Brevet FR2936661A1 — publié le 20100402

ARCHITECTURE DE RESEAU ELECTRIQUE POUR MILIEUX CONFINES INCORPORANT DES SOURCES D'ENERGIE ELECTRIQUE. Domaine technique La présente invention est du domaine des équipements électriques pour milieux confinés et a pour objet une nouvelle architecture de réseau électrique incorporant des sources d'énergie électrique pour alimenter une ou plusieurs charges électriques. Plus particulièrement, la présente invention est relative à une architecture de réseau électrique à taux accru d'occupation en courant, pour aéronef ou autres véhicules de transport, ainsi que pour bâtiments à usage particulier tels qu'hôpitaux etc. Etat de la technique antérieure. Typiquement, les réseaux électriques connus pour aéronefs et autres, comme représenté schématiquement en figure 3 sont organisés en arborescence de sorte que chaque charge électrique C est connectée à la source d'énergie électrique S par plusieurs conducteurs électriques agencés en série formant par exemple, depuis la source S, une barre B, et une branche ou sous barre SB et une ramification R. Ces conducteurs sont de sections croissantes depuis la charge C vers la source S de courant. Ceci s'explique par le fait que chaque sous branche SB alimente généralement plusieurs ramifications R qui alimentent chacune une charge C et que chaque barre B alimente plusieurs sous barres SB. À ces voies de transport d'énergie électrique sont associés des moyens de protection contre les surintensités électriques tels que des disjoncteurs certains utilisant des SSPC acronyme de � solid state power controler or contactor � (Elément statique de coupure de puissance). Exposé de l'invention Problème technique La configuration telle que précédemment décrite présente plusieurs inconvénients majeurs. Le transport de l'énergie à chaque charge n'emprunte qu'une seule voie de sorte qu'une rupture de l'un des conducteurs de cette voie empêche le fonctionnement normal de la ou des charges électriques qui lui sont associées. Ce défaut est sans conséquence sur la sécurité si la ou les charges électriques ne sont pas critiques pour le fonctionnement normal de l'aéronef. La section de chaque conducteur est déterminée par l'intensité maximale des pics de consommation susceptibles de la traverser, alors que ces événements peuvent n'être que ponctuels et ne se produire qu'un nombre limité de fois durant le vol pour ce qui concerne une utilisation aéronautique. Le reste du temps, la valeur de l'intensité du courant pourrait être largement en deçà de cette consommation de crête. Cette disposition conduit à surdimensionner le câblage pour tenir compte des pics de consommation et par voie de conséquence à augmenter la masse du câblage. Habituellement la conception d'un réseau de distribution de l'énergie électrique pour avion du type gros porteur, occupe à temps plein plusieurs équipes d'ingénieurs pendant toute la durée du programme, en installation, en développement, en câblage, en certification, en gestion de configuration et en recherche et développement. En vue de cette étude est pris en compte le positionnement des charges dans l'avion, la consommation branche par branche et source d'énergie électrique par source d'énergie électrique et ce pour chacune des phases du vol. Les courants de crêtes à savoir les pics de consommation sont également pris en compte. Un cycle d'étude à forte récursivité conduit à réaffecter les charges à des fins d'optimisation. Des fichiers de configuration pour les charges et les SSPC sont ensuite établis. Les charges électriques de l'aéronef comprennent bien souvent des charges dites commerciales répondant aux souhaits et besoin des compagnies aériennes. Une modification ou un ajout d'une charge, même commerciale entraîne dans la plupart des cas, si cette modification n'a pas été prévue à l'origine l'élaboration d'un nouveau fichier de configuration ce qui peut poser des problèmes de certification. En outre la gestion de configuration de charges optionnelles multiples pose d'importants problèmes en gestion de configuration. Un autre inconvénient tient au fait que pour certaines structures notamment en matériau composite, un défaut d'isolation entre un conducteur et ladite structure peut endommager très gravement cette dernière en raison du dégagement de chaleur provoqué par un apport important d'énergie. Enfin la gestion des réseaux actuels ne permet pas d'équilibrer les sources d'énergie électrique avec les charges d'une façon dynamique. La seule possibilité offerte par les réseaux connus en cas de surcharge des générateurs est le délestage en cours d'utilisation ce qui s'avère très insuffisant. Solution technique La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes sus évoqués en mettant en