Brevet FR2820560A1 — publié le 20020809

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation, destiné notamment à être mis en oeuvre dans un avion. Elle concerne en particulier un dispositif d'alimentation du type comportant: - une entrée pour recevoir un courant électrique d'entrée; - des première et seconde sorties pour fournir un premier et un se- cond courants électriques d'alimentation ayant chacun des caractéristiques propres; et - des moyens de conversion du courant électrique connectés entre ladite entrée et les première et seconde sorties. Dans les cabines d'avion, il est de nos jours nécessaire d'alimenter en énergie électrique différents organes fonctionnels mis à la disposition des passagers. Ces organes fonctionnels sont constitués par exemple d'écrans vidéo, de lampes, de prises d'alimentation pour ordinateur portable, ainsi que d'actionneurs électriques implantés dans les sièges afin d'assurer le déplacement autonome de différents éléments mobiles du siège. Ces organes fonctionnels sont alimentés depuis le réseau de distribu- tion électrique de l'avion. De manière classique, ce réseau de distribution électrique délivre un courant alternatif de 115 volts avec une fréquence de 400 Hz. De nombreux organes fonctionnels nécessitent pour fonctionner une alimentation en courant alternatif de 110 volts avec une fréquence de 60 Hz. En revanche, pour des raisons de sécurité, d'autres organes fonction- nels tels que les moteurs des actionneurs implantés dans les sièges sont des dispositifs à courant continu. Leur tension d'alimentation est générale- ment de 12 ou 24 volts. Il est connu de relier au réseau de distribution électrique implanté dans l'avion un convertisseur assurant la conversion du courant alternatif en courant continu. Pour alimenter en courant alternatif les organes fonction- nels nécessitant une telle alimentation, un autre convertisseur est mis en oeuvre. Celui-ci assure une conversion du courant alternatif distribué en un courant alternatif de tension et de fréquence différentes. Ainsi, la solution connue met en ceuvre plusieurs convertisseurs in- corporant chacun un transformateur. Ces convertisseurs sont chacun reliés au réseau de distribution électrique de l'avion. Cette architecture d'alimenta- tion est relativement encombrante et augmente le poids total consacré à l'ali- mentation. L'invention a pour but de proposer un dispositif d'alimentation d'en- combrement et de poids réduits, permettant d'alimenter plusieurs types d'or- ganes fonctionnels à partir de courants électriques de caractéristiques diffé- rentes. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif d'alimentation du type précité, caractérisé en ce que lesdits moyens de conversion comportent un transformateur comportant un bobinage primaire alimenté par le courant électrique d'entrée et un premier et un second bobinages secondaires ali- mentant, respectivement, les première et seconde sorties au travers de premier et second circuits de mise en forme, le bobinage primaire et les premier et second bobinages secondaires étant disposés sur un même cir- cuit magnétique, en ce que le premier circuit de mise en forme comporte des moyens de régulation adaptés pour agir sur le courant électrique alimentant le bobinage primaire, lesquels moyens de régulation sont adaptés pour as- surer une régulation en fonction d'un signal issu du premier circuit de mise en forme, et en ce que le second circuit de mise en forme comporte des moyens autonomes de régulation du courant fourni par la seconde sortie. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - ledit premier circuit de mise en forme est adapté pour fournir un cou- rant continu - le second circuit de mise en forme est adapté pour fournir un cou- rant alternatif - le second circuit de mise en forme comporte un étage de redresse- ment et, en sortie dudit étage de redressement, des moyens de modification de la tension selon un rapport de division variable; - lesdits moyens de modification de la tension selon un rapport de division variable comportent un régulateur de la tension de sortie desdits moyens de modification de la tension selon un rapport de division variable, et des moyens de commande dudit régulateur à partir d'une tension de commande variable; - lesdits moyens de commande d'une tension de commande variable comportent un pont diviseur de tension à rapport variable connecté en sortie desdits moyens de modification de la tension selon un rapport de division variable; - ledit second circuit de mise en forme comporte, en sortie desdits moyens de modification de la tension selon un rapport de division variable, un pont inverseur commandé à une fréquence prédéterminée; et - lesdits moyens de modification de la tension selon un rapport de division variable sont adaptés pour engendrer un signal périodique ayant une fréquence double du courant alternatif fourni en sortie du second circuit de mise en forme. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la fi- gure unique qui est une vue schématique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention. Le dispositif d'alimentation 10 illustré sur la figurer est destiné à être installé dans un avion. Il comporte une entrée 12 pour recevoir un courant électrique d'entrée. Cette entrée est destinée à être reliée au réseau de dis- tribution d'énergie électrique de l'avion. Ce réseau fournit par exemple un courant alternatif ayant une tension de 115 volts avec une fréquence de 400 Hz. Le dispositif d'alimentation 10 comporte en outre deux sorties. Une première sortie 16 est adaptée pour fournir à des charges, telles que des actionneurs électriques, une tension continue de 24 volts. La seconde sortie 16 est adaptée pour fournir à des charges, telles que des écrans vidéo, une tension alternative de 110 volts avec une fré- quence de 60 Hz. Des moyens 18 de conversion du courant électrique sont interposés entre l'entrée 12 et les première et seconde sorties 14, 16. Ces moyens de conversion 18 comportent un unique transformateur comportant un bobinage primaire 20A et deux bobinages secondaires B, 200. Ces bobinages secondaires 20B, 200 alimentent respectivement les sorties 14 et 16 au travers de circuits de mise en forme notés respecti- vement 22 et 24. Le premier circuit de mise en forme 22 comporte des moyens de ré- gulation 26 agissant sur le courant alimentant le bobinage primaire 20A du transformateur. Les moyens de régulation 26 sont adaptés pour assurer une régulation en fonction du signal issu du premier circuit de mise en forme et notamment de sa sortie 14. Le second circuit de mise en forme 24 comporte des moyens de régu- lation autonomes 28 qui sont propres à ce circuit de mise en forme. Le transformateur 20 est par exemple un transformateur direct, cou- ramment désigné par "transformateur forward". Le bobinage primaire 20A du transformateur est relié aux bornes de sortie d'un correcteur de facteur de forme 30 alimenté depuis l'entrée 12 du dispositif. Le correcteur de facteur de forme 30 est destiné à mettre en phase l'intensité et la tension fournies par le réseau de distribution électrique et à convertir le courant alternatif du réseau en un courant continu dont la ten- sion est égale à 225 V. Un organe de commutation 32 est disposé entre le bobinage primaire A et la sortie du correcteur de facteur de forme 30, afin de commander sélectivement l'alimentation du bobinage primaire 20A à partir du correcteur de facteur de forme 30. En outre, et comme connu en soi, le transformateur 20 comporte un bobinage de démagnétisation 20D relié en parallèle, au travers d'une diode 34, aux bornes de sortie du correcteur de facteur de forme. Le circuit de mise en forme 22 comporte un étage de redressement constitué de deux diodes reliées en série et en opposition entre les bor- nes du premier enroulement secondaire 20B. L'une des bornes du premier enroulement secondaire 20B est reliée à la masse. Une cellule de filtrage 42 est reliée en sortie de l'étage de redresse- ment 40. Cette cellule de filtrage est constituée d'une bobine 44 et d'un condensateur 46 montés en série et reliés entre la sortie de l'étage de re- dressement formée entre les deux diodes et la masse. La première sortie 14 est formée aux bornes du condensateur 46. Les moyens de régulation 26 comportent un régulateur 48 de type classique, tel qu'un régulateur à modulation de largeur d'impulsions (PWM). L'entrée du régulateur 48 est connectée aux bornes de la première sortie 14. La sortie du régulateur 48 est reliée à la borne de commande de l'or- gane de commutation 32, afin d'assurer la connexion sélective de l'enroule- ment primaire 20A à la sortie du correcteur de facteur de forme 30. La fré- quence de commande de l'organe de commutation 32, imposée par le régu- lateur 48, est par exemple de 170 kHz. Le bobinage primaire 20A et le premier bobinage secondaire 20B du transformateur sont dimensionnés, et le régulateur 48 est adapté afin que la tension entre les bornes de la première sortie 14 soit égale à 24 volts. Le transformateur fonctionne alors avec un rapport cyclique de 40 %. Le second circuit de mise en forme 24 est relié à la