Le démonstrateur du concept de navire électrique (ESTD)

Ou comment deux administrations navales ont procédé pour maitriser les risques du concept du navire de guerre tout électrique ? 01/09/2017
Publication REE REE 2006-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-3:19737
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Le démonstrateur du concept de navire électrique (ESTD)

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Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE.CONCEPTETAPPLICATIONS NAVIRES Le démonstrateur du concept m de navire électrique (ESTD) ou comment deux administrations navales ont procédé pour maitriser les risques du concept du navire de guerre tout électrique ? Mots clés Naviretoutélectrique, Maîtrisedurisque, Intégration, Maturité, Modélisation Philippe CAUNEAU DGA Introduction Au début de l'année 1999, les organismes en charge de l'acquisition des matériels de guerre des ministères de la défensefrançais et britannique, respectivement la Délé- gation Générale pour l'Armement (DGA) et la Defence Procurement Agency (DPA), ont approuvé le financement conjoint d'un programme de démonstrateur de navire électrique. Mi-2000 un arrangement technique pour un accord de coopération anglais/français en matière de recherches et de technologies de défense a été signé. Fin 2000, le contrat de réalisation a été confié à Alstom Power Conversion Ltd pour la conception, la construction et la mise en oeuvrede l'ESTD, ainsi que l'analyse et la présentation des résultats des essais. Le démonstrateurESTD a maintenant achevéson pro- gramme contractuel d'essais, et la quantité substantielle des données importantes obtenues a permis aux deux ministères de la Défensed'évaluer la maturité techniquedu concept de navire tout électrique (NTE) et de ses princi- paux composants. Cetteévaluationconclut à la possibilité d'appliquer des solutions NTE innovantesavecun niveau de risque accep- table pour les futurs programmes de navires de guerre. 2. Pourquoi un navire tout électrique ? Les systèmesdepropulsion utilisésjusqu'à présent sont pleinement capablesde répondreaux besoinsde puissance nécessairespour la future générationdesnaviresde guerre. Cependant, il est certain que le concept NTE est capable de la même fonctionnalité avec un meilleur ren- dement et une meilleure efficacité présentant ainsi des avantagestels qu'un coût total de possessionréduit, une utilisation plus souple et plus simple, une redondance améliorée, une disponibilité augmentée et une plus grande liberté pour l'aménagement du navire. De tels avantagessont obtenusà partir des principaux atouts suivants : . Les arbres des hélices sont directement entraînées par lesmoteursélectriques,cequi autorisedeschaînes cinematiques plus courtes et supprime la nécessité de réducteurs de vitesses, obtenant ainsi un fonc- tionnement plus silencieux, un entretien réduit et une disponibilité accrue ; . la possibilité d'inverser le sens de la poussée des hélices par inversion du sensde rotation desphases alimentant le moteur électrique,ce qui permet de se ESSENTIEL Cetarticleprésenteleprogrammedudémonstrateuràterredela technologiedu naviretout électrique(enanglaisESTD: Electric ShoreTechno ! ogy Demonstraîor)dupointdevuedesoninvestis- seurfrançais.Il passeenrevuelesmotivationsquiontconduitla Franceàco-financerceprojetavecleRoyaume-Uni,dansl'optique du conceptdu naviretout électriqueet expose,les résultats apportésparl'ESTD. SYNOPSIS Thispaperreviewsthe Electric Ship Technology Demonstratorpro- grammefromthe perspectiveof its Frenchandcustomer.It revi- sits themotiveswhichled themto jointlyfundthe project,set againstthe backgroundof the Ail ElectricShipconcept,andexa- minesthedegreeto whichthesehavebeenjustifiedbytheESTD results. REE NI 1c Mars2006 Le démonstrateur du concept de navire électrique (ESTD) dispenserdessystèmesmécaniques(coupleurinverseur oumachinedédiée)et d'hélicesà palesorientables ; . Les générateurs peuvent être éloignés des lignes d'arbres, ce qui constitue un élément majeur dans l'optimisation de l'aménagement des composants ; . Le nombre de générateursprincipaux, leur dimen- sionnement et leur période de fonctionnement sont réduits du fait d'une mutualisation de la génération de puissance, au profit de la propulsion et des besoinsdu bord. Cela réduit notablementle coût total de possession,du fait que la possibilité d'utiliser un seulgénérateurà un régime de faible consommation spécifique (au lieu deplusieurs générateursfonction- nant à charge réduite) implique une consommation du combustible réduite, une maintenance moins importante etc... . Le réseau électrique est fiabilisé, capable d'un degréd'automatisation élevé et d'une possibilité de reconfiguration aprèsavarie ; . L'électrification étendue des auxiliaires peut être développée, en remplacement de réseaux hydrauli- ques et d'air comprimé, ce qui contribue à la sim- plification du fonctionnement. 