Brevet FR3023081A1 — publié le 20160101

CIRCUIT DE DEMARRAGE POUR GENERATRICE-DEMARREUR TROIS BORNES ET PROCEDE DE DEMARRAGE L'invention concerne un circuit de démarrage pour une génératrice-démarreur trois bornes. La génératrice-démarreur trois bornes est utilisée comme démarreur pour le démarrage des turboréacteurs, turbopropulseurs, turbomoteurs d'usage aéronautique et comme générateurs principaux des réseaux électriques de bord des avions, des hélicoptères et des drones. Dans la présente demande, nous parlerons d'une génératrice-démarreur trois bornes montée sur une turbine. L'invention concerne aussi un procédé de démarrage d'une telle génératrice-démarreur. La génératrice-démarreur trois bornes est une machine électrique qui fonctionne en mode démarreur pour démarrer la turbine, puis en mode génératrice pour fournir la puissance électrique nécessaire au réseau de bord ou tout autre système nécessitant une puissance électrique. Par la suite, nous nous intéresserons particulièrement au mode démarreur. On peut définir une phase de démarrage par une phase pendant laquelle la génératrice-démarreur trois bornes fonctionne en mode démarreur. Le début de la phase de démarrage est initié par la fermeture du contacteur de démarrage. La fin de la phase de démarrage est atteinte lorsque la turbine atteint la vitesse de fin de démarrage. Le choix de la génératrice-démarreur trois bornes à monter sur une turbine donnée se fait notamment en tenant compte de sa capacité de démarrage et en fonction de la puissance électrique exigée par le réseau de bord. La génératrice-démarreur trois bornes comprend un enroulement 25 série qui fournit les ampères-tours en mode démarreur lorsque l'enroulement série est alimenté par une source de courant continu. L'enroulement série n'est pas alimenté en mode génératrice. Une génératrice-démarreur dispose d'une section à casser, dont 30 le couple est défini par le fabricant de turbine. En effet, en cas de couple développé par la génératrice-démarreur trop élevé, la section à casser agit comme un fusible mécanique afin de protéger la turbine. Lors d'une phase de démarrage, une génératrice-démarreur développe un couple donné pour une intensité de courant maximale donnée. Pour certaines applications il a été remarqué que la marge entre le couple de la section à casser et le couple développé par la génératrice-démarreur est insuffisante engendrant une rupture de l'arbre de torsion de la génératrice-démarreur au niveau de la section à casser. Autrement dit, quand le couple initial de la génératrice-démarreur trois bornes pendant la phase de démarrage est trop élevé, la section à casser joue son rôle de fusible mécanique et casse afin de protéger la turbine. Le couple de la section à casser étant défini par le fabricant de la turbine, il ne peut pas être augmenté sans l'accord du fabricant. Afin d'éviter le problème de casse de l'arbre de torsion, comme le couple de la section à casser ne peut être augmenté, c'est le nombre de 15 spires de l'enroulement série qui peut être diminué, diminuant ainsi le flux magnétique. Le couple développé par la génératrice-démarreur est donc réduit : cela nécessite de vérifier que le couple développé par la génératrice-démarreur présente suffisamment de la marge par rapport au couple résistant de la turbine afin de s'assurer que le temps de démarrage est 20 acceptable. Mais diminuer le nombre de spires de l'enroulement série de la génératrice démarreur signifie également qu'il faut concevoir une nouvelle génératrice-démarreur. L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus 25 haut en proposant une connexion différente au niveau du circuit de démarrage de la génératrice-démarreur trois bornes pour permettre une réduction du couple initial de la génératrice-démarreur trois bornes pendant une durée prédéterminée de la phase de démarrage. 30 A cet effet, l'invention a pour objet une génératrice-démarreur trois bornes comprenant : - une borne de puissance positive, - une borne de puissance négative, - une borne de démarrage positive, 35 - un enroulement d'induit, avec un collecteur - des balais positifs frottant sur le collecteur de l'enroulement d'induit, - des balais négatifs frottant sur le collecteur de l'enroulement d'induit, - un enroulement de commutation possédant deux bornes, une première borne étant connectée aux balais négatifs, une seconde borne étant connectée à la borne de puissance, - un enroulement série possédant deux bornes, une première borne étant connectée à la borne de démarrage, une seconde borne étant connectée à un point situé entre les balais positifs et la borne de puissance, l'enroulement série, l'enroulement d'induit et l'enroulement de commutation étant connectés en série, - un enroulement shunt possédant deux bornes, une première borne étant connecté à une borne positive, une seconde borne étant connectée à un point situé entre les balais négatifs et la première borne de l'enroulement de commutation, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un régulateur de tension possédant une première borne et une seconde borne, et en ce que la première borne est connectée à la borne positive de l'enroulement shunt et la seconde borne est connectée à la borne de puissance positive. L'invention a également pour objet un procédé de démarrage d'une telle génératrice-démarreur trois bornes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'alimentation de l'enroulement shunt (30) pendant toute la durée de la phase de démarrage. Cette alimentation se fait par la connection de la borne positive de l'enroulement shunt accessible au bornier à la borne de puissance positive de la génératrice démarreur trois bornes de façon à ce que l'enroulement shunt et l'enroulement série soient reliés en parallèle. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente un circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente une première variante du circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention ; - la figure 3 représente une deuxième variante du circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention ; - la figure 4 représente une troisième variante du circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur qui permet d'effectuer des essais; - la figure 5 représente une variante d'un procédé de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Sur les figures 1, 2, 3 et 4, la seconde borne de l'enroulement shunt 30 est connectée en un point situé entre les balais négatifs et la borne de l'enroulement des pôles de commutation connectée aux balais négatifs. La figure 1 représente un circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'art antérieur. La génératrice-démarreur trois bornes comprend une borne de puissance positive B, une borne de puissance négative E, une borne de démarrage positive C. Elle comprend en outre un enroulement d'induit 10 avec un collecteur, des balais positifs 11 frottant sur le collecteur de l'enroulement d'induit 10, des balais négatifs 12 frottant sur le collecteur de l'enroulement d'induit 10. La génératrice-démarreur trois bornes comprend un enroulement de commutation 50 possédant deux bornes 51, 52, une première borne 51 étant connectée aux balais négatifs 12, une seconde borne 52 étant connectée à la borne de puissance E. Elle comprend un enroulement série 20 possédant deux bornes 21, 22, une première borne 21 étant connectée à la borne de démarrage C, une seconde borne 22 étant connectée à un point 23 situé entre les balais positifs 11 et la borne de puissance B. L'enroulement série 20, l'enroulement d'induit 10 et l'enroulement de commutation 50 sont connectés en série. La génératrice-démarreur trois bornes comprend un enroulement shunt 30 possédant deux bornes 31, 32, une première borne 31 étant connecté à une borne positive A, une seconde borne 32 étant connectée à un point 33 situé entre les balais négatifs 12 et la première borne 51 de l'enroulement de commutation 50.35 Pour certaines Génératrices-Démarreurs trois bornes la borne 32 de l'enroulement shunt 30 est connectée à la borne de puissance E. L'enroulement shunt 30 n'est pas alimenté en mode démarreur. L'enroulement de commutation 50 permet de limiter, au niveau 5 des balais 11 et 12, l'apparition d'étincelles qui pourraient endommager le collecteur de la génératrice-démarreur. L'enroulement de commutation 50 est connecté en série avec l'enroulement d'induit 10. L'enroulement 50 peut inclure en plus de l'enroulement de commutation, un enroulement de compensation pour certaines génératrices-démarreurs trois bornes. 10 On appellera la configuration représentée sur la figure 1 la configuration démarrage série. La figure 2 représente une première variante du schéma électrique du circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon 15 l'invention. Le circuit de démarrage selon l'invention représenté sur la figure 2 comprend les mêmes éléments que le circuit de démarrage représenté sur la figure 1. Selon l'invention, la génératrice-démarreur comprend en outre un régulateur de tension 80 possédant une première borne 82 et une seconde borne 81. La première borne 82 est connectée à la borne positive A de 20 l'enroulement shunt 30 et la seconde borne 81 est connectée à la borne de puissance positive B. Ainsi, l'enroulement shunt 30 et l'enroulement série 20 sont reliés en parallèle pendant toute la durée de la phase de démarrage. On appellera la configuration représentée sur la figure 2 la configuration série+sh u nt. 25 La figure 3 représente une deuxième variante du circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention. Le circuit de démarrage représenté sur la figure 3 comprend les mêmes éléments que le circuit de démarrage représenté sur la figure 2. De plus, la génératrice trois 30 bornes comprend un contacteur temporisé 70 inséré entre la borne B et la borne 81, de façon à ce que l'enroulement shunt 30 et l'enroulement série 20 soient reliés en parallèle pendant une durée prédéterminée d'une phase de démarrage. Le contacteur temporisé 70 assure l'alimentation de l'enroulement shunt 30 pendant une durée suffisante pour réduire le couple 35 initial de la génératrice-démarreur en mode démarreur. Cette durée est de l'ordre de 500 ms, mais peut varier selon les génératrices-démarreurs et turbines mises en oeuvre. Ensuite, le contacteur temporisé 70 est ouvert. La génératrice-démarreur fonctionne alors en démarreur série dont le circuit de démarrage est représenté sur la figure 1. Le régulateur de tension 80 associé à une génératrice-démarreur trois bornes permet d'assurer si nécessaire, pour une tension d'équilibrage prédéfinie, une phase de défluxage, aussi appelée phase de fieldweakening. La tension d'équilibrage correspond à une image du