Brevet FR2947245A1 — publié le 20101231

SYSTEME ET PROCEDE D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système et un 5 procédé d'alimentation électrique d'un aéronef, par exemple d'un avion. Dans la suite, pour des raisons de simplification, on considère, à titre d'exemple, un aéronef de type avion. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE En aéronautique, le régime de neutre couramment utilisé est le régime TN-C, ce qui veut dire . 15 T : neutre de l'installation reliées directement à la terre, N : masses de l'installation reliées au conducteur de neutre, C conducteur de protection des masses 20 de l'installation et conducteur de neutre confondus. Dans un système d'alimentation électrique à bord d'un avion, le neutre de chaque générateur principal G est relié au fuselage 10' de l'avion, au niveau des mats moteurs (1 mètre de câble) afin 25 d'assurer le retour des courants de déséquilibre et de défauts. De plus, toutes les masses des équipements sont connectées à ce fuselage. Le fuselage tient donc à 2 la fois le rôle de conducteur de neutre et de terre. Ainsi sur la figure 1, sont représentés un générateur triphasé G, dont le neutre N est relié au fuselage 10', relié à un coeur électrique 11' par ses phases phi, ph2 et ph3, une charge en défaut phase-terre 12' dont la masse est reliée au fuselage 10'. Un courant id de défaut 13' relatif à cette charge 12' en défaut, qui transite vers le fuselage 10', est également illustré. Dans une telle configuration, les générateurs principaux G remplissent les fonctions de générateurs de composantes de courant directes, inverses et homopolaires décrites par exemple dans le document référencé [1] en fin de description. Le régime de neutre tel que défini ci-dessus permet de réaliser un gain massique important en évitant le rajout de câbles supplémentaires. Cependant, la distribution du neutre des générateurs principaux G entraîne un surpoids pour deux raisons : - Le raccordement du neutre de chaque générateur G au fuselage autorise la circulation des courants d'harmonique 3, c'est-à-dire la circulation de courants homopolaires, qui occasionne des pertes supplémentaires. Pour réduire fortement la valeur de ces courants d'harmonique 3, on peut utiliser des générateurs conçus avec une structure de bobinages à pas 2/3, qui implique une légère atténuation du fondamental. Par conséquent, la puissance massique du générateur diminue. Dans le cas d'un avion dont le fuselage est en carbone, le neutre de chaque générateur G ne peut être relié au mat moteur. Il est relié au PVR (� Point 3 Voltage Reference � ou point de référence des tensions) de l'ESN (� Electrical Structural Network � ou réseau structurel électrique) 10, comme illustré sur la figure 2. Le neutre et la masse des charges sont reliés à l'ESN. - La localisation des générateurs principaux G dans les ailes d'un avion 20 à proximité de chaque moteur 21 et celle des coeurs électriques 22 à l'avant de l'avion impose une longueur de câble de neutre 23 non négligeable, comme illustré sur la figure 3, un tel � coeur électrique � étant un noeud d'interconnexion sources - charges incluant des organes de protection et de contact, dont la tension est stabilisée par un élément extérieur. Il en résulte un coût massique important surtout dans le cas où l'avion 20 dispose de quatre canaux d'alimentation électrique, et donc de quatre câbles de neutre. L'invention a pour objet de supprimer de tels cables de neutre afin de diminuer le volume et la masse de l'alimentation électrique à bord de l'avion, les générateurs principaux conservant le rôle de générateurs des composantes directes et inverses mais la fonction de générateur homopolaire étant assurée par un équipement spécifique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système d'alimentation électrique d'un aéronef, par exemple d'un avion, comportant un réseau électrique comprenant des générateurs principaux alimentant des canaux de distribution électrique, caractérisé en ce qu'il 4 comprend un générateur homopolaire permettant de créer un neutre artificiel. Avantageusement, le générateur homopolaire est un équipement du réseau électrique. Il peut comprendre un transformateur. Ce peut être un transformateur-redresseur. Un tel transformateur- redresseur comporte : - un transformateur triphasé à isolement galvanique comprenant : • un primaire en étoile, dont le neutre est connecté à la terre, • un secondaire en triangle, • un secondaire en étoile, • une structure magnétique à trois colonnes. 