Brevet FR3068532A1 — publié le 20190104

Boîtier de distribution d'énergie électrique pour réseau de bord d'un aéronef et système d'alimentation électrique correspondant L'invention concerne, de manière générale, la distribution d'énergie électrique dans un aéronef et se rapporte en particulier à un boîtier de distribution d'énergie électrique d'un réseau électrique d' aéronef. La distribution d'énergie électrique dans un aéronef est généralement hiérarchisée. Tout d'abord, la puissance électrique est produite principalement à partir de générateurs entraînés par les moteurs de l'aéronef. Cette énergie est alors véhiculée au moyen de câbles vers des boîtiers de distribution primaires. Ces boîtiers de distribution primaires envoient ensuite cette énergie électrique vers des boîtiers de distribution secondaires. Les charges embarquées connectées au réseau de bord sont alimentées à partir des boîtiers de distribution secondaires, voire directement à partir des boîtiers de distribution primaires. Les architectures des systèmes de distribution électrique pour aéronefs tendent à évoluer en raison de l'augmentation de la puissance électrique véhiculée. La tension du réseau de bord, à l'origine en 28 Vdc, est progressivement passée à 115 Vac en triphasé à fréquence fixe, puis en fréquence variable, avec pour objectif la suppression des réseaux hydrauliques, pour des raisons de facilité de maintenance et de réduction de la masse embarquée, notamment dû aux câblages, aux génératrices et autres équipements. Les niveaux de tension dans les avions actuels suivent la même tendance. Ils peuvent être de 230 Vac et plus ou moins 135 Vdc. Toutefois, les réseaux à 28 Vdc et 115 Vac restent présents dans les avions d'affaire et sur les avions commerciaux gros porteurs. On a représenté sur la figure 1 un exemple d'architecture de distribution d'énergie électrique pour avion commercial gros porteur. 2 Dans ce type d'architecture, l'énergie électrique est fournie par un générateur G qui est entraîné par le moteur M d'un avion et qui délivre une tension alternative à un bus B, ici une tension alternative de 230 volts. 5 Dans l' exemple de réalisation illustré, l' architecture de distribution est destinée à alimenter des charges à une tension alternative de 115 Vac et des charges à une tension continue de 28 Vdc. Le système de distribution comporte ainsi un auto- 10 transformateur ATU qui convertit la tension alternative véhiculée par le bus B en une tension alternative de 115 Vac et un convertisseur-redresseur de tension TRU qui convertit la tension disponible sur le bus B en une tension continue de 28 Vdc. Les tensions fournies par l'auto-transformateur ATU et par le 15 convertisseur TRU sont fournies à un boîtier de distribution secondaire SPDB pour « Secondary Power Distribution Box », lequel alimente les charges à des tensions respectives de 115 Vac et 28 Vdc. Comme on le voit, des disjoncteurs, tels que D, ou des contacteurs sont répartis dans le réseau de distribution pour assurer 20 une protection des divers éléments de l'architecture. Selon cette architecture, les deux niveaux de tension 115 Vac et 28 Vdc doivent être amenés depuis le bus B du coeur électrique jusqu'au boîtier de distribution SPDB. Or, pour un avion gros porteur, la puissance électrique consommée par les charges alimentées en 28 25 Vdc, telles que les équipements de cabine et de cockpit est relativement importante. En outre, les longueurs de câbles nécessaires pour distribuer les tensions entre le convertisseur-redresseur TRU et le boîtier de distribution sont relativement importantes. Elles peuvent être de l'ordre de 15 kg, pour des câbles de gauge 8, d'une masse 30 linéique d'environ 39 kg par kilomètre. Au contraire, les câbles nécessaires pour véhiculer les tensions de 115 Vac ont une section moins importante et, par conséquent, une masse linéique moindre. La masse totale du câblage utilisé dans un réseau d'alimentation 3 d'aéronef gros porteur pour véhiculer une tension de 115 Vac est par conséquent moindre, par exemple de l'ordre de 1,5 kg. Par ailleurs, l'isolation galvanique entre les réseaux 28 Vdc et 115 Vac est réalisée par le convertisseur redresseur TRU. 5 