Brevet FR2948630A1 — publié le 20110204

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation et de pilotage d'actionneurs à puissance électrique de commande de vol et un avion le comportant. Elle concerne, plus particulièrement, l'architecture de contrôle de puissance électrique permettant d'assurer le fonctionnement de ces actionneurs lors des différentes phases de vol. Les études de recherche sur les architectures du futur montrent que les applications nouvelles des équipements et des systèmes dans le domaine de l'aéronautique tendent vers une intégration de plus en plus poussée des fonctions (actionneurs, capteurs, surveillance, information de maintenance, ...). Les actionneurs à puissance électrique ont pour objectif de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique capable de manoeuvrer des gouvernes. Actuellement sur plusieurs avions récents, les actionneurs à puissance électrique du type électro-hydrostatique, ou � EHA � (acronyme de � Electro Hydrostatic Actuator �), sont installés sur les différentes gouvernes : aileron, profondeur, spoiler et direction pour une utilisation en secours lors de défaillance des actionneurs hydrauliques (actionneurs dits de � première ligne �) ou de la perte de l'énergie hydraulique. Dans la perspective d'un avion plus électrique, la solution des actionneurs électriques, EHA ou EMA (acronyme de � Electromécanique �), en � première ligne � est pénalisée par la fiabilité de la partie électronique de puissance. Cette faible fiabilité est pour beaucoup attribuée aux conditions environnementales des actionneurs, avec notamment une exposition directe aux importantes variations de température extérieure et leurs conséquences néfastes sur les composants et cartes électroniques. Les actionneurs électriques pour le système de commande de vol sont tous constitués : - d'une électronique de puissance et de contrôle, - d'un moteur de type synchrone à aimant, - d'une pompe hydraulique et de vérins, pour les actionneurs de type EHA, ou d'un dispositif mécanique (réducteur, vis écrou, ...), pour les actionneurs de type EMA. Quel que soit le type d'actionneurs (EHA, EBHA, EMA,.... ), les électroniques sont constituées de convertisseurs indirects dont le schéma est présenté ci-dessous, en regard de la figure 1. Un réseau alternatif 105 fournit de l'énergie électrique à un convertisseur 110 qui fournit une tension continue à un étage 115 dont la sortie est reliée à un convertisseur 120 qui fournit une tension alternative à moteur 125. Cette électronique représente le contributeur majeur de la faible fiabilité des actionneurs électriques. En effet, La fiabilité des actionneurs à puissance électrique, et plus particulièrement celle des composants électroniques, est fortement liée aux contraintes thermiques. La fiabilité des composants électroniques est sensible aux élévations de 15 température et aux cycles thermiques car ces contraintes ont des effets mécaniques directs sur : - les fils reliant les puces aux bornes de sorties, - les puces elles-mêmes vis à vis du substrat utilisé et du type d'encapsulation mis en oeuvre. 20 Ces différents phénomènes sont liés à la différence des coefficients de dilatation des éléments constituant les dispositifs. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, la présente invention vise, selon un premier aspect, un dispositif d'alimentation et de pilotage d'actionneurs à puissance électrique de 25 commande de vol d'un avion, caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un moteur électrique d'actionneur, et - au moins une partie d'une électronique de pilotage d'au moins un dit moteur électrique d'actionneur en zone pressurisée contrôlée en température dudit avion. 30 On améliore ainsi les performances en termes de fiabilité en réduisant les températures maximales subies par cette partie de l'électronique de pilotage et en limitant les gradients, ou variations, temporels ou spatiaux de températures. Les avantages de ce dispositif comportent : - une augmentation significative de la fiabilité des actionneurs électriques. Cette augmentation est essentiellement liée à la suppression des électroniques au niveau des actionneurs électriques ; - une augmentation de la disponibilité des actionneurs électriques par la fiabilisation de l'électronique centralisée de contrôle des actionneurs. Cette augmentation est essentiellement liée à la réduction des contraintes environnementales et particulièrement thermiques. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un convertisseur de courant alternatif en courant continu commun à une pluralité d'actionneurs. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un module de maîtrise de perturbations d'un courant alternatif commun à une pluralité d'actionneurs. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un module de réjection d'énergie commun à une pluralité d'actionneurs. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un onduleur de contrôle de moteur électrique commun à une pluralité d'actionneurs. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un module de pilotage de la puissance maximale consommée par le contrôle unitaire de chaque actionneur d'une pluralité d'actionneur et le contrôle de la somme desdits actionneurs. Grâce à chacune de ces dispositions, on obtient : - une diminution de la masse du système complet en mutualisant les fonctions de conversion et de récupération de l'énergie ; - l'optimisation de l'électronique de puissance embarquée par la régulation de la puissance consommée par les actionneurs électriques en contrôlant la vitesse de manoeuvre des surfaces ; - des gains de coût importants sur les actionneurs électriques. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un boîtier muni d'un module de contrôle en température raccordé à un réseau de ventilation, le dit boîtier étant positionné en zone pressurisée contrôlée en température, comportant ladite partie d'électronique de pilotage d'au moins un dit moteur électrique d'actionneur et étant relié à un calculateur de commandes de vol. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un boîtier muni d'une protection électromagnétique et d'une protection contre la foudre et d'une protection des câbles d'alimentation de chaque actionneur électrique. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de la présente invention comporte, en outre, un système de récupération de l'énergie lors des phases pendant lesquelles les gouvernes sont motrices pour tous les actionneurs connectés. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un avion qui comporte : - au moins un actionneur à puissance électrique de commande de vol, et - un dispositif d'alimentation et de pilotage d'au moins un dit actionneur objet de la présente invention, tel que succinctement exposé ci-dessus. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un schéma électrique de convertisseurs électroniques de l'art antérieur, - la figure 2 représente une architecture d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, - les figures 3A et 3B représentent, schématiquement deux variantes du dispositif objet de la présente invention, 25 30 - les figures 4A et 4B représentent, schématiquement, une implantation du dispositif objet de la présente invention dans un avion de ligne, et - les figures 5A et 5B représentent, schématiquement deux variantes du dispositif objet de la présente invention. La figure 1 a déjà été décrite dans le préambule. On observe, en figure 2, que le dispositif objet de la présente invention est éloigné des actionneurs électriques, ou � délocalisé �, en partie ou en totalité. L'électronique de pilotage 205 d'un moteur électrique 210 d'actionneur 215 est positionnée en zone pressurisée 220 dont la température est contrôlée. On améliore ainsi les performances, en termes de fiabilité, en réduisant les températures maximales subies par cette électronique de pilotage et en limitant les gradients, temporels et spatiaux, de températures. Préférentiellement, comme illustré en figure 2, on met en commun, ou � mutualise � des fonctions significatives de chaque actionneur dans un boîtier électronique centralisé 225, ce qui a, notamment, pour effet de réduire la masse embarquée du système de commande de vol. Ces fonctions électroniques concernent, par exemple, la conversion de courant alternatif en courant continu, la maîtrise des perturbations du réseau alternatif et la réjection d `énergie, comme détaillé en regard des figures 5A et 5B. Le boîtier électronique centralisé 225 est alimenté par le réseau électrique triphasé 230 fourni par le système de génération électrique avion (non représenté). Dans des modes de réalisation, le boîtier 215 bénéficie d'un contrôle en température par raccordement au réseau de ventilation de l'avion. Pour chacun des moteurs 210 d'actionneurs 215, deux ou trois câbles 235 sont disposés entre le boîtier électronique centralisé 215 et ledit moteur 210. Comme illustré en figure 3A, dans une première variante de réalisation du dispositif objet de la présente invention, l'électronique est partiellement délocalisée, un onduleur 305 restant à proximité du moteur 210 d'actionneur 215 de gouverne 325. L'étage d'entrée 310, les moyens de filtrage 315 et de récupération d'énergie 320 sont localisés en zone pressurisée 220. Cette première variante est considérée comme la plus optimisée en termes de robustesse vis à vis de l'environnement (émission électromagnétique et susceptibilité) car les câbles d'interface entre le boîtier en zone pressurisée et l'actionneur en zone non-pressurisée transportent une énergie continue qui est: - peu perturbatrice en termes de rayonnement vers les autres systèmes, 5 et - peu sensible aux perturbations extérieures, (cette énergie est filtrée au niveau de l'actionneur). Comme illustré en figure 3B, dans une deuxième variante de réalisation, l'électronique, y compris l'onduleur 305 est totalement délocalisée, c'est-à-dire 10 éloignée du moteur 210 pour être en zone pressurisée 220. L'étage d'entrée 310, les moyens de filtrage 315 et de récupération d'énergie 320 et les onduleurs de contrôle 305 sont ainsi localisés en zone pressurisée 220 et il n'y a plus d'électronique à proximité du moteur 210 de l'actionneur 215 de