oeuvre une nouvelle architecture de réseau électrique pour milieux confinés tels qu'aéronefs permettant une réduction notable de la masse du câblage. Un autre but de la présente invention est de faciliter l'intégration de nouvelles charges électriques sans qu'il soit nécessaire d'opérer d'importants calculs d'optimisation de l'équilibrage des charges électriques. Un autre but de la présente invention est de permettre un équilibrage dynamique des sources d'énergie électrique pendant l'utilisation. À cet effet la nouvelle architecture de réseau électrique pour milieux confinés tels qu'aéronefs se caractérise essentiellement en ce qu'elle comporte : - un réseau électrique principal constitué de plusieurs conducteurs électriques isolés électriquement les uns des autres, aptes à distribuer de l'énergie électrique le long du milieu confiné, - un ensemble de distribution primaire comprenant au moins un sous ensemble de distribution primaire constitué d'un moyen sélecteur, connecté d'une part à l'un au moins des conducteurs du réseau électrique principal, et d'autre part à une source d'énergie électrique dédiée et plus particulièrement soit à l'une des bornes de sortie de cette dernière sur laquelle une puissance électrique est potentiellement disponible, soit à la borne de neutre de cette source soit à la borne de masse électrique, - au moins un ensemble de distribution secondaire connecté électriquement à au moins une partie du réseau primaire, ledit ensemble étant destiné à alimenter au moins une charge dédiée, chaque ensemble de distribution secondaire comprenant au moins un moyen sélecteur connecté à une borne de sortie unique à laquelle une charge électrique est destinée à être connectée, ledit moyen sélecteur étant apte à fermer ou ouvrir la liaison électrique établie entre ladite borne électrique de sortie et l'un au moins des conducteurs du réseau électrique principal. En raison de ces dispositions, la réalisation de l'installation se trouve grandement simplifiée et l'addition d'une charge non prévue dès l'origine ne posera pas de problème particulier, cette charge en fonction de la puissance électrique qu'elle absorbe sera connectée à un ou plusieurs conducteurs du circuit principal. La configuration telle que précédemment définie permet de limiter l'intensité des courants circulant dans chaque conducteur ce qui est un facteur de sécurité contre les dégâts électriques susceptibles d'être causés à la structure. En cas de défaillance d'une des sources d'énergie électrique et plus généralement de l'une des voies d'alimentation de la charge, la charge associée pourra être commutée sur une ou plusieurs autres voies et le cas échéant sur une ou plusieurs autres sources d'énergie dans la mesure où ces dernières sont compatibles entre-elles. Selon une autre caractéristique de l'invention, le moyen sélecteur de chaque sous ensemble de distribution primaire est constitué par plusieurs relais comportant une borne commune par laquelle ils sont connectés à la borne correspondante de la source d'énergie électrique choisie, chaque relais étant connecté par ailleurs à l'un au moins des conducteurs du réseau principal, ces conducteurs étant eux-mêmes associés à une même source d'énergie ou bien à plusieurs sources compatibles entre-elles, c'est-à-dire à des sources qui peuvent être mises en parallèle pour alimenter une charge sans risque de détérioration d'une partie du réseau et/ou des sources et sans risque de mauvais fonctionnement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le moyen sélecteur de chaque ensemble de distribution secondaire est constitué par plusieurs relais connectés à la borne de connexion de la charge, chaque relais étant connecté par ailleurs à l'un des conducteurs du réseau principal. Avantageusement, selon une autre caractéristique de l'invention, les relais de chaque sous ensemble de distribution primaire et de chaque ensemble de distribution secondaire sont actionnés dans le sens de l'ouverture ou de la fermeture à partir par un contrôleur piloté par un logiciel approprié ou par une électronique appropriée prenant en compte la configuration des charges. Selon une autre caractéristique de l'invention, le logiciel ou l'électronique assure l'équilibrage dynamique des courants dans le réseau et l'équilibrage dynamique des sources d'énergie électrique par commutation des charges et/ou des sources d'énergie électriques. Une telle disposition permet la gestion dynamique des sources d'énergie électrique ainsi que des courants et des charges. Selon une autre caractéristique de l'invention à chaque relais est connecté en série avec un moyen de protection contre les surintensités électriques. Description sommaire des figures et des dessins. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'une forme préférée de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre une vue schématique de l'architecture conforme à l'invention, - la figure 2 montre un mode de connexion d'une charge, permettant des mesures différentielles de courant. Exemple de réalisation de l'invention En figure 1 est représentée une architecture selon l'invention. Cette architecture comprend un réseau électrique principal 1, un ensemble 2 de distribution primaire connecté électriquement au réseau principal 1 et au moins un ensemble de distribution secondaire 3 connecté électriquement à une partie au moins du réseau électrique principal, cet ensemble de distribution secondaire 3 étant destiné à alimenter en énergie électrique plusieurs charges électriques 4. Le réseau électrique principal 1 peut se présenter physiquement sous la forme de conducteurs électriques 10 se présentant par exemple sous la forme de câbles électriques avec isolations appropriées ou bien sous la forme de pistes électriquement conductrices écartées les unes des autres, formées sur un support souple ou rigide électriquement isolé. Des équipements de connexion pourront être associés à ce circuit électrique principal 1 pour par exemple permettre la connexion future d'ensemble de distributions secondaires 3. L'ensemble de distribution primaire 1 peut comporter plusieurs sources distinctes d'énergie électrique 5 du type à courant continu ou alternatif monophasé ou polyphasé. Pour ce qui concerne un aéronef, ces sources d'énergie 5 peuvent être constituées, de manière non limitative, par les génératrices actionnées par le ou les moteurs de ce dernier. Chaque source d'énergie électrique 5 présente au moins une borne de sortie 50 sur laquelle une puissance électrique est disponible. L'ensemble de distribution primaire est constitué d'un ou plusieurs sous-ensembles de distribution primaire 20 connecté à une source d'énergie électrique dédiée 5. L'un au moins des conducteurs 10 du réseau électrique principal 1 peut être connecté à la masse ou un neutre d'une source d'énergie électrique 5. Chaque sous-ensemble de distribution primaire 20 est constitué d'un moyen sélecteur lequel est connecté électriquement à plusieurs conducteurs électriques 10 du réseau électrique 1 d'une part et d'autre part à la source d'énergie électrique 5 dédiée, ou à plusieurs sources compatibles entre elles ou bien à la masse ou au neutre. Par ce moyen sélecteur 20 plusieurs liaisons électriques indépendantes sont formées entre la source d'énergie électrique 5 et les conducteurs électriques 10 associés, ces liaisons électriques pouvant individuellement être fermées ou ouvertes par le moyen sélecteur 20 de façon que le conducteur 10 associé à chaque liaison puisse être alimenté ou non en énergie électrique. Le moyen sélecteur 20, constitutif de chaque sous ensemble de distribution électrique est constitué par plusieurs relais 21, formant chacun interrupteur, comportant une borne commune 22 par laquelle ils sont connectés à la source d'énergie électrique 5 correspondante. En outre chaque relais 21 par une seconde borne 23 est connecté à l'un des conducteurs 10 du réseau électrique principal 1. Chaque ensemble de distribution secondaire 3 comprend au moins un moyen sélecteur 30 connecté à une borne de sortie unique 32 à laquelle une charge électrique dédiée 4 est destinée à être connectée. Ce moyen sélecteur est par ailleurs connecté à plusieurs conducteurs 10 du réseau électrique principal, ces conducteurs étant alimentés par une même source d'énergie électrique 5 ou par des sources d'énergie électriques compatibles entre-elles. Ces conducteurs, comme dit précédemment, peuvent être connectés soit au neutre de l'une des sources soit à la masse. Ce moyen sélecteur 30 a pour but d'assurer la fermeture ou l'ouverture des liaisons électriques établies entre la borne électrique de sortie 32 et les conducteurs concernés 10 du réseau électrique principal 1, et ce de manière dynamique. Il pourra assurer par exemple, par la fermeture d'une liaison électrique ou plus, l'alimentation de la charge 4 en énergie électrique. Ce moyen sélecteur pourra également établir, en cas de défaillance par exemple d'un des conducteurs 10 associés, l'alimentation de cette charge 4 à partir d'un autre conducteur 10 du réseau 1. Cette commutation peut aussi être effectuée non pas dans un but de contourner un défaut électrique mais dans un but d'équilibrage des courants, cet équilibrage s'effectuant de manière dynamique. Chaque moyen sélecteur 30 de chaque ensemble de distribution secondaire 3 comprend plusieurs relais 31 reliés à la borne 32 de connexion de la charge 4. Chaque relais 31 est connecté par ailleurs à l'un des conducteurs 10 du réseau électrique