Brevet FR2907760A1 — publié le 20080502

SYSTEME ET PROCEDE D'ALIMENTATION EN PUISSANCE À BORD D'UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système 5 et un procédé d'alimentation en puissance, 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. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Sur les avions futurs, l'augmentation de la part d'énergie électrique utilisée mènera à une augmentation du nombre de générateurs et de coeurs 15 électriques (ou armoires électriques). Un exemple d'architecture de génération et distribution électrique 10 est ainsi générateurs alimentant donnée en figure 1. On y trouve quatre GEN 1.1, GEN 1.2, GEN 2.1 sous une tension alternative et GEN 2.2 (par exemple 20 230 VAC) quatre coeurs électriques distincts 10, 11, 12 et 13 pour un premier et un second côté 14 et 15 de l'avion. Les divers consommateurs électriques (charges) de l'avion sont connectés sur chacun de ces coeurs. A titre d'exemple, les charges 20, 21 22 et 23 25 apparaissant sur cette figure 1 sont typiques d'un avion plus électrique sans prélèvement d'air sur les moteurs ( bleedless ). Il s'agit en particulier : 2907760 2 - des groupes de conditionnement d'air ECS1-ECS4 ( Environmental Conditioning System ), - des éléments de protections contre le givre WIPS1-WIPS4 ( Wing Ice Protection System ), - des démarreurs des moteurs DM1-DM4 (réacteurs). La tendance actuelle est, en effet, que les avions deviennent plus électrique . Il est même envisagé qu'ils deviennent tout électrique , l'énergie électrique devenant alors la principale source d'énergie. Dans le cadre d'un avion plus électrique , les systèmes utilisés sont similaires à ceux des avions précédents mais la part électrique des équipements devient plus importante. Sur un réseau d'avion plus électrique , les charges sont souvent munies de convertisseurs statiques (électroniques de puissance) permettant de contrôler d'une manière précise leur fonctionnement. La figure 2, qui suit la philosophie une charge, un convertisseur , illustre une alimentation de chaque charge Cl, C2...Cn par l'intermédiaire d'un module de puissance (CVS1, CVS2...CVSn) . Ainsi sur cette figure 2 pour un coeur électrique donné 30 alimenté en 230 volts alternatif et comprenant un convertisseur AC/DC 31 du 230 volts alternatif à +/- 270 volts continus (VDC) et des interrupteurs 32 est relié à des charges Cl, C2...Cn, respectivement par l'intermédiaire de modules de puissances CVS1, CVS2...CVSn. 2907760 3 Ainsi, dans ce système de l'art connu, une charge Ci est assignée à un seul convertisseur statique CVSi. Il en résulte les inconvénients suivants : - Lors d'une panne d'un module de puissance 5 CVSi, la charge Ci pour laquelle il est dédié n'est plus en mesure d'être alimentée. - Les modules de puissance CVS1, CVS2...CVSn, ayant des puissances différentes, ne se présentent pas sous forme de modules standards. Il s'agit donc 10 d'équipements spécifiques coûteux et difficile à remplacer lors de la maintenance. L'invention a pour objet d'améliorer un tel système en mutualisant les électroniques de puissance sur les systèmes avion, c'est-à-dire en utilisant des 15 modules de puissance communs à plusieurs systèmes utilisateurs en diminuant le volume et la masse de l'ensemble des modules de puissance à embarquer et en évitant tout surdimensionnement dû à un mode dégradé spécifique. 20 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système d'alimentation en puissance d'un aéronef par exemple un avion, comprenant plusieurs générateurs alimentant en 25 230 volts alternatif plusieurs coeurs électriques distincts, les diverses charges de l'avion étant connectées à chacun de ces coeurs, caractérisé en ce que chaque coeur comprend : - un étage d'entrée, 30 - plusieurs modules de puissance identiques, 2907760 4 - des inductances d'interconnexion entre modules de puissance, - une matrice de commutation, - plusieurs filtres de sortie, 5 - des ensembles de commutation aptes à être reliés chacun à au moins une charge. Avantageusement le système comprend, en outre : - des systèmes de précharge permettant 10 l'alimentation et la protection des composants de puissance, - des électroniques de commande rapprochée associées à chaque module de puissance ; - un superviseur qui gère les différentes 15 configurations en fonction de l'état du système et des demandes. Avantageusement l'étage d'entrée comprend un convertisseur AC / DC et des contacteurs d'isolement munis d'un système de précharge. 