En raison de la dynamique de fréquence du réseau 115 Vac, le convertisseur TRU doit disposer d'un noyau magnétique de volume accru et donc d'une masse relativement importante. Par ailleurs, la tension 28 Vdc qui alimente les charges n'est pas régulée, ce qui conduit à un surdimensionnement des équipements alimentés qui 10 doivent supporter des tensions pouvant aller jusqu'à 42 Vdc voire 80 Vdc ou nécessite l'ajout d'un étage de conversion de 28 Vdc en une tension régulée qui sera ensuite utilisée pour les fonctions électroniques de ces équipements. Le but de l'invention est ainsi de pallier tout ou partie de ces 15 inconvénients. Elle a donc pour objet un boîtier de distribution d'énergie électrique pour réseau d'alimentation électrique d'aéronef, qui est destiné à être raccordé à des charges pour l'alimentation desdites charges à un premier niveau de tension et à un deuxième niveau de 20 tension inférieur au premier niveau de tension, ledit boîtier comportant un ensemble de modules de distribution pour l'alimentation de charges audit premier niveau de tension. Selon une caractéristique générale, ce boîtier comporte en outre un convertisseur statique apte à convertir le premier niveau de tension 25 en une tension au deuxième niveau de tension pour l'alimentation de charges audit deuxième niveau de tension. Par conséquent, dans les réseaux de distribution véhiculant des tensions de 28 Vdc et 115 Vac, le 28 Vdc est généré par un convertisseur statique situé au plus proche des charges, les câbles 30 utilisés selon l'état de la technique entre le convertisseur-redresseur et le boîtier de distribution pour véhiculer le 28 Vdc étant supprimés. Par ailleurs, la puissance que doit fournir le TRU est largement diminuée. 4 Par conséquent, intégrer un convertisseur statique dans le boîtier de distribution permet un gain en masse relativement important qui compense très largement l'ajout du convertisseur. Ainsi, l'invention permet une réduction de la masse du câblage 5 du réseau de distribution et des équipements de conversion. Il est par ailleurs possible de générer une tension de 28 Vdc ou, de manière générale, un deuxième niveau de tension, stabilisé, à partir de la tension reçue en entrée du boîtier de distribution. Dans un mode de réalisation, le convertisseur statique 10 comprend une alimentation à découpage réalisée à partir de composants de commutation à base de transistors à effet de champ. Le convertisseur statique peut également comprendre un convertisseur redresseur de tension (TRU), un convertisseur DC/DC, un convertisseur AC/AC ou un convertisseur DC/AC. 15 Dans un mode de réalisation, le convertisseur comporte au moins un canal à convertisseur de puissance à semi-conducteurs (SSPC) apte à alimenter des charges audit deuxième niveau de tension. Avantageusement, une partie au moins des modules de distribution comporte un canal à convertisseurs de puissance à semi- 20 conducteur (SSPC). Le boîtier de distribution peut par ailleurs comporter en outre un ensemble de cartes de distribution raccordées aux convertisseurs et comprenant au moins un canal à convertisseurs de puissance à semiconducteurs pour l'alimentation de charges audit deuxième niveau de 25 tension. Dans un mode de réalisation, le boîtier de distribution comprend un module de stockage d'énergie électrique raccordé entre le convertisseur et les cartes de distribution. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, 30 un système d'alimentation pour aéronef, comprenant un générateur, un bus d'alimentation alimenté par le générateur et au moins un boîtier de distribution d'énergie électrique raccordé au bus d'alimentation par l'intermédiaire d'un auto-transformateur, comprenant un boîtier de distribution tel que défini ci-dessus. 