Brevet FR2963499A1 — publié le 20120203

SYSTEME D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système 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. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans un avion, les charges électriques techniques et commerciales sont alimentées par des générateurs principaux et auxiliaires à travers des 15 canaux de distribution comprenant de barres de distribution électrique et des convertisseurs de tension. Afin d'assurer la protection des biens et des personnes, le mode de liaison à la terre dans un 20 réseau électrique aéronautique utilise un schéma de type TN-C. Ce mode permet d'assurer facilement une sélectivité des protections malgré le nombre important de charges connectées. Ces charges peuvent notamment être des charges commerciales, dont le nombre dépend de 25 l'aménagement cabine choisi par la compagnie cliente. Ce schéma de type TN-C veut dire : - T : neutres de l'installation reliés directement à la terre,10 2 - N : masses de l'installation reliées au conducteur de neutre, - C : conducteur de protection des masses de l'installation et conducteur de neutre confondus. Comme illustré sur la figure 1 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 afin d'assurer le retour des courants de déséquilibre et de défauts. De plus, toutes les masses des différentes charges sont connectées à ce fuselage. Le fuselage tient donc à 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. Cependant, dans un tel schéma de liaison à la terre de type TN-C, les protections se déclenchent lors de l'apparition du premier défaut électrique, ce qui est très pénalisant lors de la conception des charges techniques. Dans le cas d'un « avion plus électrique », la connexion et l'alimentation des charges se fait à l'aide de canaux de distribution tel que celui illustré dans la figure 2. Sur cette figure, un générateur VFG HVAC 20 est relié à une barre de distribution HVDC 21 au travers d'un convertisseur HVAC/HVDC 22. Cette barre HVDC 21 est reliée d'une part à une barre de 3 distribution DC 23 au travers d'un convertisseur HVDC/DC 24 et d'autre part à une barre de distribution AC 25 au travers d'un convertisseur HVDC/AC 26. La barre de distribution DC 23 est reliée à un ensemble batterie + chargeur 27. Les besoins en termes de puissance nécessitent d'utiliser une tension de distribution élevée, qui permet de réduire les masses des systèmes avion et des câblages. Cependant, les charges commerciales et les calculateurs doivent toujours être alimentées en 115 volts AC et 28 volts DC pour des raisons de compatibilité avec les équipements existants. L'alimentation de ces charges se fait donc à travers des convertisseurs. L'invention a pour objet de résoudre ces problèmes en utilisant les convertisseurs pour réaliser la séparation du réseau électrique entre une partie « technique » et une partie « commerciale », ces deux parties utilisant des modes de liaison à la terre différents. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système d'alimentation électrique d'un aéronef, comprenant un réseau électrique comportant au moins un générateur principal alimentant au moins une charge technique et au moins une charge commerciale à travers au moins un canal de distribution électrique comprenant au moins une barre de distribution électrique et au moins un convertisseur de tension, caractérisé en ce que le mode de liaison à la terre d'au moins une charge est un mode 4 de liaison à la terre de type IT, avec neutre isolé ou impédant. Avantageusement au moins une charge a un mode de mise à la terre de type TN-C. Avantageusement les charges techniques de forte puissance utilisent un schéma de mise à la terre de type IT, et les charges commerciales utilisent un schéma de mise à la terre de type TN-C, une telle séparation étant réalisée dans un but de protection des charges. Avantageusement, la séparation entre ces deux schémas de mise à la terre se fait à travers des moyens d'isolation galvanique, par exemple des convertisseurs de tension. Avantageusement un contrôleur permanent d'isolement permet de protéger les charges alimentées par le réseau utilisant le schéma de liaison de type IT. Avantageusement le système de l'invention comprend au moins un générateur AC sans connexion du neutre, une telle connexion étant devenue non nécessaire pour les besoins de protection. L'invention concerne également un aéronef comprenant un tel système. Le système de l'invention facilite grandement la protection contre les courts-circuits dans le cadre d'un avion en composite. