dangereuse.Limpactdelaprolifrationdeconvertisseursneconcernepasseulementlaqualitdu rseau.Dautresaspectstelsquelencombrement,lamasseetle cotsontautantde contraintes quil convient de prendre en considration Pourcesraisons,lingnieur(concepteur)doitutiliserdenouvellesmthodesetde nouveauxoutilspourlanalyseetlaconception.Ilsdoiventtresimpleetgnriquespourtre utiliss par nimporte quel concepteur de nouveaux systmes. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 43 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 44tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 45 1Introduction En thorie, concevoir avec mthodologie relve du plonasme. Encore faut-il trouver les mthodologies adaptes aux besoins du concepteur. Car, si par le pass, la conception de rseaux embarqusadjfaitlobjetdenombreusesrflexions,etapermislacquisitiondemthodes, concevoirunrseauoptimalavecdesnouveauxcomposantstelsquenousvenonsdelesvoir danslechapitreprcdent,amnelempirismeseslimites.Autrementdit,partirdunefeuille blanche aujourdhui ne requiert pas les mmes mthodes que par le pass. Mme si aujourdhui, de puissants outils de simulation temporelle viennent aider le concepteur, ceux-ci interviennent dans un second temps lors de la validation dune solution retenue. Undesenjeuxfondamentauxdelaconceptiondessystmesembarqusestlintgration dellectroniquedepuissance.Parexemple,dansledimensionnementdunrseauindustriel,la seulepriseencomptedelapuissancencessaireaufondamentalparlebiaisdecalculde rpartition de charges ne peut savrer juste si les pertes engendres par les harmoniques ne sont pasquantifiesaupralable[23].Delammemanire,ltudedestabilittellequelleestfaite danslesrseaux,parlebiaisdanalysesmodales,entenantcompteuniquementdesmodes associsauxgnrateursavecuneagrgationenpuissancedescharges,nepeut,danslecasdes rseauxembarqus,treviable[24].Linsertiondenombreuxmodessupplmentaires,lisaux composants actifs et passifs des convertisseurs, engendre des interactions et des oscillations quil convient de prendre en considration.Ainsi, il se dgage dans la prise en compte des effets quantifier, deux domaines danalyse que sont les rgimes statique et dynamique. Cestpourquoidanscechapitre,lesmthodesdanalyseddieslaconceptiondes rseauxembarqusserontprsentes.Ellessontsoitissuesdelingnieriedurseau,soitde llectroniquedepuissance,etparfoisdesdeux.Avantagesetinconvnientsserontmisenexergue pourdbouchersuruntableaudesynthseregroupantnonseulementlesmthodesmais galementlesmodlesetlesoutilslesmieuxadapts.Malgrlaspect tatdelart quepeut donnercerecensement,lasynthseproposeseveutunepremirevisionensemblistepourla conception des rseaux embarqus et une relle rflexion. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 46Aupralable,unebrvedescriptiondunprocessusdeconceptionausenslarge,puis applique aux rseaux sera dcrite afin de mieux cibler les enjeux dune telle vision. 2Processus de conception des rseaux Lintgration de systmes est un problme complexe qui a conduit dfinir des processus normaliss. Ces processus se dcomposent en activits associes des phases du cycle de vie du systme produit. De manire concise, ces phases se dcrivent de la manire suivante [25] : la phase dtude pralable se concrtise par llaboration du cahier des charges aprs destudesdopportunitetdefaisabilit.Lesbesoins,objectifs,voireles contraintes, sont spcifis tout en laissant le choix des techniques de conception, laphasededveloppementinitialdusystmedoittreenconformitaveclecahier descharges.Ellesediviseenunepremirephasededfinitiondusystme comportant les tapes de spcification et de