sortie du second enroulement secondaire 200 du transformateur. Le circuit 24 comporte, en entrée, un étage de redressement 50 analogue à l'étage 40 du premier cir- cuit 22. Cet étage de redressement 50 comporte ainsi deux diodes montées en série et en opposition entre les bornes du second enroulement se- condaire 20C. En sortie de l'étage de redressement 50 est prévue une cellule de filtrage 52 constituée, comme la cellule 42, d'une bobine 54 et d'un conden- sateur 56 montés en série entre la masse et le point milieu des deux diodes. Cette cellule de filtrage 42 est adaptée pour lisser la tension obtenue en sortie de l'étage de redressement 50. Le bobinage primaire 20A et le second bobinage secondaire 20C du transformateur, ainsi que les éléments de la cellule de filtrage 52 sont adap- tés pour obtenir, aux bornes du condensateur 56, une tension continue de sensiblement 180 volts. Un étage 70 de réduction de la tension selon un rapport de division variable est relié en sortie de l'étage de redressement 50 et de la cellule de filtrage 52. Cet étage 70 comporte, en entrée, un organe de commutation 72 dont une borne est connectée entre la bobine 54 et le condensateur 56. Il com- porte en outre une diode de roue libre 74 connectée entre la masse et l'autre borne de l'organe de commutation 72. A cette même borne de l'organe de commutation 72 est reliée une bobine de stockage d'énergie 76. Un conden- sateur de filtrage 78 relie l'autre borne de la bobine de stockage 76 à la masse. La sortie de l'étage 70 de réduction de la tension est définie entre la masse et le point de liaison de la bobine 76 et du condensateur 78. Les moyens de régulation 28 propres au second circuit de mise en forme 24 assurent la réduction de la tension selon un rapport de division va- riable et ce de façon cyclique. En particulier, la régulation est adaptée pour abaisser la tension de volts suivant une loi sinusoïdale, de façon à reconstituer en sortie les arches positives de la sinusoïdale souhaitée en sortie, mais avec une fré- quence de 120 Hz. Afin d'assurer cet abaissement progressif de la tension, les moyens de régulation comportent un régulateur 86 du type à modulation de largeur d'impulsions (PWM). La sortie de ce régulateur 86 est reliée à la borne de commande de l'organe de commutation 72. La fréquence de hachage fournie par le régula- teur 86 est suffisamment haute pour être filtrée efficacement. Elle est par exemple fixée à 100 kHz. L'entrée du régulateur 86 est reliée au point milieu d'un pont diviseur de tension 88 de rapport variable. Le pont diviseur de tension 88 comporte une résistance de mesure 90 dont une première borne est reliée entre le condensateur de filtrage 78 et la bobine de stockage d'énergie 76. La résistance de mesure 90 est montée en série avec un module résistif complémentaire du pont diviseur de tension dont la résistance est variable de manière commandée. Ce module est for- mé d'un ensemble de huit résistances 92, chacune montée en série avec un organe de commutation 94 commandable individuellement. Les branches ainsi constituées d'une résistance en série avec un organe de commutation sont reliées en parallèle entre la seconde borne de la résistance de mesure et la masse. Dans l'exemple considéré, huit branches comportant une résistance sont mises en oeuvre. Toutefois, ce nombre peut être différent, en fonction de la pureté du signal alternatif désiré. La borne de commande de chacun des organes de commutation 94 est reliée à une sortie propre d'un dispositif de pilotage 100 tel qu'un micro- contrôleur. Ce dispositif de pilotage est adapté pour une commande cyclique des organes de commutation 94. La fréquence de répétition du signal de commande appliquée aux or- ganes de commutation est égale au double de la fréquence du signal alter- natif désiré à la sortie 16, soit 120 Hz. Le choix des valeurs des résistances est effectué de façon à ce que la loi d'atténuation de la tension en fonction du temps imposée par le régula- teur 86 soit homothétique de la fonction att(x) = 1/sin (2nFx) o F est le double de la fréquence du signal alternatif à générer à la sortie 16, soit 120 Hz dans l'exemple considéré et x est le temps. La quantification de la fonction att(x) est effectuée de façon à réaliser une bonne approximation de cette fonction. Elle peut être générée de façon numérique par le micro-contrôleur délivrant des signaux de commande aux organes de commutation 94 séquences dans le temps, de manière cyclique. L'intervalle de temps séparant deux commutations successives dans le module résistif est égal