Brevet FR2906787A1 — publié le 20080411

SYSTEME ET PROCEDE D'ALIMENTATION EN COURANT CONTINU D'UN RESEAU ELECTRIQUE A BORD D'UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système et un procédé d'alimentation en courant continu d'un réseau électrique à bord d'un aéronef. Dans la suite, pour des raisons de simplification, on considère, à titre d'exemple, un aéronef de type avion. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Généralement, les réseaux de distribution électriques à bord des avions comportent deux types de tensions : une tension alternative (réseau AC en 115 volts ou 230 volts, 400 Hz ou 360-800 Hz) et une tension continue (réseau DC en 28 volts). Le réseau continu est alimenté soit à partir du réseau alternatif, en utilisant un convertisseur d'énergie électrique (TRU ou Transformer Rectifier Unit ), soit à partir de batteries d'accumulateurs 28V. Pour des raisons de confort opérationnel, les architectures réseaux offrent généralement une fonction appelée transfert sans coupure (NBPT ou no-break power tranfer ) permettant aux charges connectées sur les barres de distribution de conserver leur alimentation pendant la durée d'un transfert 2906787 2 électrique, c'est à dire pendant le remplacement d'une source d'alimentation donnée par une autre source. Le transfert sans coupure illustré sur la figure 1 est effectué sur le réseau alternatif entre un 5 générateur G1 et un générateur G2, ces deux générateurs pouvant être reliés à une barre de distribution en courant alternatif 11 au travers de deux interrupteurs L1 et L2. Sur cette figure 1, une barre de distribution en courant continu 10 peut être alimentée à partir de 10 cette barre de distribution en courant alternatif 11 au travers d'un convertisseur d'énergie électrique 12. Elle peut également être alimentée par une batterie 13 au travers d'un interrupteur S1. Lorsque l'on veut déconnecter la barre bus 11 du générateur G1 pour la 15 connecter sur le générateur G2, le générateur G1, qui va être déconnecté, est connecté en parallèle avec le générateur G2 qui reprend l'alimentation de la barre 11 pendant un bref instant afin d'assurer une continuité d'alimentation des charges électriques, les 20 interrupteurs L1 et L2 étant alors fermés de manière simultanée pendant ce bref instant. Dans ces conditions, toutes les charges en alternatif et en continu bénéficient d'une continuité de d'alimentation en énergie électrique pendant la durée de la 25 commutation de sources ; le réseau continu étant créé à partir du réseau alternatif. Pour les réseaux électriques offrant une fréquence constante sur les barres de distribution alternatif, le transfert sans coupure alternatif reste une solution relativement simple car les générateurs IDG ( Integrated Drive-Generator ) peuvent être 2906787 3 facilement synchronisés avant leur mise en parallèle au cours du transfert. Un convertisseur d'énergie électrique ( Transformer Rectifier Unit ) est suffisant pour transformer l'énergie alternative en 5 énergie continue et la régulation de tension est effectuée en amont du convertisseur en un point P0R ( Point Of Regulation ) des barres de distribution alternatif. Avec l'introduction de la fréquence 10 variable, les fréquences des générateurs VFG ( Variable Frequency Generator ) sont souvent non contrôlables par nature, ce qui rend très difficile (voire impossible dans la plupart des cas) leur mise en parallèle. De plus, la disponibilité de la fonction 15 transfert sans coupure alternatif est limitée à des opérations au sol pour des raisons d'obligation de maintien des ségrégations entre systèmes. L'invention a pour objet de permettre la continuité d'alimentation en courant continu des 20 réseaux électriques pendant les commutations de plusieurs sources, dans le domaine aéronautique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système 25 d'alimentation en courant continu d'un réseau électrique, à bord d'un aéronef, par exemple un avion, comprenant au moins deux générateurs, une barre de distribution en courant alternatif, une barre de distribution en courant continu, ces deux barres de 30 distribution étant reliées entre elles par un convertisseur, une batterie, caractérisé en ce que la 2906787 4 barre de distribution en courant alternatif est reliée aux générateurs par un contacteur de transfert, en ce que la barre de distribution en courant continu est reliée à la batterie par un premier contacteur en série 5 avec un second contacteur disposé en parallèle avec une diode de puissance. L'invention concerne également un procédé d'alimentation en courant continu de réseaux électriques mettant en oeuvre le système selon la 10 revendication 1, comprenant les étapes suivantes : - la barre d'alimentation en courant alternatif étant alimentée par le premier générateur au travers le contacteur de transfert, la barre d'alimentation en courant continu étant alimenté à 15 travers le convertisseur, on ferme le premier contacteur, le second contacteur restant ouvert, - dans une transition sans coupure sur le réseau continu, on ouvre le contacteur de transfert et on réalise la liaison entre le second générateur et la 20 barre d'alimentation en courant alternatif. Le système de l'invention présente de nombreux avantages . • L'utilisation du convertisseur d'énergie électrique, du second contacteur et de la diode de 25 puissance permet de réaliser une fonction transfert sans coupure continu. • L'utilisation du convertisseur d'énergie électrique, du second contacteur et de la diode de puissance permet de réaliser la fonction transfert 30 sans coupure continu quel que soit le type ou la technologie de batterie utilisée. 