15 un étage redresseur dodécaphasé pour créer le réseau continu. L'invention concerne également un procédé d'alimentation électrique d'un aéronef comportant un réseau électrique comprenant des générateurs principaux 20 alimentant des canaux de distribution électrique, dans lequel on génère les composantes directes et inverses de courant à l'aide de ces générateurs, caractérisé en ce que, on génère la composante homopolaire à l'aide d'un équipement spécifique, qui peut avantageusement 25 être un équipement du réseau électrique, qui peut comprendre un transformateur. Ce peut être un transformateur-redresseur. L'invention permet ainsi la suppression de la distribution du neutre entre les générateurs 30 principaux et les coeurs électriques à l'aide de cables, avec la mise en place d'un neutre artificiel au niveau des coeurs électriques, ce qui permet de réaliser des économies de masse de l'aéronef et de dimensionnement de ces générateurs. La création d'un neutre artificiel en utilisant un générateur homopolaire permet, en 5 effet, de véhiculer les courants de défaut se répartissant sur trois phases sous la forme de trois composantes homopolaires et non plus seulement sur la seule phase en court-circuit. L'utilisation d'un équipement déjà existant dans le réseau électrique comme générateur homopolaire permet de réaliser des économies de masse en évitant de rajouter un équipement supplémentaire. L'utilisation d'un transformateur- redresseur TRU comme générateur homopolaire permet de mutualiser la fonction de générateur homopolaire sur un équipement existant en connectant le neutre du primaire du transformateur au PVR de l'avion. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1, 2 et 3 illustrent un système d'alimentation électrique d'un avion selon l'art connu. La figure 4 illustre l'intégration d'un générateur homopolaire dans un réseau électrique selon l'invention. La figure 5 illustre la réalisation du générateur homopolaire illustré sur la figure 4 en utilisant un transformateur dont le primaire est couplé en étoile. La figure 6 illustre un mode de réalisation 30 du système de l'invention dans lequel un 25 6 transformateur-redresseur (TRU) est utilisé comme générateur homopolaire. La figure 7 illustre la répartition des courants dans un transformateur-redresseur tel qu'illustré sur la figure 6 en cas de défaut. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la suite de la description, les références utilisées pour les éléments illustrés sur la figure 2 sont conservées pour illustrer des éléments analogues sur les figures 4, 5 et 6. Le système d'alimentation électrique de l'invention, comme illustré sur la figure 4, comprend ainsi un réseau électrique constitué d'un générateur principal G, d'un coeur électrique 11, d'une charge 12 en défaut, et le l'ESN 10 de l'avion. Il comprend, de plus, un générateur homopolaire 30. Comme cela est bien connu d'un homme du métier, un générateur homopolaire permet de créer un neutre impédant sur un réseau électrique n'en comportant pas, et de mettre ce réseau à la terre à travers cette impédance. L'impédance est calculée de façon à limiter le courant de défaut à une valeur déterminée. La valeur du courant de défaut dépend du réseau que l'on veut protéger. Un tel générateur homopolaire 30 est caractérisé par : - une faible impédance homopolaire pour faciliter la circulation des composantes homopolaires, - une forte impédance directe pour que le dispositif ne se comporte pas comme une charge. 7 Dans l'invention, un tel générateur homopolaire 30 permet de créer un neutre artificiel qui permet de supprimer les câbles de neutre provenant des générateurs principaux. Ainsi, comme le montre la figure 4, dans le cas d'une charge 12 en défaut phase-terre, le courant de défaut id est véhiculé vers le réseau triphasé par l'intermédiaire du générateur homopolaire 30 sous forme de trois composantes homopolaires i0=3, qui se répartissent sur les trois phases. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, illustré sur la figure 5, la fonction générateur homopolaire peut être réalisée avec un équipement existant dans le réseau électrique de l'avion ce qui permet de réaliser des économies de masse. Cependant, il est possible d'ajouter un équipement supplémentaire qui permet de créer un neutre artificiel et d'assurer ainsi la fonction de générateur homopolaire. Cet équipement peut être, par exemple, un transformateur 40. Le secondaire de ce transformateur peut être ou non relié à des charges fonctionnelles 41. Ce transformateur 40 doit posséder les caractéristiques suivantes . - une isolation galvanique entre primaire et secondaire, condition nécessaire pour que les charges électriques 41 reliées au secondaire du transformateur 40 ne soient pas perturbées par la remontée des courants de défaut, - un primaire couplé soit en étoile, soit en zigzag, 8 - le neutre du primaire mis à la terre, - une structure magnétique à trois colonnes afin de minimiser l'impédance homopolaire. L'invention permet ainsi de réduire la 5 masse de l'avion, du fait principalement de la suppression du câble de neutre. L'invention permet également : - d'augmenter la puissance massique des générateurs grâce à l'augmentation de la