Alternateurs-démarreurs pour aéronefs

13/01/2013
Auteurs : Mario Martinez
Publication 3EI 3EI 2011-64
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2011-64:3351
DOI :

Résumé

Résumé : La conversion mécanique - électrique à bord des aéronefs est en cours d’évolution depuis quelques années :
• Sa puissance augmente considérablement afin d’alimenter de nouveaux consommateurs électriques,
• La nature de la puissance délivrée diffère de celle couramment utilisée dans l’aviation, dont la tension alternative est à la fréquence fixe 400Hz,
• La conversion devient réversible pour assurer le démarrage électrique de la turbine,
• La génération électrique est fréquemment associée à une conversion électronique de puissance.
Cette évolution entre dans le cadre d’une électrification croissante des aéronefs afin de rationaliser les puissances consommées non propulsives et réduire ainsi la consommation de carburant.
L’article est axé principalement sur la clé de voûte de cette nouvelle conversion électromécanique : l’alternateur – démarreur et son convertisseur de puissance associé. On y décrit, après une rapide introduction sur les enjeux de l’électrification des aéronefs, les caractéristiques techniques générales de ce type de système, des exemples de réalisation ainsi que sa nécessaire adaptation aux nouveaux réseaux électriques d’avion.


Alternateurs-démarreurs pour aéronefs

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• La génération électrique est fréquemment associée à une conversion électronique de puissance.<br />
Cette évolution entre dans le cadre d’une électrification croissante des aéronefs afin de rationaliser les puissances consommées non propulsives et réduire ainsi la consommation de carburant.<br />
L’article est axé principalement sur la clé de voûte de cette nouvelle conversion électromécanique : l’alternateur – démarreur et son convertisseur de puissance associé. On y décrit, après une rapide introduction sur les enjeux de l’électrification des aéronefs, les caractéristiques techniques générales de ce type de système, des exemples de réalisation ainsi que sa nécessaire adaptation aux nouveaux réseaux électriques d’avion.
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Alternateurs – Démarreurs pour Aéronefs Mario MARTINEZ THALES AES 41, bd de la République 78400 CHATOU Résumé : La conversion mécanique - électrique à bord des aéronefs est en cours d’évolution depuis quelques années : • Sa puissance augmente considérablement afin d’alimenter de nouveaux consommateurs électriques, • La nature de la puissance délivrée diffère de celle couramment utilisée dans l’aviation, dont la tension alternative est à la fréquence fixe 400Hz, • La conversion devient réversible pour assurer le démarrage électrique de la turbine, • La génération électrique est fréquemment associée à une conversion électronique de puissance. Cette évolution entre dans le cadre d’une électrification croissante des aéronefs afin de rationaliser les puissances consommées non propulsives et réduire ainsi la consommation de carburant. L’article est axé principalement sur la clé de voûte de cette nouvelle conversion électromécanique : l’alternateur – démarreur et son convertisseur de puissance associé. On y décrit, après une rapide introduction sur les enjeux de l’électrification des aéronefs, les caractéristiques techniques générales de ce type de système, des exemples de réalisation ainsi que sa nécessaire adaptation aux nouveaux réseaux électriques d’avion. 1 Généralités sur l’énergie électrique à bord des avions. Les équipements électriques présentent un bon rendement, sont simples d’utilisation et leur puissance est facilement réglable. En outre les systèmes électriques sont fiables, à maintenance réduite et surveillance aisée. Ils peuvent aussi conduire à une réduction de masse des équipements embarqués si on optimise la gestion des charges. L’énergie électrique apparaît alors comme une solution privilégiée pour remplacer progressivement sur avion les énergies pneumatique, mécanique et hydraulique. La consommation électrique sur avion va s’accroître de deux manières : 100 kVA – 115/200 V 400 Hz 150 kVA – 115/200 V 360 -800 Hz 2006 1 x 200 -250 kVA – 230/400 V 360-800 Hz 20101980 2 x1 x 1960 20 kVA – 115/200 V 1 x Puissance électrique par moteur Année 100 kVA – 115/200 V 400 Hz 150 kVA – 115/200 V 360 -800 Hz 2006 1 x 200 -250 kVA – 230/400 V 360-800 Hz 20101980 2 x1 x 1960 20 kVA – 115/200 V 1 x Puissance électrique par moteur Année • D’une part par le remplacement de consommateurs non électriques par des consommateurs électriques comme les pompes hydrauliques et à carburant, le conditionnement d’air, le démarrage électrique des moteurs (50 à 200 kW), • D’autre part par l’apparition de nouveaux consommateurs comme