principal 1, les relais 31 d'un même moyen sélecteur 30 étant connectés à des conducteurs électriques 10 différents. Chaque conducteur 10 du réseau principal est connecté à l'une au moins des sources d'énergie électrique 5 ou bien à la masse ou bien au neutre, par l'intermédiaire d'un des relais 21 connecté à cette source, masse ou neutre. Dans la forme de réalisation objet de la figure 1, chaque conducteur 10 est connecté à plusieurs sources d'énergie électrique 5. De même, chaque conducteur 10 du réseau électrique principal est connecté à l'un des relais 31 de l'un au moins moyen sélecteur 30 de l'ensemble de distribution secondaire 3. Selon la forme préférée de réalisation, chaque conducteur 10 est connecté à l'un des relais 31 de plusieurs moyen sélecteur 30. Les différents relais 21, 31, qu'ils fassent partie du moyen sélecteur 20 ou des moyens sélecteurs 30 seront manoeuvrables à distance indépendamment les uns des autres par un circuit de commande et de contrôle 9 approprié mettant en oeuvre essentiellement des moyens informatiques ou électroniques adaptés de gestion du réseau. Cette disposition permet une gestion dynamique des sources 5, par exemple, elle permet d'isoler une des sources 5 en cas de défaillance de cette dernière et de commuter sur une autre source 5 au moins, les conducteurs 10 précédemment alimentés par la source défaillante 5. Elle permet aussi une gestion dynamique des courants et des charges, de leur affectation, le courant d'alimentation d'une charge 4 pouvant être réparti sur plusieurs conducteurs 10 via plusieurs relais. Les relais seront par exemple du type de ceux pouvant être piloté par un signal électrique ou par un signal optique. À chaque relais sera associé en série au moins un moyen de protection 6 constitué par un élément fusible et un moyen de protection 7 constitué par un disjoncteur. Avantageusement le composant de coupure que possède le disjoncteur formera le relais 31. Cet ensemble disjoncteur relais sera avantageusement constitué par un SSPC. On observe en figure 2 un sous ensemble de distribution primaire 20 relié à la masse électrique de l'installation ou bien au neutre d'une source d'énergie électrique (cas d'un neutre isolé de la masse) et un ensemble de distribution secondaire 30 connecté à ce sous ensemble de distribution primaire par l'intermédiaire de plusieurs conducteurs du réseau électrique principal. On observe également qu'une charge 4 est connectée à cet ensemble de distribution secondaire 30 et que cette charge 4 est connectée également à un autre ensemble de distribution secondaire lequel, dans ce cas de figure est connecté à une source d'énergie par l'intermédiaire d'un autre sous ensemble de distribution primaire. Une telle disposition permet des mesures différentielles de courant pour détecter toutes fuites de courant vers la masse (protection différentielle) ou bien atténuer les effets négatifs électromagnétiques. Le réseau électrique principal sera surveillé à la fois au niveau des surintensités et par des mesures différentielles entre la somme des courants primaires et la somme des courants secondaires et ce pour chacun des conducteurs. Des méthodes de corrélations temporelles sur les variations de courants et de tensions permettront de s'affranchir d'erreurs de mesures et l'ensemble de ces dispositions telles que décrites permettront de détecter les arcs électriques séries et parallèles. D'autres dispositifs basés sur des mesures de tensions et courants et leurs variations au niveau des sous ensemble primaires et des ensembles secondaires permettront de localiser précisément un défaut dans le réseau. Avantageusement, seront prévus des moyens de test de la continuité électrique et des courts circuits des liaisons électriques depuis les sources 5 jusqu'aux charges 4. Ces liaisons seront testées à intervalles réguliers et en cas de défaut seront isolées. Seront également prévus des moyens de test de la capacité d'ouverture des disjoncteurs associés à une même charge, par ouverture régulière et 20 séquencée de ces derniers. Ces différentes fonctions de test seront prises en charge par le logiciel de gestion du réseau. Avantageusement la gestion des disjoncteurs sera réalisée par le logiciel et l'électronique qui réalise les autres fonctions de contrôle et de gestion du 25 réseau. Avantageusement les moyens sélecteurs et disjoncteurs des sous ensemble primaire et des ensembles de distribution secondaires seront constitués par des disjoncteurs en tranches tels que ceux décrits dans la demande de brevet pour � Disjoncteur en tranches � déposée ce même jour par 30 le demandeur. L'architecture telle que décrite, conjointement au transport de l'énergie électrique d'alimentation des charges, peut être utilisée