3. Les besoins spécifiques du navire militaire Les aspectssignificatifs du concept NTE ont été appli- qués avec succèsaux navires de commerce, et il existe à l'heure actuelle des navires militaires conçus et construits conformémentaux normesciviles et intégrant déjà lesprin- cipesduNTE. Cependant,ceux-ci restentàmettreenoeuvre sur des navires militaires de lerrang tels que des frégates. L'adaptation du concept NTE à des cas concrets de bâti- ments de guerre n'est pas si aiséequ'il peut le sembler à première vue, du fait que ces navires ont des contraintes particulières à prendreen compte. Parmi cesexigences,la principale est que cesbâtiments ont généralementun besoind'une puissanceinstalléeimpor- tante dans un volume limité ; de plus et paradoxalement, cettepuissanceélevéen'est souventutilisée quependantun temps marginal alors que le bâtiment est souventexploité à moyenneet faible vitesses,d'où une adaptationparticulière del'appareil propulsif qui doit êtrecapabledefonctionnerde la plus faible à la plus forte chargesansrestriction de durée et en maintenantsesperformanceset son rendement. Les autresexigences sont dues à l'utilisation militaire du navire c'est-à-dire : . La qualité de la tension et la disponibilité de la production de puissance destinée aux systèmes essentielstels que les systèmesd'armes ; . La tenue aux chocs ; . Les signatures acoustique et électromagnétique ; . Et la capacité de reconfiguration et de fonctionne- ment en mode dégradé consécutivement à la perte de circuits ou d'équipements endommagésetc. Des études ont démontré que le concept NTE était capable de mieux répondre à ces exigencesque les solu- tions usuelles. Cette analyse a motivé la décision de pro- mouvoir l'ESTD dans un contexte de navire de guerre d'une part pour évaluer la viabilité du concept NTE et les limites d'un tel concept, et d'autre pour part pour définir une architecture dont les risques sont suffisamment maî- trisés pour qu'elle soit envisagéepar les constructeursdes futurs navires de guerre. 4. Pourquoi un démonstrateur de navire de guerre électrique ? Les principales difficultés identifiées devant être prises en compte et traitées pour l'application du conceptNTE à un navire de guerrepeuvent êtrerésuméescomme suit : . La disponibilité de moteurs électriques de propul- sion possédant des caractéristiques de puissance volumique, de discrétion acoustiqueet de tenue aux chocs,tout en étantcompatibles aveclescaractéristi- quesliant la vitesse de rotation au couple requis ; . La disponibilité de groupes électrogénérateurs possédant des caractéristiques de faible signature acoustique et de tenue aux chocs compatibles avec la puissance requise, de puissancevolumique et de bons rendements sur une large plage de puissance pour pouvoir fonctionner aussi bien à quai qu'à pleine charge et ainsi limiter leur nombre à bord ; . La capacité d'intégrer les équipements individuels dans un réseau qui soit résistant, sûr, compact et aisément reconfigurable ; . La sûreté de fonctionnement des réseaux à haute tension dans des configurations dégradées ; . La stabilité du réseau à toutes les allures et durant les transitoires les plus sévères ; . La qualité de la tension du réseau ; . La possibilité d'évoluer pour électrifier le plus d'équipements possible à bord et ainsi bénéficier des atouts du concept ; . La possibilité d'intégrer ultérieurement de futurs systèmesd'armes électriques à bord du navire. REE No 3 Mars2006 Dossier ) LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE.CONCEPTET APPLICATIONS NAVIRES Le but du démonstrateurétait d'investiguer cespoints et de montrer qu'à la fois les technologies prises indivi- duellement et l'architecture du réseau avaient atteint un niveau de développement suffisant pour justifier de leur choix lors de la conception d'un navire de guerre tout électrique. Les principaux équipements devant être analysésétaient les moteurs de propulsion, les machines thermiques et groupesdeproduction d'énergie électrique, les réseauxde distribution et le stockage de l'énergie. 