Brevet FR2881896A1 — publié le 20060811

SYSTEME DE GENERATION ELECTRIQUE À FREQUENCE FIXE À COUPLEUR A INDUCTION ET UTILISATION DE CELUI-CI DANS UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système de génération électrique à fréquence fixe à coupleur à induction et l'utilisation de celui-ci dans un aéronef. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine de l'invention est celui des systèmes de génération électrique alternative principale et de dernier secours à bord des aéronefs. Mais c'est également celui de la production d'énergie électrique à partir d'une source mécanique de régime variable. Les avions sont très souvent équipés d'alternateurs produisant du courant alternatif à 20 fréquence constante. L'un des principaux avantages du courant alternatif à fréquence constante par rapport au courant à fréquence variable, est sa simplicité d'emploi pour les consommateurs. Par contre, sa production nécessite une technique plus compliquée. En effet, l'obtention d'une fréquence constante oblige les constructeurs à prévoir un entraînement à vitesse constante. La fréquence constante couramment utilisée est de 400 Hz. La figure 1 illustre une telle génération du courant alternatif à fréquence fixe avec: - situés entre un moteur 8 et un bus 9: É un bloc d'entraînement à vitesse constante 4, É un bloc alternateur 5, É un relais de ligne 6, - et un dispositif de régulation 7 relié à chacun de ces trois éléments 4, 5, 6 et à l'entrée du relais de ligne 6. Bloc d'entraînement à vitesse constante 4 Sur la figure 1 le bloc d'entraînement à vitesse constante 4 est distinct du bloc alternateur 5. En fait, l'ensemble de ces deux éléments constitue un tout fixé généralement dans le voisinage de la partie inférieure du moteur 8 auquel il est couplé. Ce bloc d'entraînement à vitesse constante 4, désigné par l'appellation abrégée CSD ( Constant Speed Drive ), est un dispositif dont l'arbre d'entrée est entraîné à une vitesse variant avec le régime moteur, et dont l'arbre de sortie délivre une vitesse constante. Cet arbre de sortie entraîne donc le bloc alternateur 5 à vitesse constante et donc à fréquence constante puisque f = p N avec: f = fréquence, p = nombre de paires de pôles de l'alternateur 5, N = nombre de tours/seconde du rotor du bloc alternateur 5. On fixe généralement une plage de variation de la vitesse d'entrée à l'intérieur de laquelle on peut avoir en sortie une vitesse constante. Le bloc d'entraînement à vitesse constante 4 comprend: - un bloc cylindre, - un différentiel hydraulique. Le bloc cylindre est constitué d'une pompe et d'un moteur à barillets qui sont placés bout à bout. Le moteur a un plateau fixe tandis que la pompe a un plateau à inclinaison variable. Le contrôle de l'inclinaison du plateau permet de faire varier la vitesse de l'arbre du moteur ainsi que de choisir son sens de rotation. Le différentiel hydraulique est constitué de deux planétaires et deux satellites. L'arbre d'entrée est le porteur des planétaires et entraîne en rotation la pompe hydraulique alimentant le moteur. Le moteur entraîne en rotation le satellite de réglage de vitesse. Le satellite de sortie entraîne le rotor de l'alternateur. Lorsque la vitesse de l'arbre d'entrée varie, le plateau à inclinaison variable de la pompe est positionné de manière à ajuster la vitesse du rotor de l'alternateur en faisant varier celle du satellite de réglage. Lorsque la vitesse à l'entrée est insuffisante, on rajoute des tours/mn. Lorsque la vitesse est trop élevée, on enlève des tours/mn en inversant le sens de rotation du moteur. Lorsque le régime d'entrée est exactement celui que l'on veut, le plateau est en position verticale et le différentiel ne tourne plus. Bloc alternateur 5 Le bloc alternateur 5 comprend trois appareillages accolés: - un alternateur principal; - une excitatrice; -un générateur à aimants permanents (PMG 10 ou Permanent Magnet Generator ). Le générateur PMG, l'excitatrice, et l'alternateur possèdent chacun leur propre rotor. Les trois rotors sont solidaires du même arbre et sont donc entraînés à la même vitesse. Le rotor du générateur PMG comporte des aimants permanents. Dès que ce rotor est entraîné en rotation,, on peut recueillir de l'énergie électrique aux bornes du stator sans fournir aucune excitation. Ce courant électrique redressé est envoyé, par l'intermédiaire d'un boîtier de régulation, au stator inducteur de l'excitatrice. On recueille alors aux bornes du rotor de l'excitatrice