Soutenance de thèse : Rita MATTAR

Avis de soutenance

Rita MATTAR
Le 15 décembre 2022 à 10h
Bâtiment Francis Bouygues Univers simulation Rez-de-chaussée CentraleSupélec,  3 Rue Joliot Curie, 91190 Gif-sur-Yvette salle Amphi SC.046 (Peugeot), Bouygues
 
Direction de thèse :  Stéphane Lefebvre, Eric Monmasson
Encadrement : Marwan Ali (Safran), Mickael Petit
Jury :   Nicolas Ginot (Université de Nantes, rapporteur), Phillipe Ladoux (INP Toulouse, rapporteur), Christian Martin (Université Claude Bernard, Lyon), Eric Labouré (Université Paris Saclay).
 
Titre de la thèse français :
Contribution à la conception d'onduleurs multicellulaires parallèles : Comparaison de topologies et analyse des imperfections des coupleurs magnétiques
 
Titre de la thèse anglais :
Contribution to the design of parallel multilevel inverters : Comparison of topologies and analysis of imperfections in magnetic couplers
 
Mots clés français :
Onduleurs multicellulaires parallèles entrelacés,Couplage magnétique,Imperfections,Dimensionnement,Transformateurs InterCellules (ICT),Application aéronautique
 
Mots clés anglais :
Parallel multilevel interleaved inverters,Magnetic coupling,Imperfections,Sizing,InterCell Transformers (ICT),Aircraft applications

Résumé

Dans l’optique de limiter l’empreinte environnementale des aéronefs actuels, l’électrification des systèmes non propulsifs et de la chaine de propulsion en particulier est une voie prometteuse. Le domaine aéronautique s’est fixé des objectifs ambitieux en matière de limitation des émissions polluantes, en CO2 notamment, conduisant à la nécessité d’intégrer de nouvelles architectures de systèmes. Ainsi, le remplacement des systèmes mécaniques, hydrauliques et pneumatiques par des systèmes électriques plus légers devient indispensable pour réduire le poids et limiter la consommation de carburant. Cette thèse se place dans cette perspective et envisage d’étudier des structures d’onduleurs multicellulaires parallèles pour accompagner la montée en puissance des convertisseurs sans augmenter radicalement le niveau de tension. Ainsi, un onduleur multicellulaire parallèle entrelacé de 4 bras est étudié dans cette thèse. Cette structure utilise le couplage magnétique entre les inductances de chaque bras à l’aide de Transformateurs InterCellules (ICT). Ceci permet une amélioration de la qualité des signaux ainsi qu’une réduction du volume et du poids des composants de filtrage de sortie. Deux topologies de couplage sont particulièrement étudiées. La topologie « Secondary Loop » qui est peu développée dans la bibliographie, a montré des résultats prometteurs en termes de disponibilité en cas de panne par rapport à la topologie Cascade Cyclique qui est généralement utilisée dans ce type d’application. La modélisation analytique, la commande et le dimensionnement des ICT à 25 kW/phase de ces deux topologies de couplage sont traitées et comparées. Malgré la meilleure disponibilité de la topologie Secondary Loop, ses résultats en termes de dimensionnement montrent qu’elle nécessite le double de la surface de fer que la topologie Cascade Cyclique, pour faire passer une puissance utile identique. Les résultats expérimentaux sur un prototype allant jusqu’à 15 kW/phase montrent une très bonne adéquation avec les résultats de simulation. Ces résultats démontrent aussi la sensibilité de la structure aux imperfections des coupleurs magnétiques et des bras d’onduleurs. De plus, une étude détaillée sur les impacts des disparités des composants dans la topologie Cascade Cyclique sur le dimensionnement des coupleurs magnétiques est évaluée. Enfin, la capacité de la commande à corriger ces dissymétries est également présentée.

In the aim of limiting the environmental footprint of current aircrafts, the electrification of non-propulsive systems and of the propulsion chain is a promising way forward. The aeronautical field has set ambitious objectives in terms of limiting polluting emissions, especially CO2, leading to the necessity of integrating new system architectures. Thus, the replacement of mechanical, hydraulic and pneumatic systems by lighter electrical systems is becoming essential to reduce weight and limit fuel consumption. This thesis is set in this perspective, and plans to study structures of parallel multilevel inverters to follow the rise in power of the converters without drastically increasing the voltage level. Thus, a 4-leg parallel-interleaved multilevel inverter with a capacitive bridge is studied in this thesis. This structure uses magnetic coupling between the inductances of each leg using InterCell transformers (ICT). This allows an improvement of the signals quality as well as a reduction of the volume and weight of the output filtering components. Two coupling topologies are studied in detail. The Secondary Loop topology, which is not well developed in the literature, has shown promising results in terms of availability in case of failure, compared to the Cyclic Cascade topology, which is generally used for this type of application. The analytical modeling, control and sizing of the ICT at 25 kW/phase of these two coupling topologies is discussed and compared. Despite the higher availability of the Secondary Loop topology, its sizing results show that it requires twice the iron surface as the Cyclic Cascade topology, to transmit the same power. The experimental validations on a prototype up to 15 kW/phase show a very good adequacy with the simulation results. These validations also demonstrate the sensitivity of the structure due to imperfections in the ICT and inverter legs. A detailed study on the impacts of component mismatches when sizing of the ICT in the case of the Cyclic Cascade topology is evaluated. Finally, the ability of the control to correct these imbalances is also presented.