Modeling for parametric optimization of an electromechanical chain for the prevention of partial discharges in an aeronautical actuator
Modélisation et optimisation paramétrique d'une chaine électromécanique pour la prévention des décharges partielles dans un actionneur aéronautique
Résumé
Currently, the distribution of electrical energy aboard aircraft with high voltage direct current (HVDC) and the use of disruptive technologies such as wide bandgap (WBG) semiconductors (SiC and GaN) in static converters are among essential levers for the development of more electric aircraft. Using WBG semiconductors increases the mass density of converters; however, their fast switching (a few tens of ns) induces the creation of overvoltage due to propagation and reflection phenomena along harnesses. Overvoltage can exceed twice the voltage of the DC bus: such voltage level combined with aeronautical constraints (low pressure and/or high temperature) can generate partial discharges (PD) phenomena, which causes a premature degradation of electrical insulation systems (EIS). In this context, this PhD work focuses on the reliability of an electromechanical chain (association: MOSFET-SiC inverter + long harness + electrical machine) supplied by the HVDC 540V network; they aim to prevent the presence of PD in the winding of electrical machine from the early stage of design. On the one hand, this research aims to manage overvoltage, and for this, we develop a predictive, wide-band frequency model of a three-phase electromechanical chain; its good precision, experimentally validated, allows a better understanding of overvoltage phenomena, in particular, according to the fast switching of SiC technology. The proposed model adopts a frequency resolution with low computation time, which is suitable for use in design tools based on optimization algorithms. On the other hand, to be able to take PD into account from the first design stages, it is essential to integrate the knowledge of the partial discharges inception voltage (PDIV) according to the EIS parameters (insulating materials, thickness) and environmental parameters (pressure, temperature). In this scope, we propose to improve PDIV DAKIN's analytical formula using bibliographic data together with the results of a vast experiential investigation.
Actuellement, la distribution à bord des aéronefs de l’énergie électrique en haute tension continue (HVDC) et l'utilisation de technologies de rupture telle que l’utilisation des semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) dans les convertisseurs statiques sont parmi les leviers indispensables pour le développement de l’avion plus électrique. L'utilisation des semi-conducteurs à grand gap augmente la densité massique des convertisseurs ; cependant, leurs commutations rapides (quelques dizaines de ns) favorisent la création de surtensions dues aux phénomènes de propagation et de réflexion le long des harnais. Les surtensions peuvent dépasser le double de la tension du bus DC ; un tel niveau de tension, combiné avec les contraintes aéronautiques (basse pression et/ou haute température) peut engendrer des phénomènes de décharges partielles (DP) pouvant causer une dégradation prématurée du système d’isolation électrique (SIE). Dans ce contexte, les travaux de cette thèse concernent la fiabilité d’une chaine électromécanique (association : onduleur à MOSFET-SiC + harnais long + machine électrique) alimentée par le réseau HVDC 540V ; ils visent à intégrer la prévention des DP dans le bobinage d’une machine électrique dès les premières phases de conception. D’une part, ces travaux de recherche visent à maitriser les surtensions, et pour cela nous proposons un modèle prédictif et large bande fréquentielle d’une chaine électromécanique triphasée ; sa bonne précision validée expérimentalement permet une meilleure compréhension des phénomènes de surtension, notamment, vis-à-vis de la commutation rapide de la technologie SiC. Le modèle proposé adopte une résolution fréquentielle à faible temps de calcul, ce qui est adapté à une utilisation dans des outils de conception par optimisation. D’autre part, pour pouvoir tenir compte des DP dès la phase de conception, il est essentiel de connaitre le seuil d’apparition des décharges partielles (SADP) en fonction des paramètres de SIE (matériaux isolants, épaisseur) et des paramètres environnementaux (pression, température) : pour ce faire, nous proposons d’améliorer la formule analytique de DAKIN de calcul du SADP dans une approche regroupant des données bibliographiques et les résultats d’une vaste investigation expérimentale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)