un courant alternatif qui, redressé par des diodes logées dans l'arbre d'entraînement commun (diodes tournantes), permet l'excitation de l'alternateur. Dispositif régulateur 7 Ce dispositif régulateur de tension 7 permet de maintenir une tension de sortie de valeur efficace constante. Le bloc alternateur 5 est surexcité lorsque la tension tend à diminuer ou bien est sous-excité lorsque la tension tend à augmenter. Pour cela on compare la tension de sortie du bloc alternateur 5 à une tension de référence, l'écart est amplifié et un courant qui lui est proportionnel permet de modifier l'excitation et la force électromotrice de l'alternateur. Différents systèmes de l'art connu permettent une génération de courant à fréquence constante. Ces systèmes présentent de nombreux inconvénients: Le générateur IDG ( Integrated Drive Generator ) de la société HamiltonSundstrand consiste en l'intégration dans une même enveloppe d'un CSD ( Constant Speed Drive ) et d'un alternateur triphasé à trois étages. Le CSD sert à réguler la vitesse mécanique pour l'entraînement de l'alternateur afin de générer une fréquence fixe de 400Hz. La valeur efficace des tensions de sortie est régulée à 115V. Ce générateur présente de nombreux inconvénients: prix d'achat élevé, coût de maintenance élevé, qualité de l'huile essentielle, masse élevée, rendement faible, fiabilité moyenne et difficile à maintenir du fait de la complexité, performances dépendantes de l'état d'usure du CSD, échangeur de taille importante (impact moteur), monopole fournisseur. - Le générateur VSCF ( Variable Speed 30 Constant Frequency ) de la société Hamilton-Sundstrand consiste en l'association d'un générateur VFG ( Variable Frequency Generator ) et d'un convertisseur statique d'énergie électrique de type fréquence variable/fréquence fixe. Ce système nécessite souvent la création de deux réseaux électriques: un à fréquence fixe et un à fréquence variable, afin de conserver des masses et des fiabilités raisonnables. Ce générateur présente de nombreux inconvénients: prix d'achat élevé, masse élevée due à la présence d'un convertisseur statique très puissant et lignes d'alimentation dimensionnées pour 800Hz, rendement médiocre en fréquence fixe, fiabilité faible du fait du convertisseur statique et inversement proportionnelle à la puissance, puissance faible en fréquence fixe. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objet de permettre une alimentation de toute charge électrique en énergie sous la forme de tensions triphasées de valeur efficace constante et de fréquence constante quel que soit le régime moteur compris entre des vitesses limites, qui sont, pour un aéronef, les vitesses Ground Idle speed (ralenti sol) et take-off speed (vitesse décollage), avec une meilleure fiabilité que les systèmes de l'art connu. L'invention a également pour objet de permettre une utilisation en moteur pour effectuer le démarrage du moteur auquel il est accouplé mécaniquement. L'invention propose un système de génération électrique à fréquence fixe à coupleur d'induction, caractérisé en ce qu'il comprend: -un générateur électrique sans bagues ni balais, - un régulateur de vitesse à induction, couplés mécaniquement, de manière à transformer une énergie mécanique entrant, au moyen d'un arbre tournant à régime variable, en énergie électrique sortant sous la forme d'au moins une tension alternative de valeur efficace et de fréquence constante. Avantageusement le générateur électrique comprend: - un étage primaire, qui fournit l'énergie électrique permettant au système d'être autonome, un étage secondaire d'excitation servant à contrôler la magnétisation de l'étage tertiaire, - cet étage tertiaire, qui est l'étage de puissance de production d'énergie électrique. Avantageusement le régulateur de vitesse à induction comprend: -un étage excitateur servant à contrôler la magnétisation d'un étage régulateur de vitesse à induction, cet étage régulateur permettant de fournir un régime mécanique fixe et régulé à partir d'un régime mécanique variable. Avantageusement l'étage excitateur est constitué d'un stator qui est alimenté par une source 30 de courant continu dont on peut régler l'intensité et d'un rotor tournant au régime mécanique d'entrée et muni d'une armature triphasée. Avantageusement l'étage régulateur de vitesse à induction est constitué d'un rotor, solidaire mécaniquement du précédent rotor, muni d'un bobinage monophasé et d'une cage en court-circuit dont