20 Avantageusement un module de puissance comprend : - des entrées d'alimentation +/- 270 VDC, - une connexion réseau, permettant une liaison au superviseur, 25 - une ligne de synchronisation, permettant une liaison vers les autres modules, - des composants semiconducteurs de puissance, -des allumeurs permettant l'allumage et 30 l'extinction des composants de puissance, - des sorties vers une charge, 2907760 5 - une carte de contrôle, - des inductances d'interconnexion. Avantageusement les modules de puissance sont des modules standard. Plusieurs modules de 5 puissance peuvent être disposés en parallèle. Le convertisseur AC/DC de l'étage d'entrée peut être réalisé par tout type de redresseur, par exemple : - un simple redresseur à diodes, 10 - un ou plusieurs modules de puissance CVS (actifs ou passifs) mis en parallèle. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre de ce système dans lequel on configure au moins un ensemble module de puissance - 15 charge . On peut mettre en parallèle plusieurs modules de puissance. On peut réaliser plusieurs fonctions avec chacun des modules de puissance. L'invention permet de résoudre des 20 difficultés liées à l'augmentation des équipements électriques dans un avion. L'invention est basée sur la mutualisation de modules de puissance, dans le but de limiter la puissance totale installée. La mutualisation, complétée par la standardisation de ces 25 modules de puissance, facilite la maintenance, augmente la fiabilité et la disponibilité, tout en limitant la masse embarquée. L'invention présente de nombreux avantages, notamment . 30 - La mise en place des modules de puissance dans les coeurs électriques, et non pas dans les 2907760 6 charges, permet de regrouper l'électronique de puissance en un même endroit, et facilite ainsi les opérations de maintenance. - L'adoption de modules de puissance 5 standards tous identiques permet de standardiser l'électronique de puissance, et donc d'augmenter la fiabilité tout en réduisant les coûts. - La possibilité de mise en parallèle de plusieurs modules de puissance permet d'augmenter la 10 puissance apparente de l'électronique de puissance pour alimenter de fortes charges. - La possibilité de reconfigurer les associations modules de puissance - charges en fonction de leurs disponibilités permet d'améliorer la 15 disponibilité du système en cas de panne. - La possibilité de réaliser plusieurs fonctions avec ces modules de puissance (onduleur, redresseur, hacheur, etc...) rend possibles de nombreuses utilisations des modules de puissance en fonction du 20 besoin. L'invention concerne également un aéronef comportant un système tel que défini ci-dessus, ainsi qu'un aéronef comportant un système susceptible de mettre en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre schématiquement une architecture de génération/distribution électrique de l'art connu pour un avion plus électrique de type 30 bleedless . 25 2907760 7 La figure 2 illustre une alimentation classique de charges par l'intermédiaire de modules de puissance (convertisseurs statiques). La figure 3 illustre le système de 5 l'invention. La figure 4 illustre un exemple de réalisation du système de l'invention. La figure 5 illustre un exemple de constitution d'un module de puissance de l'invention. 10 Les figures 6A à 6F illustrent des exemples d'application du système de l'invention. La figure 7 illustre un exemple de réalisation de l'étage d'entrée. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système d'alimentation en puissance de l'invention, comme illustré sur la figure 3, comprend un coeur électrique, par exemple l'un des coeurs 10...13 représentés sur la figure 1, dont la partie puissance 20 comprend : - un étage d'entrée 40 (redresseur 46 et système de précharge non illustré) ; - des modules de puissance triphasés CVS1... CVSn (tous identiques) ; - des inductances 41 d'interconnexion entre modules de puissance ; - une matrice 42 de commutation constituée de contacteurs aptes à relier au moins deux modules de puissance en parallèle via les inductances 41 ; - des filtres de sortie 43, 25 30 2907760 8 - des ensembles de commutation 44 aptes à être relié chacun à au moins une charge Cij. Sur la figure 4, qui illustre un exemple de réalisation du système de l'invention, on retrouve les 5 éléments déjà illustrés sur la figure 3, à savoir : - l'étage d'entrée 40, - les modules de puissance CVS1-CVS3, - les inductances d'interconnexion 41, - les filtres de sortie 43, 10 - la matrice de commutation 42, 44. On trouve de plus, pour la commande : - des systèmes de précharge 50 permettant l'allumage, l'extinction et la protection des composants de puissance ; 15 - des électroniques de commande rapprochée UC1, UC2, UC3 associées à chaque module de puissance CVS1, CVS2, CVS3 ; - un superviseur 52 qui gère les différentes configurations en fonction de l'état du 20 système et des demandes. Le système de l'invention utilise des modules de puissance standards CVSi, dont la particularité est de posséder une constitution rigoureusement identique. 