la distraction au passager (100W par siège) et la sécurité. La figure ci-dessous montre l’évolution de la puissance électrique embarquée, par moteur, sur avion de ligne, lors des cinquante dernières années : 2 Générateurs-démarreurs 28 Vcc pour avions régionaux, avions d’affaire et hélicoptères. Ce sont des machines à collecteur et balais en carbone, montées sur ce type d’avions depuis plusieurs dizaines d’années. Elles délivrent une basse tension et une puissance inférieure à 15 kW. Leur excitation de type shunt – série permet d’obtenir simplement un fort couple de démarrage et un accompagnement en vitesse de la turbine, après son démarrage. Les caractéristiques d’un tel générateur – démarreur sont par exemple : • Moteur: Pratt & Whitney Canada 121/127, • Puissance en générateur: 12 kW, • Vitesse d’entraînement: 7200 - 12000 tr/min, • Refroidissement: Auto-ventilation au sol / air dynamique en vol, • Expérience: plus de 10 millions d’heures de vol sur avions régionaux et plus de 3000 machines sur avions d’affaires. 3 Démarrage électrique sur avions de ligne. Le démarrage des moteurs est pneumatique sur tous les avions de ligne, mis à part celui du B787 qui est électrique. Les générateurs incorporent un dispositif hydraulique qui permet de délivrer des tensions à fréquence constante. Ce dispositif rend complexe la réversibilité de la machine génératrice d’électricité et son fonctionnement en mode moteur. Mais, récemment, afin de réduire le coût de possession des générateurs, les avionneurs n’ont plus imposé des tensions alternatives à fréquence constante 400 Hz (A380, B787, A350). Les générateurs peuvent alors incorporer simplement la fonction démarrage électrique (B787), ce qui induit une réduction de la masse des conduits pneumatiques sur avion. Différents types de machines électriques peuvent être envisagés pour remplir cette fonction : • Les alternateurs-démarreurs à aimants permanents, que THALES AES a étudiés pour la génération auxiliaire et pour la génération principale lorsqu’elle est intégrée dans le moteur d’avion (la machine tournante est associée à un convertisseur électronique de puissance qui fonctionne durant les deux modes démarreur et générateur ; en mode générateur, le convertisseur est utilisé pour délivrer au réseau de l’avion une tension continue régulée) ; • Les alternateurs-démarreurs à excitation bobinée, étudiés pour la génération principale lorsqu’elle est montée sur la boîte d’accessoires (en mode générateur, le convertisseur n’est pas utilisé pour la fonction génération ; l’alternateur délivre directement un système triphasé de tensions alternatives régulées, au réseau de l’avion). 4 Alternateurs – démarreurs à aimants permanents. Les machines à aimants permanents sont couramment utilisées dans les actionneurs électriques, aussi bien dans la robotique depuis plusieurs décennies que dans l’aéronautique où elles sont apparues plus récemment dans les commandes de vol électriques. En mode générateur, leur puissance est restée faible sur avion (de l’ordre du kW). Néanmoins des études aboutissant à des démonstrateurs essayés sur turbine ont montré que leur puissance peut atteindre facilement la centaine de kW. THALES AES a spécialement étudié ce type de machine pour deux applications: la génération auxiliaire pour avion d’affaire et hélicoptère, la génération principale intégrée à l’intérieur du moteur, pour avion de ligne plus électrique. 4.1 Génération auxiliaire pour avion d’affaire et hélicoptère. Un nouveau type de générateur – démarreur a été développé pour l’application APU (Auxiliary Power Unit). La machine est entraînée directement par la turbine, sans boîte d’engrenages intermédiaire. Elle est associée à un convertisseur électronique de puissance qui fonctionne en onduleur de tension durant le mode démarreur et délivre deux types de puissance continue en mode générateur : 28 Vcc et 270 Vcc. Les caractéristiques principales du système sont indiquées ci-après : • Puissance en mode démarreur : 5 kW, • Arrêt du démarreur à 28000 tr/min, • Puissance en mode générateur : 50 kW dans la plage de vitesse 48000 – 56000 tr/min. Générateur – démarreur et turbine Maquette de convertisseur Les schémas synoptiques dans les deux modes sont représentés ci-après : DC/AC Udc=#250V 15V BATTERY DC/DC MACHINE A AIMANTS PERMANENTS Mode démarreur DC/AC Udc=#250V 15V BATTERY DC/DC MACHINE A AIMANTS PERMANENTS DC/AC Udc=#250V 15V BATTERY DC/DC 15V BATTERY DC/DC MACHINE A AIMANTS PERMANENTS Mode démarreur Mode générateur AC/DC Udc=270V 28V NETWORK DC/DC MACHINE A AIMANTS PERMANENTS P=10kW Mode générateur AC/DC Udc=270V 28V NETWORK DC/DC MACHINE A AIMANTS PERMANENTS P=10kW AC/DC Udc=270V 28V NETWORK DC/DC MACHINE A AIMANTS PERMANENTS P=10kW 4.2 Générateur – démarreur intégré dans un moteur d’avion. Dans