on veut réguler la pulsation de rotation. Avantageusement l'armature triphasée du rotor de l'étage excitateur est connectée à l'armature monophasée du rotor de l'étage régulateur par l'intermédiaire d'un redresseur. Avantageusement l'intensité du courant traversant le stator de l'étage excitateur est contrôlée au moyen d'un hacheur de tension de faible puissance. Le système de l'invention présente les caractéristiques avantageuses suivantes: É simplicité et fiabilité (pas de 20 constant speed drive ), É faible usure (pratiquement sans contact), É fonctionnement en démarreur possible avec deux onduleurs de faible puissance, É coût plus faible, É ouverture à la concurrence. Le système de l'invention peut être utilisé sur un avion comme générateur principal ou comme générateur de dernier secours: - Générateur principal S'il est utilisé en générateur principal, le système de l'invention est couplé à la boîte à accessoires et est entraîné mécaniquement. Il permet d'alimenter toutes les charges électriques alternatives à bord. En fonctionnement normal, il se comporte comme une génératrice synchrone (alternateur triphasé). Dans la mesure où il est réversible, il peut être utilisé en moteur pour démarrer le moteur de l'avion. Pour obtenir un mode de fonctionnement en mode démarreur , le stator du générateur électrique doit être alimenté par le réseau alternatif en triphasé et il doit être excité de façon contrôlée en mesurant la fréquence du générateur à aimants permanents. - Générateur de dernier secours S'il est utilisé en générateur de dernier secours, le système de l'invention est couplé à une éolienne (hélice à pas variable). En cas de perte des générateurs principaux, cet ensemble se déploie à l'extérieur de l'avion et est entraîné en rotation par la vitesse de l'air. Le système de l'invention assure, alors, la disponibilité des systèmes essentiels de l'avion. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un générateur de courant alternatif de l'art connu. La figure 2 illustre le système de génération électrique à fréquence fixe à coupleur à induction de l'invention, dans un fonctionnement en générateur. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système de génération de fréquence fixe de l'invention est un convertisseur électromécanique qui permet d'alimenter toute charge électrique en énergie, sous la forme de tensions triphasées de valeur efficace et de fréquence constantes, à partir d'une source mécanique de régime variable. Le système de l'invention, comme illustré sur la figure 2, comprend: - un générateur électrique ou alternateur 10 sans bagues ni balais, - un régulateur de vitesse à induction 11, couplés mécaniquement par l'intermédiaire de deux pignons 12 et 13, de manière à transformer une énergie mécanique entrant au moyen d'un premier arbre 14 tournant à régime variable, en énergie électrique sortant sous la forme d'au moins une tension alternative 15 monophasée ou polyphasée de valeur efficace et de fréquence constantes. Le générateur électrique 10, est basé sur un système rotor/stator à trois étages: É un étage primaire 20 appelé générateur 25 à aimants permanents fournissant l'énergie électrique permettant au générateur d'être autonome, É un étage secondaire 21 appelé excitatrice ( exciter ) servant à contrôler la magnétisation de l'étage tertiaire, É cet étage tertiaire 22 appelé générateur principal ( Main Generator ) qui est l'étage de puissance de production d'énergie électrique relié à l'étage secondaire par un redresseur 19. Ces trois étages 20, 21 et 22 ont leurs rotors solidaires d'un second arbre 25 mobile entre deux roulements à billes 26 et 27. Ce générateur à trois étages, bien connu de l'homme de métier, a pour avantage de permettre de supprimer les liaisons de type bague ou balai afin d'en augmenter la fiabilité et d'obtenir un générateur adapté aux pulsations de rotation élevées. Le régulateur de vitesse à induction 11 est basé sur un système à deux étages: É un étage excitateur 30 (ou alternateur inversé) servant à contrôler la magnétisation d'un étage régulateur de vitesse à induction 31, É cet étage régulateur 31, qui permet de fournir un régime mécanique fixe et régulé à partir 20 d'un régime mécanique variable. Pour des raisons de simplification de l'exposé, les bobinages sont supposés bipolaires et mono ou triphasés. Le principe de fonctionnement serait analogue dans le cas général de bobinages multipolaires et polyphasés. L'étage excitateur 30 