5. Panorama des composants essentiels du NTE Moteurs de propulsion et convertisseur de contrôle Les moteurs de propulsion peuvent être classésdans les principales catégories suivantes : . Les moteursconventionnels à induction ou synchro- nes,tels que ceux intégrésdansdessystèmespropul- sifs électriquesdenaviresde commerce.Cesconcep- tions sontbien maîtriséesetprésententpeuderisques, toutefois elles sont insuffisamment performantes en termesde puissancevolumique et massique; . Le système d'Alstom Advanced Industion Motor (AIM) est la solution disponible la plus avancée pour les systèmes propulsifs de navire de guerre électrique. C'est un moteur à induction polyphasé dérivé desmoteurs à induction industriels ; . Les moteurs à aimants permanents (PM) qui utili- sent des aimants pour magnétiser le rotor sans nécessiter d'enroulements tournants. Cela permet d'avoir un moteur plus compact avec un meilleur rendement et un meilleur facteur de puissance mais cette conception, si elle n'est pas nouvelle, reste quand même relativement peu explorée pour les niveaux de puissancerequis ; . Les moteurs supraconducteursqui utilisent les pro- priétés de certains matériaux dont la résistivité est nulle à très bassetempérature. Cesmachines offrent potentiellement de grandesaméliorations en termes depoids, d'encombrement, de coût et de rendement comparativement aux machines conventionnelles mais nécessitent des installations dédiées de production de froid. Elles sont encore en phase préliminaire de développement. De la même manière, il existe plusieurs options pour les convertisseurs de contrôle, les solutions actuelles tel- les que synchro et cyclo-convertisseurs sont bien maîtri- sées et en usage à bord des navires de commerce. Elles sont cependantjugées incapables de satisfaire aux exigences propres aux applications militaires (discrétion acoustique). Le moteur AIM de 20 MW à quinze phasesd'Alstom utilise un convertisseur Alstom de type VDM 25000 à 15 phasesqui secompose de 3 convertisseursPWM alimen- tant chacun 5 phasesdu moteur AIM. De tels convertisseurs sont dérivés de conception civile et ont été développés en tirant partie des progrès des technologies de l'électronique de puissance pour en augmenter la puissance volumique ; cependant, ils demeurent encore très encombrants.A terme, cesconver- tisseurs devraient bénéficier des progrès récents obtenus à la fois pour les composantsdepuissanceet pour les stra- tégies de commande des onduleurs MLI. Les principaux générateursélectriques . Moteurs Diesel : c'est une technologie bien établie avec un grand nombre de fournisseurs sur le mar- ché, ce qui tire les coûts vers le bas. Les moteurs rapides (dont la vitesse maximale est supérieure à 1000tr/min) du fait de leur hautepuissancevolumi- que sont les mieux adaptésaux navires de guerre. Le coût total de possession, la charge de mainte- nanceà bord et les futures normes d'environnement sont des facteurs à considérer lorsqu'il s'agit de sélectionner ces moteurs. . Turbines à gaz pour usagenaval : elles sont parfai- tes pour obtenir une puissanceélevéedansun faible encombrement mais souffrent d'un mauvais rende- ment à moyenne et faible chargeset sont aussirela- tivement onéreuses, bien qu'elles n'aient pas de difficultés à satisfaire les normes environnementa- les. Le rendement peut être très amélioré en utili- sant desturbines à gaz à cycle complexe, telles que les turbines à gaz WR21 de Rolls-Royce dévelop- pant 21 MW ou le prototype TMI800 de Turbo- meca développant 1,8 MW. La première tourne à la vitesse de 3600 tr/min, elle entraîne directement l'alternateur. La seconde entraîne un alternateur délivrant du courant continu. Le rendement d'un fonctionnement sur turbines à gaz peut être amé- lioré par l'usage d'un échangeurplacé dansle circuit d'échappement, cet échangeur produisant de la vapeur soit pour les besoins du bord, soit pour ali- menter une turbine à vapeur entraînant à son tour un alternateur. Cependant, ce système n'est efficace qu'aux allures régulières. Il faut rappelerici qu'un desavantagesdu conceptNTE n'est pas celui d'être un critère de sélectionde générateurs électriquesmaisplutôt celuidepermettredenombreusescom- binaisonspossiblesdesdifférentesmachinesinstalléesàbord, que ce soit des turbines à gaz ou des moteursdiesel, où le nombre de générateursen serviceest adaptépour optimiser leur chargeen fonction desbesoinsen énergieélectriquedu navire.Cetteaptitude à combiner desgénérateursélectriques REE No 3 Mars2006 Le démonstrateur du concept de navire électrique (ESTD) de dimensions et de technologies différentes (moteurs diesel et turbine du gaz) a été