Brevet FR3089709A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Système de gestion des interruptions électriques du réseau électrique d'un aéronef Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne un système électrique de gestion des interruptions électriques d'un réseau de distribution d'un aéronef. Présentation de l'invention [0002] Les normes dans le domaine aéronautique imposent notamment de gérer des inter- ruptions électriques du réseau d'un avion, au niveau d'équipements électroniques tels que les machines électriques embarquées dans l'aéronef. [0003] En particulier, une première exigence impose pour les équipements reliés aux réseaux de distributions conventionnels délivrant un courant alternatif triphasé (AC) ou un courant continu (DC), de redémarrer rapidement lorsqu'une interruption de tension est supérieure au temps de transparence et inférieure à 200ms. Le temps de transparence d'un équipement est la durée minimale pendant laquelle la puissance d'entrée peut disparaître, tout en maintenant l'équipement opérationnel. [0004] Une deuxième exigence impose que ce redémarrage rapide doive être réalisé en moins de 200 ms. [0005] Un redémarrage aussi rapide ne peut être réalisé pour certains équipements, en par- ticulier ceux comprenant une machine électrique, tels que par exemple des ventilateurs. Dans ce cas, l'alimentation bas niveau du module de contrôle de la machine électrique doit être maintenue. Une exigence spécifique pour ces équipements impose que, dans des conditions de fonctionnement anormales, le matériel doive assurer une autonomie suffisante à ses équipements pour une interruption de courant inférieure à 200 ms. Il est ainsi nécessaire de prévoir un moyen capable de stocker l'énergie suffisante pour maintenir l'alimentation basse tension de la partie contrôle des équipements et/ou de l'électronique de contrôle de ces équipements en cas de durée d'interruption électrique supérieure à la durée requise. [0006] Un exemple de système électrique 2 permettant de maintenir l'alimentation d'un module de contrôle 4 de la machine électrique 14 relié au réseau de distribution 6 d'un aéronef est illustré en figure 1. [0007] Le système 2 est relié à un réseau de distribution 6 de l'aéronef délivrant une tension alternative triphasé V,_6''' de 115 V. Cette tension Vré''' est appliquée en entrée d'un Auto Translitnner Rectifier Unit (ATRU) 8 convertissant cette tension Visca' triphasée de 115 Vac en une tension continue comprise entre 250 et 320 V, cette dernière alimentant un premier bus de haute tension continue Vbusi. Un condensateur de filtrage 2 10, à faible capacité, ainsi qu'un onduleur 12 et une machine électrique 14 sont reliés en parallèle à ce premier bus de tension. [0008] La tension alternative de 115 Vac est également appliquée en entrée d'un ensemble apte à transformer la tension alternative Vré',,, de 115 Vac en une tension continue de Ver, de 24 V, cette dernière alimentant un second bus de basse tension continue. Ledit ensemble comprend un transformateur triphasé 16, un pont de diodes 18 formant un redresseur de tension, et un convertisseur DC-DC 20 aptes à abaisser la tension afin de l'adapter à la tension nécessaire au niveau du second bus de tension. Une réserve capacitive, comprenant un ou plusieurs condensateurs 22, est montée en parallèle de ce second bus de tension destinée à alimenter en énergie le module de contrôle 4 de la machine électrique 14 en cas d'interruption électrique du réseau de distribution 6 de l'aéronef. Pour rappel, l'énergie stockée E dans chacun de ces condensateurs 22 est définie par la relation 1 E C où C est la capacité d'un condensateur et où V est la tension aux bornes du second bus. [0009] La tension V étant faible au niveau du second bus, il est nécessaire de disposer d'une capacité importante afin de pouvoir stocker une énergie E suffisante pour alimenter en basse tension le module de contrôle de la machine électrique 14 en cas d'interruption d'alimentation. [0010] Pour cela, des condensateurs de type électrolytiques sont utilisés. En effet, ce sont les seuls types de condensateurs qui présentent le meilleur ratio capacité/volume et des valeurs de capacité suffisantes à basse tension. po 1 1] Néanmoins, les condensateurs électrolytiques présentent deux principaux incon- vénients : - Les condensateurs électrolytiques présentent des dimensions importantes, en comparaison avec d'autres types de condensateurs, tels par exemple que les condensateurs à isolant. - Les condensateurs électrolytiques peuvent également nécessiter une opération dite de reformage après une longue période de stockage sans alimentation électrique. [001 2] L'invention vise à remédier aux