gouverne 325. Cette deuxième variante est considérée comme la plus performante en termes de 15 gains sur la fiabilité des composants de l'actionneur 215. La répartition des actionneurs électriques 405 à 407 dans l'architecture de commande de vol, dans le cas d'un avion 400 de taille 100-200 places, et deux boîtiers centralisés 410 sont représentés en figures 4A et 4B. Les actionneurs 405 contrôlent la position de spoiler. Les actionneurs 406 contrôlent la position des 20 gouvernes de profondeur. L'actionneur 407 contrôle la position de la gouverne de direction. Comme illustré en figures 5A et 5B, chaque boîtier centralisé 500 reçoit une alimentation électrique d'un réseau électrique alternatif 505 et des commandes de vol de calculateurs de commande de vol 510 et réunit les 25 fonctions suivantes : 1/ Fonctions regroupées : - une protection électromagnétique et une protection foudre 515, ayant pour objectif de protéger le boîtier 500 et de protéger l'environnement, notamment l'avion 400, des perturbations induites et rayonnées par le boîtier 500, 30 - des moyens de protection 520 des câbles d'alimentation 525 de chaque actionneur électrique 530. Les câbles avion 525 sont ainsi protégés contre les échauffements et les risques de feu. Cette protection est fonction des câbles et des actionneurs connectés, - les alimentations internes 535 et les cartes électroniques de contrôle et de communication 565. Les alimentations issues, soit des calculateurs centralisés de commande de vol 510, soit de l'alimentation de puissance électrique, servent à l'alimentation des composants électroniques de contrôle du boîtier 500. Suivant les variantes d'implantation, cette fonction est rendue commune aux actionneurs 530, ou non, et - dans la variante illustrée en figure 5B, les onduleurs 570. 2/ Fonctions communes aux actionneurs : - la conversion 545 de l'alimentation du réseau triphasé en réseau continu haute tension, - un moyen 545 de limitation de la pollution réseau lié à la conversion AC/DC, l'absorption du courant électrique sur le réseau triphasé répond ainsi à des exigences normalisées de limitation de la pollution harmonique (par exemple, le taux de distorsion admis est inférieur à 30%), - un moyen 555 de récupération de l'énergie lors des phases pendant lesquelles les gouvernes sont motrices pour tous les actionneurs connectés. Les actionneurs sont des équipements fonctionnant dans les quatre quadrants. Les actionneurs peuvent ainsi être moteurs ou générateurs en fonction du sens de déplacement de la gouverne et du sens des efforts aérodynamiques. Le moyen 555 de récupération permet de gérer l'énergie récupérée lorsque l'actionneur est générateur. Cette énergie peut être dissipée localement ou renvoyée sur des actionneurs, - un moyen 560 de pilotage de la puissance maximale consommée par le contrôle unitaire de chaque actionneur et par le contrôle de la somme des actionneurs, et - des circuits électroniques d'interface 565. Le dispositif, objet de la présente invention, répond aux contraintes suivantes. En ce qui concerne la capacité de commande du système, les distances entre la machine et l'électronique de contrôle peuvent être importantes (par exemple de 10 à 200 m). Ces câbles introduisent des inductances qui déphasent les courants par rapport à la commande. En ce qui concerne les problèmes de ferro-résonance, les actionneurs électriques sont constitués de résistances, de capacités et d'inductances qui, dans certaines conditions, peuvent entraîner un phénomène de ferro-résonnance lors de la saturation des inductances. En ce qui concerne l'augmentation de la tension au niveau du moteur électrique, la distance entre le module électronique et le moteur électrique est un facteur aggravant de surtension pour les bobinages. En effet, en fonction de la rapidité de commutation des transistors de l'onduleur, les fronts de tension associés à la self de ligne génèrent des surtensions. En ce qui concerne le dépassement du seuil d'apparition des décharges partielles, en présence de tensions élevées, les isolants peuvent être dégradés par l'apparition de décharges partielles souvent appelées � effet corona �. Si une décharge partielle ne conduit pas immédiatement à la mise hors service d'un équipement, elle est toutefois préjudiciable dans la mesure où elle conduit à une dégradation des matériaux (en particulier solides) sous l'action de diverses contraintes : - contrainte thermique générée localement par la décharge, - contrainte chimique due aux produits de dégradation générés par la décharge, et - dégradation mécanique (par exemple de l'émail de fils de moteurs basse tension) par électroérosion. L'ensemble de ces phénomènes conduit progressivement le matériau à sa rupture. Celle-ci se produit d'autant plus rapidement que la fréquence, le niveau de tension ou la température sont élevées. En ce qui concerne les problèmes électromagnétiques et, notamment, les problèmes intrinsèques d'un convertisseur électronique de puissance, la principale difficulté est liée à l'acheminement de courants hachés haute fréquence dans tous l'avion et amène à définir des