est constitué d'un stator 32 (inducteur auxiliaire) qui est alimenté par un courant continu fourni par une source 40, dont on peut régler l'intensité, et d'un rotor 33, tournant au régime mécanique d'entrée et muni d'une armature triphasée. L'étage régulateur de vitesse à induction 31 est constitué d'un rotor 34, solidaire mécaniquement du précédent rotor 33, muni d'un bobinage monophasé (inducteur principal), et d'une cage 35 en court-circuit (induit ou stator tournant 37) dont on veut réguler la pulsation de rotation. L'armature triphasée du rotor 33 est connectée à l'armature monophasée du rotor 34 par l'intermédiaire d'un redresseur 36. L'intensité du courant traversant le stator 32 de l'étage excitateur 30 est contrôlée au moyen d'un hacheur de tension de faible puissance. Le régime mécanique de la cage 35, quand elle est libre en rotation autour du rotor 34, est donc une fonction du régime mécanique d'entrée et du courant inducteur. Il existe donc une loi permettant de la conserver constante quel que soit le régime d'entrée et/ou la charge électrique en sortie. L'étage excitateur 30, l'étage régulateur de vitesse à induction 31 ont leurs rotors 33 et 34 solidaires du premier arbre 14 mobile entre deux roulements à billes 41, 42. La cage 35 est mobile de manière concentrique à ce premier arbre 14 entre deux roulements à billes 43 et 44. Le système de l'invention peut fonctionner en générateur et en moteur. Fonctionnement en générateur Comme illustré sur la figure 2, l'arbre d'entrée 14 est entraîné mécaniquement à un régime variable de pulsation SZs. Le stator 32 de l'étage excitateur 30 est alimenté par la source 40 de courant continu Je, dont on peut ajuster la valeur en temps réel. Ce stator 32 créée un champ magnétique He de direction fixe et qui est proportionnel au courant Je. L'armature triphasée au rotor 33 de cet étage excitateur 30 est le siège d'une force électromotrice triphasée (loi de Faraday) d'amplitude maximale Ee et de pulsation coe. Cette force électromotrice est redressée dans le redresseur 36 pour alimenter le rotor 34 de l'étage régulateur de vitesse 31. Ce rotor 34 est, par conséquent, parcouru par un courant continu Jr proportionnel à la force électromotrice Ee. Le courant Jr donne naissance à un champ magnétique principal Hr qui tourne à la pulsation ns du fait de l'entraînement de l'arbre d'entrée 14. La cage 35 est une cage en court-circuit semblable à celle d'un moteur asynchrone à induction. Elle est libre en rotation autour du rotor 34 et s'engrène, par l'intermédiaire des pignons 12 et 13, avec le rotor du générateur électrique 10 qui lui oppose un couple résistant de valeur instantanée Cg dépendant de la charge électrique. Lorsque la cage 35 est à l'arrêt, elle est le siège d'une force électromotrice d'amplitude maximale Ec et de pulsation ec proportionnelle à SZs et au nombre de paires de pôles p du rotor 34. Compte tenu du courtcircuit, Ec donne naissance à des courants induits le tels que le champ qu'ils engendrent va tenter de s'opposer à la cause qui leur donne naissance: la variation de flux. En conséquence, la cage 35 va s'animer d'un mouvement de rotation de pulsation S2 entraînant avec elle le rotor du générateur électrique 10 à la pulsation S2c et cela proportionnellement au rapport d'engrenage y des pignons 12 et 13. La valeur instantanée de la pulsation S2 est une fonction de trois paramètres pulsation 52s, courant Je, couple Cg. En conséquence, quel que soit le régime mécanique d'entrée ou quelle que soit la charge du générateur électrique 10, il est possible de trouver une valeur de courant d'excitation dans le stator 32 de l'étage excitateur 30 telle que l'on maintienne la pulsation mécanique de la cage 35 constante et donc, une fréquence constante pour le générateur électrique 10. Fonctionnement en moteur Dans ce mode de fonctionnement, la réversibilité du générateur 10 est utilisée. L'armature polyphasée du générateur à aimants permanents 20 associée à son rotor constitue un moteur multipolaire à aimants permanents ( brushless motor ). Si on pilote la tension et la fréquence de ce moteur au moyen d'un onduleur de faible puissance, on obtient un démarreur auxiliaire qui sert à mettre en rotation et à accélérer le système {rotor du générateur électrique 10; cage 35} ; le rotor 34 de l'étage régulateur 31 étant à l'arrêt car découplé mécaniquement de la cage 35. Lorsque l'on atteint la pulsation de synchronisme (équivalent à 400Hz au stator