inconvénients précités, de façon fiable, simple et peu onéreuse. Résumé de l'invention 100131 La présente invention concerne tout d'abord un système électrique pour machine électrique permettant la gestion des interruptions électriques d'un réseau de distribution électrique d'un aéronef, comprenant : - au moins un premier bus de haute tension continue et au moins un second bus de 3 basse tension continue ; - au moins une machine électrique alimentée par le premier bus de tension, la machine électrique étant apte à fonctionner en mode générateur ou en mode moteur ; - au moins un module de contrôle de la machine électrique, alimenté en basse tension continue par le second bus ; - au moins un premier condensateur disposé entre les homes de la machine électrique ; caractérisé en ce que le premier hus et le second bus sont reliés par le biais d'un convertisseur de puissance apte à transformer une haute tension continue en basse tension continue. [0014] Dans ce système, pour assurer la bonne alimentation électrique de la machine électrique à partir de la tension continue délivrée par le premier bus, le système peut comprendre en outre un convertisseur DC/AC, tel par exemple qu'un onduleur. [0015] Dans un tel circuit, le premier condensateur, situé aux bornes du convertisseur DC/ AC, joue à la fois le rôle de capacité de filtrage, mais également de réserve capacitive apte à alimenter le module de contrôle, en cas d'interruption électrique, par le biais du convertisseur de puissance. [0016] Le premier condensateur, étant monté en parallèle du premier hus, a une haute tension continue à ses bornes, permettant ainsi d'utiliser une capacité plus faible pour stocker le même niveau d'énergie que dans le montage de l'art antérieur. Cela peut permettre, en particulier, d'utiliser un condensateur à capacité réduite, et donc d'utiliser des condensateurs alternatifs aux condensateurs électrolytiques. [0017] Un tel circuit permet également de réduire le nombre de condensateurs utilisés, par comparaison avec l'art antérieur. Ceci permet de réduire l'encombrement du système. [0018] En cas d'inten-uption de l'alimentation électrique, le rotor de la machine électrique, du fait de son inertie, continue de tourner. La machine électrique fonctionne alors en tant que générateur électrique et délivre une tension triphasée, redressée par un convertisseur DC/AC, aux bornes du convertisseur de puissance. Un tel phénomène génère, en parallèle, un couple électromagnétique résistant freinant progressivement le rotor. La tension aux bornes du convertisseur est proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor. Ainsi, lorsque le rotor est freiné, la tension aux bornes du convertisseur diminue proportionnellement à la réduction de vitesse du rotor. [0019] Ainsi, en cas d'interruption électrique, l'alimentation du module de contrôle est assurée, pour partie par le premier condensateur du premier bus et pour partie par la machine électrique fonctionnant en tant que générateur électrique. La capacité et les dimensions du premier condensateur peuvent également être réduites de ce fait. [0020] Le premier bus peut être apte à délivrer une tension continue comprise entre 250 et 320 V, par exemple, le second bus étant apte à délivrer une tension continue comprise entre 10 et 50 V, par exemple. [0021] Par ailleurs, le convertisseur de puissance peut comprendre un transformateur et un transistor. [0022] Selon une autre caractéristique, le transformateur du convertisseur de puissance peut être isolé et peut comporter une première et une seconde homes primaires et une première et une seconde bornes secondaires. Cela permet une isolation galvanique entre le circuit basse tension et le circuit haute tension. [0023] Le convertisseur de puissance utilisé peut être, par exemple, un convertisseur de type Flyback. [0024] Un second condensateur peut être disposé entre les première et seconde bornes se- condaires, via une diode reliée à la première borne secondaire et au second condensateur. [0025] Le second condensateur joue le rôle de stabilisation et de filtrage de la tension du second hus. Le second condensateur peut être disposé en parallèle du second hus. Ce condensateur présente donc une capacité réduite. Le module de contrôle de la machine électrique est connecté en parallèle aux homes de ce second condensateur. La tension aux bornes du second condensateur est apte à alimenter le module de contrôle de la machine électrique. [0026] Dans un mode de réalisation particulier, le premier condensateur et/ou le second condensateur peuvent être des condensateurs céramiques ou des condensateurs films. [0027] L'utilisation d'un condensateur céramique, adapté à de basses tensions, permet