valeur du 10 fondamental, - d'améliorer la qualité du réseau électrique en atténuant un peu plus les harmoniques 5 et 7. En effet, le fait de ne plus raccorder le neutre des générateurs empêche la circulation des 15 harmoniques 3. La structure de bobinages à pas 2/3, qui présente l'inconvénient d'atténuer le fondamental des courants, n'est donc plus nécessaire pour éliminer les harmoniques 3. On peut donc utiliser un autre type de bobinage, par exemple un bobinage à pas 5/6, qui permet 20 de minimiser les harmoniques 5 et 7 tout en obtenant une valeur de fondamental de 10 % supérieure par rapport à un bobinage de pas 2/3. L'invention permet, enfin, d'obtenir une répartition des courants de défaut sur trois phases 25 sous la forme de trois composantes homopolaires, contrairement au système de l'art connu, dans lequel l'intégralité des courant de défauts circulent sur la phase en court-circuit. Ainsi, dans l'invention, à courant de défaut donné, le générateur doit uniquement 30 fournir 2/3 du courant de défaut sur la phase en court- circuit au lieu de son intégralité, avant les 9 protections se déclenchent. Le dimensionnement des générateurs devient donc moins contraignant vis-à-vis des courants de court-circuit. Exemple d'application Dans un exemple d'application, la remontée des courants de défaut et de déséquilibre est assurée par un neutre artificiel réalisé avec un transformateur-redresseur TRU (� Transformer Rectifier Unit �) fonctionnant en tant que générateur homopolaire. Un tel transformateur-redresseur TRU 59, utilisé pour créer un réseau continu à partir d'un réseau triphasé alternatif, est composé de : - un transformateur triphasé à isolement galvanique comprenant : • un primaire en étoile 60, • un secondaire en triangle 62, • un secondaire en étoile 61, • une structure magnétique 63 à trois colonnes. - un étage redresseur dodécaphasé 64 pour créer le réseau continu Dans cet exemple de réalisation, le neutre N' du primaire du transformateur 60 est raccordé par une liaison 50 à l'ESN 10 de l'avion, comme illustré sur la figure 6. La remontée des courants homopolaires au primaire ne perturbe pas le réseau DC en sortie du TRU 59. L'isolation galvanique entre le primaire 60 et les deux secondaires 61 et 62 couplés en étoile et en triangle sans neutre distribué ne permettent pas la circulation de composantes homopolaires. La figure 7 illustre la répartition des courants dans le transformateur 59 en cas de défaut. On a ainsi . - Au primaire 60 du transformateur 59, les courants triphasés directs ipA, ipB, ipC véhiculant la puissance vers le réseau DC et les courants homopolaires i0 provenant des déséquilibres sur le réseau électrique se superposent. Aux secondaires 61 et 62 du transformateur 59, les courants triphasés directs isa , lsb et isa , isb , ise' véhiculant la puissance vers le réseau DC sont les seuls à circuler vers le redresseur dodécaphasé 64. 11 REFERENCES [1] � Protection des réseaux-généralités � par Claude Corroyer (Techniques de l'ingénieur D4800, pp 1-16, 5 1991). REVENDICATIONS1. Système d'alimentation électrique d'un aéronef comportant un réseau électrique comprenant des générateurs principaux (G) alimentant des canaux de distribution électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur homopolaire (30) permettant de créer un neutre artificiel. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le générateur homopolaire (30) est un équipement du réseau électrique. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le générateur homopolaire comprend un transformateur. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel le générateur homopolaire est un transformateur- redresseur (59). 5. Système selon la revendication 4, dans lequel le transformateur-redresseur (59) comporte : un transformateur triphasé à isolement galvanique comprenant : • un primaire en étoile (60), dont le neutre est connecté à la terre, • un secondaire en triangle (62), • un secondaire en étoile (61), • une structure magnétique (63) à trois colonnes. 13 - un étage redresseur dodécaphasé (64) pour créer le réseau continu. 6. Procédé d'alimentation électrique d'un aéronef comportant un réseau électrique comprenant des générateurs principaux (G) alimentant des canaux de distribution électrique, dans lequel on génère les composantes directes et inverses de courant à l'aide de ces générateurs, caractérisé en ce qu'on génère la composante homopolaire à l'aide d'un équipement spécifique. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'équipement spécifique est un équipement du 15 réseau électrique. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'équipement spécifique comprend un transformateur. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel cet équipement est un transformateur-redresseur. 10. Aéronef comportant un système selon 25 l'une quelconque des revendications 1 à 5. 20