conception puis dune seconde phase deralisationcomportantlaralisationdesconstituants,leurintgrationetleur validation, laphasedinstallationestlintgrationdusystmedanssonenvironnementavec souvent la prise en compte de nouveaux problmes.La phase dopration assure la continuit de service et de fonctionnement incluant la maintenance, laphasederetraitentreprendlventuelrecyclageourutilisationdusystmeou plus directement sa destruction. Lestravauxmensdanscettethsesintgrentdanslaphasededveloppementinitial appele aussi cycle de dveloppement. Ce cycle, dit en V, est dcrit Figure II- 1. Il part du cahier des charges dj tabli pour aboutir la validation finale et au systme prt lutilisation.Sans persister outre mesure dans la thorie de lintgration de systmes, il est noter que ladmarche : spcification,conceptionarchitecturale,conceptiondtaille,ralisation,test, intgration puis validation est une dmarche commune bien des gnies (lectrique, mcanique, informatique, etc.). tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 47Ingnierie du systmeIngnierie dun sous-systme (lectrique par exemple)Gnie lectrique Autres gniesSpcificationSpcificationConceptionConceptionValidationIntgrationValidationIntgrationSpcConc. archiConcdetail.Ralisation convert.TestValidIntgCahier des chargesSystme prt tre utilis Figure II- 1 : Reprsentation symbolique en V du cycle de dveloppement [25]. LapplicationducyclededveloppementenVauxrseauxembarqustellequelleest dcriteFigureII-2estdirectementissuedesrflexionspartiellemententreprisesdans[1]et concerne la partie encadre en pointill du cycle en V.Llaborationducahierdeschargesncessitedeconnatrelesbesoins.Recenser, dnombrer, mesurer, intgrer lenvironnement, sont autant dactions quil faut entreprendre. Une fois ces paramtres tablis, la rdaction du cahier doit spcifier les objectifs atteindre (niveau de tension, frquence, rendement, cot, masse, etc.) avec les contraintes et limites associes.Vientalorsltapedeconceptionfonctionnelle.Danslecasdunrseaulectrique,ilest possible de lister (de manire non exhaustive) les fonctions suivantes : alimentation, conversion, transmission, stockage, filtrage, protections, contrle commande, transmission dinformation. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 48Acelles-cisajoutentdessous-fonctionstellesquelesinterrupteurs,leslimitationsou encore les mesures. A ce niveau, il est dlicat didentifier en dtail le comportement temporel ou frquentieldetouslesorganesetdassocierdesfonctions.Atitredexemple,leseffetsparasites dun convertisseur ne peuvent se rsumer une fonction simple. Dans ce cas, la dcomposition fonctionnelle ne peut tre que grossire. Cahier des chargesConception fonctionnelleConception technologiqueVrificationSolutionAnalyse des checsAnalyse des checs Figure II- 2 : Processus de conception dun rseau lectrique Dslors,ilfautmettredesmatrielsenfacedesfonctionsprcdemmentdcrites,cest ltapedeconceptiontechnologique.Parexemple,lafonctiondefiltrageactifonvaassocier une structure dlectronique de puissance avec ses lois de commande, elles-mmes constitues de capteursetdecorrecteurs.Aummetitre,lafonctiondestockagepeuttreralisepardes batteriesassociesunrgulateur.Deplus,danscettetapeduprocessus,ilfauttenircompte descontraintesdeserviceettechnologiques.Dans lecasdufiltrage,ilfautgarantirlalimitation harmonique impose tout en respectant, par exemple, une taille maximale ou les contraintes sur les semiconducteurs. Pour le stockage, il faut pouvoir fournir la puissance ncessaire aux charges vitalespendantuncertaintempsettenircomptedelamasseleve,souventpnalisante,des batteries.Dernire tape du processus, la vrification. Celle-ci peut seffectuer en deux temps avec dun ct la simulation exacte dun organe seul ou dans son environnement, puis de lautre, la ralisation dun prototype. Lchec de ces validations peut amener le concepteur revenir soit une autre technologie ou une autre structure, soit au pire, remonter ltape de conception.