de réduire l'encombrement du système, par comparaison avec l'utilisation d'un condensateur électrolytique. Par ailleurs, cela permet également de réduire la surface des circuits imprimés utilisés. L'utilisation d'un condensateur film, adapté à de hautes tensions, est privilégié pour le premier condensateur nécessitant une capacité élevée. [0028] L'utilisation d'un condensateur céramique est rendue possible par la faible capacité nécessaire au niveau du second bus. En effet, le second condensateur est utilisé uniquement pour assurer la fonction de filtrage, et non une fonction de stockage d'énergie à délivrer à l'électronique bas niveau tel que le module de contrôle de la machine électrique en cas d'interruption de l'alimentation. [0029] Par ailleurs, au niveau du premier bus, l'utilisation d'un condensateur céramique ou film est rendue possible car l'énergie E à fournir à la machine électrique est égale à E _ 1 2 '- où C est la capacité du premier condensateur et V est la tension du premier bus. V étant élevé (haute tension), C peut être faible. L'utilisation d'un condensateur céramique ou film est alors possible car la capacité C nécessaire est faible. [0030] On rappelle que, par opposition aux condensateurs céramiques ou films, l'utilisation de condensateurs électrochimiques présente de nombreux inconvénients en terme notamment de tenue dans le temps et de limitation d'utilisation en basse tension, de telle sorte que les spécifications client imposent généralement de réduire ou d'éviter leur utilisation, en particulier dans le domaine aéronautique. [0031] Le transistor peut être disposé entre la première borne primaire du transformateur et une borne du premier condensateur, une deuxième home du premier condensateur étant reliée à la deuxième borne primaire du transformateur. [0032] En particulier, le transistor peut être un transistor à effet de champ à grille isolée, aussi connu sous l'acronyme anglais MOSFET signifiant « Metal Oxide Semicotzductor Field Effet-1 Transistor ». [0033] De manière générale, le transistor peut être choisi parmi des transistors à effet de champ à grille isolée, des transistors bipolaires à grille isolée ou non, des transistors à effet de champ à grille isolée SiC, des transistors GaN. [0034] La machine électrique peut être une machine à courant alternatif, le système comprenant un onduleur apte à convertir la tension continue du premier bus en une tension alternative d'alimentation de la machine électrique en mode moteur, ledit onduleur étant également apte à convertir la tension alternative générée par la machine électrique en mode générateur en une tension continue alimentant le premier bus. [0035] Le convertisseur de puissance peut présenter une plage de fonctionnement comprise entre 100 V et 400 V aux homes du premier bus. [0036] Ainsi, la tension entre une des bornes du transistor et la seconde borne primaire du transformateur est comprise dans la plage de fonctionnement 100 V et 400 V. [0037] De cette manière, en cas d'interruption électrique, le convertisseur de puissance est apte à alimenter le second bus même si la tension aux bornes de la machine électrique est abaissée à 100 V pendant la durée de l'interruption. [0038] La machine électrique peut appartenir à un ventilateur. [0039] Dans ce cas, des pales peuvent être couplées en rotation au rotor de la machine électrique. [0040] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. Brève description des figures [0041] [fig.]] est une vue schématique d'un système d'alimentation et de gestion d'interruptions d'une machine électrique selon l'art antérieur ; [0042] [fig.2] est une vue correspondant à la figure 1, illustrant une forme de réalisation de l'invention ; 6 100431 Ifig.31 est un diagramme représentant l'évolution temporelle de la tension aux bornes du premier bus de tension lorsque la machine électrique est à l'arrêt, en cas d'interruption de l'alimentation ; [0044] [fig.4] est un diagramme représentant l'évolution temporelle de la tension aux bornes du second bus de tension, en cas de d'interruption de l'alimentation, lorsque la machine électrique n'est pas à l'arrêt ; [0045] [fig.5] est un diagramme représentant l'évolution de la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique lors d'une telle interruption. Description détaillée de l'invention [0046] On se réfère maintenant aux figures 2 et suivantes en relation avec une forme de réa- lisation de l'invention. [0047] La figure 2 illustre un système 24 selon l'invention permettant la gestion des inter- ruptions d'un réseau de distribution électrique 6 d'un aéronef [0048] Lc système 24 est relié à un réseau de distribution électrique 6 d'un aéronef délivrant une