aussi pour le transport d'informations numériques, ce qui est propre à réduire l'importance des réseaux affectés à cette tâche. II va de soi que la présente invention peut recevoir tous aménagements et variantes du domaine des équivalents techniques sans pour autant sortir du 5 cadre du présent brevet. REVENDICATIONS1/ Architecture de réseau électrique pour milieux confinés, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un réseau électrique principal (1) constitué de plusieurs conducteurs électriques (10) isolés électriquement les uns des autres, aptes à distribuer l'énergie électrique le long du milieu confiné, - un ensemble de distribution primaire (2) comprenant au moins un sous ensemble de distribution primaire constitué d'un moyen sélecteur (20), connecté d'une part à l'un au moins des conducteurs (10) du réseau électrique principal, et d'autre part à une source d'énergie électrique (5) dédiée et plus particulièrement soit à l'une des bornes de sortie de cette dernière sur laquelle une puissance électrique est potentiellement disponible, soit à la borne de neutre de l'une des sources soit à la borne de masse électrique, - au moins un ensemble de distribution secondaire (30) connecté électriquement à au moins une partie du réseau principal (1), ledit ensemble étant destiné à alimenter au moins une charge dédiée (4), chaque ensemble de distribution secondaire comprenant au moins un moyen sélecteur (30) connecté à une borne de sortie (32) à laquelle une charge électrique (4) est destinée à être connectée, ledit moyen sélecteur étant apte à fermer ou ouvrir la liaison électrique établie entre ladite borne électrique de sortie et l'un au moins des conducteurs du réseau électrique principal (1). 2/ Architecture selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen sélecteur de chaque sous ensemble de distribution primaire (20) est constitué par plusieurs relais (21) comportant une borne commune (22) par laquelle ils sont connectés à la borne correspondante de la source d'énergie électrique choisie (5), chaque relais (21) étant connecté par ailleurs à l'un au moins des conducteurs (10) du réseau électrique principal. 3/ Architecture selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen sélecteur de chaque ensemble de distribution secondaire (30) est constitué par plusieurs relais (31) connectés à la borne (32) de connexion de la charge, chaque relais (31) étant connecté par ailleurs à l'un des conducteurs (10) du réseau électrique principal (1).4/ Architecture selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce qu'à chaque relais (21, 31) de chaque moyen sélecteur (20, 30) est connecté en série au moins un moyen de protection (6, 7) contre les défauts électriques tels que surintensités électriques, surtensions électriques, sous- tensions électriques, défauts différentiels et arcs électriques séries ou parallèles. 5/ Architecture selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que les relais (21) de chaque sous ensemble (20) de distribution primaire et de chaque ensemble (30) de distribution secondaire sont actionnés dans le sens de l'ouverture ou de la fermeture par commande à distance par un contrôleur, prenant en compte la configuration des charges, ledit contrôleur assurant l'équilibrage dynamique des courants dans le réseau par commutation des charges et/ou des sources d'énergie électriques. 6/ Architecture selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen de protection comprend un élément fusible (6). 7/ Architecture selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen de protection comprend un disjoncteur (7). 8/ Architecture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque conducteur (10) du réseau électrique principal (1) est connecté par l'intermédiaire d'un des relais (21) à l'une au moins des sources d'énergie électrique (5) ou au neutre d'une source ou à la masse. 9/ Architecture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque conducteur (10) du réseau électrique principal (1) est connecté à l'un des relais (31) de l'un au moins des moyens sélecteur (30). 10/ Architecture selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque conducteur (10) est connecté à l'un des relais (31) de plusieurs moyen sélecteur (30). 11/ Architecture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est utilisée également pour le transport de données numériques. 12/ Architecture selon les revendications 4 et 5 prises ensemble, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mesure aptes à mesurer les valeurs de tension et de courant au niveau de chaque relais (21, 31) et que lecontrôleur à partir du résultat des dites mesures est apte à détecter un défaut électrique et agir en retour sur le moyen de protection.