démontrée avec succès à l'ESTD. Réseau, distribution Les équipements de distribution d'énergie doivent satis- faire aux exigences spécifiques de l'environnement mili- taire telles que le choc et les niveaux de vibration. Jusqu'à ce jour, les navires de surface tout électriques sont des navires construits selon des normes civiles, il y a donc peu d'équipements de distribution sur étagère (COTS) appropriés à un usage militaire NTE. Des efforts de déve- loppement et de qualification sont donc nécessaires. Un réseau HT offrant à l'équipage des protections suffi- santes, le choix entre alternatif ou continu et le niveau élevé des distorsions harmoniques induites par l'utilisa- tion de nombreux convertisseurs sont quelques unes des questions à traiter. Le stockage d'énergie C'est un aspect particulier du NTE, qui intéresse au premier chef les navires militaires. Il permet aux fonctions essen- tielles d'être conservées quand la disponibilité du réseau normal est interrompue à la suite de la défaillance d'un matériel ou à un dommage de combat. De cette façon, il demeure possible de maintenir une capacité de mise en situation sûre (et éventuellement de poursuite de la lutte). Il permet également l'activation et le couplage de sources de puissance de secours pour retrouver une situation après un black-out. Le stockage d'énergie est d'autant plus indispensable lorsqu'on envisage le fonctionnement du navire avec un seul générateur en service. 6. Le Démonstrateur de la Technologie du Navire Électrique L'ESTD a déjà été présenté et exposé à de multiples reprises, dans des articles et conférences. Le présent article se contentera de signaler les points importants. Le principal objectif de l'ESTD était d'évaluer les possibilités du con- cept NTE appliqué à un navire de guerre, et en particulier de donner des informations sur les points suivants : . Performance de tous les équipements conçus à partir d'une technologie innovante, par exemple l'électro- nique de puissance, pour satisfaire aux exigences de de puissance volumique ; . Fonctionnement en mode normal, avec en particulier la stabilité du système et la validation des principes de protection ; . Exploration des modes de fonctionnement anormaux ou proches des limitations de fonctionnement des équipements, de conduite en mode local et fonction- nement avec des qualités de tension très dégradées ; .- " ., ..' " '..-....t i.' " " " - " ----' " "''''r " 4 " l' ; '' "' ,.'ii c' ;, " ,.,.' j'. <.,'t: F. 1 i T, 'f E'-',;, ; < : -..rsm - - " ! --.-.-- Figure 1. L'ensemble WR21-Allernaieur sur le site de l'ESTD. . Démonstration de la viabilité des allures obtenues avec un seul générateur en fonction, soutenu par des moyens de stockage d'énergie pour couvrir les éventuelles pertes d'alimentation ; . Développement et validation du modèle de simula- tion informatique, permettant de limiter le besoin d'essais à l'échelle 1 dans le futur ; . Etablissement des données pour le support logistique intégré (MTBF, MTBO, etc.), surtout pour les nou- velles technologies utilisées ; . Modifications à apporter pour adapter des équipe- ments civils du commerce aux besoins militaires. L'ESTD a été conçu pour simuler une ligne propulsive d'une puissance de 20 MW représentative d'une architec- ture NTE avec une diversité de taille de générateurs, une charge à quatre quadrants et un ensemble de charges représentatives des consommateurs pouvant se trouver à bord d'un navire. Générateurs : La WR21 (figure 1) était le composant principal de l'en- semble turbine-générateur tournant à 3600 tr/min et capable de délivrer une puissance de 21 MW au réseau 60 Hz sous une tension de 4160 V. Un second ensemble tur- bine-générateur Typhon capable de produire une puis- sance supplémentaire de 4 MW alimentait également ce réseau HT. Le système comprenait également un module Diesel Générateur (DG) d'une puissance de 1 MW connecté directement au réseau 440 V. Un second ensem- ble DG d'une puissance de 2 MW a été installé pour la partie des essais menés au profit du programme anglais T45, ce DG pouvant être connecté directement au réseau HT. Le système pouvait aussi être alimenté par le réseau terrestre à 50 Hz à partir d'une source d'alimentation de 12 MVA. REE IN., Mars2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES gj "'''''' "' '., ", fi Ii i :' T 1 - , " ... __ '. - - - Mf ! U!!.'.'