Brevet FR3080092A1 — publié le 20191018

Système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle La présente invention concerne un système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle. Dans la présente demande, on parle de sous-marin à propulsion conventionnelle par opposition à un sous-marin à propulsion nucléaire. En effet, les systèmes d'alimentation de ces deux types de navires sont complètement différents. On sait que dans les sous-marins à propulsion conventionnelle, les systèmes d'alimentation en énergie électrique comportent des moyens de production d'énergie électrique, des moyens de stockage et de conversion d'énergie électrique, des moyens de propulsion à basse vitesse, des moyens de propulsion à haute vitesse et des moyens de distribution d'énergie électrique à des abonnés à travers au moins un réseau de bord du sous-marin. De façon générale au moins deux réseaux de bord sont utilisés dans ce type de navires. Dans des sous-marins de ce type, les moyens de production d'énergie électrique peuvent comporter des moyens de production aérobie et des moyens de production anaérobie. Ce type de systèmes a été développé pour améliorer les performances des sous- marins. De façon classique, ces moyens de production d'énergie électrique sont raccordés en sortie, à un réseau à courant continu d'alimentation en énergie électrique du sous- marin. Ce réseau est également relié à des moyens de stockage d'énergie électrique constitués par exemple par des batteries. Ce réseau d'alimentation et ces moyens de stockage d'énergie électrique sont alors conçus pour alimenter, en sortie, les moyens de propulsion et les réseaux de bord du sous-marin. On conçoit que ce ou ces réseaux d'alimentation à courant continu constituent alors le réseau de force et le noeud central du système d'énergie/propulsion du sous- marin. Ce ou ces réseaux d'alimentation à courant continu doivent donc être dimensionnés pour recevoir et distribuer des flux d'énergie depuis des sources de 2 production jusqu'aux moyens de stockage et depuis ces moyens de stockage vers les différents consommateurs. Mais, par conception, ce noeud central ne peut pas répondre simplement à l'ensemble des exigences d'intégration et de performance, car certaines d'entre elles 5 imposent des limites. Ainsi par exemple, il est difficile de trouver un optimum entre un bon rendement des moyens de propulsion à basse vitesse et leur capacité à engendrer une puissance permettant d'atteindre les hautes vitesses. De même il est difficile d'obtenir de bonnes performances de rendement pour 10 certains composants de faible puissance, alors que le réseau est dimensionné en tension pour fournir une puissance maximale de propulsion. Le courant maximal de charge des moyens de production d'énergie électrique peut également ne pas être atteint à cause des limitations en courant des moyens de stockage. 15 Ainsi par exemple, les batteries au plomb ont une limite de courant de charge qui peut être rapidement atteinte. Réciproquement, les moyens de stockage ne sont pas non plus chargés à leur courant maximal car les moyens de production d'énergie électrique ne peuvent pas générer celui-ci. 20 La tension du réseau de puissance peut également être limitée par des caractéristiques de l'appareillage de protection associé à ceux-ci et qui est strictement nécessaire pour protéger les artères de ce réseau à courant continu. Les calibres et les niveaux des courants de court-circuit des systèmes de protection sont en effet limités, ce qui ne permet pas toujours de mettre en parallèle les 25 différentes sources et moyens de stockage. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant une nouvelle architecture de réseau électrique, permettant d'optimiser les performances en autonomie, taux d'indiscrétion, disponibilité d'énergie, etc... et de diminuer les volumes d'intégration correspondants. 30 A cet effet l'invention a pour objet un système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle, du type comportant des moyens de production d'énergie électrique, des moyens de stockage et de conversion d'énergie électrique, des moyens de propulsion à basse vitesse, des moyens de propulsion à haute vitesse et des moyen de distribution d'énergie électrique à des abonnés à travers au 35 moins un réseau de bord, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux parties de circuit en parallèle en sortie des moyens de production d'énergie électrique, l'une de 3 haute puissance pour alimenter les moyens de propulsion à haute vitesse et l'autre de basse puissance pour alimenter les moyens de propulsion à basse vitesse