Brevet FR2932029A1 — publié le 20091204

DISPOSITIF ET PROCEDE DE COUPLAGE DE DEUX PARTIES D'UN RESEAU A COURANT CONTINU NOTAMMENT DANS UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif et un procédé de couplage de deux parties d'un réseau à courant continu, notamment dans un aéronef. Dans la suite, pour des raisons de simplification de la description, on considère, à titre d'exemple, un réseau de bord haute tension à courant continu dans un aéronef de type avion. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Sur les avions futurs, en cours de développement, les réseaux haute tension à courant continu (HVDC : "High Voltage Direct Current") sont de plus en plus répandus. Afin d'assurer une bonne qualité de tension du réseau (filtrage, stabilité), des condensateurs sont installés en divers endroits de celui-ci. Les capacités mises en jeu constituent ainsi des réserves d'énergie réparties. Par ailleurs, le fonctionnement des avions mène à des reconfigurations plus ou moins fréquentes du réseau à courant continu. Différentes parties sont alors couplées ou découplées automatiquement au cours du service de l'avion. Les figures 1A et 1B illustrent le couplage, grâce à un organe de couplage 12, de deux parties 10 et 11 d'un réseau continu (bus continus) sur lesquelles sont présents des condensateurs Cl et C2. La distinction est faite entre un réseau avec une tension unique (figure 1A) et un réseau avec des tensions différentielles avec point milieu (figure 1B), mais le principe reste identique. Les condensateurs d'un réseau de bord à courant continu sont ainsi présents sur chaque partie de ce réseau. Lorsque divers points du réseau sont à des potentiels (ou tensions) différents, il est préférable de prendre certaines précautions avant de les connecter ensemble, car la mise en parallèle de condensateurs chargés à des potentiels différents entraîne de fortes surintensités. Les organes de couplage traditionnellement utilisés sont des contacteurs électromécaniques. Ces contacteurs réalisent des couplages francs, la partie du réseau la plus robuste imposant violemment sa tension à la partie la plus faible. Un tel problème technique reste entier avec un organe de couplage électronique (thyristor par exemple). Des variations rapides de potentiel électrique engendrent des variations rapides de charges des condensateurs, et ainsi de fortes pointes de courant dans celles-ci. Naturellement, de telles surintensités se répercutent dans les éléments de couplage ainsi que les matériels environnant les condensateurs. Des surintensités trop importantes peuvent entraîner des disfonctionnements et même des détériorations matérielles. L'invention a pour objet de réduire les surintensités survenant lors de tels couplages, en proposant un dispositif et un procédé de couplage permettant de raccorder ensemble deux parties d'un réseau à courant continu d'une manière douce, sans risques de détérioration matérielle, en agissant par limitation de l'intensité du courant. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de couplage de deux parties d'un réseau à courant continu dans lesquelles sont respectivement installés au moins deux condensateurs, notamment dans un aéronef par exemple un avion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un convertisseur statique formé par au moins un organe de couplage, comprenant au moins un transistor et une diode, associé à une inductance disposés entre ces au moins deux condensateurs. Dans un mode de réalisation avantageux, le réseau est un réseau haute tension. L'organe de couplage est un organe de couplage à électronique de puissance comprenant au moins un transistor de type IGBT, MOSFET, ou bipolaire et une diode. L'organe de commande comprend au moins un transistor en série avec une diode. Avantageusement, l'organe de commande comprend un premier transistor en série avec une première diode, et un second transistor en série avec une seconde diode, le premier transistor et la seconde diode étant branchés de manière antiparallèle, et le second transistor et la première diode étant branchés de manière antiparallèle. L'invention concerne également un procédé de couplage de deux parties d'un réseau à courant continu, dans lesquelles sont respectivement installés au moins deux condensateurs, notamment dans un aéronef, caractérisé en ce que, préalablement au couplage, on précharge au moins un des condensateurs des deux parties de ce réseau à l'aide d'un convertisseur statique