*'--*'**'--* .oLéTM ; -". .1 e a '.':1:.,- "': ",i- :,,;:, n,?I . "L:L''i ', :_.._,-:, ;;-, u:n rÿ L'cl Figure 2. L'enseiiible AIM + A ccouplenient flexible + intilliplicateur de vitesse +frein à 4 quadrants. Réseaux : Trois réseaux électriques ont été installés à l'ESTD, un réseau HT de 4160 V composé de cinq zones, et deux réseaux BT, l'un étant en courant alternatif (440 V, 60 Hz) et l'autre en courant continu (800 V). Le réseau BT était alimenté par le réseau HT via deux convertisseurs de liai- son. 1,, :,t >,! j 1, 'l,, [- e,, Figzrre 3. La courbe Robinson de l'ESTD. Moteur de propulsion : L'installation choisie pour le moteur de propulsion était basée sur le moteur de propulsion de type AIM " Advanced Induction Motor ", capable de développer jusqu'à 1061 kNm jusqu'à 180 tr/min en avant et 80 tr/min en arrière, soit 20 MW en avant. Il comprend 15 phases et est piloté à vitesse variable par un convertisseur Alstom VDM 25000 PWM constitué de 3 armoires contrôlant chacune 5 phases. Une résistance de freinage dynamique (DBR) par voie et des filtres harmoniques destinés à réduire la THD du réseau 4,16 kV complétaient l'installation. L'AIM (figure 2) était monté sur plots résilients et relié par un accouple- ment flexible de façon à permettre des mesures de bruit et de vibrations Bancs de charge Deux bancs de charge HT étaient installées pour les modes de fonctionnement à la fréquence de 60 Hz, l'une était capable de dissiper 7,5 MVA avec un cos (P de 0,8 et l'autre 23,3 MVA avec un cos (P de 0,9. Charge 4 quadrants : Ce frein était spécifiquement conçu pour l'ESTD et pou- vait simuler l'intégralité du comportement de l'hélice d'un navire, marche avant, marche arrière, régime transi- toire, arrêt d'urgence. Le système était constitué d'un générateur-frein accouplé à l'AIM via un multiplicateur de vitesses. Le sortie du générateur-frein 4 quadrants pouvait être connectée au banc de charge de façon à dissiper le couple transmis par l'AIM. La charge 4 quadrants pouvait égale- ment être alimentée à partir du réseau via les convertis- seur ALSTOM VDM5000 PWM. Elle permettait ainsi de simuler l'effet d'entraînement d'une hélice dû à l'erre du navire. En pilotant les entrées, sorties et en ajustant l'excitation de la charge 4 quadrants dans l'un ou l'autre sens de rota- tion, il a été possible de fonctionner dans les quatre secteurs de la bien connue courbe Robinson " couple/ vitesse " (figure 3). Transformation HT/BT : La puissance était transmise du réseau HT au réseau BT via deux convertisseurs bidirectionnels d'une puissance de 1 MW constitués de modules IGBT directement réfri- gérés par eau et comportant des filtres sur les ponts d'entrées et de sorties. A la différence de transformateurs, ils permettent d'isoler complètement le réseau BT des perturbations en fréquence, tension et distorsion han-nonique du réseau HT. Réserves permanentes d'énergie : En absence du système électro-chimique à re-circulation prévu pour fournir une puissance de 1 MW pendant une durée de 10 minutes, un simulateur alimenté par le réseau terrestre et constitué d'un transformateur redresseur à ten- sion variable a été installé pour fournir une capacité iden- tique. Unité locale de production stockage d'énergie (ZPSU) : La ZPSU fournissait de la puissance aux services essen- tiels à partir de deux tronçons différents du réseau BT. Si ces deux tronçons n'étaient plus alimentés, alors elle se connectait à l'unité auxiliaire de stockage d'énergie (ZES) composée de 5 accumulateurs cinétiques d'énergie REE N 13 Mars2006 Le démonstrateur du concept de navire électrique (ESTD connectés en parallèle et capable de délivrer une puis- sance de 200 kW pendant 4 minutes. 7. Le programme des essais de l'ESTD Le programme complet d'essais a été mené à bien, avec des essais individuels sur chacun des équipements pour les réceptionner, cerner leurs performances, ajuster leurs réglages, puis des essais sur l'ensemble du système ESTD. Lorsque les fonctionnalités de l'installation ont été vérifiées, une série de scénario d'essais pré-établi a été réalisée en deux phases pour examiner le comporte- ment de l'ESTD lorsqu'il est soumis aux modes de fonc- tionnement typiques d'un navire et également aux avaries majeures. Ces essais ont aussi permis de procéder à des mesures concrètes dans les domaines de la compatibilité électromagnétique (CEM) et acoustique sur les compo- sants tels que la GTA WR2] et l'AIM. Les principaux essais étaient les suivants : Pour la phase de réception : . conduite des équipements en local et à distance . test des protections et mesure des courants de fuite à la terre . essais du moteur de propulsion AIM sur 5, 10, puis 15 phases . essais du moteur en marche