à la période de sinusoïdale à générer, soit 1/60ème de Hz, divisé par 32, si les intervalles de temps successifs sont tous identiques. En variante, une commande par variation de cet intervalle de temps est réalisée pour améliorer la précision de la quantification de la loi d'atténuation. Par exemple, dans le cas d'une commande par intervalle régulier et avec une tension de consigne de 2,5 volts, les atténuations suivantes sont obtenues, si TO représente le passage à zéro de la sinusoïdale de sortie. TO T0+520 ps T0+1042 ps T0+1563 ps T0+2083 ps T0+2604 ps T0+3125 ps T0+ 3646 ps |1 0,0825 0,0419 0,0289 0,0227 0,0193 0,0174 0,0164 Un filtre passe-bas 102 est disposé entre l'entrée de commande du régulateur 86 et le point milieu du pont diviseur de tension 88. Ce filtre est adapté pour éliminer les composantes spectrales dues au repliement du spectre au voisinage de la fréquence d'échantillonnage, c'est-à-dire trente- deux fois 60 Hz, soit 1920 Hz, dans l'exemple considéré. Cette fréquence de filtrage est prise égale par exemple à sensiblement dix fois la fréquence du signal sinusoïdal, soit environ 500 Hz. Enfin, les bornes d'entrée d'un pont inverseur commandé 120 sont reliées en sortie de l'étage de réduction de la tension 70, c'est-à-dire aux bornes du condensateur de filtrage 76. Les bornes de la seconde sortie 16 sont formées par les bornes de sortie du pont inverseur commandé 120. Ce pont inverseur 120 comporte, sur chacune de ses quatre bran- ches, un organe de commutation 122 commandé en fonction d'un signal de commande. Ce signal de commande, engendré par tout dispositif approprié, est un signal logique synchronisé avec les arches de la sinusoïde souhaitée. Ce signal de commande a une fréquence de 120 Hz. Il est généré avanta- geusement par le micro-contrôleur formant le dispositif de pilotage 100 du pont diviseur. Lors du fonctionnement de l'alimentation, la durée de conduction de I'organe de commutation 32 est régulée en fonction de la tension à la pre- mière sortie 14 du dispositif. Ainsi, la régulation appliquée en amont du transformateur n'est assu- rée qu'en fonction de la sortie 14 fournissant une tension continue. En revanche, pour la fonction alternative, la régulation est effectuée seulement au sein du circuit de mise en forme 24. Cette régulation est indé- pendante de la régulation effectuée en amont du transformateur par les pre- miers moyens de régulation 26. Au cours d'un cycle, le dispositif de pilotage 100 assure la commuta- tion progressive des différents organes de commutation 94 intégrés dans le pont diviseur de tension 88, afin de modifier la tension appliquée en entrée du régulateur 86. Ainsi, la largeur des impulsions obtenues lors de la ferme- ture de l'organe de commutation 72 sous la commande du régulateur 86 est proportionnelle à l'écart entre la consigne imposée, fixée par exemple à 2,5 volts, et l'image du signal sinusoïdal atténué par la loi att(x). Le gain du régulateur 86 est choisi suffisamment grand pour que cet écart reste faible. Ainsi, un signal formé d'une succession d'arches sinusoïdales positi- ves est obtenu en sortie de l'étage de réduction de tension 70. Sa fréquence est de 120 Hz. Ce signal est asservi à la loi sinus engendrée numérique- ment par les commutations successives des organes de commutation. En fonction des imperfections des circuits utilisés, la loi d'atténuation att(x) peut être corrigée pour améliorer la pureté spectrale du signal sinusoï- dal synthétisé. On peut par exemple corriger les retards de propagation, les dissymétries dans le pont de sortie et les défauts de linéarité. Le signal obtenu en sortie de l'étage de réduction de tension 70 est constitué d'une succession d'arches positives de sinus. Le pont inverseur commandé 120 assure l'inversion d'une arche de sinus sur deux, conduisant ainsi à rendre alternatif le signal fourni à la se- conde sortie 16. L'inversion du signal s'effectue au passage par zéro du signal sinu- soïdal synthétisé. Ainsi, la solution proposée pour l'alimentation de charges avec une tension continue et une tension alternative engendrées à partir du courant électrique alternatif issu du réseau de distribution permet de ne mettre en oeuvre qu'un unique transformateur, dans lequel les deux bobinages se- condaires sont implantés sur le même circuit magnétique, excités par le bo- binage primaire alimenté depuis le réseau de distribution électrique. Le signal sinusoïdal est généré par synthèse à partir d'un signal continu formé en sortie du transformateur. La génération de puissance s'effectuant par découpage