formé par au moins un organe de couplage associé à une inductance. Avantageusement, on réalise la précharge dudit au moins un condensateur par la charge lente de l'au moins un condensateur de l'une des deux parties du réseau. On peut réaliser également la charge lente d'une charge, (par exemple un terminal utilisateur) ou d'un ensemble de charges, pouvant être connectée(s) sur l'une des deux parties du réseau, lors de leurs mises sous tension. Avantageusement, on réalise une protection contre les surintensités par la protection des conducteurs électriques, et/ou la limitation du courant absorbé par une des deux parties du réseau, ou une charge ou un terminal utilisateur. Avantageusement, on réalise une protection contre les instabilités par la gestion des instabilités éventuelles survenant sur la partie du réseau en aval. L'invention concerne enfin un aéronef comprenant au moins un tel dispositif. Le dispositif de l'invention offre les avantages suivants . - Ce dispositif peut être disposé sur un réseau en courant continu, aussi bien sur la borne positive que négative. - Il n'y a de dissipation d'énergie autre que les pertes intrinsèques du dispositif. - Les composants électroniques de puissance, dans un réseau haute tension à courant continu, permettent une durée de vie élevée malgré une utilisation fréquente. - L'inductance du câblage utilisé peut être suffisante pour obtenir de bonnes performances, ce qui évite d'ajouter une bobine d'inductance, d'où un gain de masse. - L'organe de couplage est compact. - La durée de précharge est ajustable et reconfigurable par la commande sans changement matériel. - Ce dispositif peut posséder une fonction de protection contre les surintensités et les court- circuits, en limitant le courant à une valeur définie par la commande. - La protection est ajustable et reconfigurable sans changement matériel. - Ce dispositif peut être entièrement réversible en puissance, en tension et en courant. - Plusieurs dispositifs peuvent être mis en parallèle pour augmenter le calibre en courant. - Un élément de protection passif tel qu'un fusible garantit la sûreté de fonctionnement du réseau même en cas de défaillance du dispositif. - Ce dispositif permet de contrer le risque d'instabilités qui surviendraient en aval. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1A et 1B illustrent le couplage de deux parties d'un réseau en courant continu, respectivement pour un réseau simple et pour un réseau avec tensions différentielles +/-. Les figures 2A et 2B illustrent le dispositif de l'invention, respectivement pour un réseau en courant continu simple et pour un réseau avec tensions différentielles +/-. Les figures 3A, 3B et 3C illustrent la standardisation du convertisseur de couplage par précharge du dispositif de l'invention. La figure 4 illustre la mise en parallèle de deux dispositifs selon l'invention. La figure 5 illustre une protection de dernier secours de bus continus par des éléments passifs, tels que des fusibles. Les figures 6A, 6B et 6C illustrent des exemples de réalisation selon l'invention permettant une réversibilité des précharges, respectivement de la première partie du réseau vers la seconde partie, de la seconde partie vers la première partie, ou indifféremment. Les figures 7, 8 et 9 illustrent des stratégies de fonctionnement selon l'invention, respectivement une stratégie à ondulation du courant (AI) constante, une stratégie à fréquence (fmax) constante et une stratégie à ondulation du courant (AI) prioritaire mais à fréquence limitée (fmaX). La figure 10 illustre un exemple de réalisation, dans lequel un terminal utilisateur est connecté à un coeur électrique. Les figures 11A et 11B illustrent les allures des tensions et courants lors de la charge du condensateur d'un terminal utilisateur, dans cet exemple de réalisation. EXEMPLE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS L'invention concerne un dispositif permettant le couplage des deux parties 10 et 11 d'un réseau à courant continu, par exemple haute tension, dans lesquelles sont installés deux condensateurs Cl et C2, de manière douce par la précharge progressive (lente) de ces deux condensateurs Cl et C2. Les figures 2A et 2B illustrent le principe de réalisation d'un tel dispositif, qui met en oeuvre un organe de couplage 20 à électronique de puissance à transistors (IGBT, MOSFET, bipolaire, etc.). Dans ces figures et dans la suite de la description, on considère, à titre d'exemple, des transistors