arrière et à pleine puis- sance et pleine vitesse, en marche avant . fonctionnement en stabilisé à tous les régimes . test en surcharge . essais d'endurance à pleine puissance . validation des stratégies de conduite (démarrage, ce'l'rations, arre, rea accélérations, arrêts, répartition de charges, etc.), . essais pour ajuster les performances du régulateur de tension y compris son comportement lors de variation de charge réactive . essais pour ajuster les performances du régulateurs de vitesse lors de variation de charges actives . couplage des générateurs et transfert de charge . fonctionnement en parallèle et répartition de charge entre les ensembles turbines-alternateurs WR21 et Typhon Pour la phase 1 . arrêt d'urgence (crash stop) à partir de la pleine puissance sur le réseau HT . désexcitation d'un alternateur lorsque 2 alternateurs fonctionnent en parallèle . court-circuit sur le réseau bord du navire lorsqu'il est alimenté par les convertisseurs de liaison HT/BT . essai de couplage en opposition de phase de deux modules turbine-alternateur connectés au réseau . court-circuit sur le réseau HT avec la turbine- alternateur WR21 opèrant comme seul générateur . court-circuit sur le réseau HT avec tous les généra- teurs à pleine puissance et à pleine charge Pour la phase 2 : . optimisation des lois d'accélération, décélération de l'AIM . essais avec des charges non linéaires . conduite de l'installation en local sans le système de conduite centralisé . court-circuit sur le réseau BT phase à phase . essais d'environnement (à température ambiante élevée) . décharge des systèmes de stockage inertiels . charges pulsées sur le réseau HT . simulation de déjaugeage d'hélice . interactions WR21 et AIM sur le bus HT . mesure des rendements des convertisseurs HT/BT . défaut d'isolement . amélioration de la qualité de la tension . défauts de charges ZPSU (simulation de black-out secouru par groupe de secours à courant continu) 0 . Les essais du système prol2ulsif T45 : En parallèle avec le programme des essais de la phase 2, des essais spécifiques se sont déroulés au profit du pro- gramme anglais T45. Pour que l'installation soit représentative des frégates type T45, il a été rajouté un transformateur de 2 MW pour alimenter le réseau BT à partir du réseau HT (en rempla- cement des convertisseurs statiques HT/BT de l'ESTD), un filtre actif BT (sur l'ESTD la fonction filtrage du réseau BT est assurée par les convertisseurs de liaison), un diesel alternateur Wartsila 200 de 2 MW connecté au réseau HT (en remplacement de la TAG Typhoon de 4 MW de l'ESTD). Le convertisseur de l'AIM a été amé- lioré par l'utilisation d'un contrôleur PEC à la place du contrôleur SIGMA. Les essais conduits pour traiter les risques induits pour le programme T45, ont aussi fourni des informations sur les performances du NTE et complèta donc ainsi les résultats de l'ESTD, notamment quant à la comparaison entre l'usage d'un filtre passif sur le réseau HT, d'un transfor- mateur HT/BT et d'un filtre actif BT qui est la configura- tion retenue sur la frégate T45 et d'un filtre passif HT avec des convertisseurs de liaison qui est la configuration de l'ESTD. Essais de modélisation : Une des fournitures contractuelles de l'ESTD est la pro- duction et la validation d'un modèle informatique permettant de simuler une architecture NTE. Un programme complet d'essais ayant pour but de valider le modèle sur chaque composant puis sur le système dans son ensemble a été mené. Les essais de la Phase 1 ont également été reproduits à l'aide du modèle de manière à pouvoir juger de la perti- nence de la modélisation et il en a été de même pour certains essais de la phase 2, à l'initiative des donneurs d'ordre. REE No 3 Mars2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES Les essais sur l'ESTD ont donc permis de valider ce modèle et d'en comprendre les limites. 