25 Ces modules de puissance CVSi peuvent être placés directement dans les coeurs électriques. Une matrice de contacteurs 42, 44, également placée dans les coeurs, permet de coupler plusieurs modules de puissance CVSi en parallèle et ainsi de disposer d'une 30 puissance plus importante. Le nombre de modules de 2907760 9 puissance à paralléliser dépend de la charge Ci à alimenter, et varie au cours du vol de l'avion. On va, à présent, plus précisément analyser 5 chacun des éléments illustrés sur les figures 3 et 4 : 1. L'étage d'entrée Cet étage d'entrée 40 comprend un convertisseur AC / DC 46 et des contacteurs d'isolement 45 munis d'un système de précharge 50. Le convertisseur 10 AC/DC 46 peut être réalisé, par exemple, par divers type de redresseurs, allant d'un simple pont de diodes à l'association de n modules de puissance standard en parallèle. Comme illustré sur la figure 7, un exemple de réalisation de ce convertisseur AC/DC 46 peut 15 comprendre : -des premiers commutateurs 60, - des inductances d'interconnexion 61, des modules de puissance CVS1, CVS2...CVSn, - des seconds commutateurs 62. 20 Il peut ainsi être réalisé avec des modules standard. En cas de défaut d'un module de puissance CVSi, celui-ci peut être déconnecté via son contacteur d'isolement 45. 2. Les systèmes de précharge 25 Un système de précharge 50 permet de connecter un module de puissance CVSi au bus +/270 volts continu sans générer de sur-courant sur celui-ci. Un système de précharge 50 peut simplement être réalisé par une résistance en série avec le 30 circuit électrique. Cette résistance est ensuite court- 2907760 10 circuitée avec un contacteur après le temps nécessaire à la précharge des capacités présentes dans le circuit. 3. Les modules de puissance Tous les modules de puissance CVS1...CVSn sont 5 identiques et sont de type triphasés. Ils peuvent être mis en parallèle par l'intermédaire des inductances d'interconnexion 41 et par des contacteurs 42 prévus à cet effet illustrés sur la figure 4. Chacun de ces modules de puissance CVSi a 10 sa propre carte d'allumeurs pour l'allumage, l'extinction et la protection des composants de puissance. Une telle carte allumeurs communique avec la commande UCi raprochée qui est dédiée au module de puissance. Cette carte de commande UCi rapprochée 15 contient le (ou les) pilotage(s) des modules de puissance CVSi. La commutation d'un pilotage vers un autre se fait sur demande du superviseur 52. Cette commutation dépend de l'état du système ou d'une demande émanant de l'avion. 20 La figure 5 illustre un exemple de réalisation d'un module de puissance CVS1. Ce module de puissance comprend : - des entrées d'alimentation +/- 270 volts continu (VDC), 25 une connexion réseau, permettant une liaison au superviseur 52, - une ligne de synchronisation, permettant une liaison vers les autres modules CVS2...CVSn, - des composants de puissance (IGBT..), 2907760 11 - des allumeurs permettant l'allumage et l'extinction des composants de puissance dans de bonnes conditions, - des sorties vers une charge C11, - une carte de contrôle UC1, - des inductances d'interconnexion 41. Le tout forme un pont triphasé, bidirectionnel en courant et commandé. 4. Les inductances d'interconnexion Les inductances d'interconnexion 41 permettent de limiter les courants de circulation entre les bras des modules de puissance CVSi lors de la mise en parallèle de ces mêmes modules de puissance. Les commandes des bras des n modules mis en parallèles 15 peuvent être soit synchrones, soit décalées de 2•ï/n. La mise en parallèle de modules de puissance permet l'augmentation de la puissance à faire transiter pour le pilotage d'une charge, lors d'un mode dégradé par exemple. 