2906787 5 • L'utilisation du convertisseur d'énergie électrique, du second contacteur et de la diode de puissance permet de réaliser la fonction transfert sans coupure continu aussi bien au sol qu'en vol. 5 • Le second contacteur permet de réduire ou supprimer le dissipateur thermique de la diode de puissance pour un cas de dernier secours électrique. Lorsqu'il est nécessaire de passer une puissance importante, le système de supervision commande la 10 fermeture de ce contacteur lorsque la diode de puissance conduit (alimentation par la batterie). • La mise en série des deux contacteurs permet de réduire davantage le risque de connexion non souhaité de la batterie au bus continu lorsque la 15 technologie ou le type de batterie ne supporte pas la charge permanente (par exemple une batterie lithium-ion). Cela concerne les situations de panne dans lesquelles l'un des deux contacteurs reste bloqué en position fermée. 20 • Les deux contacteurs peuvent être électromécaniques ou électroniques (MOSFET, IGBT, ou autres). Si le second contacteur est réalisé avec un MOSFET, la diode est incorporée au composant de puissance par nature. L'utilisation d'éléments de 25 coupure électroniques permet d'avoir une masse encore réduite par rapport à une solution électromécanique. L'invention concerne également un procédé d'alimentation en courant continu de réseaux électriques de mise en oeuvre d'un tel système 30 comprenant les étapes suivantes : 2906787 6 - la barre d'alimentation en courant alternatif étant alimentée par le premier générateur au travers du contacteur de transfert, la barre d'alimentation en courant continu étant alimenté à 5 travers le convertisseur, on ferme le premier contacteur, le second contacteur restant ouvert, - dans une transition sans coupure sur le réseau continu, on ouvre le contacteur de transfert et on réalise la liaison entre le second générateur et la 10 barre d'alimentation en courant alternatif. L'invention concerne, enfin, un aéronef comportant le système de l'invention ou comportant un système susceptible de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un système d'alimentation en courant continu de réseaux électriques de l'art connu. La figure 2 illustre le système d'alimentation en courant continu de l'invention. La figure 3A à 3D et 4A et 4B illustrent le fonctionnement du système d'alimentation en courant continu de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 2 illustre l'architecture générale d'un canal de génération et distribution électrique, dans lequel les éléments déjà illustrés sur 30 la figure 1 gardent la même référence. 20 25 2906787 7 Comme sur la figure 1, la source principale d'énergie est constituée par un générateur G1 (ou G2) alimentant une barre de distribution en courant alternatif 11. Par contre un contacteur de transfert 20 5 permet, à présent, de réaliser une commutation du générateur G1 au générateur G2. La barre de distribution en courant continu 10 peut être alimentée à travers la barre de distribution en courant alternatif 11 au moyen du convertisseur 12. Elle peut 10 également être alimentée à partir de la batterie 13 à travers un premier contacteur S1 en série avec une diode de puissance en parallèle avec un second contacteur S2. Comme illustré sur la figure 3A, dans la 15 configuration initiale du système de l'invention la barre de distribution en courant alternatif 11 est alimentée par le générateur G1 à travers le contacteur de transfert 20. La barre de distribution en courant continu 10 est alimentée par la barre de distribution 20 en courant alternatif 11 au travers du convertisseur 12. La tension sur le bus en courant continu est supposée toujours supérieure à la tension de la batterie. Cette condition est réalisée, lors de la conception du générateur principal (G1 ou G2), en 25 limitant les excursions minimale et maximale de la tension sur barre de distribution de courant alternatif 11 par une définition adéquate du générateur et de la boucle de régulation de son excitation. Le premier contacteur S1 est fermé. Le second contacteur S2 est 30 ouvert. En conséquence la diode de puissance 21 est 2906787 8 polarisée en inverse (tension anode-cathode négative). Elle ne conduit donc pas. Comme illustré sur la figure 3B, lorsque la batterie 13 doit être rechargée afin de garantir la 5 quantité d'énergie qui y est stockée, le second contacteur S2 est fermé. La barre de distribution en courant continu 10 alimente la batterie 13 en énergie électrique pendant la durée nécessaire à la recharge de celle-ci. Si un court-circuit se produit sur le bus de 10 la barre de distribution en courant continu 10, le premier contacteur S1 est ouvert afin d'isoler la batterie de ce bus. Comme illustré sur la figure 3C, au cours d'une commutation d'alimentation de la barre de 15 distribution en courant alternatif du générateur G1 vers le générateur G2, il se produit une coupure d'alimentation sur le réseau alternatif. La barre de distribution en courant alternatif perd momentanément son alimentation et la tension alternative décroît 20 progressivement. En conséquence, dans la mesure où la tension sur la barre de distribution en courant continu 10 est crée à partir de la tension alternative, cette tension alternative décroissant, la tension continue va 25 suivre cette même décroissance jusqu'à ce qu'elle soit légèrement inférieure à la valeur de la tension batterie. A cet instant la diode de puissance 21 entre en conduction car la tension à ses bornes devient de plus en plus positive. 