8. Le retour d'expérience de l'ESTD Les paragraphes suivants résument les faits les plus marquants pendant l'intégration et l'exploitation du démonstrateur ESTD. Ils mettent en exergue aussi bien les aspects positifs que les questions restant à traiter pour les futures plates-formes navales. Inévitablement, vu la nature du projet, des défaillances de certains matériels sont apparues pendant le déroule- ment du programme, avec des conséquences variables. Cependant, dans chacun des cas, une solution satisfaisante a été proposée par l'entreprise contractante de l'ESTD et/ou par le fournisseur du matériel. Les points positifs, avec quelque nuances, qui ont été retirés de l'ESTD sont les suivants : Convertisseur de liaison (CL) : Cet équipement s'est révélé très intéressant pour améliorer la qualité du courant du réseau BT et satisfaire les besoins des futures plates-formes navales NTE. A la différence des transformateurs, il isole totalement les réseaux BT et HT et est capable de maintenir la qualité de la tension du réseau BT même lorsque la qualité du réseau HT est considérablement dégradée. Par ailleurs il agit comme filtre harmonique lorsque des charges non linéaires sont utilisées et cette fonctionnalité peut potentiellement être améliorée si besoin est. Accessoirement, sa résistance qui lui a permis de supporter de nombreux courts circuits, et sa capacité à limiter les courants lors des défauts sur le réseau permet de grande- ment fiabiliser l'alimentation du réseau BT. Cependant, le développement de cet équipement doit être poursuivi, de façon à améliorer ses fonctionnalités, mais aussi pour en réduire le volume, le poids, le coût, et le faire tenir aux chocs. " Zonal Power Sul2l2ly : Le concept ZPSU peut aussi être considéré comme une technologie viable utilisable par les futures plates-formes pour améliorer la disponibilité et la capacité de résistance aux courts-circuits de l'alimentation électrique et fournir des sources d'alimentation locale pour les charges essen- tielles. Cette qualité est particulièrement intéressante pour le contrôle des systèmes d'armes en permettant à un navire de poursuivre la lutte sans être perturbé par un court- circuit sur l'alimentation BT de son système d'armes. Cependant, la technologie des accumulateurs cinétiques d'énergie du ZES mise en oeuvre à l'ESTD s'est finale- ment révélée peu viable pour équiper un NTE à court terme. Capacité à endurer des essais sévères sans dégâts ni limi- tations : Cette capacité a été démontrée pendant les courts-circuits entre 2 et 3 phases sur les réseaux HT et BT à pleine charge, les essais de couplage en opposition de phase, et les grands nombres de défauts, variations de charge et délestage rencontrés. La pratique de ces défauts a aussi donné confiance dans la fiabilité de la propulsion et des services bord du navire vis-à-vis de défaillances majeures ou de dommages de combat. Simulation : La plupart des éléments du modèle de simulation ont été mis au point pour donner des résultats cohérents avec les données introduites dans le modèle et ceci sur toute la plage de fonctionnement. Dans la majorité des cas, cela a donné de bons résultats, bien que cette manière de procé- der ait fait plus clairement apparaître les limitations de la capacité actuelle de modélisation. Le modèle sera d'une très grande utilité pour l'évaluation des architectures des futures conceptions de NTE et pour l'identification de tout nouveau besoin d'essais futur à grandeur réelle ainsi que pour la définition du contenu de ces essais. Facilité de conduite du NTE : Ce point a été vérifié par la capacité de faire fonctionner l'ESTD avec deux à trois équipes d'essais. Maintenance simplifiée : Cet aspect a été rendu possible par des conceptions capa- bles d'une maintenance par éléments interchangeables et d'entretien limité. Il en a résulté des temps d'interruption négligeables et seulement du fait d'entretien routinier. Elle a aussi contribué à une propreté remarquable du compartiment machine, comme cela a été constaté sur le site de l'ESTD. Cependant, le programme ESTD a mis en exergue plusieurs risques potentiels d'intégration à bord des futures plates-formes non encore résolus à ce jour. Parmi ceux-ci, il est à noter : Tension en mode commun sur le réseau BT : Contrairement à une architecture conventionnelle, le réseau BT de l'ESTD comprend un grand nombre de convertisseurs et d'interrupteurs en cascade. Tous les convertisseurs IGBT étaient indépendants et non syn- chronisés et, bien que des marges aient été prises en compte pour l'isolation par rapport à la terre lors de la conception, les essais initiaux ont montré que cette ten- sion de mode commun était plus importante que prévue. Il s'est alors agi de réduire le risque de perte d'isolement, en limitant la capacitance du système par rapport à la terre par un couplage spécifique, et en installant un filtre de mode commun et un transformateur pour isoler le module d'alimentation sauvegardée ZPSU. REE No 3 Mars2006 Le démonstrateur du concept de navire é ectriq ue (ESTD) Intégration de modules alternateurs-turbines à gaz à cycle complexe avec des modules de turbines à gaz à simple cycle ou avec des moteurs