20 5. La matrice de commutation La matrice de commutation 42, 44 comprend un ensemble de contacteurs qui permet la mise en parallèle de plusieurs modules de puissance CVSi, la reconfiguration de l'ensemble en cas de défaillance 25 d'un des modules de puissance et l'alimentation des différentes charges Ci. Ces contacteurs sont commandés via le superviseur 52 en fonction de l'état du système (défaillance d'un des constituants) et des demandes provenant de l'avion. 5 10 30 2907760 12 6. Les filtres de sortie Les filtres de sortie 43 permettent d'obtenir une qualité de tension sastisfaisante, soit pour des raisons de compatibilité électromagnétique 5 (EMC), soit pour des raisons de qualité réseau liées aux charges. 7. Le superviseur A partir des demandes avion et de l'état du système, le superviseur 52 permet de piloter les 10 différents contacteurs de la matrice de commutation 42, 44 et de générer les ondes de commande pour les différents modules de puissance CVS1-CVSn. L'architecture de l'invention ainsi décrite 15 permet d'alimenter n'importe quelle charge par n'importe quel module de puissance, sachant que la notion de charge doit être élargie. En effet, les prises de parc peuvent être considérées comme des charges, et cela nécessite que certains modules de 20 puissance fonctionnent en redresseur dans certaines phases de fonctionnement de l'avion. Les modules de puissance sont donc réversibles en puissance, ce qui est naturellement assuré par la structure présentée en figure 5. 25 Cette architecture est intrinsèquement robuste aux pannes ( fault tolerant ) ; un module de puissance pouvant suppléer un autre module de puissance puisqu'ils sont tous identiques. Cette architecture permet de passer 30 certains modes dégradés en mettant des modules de 2907760 13 puissance en parallèle et ainsi augmenter la puissance disponible pour une charge. Un module de puissance peut alimenter plusieurs charges et assurer différentes fonctions. Par 5 exemple les fonctions suivantes peuvent être assurées par un même module de puissance : - onduleur pour compresseur de conditionnement d'air (ECS : Environmental Conditioning System ), -redresseur à absorption sinus, - onduleur pour réseau 115 volts alternatif 400 Hz, - onduleur pour réseau 230 volts alternatif, - onduleur pour démarrage des moteurs de l'avion (réacteurs), - hacheur pour alimentation des résistances du système contre le givre (WIPS : Wing Ice Protection System ). 20 L'invention permet ainsi d'améliorer le taux d'utilisation des modules de puissance embarqués, et ainsi de réduire la masse embarquée. L'invention permet également d'améliorer la disponibilité du système, en utilisant des modules de 25 puissance identiques qui peuvent assumer plusieurs fonctions. Exemple d'application Dans un exemple d'application considérant 30 la mutualisation des convertisseurs pour le compresseur de conditionnement d'air (ECS), le démarreur moteur, le 10 15 2907760 14 réseau 115 volts alternatif et des prises de parc, on considère un avion comprenant quatre coeurs électriques, tels que représentés sur la figure 1. Chaque coeur : alimente un compresseur ECS, 5 alimente le démarreur moteur, fournit un réseau 115 volts alternatif fréquence fixe, -se connecte aux prises de parc. Le fonctionnement d'un tel coeur électrique 10 est détaillé sur les figures 6A à 6F qui illustrent chacun des cas A à F suivants. Cas A : Mode nominal Le module de puissance CVS1 fonctionne en onduleur et le pilotage utilisé est consacré au moteur 15 du compresseur de ce module de puissance. Le module de puissance CVS2 fonctionne en onduleur et le pilotage utilisé permet la génération d'un réseau 115 volts alternatif 400 Hz. Cas B : Démarrage moteur 20 Le module de puissance CVS1 fonctionne en onduleur et le pilotage utilisé est consacré au démarrage des moteurs de l'avion (DM1). Le module de puissance CVS2 fonctionne en onduleur et le pilotage utilisé permet la génération 25 d'un réseau 115 volts alternatif 400 Hz. Cas C : Groupe de conditionnement d'air en mode dégradé Le groupe de conditionnement d'air ECS opposé est en panne et le groupe de conditionnement d'air restant doit fournir 150 % de sa puissance 30 nominale. Pour éviter le surdimensionnement du module de puissance CVS1, on utilise le module de puissance 2907760 15 CVS2 en parallèle avec le module de puissance CVS1 pour permettre de passer cette surpuissance. Les deux modules de puissance CVS1 et CVS2 sont reliés en parallèle par l'intermédiaire d'inductances et d'un 5 contacteur. Les commandes de ces deux modules de puissance peuvent être synchrones ou