le cadre du contrat européen POA (Power Optimised Aircraft), THALES AES a validé le concept d’un générateur-démarreur et son convertisseur statique associé pour être intégré dans un moteur Rolls-Royce de type TRENT 500. La machine est intégrée sur l’arbre HP (haute pression) tandis que le convertisseur est monté sur la structure de la soufflante. Les caractéristiques principales du système sont indiquées ci-dessous : • Puissance en mode démarreur : 175 kW, • Arrêt du démarreur à 9000 tr/min, • Puissance en mode générateur : 150 kW sous 350 Vcc, dans la plage de vitesse 9000 – 15000 tr/min. La machine à aimants a été retenue dans cette application, pour sa capacité à fonctionner en milieu sévère tout en gardant une puissance massique élevée et un volume adapté à une intégration au cœur du moteur. La machine a été conçue pour fonctionner dans un air environnant dont la température peut atteindre 330°C. Le stator bobiné et le rotor sont refroidis par circulation d’huile. L’aspect sécurité de cette machine, dont l’excitation ne peut être annulée, a été traité en la dimensionnant pour qu’un court-circuit triphasé puisse être maintenu en permanence. De plus, un circuit dédié, composé de commutateurs, est intégré dans le convertisseur électronique de puissance qui lui est associé. Ce circuit peut court-circuiter les phases de la machine en cas de défaut détecté par le contrôleur. La machine et le convertisseur présentent trois canaux de puissance séparés, dont l’indépendance garantit une bonne résistance aux pannes. 440 mm Enveloppe contenant le stator bobiné 520 mm 283 mm 600 mm 520 mm 283 mm 600 mm Convertisseur à 3X3 phases Lors des essais d’intégration sur le moteur, le courant continu et la vitesse ont été enregistrés pendant un démarrage suivi d’un fonctionnement en générateur : Courant continu Vitesse Démarrage Génération électrique 5 Alternateurs – démarreurs à excitation bobinée. 5.1 Généralités. La machine synchrone à excitation bobinée est la machine retenue pour remplir la fonction de générateur principal sur avion. Elle est entraînée par la boîte relais d’accessoires et sa vitesse d’entraînement peut être soit constante, lorsqu’un dispositif hydraulique est placé entre l’arbre de sortie de la boîte mécanique et l’arbre de l’alternateur, soit variable avec le régime du moteur lorsque l’alternateur est directement entraîné par la boîte mécanique. Les générateurs principaux des avions de ligne les plus récents (A380, A350, B787) sont à vitesse variable dans un rapport voisin de deux ; ils délivrent donc des tensions alternatives à fréquence variable. Ces tensions sont régulées à une valeur fixe, quelles que soient la vitesse ou la charge : 115 Veff phase – neutre ou 230 Veff phase – neutre. Cette dernière valeur a été retenue sur les deux derniers types d’avions de ligne, compte-tenu de l’augmentation de la puissance électrique installée et pour diminuer l’impact de cet accroissement de puissance sur la masse de câblage. Un réseau électrique à fréquence variable implique la présence de convertisseurs statiques de puissance qui servent en particulier à alimenter les moteurs de pompe. Le schéma synoptique et la coupe longitudinale ci- après montrent les trois étages de l’alternateur (machine principale, excitatrice, machine auxiliaire) : Schéma synoptique Coupe longitudinale La courbe ci-dessous indique la variation de la masse des générateurs à excitation bobinée en fonction de la puissance, la polarité et la plage de vitesse, dans le cas d’un réseau à fréquence variable entre 400 et 800Hz : 30 60 100 160 250 400 630 1000 30 50 70 100 150 200 puissance (kVA) M a s s e (k g ) Alternateurs 400 / 800 Hz 4 poles 6 poles 8 poles • 4 pôles: 12000 / 24000 tr/min • 6 pôles: 8000 / 16000 tr/min • 8 pôles: 6000 / 12000 tr/min En fonctionnement démarreur, la machine est associée à un convertisseur électronique de puissance dont le dimensionnement thermique dépend principalement du courant qui traverse les commutateurs de puissance. Afin d’optimiser la masse et l’encombrement de ce convertisseur, il faut donc minimiser le courant en maximisant le nombre de spires, à tension, couple et vitesse donnés. Comme le même bobinage est utilisé dans les deux modes et que les tensions aux bornes de la machine sont voisines dans les deux modes, cette démarche ne peut être effectuée dans le cas de l’alternateur – démarreur, le nombre de spires du stator étant fixé par les caractéristiques en mode générateur. Les deux diagrammes ci-après montrent les courants et tensions de la machine pour deux valeurs du nombre de spires : Cas 1: nombre de spires élevé correspondant à une impédance élevée. En fonctionnement démarreur, la tension nominale est atteinte dès la vitesse de base pour laquelle couple et puissance sont maximum. La