Methods and tools for the optimization of modular electrical power distribution cabinets in aeronautical applications

par Alvaro Morentin Etayo

Thèse de doctorat en Génie Électrique

Sous la direction de Thierry Meynard et de Hubert Piquet.

Le président du jury était Philippe Viarouge.

Le jury était composé de Thierry Meynard, Hubert Piquet, Philippe Viarouge, Laurent Gerbaud, Marc Budinger, Jérôme Faucher.

Les rapporteurs étaient Philippe Viarouge, Laurent Gerbaud.

  • Titre traduit

    Méthodes et outils pour l'optimisation de cœurs modulaires de distribution électrique pour applications aéronautiques


  • Résumé

    Depuis des années, les avionneurs sont engagés pour la réduction de l’empreinte environnementale à travers le développement de nouveaux concepts. Ainsi, le remplacement des systèmes hydrauliques (hydraulicless) et pneumatiques (bleedless) de l’avion par des systèmes électriques sont envisagés d’où l’apparition du concept d’avion « plus électrique ». Toutefois, les gains espérés (diminution du coût, de la consommation de carburant ou de la masse) suite à cette substitution ne sont pas si faciles à obtenir, car les technologies précédentes ont bénéficié de plusieurs dizaines d’années de développement et d’optimisation. Les solutions électriques nouvellement proposées doivent donc elles aussi être très abouties pour être véritablement concurrentielles ; tous les degrés de liberté doivent être envisagés, qu’il s’agisse des technologies ou des architectures. En particulier, l’usage d’un nouveau réseau HVDC (540 V) semble être une solution prometteuse. A partir de ce réseau HVDC, les différentes charges AC triphasées sont alimentées par une série d’onduleurs génériques. Compte tenu de la disparité des consommations pendant les différentes phases de vol, le même onduleur peut servir à alimenter plusieurs charges. La connexion entre les onduleurs et les charges est gérée par une matrice de contacteurs. Cette solution innovante considère également des cas de redondance pour augmenter la robustesse de la solution. La conception de ce nouveau système est présentée dans ce rapport de thèse. Le compromis optimal entre le nombre d’onduleurs et la puissance nominale de chaque onduleur doit être obtenu. Ce choix déterminera fortement la taille de la matrice de contacteurs. Cependant, pour adresser cette problématique, il est nécessaire de connaître la masse des différents composants en fonction de la puissance requise. Un environnement de conception est ainsi créé dans le but de réaliser le dimensionnement optimal de convertisseurs de puissance. Les différents composants sont décrits utilisant une approche « directe » et sont codés sous le formalisme « orienté-objet ». Ces modèles sont ensuite validés expérimentalement ou par simulation numérique. Les différents modèles sont couplés à un environnement d’optimisation et à un solveur fréquentiel qui permet une résolution rapide des formes d’ondes du régime permanent. L’environnement d’optimisation réalise le dimensionnement précis des différentes parties de l’onduleur : dissipateur, module de puissance, filtre côté continu et inductance de couplage. Un onduleur est proposé pour différentes puissances nominales et fréquences de découpage. L’optimisation adresse également le choix des différentes technologies. Finalement, les résultats sont utilisés pour déterminer le meilleur compromis entre nombre d’onduleurs et puissance de l’onduleur à partir d’un algorithme heuristique.


  • Résumé

    In recent years, aircraft manufacturers have been making progress in the design of more efficient aircrafts to reduce the environmental footprint. To attain this target, aircrafts manufactures work on the replacement of the hydraulic and bleed systems for electrical systems leading to a “More Electrical Aircraft”. However, the expected mass gain is a challenge, as previous technologies have been developed and optimized for decades. The new electrical solutions need to be look into detail to be competitive with previous technologies. All degrees of freedom must be considered, that is, new technologies and architectures. In particular, an HVDC network that reduces the number of rectifier stages seems a promising solution. From the HVDC network, the different three phase AC loads will be supplied by a series of power generic inverters. As the power consumption of the different loads change during the flight mission, the same inverter is used to supply different loads. The connection between the inverters and the loads is managed by a matrix of contactors. The proposed solution also considers redundant configurations, thus increasing system robustness. The design of the innovative system is presented in this document. That is, determining the optimal trade-off between the number of power inverters and the nominal power of each generic inverter that will also impact the size of the matrix of contactors. However, to assess the combinatory problem, the mass of the different components as a function of the nominal power needs to be calculated. A design environment is therefore created to perform automatic and optimized design of power converters. The different components are described using a “direct modelling” approach and coded using “object-oriented” programming. The components are validated experimentally or by numerical simulations. The different models are coupled to an optimization environment and to a frequency solver allowing a fast calculation of the steady-state waveforms. The optimization environment performs the precise design of the different parts of the power inverter: heatsink, power module, DC filter and coupling inductor. The power inverter is designed for different values of nominal power and switching frequency. The optimization assesses as well the usage of different technologies. Finally, the results are used to determine the optimal trade-off between the number of inverters and the nominal power of each inverter using a heuristic algorithm.


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