Brevet FR2884804A1 — publié le 20061027

DISPOSITIF SOURCE DE SECOURS ELECTRIQUE DISPOSE SUR UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif source 5 de secours électrique sur un aéronef. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans la suite de la description on considérera, à titre d'exemple, un aéronef du type 10 avion. Une source électrique de secours couramment employée sur un avion plus électrique (ou more electric aircraft ) de type Airbus A380, est une turbine éolienne ( Ram Air Turbine ou RAT en anglais) entraînant un générateur électrique par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse. Dans des situations d'urgence à bord d'un avion, on peut utiliser une telle turbine éolienne pour générer une puissance suffisante pour permettre à cet avion de voler suffisamment longtemps et puis d'atterrir. Une turbine éolienne comprend une hélice qui est actionnée par l'air à haute vitesse circulant contre l'avion. L'hélice, qui tourne ainsi, entraîne une turbine qui fournit la puissance de secours nécessaire pour permettre aux systèmes critiques de l'avion, par exemple les commandes de vol, et les circuits avioniques clés, de continuer à fonctionner. En vol normal, l'ensemble est replié et emmagasiné dans le fuselage ou dans une aile de l'avion. Comme illustré sur la figure 1, les diverses charges électriques vitales 10 sont directement raccordées au générateur 11 de la turbine éolienne 12, qui comprend une hélice 13. Dans une telle configuration, la turbine éolienne 12 fournit la totalité de la puissance nécessaire au bon fonctionnement des charges électriques 10. Elle doit donc être dimensionnée selon le pire des cas (cas dimensionnant) de l'ensemble des systèmes consommateurs. On peut également utiliser une unité de puissance auxiliaire ( Auxiliary Power Unit ) comme source électrique de secours. Une telle unité est un groupe fonctionnant au kérosène et permettant la génération d'air d'une part, et d'électricité d'autre part. Il est généralement utilisé au sol dans les aéroports, avant le démarrage des réacteurs. Mais une telle unité présente les inconvénients suivants: - Les performances d'une telle unité sont limitées en altitude. En particulier, les démarrages à hautes altitudes sont difficiles et longs. Pour contrer cet inconvénient, il est possible de faire fonctionner une telle unité en permanence depuis l'aéroport, mais cela entraîne une surconsommation de kérosène. - Si on utilise une telle unité dans des conditions normales de fonctionnement de l'avion, et si on désire l'utiliser comme source de secours, cela pose des problèmes de ségrégation: réseau électrique normal / réseau électrique secours. Une source de secours indépendante permet de respecter les règles de ségrégation. - La source primaire d'énergie pour une telle unité est le kérosène. Une fuite dans les réservoirs de carburant entraîne donc l'impossibilité d'utiliser cette unité en secours. Les charges à alimenter en dernier secours électrique, dans un avion, sont de deux types: - les charges absorbant une puissance quasi constante dans le temps (calculateurs, etc.), - les charges fluctuantes absorbant une puissance variable au cours du temps (principalement les actionneurs de commande de vol à puissance électrique). Les charges fluctuantes représentent une part importante de la puissance consommée en secours. Elles engendrent des pointes de puissance atteignant approximativement la valeur de la puissance des charges constantes, soit un taux maximal d'intermittence de 50 Les dispositifs sources de secours électrique de l'art antérieur sont ainsi surdimensionnés par rapport à la puissance moyenne requise par les charges. L'invention a pour objet de pallier un tel inconvénient en permettant de dimensionner le dispositif source de secours au plus juste et réduire ainsi son encombrement. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif source de secours électrique disposé sur un aéronef, qui comprend une source d'énergie apte à fournir la puissance nécessaire au bon fonctionnement des charges électriques vitales, caractérisé en ce que, ces charges étant de deux types: - des premières charges, qui absorbent une puissance constante au cours du temps, - des secondes charges, qui absorbent une puissance variable au cours du temps, ce dispositif comprend: - une source d'énergie dimensionnée pour fournir la puissance moyenne absorbée par l'ensemble 15 des charges, - une source de puissance apte à fournir des pointes de puissance absorbées par les secondes charges. La source d'énergie peut être une turbine 20 éolienne de type RAT, une unité de puissance auxiliaire (APU), ou une pile à combustible. La source de puissance peut être un élément de stockage qui comprend des batteries d'accumulateurs et/ou des supercapacités et/ou un volant d'inertie. Dans un mode de fonctionnement avantageux la source d'énergie peut être une turbine