tension est maintenue constante dans la plage de vitesse à puissance constante, par réduction du flux magnétique. Cette configuration ne peut être retenue car elle conduit à un fonctionnement générateur non optimisé d’un point de vue thermique et magnétique. Cas 2: nombre de spires faible correspondant à une impédance faible. Cette configuration correspond à la majorité des applications d’alternateur – démarreur. La tension nominale n’est atteinte qu’à la vitesse maximale du mode démarreur. A la vitesse de base, la tension est inférieure à celle du cas 1et le courant est supérieur à celui du cas 1. Torque Speed Rated Voltage Current Rated Power Torque Speed Voltage Current Rated Power High number of turns (high internal impedance) Low number of turns (low internal impedance) Rated Voltage Base speed Max speed Base speed Max speed Figure 1 - case 1 Figure 2 - case 2 5.2 Alternateur – démarreur 200 kVA. THALES AES a réalisé et testé un alternateur – démarreur dont les caractéristiques techniques sont résumées ci-après : Machine : • Puissance en démarreur : 130 kW, • Couple maximum en démarreur : 300 N.m, • Puissance en générateur : 200 kVA, • Plage de vitesse en générateur : 7600 – 16000 tr/min, • Refroidissement par circulation et brouillard d’huile. Convertisseur : Tension d’alimentation: 540 Vcc, Puissance de sortie: 150 kW, Courant de sortie : 300 Aeff, Refroidissement par circulation de liquide, Schéma synoptique : +/-270V DC Wound Field Starter Generator Electric starter power converter DC input filter Main exciter inverter AC output filter Common AC output filter Exciter 3 75 kW inverter module 75 kW inverter module Courbe couple (vitesse) mesurée comparée au gabarit théorique : 0 50 100 150 200 250 300 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 tr/min N.m Couple gabarit 6 Intégration des générateurs – démarreurs dans les réseaux électriques du futur. Compte-tenu de l’importance de la puissance électrique installée qui est envisagée à bord des avions futurs, la masse du générateur – démarreur doit être optimisée. Dans ce but, différents axes de recherche sont suivis par THALES AES : • Détermination des caractéristiques en collaboration avec le motoriste et l’avionneur (caractéristique couple – vitesse en mode démarreur, plage de vitesse en mode générateur, valeurs des surcharges, etc.), • Études technologiques de la machine synchrone à rotor bobiné (amélioration du refroidissement en développant le mode par conduction, amélioration du rendement, optimisation de l’excitatrice utilisée dans les deux modes, contrôle sans capteur pour la fonction démarreur), • Adaptation du système au type de réseau électrique (établissement d’un modèle représentatif du système, permettant d’optimiser l’intégration du générateur dans le réseau électrique de bord, dès la conception ; adaptation du générateur à la conversion de puissance liée aux moteurs et aux transformateurs de tension), • Conception d’un convertisseur de démarrage multifonction, utilisable par d’autres charges techniques en dehors des temps de démarrage, • Adaptation du convertisseur aux futures normes de compatibilité électromagnétique. 7 Conclusion. La fonction générateur – démarreur, réalisée depuis plusieurs décennies sur petits avions, commence à apparaître sur avions de ligne. Sur ce type de gros porteurs les puissances mises en jeu tant en mode démarreur qu’en mode générateur sont beaucoup plus importantes que sur les petits avions. De ce fait, la technologie de la machine électrique est complètement différente : de machine à collecteur elle passe à un alternateur dont l’excitation peut être fournie soit par des aimants permanents soit par un bobinage alimenté en courant continu. Sur Avion Plus Electrique, la puissance électrique demandée par les nouveaux consommateurs devient du même ordre que la puissance mécanique que doit fournir la machine en mode démarreur. Dans ce cas, l’ajout de la fonction démarreur n’entraîne donc pas un surdimensionnement de la machine. En mode démarreur, la machine est alimentée en courants alternatifs par un convertisseur électronique de puissance. Les progrès récents réalisés sur les commutateurs électroniques de puissance permettent d’envisager des systèmes de conversion compacts, adaptés aux applications aéronautiques. Les différentes réalisations d’alternateurs – démarreurs présentées dans cet article ont montré que les technologies utilisées pour remplir la fonction sont au point. Les systèmes ont fonctionné correctement sur turbine et sur les bancs d’essais d’avionneurs. Des études sont en cours afin de faciliter l’intégration de ce système dans l’avion ; elles visent à optimiser sa masse, son rendement et son adaptation aux nouvelles caractéristiques des réseaux électriques à bord des aéronefs du futur.