Brevet FR2907283A1 — publié le 20080418

DISPOSITIF ET PROCEDE D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'AU MOINS UNE MACHINE A INDUCTION A BORD D'UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif et un 5 procédé d'alimentation électrique d'au moins une machine à induction à bord d'un aéronef. Dans la suite, pour des raisons de simplification de la description, on considère, à titre d'exemple, un aéronef de type avion. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une machine à induction (moteur asynchrone) est un actionneur électromécanique largement utilisé dans le domaine aéronautique. Une telle machine 15 présente, en effet, de nombreux avantages du fait de son principe simple de fonctionnement, de sa robustesse et de sa simplicité de fabrication. Les architectures systèmes des avions utilisent largement le moteur asynchrone triphasé dans 20 des applications nécessitant l'entraînement de charges mécaniques telles que des pompes hydrauliques, des pompes carburant ou des ventilateurs. Dans un premier temps, l'alimentation des machines à induction par des barres de distribution 25 électriques ne posait pas de problème particulier car la tension et la fréquence d'alimentation étaient toutes deux maintenues constantes (115 volts alternatifs, 400 Hz). Avec une demande toujours 2907283 2 croissante de disponibilité des systèmes avion, les réseaux électriques de bord se transforment peu à peu en réseaux à fréquence variable (360Hz-800Hz), ce qui permet de simplifier et de fiabiliser les systèmes de génération d'énergie électrique. Mais, lorsqu'on augmente la fréquence d'alimentation d'une machine à induction sur une large plage de fréquences tout en maintenant la tension constante, le flux maximal dans l'entrefer décroît et donc le couple mécanique maximal fourni par la machine diminue dans des proportions très importantes pour les hautes fréquences : le couple maximal décroît avec le carré de la fréquence. L'alimentation directe d'une telle machine par un réseau à fréquence variable entraîne donc une augmentation de masse, ainsi qu'une dégradation du rendement, qui ne sont pas envisageables. Une solution envisageable pour résoudre un tel problème technique consiste à ajouter un convertisseur statique (électronique de puissance) entre la barre de distribution de fréquence variable et la machine à induction afin de recréer une tension et une fréquence fixe par transformation de l'énergie électrique. Une telle solution présente l'avantage de permettre de continuer à utiliser les machines à induction dans les avions utilisant des réseaux de bord à fréquence variable. Cependant, cette solution nécessite d'adjoindre un convertisseur statique à deux étages de transformation (redresseur + onduleur) à la machine à induction, ce qui réduit d'un ordre de grandeur la fiabilité de l'ensemble. 2907283 3 La présente invention a pour objet de résoudre un tel problème technique en proposant un dispositif et un procédé d'alimentation électrique d'au moins une machine à induction à bord d'un aéronef, qui 5 soit une solution à la fois simple et fiable, sans augmentation de masse et sans électronique de puissance. EXPOSÉ DE L'INVENTION 10 L'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique d'au moins une machine à induction à bord d'un aéronef, par exemple un avion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une source de type CVFR, dans laquelle la tension et la fréquence 15 sont toutes deux variables mais dans un rapport constant, qui alimente cette au moins une machine à induction. Avantageusement, la au moins machine à induction est un moteur asynchrone à au moins deux 20 cages, ou un moteur asynchrone à encoches profondes. Dans un premier mode de réalisation, le dispositif de l'invention comprend un alternateur à aimants permanents. Dans un second mode de réalisation, le 25 dispositif de l'invention comprend un alternateur de type VFG contrôlé par un générateur de contrôle. Dans un troisième mode de réalisation, le dispositif de l'invention comprend un régulateur à induction et une boucle de régulation de position 30 angulaire, qui comprend avantageusement un diviseur, un comparateur à une valeur référence, un onduleur de 2907283 4 faible puissance et un actionneur de positionnement angulaire. L'invention concerne également un procédé d'alimentation électrique d'au moins une machine à 5 inducation à bord d'un aéronef, par exemple un avion, caractérisé en ce qu'on alimente cette au moins une machine à induction avec au moins une source de type CVFR, dans laquelle la tension et la fréquence sont toutes deux variables mais dans un rapport constant. 