5 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 5 -la figure 1, dont il a déjà été fait mention, illustre une architecture de distribution d'énergie électrique selon l'état de la technique ; -la figure 2 illustre un exemple de réalisation d'un système d'alimentation électrique pour aéronef selon un mode de réalisation de 10 l'invention ; -la figure 3 est un schéma de principe d'un premier exemple de réalisation d'un convertisseur d'un boîtier de distribution conforme à l'invention ; -la figure 4 illustre une variante de réalisation d' un 15 convertisseur d'un boîtier de distribution conforme à l'invention ; et -les figures 5 à 9 illustrent diverses variantes de réalisation d'un boîtier de distribution conforme à l'invention. On se réfèrera tout d'abord à la figure 2 qui illustre un système de distribution d'énergie électrique pour aéronef conforme à 20 l'invention. Un tel système est par exemple destiné à être embarqué à bord d'un avion commercial de type gros porteur ou dans un avion d'affaires de type « jet » dans lesquels les réseaux de distribution véhiculent conjointement des niveaux de tension continu de 28 Vdc et 25 alternatif de 115 Vac. Mais, bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque le système de distribution est destiné à fournir deux niveaux de tension différents à un réseau de bord d'un aéronef, respectivement haut et bas, impliquant une puissance électrique consommée 30 relativement importante. Sur la figure 2, on reconnaît le moteur M qui entraîne un générateur G alimentant ici un bus B en tension alternative de 230 Vac et les disjoncteurs D raccordés entre le boîtier de distribution et le bus et du côté du générateur. 6 Le système de distribution comporte en outre un autotransformateur ATU transformant le niveau de tension disponible sur le bus B en un premier niveau de tension, ici égal à 115 Vac et un convertisseur-redresseur TRU destiné à convertir et à redresser la 5 tension véhiculée sur le bus B en un deuxième niveau de tension ici égal à 28 Vdc, inférieur au premier niveau de tension. Ce convertisseur-redresseur TRU est destiné à l'alimentation directe de charges localisées par exemple à proximité immédiate du convertis seur. 10 L' autotransformateur ATU est raccordé à un boîtier de distribution SPDB qui reçoit, en entrée, la tension convertie par l' autotransformateur. Le boîtier de distribution comporte un ou plusieurs, notamment trois, canaux de distribution SSPC1, SSPC2, SSPCN comprenant 15 chacun un convertisseur de puissance à semiconducteur ou SSPC pour « Solid State Power Controller » pour distribuer la tension alternative 115 Vac aux charges. Le boîtier de distribution SPDB comporte en outre un convertisseur statique destiné à convertir la tension alternative 20 délivrée par l'autotransformateur ATU à la tension continue 28 Vdc pour alimenter les charges à cette tension. Le convertisseur statique 1 incorpore également une ou plusieurs cartes SSPC 4 pour alimenter des charges en 28 Vdc, en contrôlant la puissance tout en assurant une protection de ces charges. 25 Le boîtier de distribution SPDB comporte encore des cartes de distribution raccordées au convertisseur statique 1 de manière à recevoir le niveau de tension convertie, ces cartes de distribution, ici au nombre de trois, comprenant chacune une carte SSPC, respectivement SSPC5, SSPC6 et SSPC7. 30 Dans un mode de réalisation, le convertisseur statique constitue une alimentation à découpage, telle que visible sur la figure 3. Comme on le voit sur cette figure, cette alimentation à découpage est fondée sur l'utilisation d'un transistor T à effet de champ, avantageusement un MOSFET pour assurer un découpage rapide, délivrant une tension 7 convertie aux bornes d'une résistance R1 à partir d'une tension d'entrée VS au moyen d'un circuit magnétique 2 associé à une diode D, et d'un condensateur Cl. En variante, comme illustré à la figure 4, le convertisseur 5 utilise un transformateur Tr apte à convertir la tension alternative au premier niveau de tension ici 220 volts en une tension alternative au deuxième niveau de tension, ici 28 volts, et un étage redresseur constitué par un pont P de diodes apte à délivrer une tension continue au deuxième niveau de tension par l'intermédiaire d'un étage de 10 filtrage comprenant un condensateur C2 et une résistance R2 disposés en parallèle. Avantageusement, des fusibles F sont prévus en entrée et en sortie de l'autotransformateur. Ainsi, le convertisseur statique, qui peut être intégré indifféremment dans un équipement de distribution primaire ou 15 secondaire, permet la génération d'une tension régulée à 