Brevet FR2979498A1 — publié le 20130301

ARCHITECTURE DE GENERATION D'ENERGIE A MODE MIXTE CONTEXTE La présente invention concerne des systèmes de génération 5 d'énergie électrique ou EPGSs (de l'anglais « Electric Power Generation Systems »). Dans les applications aéronautiques, la génération d'énergie électrique provient en grande partie de la puissance mécanique fournie par les moteurs de l'avion, qui est convertie en une alimentation 10 électrique alternative ou AC (de l'anglais «Alternating Current ») par une génératrice. Les variations de la vitesse des moteurs d'avion résultent en une variation de la tension et de la fréquence de sortie produites par la génératrice. Cependant, certaines charges sont sensibles à des variations de tension et de fréquence, et par conséquent la plupart des 15 génératrices utilisées sur un avion actuel fournissent une tension de sortie régulée et soit une fréquence de sortie constante, soit une fréquence variable dans une plage définie qui est acceptable pour les charges connectées. Par exemple, les génératrices à fréquence constante utilisent des couplages mécaniques pour fournir une sortie alternative à 20 fréquence constante malgré les variations de la vitesse des moteurs. Cependant, les couplages mécaniques augmentent le coût et le poids de la génératrice. Les génératrices à fréquence variable sont une alternative aux génératrices à fréquence constante, mais doivent encore être capables de fournir une sortie alternative dans une plage bien 25 définie (par exemple, 350 Hz à 800 Hz). Cette spécification. augmente également le poids et le coût des génératrices à fréquence variable. La régulation de la tension de sortie de la génératrice est effectuée en utilisant une électronique de commande d'induction de génératrice ou de conversion de puissance, les deux augmentant le coût et le poids du 30 système de génération d'énergie. Une alternative moins coûteuse aux génératrices à fréquence constante et à fréquence variable à tension régulée consiste en une génératrice de source sauvage (« wild-source generator » en anglais) qui fournit une sortie alternative à une tension variable et une fréquence variable, généralement avec des plages de fréquence de sortie supérieures à celles présentées par des génératrices à tension variable. De manière classique, les génératrices de source sauvage n'ont pas trouvé une applicabilité dans les applications aéronautiques du fait de leur incapacité à fournir le type de puissance de haute qualité (c'est-à-dire, à fréquence stable) nécessaire à la plupart des charges dans l'avion. RESUME La présente invention propose un système de génération d'énergie électrique (EPGS) comprenant : une génératrice de source sauvage couplée pour recevoir une puissance mécanique d'un corps basse pression (« low-pressure spool » en anglais) sur un moteur d'avion et pour générer en réponse une sortie de source sauvage pour une consommation par des charges tolérantes à la tension et à. la fréquence ; et une génératrice à fréquence variable et/ou à fréquence constante avec une sortie de tension régulée couplée pour recevoir la puissance mécanique d'un corps haute pression sur le moteur d'avion et pour générer en réponse une sortie à fréquence variable et/ou constante pour une consommation par des charges non tolérantes à la tension et à la fréquence. De préférence, la génératrice de source sauvage est une génératrice à aimants permanents ou PGM (de l'anglais « Permanent Magnet Generator ») ou une machine synchrone à inducteur bobiné. De préférence, la génératrice à fréquence variable est un moteur de démarreur couplé pour fournir une énergie mécanique au corps haute pression pour démarrer le moteur d'avion. La présente invention propose également un système de génération et de distribution d'énergie électrique ou - EPGDS (de l'anglais « Electrical Power Generation and Distribution System ») comprenant : un moteur d'avion comportant un corps basse pression et un corps haute pression ; une génératrice de source sauvage couplée 35 pour recevoir une puissance mécanique du corps basse pression et pour générer en réponse une sortie de source sauvage ; une génératrice à fréquence variable et/ou à fréquence constante couplée pour recevoir une puissance mécanique du corps haute pression et pour générer en réponse une sortie de tension régulée avec une fréquence variable/constante ; au moins une charge tolérante à la tension et/ou à la fréquence connectée pour recevoir la sortie de source sauvage générée par la génératrice de source sauvage ; et au moins une charge non tolérante à la source sauvage connectée pour recevoir la tension régulée avec une sortie à fréquence variable/constante générée par la génératrice à fréquence variable et/ou à fréquence constante. De préférence, la charge tolérante à la fréquence est une charge 10 résistive. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure est un schéma de principe d'un système de génération d'énergie électrique à mode mixte (EPGS) selon un mode de réalisation 15 de la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE La présente invention propose un système de génératrice de puissance électrique à. mode mixte (EPGS) qui utilise des génératrices 20 de source sauvage pour générer une puissance pour des charges tolérantes à la tension et à la fréquence. Un avantage de la présente invention est que les charges ayant des spécifications de qualité de puissance plus faibles (c'est-à-dire, des charges tolérantes à la tension et à la fréquence) peuvent être alimentées avec une puissance générée 25 par la génératrice de source sauvage, qui a généralement un poids plus faible et qui est par conséquent moins coûteuse que les génératrices à fréquence variable/ constante. La figure est un schéma de principe d'un système de génération d'énergie électrique à mode mixte (EPGS) selon un mode de réalisation 30 de la présente invention. L'EPGS à mode mixte déduit une puissance d'un moteur d'avion 10, qui comprend un corps basse pression ou LP (de l'anglais « low-pressure ») 12 (illustré en tant que partie avant 12a et partie arrière 12b), et un corps haute pression ou HP (de l'anglais « high-pressure »)) 14. Le corps LP 12 comprend une soufflante 16 (« fan 35 en anglais »), un compresseur LP 18 et une turbine LP 20, tous étant reliés par l'intermédiaire d'un arbre LP 22. Le corps HP 14 comprend un compresseur HP 24 et une turbine HP 26, reliés par l'intermédiaire d'un arbre HP 28. Une chambre de combustion 30 est située entre le compresseur HP 24 et la turbine HP 26. L'EPGS à mode mixte comprend une génératrice de source sauvage 32 et une génératrice à fréquence variable et/ou constante 34. Le corps haute pression (HP) 14 est situé dans la partie intérieure du moteur, et comprend le compresseur HP 24 et la turbine HP 26 reliés l'un à l'autre par l'arbre HP 28. Lorsqu'il est mis en rotation, le compresseur HP 24 comprime l'air et le fait entrer de force dans la chambre de combustion 30, créant de ce fait un trajet de gaz circulant de l'avant vers l'arrière à travers la chambre de combustion 30. Dans la chambre de combustion 30, l'air comprimé fourni par le compresseur HP 24 est mélangé avec un carburant et enflammé pour créer une poussée. La turbine HP 26 extrait l'énergie de la chambre de combustion (c'est-à-dire, du gaz en expansion) et communique l'énergie extraite par l'intermédiaire de l'arbre HP 28 au compresseur HP 24, maintenant de ce fait le flux d'air comprimé dans la chambre de combustion 30 de sorte que le moteur à combustion interne 10 soit auto-entretenu (une fois démarré). Le corps basse pression 12 comprend des éléments situés de 20 chaque côté (c'est-à-dire, à l'avant et à l'arrière) du corps HP 14, comprenant une soufflante 16, un compresseur LP 18 et une turbine LP 20 reliés les uns aux autres par l'intermédiaire d'un arbre LP 22. L'énergie générée par la combustion dans le moteur d'avion 10 est extraite par la turbine LP 20 et communiquée au compresseur LP 18 et 25 à la soufflante 16 par l'intermédiaire de l'arbre LP 22, qui fournissent en réponse un flux d'air dans le compresseur HP 24. Les composants sur le corps LP 12 sont plus grands (c'est-à-dire, d'un diamètre plus grand) que les composants sur le corps HP 14, et tournent à des vitesses beaucoup plus lentes et plus variables que les composants homologues 30 sur le corps HP 14. De manière classique, les génératrices sont reliées au corps HP pour plusieurs raisons. La vitesse du corps HP est moins variable que celle du corps LP, et par conséquent les génératrices associées au corps HP fournissent une fréquence