courant principal à travers l'enroulement de commutation 50 et un câble d'avion négatif 90. La phase de défluxage permet de fonctionner à une puissance constante après l'allumage de la turbine. La figure 4 représente une autre variante du circuit de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention, variante simplifiée pour effectuer des tests. Des tests expérimentaux effectués suivant la figure 4 avec une résistance de 0.4 Ohm entre les bornes B et A en configuration série et en configuration série+shunt montrent que pour différentes valeurs d'intensité pendant la phase de démarrage, le couple initial est nettement plus faible pour la configuration série+shunt que pour la configuration série. Autrement dit, le circuit de démarrage selon l'invention permet de réduire le couple initial de la génératrice-démarreur trois bornes pendant la phase de démarrage. Par exemple, pour une intensité de 920 A, la configuration série+shunt permet d'obtenir un couple initial de 51 Nm qui est inférieur de 14% par rapport au couple de la configuration série de 58 Nm. Pour une intensité de 650 A, la réduction du couple initial avec la configuration série+shunt par rapport à la configuration série est de 28% (couple de 30 Nm pour la configuration série+shunt et 42 Nm pour la configuration série). Plus précisément, lors de la phase de démarrage et en configuration série+shunt, il a été constaté que le courant d'excitation dans l'enroulement shunt 30 est négatif. Ainsi, les ampères-tours de l'enroulement shunt 30 sont soustractifs. Il s'agit d'un phénomène transitoire de couplage entre l'enroulement série 20 et l'enroulement shunt 30 de la génératrice-démarreur trois bornes. Ainsi, le circuit de démarrage de la génératrice-démarreur trois bornes selon l'invention permet une réduction du couple initial de la génératrice-démarreur trois bornes pendant toute la durée de la phase de démarrage, ou pendant une durée prédéterminée, de la phase de démarrage. La marge entre le couple de la section à casser et le couple développé par la génératrice-démarreur est suffisante. Avec la réduction du couple initial, la turbine est moins sollicitée et il n'y a pas de pénalité de temps de démarrage. La figure 5 représente une variante d'un procédé de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention. Le procédé de démarrage d'une génératrice-démarreur selon l'invention comprend une étape 100 d'alimentation de l'enroulement shunt 30 pendant toute la durée de la phase de démarrage. Dans le cas où la génératrice-démarreur comprend un contacteur temporisé 70, l'étape 100 d'alimentation de l'enroulement shunt 30 peut se faire pendant une durée prédéterminée de la phase de démarrage. Le procédé peut comprendre une phase de défluxage assurée par le régulateur de tension 80.20 REVENDICATIONS1. Génératrice-démarreur trois bornes (B, E, C) comprenant : - une borne de puissance positive (B) - une borne de puissance négative (E) - une borne de démarrage positive (C) - un enroulement d'induit (10), avec un collecteur - des balais positifs (11) frottant sur le collecteur de l'enroulement d'induit (10), - des balais négatifs (12) frottant sur le collecteur de l'enroulement d'induit (10), - un enroulement de commutation (50) possédant deux bornes (51, 52), une première borne (51) étant connectée aux balais négatifs (12), une seconde borne (52) étant connectée à la borne de puissance (E), - un enroulement série (20) possédant deux bornes (21, 22), une première borne (21) étant connectée à la borne de démarrage (C), une seconde borne (22) étant connectée à un point (23) situé entre les balais positifs (11) et la borne de puissance (B), l'enroulement série (20), l'enroulement d'induit (10) et l'enroulement de commutation (50) étant connectés en série, - un enroulement shunt (30) possédant deux bornes (31, 32), une première borne (31) étant connecté à une borne positive (A), une seconde borne (32) étant connectée à un point (33) situé entre les balais négatifs (12) et la première borne (51) de l'enroulement de commutation (50), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un régulateur de tension (80) possédant une première borne (82) et une seconde borne (81), et en ce que la première borne (82) est connectée à la borne positive (A) de l'enroulement shunt (30) et la seconde borne (81) est connectée à la borne de puissance positive (B). 2. Génératrice-démarreur trois bornes (B, E, C) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un contacteur temporisé (70) entre la borne de puissance positive (B) de la génératrice-démarreur et la seconde borne (81) du régulateur de tension (80) destiné àrelier en parallèle l'enroulement shunt (30) et l'enroulement série (20) pendant une durée prédéterminée d'une phase de démarrage. 3. Procédé de démarrage d'une génératrice-démarreur trois 5 bornes (B, E, C) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'alimentation de l'enroulement shunt (30) pendant toute la durée de la phase de démarrage. 4. Procédé de démarrage d'une génératrice-démarreur trois 10 bornes (B, E, C) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'alimentation de l'enroulement shunt (30) pendant une durée prédéterminée de la phase de démarrage. 5. Procédé de démarrage selon la revendication 3, caractérisé en 15 ce qu'il comprend une phase de défluxage assurée par le régulateur de tension (80).