tension alternative Vré',' de 115 Vac de fréquence variable entre 360 et 800 1-1z, par exemple. [0049] La tension alternative Vré,', est appliquée en entrée d'un ATRU 8 du système 24. Cc composant 8 permet de convertir la tension alternative Vrése',, de 115 Vac délivrée par le réseau 6 de l'aéronef en une tension continue comprise entre 250 V et 320 V, par exemple, et apte à alimenter un premier bus de haute tension continue Vb',i du système. [0050] Lc premier bus est ainsi apte à délivrer une tension continue VE,,, comprise entre 250 et 320 V, par exemple. [0051] Lc système 24 comprend en outre une machine électrique 14, commandée par un module de contrôle 4 dont l'alimentation à basse tension doit être maintenue lors d'éventuelles interruptions du réseau de distribution électrique 6 de l'aéronef. [0052] La machine électrique 14 est apte à fonctionner en mode moteur ou en mode gé- nérateur. En mode moteur, l'application d'une tension en entrée de la machine électrique 14 permet d'entraîner en rotation un rotor de la machine. En mode générateur, la machine électrique 14 peut être apte à produire de l'énergie électrique en cas de rotation du rotor. [0053] La machine électrique 14 appartient, dans cet exemple, à un ventilateur de cabine pour aéronef. Des pales sont alors couplées au rotor de la machine électrique 14 afin d'être entrainées en rotation relativement au stator de la machine électrique 14. [0054] La machine électrique 14 peut être une machine à courant continu ou une machine à 7 courant alternatif. [0055] Dans l'exemple illustré, la machine électrique 14 est unc machine à courant al- ternatif. Pour assurer la bonne alimentation électrique de la machine électrique 14 à partir de la tension continue VbU,1 délivrée par le premier bus, le système comprend en outre un onduleur 12. [0056] Cet onduleur 12 est apte à convertir la tension continue V,,,,, du premier hus en une tension alternative alimentant la machine électrique 14 en mode moteur. L'onduleur 12 est également apte à convertir une tension alternative générée par la machine électrique 14, si celle-ci fonctionne en mode générateur, en unc tension continue afin d'alimenter le premier hus. [0057] L'onduleur 12 comprend au moins un transistor (transistor MOS en anglais Mail Oxyde Sentit:vadat-for, ou un transistor IGBT en anglais lasulated Gate Bipolar Transistor) associé à moins une diode de roue libre. [0058] Un premier condensateur 10 est disposé aux bornes de l'onduleur 12. [0059] Le système 24 comprend en outre un module de contrôle 4 de la machine électrique 14. Ce module de contrôle 4 est alimenté par un second bus de basse tension continue appartenant au système 24 selon l'invention. Le second bus est apte à délivrer unc tension continue V,,,,2 comprise entre 10 et 50 V, par exemple, afin d'alimenter le module de contrôle 4 de la machine électrique 14. [0060] Cc second hus est relié au premier bus par l'intermédiaire d'un convertisseur de puissance apte à transformer la haute tension continue du premier bus en une basse tension continue V,,,'2, destinée à alimenter le second bus. [0061] Le convertisseur de puissance est un convertisseur Flyback, comprenant par exemple un transformateur 26 et un transistor 28, apte à fonctionner avec une large plage de tension du premier bus, par exemple comprise entre 100 et 400 V. [0062] Le transformateur 26 du convertisseur de puissance est isolé, dimensionné de sorte à être compatible avec les alimentations délivrées par les premier et second bus. [0063] Le transformateur 26 comprend une première 30a et une seconde 30b bornes primaires et une première 32a et une seconde 32b bornes secondaires. [0064] Les première 30a et seconde 30b bornes primaires sont reliées directement ou indi- rectement au premier bus. Comme on peut le voir sur la figure 2, le transistor 28 du convertisseur Flyback, qui est dans cet exemple un transistor MOSFET, est disposé entre la première borne primaire 30a du transformateur 26 et une borne du premier condensateur 10. [0065] Une deuxième borne du premier condensateur 10 est reliée à la deuxième borne primaire 30b du transformateur 26. [0066] Comme on le voit sur la figure 2, la première borne secondaire 32a du transformateur 8 26 est reliée à une borne d'un second condensateur 34 par le biais d'une diode 36 du convertisseur de type Flyhack. La seconde borne secondaire 32a du transformateur 26 est reliée à la deuxième borne du second condensateur 34. [0067] Le second condensateur 34, disposé entre les première 32a et seconde 32h bornes se- condaires du transformateur 26 du convertisseur de puissance via une diode 36 reliée à la première borne secondaire du transformateur et une borne du second condensateur, permet en particulier de filtrer et de stabiliser la tension VbU,, du second bus de tension. [0068] Les premier et second condensateurs 10, 34 sont des condensateurs de type cé- ramiques et/ou films. [0069] Le fonctionnement du système 24 est expliqué ci-après en référence aux figures 3 à 5. [0070] Deux cas de figures sont à distinguer, se caractérisant par des modes de fonc- tionnement distincts du système 24. [0071] Le premier cas de figure est le cas où la machine électrique 14 est à l'arrêt au moment d'une interruption de l'alimentation. 