de sortie plus uniforme ou nécessitent 35 moins de mesures de régulation de vitesse pour fournir une fréquence de sortie souhaitée. De plus, dans de nombreux moteurs d'avion, le corps HP doit être mis en rotation afin de générer le trajet de gaz nécessaire pour démarrer le moteur. Si la génératrice est utilisée également en tant que moteur de démarreur, alors elle doit être reliée au corps HP pour les opérations de démarrage du moteur. La présente invention tire profit du fait que toutes les charges sur 5 un avion ne nécessitent pas une puissance de haute qualité (c'est-à-dire, une tension régulée avec une fréquence constante ou contrôlée). Dans le mode de réalisation montré sur la figure, les charges tolérantes à la tension et à la fréquence 40 sont les charges qui ne nécessitent pas des tensions et/ou des fréquences fortement régulées. Généralement, 10 les charges tolérantes à la tension et à la fréquence 40 sont des charges résistives (c'est-à-dire, des charges qui ne contiennent pas des éléments capacitifs ou inductifs). Dans les applications aéronautiques, les charges tolérantes à la tension et à la fréquence peuvent comprendre des dispositifs de chauffage résistifs utilisés dans des dégivreurs. La 15 génératrice de source sauvage 32 fournit une sortie de source sauvage aux charges tolérantes à la tension et à la fréquence 40 par l'intermédiaire du bus de distribution électrique 44, tandis que la génératrice à fréquence variable/constante 34 génère une puissance de qualité plus élevée pour une consommation par les charges non 20 tolérantes à une source sauvage ou non tolérantes à une fréquence 42 de qualité élevée par l'intermédiaire du bus de distribution électrique 46. Dans le mode de réalisation montré sur la figure, une puissance motrice générée par le corps basse pression 12 est communiquée par 25 l'intermédiaire de l'arbre de tour LP 36 à la génératrice de source sauvage 32. Dans d'autres modes de réalisation, d'autres moyens bien connus de communication de puissance à la génératrice de source sauvage 32 peuvent être utilisés. Par exemple, la génératrice de source sauvage 32 peut recevoir une énergie mécanique par un entraînement 30 direct à partir de l'arbre (non montré) du corps basse pression 12, peut être montée autour du corps basse pression 12 dans lequel l'arbre du corps sert soit de stator, soit de rotor de la génératrice de source sauvage, par l'intermédiaire d'un accouplement à boîte d'engrenages mécanique, ou d'autres moyens bien connus. De manière similaire, la 35 puissance motrice générée par le corps HP 14 est communiquée par l'arbre de tour HP 38 à la génératrice à fréquence variable/constante 34. Une fois encore, dans d'autres modes de réalisation, d'autres moyens bien connus de communication d'une énergie mécanique à la génératrice à fréquence variable/constante 34 peuvent être utilisés. En fonction de l'application, la génératrice de source sauvage 32 peut être mise en oeuvre en tant que génératrice à aimants permanents 5 (PMG), génératrice synchrone à induction bobinée, ou d'autres topologies de génératrice bien connues. Cependant, parce que la sortie de la génératrice de source sauvage 32 est fournie à des charges tolérantes à la tension et à la fréquence, la génératrice ne nécessite pas de mécanisme de régulation de tension, de mécanisme de compensation 10 de vitesse ou d'autres mécanismes pour fournir une sortie de qualité élevée (c'est-à-dire, une tension régulée, une fréquence uniforme). Par conséquent, le coût et/ou le poids de la génératrice de source sauvage 32 sont inférieurs à ceux des autres génératrices reliées pour extraire une puissance du corps basse pression 12. 