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1 et 2 illustrent deux dispositifs de l'art antérieur. La figure 3 illustre le système de l'invention. Les figures 4 à 11 illustrent différentes caractéristiques du système de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans le système de l'invention on utilise deux modes de liaison à la terre différents choisis de la façon suivante : - Les charges techniques de forte puissance utilisent un schéma de mise à la terre de type IT, c'est-à-dire avec un neutre isolé de la terre ou impédant et les masses de ces charges reliées à la structure de l'avion ou à une structure conductrice 15 permettant le retour du courant dans le cas d'un avion utilisant des matériaux composites thermoplastiques. Un tel schéma IT est utilisé dans des installations industrielles nécessitant une continuité de service. Il n'est, par contre, pas utilisé jusqu'à présent dans le 20 domaine aéronautique. - Les charges commerciales utilisent un schéma de mise à la terre de type TN-C. La séparation entre ces deux schémas de mise à la terre se fait à travers des éléments assurant 25 une isolation galvanique. En effet : - Les charges techniques de forte puissance, qui fonctionnent avec une haute tension de 230V AC ou +/-270 DC, ont besoin d'une forte 30 disponibilité et ne sont pas nombreuses ; 510 6 - Les charges commerciales et certaines charges techniques de plus faibles puissances, qui fonctionnent aux tensions de 115 volts AC et 28 volts DC, sont nombreuses. Afin de réaliser la séparation d'un canal en « sous-réseaux », comme illustré sur la figure 3, et d'utiliser des schémas de liaison à la terre différents, on utilise une isolation galvanique entre les « sous-réseaux », réalisé par exemple par utilisation des convertisseurs. Sur la figure 3 on a ainsi trois sous-réseaux 30, 31 et 32 et les trois convertisseurs respectivement HVAC/HVDC 22, HVDC/DC 24 et HVDC/AC 26. En effet : - La conversion tension HVDC (« Direct Current High Voltage ») E tension DC peut être réalisée par exemple à travers un convertisseur réversible BBCU 40 (« Buck Boost Converter Unit ») disposant d'étages d'isolation 41 et 42, comme représenté sur la figure 4. - La conversion tension HVDC EH> tension AC peut être réalisée par exemple a travers un convertisseur 26 comprenant un module onduleur 43 associé à un filtre 44 qui peut comprendre une isolation, comme illustré sur la figure 5. - Une conversion HVAC (« Alternative Current High Voltage ») F ) AC peut utiliser par exemple un transformateur ATU (« autotransformer unit) 45 qui permet de réaliser une isolation, comme illustré sur la figure 6. - Une conversion HVAC EH-) DC peut utiliser par exemple un transformateur-redresseur TRU 46 7 (« Transformer Rectifier Unit ») et d'un étage d'isolation 47, comme illustré sur la figure 7. Les figures 4 à 7 représentent des convertisseurs utilisant un couplage triangle - étoile. Mais, il est possible d'envisager toutes autres combinaisons de couplages entre primaire et secondaire tant que ceux-ci permettent une isolation entre le primaire et le secondaire. Protection utilisant un mode de mise à la terre de type « IT » Un « sous-réseau » haute tension peut être protégé en utilisant un schéma « IT », qui utilise un contrôleur permanent d'isolement (CPI) pour protéger le réseau. Ce contrôleur peut être connecté sur le côté alternatif ou sur le côté continu. Dans les deux cas, la détection de défaut fonctionne. Les figures 8 et 9 illustrent une protection utilisant un mode de mise à la terre de type « IT » en cas de défaut simple et de défaut double : - Dans le cas d'un défaut simple, le courant de défaut est limité par une impédance neutre - terre importante. Il n'y a donc pas de danger et le défaut est détecté. - Dans le cas d'un défaut double, on a affaire à un défaut similaire à un défaut simple en mode « TN-C ». On peut utiliser alors les mêmes organes de protection. La figure 8 illustre un générateur 50 comportant trois inductances statoriques dont le neutre (point commun) est relié à la terre à travers une forte 8 impédance Z, dimensionnée pour avoir un courant de défaut non dangereux. Ce générateur 50 peut être relié au réseau électrique 51 par l'intermédiaire d'un interrupteur triphasé 52. Une première charge 53 peut être reliée au réseau électrique 51 par l'intermédiaire d'un interrupteur triphasé 54. Une seconde charge 55 est également représentée. La ligne PE représente la ligne d'équipotentialité de liaison des carcasses des charges 54 et 55 à la terre. Lorsqu'un défaut d'isolement 56 apparaît, ici sur la phase phl de la première charge 53, un courant de défaut id circule en suivant la boucle 57 et traverse donc l'impédance Z, qui limite donc la valeur de ce courant id. Sur la figure 9, on retrouve les mêmes éléments que ceux représentés sur la figure 8. La seconde charge 55 est à présent reliée au réseau par l'intermédiaire d'un interrupteur triphasé 57. Lorsqu'un double défaut d'isolement apparaît, ici un défaut 58 sur la phase ph3 de la première charge 53 et un défaut 59 sur la phase phl de la seconde charge 55, le courant de défaut suit la boucle