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 49Pourfinirsurlesexemplescits,encasdchec,lefiltreactifpeuttremodifiparuneautre structure voire un mlange entre filtrage actif et passif ou, au pire, revenir larchitecture mme durseaupourdiminuerlapollutionharmonique.Pourlestockage,toujoursencasdchec, dautres technologies de batterie peuvent tre testes. Il est aussi possible de revoir la manire de stockerlnergieetenvisagerunvolantdinertie,dessupercapacitsoudautresmoyensde stockage. 3Quelles mthodes danalyse pour quels domaines dtude ? Souslesgrandsconceptsquiviennentdtreabords,ilfautdsormaisparlerdes mthodesdanalysequisecachentderrirelesmotsdeconceptionfonctionnelleetdeconception technologique(ouorganique).Ilexistecertes,depuislongtempsdanslesrseauxetllectroniquede puissancedesmthodesadaptespouranalyseretconcevoirmaislaruniondesdeuxdomaines amneregroupercesmthodes,voirelesmodifier.Lalistedesmthodesdanalyseest prcisment lobjet des lignes qui suivent avec un dcoupage selon deux domaines dtude :le domaine statique, le domaine dynamique. Laspect modlisation, indissociable de la mthode choisie, est galement prsent. Dans lidal, les modles doivent tre prcis, rapides, gnriques. Cependant, les faits attestent que cet idal fait souvent lobjet de compromis. 3.1Quelques mots sur la simulation temporelle Avanttoutpropos,il convientdeprcisercequelonentendparsimulationtemporelle, car le terme reste vague et peut susciter des confusions. Grce aux bibliothques de composants, dsormaistrsrichesdansleslogicielstelsqueSABER,PSPICE,SimPowerSystemsde Matlab,ilestdsormaispossibledecrerunrseaulectriquedebordcomplet.Gnrateurs, lignes,convertisseurs,rgulationssontdescomposantsdisponiblesdirectementoubien programmablesaveclelangageadaptaulogiciel.CestparexemplelecasdeSABERqui possdesonlangagepropre(leMAST)etpermetdecoderunsystmemulti-physiquebase dquations diffrentielles.Dans ce contexte, on est en droit de se poser la question relative lintrt dutiliser des mthodesdanalysespcifiqueslaconceptionalorsquilsuffitdesimuler !Mais,sicrerle rseau avec tous ses organes est une tche assez facile, le simuler en est une autretel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 50Eneffet,mmesilesordinateursdeviennentdeplusenpluspuissants,lestempsdecalcul peuvent tre dmesurment longs sans compter sur les risques de divergence rcurrents lis aux algorithmes utiliss.Unautreverroulutilisationexclusivedelasimulationtemporelleestltudede sensibilit. Dans une dmarche de conception, il est souhaitable de trouver les lments sensibles ouoptimisables.Or,avecunesimulationtemporellecomposedenombreuxparamtres,on conoit aisment quil est difficile de faire une telle tude. De plus, on retombe invitablement sur des problmes de divergences. Pourtant de telles mthodes existent. Cest le cas, par exemple, de lanalyse statistique de Monte Carlo. La mthode consiste faire des variations sur les paramtres prisalatoirementetpourchaquevariation,ilfautre-simulerlarchitecture.Danslecasdun rseau de bord, cette approche reste difficilement envisageable.Enfin,lorsquilestquestiondefairedestudesdynamiques(enclenchementou dclenchementdecharge,dfauts),lestempsderponsepeuventtrelongsetencoreunefois