10 Dans un premier mode de réalisation, on utilise un alternateur à aimants permanents pour réaliser une source de type CVFR. Dans un second mode de réalisation, on utilise un générateur de type VFG pour réaliser une 15 source de type CVFR. Dans un troisième mode de réalisation, on utilise un régulateur à induction alimenté par un réseau de tension fixe et de fréquence variable, et dont on asservit la position quasi-statique du rotor au 20 rapport de la tension à la fréquence. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre une alimentation à tension constante et fréquence variable d'une machine à 25 induction. La figure 2 illustre une alimentation de type CVFR d'une machine à induction, selon l'invention. Les figures 3A à 3C illustrent une alimentation de type CVFR avec un moteur à double cage. 30 La figure 4 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention. 2907283 5 La figure 5 illustre un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. Les figures 6A et 6B illustrent un troisième mode de réalisation du dispositif de 5 l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 illustre une alimentation à tension constante et fréquence variable d'une machine à 10 induction. Cette figure représente la variation en fonction de la tension V et de la fréquence f du couple maximal d'une machine à induction, qui est un actionneur à flux forcé par la tension et la fréquence d'alimentation. Ce couple C tel que : C = k(V/f)2. Les 15 courbes de la figure 1 illustrent ainsi l'évolution du couple électromagnétique d'une machine à induction lorsque la tension est maintenue constante à 115 volts et lorsque la fréquence varie de 400 Hz à 800 Hz, la courbe 10 correspondant à un couple de 400 Hz, la 20 courbe 11 correspondant à un couple à 600 Hz et la courbe 12 correspondant à un couple à 800 Hz. Le couple maximal à 800 Hz est le quart du couple à 400 Hz ; ce qui démontre qu'un tel mode d'alimentation n'est pas souhaitable. 25 Le dispositif de l'invention consiste à utiliser une machine à induction alimentée par une source de type CVFR ( constant voltage-to-frequency ratio ) où la tension et la fréquence varient, mais dans un rapport maintenu constant. La courbe de la 30 figure 2 illustre l'évolution du couple électromagnétique d'une telle machine : la courbe 20 2907283 6 correspondant à un couple à 115 volts et 400 Hz, la courbe 21 correspondant à un couple à 172,5 volts et 600 Hz et la courbe 22 correspondant à un couple à 230 volts et 800 Hz. Le couple maximal est inchangé sur 5 toute la plage de variation de la fréquence. Néanmoins, le couple de démarrage décroît, ce qui peut poser certains problèmes de démarrage à pleine charge. La figure 3A illustre le détail de constitution d'un rotor de moteur asynchrone dit à 10 double cage . Dans ce cas, le moteur est muni d'un rotor constitué de deux cages concentriques 30 et 31, la cage extérieure 30 présentant une forte résistance et une faible inductance ; la cage intérieure 31 présentant une faible résistance et une forte 15 inductance. La figure 3B illustre les couples C produits par les deux différentes cages, la courbe 32 correspondant à la cage extérieure, la courbe 33 correspondant à la cage intérieure, la courbe 34 20 correspondant au couple total. Au démarrage et aux basses vitesses de rotation (le glissement est proche de 1), la variation du champ est telle que, à cause de l'effet de peau, le champ ne pénètre quasiment pas dans le rotor et seule 25 la cage extérieure 30 (de faible inductance et de forte résistance) a une influence. Aux fortes vitesses de rotation (le glissement est voisin de 0), le champ tourne lentement par rapport au rotor et il pénètre profondément dans celui-ci. A ce moment là, la cage 30 intérieure 31 (de faible résistance et forte inductance) exerce son influence tandis que la cage 2907283 7 extérieure 30 présente une impédance trop élevée pour que des courants importants s'y développent. Celle-ci perd donc de son influence. Aux vitesses de rotation intermédiaires, la cage intérieure 31 et la cage 5 extérieure 30 contribuent à la création de couple. Dans tous les cas, le couple du moteur est donné par la somme instantanée des couples produits par les cages intérieure et extérieure 31 et 30. Les courbes de la figure 3C, illustrent le 10 comportement en fréquence d'un moteur à double cage alimenté par une source