éolienne qui impose sa tension au réseau de bord. Dans une variante l'élément de stockage peut imposer sa tension au réseau de bord. L'aéronef peut être un avion. Le dispositif de l'invention présente les avantages suivants. É L'association d'une source de puissance et d'une source d'énergie permet de tirer le meilleur parti de chacune d'entre elles, l'intérêt résidant en le sous-dimensionnement de la source primaire d'énergie. É La gestion d'énergie de l'ensemble par filtrage harmonique permet une grande efficacité, une simplicité de commande, et un maintien de l'état de charge du moyen de stockage, ce qui assure la disponibilité de la source de puissance. É Dans le cas d'une turbine éolienne, une stratégie d'optimisation de l'énergie éolienne permet de la dimensionner au plus juste. Ceci est rendu possible grâce à l'inversion des propriétés des sources: la tension du réseau est alors imposée par la source de puissance, et le courant imposé par la source d'énergie. É Grâce au moyen de stockage, une récupération d'énergie par les actionneurs de commande de vol pendant les phases de fonctionnement générateur est possible, notamment dans le cas d'un réseau en courant continu. On peut ainsi réduire les dissipations thermiques dans les actionneurs électriques. En effet ces actionneurs sont réversibles en puissance. Ils ont généralement besoin de puissance électrique pour fonctionner, mais il existe certaines phases de fonctionnement où ils génèrent de l'électricité. Ces phases sont de courtes durées, mais peuvent être assez fréquentes. Actuellement, toute l'énergie générée par les actionneurs est dissipée sous forme de chaleur, ce qui élève fortement la température interne de ceux-ci. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un dispositif de l'art antérieur. La figure 2 illustre le dispositif de l'invention. La figure 3 illustre une variante du dispositif de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif de l'invention, comme illustré sur la figure 2, comprend un élément de stockage 15. Il associe deux types de sources: une source d'énergie, ici une turbine éolienne 12, capable de fournir la puissance moyenne absorbée par l'ensemble des charges, - une source de puissance, ici l'élément de stockage 15, capable de fournir les pointes de puissance absorbées par les charges fluctuantes. Sur la figure 2 sont illustrées: - une puissance Pl circulant de la source d'énergie 12 aux consommateurs (charges 10). Il s'agit de la puissance moyenne absorbée par ces derniers, - une puissance P2 stockée dans l'élément de stockage 15, - une puissance éventuelle P3 récupérée en provenance de certains consommateurs (ceux qui sont réversibles en puissance). Cette puissance P3 se présente sous la forme de pointes de courte durée ( peak ), - une puissance P4 restituée aux consommateurs (charges 10) par l'élément de stockage 15. Cette puissance est très fluctuante, et peut atteindre des valeurs élevées pendant de courtes durées d'où le terme peak . Dans la suite de la description la source d'énergie considérée à titre d'exemple est une turbine éolienne. Elle joue, en effet, le rôle d'une source d'énergie dans le sens où elle est capable de délivrer une puissance au moins égale à la puissance moyenne désirée pendant un temps correspondant à l'ensemble de la mission de vol en mode secours. Une telle source d'énergie pourrait également être une unité de type APU fonctionnant au kérosène ou à l'hydrazine entraînant un générateur électrique, une pile a combustible, etc. La source de puissance est réalisée par un élément de stockage 15, par exemple des batteries d'accumulateurs, des supercapacités, un volant d'inertie, ou l'association de plusieurs de tels éléments de stockage (exemple des batteriessupercapacités). Une telle source de puissance permet de fournir des puissances importantes pendant de courtes durées vis a vis de la mission de vol en mode secours. Une telle architecture hybride peut aussi bien s'appliquer dans le cas d'un réseau de bord continu qu'alternatif. Cependant, suivant les configurations, les convertisseurs statiques requis au niveau des sources de puissance et d'énergie peuvent s'avérer plus complexes, lourds, encombrants et coûteux avec un réseau alternatif. Le principe général de la gestion de la charge de l'élément de stockage 15 consiste à réaliser une fonction de filtrage passe-haut, grâce à l'association élément de stockage-chaîne de conversion statique , et grâce à une gestion adaptée ( contrôle-commande logiciel ). Il faut, en effet, voir l'élément de stockage comme un filtre de puissance. La charge absorbe une puissance très fluctuante au cours du temps. Le spectre fréquentiel de la puissance est donc riche en harmoniques basses, moyennes et hautes fréquences. Le principe de filtrage consiste donc à séparer le spectre fréquentiel en deux: les très basses fréquences (approximativement la valeur moyenne de