susciterdespuissancesdecalculconsquents.Atitreindicatif,lasimulationduminirseaudu chapitreIdureentre6et8minpouranalysersoncomportementsur100ms(PentiumIII, 1.8GHz). Lasimulationtemporellecommemoyendeconceptiondelensembledunrseauest doncpeuadapte.Cependant,ellenestpasexclurecarelleconstitueunepremiretape importante et fiable vers la validation finale des rsultats issus du processus de conception. Cest pourquoicettetapedesimulationserviradejugedepaixauxrsultatsdonnsparlasuite. Lultimeconfirmationviendraitbienentendudelaralisationdunbancdetestmaisiltait difficilement envisageable de concevoir un tel rseau davion au laboratoire certains sujets de thse sont parfois ingrats ! 3.2Le domaine statiqueLedomainestatiquepermet,danslecasdelaconception,desintresserauxgrandeurs lectriques en rgime tabli sur toute la gamme de frquences. Par dfinition, en statique, toutes lesgrandeurssontpriodiquesautourdunpointdquilibreetsontdcomposablesensriede Fourier. Ds lors, il est possible de sintresser au comportement du rseau au fondamental ou en prsencedharmoniques.Deux sous-domaines sontdoncdissocisavecdesmodlesetdes mthodes qui leurs sont propres.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 51Une tude par calcul de rpartition de charges avec des modles en puissance est utilise demanireexclusiveaufondamental.Leprincipedecettetudeseradcritetillustrsurun rseau de bord reprsentatif.Enrevanche,pourquantifierlesharmoniques,plusieurstypesdemodlisationexistent. Cesmodlesdpendentgnralementdudomainefrquentielanalyser(basseouhaute frquence)etdelobjectifvis,c'est--diresilemodledoittreinclusdansuneboucle doptimisationounon.Danscecas,letempspourcalculerlesharmoniquesdoittrerapide. Nous prsenterons brivement ici les modles existants avec leurs avantages et inconvnients. 3.2.1Mthode du Load flow aPrincipe et modlisationLtude statique par calcul de rpartition de charges (ou plus communment appel Load Flow) est particulirement adapte ltude statique de rseaux. Elle est mme utilise de manire exclusive.Cettemthodedanalysepermetdesaffranchirdurgimetransitoireafindedonner directement en rgime tabli : le profil de tension en chaque nud,la rpartition des courants dans le rseau, le bilan de puissance et donc le rendement global de linstallation. Pourcefaire,lesmoteurs,gnrateurs,conducteurs,transformateurs,convertisseurset autrescharges(bancsdecondensateurs,rsistances,etc)sontmodlissgrossirementen fonction de la tension ou de la frquence (au fondamental) selon la classification suivante : le modle en loi de puissance : il fournit les puissances active et ractive consommes par une charge en fonction de la tension dalimentation ; lemodleZ.I.P.(oupolynomial) :ilestcomposdelasommeduneimpdance(Z), dunesourcedecourant(I)etdunepuissance(P),toutesconstantesaveccomme paramtres de rglage leurs pondrations. le modle frquentiel : il fournit les puissances active et ractive consommes en fonction de la frquence dutilisation. Lcrituremathmatiquedecesdiffrentsmodlesestdisponibledansdenombreux ouvragesconsacrsauxrseauxetilnestpasjugutile,ici,delesrappeler[33].Ilresteen revanche, et ce quel que soit le modle utilis, le besoin didentifier les paramtres.