30 La batterie 13 débite instantanément du courant pour maintenir la tension sur la barre de 2906787 9 distribution en courant continu en restituant de l'énergie électrique accumulée. Les équipements connectés sur la barre de distribution en courant continu 10 ont vu une légère décroissance de la tension 5 mais pas d'interruption d'alimentation. La tension sur le bus continu est égale à la tension batterie moins la chute de tension introduite par la diode de puissance 13. Comme illustré sur la figure 3D, le 10 générateur G2 reprend l'alimentation de la barre d'alimentation en courant alternatif 11 à l'issue de la commutation (contacteur de transfert 20 en position G2). La tension sur la barre d'alimentation en courant continu 10 remonte à une valeur voisine ou supérieure à 15 la tension batterie. La tension aux bornes de la diode de puissance 21 s'annule puis devient négative. Elle se bloque. La batterie 13 est de nouveau isolée de la barre d'alimentation en courant continu 10. Tous les équipements connectés sur la barre 20 d'alimentation en courant continu 10 sont alimentés par le générateur G2 via le convertisseur 12. La commutation entre le générateur G1 et le générateur G2 (transfert électrique) a été effectuée sans coupure pour le bus continu. 25 La recharge de la batterie 21 peut de nouveau être effectuée comme indiqué précédemment en fermant le second contacteur S2. Comme illustré sur la figure 4A, au cours d'un passage en dernier secours électrique, toutes les 30 sources principales de génération électrique (générateurs G1 et G2) sont indisponibles. En 2906787 10 conséquence, la barre de distribution de courant alternatif 11 perd son alimentation et la tension sur la barre de distribution de courant continu 10 décroît jusqu'à ce que la diode de puissance 21 se mette en 5 conduction. La batterie 13 assure la continuité de la tension continue. Comme illustré sur la figure 4B, le principe de fonctionnement est le même que celui expliqué précédemment concernant la commutation des générateurs 10 G1 et G2, à la différence près que la durée du transitoire est bien plus longue. En effet le déploiement de la turbine éolienne RAT ( Ram Air Turbine ) entraînant le générateur de dernier secours électrique peut prendre plusieurs secondes. Le second 15 contacteur S2 reste fermé pendant la phase transitoire de déploiement. Une telle caractéristique présente deux avantages . - Le premier avantage est de supprimer la chute 20 de tension de la diode série. Si le second contacteur S2 est fermé, la diode de puissance est bloquée, la chute de tension entre la batterie et la barre de distribution de courant continu 11 est réduite, - Le deuxième avantage est de réduire (ou 25 supprimer) le dissipateur thermique de la diode de puissance 21 afin de réduire la masse du système. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en courant continu d'un réseau électrique, à bord d'un aéronef, comprenant au moins deux générateurs (G1, G2), une barre de distribution en courant alternatif (11), une barre de distribution en courant continu (10), ces deux barres de distribution (11, 10) étant reliées entre elles par un convertisseur (12), une batterie (13), caractérisé en ce que la barre de distribution en courant alternatif (11) est reliée aux générateurs (G1, G2) par un contacteur de transfert (20), en ce que la barre de distribution en courant continu (10) est reliée à la batterie (13) par un premier contacteur (S1) en série avec un second contacteur (S2) disposé en parallèle avec une diode de puissance (21). 2. Procédé d'alimentation en courant continu de réseaux électriques mettant en oeuvre le système selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes . - la barre d'alimentation en courant alternatif (1B) étant alimentée par le premier générateur (G1) au travers le contacteur de transfert (20), la barre d'alimentation en courant continu (20) étant alimenté à travers le convertisseur (12), on ferme le premier contacteur (S1), le second contacteur (S2) restant ouvert, - dans une transition sans coupure sur le réseau continu, on ouvre le contacteur de transfert (20) et on réalise la liaison entre le second 2906787 12 générateur (G2) et la barre d'alimentation en courant alternatif. 3. Système selon la revendication 1, dans 5 lequel l'aéronef est un avion. 4. Aéronef comportant un système selon la revendication 1. 10 5. Aéronef comportant un système susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 2.