et les moyens de distribution d'énergie. Suivant d'autres caractéristiques du système selon l'invention prises seules ou en 5 combinaison : - chaque partie de circuit comporte des moyens de stockage d'énergie électrique ; - les moyens de production d'énergie électrique comportent des moyens de production aérobie et des moyens de production anaérobie d'énergie électrique et en ce que les deux parties de circuit en parallèle sont raccordées en sortie des moyens de 10 production aérobie d'énergie électrique ; - les moyens de production anaérobie d'énergie électrique sont intégrés dans la partie de circuit de basse puissance ; - les moyens de propulsion comprennent des moteurs électriques, l'un de croisière pour atteindre les basses vitesses et l'autre de puissance pour atteindre les 15 hautes vitesses ; - la partie de circuit à haute puissance comporte des moyens formant convertisseur courant alternatif/courant continu, des moyens de stockage d'énergie électrique et des moyens de conversion courant continu/courant alternatif en série ; - les moyens de production aérobie d'énergie électrique sont également reliés à la 20 partie de circuit de basse puissance à travers des moyens de transformation et de conversion courant alternatif/courant continu ; - la partie de circuit de basse puissance comporte au moins un réseau à courant continu raccordé en sortie des moyens de production aérobie, en sortie des moyens de production anaérobie, à des moyens de stockage d'énergie électrique, aux moyens de 25 propulsion à basse vitesse et aux moyens de distribution d'énergie ; - les moyens de distribution d'énergie sont adaptés pour alimenter deux réseaux de bord en parallèle, et associés par des moyens de couplage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur 30 lesquels : - la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant l'architecture d'un système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle, de l'état de la technique, et - les figures 2 et 3 représentent des schémas synoptiques illustrant la structure et 35 le fonctionnement d'un système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle, selon l'invention. 4 On a en effet illustré sur la figure 1, un système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle de l'état de la technique. Celui-ci comporte de façon classique des moyens de production d'énergie électrique qui sont désignés par la référence générale 1 sur cette figure. 5 Ces moyens de production d'énergie électrique 1 peuvent comporter des moyens de production aérobie désignés par la référence générale 2 et des moyens de production anaérobie désignés par la référence générale 3. Ces types de moyens de production aérobie et anaérobie sont bien connus dans l'état de la technique et ne seront donc pas décrits plus en détails par la suite. 10 Dans cette architecture, ces moyens de production d'énergie électrique sont raccordés à un réseau à courant continu désigné par la référence générale 4. Ce réseau à courant continu est associé à des moyens de stockage d'énergie désignés par la référence générale 5. Ces moyens comprennent par exemple des batteries. 15 En sortie, ce réseau à courant continu 4 est adapté pour alimenter des moyens de propulsion à basse vitesse désignés par la référence générale 6, des moyens de propulsion à haute vitesse désignés par la référence générale 7 et des moyens de distribution d'énergie électrique à des abonnés, à travers au moins un réseau de bord désigné par la référence générale 8. 20 Comme cela a été indiqué précédemment, le réseau à courant continu désigné par la référence générale 4 constitue, dans ces systèmes, le noeud central du système et se traduit par les limitations décrites. Comme cela a été indiqué précédemment, la présente invention se propose de résoudre ces problèmes. 25 A cet effet l'invention propose une nouvelle structure de système d'alimentation, décrite en regard des figures 2 et 3. En fait et comme cela est visible par exemple sur la figure 2, le système d'alimentation en énergie électrique selon l'invention comporte au moins deux parties de circuit en parallèle. 30 Ces parties de circuit sont désignées par les références générales 10 et 11 sur cette figure 2. Ces deux parties de circuit sont connectées par exemple en parallèle en sortie de moyens de production aérobie d'énergie électrique désignés par la référence générale 12 sur cette figure. 