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 52Danslesrseauxcomplexesdetyperseaudedistribution,cetteidentificationsefaitpardes tudesstatistiques.Aveclexprienceacquisedanscesrseaux,lesparamtresnpetnqontdes valeurs typiques (0.5np1.8 et 1.5nq6). Pour les rseaux embarqus, ces paramtres sont moins connus et on propose de les identifier par des simulations temporelles. Lapplication sera montre plus loin.PoureffectuerleLoadFlow,ilexisteprincipalementdeuxmthodesdersolution itratives : la mthode de Newton-Raphson (NR),la mthode de Backward and Forward Sweep (BFS). Lapremireestutilisedanslecasdegrandsrseauxmaills(plusieurscentainesde nudsetdesmilliersdelignes)etpeutaussitreapplicableunrseauembarqu.Laseconde mthodeestplussimple.Elleestprincipalementddieauxrseauxradiaux(castypiquesdes rseaux de bord actuels).Le principe du BFS repose sur le calcul itratif des courants circulant dans les lignes, du nudterminalaunudderfrence(backwardsweep),puislecalculdestensionsenchaque nud, du nud de rfrence au nud terminal (forward sweep). Lalgorithme est celui donn par laFigureII-3.Entrerdansledtaildescalculsest,encoreunefois,peuutilepuisquonles retrouve usuellement dans les livres traitant des rseaux. Initialisation des tensions nodalesCalcul des courants dans chaque nudCalcul des courants dans chaque brancheCalcul des nouvelles tensions nodales Vrification du critre de convergence sur les tensionsFinouinon Figure II- 3 : Algorithme de calcul de la mthode BFS tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 53bApplication un rseau de bordLillustration de la mthode BFS est faite sur le rseau prsent Figure II- 4. Les objectifs sont de montrer lefficacit et la rapidit du BFS mais galement les problmes poss par un fort tauxdinsertiondechargesnon-linaires.Pourcefaire,lesrsultatssontcomparsune simulation topologique exacte du rseau. Les charges prsentes sont : 1 transformateur-redresseur dodcaphas de 40kW, 4 ponts de diodes triphass sur capacit en tte, de 10 kW chacun, 2 redresseurs triphass absorption sinusodale (PFC) de 5kW chacun, 1 charge rsistive triphase quilibre. 115V, 400HzSource 115V-400HzACDCRTR, 40kWACDCRACDCACDCACDCACDCRRRRRcPonts de diodes, 4*10kWPFC, 2*5kWRsistance 40kWACDCRLigne 1Ligne 2 Ligne 3Ligne 4Ligne 5Ligne 6Ligne 7Ligne 8Ligne 9N2N4N7N9N10N5N8N1N3N6 Figure II- 4 : Exemple dun rseau radial de type rseau de bord Les modles des charges utiliss pour lapplication du Load Flow sont en loi de puissance (Eq II. 1). Pour identifier les coefficients, chaque charge a t simule seule et indpendamment desautreslmentsdurseau.Unecampagnedesimulationsatmenepourobtenirsur chaque charge les courbes Q=f(V) et P=f(V). Connaissant les grandeurs nominales (indices par un 0), linterpolation de ces points donne une valeur approxime des coefficients np et nq . np00VVP ) V ( P||.|

\| =et nq00VVQ ) V ( Q||.|

\| =Eq II. 1avec V0=115V. tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 5495 100 105 110 115 1207000800090001.1041.1.104P(V) avec np=1.8Points issus de simulationsTension (en V)Puissance (en W)95 100 105 110 115 12012001400160018002000Q(V) avec nq=1.8Points issus de simulationsTension (en V)Puissance ractive (en Var)Figure II- 5 : Illustration de linterpolation des points de mesure pour obtenir les coefficients np et nq. Cas dun pont de diodes Lensemble des donnes est list dans le Tableau II- 1. En ce qui concerne les lignes, les valeursliniquesonttenpartiefourniesparlespartenairesduPOA.Leslongueurs,quant elles,onttchoisiesarbitrairementavecunecertainecohrenceenverslalocalisationdes charges au sein dun avion (cf Tableau II- 2). P0 (W)Q0 (Var)npnq Pont diodes10 00018001.81.8 TR40 00039002.12 PFC5000000 R40 000020 Tableau II- 1 : Consommation individuelle des charges prsentesLongueur (m) R (m/m)X (m/m) Ligne 1260.722.51 Lignes 2, 3, 7 et 9100.62.51 Lignes 4, 5, 6 et 820.62.51 Tableau II- 2 : Paramtres des lignes