15 La génératrice de source sauvage 32 convertit l'énergie mécanique délivrée par le corps basse pression 12 en une sortie alternative à tension variable et fréquence variable, pour une distribution aux charges tolérantes à la tension et à la fréquence 40 par l'intermédiaire d'un bus de distribution électrique 44. La génératrice de source sauvage 20 32 est appelée « sauvage » du fait des plages de fréquences et/ou de tensions générées par la génératrice, qui peuvent être définies en tant que plages de tension et/ou de fréquence qui sont supérieures aux plages de tension et de fréquence associées aux génératrices à fréquence variable. Par exemple, diverses spécifications (par exemple, la 25 spécification militaire MIL-STD-704F) définissent les plages maximums autorisées de tension et de fréquence qui peuvent être générées par une génératrice à fréquence variable. Une génératrice fournissant des plages de tension et/ ou de fréquence supérieures à celles définies en relation avec les génératrices à fréquence variable est classée en tant que 30 génératrice de source sauvage. Dans un mode de réaliSation, les génératrices à fréquence variable fournissent une sortie alternative dans la plage de fréquence de 350 Hz à 800 Hz. Une génératrice de source sauvage fournirait par conséquent une sortie alternative dans une plage de fréquence supérieure à celle définie en relation avec la génératrice à 35 fréquence variable. De cette manière, la présente invention utilise à la fois des génératrices de source sauvage et des génératrices à fréquence variable/constante pour satisfaire les spécifications de puissance d'un avion. Un avantage de cet agencement est que les génératrices de source sauvage sont généralement moins coûteuses (en termes de poids) que les génératrices à fréquence variable et/ou constante. Il est par conséquent efficace d'alimenter des charges tolérantes à la fréquence avec une puissance provenant d'une génératrice de source sauvage rentable. Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à un exemple d'un mode de réalisation, les hommes du métier comprendront que divers changements peuvent être apportés et que des équivalents peuvent être substitués à des éléments de celui-ci sans s'écarter de l'étendue de l'invention, qui est définie par les revendications. De plus, de nombreuses modifications peuvent être apportées pour adapter une situation particulière ou un matériau particulier aux enseignements de l'invention sans s'écarter de l'étendue de celle-ci. Par conséquent, il est voulu que l'invention ne soit pas limitée au mode de réalisation particulier présenté, mais que l'invention comprenne tous les modes de réalisation tombant dans l'étendue des revendications jointes. REVENDICATIONS1. Système de génération d'énergie électrique (EPGS) comprenant : une génératrice de source sauvage (32) couplée pour recevoir une puissance mécanique d'un corps basse pression (12) sur un moteur d'avion (10) et pour générer en réponse une sortie de source sauvage pour une consommation par des charges tolérantes à la tension et à la fréquence (40) ; et une génératrice à fréquence variable et/ou à fréquence constante (34) avec une sortie de tension régulée couplée pour recevoir une puissance mécanique d'un corps haute pression (14) sur le moteur d'avion (10) et pour générer en réponse une sortie à fréquence variable et/ou constante pour une consommation par des charges non tolérantes à la tension et à la fréquence (42). 2. EPGS selon la revendication 1, dans lequel la génératrice de source sauvage (32) est une génératrice à aimants permanents (PGM). 3. EPGS selon la revendication 1, dans lequel la génératrice de source sauvage (32) est une machine synchrone à inducteur bobiné. 4. EPGS selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel la génératrice à fréquence variable (34) est un moteur de démarreur couplé pour fournir une énergie mécanique au corps haute pression (14) pour démarrer le moteur d'avion (10). 5. Système de génération et de distribution d'énergie électrique 25 (EPGDS) comprenant : un moteur d'avion comportant un corps basse pression et un corps haute pression ; l'EPGS selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la génératrice de source sauvage (32) est couplée au corps 30 basse pression (14) et la génératrice à fréquence variable et/ou à fréquence constante (34) est couplée au corps haute pression (14) ; au moins une charge tolérante à la tension et/ ou à la fréquence (40) connectée pour recevoir la sortie de source sauvage générée par la génératrice de source sauvage (32) ; et 35 au moins une charge non tolérante à une source sauvage (42) connectée pour recevoir la tension régulée avec une sortie à fréquencevariable/constante générée par la génératrice à fréquence variable et/ou à fréquence constante (34). 6. EPGDS selon la revendication 5, dans lequel la charge tolérante à la fréquence (40) est une charge résistive.5