35 En fait ces moyens de production aérobie d'énergie électrique permettent alors d'alimenter une partie de circuit de haute puissance 10, pour alimenter les moyens de 5 propulsion à haute vitesse du sous-marin et une partie de basse puissance 11 pour alimenter les moyens de propulsion à basse vitesse de celui-ci et les moyens de distribution d'énergie électrique à bord de ce sous-marin. Ceci est par exemple illustré sur ces figures 2 et 3, dans lesquelles on reconnaît 5 dans la partie de circuit à basse puissance 11, un réseau à courant continu désigné par la référence générale 13, raccordé en sortie des moyens de production aérobie d'énergie électrique 12. Ce réseau à courant continu désigné par la référence générale 13 est associé d'une part, à des moyens de stockage d'énergie électrique désignés par la référence 10 générale 14 et d'autre part, à des moyens de production d'énergie électrique anaérobie désignés par la référence générale 15. Le réseau électrique à courant continu 13 est alors adapté pour alimenter des moyens de propulsion à basse vitesse 16 du sous-marin et des moyens de distribution d'énergie électrique 17 dans celui-ci. 15 On conçoit alors que les moyens de production anaérobie d'énergie électrique 15 sont intégrés dans la partie de circuit de basse puissance du système d'alimentation selon l'invention. Les moyens de propulsion du sous-marin comportent alors par exemple deux moteurs électriques, dont l'un dit de croisière permet d'atteindre les basses vitesses et 20 l'autre dit de puissance permet d'atteindre les hautes vitesses du sous-marin. Le moteur électrique dit de croisière est donc le moteur constituant les moyens de propulsion 16 décrits sur cette figure 2. La partie de circuit à haute puissance 10 comporte quant à elle des moyens formant convertisseur courant alternatif/courant continu, des moyens de stockage 25 d'énergie électrique et des moyens de conversion courant continu/courant alternatif, désignés par la référence générale 18 sur ces figures 2 et 3, et qui sont décrits plus en détail par la suite. Ces moyens 18 permettent alors d'alimenter en énergie, un moteur électrique de puissance permettant d'atteindre les hautes vitesses du sous-marin, également appelé 30 « booster » dans l'état de la technique et désigné par la référence générale 19 sur ces figures 2 et 3. Bien entendu des moyens de couplage de ces deux parties de circuit peuvent également être envisagés, ces moyens de couplage étant schématisés par la ligne désignée par la référence générale 20 sur cette figure 2. 35 Ceux-ci seront décrits plus en détail par la suite. 6 On a illustré de façon un peu plus détaillée une telle structure de système d'alimentation sur la figure 3. On reconnaît en effet sur cette figure 3, la partie de circuit de haute puissance désignée par la référence générale 10, la partie de circuit de basse puissance désignée 5 par la référence générale 11, et les moyens de production aérobie d'énergie électrique désignés par la référence générale 12. On reconnaît également sur cette figure 3, le réseau à courant continu 13, les moyens de stockage d'énergie 14, les moyens de production anaérobie 15 et le moteur électrique de croisière 16. 10 On reconnaît également sur cette figure 3, les moyens de distribution 17 et les moyens formant convertisseur et de stockage d'énergie électrique 18. Ceux-ci comportent en fait trois parties en série en sortie des moyens de production aérobie 12, ces trois parties étant successivement des moyens formant convertisseur courant alternatif/courant continu 18a, des moyens de stockage 18b et des 15 moyens formant convertisseur courant continu/courant alternatif 18c en série, et permettant d'alimenter les moyens de propulsion à haute vitesse 19. Ceux-ci comportent par exemple un moteur de puissance permettant d'atteindre les hautes vitesses du sous-marin. Les moyens de couplage sont toujours quant à eux désignés par la référence 20 générale 20 sur cette figure 3 et comportent par exemple des moyens de conversion et de transformation d'énergie permettant d'assurer le découplage et l'isolation galvanique entre les deux parties de circuit. En fait et comme cela est illustré, le système d'alimentation peut être doublé de façon classique. 25 Il peut en effet comporter deux portions de circuit en parallèle à savoir deux moyens de production aérobie d'énergie électrique, deux réseaux de bord raccordés à la sortie des moyens de production anaérobie, deux moyens de stockage d'énergie électrique pour la partie de basse puissance et deux moyens de couplage permettant d'associer les différents moyens de production d'énergie au réseau. 