de type IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor" ou transistor bipolaire à grille isolée). Cet organe de couplage 20, composé de manière classique par un transistor T et une diode D, est associé à une inductance L, et constitue un convertisseur statique abaisseur de tension ("buck") dans le sens de la première partie 10 du réseau vers la seconde partie 11. Sur ces figures, le transistor T est un transistor IGBT connecté entre la tension d'alimentation (+) et la tension 0 en série avec une diode D, son collecteur étant relié au potentiel (+) et l'anode de la diode D étant reliée au potentiel 0, l'inductance L étant relié au point de liaison de l'émetteur du transistor T et de la cathode de la diode D. Si l'on suppose la seconde partie 11 initialement hors tension, le couplage de la première partie 10 vers la seconde partie 11 nécessite une précharge du condensateur C2. Le convertisseur (organe de couplage électronique 20 et inductance L) est commandé par un signal de commande appliqué sur la grille du transistor IBGT T, de manière évidente pour un homme de métier (voir exemple de réalisation en fin de description) pour faire croître progressivement la tension aux bornes du condensateur C2. Une fois celui-ci chargé, l'équilibrage des tensions entre les deux parties 10 et 11 du réseau est obtenu, les commutations de ce convertisseur sont arrêtées, en laissant le transistor T à l'état passant en permanence. Ce principe de fonctionnement illustré sur la figure 2A est identique pour un réseau avec tensions différentielles, comme illustré sur la figure 2B. Un organe de couplage est alors inséré sur chaque potentiel : un organe de couplage 20 sur la borne positive (+) et un organe de couplage 20' sur la borne négative (-). Afin d'obtenir un couplage dans les meilleures conditions, on utilise une commande commune (synchronisée) pour ces deux organes de couplage 20 et 20' (signal de commande commun sur les grilles des deux transistors IGBT T et T'). La précharge s'effectue de manière active, c'est à dire qu'elle ne nécessite pas d'éléments passifs dissipatifs tels que des résistances. Le dispositif de l'invention offre plusieurs avantages : - Il n'y a pas de dissipation d'énergie autre que les pertes intrinsèques du dispositif. - L'électronique permet une durée de vie élevée malgré une utilisation fréquente. - L'inductance du câblage utilisé peut être suffisante pour obtenir de bonnes performances, ce qui évite d'ajouter une bobine d'inductance, d'où un gain de masse. - L'organe de couplage 20 (20') à électronique de puissance est compact. - La commande de cet organe de couplage 20 (20') permet d'adapter la durée de la précharge en fonction du besoin. - La commande de l'organe de couplage 20 (20') permet au dispositif de l'invention d'inclure une fonction de protection contre les surintensités et les court-circuits. Ces deux derniers avantages sont rendus possibles grâce à la possibilité de commande du convertisseur, le transistor T pouvant être commandé classiquement de manière à fixer un temps de précharge, et/ou ne pas laisser passer un courant supérieur à une valeur déterminée. Dans une première variante de réalisation illustrée sur la figure 3A, l'organe de couplage électronique 30 est complété par un second transistor T', afin d'améliorer la possibilité de commande et les fonctionnalités. Il est alors constitué par un bras complet à deux transistors T, T' et deux diodes D, D', qui permet de faire fonctionner le convertisseur en élévateur de tension ("boost") de la seconde partie vers la première partie. Le premier transistor T et la première diode D sont branchés comme illustré sur la figure 2. Le second transistor T' et la seconde diode D' sont d'une part branchés respectivement en série avec le premier transistor T et la première diode D, et d'autre part branchés de manière antiparallèle respectivement avec la première diode D et le premier transistor T. On réalise, ainsi, une standardisation de la structure du convertisseur ce qui permet d'employer un même composant 30, 30' pour la borne positive (+) et négative (-), comme illustré sur les figures 3B et 3C, qui correspondent respectivement aux figures 2B et 2C. Une telle standardisation de l'organe de conversion présente plusieurs avantages : - augmenter les fonctionnalités grâce au degré de commande supplémentaire ; - élargir le choix dans les gammes de composant des fabricants ; - réduire les coûts grâce à l'effet de quantité ; - réduire le nombre de référence de composants utilisés. Dans une seconde variante de réalisation illustrée sur la figure 4, plusieurs organes de couplage de l'invention 32 et 33, tels que celui illustré sur la figure 3A, sont couplés en parallèle, ce qui permet de multiplier le calibre en courant du dispositif de l'invention par le nombre d'organes de couplage mis en parallèle. Afin d'obtenir de bonnes performances et une bonne fiabilité, on réalise des mises en parallèle de dispositifs identiques avec des inductances d'interconnexion L1, L2 en sortie. La figure 5 illustre de tels organes de conversion 32 et 33 avec une protection de dernier secours. Un élément passif, tel qu'un fusible 30 ou 31 est alors placé en série avec la borne positive (+) ou négative (-), et protège d'une éventuelle mise en court-circuit du bus continu en cas de panne du convertisseur. Le dispositif de l'invention, tel qu'il est illustré sur les figures 3A, 3B et 3C et sur la figure 5, ne peut être utilisé que pour connecter la seconde partie 11 sur la première partie 10. La précharge de la première partie ne peut pas être effectuée par la seconde partie. Mais, un transfert de puissance de la seconde partie vers la première partie est possible grâce à la diode D' branchée en antiparallèle avec le transistor T pour la partie positive et à la diode D avec le transistor T' pour la partie négative. Cette structure n'assure donc pas la réversibilité de la précharge, mais assure la réversibilité en puissance. Certaines structures électroniques, illustrées sur les figures 6A, 6B et 6C, permettent une réversibilité complète pour coupler indifféremment la seconde partie sur la première partie et inversement, les avantages de l'invention restant alors valables. Sur la figure 6A, on utilise deux cellules 35 et 35' telles que celle illustrée sur la figure 3A, connectées chacune à une des deux parties 10 et 11 du réseau et reliées entre elles, en leur point milieu, par l'inductance L. Sur la figure 6B, les deux parties 10 et 11 sont reliées entre elles par un organe de couplage 36 comprenant un premier transistor et une première diode en série branchés de manière antiparallèle avec un second transistor et une seconde diode en série, et une inductance L. Sur la figure 6C, les deux parties 10 et 11 sont reliées entre elles par un organe de couplage 37 comprenant un premier transistor sur lequel est branchée, de manière antiparallèle, une première diode, et un second transistor sur lequel est branché, de manière antiparallèle, une seconde diode ; les deux transistors étant branchés en série, mais en sens contraire, et une inductance L. Grâce à la possibilité de commande de cet organe de conversion, il est possible d'éviter les instabilités sur le réseau continu en aval du dispositif (seconde partie). Trois fonctions peuvent donc être réalisées avec le dispositif de l'invention : Précharge, par la charge lente des condensateurs d'une partie du réseau, ou d'une charge (par exemple un terminal utilisateur), ou d'un ensemble de charges, pouvant être connectée(s) sur l'une des deux parties du réseau, lors de leurs mises sous tension. Protection contre les surintensités : par la protection des conducteurs électriques (fonction disjoncteur électronique) et/ou la limitation du courant absorbé par une partie du réseau, ou une charge (par exemple un terminal utilisateur) ou d'un ensemble de charges, pouvant être connectée(s) sur l'une des deux parties du réseau. - Protection contre les instabilités : par la gestion des instabilités éventuelles survenant sur la partie du réseau en aval du dispositif (seconde partie). En effet, la distribution d'un réseau électrique en courant continu pose la question des risques d'instabilités. La tension peut osciller et atteindre des valeurs excessives entraînant des détériorations matérielles. Grâce à la gestion de la tension et du courant sur la seconde partie du réseau (ou d'une charge ou d'un ensemble de charge), les transferts de puissance sont maîtrisés et ces instabilités peuvent être éliminées. . Le dispositif de l'invention permet ainsi de contrôler la tension de la seconde partie du réseau ou d'une charge (utilisateur) ou d'un ensemble de charges, lors de la précharge du ou des condensateurs de cette même partie du réseau ou charge (utilisateur) ou ensemble de charges. Le dispositif de l'invention permet également de contrôler le courant de ligne dans la seconde partie du réseau ou dans une charge (utilisateur) ou