puissance) qui transitent par la turbine 12, et les plus hautes fréquences qui transitent par le système de stockage 15. Sur un temps suffisamment long la puissance moyenne transitant par l'élément de stockage 15 est nulle. Ceci permet de maintenir l'état de charge de cet élément. De cette façon, la puissance de stockage est nulle en valeur moyenne sur un temps à peine supérieur à l'inverse de la fréquence de filtrage choisie. Un tel procédé de filtrage permet donc de filtrer les pointes de consommation sans se préoccuper, en valeur moyenne, de l'état de charge de l'élément de stockage. En pratique, l'élément de stockage 15 supposé initialement chargé, se décharge pendant les pointes de puissance consommée par la charge 10. Entre ces pointes, l'élément de stockage 15 se recharge en prélevant l'énergie nécessaire à la turbine 12, qui fournit la puissance moyenne consommée ainsi que les pertes. Contrairement à une turbine seule, la structure hybride du dispositif de l'invention est réversible en puissance. Il est donc également envisageable de récupérer de l'énergie du réseau de bord vers l'élément de stockage 15. En effet, il suffit d'exploiter la réversibilité en puissance de certaines charges, les actionneurs en particulier. Mais, ceci n'est possible qu'avec des actionneurs conçus pour exploiter cette réversibilité, et s'applique donc de préférence au cas d'un réseau de bord de l'avion en haute tension continue. Dans le dispositif de l'art connu illustré sur la figure 1, la turbine 12 impose la tension au réseau de bord. En conservant ce principe, la turbine 12 garde ses propriétés de source de tension dans la structure avec l'élément de stockage 15 du dispositif de l'invention tel qu'illustré sur la figure 2. L'élément de stockage 15 fonctionne donc en source de courant, en imposant un courant variable en fonction des pointes de puissance à fournir. Il est néanmoins possible, dans une variante de réalisation, d'imaginer d'inverser les propriétés des sources, en demandant à l'élément de stockage 15 d'imposer la tension au réseau de bord et à la turbine d'imposer son courant lentement variable, comme illustré sur la figure 3. Les transferts de puissance illustrés sur la figure 2 sont conservés. En revanche, cela libère un degré de liberté sur le générateur 11 de la turbine 12: le courant d'excitation Jexc, auparavant ajusté pour réguler la tension réseau. Puisque cette tension ne doit plus être imposée par la turbine, le réglage du courant d'excitation Jexc permet de se placer au point de fonctionnement optimal sur la caractéristique couple-vitesse de la turbine 12. Il est alors possible de réaliser une fonction d'optimisation de la puissance fournie par la turbine 12 (stratégie MPPT: Maximum Power Point Tracking ). La gestion d'énergie considérée pour le système de l'invention tel qu'illustré sur la figure 2 reste utilisable dans la variante illustrée sur la figure 3. La plus value apportée par cette inversion des types de sources est l'optimisation de l'énergie récupérée par la turbine 12, permettant de contribuer à réduire les dimensions de cette dernière. REVENDICATIONS 1. Dispositif source de secours électrique disposé sur un aéronef, qui comprend une source d'énergie apte à fournir la puissance nécessaire au bon fonctionnement des charges électriques vitales (10), caractérisé en ce que, ces charges étant de deux types: - des premières charges, qui absorbent une 10 puissance constante au cours du temps, - des secondes charges, qui absorbent une puissance variable au cours du temps, ce dispositif comprend: - une source d'énergie (12) dimensionnée 15 pour fournir la puissance moyenne absorbée par l'ensemble des charges, - une source de puissance (15) apte à fournir des pointes de puissance absorbées par les secondes charges. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la source d'énergie (12) est une turbine éolienne. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la source d'énergie (12) est une unité de puissance auxiliaire. 4. Dispositif selon la revendication 1, 30 dans lequel la source d'énergie (12) est une pile à combustible. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la source de puissance est un élément de stockage (15). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel cet élément de stockage comprend des batteries d'accumulateurs. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel cet élément de stockage comprend des supercapacités. 8. Dispositif selon l'une quelconque des 15 revendications 5 à 7, dans lequel cet élément de stockage comprend un volant d'inertie. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source d'énergie est une turbine éolienne qui impose sa tension au réseau de bord. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel l'élément de stockage 25 impose sa tension au réseau de bord. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'aéronef est un avion.