de type CVFR, conformément à l'invention, la courbe 36 correspondant à un couple à 115 volts, 400 Hz, la courbe 37 correspondant à un couple à 172,5 volts, 600 Hz et la courbe 38 15 correspondant à un couple à 330 volts, 800 Hz. Un tel dispositif permet également d'améliorer considérablement les couples de démarrage sur toute la plage de fréquence, pour un démarrage possible à pleine charge sur toute la plage de fréquences. Ceci est 20 également vrai dans le cas d'une utilisation de moteurs dits à triple cage ou à encoches profondes . Le dispositif de l'invention consiste donc à alimenter une machine à induction par une source électrique de type CVFR ( constant voltage-to25 frequency ratio ) où la tension et la fréquence sont toutes deux variables mais dans un rapport constant ou quasi-constant, le flux maximal de la machine dans l'entrefer étant maintenu constant, le couple électromagnétique maximal, par voie de conséquence 30 restant inchangé. 2907283 8 La vitesse de la machine est variable et elle est directement fonction de la fréquence d'alimentation et de la charge mécanique entraînée, ce qui est tout à fait acceptable si le système mécanique 5 entraîné (électropompe hydraulique ou fuel) s'accommode d'une vitesse variable (adjonction d'un plateau à inclinaison variable sur la pompe, débit autorégulé). Le couple de démarrage de la machine est plus faible aux fréquences élevées par rapport aux 10 faibles fréquences. Mais l'utilisation d'un moteur asynchrone ayant un rotor de type double cage , triple cage ou encoches profondes permet d'assurer un démarrage en pleine charge, l'utilisation d'une telle technologie de type cage permettant au 15 moteur de réduire son courant d'appel au démarrage au détriment de quelques points de rendement. Si le système entraîné est une pompe à plateau inclinable (pompe à débit ajustable), la position initiale du plateau peut être telle que le couple résistant est 20 minimal au démarrage (débit nul pour la pompe). On va, à présent, considérer plusieurs modes de réalisation avantageux du dispositif de l'invention. 25 1. Premier mode de réalisation : utilisation d'un alternateur à aimants permanents Ce premier mode de réalisation est une solution simple, robuste et avantageux. Pour réaliser 30 une source de type CVFR, on utilise un alternateur à aimants permanents 40 dit PMA (ou Permanent Magnet 2907283 9 Alternator ). Comme représenté sur la figure 4, cet alternateur 40 alimente, par exemple, trois machines à induction M1, M2 et M3, via une barre bus CVFR 41. En effet, un tel alternateur 40 produit naturellement 5 une tension CFVR grâce au fait que la force électromotrice E (FEM) produite par les aimants permanents en mouvement est directement proportionnelle à la fréquence de rotation f de son arbre mécanique (E=k.f). Si un tel alternateur est dimensionné de telle 10 sorte que la réaction d'induit soit faible, la tension de sortie varie peu en fonction de la charge et on peut considérer que la tension est quasi-constante à une fréquence donnée. De plus, un tel alternateur à aimants 15 permanents 40 présente l'avantage d'être peu sensible à la foudre dans la mesure où il ne nécessite pas de calculateurs pour contrôler son excitation. 2. Second mode de réalisation : utilisation d'un 20 générateur VFG Dans le second mode de réalisation, illustré sur la figure 5, on utilise un générateur 50 de type VFG (ou Variable Frequency Generator ) qui alimente une barre bus CVFR 51 et que l'on contrôle à 25 l'aide d'un générateur GCU 52 (ou Generator Control Unit ) dans un mode de fonctionnement particulier : le mode CVFR. En effet, au lieu de maintenir la tension constante au point de régulation P0R (ou Point Of Regulation ) quand la fréquence ou la charge change, 30 on associe une loi V/f= k (constante) au courant d'excitation de telle sorte que la tension V au point 2907283 10 POR devienne proportionnelle à la fréquence f mesurée par un générateur GCU 52. On asservit, ainsi, la valeur maximum de la tension de sortie à la fréquence f produite par action sur le courant d'excitation de 5 l'alternateur. Cette solution présente l'avantage de compenser les variations de tension dues à la réaction d'induit du générateur 50 lorsque le courant de charge varie. En d'autres termes, on est sûr de pouvoir maintenir le ratio V/f constant. 