dans un ensemble de charges, lors de la précharge du ou des condensateurs, et lors des surintensités engendrées par cette même partie du réseau ou charge (utilisateur) ou ensemble de charges.. Comme décrit ci-dessus, dans le cas d'un réseau haute tension à courant continu, le dispositif de l'invention est essentiellement constitué par des composants électroniques de puissance, auxquels viennent s'ajouter une électronique de commande miniature. Si celle-ci est numérique et programmable, l'ensemble du dispositif de l'invention constitue alors un tout générique, programmable et reconfigurable selon les besoins. Il est alors possible d'implanter une commande adaptée pour contrôler la partie du réseau concernée. Il convient alors de respecter certaines précautions lors du paramétrage de la commande. Pour contrôler la tension et le courant utilisateur, plusieurs paramètres du dispositif de l'invention peuvent ainsi être ajustés : - la valeur du courant à limiter (Imax) ; - l'ondulation du courant (AI) que l'on peut définir comme une hystérésis ; - le temps maximum (Atmax) durant lequel on souhaite limiter le courant ; - la fréquence maximale (fmaX) des commutations. La fréquence maximale fmaX de fonctionnement ainsi que le temps maximum Atmax de fonctionnement du dispositif de l'invention doivent être compatibles avec les performances thermiques de celui-ci, afin d'éviter un échauffement excessif et un vieillissement prématuré du dispositif. Plusieurs stratégies de fonctionnement peuvent être utilisées, et notamment les trois stratégies suivantes qui jouent sur les paramètres précités : Une stratégie à ondulation du courant AI constante illustrée sur la figure 7 : lorsque le courant de ligne I atteint la valeur maximale permise Imax, la limitation de ce courant agit de façon à maintenir une ondulation de courant constante, dans une fourchette donnée Al. Dans ce cas, la fréquence de commutation du dispositif de l'invention varie en fonction des paramètres du réseau. Une stratégie à fréquence fmax constante illustrée sur la figure 8 : lorsque le courant de ligne I atteint la valeur maximale permise Imax, la limitation de ce courant agit de façon à maintenir la fréquence de commutation constante, égale à la valeur maximale raisonnable fma.. Dans ce cas, l'ondulation du courant AI varie en fonction des paramètres du réseau. Une stratégie à ondulation du courant AI prioritaire mais à fréquence limitée fmax illustrée sur la figure 9 : lorsque le courant de ligne I atteint la valeur maximale permise Imax, la limitation de ce courant agit de façon à maintenir une ondulation de courant constante, dans une fourchette donnée Al. Comme dans la première stratégie illustrée sur la figure 7, la fréquence de commutation du dispositif varie en fonction des paramètres du réseau, mais elle est limitée à sa valeur maximale permise fma.. Lorsque la fréquence est limitée, c'est alors l'ondulation du courant AI qui varie en fonction des paramètres du réseau. La dernière stratégie illustrée sur la figure 9 constitue un bon compromis. Elle permet de respecter la contrainte de fréquence de commutation visant à limiter les échauffements du dispositif. Par ailleurs, l'échauffement du dispositif est également lié à la durée de fonctionnement de celui-ci en mode actif (Atmax)• C'est pourquoi on surveille cette durée. Ainsi, si le courant n'est pas revenu dans une plage de fonctionnement nominal après un temps Atmax déterminée, on déclare un défaut et on ouvre le dispositif. Exemple de réalisation Dans un exemple de réalisation illustré sur la figure 10, une barre bus 43 est alimentée par un système de génération haute tension à courant continu (HVDC) 45. L'organe de couplage électronique 44 (bras d'électronique de puissance) est placé près de la barre bus 43 dans un coeur électrique 42. Le terminal utilisateur 40 est situé à plusieurs mètres du coeur électrique 41. L'inductance L des câbles est alors suffisante pour ]ouer le rôle d'inductance de commutation du convertisseur. Un premier condensateur Cl de valeur importante est présent sur le bus 43, dans le coeur électrique 42. Un second condensateur C2 est situé en entrée du terminal utilisateur 40. Sur la figure 11A, sont illustrées les courbes de tension bus 50, utilisateur 51 et organe de couplage 52. Sur la figure 11B, sont illustrées des courbes de courant limite 53 et utilisateur 54. Ainsi, comme illustré sur ces figures, à l'instant t = 0 le couplage du terminal utilisateur 