diesels lorsque les puissances développées sont différentes, et leurs effets induits sur la qualité du réseau : Il n'y a pas eu une disponibilité suffisante à l'ESTD pour développer des lois de conduite et des stratégies de répar- tition de la charge autre que celles initialement choisies, mais il est apparu qu'il y avait matière à améliorer la situation. En particulier, une stratégie de la répartition de la charge devrait être développée pour lisser la charge supportée par le plus petit générateur durant de violents transitoires. Stockage d'énergie : Bien que l'intégration de ce composant clé d'une architec- ture NTE ait été démontrée avec satisfaction à l'ESTD, les batteries d'accumulateurs traditionnelles constituent actuellement la seule forme viable de stockage d'énergie à bord d'un navire de guerre. La solution alternative d'une cellule électrochimique (sur le principe de l'oxydo- réduction) initialement prévue pour être installée sur le site n'était pas disponible à temps, ce qui induit que cette technologie nécessite un développement supplémentaire pour pourvoir être décemment proposée dans le cadre d'une application navale. La technologie des accumula- teurs cinétiques d'énergie utilisée à l'ESTD a bien fonc- tionné, mais son adaptation à un environnement naval nécessite encore, là aussi, des développements supplé- mentaires. Pendant les essais, des difficultés dans la maîtrise de l'interaction entre un moteur de propulsion complexe et des générateurs différents et de comportements non identiques durant les modes transitoires ont dû être traitées. Une attention soutenue est nécessaire pour appré- hender cette question, bien que le modèle de simulation de l'ESTD puisse aider la conception des futures architectures. Une évaluation d'autres équipements/architectures telle que réalisée à l'ESTD serait maintenant possible à un coût inférieur et avec un risque réduit. Remerciements L'auteur remercie ses collègues pour leur assistance lors de la rédaction de cet article. Les vues exprimées dans cet article sont uniquement celles de son auteur, et ne reflètent pas celles de son ministère. Glossaire 40L Charge 4 quadrants AC Courant alternatif NTE Navire tout electrique AIM Moteur à induction améliorée COTS Composants sur étagère DBR Résistance dynamique de freinage DC Courant continu DG Générateur diesel DGA Délégation générale pour l'armement DPA Agence britannique d'acquisition de Défense CEM Compatibilité électromagnétique ESTD Démonstrateuràterrede la technologiedu navireélectrique GTA Turbine à gaz-alternateur HT Haute tension IGBT Transistor bipolaire CL Convertisseur de liaison BT Basse tension MoD Ministère anglais de la Défense PM Aimant permanent PWM Modulation de largeur d'Impulsion (MLI) T45 Frégate type 45 THD Distorsion harmonique totale ZES Réserve d'énergie locale ZPSU Unité locale de stockage d'énergie 9. Conclusion Le démonstrateur du concept du navire électrique ae permis la mise en oeuvre d'une installation NTE à échelle réelle, en intégrant les toutes dernières technologies de composants dans des configurations d'architecture de réseau électrique innovantes. Le projet a été un succès, en démontrant la faisabilité du concept pour les applications de navires de guerre. La grande quantité d'informations obtenues permet une meilleure compréhension des limitations des différents équipements ainsi que de la problématique de l'intégra- tion de cette architecture. Grâce à la modélisation, validée par le programme, le niveau de maturité de la technologie est mieux perçu. L'a u t e u r PhilippeCauneauest néen 1964à Nantes(44 Il est ingénieur principaldesétudesettechniquesd'armement(CRS1997).Affecté en 1984à ladirectiondesconstructionsnavalesdindret prèsde Nantes,alorsintégréeà la DélégationGénéralepour IArmement (DGA)auministèredeladéfense,ilestenchargedesuividesfabri- cations.De 1992à 1994,il participeau montagede l'appareil propulsifduporte-avionsCharlesdeGaulle. IIestensuiteaffectéà DCNIngénieriejusqu'en2000où il est responsabledesavant- projetsd'appareils propulsifsdesbâtimentsdesurfaceet sespé- cialisedansledomainedesturbinesàgaznavalisées.Enposition demiseàdispositionhors-budgetàladirectiondesaffairesmariti- mesauministèrede l'équipement,destransportset dutourisme pendantcinqans,il estresponsabledelaréglementation relativeà lasécuritédesnavireset à lapréventiondelapollution.Deretour àlaDGAdepuis2005auseinduservicedesprogrammesnavals, il estexpertdessystèmespropulsifset delanormalisation/régle- mentationdesplateformes navales. REE Nc 3 Mars2006