stratégies de filtrage (blindage, inductance, commande des interrupteurs de l'onduleur, ...). Comme on le comprend à la lecture de la description qui précède, les avantages du dispositif pour alimenter et piloter des actionneurs à puissance électrique, objet de la présente invention, comportent : - une augmentation significative de la fiabilité des actionneurs électriques. Cette augmentation est essentiellement liée à la suppression des électroniques au niveau des actionneurs électriques ; - une augmentation de la disponibilité des actionneurs électriques par la fiabilisation de l'électronique centralisée de contrôle des actionneurs. Cette augmentation est essentiellement liée à la réduction des contraintes environnementales et particulièrement thermiques ; - une diminution de la masse du système complet en mutualisant les fonctions de conversion et de récupération de l'énergie ; - l'optimisation de l'électronique de puissance embarquée par la régulation de la puissance consommée par les actionneurs électriques en contrôlant la vitesse de manoeuvre des surfaces, et - des gains de coût importants sur les actionneurs électriques. En ce qui concerne la commandabilité du système, les solutions permettant de s'affranchir des déphasages des courants liés aux distances entre moteur et électronique de contrôle sont, soit : - le contrôle de ce déphasage dans l'électronique de contrôle avec une caractérisation spécifique à chaque application des principaux éléments (inductances ligne et moteur), - la diminution de l'impédance de ligne par la diminution de la fréquence transitée (fréquence fondamentale) ou par l'adjonction de filtre série. En ce qui concerne les problèmes de ferro-résonance, la solution pour s'en affranchir consiste à dimensionner les moteurs avec des caractéristiques de matériaux et des volumes de tôles magnétiques suffisantes pour repousser la saturation au delà des fréquences dites sensibles. Pour diminuer les augmentations de tension liées à la rapidité de commutation des transistors, en présence de circuits selfiques, la principale solution réside dans le contrôle des fronts de montée ou de descente des courants contrôlés. En ce qui concerne le dépassement du seuil d'apparition des décharges partielles, les surtensions sur certaines parties de bobinages liées à la distance entre électronique de contrôle et moteur électrique ont pour conséquence la dégradation progressive des isolants moteurs. Pour la résolution de ces problèmes, on augmente les épaisseurs d'isolants et on optimise les agencements des bobinages des moteurs. En ce qui concerne les problèmes électromagnétiques, la solution pour limiter les perturbations électromagnétiques liées à l'acheminement de courants hachés, dans la deuxième variante exposée ci-dessus, consiste à blinder les câbles (treillis de fils entourant l'âme du câble). REVENDICATIONS1 - Dispositif d'alimentation et de pilotage d'actionneurs (215) à puissance électrique de commande de vol d'un avion (400), caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un moteur électrique (210) d'actionneur, et - au moins une partie d'une électronique (205) de pilotage d'au moins un dit moteur électrique d'actionneur en zone pressurisée (220) contrôlée en température dudit avion. 2 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un convertisseur de courant alternatif en courant continu commun à une pluralité d'actionneurs. 3 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un module de maîtrise de perturbations d'un courant alternatif commun à une pluralité d'actionneurs. 4 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un module de réjection d'énergie commun à une pluralité d'actionneurs. 5 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un onduleur de contrôle de moteur électrique commun à une pluralité d'actionneurs. 6 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un module de pilotage de la puissance maximale consommée par le contrôle unitaire de chaque actionneur d'une pluralité d'actionneur et le contrôle de la somme desdits actionneurs. 7 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un boîtier muni d'un module de contrôle en température raccordé à un réseau de ventilation, le dit boîtier étant positionné en zone pressurisée contrôlée en température, comportant ladite partied'électronique de pilotage d'au moins un dit moteur électrique d'actionneur et étant relié à un calculateur de commandes de vol. 8 ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un boîtier muni d'une protection électromagnétique et d'une protection contre la foudre et d'une protection des câbles d'alimentation de chaque actionneur électrique. 9 ù Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un système de récupération de l'énergie lors des phases pendant lesquelles les gouvernes sont motrices pour tous les actionneurs connectés. 10 ù Avion (400), caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un actionneur (215) à puissance électrique de commande de vol, et - un dispositif d'alimentation et de pilotage d'au moins un dit actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.