40 au réseau (barre bus HVDC 43) est ordonné. L'organe de couplage 44 entre en action. Le transistor T devient passant, faisant croître le courant 54 circulant à l'entrée de terminal utilisateur. La tension 51 aux bornes du terminal utilisateur croît également par la charge de son condensateur interne C2. Lorsque le courant utilisateur 54 atteint la valeur limite prédéfinie 53 (par exemple 75 A), le transistor T se bloque. Le courant utilisateur 54 décroît alors que la tension utilisateur 51 est maintenue par la capacité C2. Après un certain temps permettant de ne pas dépasser une fréquence de commutation donnée (par exemple 5 kHz), le transistor T redevient passant, provoquant à nouveau une augmentation de la charge du condensateur C2. Le phénomène se reproduit jusqu'à ce que le condensateur C2 soit presque complètement chargé, en atteignant presque 100 % de la tension du réseau (par exemple 270 V). Après cette phase de précharge du condensateur utilisateur C2, le terminal utilisateur peut alors se mettre en fonctionnement. La stratégie utilisée ici est la stratégie à ondulation du courant (AI) prioritaire mais à fréquence limitée (fmax), illustrée en figure 9. Mais dans cette application, les faibles inductances L entre les deux parties du réseau imposent un mode permanent de fonctionnement en limitation de fréquence. Ceci n'est pas gênant et permet de bonnes performances. Comme illustré sur les figures 11A et 11B, le temps de précharge est très court : moins de 5 ms. Ce temps est bien inférieur à celui nécessaire à un simple contacteur électromécanique pour se fermer. Dans cet exemple de réalisation, la fonction première du dispositif de l'invention est bien remplie : le courant de ligne n'excède pas la valeur maximale prédéfinie, et la précharge du condensateur 5 utilisateur C2 est correctement effectuée. REVENDICATIONS1. Dispositif de couplage de deux parties (10, 11) d'un réseau à courant continu, dans lesquelles sont respectivement installés au moins deux condensateurs (Cl, C2), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un convertisseur statique formé par au moins un organe de couplage électronique, comprenant au moins un transistor (T) et une diode (D) associé à une inductance (L), disposés entre ces au moins deux condensateurs (Cl, C2). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de couplage est un organe de couplage à électronique de puissance, comprenant au moins un transistor de type IGBT, MOSFET, ou bipolaire et une diode. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'organe de commande comprend au moins un transistor (T) en série avec une diode (D). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'organe de commande comprend un premier transistor (T) en série avec une première diode (D), et un second transistor (T') en série avec une seconde diode (D'), le premier transistor (T) et la seconde diode (D') étant branchés de manière antiparallèle, et le second transistor (T') et la première diode (D) étant branchés de manière antiparallèle. 5. Procédé de couplage de deux parties (10, 11) d'un réseau à courant continu, dans lesquelles sont respectivement installés au moins deux condensateurs (Cl, C2), caractérisé en ce que, préalablement au couplage, on précharge au moins un des condensateurs (Cl, C2) des deux parties de ce réseau à l'aide d'un convertisseur statique formé par au moins un organe de couplage associé à une inductance. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on réalise la précharge dudit au moins un condensateur par la charge lente d'au moins un condensateur de l'une des deux parties (10, 11) du réseau. 7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on réalise la précharge dudit au moins un condensateur par la charge lente d'au moins un condensateur d'une charge, ou d'un ensemble de charges, pouvant être connectée(s) à l'une des deux parties du réseau, lors de leurs mises sous tension. 8. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on réalise une protection contre les surintensités par la protection des conducteurs électriques, et/ou la limitation du courant absorbé par une des deux parties du réseau, ou une charge ou un terminal utilisateur. 5 9. Procédé selon la revendications, dans lequel on réalise une protection contre les instabilités par la gestion des instabilités éventuelles survenant sur la partie du réseau en aval. 10. Aéronef comprenant au moins un dispositif selon l'invention quelconque des revendications 1 à 4.