Modélisation, vieillissement et surveillance de l'état de santé des condensateurs films utilisés dans des applications avioniques

Modeling, ageing and health monitoring of metallized film capacitors used for aeronautic applications

• Auteur / Autrice : Maawad Makdessi
• Direction : Pascal Venet, Ali Sari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 24/04/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) - Ampère - Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : François Forest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Joubert, Daniel Roger, Marcelo Fernando Iturriz, Gérard Rojat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Ousten, Thierry Talbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyesters

Avionique

Essais accélérés (technologie)

Condensateurs électriques

Mots clés libres

Systèmes de stockage d’énergie

Condensateurs à films polymère métallisés

Essais de vieillissement accélérés

Mécanismes et modes de défaillances

Surveillance de l'état de santé en ligne

Fiabilité

Polyester

Environnement avionique

Energy storage systems

Metallized polymer film capacitors

Accelerated ageing tests

Mechanisms and failing modes

Online health monitoring

Dependability

Polyester

Avionic operating

Résumé

Le domaine aéronautique connait de nos jours un engouement sans précédent autour de l’avion plus électrique. L’importance du nombre d’équipements électriques est à un tel point que l’amélioration de leur fiabilité devient incontournable. Actuellement, les composants passifs occupent 75 % des éléments électroniques utilisés en avionique dont la moitié correspond à des condensateurs. Ces derniers doivent donc répondre aux exigences environnementales avioniques assez contraignantes. C’est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés particulièrement à l’étude des condensateurs à technologie film utilisant le polypropylène ou le polyester comme diélectrique. Afin de mieux comprendre le comportement fréquentiel de cette technologie, deux modèles fins de condensateurs films ont été développés, permettant ainsi de suivre les évolutions de leurs grandeurs électriques dans des conditions cohérentes avec l’application. Dans un deuxième temps, l’effet des contraintes en tension et en température constantes a été étudié sous la forme de facteurs d’accélération du vieillissement. Cela a été établi par l’intermédiaire de plusieurs essais, permettant d’établir les lois d’évolutions temporelles des paramètres électriques des condensateurs. Comme ces contraintes constantes ne sont pas toujours représentatives des conditions réelles d’utilisation, les cinétiques de dégradation ont été comparées à celles où les condensateurs sont sollicités par de fortes ondulations de courant, seules ou associées à une tension continue. Enfin, la dernière partie de notre travail expose l’utilisation des données expérimentales issues des essais de vieillissement dans un objectif de diagnostic en ligne. Les techniques utilisées assurent l'analyse de la dégradation de ces composants, étape essentielle dans la prédiction de l’état de santé des condensateurs en ligne

Nowadays, aeronautic research field is moving towards a more electric aircraft. Although this evolutionary path offers many advantages from a financial and ecological point of view, the increased power source usage sets additional constraints on the different electrical systems used onboard. Currently, passive components occupy 75% of the overall electronic equipments used in avionics, whose 50% corresponds to capacitors. Consequently, these latter must be able to withstand the harsh avionic operating conditions. In this thesis we were particularly interested in the study of metallized film capacitors technology using polyester or polypropylene as dielectric. A first approach consisted on the modeling of these components as function of frequency in order to study the evolution of their electrical parameters under consistent avionic stresses. These models were also developed on the purpose of tracking the degradation of the capacitors parameters over time. This operation was done by the means of accelerated floating ageing tests, where capacitors were subjected to different constant voltages and temperatures. Original capacitance ageing laws were thus proposed based on the identification of voltage and temperature degradation kinetics. However, since traditional floating ageing tests, do not reflects the normal ageing of the component, degradation kinetics of metallized films capacitors under high ripple currents, alone or combined with a DC voltage across the devices terminals where also studied, and the associated failure mechanisms were identified. A final step consisted on the health monitoring of metallized film capacitors online based on the experimental ageing data