LestensionsnodalesetlescourantsdelignesontreprsentssurlaFigureII-6etla FigureII-7.Surchaquetracsontsuperposslesrsultatsdonnsparleloadflowpuisparla simulation temporelle o sont uniquement conserves les grandeurs au fondamental.Atitredecomparaison,surunaspectpurementinformatique,leloadflowseffectueen moins dune seconde en 6 itrations avec un critre de convergence sur la tension de 1.10-3V. La simulationtemporellequantelle,ncessite12minenvironetgnredesfichiersdeplusieurs dizaines de mgaoctets.tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 55Il faut bien voir que nous cherchons ici comparer deux mthodes et non discuter sur lesconsquencesdelarchitecturedurseauchoisie.Lesdonnesimprcisessurlesniveauxde puissance,lesparamtresliniquesetleslongueursnepermettentpaseneffet,dmettredes conclusions tranches. Encequiconcernelestensions,ladiffrenceentreleloadflowetlasimulation temporelleestdelordrede4%etlesvariationssontlesmmes.Cetcartpeuttreimputable aux coefficients np et nq qui restent issus dune interpolation et au choix des puissances de base imprcis.Danscesconditions,lescourantssontsensiblementdiffrentsetnentranentpasles mmes chutes de tension. Toutefois, une erreur de 4% reste trs acceptable. NudsTension en p.u1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.90.910.920.930.940.950.960.970.980.991Load FlowSABER fondamentalLignesCourant de ligne (A)1 2 3 4 5 6 7 8 9050100150200250300350400Load FlowSABER fondamental Figure II- 6 : Tensions nodales 1 p.u (base 115V). Figure II- 7 : Courants de ligneEn terme de bilan de puissance, il est possible de comparer le facteur de puissance FP issu de la simulation temporelle et le 1 cosissu du LF tels quils sont dfinis par Eq II. 2 et Eq II. 3.[ ]952 . 0I V 3I arg V arg cos I V 3SPFPeff eff1 nn n n n= = == Eq II. 299 . 01S1P1cos = = Eq II. 3Lcartentrelesdeuxest dlapuissancedformantegnreparlesharmoniques.Le rendement global du rseau peut galement tre calcul dans les deux cas avec : 1 Ne arg chPP= Eq II. 4tel-00164837, version 2 - 17 Sep 2007 Chapitre II : Modles, mthodes et outils pour lanalyse et la conception des rseaux embarqus vers une conception ensembliste 56Avec la simulation exacte, le rendement est de 92.6% et de 93.6% avec le load flow. Ces rsultats sont trs proches et la diffrence ne fait intervenir que les pertes harmoniques . Enconclusion,lutilisationduloadflowdonneuneideprcisesurlestensionsetles courants du rseau. Les modles en loi de puissance issus de simulations temporelles individuelles permettent de donner aux paramtres np et nq des valeurs trs reprsentatives du comportement dunconvertisseurconnectunrseau.Celapermetdavoirgalementunbilandepuissance proche de la simulation topologique. La mthode est rapide, fiable et simple mettre en uvre. Cependant,ilfautnoterquelespertesdissipesdanslalternateuretlestransformateursne peuventtrequantifiesfacilementavecunloadflow.Pourcelailfaudrautiliserunmodle tenant compte des effets frquentiels tel quil existe dans [26]. 3.2.2Modlisation harmonique Contrairementaucalculderpartitiondecharge,ilnexistepasdemthodeclassique pour lanalyse des harmoniques. Dans ce genre dtudes, il faut pouvoir estimer quantitativement les spectres des courants et des tensions gnrs par les organes pollueurs . Modliser finement lecomportementfrquentieldunconvertisseurafait,etfaitencore,lobjetdetravauxde recherche part entire. Cest pourquoi, il na pas t possible de faire une comparaison illustre entre tous les modles existants. On ne fera ici quun rapide tour dhorizon de ltat de lart.Deux approches existent pour ltude des harmoniques : l