11 s'agit du cas particulier où l'appareil est mis sous tension sans que la machine électrique 14 ne soit démarrée. [0072] Dans ce cas où la tension devient nulle, le module de contrôle 4 de la machine électrique 14 est alors uniquement alimenté par l'énergie électrique stockée dans la capacité du premier condensateur 10. [0073] La courbe en figure 3 illustre l'évolution de la tension V aux bornes du premier condensateur 10, dans un tel cas. [0074] La tension V avant l'interruption de l'alimentation est égale à une valeur notée Vo. On définit par TO l'instant où une interruption d'alimentation électrique survient. [0075] A partir de TO, l'alimentation du module de contrôle est réalisée par le premier condensateur. [0076] L'interruption du réseau électrique est détectée après un délai Dl, pendant lequel la tension aux bornes du premier condensateur décroît jusqu'à une tension VI. A partir de l'instant Tl, l'interruption de l'alimentation est détectée. [0077] A partir de T1 un délai nécessaire à la détection d'une éventuelle réapparition de l'alimentation électrique s'écoule, au cours duquel la tension décroît jusqu'à une tension V,. Dès lors qu'il est détecté que l'interruption est persistante, à l'instant T2, une stratégie de délestage est mise en place, de façon à ne pas alimenter des équipements non essentiels. Ceci permet de réduire la consommation et d'économiser l'énergie restante dans le premier condensateur 10. On constate ainsi une rupture de pente à l'instant T2. A la fin de l'interruption, c'est-à-dire à l'instant T3, la tension V est égale à une valeur de tension V3, suffisante pour assurer l'alimentation du module de contrôle par l'intermédiaire du convertisseur de puissance. [0078] En d'autres termes, la tension V3 est la tension minimum de fonctionnement du 9 convertisseur de puissance. [0079] Le deuxième cas de figure est le cas où la machine électrique 14 est en fonc- tionnement, c'est-à-dire où le rotor est en rotation au moment de l'interruption électrique. [0080] Dans un tel cas, la machine 14 fonctionne en mode générateur, et produit ainsi une tension alternative, redressée par l'onduleur 12 (qui se comporte alors à la manière d'un pont de diodes), afin de fournir une tension continue VbUSI au premier bus. L'inertie du rotor de la machine électrique 14 est utilisée de façon à récupérer l'énergie cinétique inertielle emmagasinée dans le rotor pour alimenter le second bus, par l'intermédiaire du convertisseur de puissance. [0081] Les figures 4 et 5 illustrent l'évolution temporelle de la tension Vbu,i aux bornes du premier bus (figure 4) et la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique 14 (figure 5), suite à une interruption de l'alimentation intervenant à un instant noté T'O. [0082] Entre T'O et un instant noté T'1, la tension V' aux bornes du premier bus est abaissée d'une valeur notée V'0 à une valeur notée V'l où V'l correspondant sensiblement à la valeur de la force électromatrice (f.e.m) de la machine électrique 14, redressée par l'onduleur 12. T'l est par exemple égal à 120 ms. La diminution de la tension V' se fait progressivement, à mesure de la décharge du premier condensateur 10. [0083] Ensuite, avec le ralentissement du rotor, la tension du premier bus, qui est égale à la tension f.e.m. produite, décroît progressivement, par exemple entre 120 V et 100 V (sans atteindre cette valeur), sur une période de 0,9 s environ. La rotation du rotor varie sur cette même période entre environ 19500 rpm et 18100 rpm, par exemple. [0084] Au-delà d'une certaine durée et comme précédemment, un délestage peut être réalisé, de façon à réduire la consommation électrique du système 24. [0085] Pour assurer une production suffisante d'énergie électrique par la machine électrique 14 afin d'alimenter le module, une vitesse de rotation minimale du rotor doit être maintenue. [0086] Dans un tel cas de figure, en tirant profit de l'inertie de la machine électrique 14, l'alimentation du module de contrôle 4 peut être maintenue sur une période de temps suffisante pour compenser la durée de l'interruption d'alimentation, par exemple de l'ordre de 200 ms voire au-delà. 10