30 De même et comme cela est illustré, les deux réseaux électrique 13 peuvent être associés à des moyens de couplage désignés par la référence générale 21 sur cette figure 3. On conçoit alors qu'une telle structure de circuit à haute puissance est optimisée en volume et masse dans la mesure où le réseau à courant continu n'a plus à transférer 35 une grande quantité d'énergie permettant d'atteindre par exemple la vitesse maximale de propulsion du sous-marin. 7 Le réseau à haute puissance est alors remplacé par un moyen de conversion stockage/recharge ce qui permet de réduire de manière substantielle les liaisons électriques entre composants et se traduit par une minimisation du nombre de disjoncteurs par exemple à courant continu de calibre élevé, qui sont, par nature, 5 extrêmement volumineux et coûteux. La tension du réseau à courant continu peut également être réduite à une valeur permettant d'optimiser le rendement global des abonnés. Les courants qui circulent dans ce réseau à courant continu étant plus faibles que dans une architecture classique, on peut également s'affranchir des contraintes 10 dimensionnelles des organes de protection. Grâce à une telle structure, il est également possible d'avoir une ségrégation des deux domaines de puissance. En effet l'architecture proposée assure un niveau élevé de sécurité et de disponibilité. 15 En effet les moyens de transformation et de conversion alternatif/continu désignés par la référence générale 20, permettent d'assurer l'isolement galvanique entre le domaine à haute puissance et le domaine à faible puissance. Ceci permet de simplifier la problématique de sélectivité des réseaux électriques. Bien entendu l'ensemble des organes entrant dans la constitution d'une telle 20 structure peut être optimisé en dimensionnement. Enfin d'autres REVENDICATIONS1.- Système d'alimentation en énergie électrique d'un sous-marin à propulsion conventionnelle, du type comportant des moyens (12, 15) de production d'énergie électrique, des moyens (14, 18) de stockage et de conversion d'énergie électrique, des moyens (16) de propulsion à basse vitesse, des moyens (19) de propulsion à haute vitesse et des moyen (17) de distribution d'énergie électrique à des abonnés à travers au moins un réseau de bord, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux parties de circuit en parallèle (10, 11) en sortie des moyens de production d'énergie électrique, l'une (10) de haute puissance pour alimenter les moyens de propulsion à haute vitesse (19) et l'autre de basse puissance (11) pour alimenter les moyens de propulsion à basse vitesse (16) et les moyens de distribution d'énergie (17). 2.- Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque partie de circuit (10, 11) comporte des moyens de stockage d'énergie électrique (14, 18). 3.- Système d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de production d'énergie électrique comportent des moyens de production aérobie (12) et des moyens de production anaérobie (15) d'énergie électrique et en ce que les deux parties de circuit en parallèle (10, 11) sont raccordées en sortie des moyens de production aérobie d'énergie électrique (12). 4.- Système d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de production anaérobie (15) d'énergie électrique sont intégrés dans la partie de circuit de basse puissance (11). 5.- Système d'alimentation selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de propulsion comprennent des moteurs électriques, l'un de croisière (16) pour atteindre les basses vitesses et l'autre de puissance (19) pour atteindre les hautes vitesses. 6.- Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de circuit à haute puissance (10) comporte des moyens formant convertisseur courant alternatif/courant continu (18a), des moyens de stockage d'énergie électrique (18b) et des moyens de conversion courant continu/courant alternatif (18c) en série. 9 7.- Système d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de production aérobie d'énergie électrique (12) sont également reliés à la partie de circuit de basse puissance (10) à travers des moyens (20) de transformation et de 5 conversion courant alternatif/courant continu. 8.- Système d'alimentation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la partie de circuit de basse puissance (11) comporte au moins un réseau (13) à courant continu raccordé en sortie des moyens de production aérobie (12), en sortie des moyens de 10 production anaérobie (15), à des moyens de stockage d'énergie électrique (14), aux moyens de propulsion à basse vitesse (16) et aux moyens de distribution d'énergie (17). 9.- Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de distribution d'énergie (17) sont adaptés 15 pour alimenter deux réseaux de bord en parallèle, et associés par des moyens de couplage (21).