décalées de n. Les charges qui étaient sur le réseau 115 volts altenatif ont été soit redistribuées sur les trois autres réseaux 115 volts alternatifs, soit délestées en fonction de 10 leur niveau de criticité. Cas D : Groupe de conditionnement d'air alimenté par groupe de parc Le module de puissance CVS2 fonctionne en redresseur à absorption sinus. A partir d'un réseau 15 115 volts alternatif en provenance d'un groupe (ou prises) de parc GP (cas d'un avion au sol), il crée un réseau +/-270 volts continu. A partir du réseau +/-270 volts continu, le module de puissance CVS1 alimente le compresseur de 20 groupe de conditionnement d'air ECS. Cas E : Démarrage moteur par groupe de parc Le module de puissance CVS2 fonctionne en redresseur à absorption sinus. A partir d'un réseau 115 volts alternatif, il crée un réseau +/-270 volts 25 continu comme pour le cas D ci-dessus. A partir du réseau +/-270 volts continu, le module de puissance CVS1 est utilisé pour le démarrage des moteurs de l'avion (DM1). Cas F : Panne du module de puissance CVS1 30 Le module de puissance CVS1 est en panne. Le module de puissance CVS2 vient alimenter le 2907760 16 compresseur de groupe de conditionnement d'air ECS. Les charges du module de puissance CVS2 sont réparties sur un autre module de puissance. Sur cet exemple, on voit bien que les deux 5 modules de puissance CVS1 et CVS2 sont utilisés au mieux . - Ils assument différentes fonctions. - Ils alimentent différents types de charges. 10 - Ils permettent de reconfigurer le système en cas de panne. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en puissance d'un aéronef comprenant plusieurs générateurs alimentant en 230 volts alternatif plusieurs coeurs électriques distincts, les diverses charges de l'avion étant connectées à chacun de ces coeurs, caractérisé en ce que chaque coeur comprend : - un étage d'entrée (4 0) , - plusieurs modules de puissance (CVS1...CVSn) identiques, des inductances d'interconnexion (41) entre modules de puissance, une matrice de commutation (42), plusieurs filtres de sortie (43), des ensembles de commutation (44) aptes à être reliés chacun à au moins une charge (Cij). 2. Système selon la revendication 1, 20 comprenant des systèmes de précharge (50) permettant l'alimentation et la protection des composants de puissance. 3. Système selon la revendication 2, 25 comprenant des électroniques de commande rapprochée (UC1, UC2... UCn) associées à chaque module de puissance (CVS1, CVS2...CVSn) . 4. Système selon la revendication 2, 30 comprenant un superviseur (52) qui gère les différentes 15 2907760 18 configurations en fonction de l'état du système et des demandes. 5. Système selon la revendication 1, dans 5 lequel l'étage d'entrée (40) comprend un convertisseur AC / DC (46) et des contacteurs d'isolement (45) munis d'un système de précharge (50). 6. Système selon la revendication 1, dans 10 lequel un module de puissance comprend : - des entrées d'alimentation +/- 270 volts continu, - une connexion réseau, permettant une liaison au superviseur (52), - une ligne de synchronisation, permettant une liaison vers les autres modules (CVS2...CVSn), - des composants semiconducteurs de puissance, - des allumeurs permettant l'allumage et l'extinction des composants de puissance, - des sorties vers une charge (C11), - une carte de contrôle (UC1), - des inductances d'interconnexion (41). 7. Système selon la revendication 1, dans lequel les modules de puissance (CVSi) sont des modules standard. 8. Système selon la revendication 1, dans lequel plusieurs modules de puissance (CVSi) sont disposés en parallèle. 2907760 19 9. Système selon la revendication 5, dans lequel le convertisseur AC/DC (46) est un redresseur à diodes. 10. Système selon la revendication 5, dans lequel le convertisseur AC/DC (46) comprend un ou plusieurs modules de puissance couplés en parallèle. 11. Procédé de mise en oeuvre du système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on configure au moins un ensemble module de puissance (CVSi) - charge (Ci) . 15 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on met en parallèle plusieurs modules de puissance (CVSi). 13. Procédé selon la revendication 11, dans 20 lequel on réalise plusieurs fonctions avec chacun des modules de puissance (CVSi). 14. Aéronef comportant un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 15. Aéronef comportant un système susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13. 5 10 25