générateur électrique 10), il suffit d'alimenter le stator du générateur électrique 10 par les tensions réseau à 400Hz et aussi le stator de l'étage d'excitation 21 du générateur électrique 10 par un courant continu pour entretenir la rotation. Le générateur électrique 10 fonctionne alors en moteur synchrone à vide ayant pour couple résistant celui engendré par les seules inerties de son propre rotor et de la cage 35 s'engrenant entre eux. On peut, dès lors, couper l'alimentation du générateur à aimants permanents. A ce stade, le système de l'invention est prêt pour amorcer le démarrage d'un réacteur.. Si on fait l'hypothèse que l'armature statorique du stator 32 de l'étage excitateur 30 du régulateur de vitesse à induction 11 est triphasée (elle est monophasée en mode générateur) et qu'elle est alimentée par des courants triphasés générant un champ tournant en sens inverse par rapport au mouvement de la cage 35, on peut générer un champ fixe du rotor 34 de l'étage régulateur de vitesse à induction 31. L'amplitude maximale de ce champ croît avec la fréquence et l'intensité des courants et aussi avec la pulsation du rotor 34 de l'étage régulateur de vitesse à induction 31 lorsque le réacteur va commencer à être entraîné. En contrôlant la valeur instantanée de ce courant et de cette fréquence, on a le contrôle du glissement. En conséquence, on maîtrise l'accélération du réacteur pendant sa phase de démarrage. Afin d'éviter le décrochage du moteur synchrone > au cours du démarrage du réacteur, il suffit d'effectuer une mesure temps réel de la position du rotor du générateur électrique 10 (fréquence générateur à aimants permanents) par rapport à la position du champ tournant stator (fréquence des courants stator) et d'ajuster l'excitation en conséquence. REVENDICATIONS 1. Système de génération électrique à fréquence fixe à coupleur d'induction, caractérisé en ce qu'il comprend: - un générateur électrique (10) sans bagues ni balais, un régulateur de vitesse à induction (1l), couplés mécaniquement, de manière à transformer une énergie mécanique entrant au moyen d'un arbre (14) tournant à régime variable en énergie électrique sortant sous la forme d'au moins une tension alternative (15) de valeur efficace et de fréquence constantes. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le générateur électrique (10) comprend: un étage primaire (20) qui fournit l'énergie électrique permettant au système d'être autonome, un étage secondaire d'excitation (21) servant à contrôler la magnétisation de l'étage tertiaire, - cet étage tertiaire (22) qui est l'étage de puissance de production d'énergie électrique. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le régulateur de vitesse à induction (11) comprend: un étage excitateur (30) servant à contrôler la magnétisation d'un étage régulateur de vitesse à induction (31), - cet étage à régulateur ((31) permettant 5 de fournir un régime mécanique fixe et régulé à partir d'un régime mécanique variable. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel l'étage excitateur (30) est constitué d'un stator (32) qui est alimenté par une source (40) de courant continu, dont on peut régler l'intensité, et d'un rotor (33) tournant au régime mécanique d'entrée et muni d'une armature triphasée. 5. Système selon la revendication 3, dans lequel l'étage régulateur de vitesse à induction (31) est constitué d'un rotor (34), solidaire mécaniquement du rotor (33) de l'étage excitateur (30), muni d'un bobinage monophasé et d'une cage en court-circuit (35) dont on veut réguler la pulsation de rotation. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel la cage (35) est solidaire d'un pignon (13) qui engrène avec un pignon (12) solidaire du rotor du générateur électrique (10). 7. Système selon la revendication 5, dans lequel l'armature triphasée du rotor (33) de l'étage 30 excitateur (30) est connectée à l'armature monophasée du rotor (34) de l'étage régulateur (31) par l'intermédiaire d'un redresseur (36). 8. Système selon la revendication 4, dans lequel l'intensité du courant traversant le stator (32) de l'étage excitateur (30) est contrôlée au moyen d'un hacheur de tension de faible puissance. 9. Utilisation du système de l'invention 10 selon l'une quelconque des revendications précédentes sur un aéronef comme générateur électrique. 10. Utilisation du système de l'invention selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 sur un 15 aéronef comme moteur électrique.