10 3. Troisième mode de réalisation : utilisation d'un régulateur d'induction Le troisième mode de réalisation, illustré par la figure 6A, consiste à intercaler un 15 convertisseur 60 de type régulateur d'induction (transformateur à champ tournant) entre la barre de distribution et la machine à induction. Ce convertisseur 60 est alimenté par une tension constante et une fréquence variable, son 20 rapport de transformation étant asservi au régime moteur par un actionneur 61 (moteur) de très faible puissance. Ce mode de réalisation permet de pouvoir ne pas être tenu de dédier un générateur aux alimentations 25 de type CVFR. Il permet d'utiliser le générateur principal de l'avion pour continuer à alimenter les charges conventionnelles à tension fixe et à fréquence variable. Le convertisseur 60 permet de créer une 30 barre de distribution 63 dédiée aux charges 2907283 11 V/f=constante (CVFR) indépendamment du reste du réseau avion. Ce mode de réalisation utilise une structure électromécanique proche d'un convertisseur 5 asynchrone à rotor bobiné, mais dont le rotor serait quasi-statique. La position de ce rotor est fixe pour une fréquence d'alimentation donnée mais elle peut être modifiée lorsque la fréquence d'alimentation du système change. La tension V1 correspond à la tension 10 d'alimentation constante du primaire reçue de la barre de distribution 63. La tension V2 correspond à la tension auto-induite par le convertisseur 60 à travers son enroulement secondaire. La tension de sortie Vs, comme illustré sur la figure 6B, est la somme 15 vectorielle des tensions V1 et V2 qui va servir à alimenter la machine à induction 62. A une fréquence donnée et une charge donnée correspond une position angulaire O. Cet angle 0 peut être ajusté de manière faire varier la combinaison vectorielle de V1 et V2 de 20 façon à garder un rapport Vs / f = (V1 + V2) / f = constante (CVFR) grâce à la boucle d'asservissement de position angulaire 67, illustrée sur la figure 6. Cette boucle 67 comprend un diviseur 64 permettant de calculer le rapport Vs/f, un comparateur 65 à un 25 rapport de référence Rref, par exemple 115/400 =0,288, et qui délivre une différence de rapport AR à un onduleur de faible puissance 66 commandant l'actionneur de positionnement angulaire 61. 30 De tels modes de réalisation permettent de faire fonctionner une machine à induction sans REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique d'au moins une machine à induction (Ml, M2, M3 ; 62) à bord d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une source de type CVFR (40 ; 50 ; 60), dans laquelle la tension et la fréquence sont toutes deux variables mais dans un rapport constant, qui alimente cette au moins une machine à induction. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la au moins machine à induction est un moteur asynchrone à au moins deux cages, ou un moteur asynchrone à encoches profondes. 3. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend un alternateur à aimants permanents (40). 4. Dispositif selon la revendication 1, qui 20 comprend un alternateur de type VFG (50) contrôlé par un générateur de contrôle (52). 5. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend un régulateur à induction (60) et une boucle 25 de régulation de position angulaire (67). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la boucle de régulation de position angulaire (67) comprend un diviseur (64), un 30 comparateur (65) à une valeur référence (Rref), un 2907283 14 onduleur de faible puissance (66) et un actionneur de positionnement angulaire (61). 7. Dispositif selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, dans lequel l'aéronef est un avion. 8. Procédé d'alimentation électrique d'au moins une machine à bord d'un aéronef, caractérisé en 10 ce qu'on alimente cette au moins une machine à induction avec au moins une source de type CVFR, dans laquelle la tension et la fréquence sont toutes deux variables mais dans un rapport constant. 15 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on utilise un alternateur à aimants permanents (40) pour réaliser une source de type CVFR. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on utilise un générateur de type VFG (50) pour réaliser une source de type CVFR. 11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on utilise un régulateur à induction (60) alimenté par un réseau de tension fixe et de fréquence variable, et dont on asservit la position quasi-statique du rotor au rapport de la tension à la fréquence. 12. Aéronef comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 2907283 15 13. Aéronef comportant un dispositif susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11. 5