A, B, C, D, E, G, H, I, J, K, A, et ne traverse pas la charge Z. Les charges techniques peuvent être conservées en cas de défaut simple. Une recherche de défaut de façon manuelle ou automatique permet alors de déterminer le défaut. Sur un canal de puissance, on ajoute un contrôleur permanent d'isolement CPI 60 comme illustré sur la figure 10.30 9 Protection utilisant un mode de mise à la terre de type « TN-C » Ce mode de protection est largement répandu dans le domaine aéronautique. Le réseau électrique est découpé en multiples sous-réseaux, qui disposent chacun d'un transformateur d'isolement dont le secondaire dispose d'un neutre distribué. On peut connecter le neutre du transformateur à la terre et relier le châssis de chacune des charges également à la terre. On se retrouve alors dans un schéma de type « TN ». Une telle réalisation permet de conserver la simplicité de mise en oeuvre de ce mode de mise à la terre et sa facilité naturelle à opérer avec de nombreuses charges. Fonctionnement anormal On entend par « fonctionnement anormal », la perte d'un générateur et donc la reprise d'un canal par un autre générateur, comme illustré sur la figure 11. Sur cette figure, on a représenté le canal déjà illustré sur la figure 10 et un second canal dont les références correspondent à celles de la figure 10 complétées par un « ' ». Dans ce cas, on inhibe le contrôleur permanent d'isolement 60 d'un des deux canaux, l'autre contrôleur permanent d'isolement 60' permettant de réaliser la protection de l'ensemble du réseau. Impact sur la distribution Selon le découpage du réseau électrique réalisé, la partie du réseau qui est protégée par un 10 mode de liaison à la terre de type « IT » comprend les générateurs. Ainsi, il n'est pas nécessaire de distribuer le neutre des générateurs, ce qui permet alors de simplifier l'installation et de diminuer la masse de la ligne d'alimentation (« feeder ») associée. De plus, le fait de ne pas avoir de neutre distribué supprime par construction les harmoniques de tensions multiples de 3. De nouvelles conceptions des enroulements statoriques, permettant de limiter les harmoniques, peuvent donc être utilisées. En effet, lors de la conception d'un générateur, les enroulements statoriques sont disposés de façon à minimiser les harmoniques qui génèrent des pertes. Comme il n'est pas possible de réduire l'ensemble des harmoniques, le choix se porte souvent sur la suppression de l'harmonique de rang 3, ce qui impose un type de bobinage déterminé. Dans l'invention, la suppression du neutre permet de supprimer également tout harmonique de rang multiple de 3. On peut donc supprimer ou réduire tout harmonique de rang supérieur, 5 ou 7 par exemple, ce qui permet au générateur de présenter moins de pertes et d'être donc optimisé d'un point de vue rendement. Dans le cas d'un avion en matériau composite thermoplastique (CFRP), le câblage du neutre pouvant arriver jusque dans le coeur électrique, on peut supprimer le contacteur et les bornes associés à ce câblage. L'invention fonctionne quel que soit le type de générateur utilisé : par exemple IDG (« Integrated Drive Generator »), VFG (« Variable 11 Frequency Generator ») ou encore PMG (« Permanent Magnet Generator ») incluant ou non une fonction démarrage. REVENDICATIONS1. Système d'alimentation électrique d'un aéronef comprenant un réseau électrique comportant au moins un générateur principal (20) alimentant au moins une charge technique et au moins une charge commerciale à travers au moins un canal de distribution électrique comprenant au moins une barre de distribution électrique (21, 23, 25) et au moins un convertisseur de tension (22, 24, 26), caractérisé en ce que le mode de liaison à la terre d'au moins une charge est un mode de liaison à la terre de type IT, avec neutre isolé ou impédant. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel au moins une charge a un mode de mise à la terre de type TN-C. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel les charges techniques de forte puissance utilisent un schéma de mise à la terre de type IT, et dans lequel les charges commerciales utilisent un schéma de mise à la terre de type TN-C. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel la séparation entre ces schémas de mise à la terre est réalisée à travers les convertisseurs de tension. 5. Système selon la revendication 3, dans lequel la séparation entre ces deux schémas de mise à 13 la terre se fait à travers des moyens d'isolation galvanique. 6. Système selon la revendication 1, comprenant un contrôleur permanent d'isolement pour la protection des charges alimentées par le réseau utilisant le schéma de liaison de type IT. 7. Système selon la revendication 1, comprenant au moins un générateur AC sans connexion du neutre. 8. Aéronef comprenant un système selon l'une quelconque des revendications précédentes.15