28 Vdc à partir d'une tension alternative à 115 Vac. Ce convertisseur intègre un mode de fonctionnement dit « dégradé » permettant l'alimentation de charges essentielle ou critique en cas de panne de composants d'une ou de plusieurs phases du réseau d'entrée. Comme indiqué précédemment, 20 il intègre également une fonction de contrôle SSPC permettant de distribuer, sur des sorties indépendantes et protégées, la tension vers différentes charges. Ainsi, les câbles à relativement basse tension entre le transformateur et le boîtier de distribution sont supprimés de sorte que la puissance que doit fournir le transformateur est largement 25 diminuée. Les gains en masse dus au câblage et à la réduction de la masse du transformateur compensent très largement l'ajout du convertisseur statique dans le boîtier de distribution. Le 28 Vdc distribué aux charges étant généré par un convertisseur statique, la tension du réseau 30 est régulée sur un domaine de fonctionnement largement étendu, tant au niveau des variations de la tension d'entrée que pour le domaine de courant des charges à 28 Vdc. Enfin, l'intégration d'une partie de la distribution secondaire dans le convertisseur permet de mutualiser l'alimentation à basse tension qui, dans l'état de la technique, était 8 propre à chaque carte SSPC et l'optimisation de la distribution secondaire. La tension de bus étant régulée, les composants de puissance subissent une contrainte en tension plus faible et sont donc plus performants. 5 Ainsi, l'invention présente les avantages suivants : - réduction de la masse du câblage du réseau de bord de l'avion et des sources et équipements de conversion en amonts du boîtier de distribution, - génération d'une tension à 28 Vdc stabilisée et absence de 10 surtension, - intégration d'une partie de la distribution secondaire faite par des SSPC, - intégration des alimentations bas niveaux des canaux SSPC sans nécessiter d'alimentation auxiliaire, 15 - optimisation de la fonction de distribution secondaire du fait de la fourniture d'une tension régulée, - utilisation possible du boîtier de distribution avec séparation des charges essentielles et non essentielles en cas de fonctionnement anormal tel que perte de phase, casse d'un composant, ..., 20 - intégration possible d'un convertisseur dans un équipement existant, du type SPDB ou autre, dans la mesure où le boîtier de distribution pourra adopter les mêmes interfaces mécaniques et électriques qu'un élément qu'elle viendrait remplacer. L'invention permet en outre d'utiliser un boiter de distribution 25 SPDB existant en l'équipant d'un convertisseur statique. Comme illustré à la figure 5 qui illustre le boîtier de distribution et sur lequel on reconnaît les canaux SSPC1, SSPC2 et SSPCN de distribution de la tension alternative 115 Vac à des charges, le convertisseur statique 1 avec sa carte SSPC4 d'alimentation de 30 charge et les cartes SSPC5 et SSPC6 raccordées au convertisseur statique, le boîtier de distribution comporte en outre une carte additionnelle 3 alimentée à partir du convertisseur statique 1 en 28 Vdc. Cette carte est, par exemple, une carte de stockage d'énergie faisant office de tampon pour, par exemple, le stockage de l'énergie 9 lorsque la tension disponible est supérieure à la tension distribuée et pour maintenir la tension de sortie en cas de perte momentanée de l'alimentation fournie par le bus B. Les figures 6 à 9 illustrent enfin divers modes de mise en 5 oeuvre d'un boîtier de distribution doté d'un convertisseur statique conforme à l'invention. En effet, comme indiqué précédemment, le boîtier de distribution décrit précédemment n'est pas limité à l'alimentation de charge à 115 Vac, d'une part et à 28 Vdc, d'autre part. 10 En référence à la figure 6, le boîtier de distribution conforme à l'invention peut être raccordé à un réseau alternatif délivrant un premier niveau de tension et assurer l'alimentation de charge AC au moyen des cartes SSPC1, SSPC2 et SSPCN au premier niveau de tension. 15 Le convertisseur statique 1 incorpore un convertisseur AC/DC pour délivrer un deuxième niveau de tension continue pour l'alimentation de charges respectives. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 6, qui correspond au mode de réalisation de la figure 5, le boîtier de 20 distribution 1 incorpore une carte SSPC4 pour l'alimentation de charges DC et est raccordé à des cartes SSPC5 et SSPC6 pour l'alimentation de charges respectives. Dans ce mode de réalisation, il est en outre doté d'une carte 3 assurant, par exemple, le stockage d'énergie. 25 Dans le mode de réalisation de la figure 7, la carte SPDB de distribution est raccordée à un réseau continu DC. Il comporte un ensemble de cartes SSPC7 à convertisseur de puissance à semiconducteurs pour l' alimentation de charges DC à partir de l' alimentation continue fournie par le réseau. Le convertisseur 30 comporte, dans ce cas, un convertisseur DC/DC pour l'alimentation de charges DC. Dans le mode de réalisation des figures 8 et 9, le boîtier d'alimentation SPDB et raccordé respectivement à un réseau continu DC et à un réseau alternatif AC. 10 Dans le mode de réalisation de la figure 8, le boîtier comporte un ensemble de cartes SSPC8 à convertisseur de puissance à semiconducteur pour l'alimentation de charges DC et le convertisseur statique comprend un convertisseur DC/AC pour l'alimentation de 5 charges AC. Dans le mode de réalisation de la figure 9, le boîtier SPDB comporte un ensemble de cartes à convertisseur de puissance SSPC9 assurant l'alimentation de charges AC, tandis que le convertisseur statique 1 comporte un convertisseur AC/AC pour l'alimentation de 10 charges AC. Ainsi, le boîtier d'alimentation incorpore, dans divers modes de réalisation, REVENDICATIONS1. Boîtier de distribution d'énergie électrique pour réseau d'alimentation électrique d'aéronef, ledit boîtier étant destiné à être raccordé à des charges pour l'alimentation desdites charges à un premier niveau de tension et à un deuxième niveau de tension inférieur au premier niveau de tension et comportant un ensemble de modules de distribution (SSPC1) pour l'alimentation de charges audit premier niveau de tension, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un convertisseur statique (1) apte à convertir le premier niveau de tension en une tension au deuxième niveau de tension pour l'alimentation de charges audit deuxième niveau de tension. 2. Boîtier d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique comprend une alimentation à découpage réalisée à partir de composants de commutation à base de transistors à effet de champ. 3. Boîtier de distribution selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique comprend un convertisseur redresseur de tension (TRU). 4. Boîtier de distribution selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique comprend un convertisseur DC/DC. 5. Boîtier de distribution selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique comprend un convertisseur AC/AC. 6. Boîtier de distribution selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique comprend un convertisseur DC/AC. 7. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le convertisseur comporte au moins un canal à convertisseur de puissance à semiconducteur (SSPC) apte à alimenter des charges audit deuxième niveau de tension. 8. Boîtier de distribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel une partie au moins des modules de distribution comporte un canal à convertisseur de puissance à semiconducteur. 12 9. Boîtier de distribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre un ensemble de cartes de distribution raccordées au convertisseur statique (1) et comprenant au moins un canal à convertisseur de puissance à semiconducteur pour 5 l'alimentation de charges audit deuxième niveau de tension. 10. Boîtier de distribution selon la revendication 9, comprenant un module de stockage d'énergie raccordé entre le convertisseur statique (1) et les cartes de distribution. 11. Système d'alimentation électrique pour aéronef, 10 comprenant un générateur (G), un bus d'alimentation (B) alimenté par le générateur et au moins un boîtier de distribution électrique raccordé au bus d'alimentation par l'intermédiaire d'un autotransformateur (ATU), caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier de distribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.