Brevet FR3084217A1 — publié le 20200124

Dispositif de commutation pour système de distribution d'énergie électrique, notamment pour aéronef, à comptage d'énergie électrique consommée La présente invention se rapporte, de manière générale, aux systèmes d'alimentation pour réseau de distribution d' énergie électrique, en parti culier pour réseau de distribution d' énergie électrique d'aéronef. Le système d'alimentation électrique d'un aéronef possède en général une structure pyramidale et comprend un système de distribution primaire d'énergie électrique et un système de distribution secondaire. La di stribution de puissance s' effectue au moyen de composants électroniques ou électromécaniques de distribution, tels que des contrôleurs de puissance à semi-conducteurs, connus par les anglo-saxons par le terme de SSPC et des dispositifs de protection à courant résiduel de type RCCB pour « Remote Control Circuit Breaker ». Ces composants de distribution incorporent des fonctions de protection électrique des câbles d'alimentation des charges qui interviennent en présence d'un défaut générant un courant susceptible de dégrader les câbles auxquels ils sont associés. La commutation de puissance est effectuée par des composants de commutation qui assurent également la protection des charges. Des cartes électroniques de pilotage assurent la fonction de gestion de la logique de communication et de commande des composants. Les composants de commutation fournissent également aux cartes électroniques de pilotage des mesures de courant et de tension. Les protections mises en oeuvre sont fondées sur des critères de valeurs minimale ou maximale de courant ou de tension autorisées. Une fonction de protection n'est donc pas déclenchée si les valeurs de 2 courant et de tension consommées par les charges, considérées isolément, répondent aux critères de valeurs minimale ou maximale. Les composants de distribution de puissance renvoient généralement aux organes de contrôle les valeurs efficaces des 5 courants distribués. Ces informations restent, sans traitement additionnel, insuffisantes pour permettre d'établir une gestion efficace de l'énergie distribuée. En effet, la connaissance de la valeur efficace du courant à elle 10 seule ne permet pas d'apprécier les valeurs de puissance consommées par les charges et la façon dont l'énergie est consommée et la nature des harmoniques générés sur le réseau. Ce problème se pose de façon accrue avec l'évolution des charges qui deviennent de plus en plus actives en embarquant par 15 exemple des électroniques de puissance. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de s'affranchir des limitations liées aux dispositifs de commutation selon l'état de la technique en enrichissant les fonctionnalités proposées par ces dispositifs de commutation. 20 L'invention a donc pour objet un dispositif de commutation pour système de distribution d'énergie électrique, pour l'alimentation d'au moins une charge électrique, comprenant des moyens de commutation et des moyens de protection des charges, comprenant des moyens de mesure de courant et des moyens de mesure de tension 25 délivrant des signaux de mesure de courant et de tension à un étage de pilotage du dispositif. Ce dispositif comprend des moyens de traitement aptes à élaborer des informations relatives à l'énergie électrique consommée par les charges à partir des signaux de mesure de tension et de courant. 30 Ces informations permettent notamment de connaître la nature et la valeur de l'énergie électrique consommée par les charges et permet ainsi de mieux connaître le comportant des charges alimentées et ainsi d'assurer une meilleure gestion du réseau. L'invention permet en particulier d'assurer un comptage de l'énergie électrique consommée par les charges et renseigne sur le respect d'exigences normatives ou sur le bon état de santé de chaque charge, en comparant, par exemple, les informations élaborées avec 5 des informations correspondantes d'une charge en bon état de santé. Le suivi de l'évolution de l'énergie consommée peut, de même, indiquer si une charge est en cours de dégradation et s'il est nécessaire d'effectuer une maintenance. L'invention permet donc de réaliser un délestage anticipé avant 10 que la charge ne soit défectueuse et que le réseau électrique subisse l'effet d'un tel défaut. La connaissance de l'énergie consommée par les charges peut, par exemple, permettre la déconnexion d'une charge qui consommerait trop de puissance réactive 15 Par exemple, en ce qui concerne les charges embarquées à bord d'un aéronef, la connaissance de l'énergie consommée dans la cabine peut permettre un bon dimensionnement des éléments du système de di stribution En effet, les architectures de distribution électrique pour 20 équipements utilisables par les passagers comportent un grand nombre de boîtiers de puissance, installés majoritairement dans les sièges. La puissance disponible est ainsi très importante par rapport à la puissance réellement consommée. La connaissance de la puissance véritablement consommée par 25 les passagers permet, par analyse de données, de dimensionner les équipements installés à bord des aéronefs et, par conséquent, un gain de masse et de consommation relativement important. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, celui-ci comporte en outre des moyens pour élaborer la valeur efficace 30 du courant et de la tension distribuée aux charges. Par exemple, les moyens de traitement comportent des moyens pour calculer le déphasage entre la tension et le courant. Ils peuvent, dans ce cas, comporter des moyens pour calculer le cosinus de l'angle dudit déphasage 4 Les moyens de traitement peuvent encore comporter des moyens pour calculer la puissance active et/ou la puissance réactive consommée par les charges. Selon encore une autre caractéristiques, les moyens de 5 traitement comportent des moyens pour piloter les moyens de commutation à partir de la valeur de la tension mesurée. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé qui 10 illustre la structure générale d'un dispositif de commutation pour système de distribution d'énergie pour aéronef selon l'invention. Le di spositif de commutation illustré sur la figure est notamment destiné à être intégré à un système de distribution primaire d'énergie électrique ou à un système de distribution secondaire d'un 15 réseau de bord d'un aéronef. Il est destiné à assurer la commutation de puissance et la protection des charges et des câbles du réseau d'alimentation. Ce dispositif, désigné par la référence numérique générale 1, est destiné à être raccordé entre une entrée de puissance 2 et une sortie 20 de puissance 3 d'une ligne de puissance et comporte un organe de commutation 4 assurant la distribution d'énergie électrique et la protection des charges et/ou des câbles d'alimentation et un organe de sécurité auxiliaire 5, de type fusible, par exemple placé entre l'organe de commutation 4 et la sortie de puissance 3 25 L'organe de commutation 4 est piloté par une unité de traitement et de calcul 6 à partir de signaux de mesure de courant et de tension. Le dispositif de commutation est ainsi complété par un capteur de courant 7, placé par exemple entre l'organe de sécurité 5 et la sortie 30 de puissance 3, et des capteurs de tension 8a et 8b, placés sur l'entrée de puissance et sur la sortie de puissance et assurant la mesure de la tension véhiculée sur la ligne de puissance. La valeur de tension fournie par les capteurs de tension 8a et 8b est avantageusement la tension phase neutre de la ligne d'alimentation. 5 Les signaux de mesure issus des capteurs de courant et de tension sont fournis à des étages de conditionnement 9a et 9b servant à conditionner et mettre en forme les signaux délivrés par les capteurs en vue de leur traitement par l'unité de traitement 6. Ils assurent 5 notamment l'échantillonnage des signaux de mesure à une fréquence substantiellement grande par rapport à la fréquence du réseau d' alimentation On voit par ailleurs que l'unité de traitement 6 communique avec un bus de communication et de transmission de données et est 10 également capable de communiquer avec une entrée et une sortie E/S numérique. L'unité de calcul incorpore tous les moyens matériels et logiciels capables de piloter l'organe de commutation à partir des signaux issus des capteurs et pour calculer des informations relatives à 15 l'énergie électrique consommée par les charges à partir notamment des mesures de courant et de tension véhiculés sur la ligne de puissance. Elle reçoit par ailleurs l'état de l'interrupteur de puissance de l'organe de commutation 4, à savoir ouvert, fermé, non utilisé, ainsi que des informations portant sur l'état des protections mises en 20 oeuvre par l'organe de commutation et l'organe de sécurité 5, à savoir activé ou inactivé. En premier lieu, l'unité de traitement 6 s'assure que la tension d'entrée mesurée satisfait aux conditions pour que l'interrupteur de puissance puisse être fermé. La tension d'entrée est à cet égard 25 comparée avec des valeurs minimales et maximales admissibles. En ce qui concerne la tension véhiculée sur la ligne de puissance, l'unité de traitement 6 acquiert la valeur de tension phase neutre, détermine l'instant du passage à 0 de la tension, par exemple par interpolation ou estimation sur la base d'une valeur directe acquise 30 et calcule également la valeur efficace RMS de la tension. En ce qui concerne le courant distribué à la charge, l'unité de traitement 6 acquiert la valeur du courant de ligne ou fournie à la charge, calcule la valeur efficace RMS de cette valeur et détermine l'instant de passage à 0 du courant 6 Pour éviter d'introduire des erreurs de mesure trop importantes ou rendre le traitement trop complexe, l'acquisition de la tension et du courant se fait de façon sensiblement synchrone. L'unité de traitement 6 calcule par ailleurs le déphasage entre 5 la tension et le courant, par mesure du décalage temporaire entre la tension et le courant, calcule la valeur du cosinus de l'angle Phi de déphasage entre la tension et le courant, et calcule également la valeur du sinus de cet angle. La puissance active consommée par la charge est calculée en 10 calculant le produit : Vrms x Irms x Cosinus (Phi) (1) La puissance réactive consommée est calculée en calculant le produit: Vrms x Irms x Sinus (Phi) (2) 15 où Vrms et Irms désignent respectivement la tension efficace et la valeur efficace. Le dispositif de commutation élabore ainsi à partir des signaux fournis par les capteurs de courant et de tension des informations 20 relatives à l'énergie électrique consommée par les charges à partir de valeurs de courant et de tension. Ces signaux étaient utilisés, dans l'état de la technique, pour la protection des charges et la commutation de puissance. Le comptage de puissance mis en oeuvre par le dispositif de 25 commutation permet d'améliorer la gestion de la distribution de l'énergie électrique, grâce au comptage et à la gestion de la puissance, de suivre l'évolution REVENDICATIONS1. Dispositif de commutation pour système de distribution d'énergie électrique, pour l'alimentation d'au moins une charge électrique, comprenant des moyens de commutation (4) et des moyens (4,5) de protection des charges, ledit dispositif comprenant des moyens (7) de mesure de courant et des moyens (8a, 8b) de mesure de tension délivrant des signaux de mesure de courant et de tension à un étage de pilotage (6) du dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement aptes à élaborer des informations relatives à l'énergie électrique consommée par les charges à partir des signaux de mesure de tension et de courant. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens (6) pour élaborer la valeur efficace du courant et de la tension délivrée aux charges. 3. Disposition selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de traitement comportent des moyens pour calculer le déphasage entre la tension et le courant. 4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant des moyens pour calculer le cosinus de l'angle dudit déphasage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de traitement (6) comportent des moyens pour calculer la puissance active consommée par les charges. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens de traitement comportent des moyens pour calculer la puissance réactive consommée par les charges. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de traitement comportent des moyens pour piloter les moyens de commutation (4) à partir de la valeur de la tension mesurée.