à haute fré- quence, les circuits utilisés présentent un faible encombrement et un faible poids compatibles avec l'environnement aéronautique. En effet, une conver- sion directe de la fréquence du réseau de distribution à une fréquence de 60 Hz conduirait à la mise en oeuvre de constituants volumineux difficilement compatibles avec les contraintes aériennes. Les asservissements mis en oeuvre tant pour le courant continu que pour le courant alternatif permettent des fréquences et des tensions de sor- tie très stables quelle que soit la charge, celle-ci pouvant varier de manière très importante. Par ailleurs, la génération du signal sinusoïdal étant réalisée de ma- nière numérique, celle-ci peut être corrigée des imperfections des circuits utilisés améliorant ainsi les performances de sortie du point de vue du taux de distorsion harmonique. Enfin, la génération du signal sinusoïdal étant synthétisée sous le pi- lotage d'un micro-contrôleur, le dispositif d'alimentation peut être facilement modifié par un simple changement des paramètres de commande du micro- contrôleur ou par une modification de seulement certains composants tels que les résistances 92. En particulier, la tension alternative peut être réduite à 100 volts au lieu de 110 volts et la fréquence peut être changée de 60 Hz à 50 Hz. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'alimentation (10) comportant: - une entrée (12) pour recevoir un courant électrique d'entrée; - des première et seconde sorties (14, 16) pour fournir un premier et un second courants électriques d'alimentation ayant chacun des caractéris- tiques propres; et - des moyens (18) de conversion du courant électrique connectés en- tre ladite entrée (12) et les première et seconde sorties (14, 16), caractérisé en ce que lesdits moyens (18) de conversion comportent un transformateur (20) comportant un bobinage primaire (20A) alimenté par le courant électrique d'entrée et un premier et un second bobinages secondai- res (20B, 200) alimentant, respectivement, les première et seconde sorties (14, 16) au travers de premier et second circuits de mise en forme (22, 24), le bobinage primaire (20A) et les premier et second bobinages secondaires (20B, 200) étant disposés sur un même circuit magnétique, en ce que le premier circuit de mise en forme (22) comporte des moyens (48) de régula- tion adaptés pour agir sur le courant électrique alimentant le bobinage pri- maire (20A), lesquels moyens (48) de régulation sont adaptés pour assurer une régulation en fonction d'un signal issu du premier circuit de mise en forme (22), et en ce que le second circuit de mise en forme (24) comporte des moyens autonomes (86, 88) de régulation du courant fourni par la se- conde sortie (16). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier circuit de mise en forme (22) est adapté pour fournir un courant continu. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second circuit de mise en forme (24) est adapté pour fournir un courant alternatif. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second circuit de mise en forme (24) comporte un étage de redressement (50, 52) et, en sortie dudit étage de redressement (50, 42), des moyens (70) de mo- dification de la tension selon un rapport de division variable. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens (70) de modification de la tension selon un rapport de division varia- ble comportent un régulateur (86) de la tension de sortie desdits moyens (70) de modification de la tension selon un rapport de division variable, et des moyens (88, 100) de commande dudit régulateur (86) à partir d'une ten- sion de commande variable. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens (88, 100) de commande d'une tension de commande variable com- portent un pont diviseur de tension (88) à rapport variable connecté en sortie desdits moyens (70) de modification de la tension selon un rapport de divi- sion variable. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, carac- térisé en ce que ledit second circuit de mise en forme (24) comporte, en sor- tie desdits moyens (70) de modification de la tension selon un rapport de division variable, un pont inverseur (120) commandé à une fréquence prédé- terminée. 8.- Dispositif selon la revendication 3, prise avec l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens (70) de modification de la tension selon un rapport de division variable sont adaptés pour engendrer un signal périodique ayant une fréquence double du courant alternatif fourni en sortie du second circuit de mise en forme (24).