Brevet FR3131279A1 — publié le 20230630

Chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant - une source d’énergie électrique (1) comportant une génératrice synchrone (11) entrainée par un moteur thermique (12), - un premier moteur électrique synchrone (3) connecté à une sortie de la génératrice synchrone par un circuit électrique à courant alternatif (2), - un organe rotatif de propulsion (7), caractérisée en ce qu’elle comporte - un circuit électrique à courant continu (4) comportant à partir d’une entrée connectée au circuit électrique à courant alternatif : un premier convertisseur alternatif/continu (41), une liaison électrique à courant continu (42) et un second convertisseur continu/alternatif (43), - un second moteur électrique (5) connecté à une sortie du convertisseur continu/alternatif, - un train différentiel (6) comportant un premier arbre d’entrée (61) relié au premier moteur électrique synchrone, un second arbre d’entrée (62) relié au second moteur électrique et un arbre de sortie (63) relié à l’organe rotatif de propulsion. Figure pour l’abrégé : figure 1 Chaine de propulsion électrique d’un aéronef La présente invention concerne l’électrification de la propulsion des aéronefs. Cette électrification vise à remplacer tout ou partie de la propulsion actuelle à base de sources thermiques par des sources et effecteurs électriques pour des considérations environnementales (pollution, bruit, …). L’invention concerne plus particulièrement une chaine propulsive électrique. État de la technique antérieure Une chaine propulsive comporte schématiquement au moins une source d’énergie, au moins un actionneur, ou propulseur, et un ou des circuit(s) de distribution d’énergie pour connecter source d’énergie et actionneur. La source d’énergie comporte par exemple une turbine à gaz et une génératrice synchrone. Les principaux critères pour évaluer les performances d’une chaine propulsive sont la densité de puissance et le rendement. On connait les chaines de propulsion électrique comportant un circuit de distribution électrique à courant continu. Ces chaines intègrent des convertisseurs de puissance pour convertir les tensions de fonctionnement alternatives des sources d’énergie et des actionneurs en tensions continues. Chaque convertisseur de puissance présente des fonctionnalités de contrôle, ce qui permet notamment un découplage total entre la vitesse de rotation de la source d’énergie et la vitesse de rotation de l’actionneur. En outre, il est facile de connecter une batterie (source continue) sur un circuit de distribution électrique à courant continu. Un inconvénient de ces chaines de propulsion électrique est que les convertisseurs de puissance réduisent le rendement de la chaine propulsive électrique et en augmentent le poids, ce qui en diminue la densité de puissance. On connait également les chaines de propulsion électrique comportant un circuit de distribution électrique à courant alternatif. Dans ce cas, la connexion entre la source d’énergie et l’actionneur est directe, c’est-à-dire sans convertisseur de puissance. Cela améliore la densité de puissance et le rendement par rapport au cas d’une chaine de propulsion intégrant des convertisseurs de puissance. Néanmoins les fonctionnalités de la chaine de propulsion sont aussi plus limitées. En particulier la vitesse de rotation des actionneurs est couplée à la vitesse de rotation de la source d’énergie. Un autre inconvénient de ces chaines de propulsion électrique est que le démarrage des actionneurs est plus complexe car leur synchronisation à la source d’énergie doit être effectuée. Pour cela, il est possible d’ajouter des convertisseurs de puissance. Ces derniers peuvent également assurer la connexion d’une batterie avec la chaine de propulsion électrique. L’ajout de ces convertisseurs augment là aussi le poids de la chaine propulsive, et donc en diminue la densité de puissance et le rendement. L’invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant - Une source d’énergie électrique rotative comportant une génératrice synchrone entrainée par un moteur thermique, - Un premier moteur électrique synchrone dont une entrée est connectée à une sortie de la génératrice synchrone par un circuit électrique à courant alternatif, - Un organe rotatif de propulsion, Caractérisée en ce qu’elle comporte - Un circuit électrique à courant continu comportant en série à partir d’une entrée connectée au circuit électrique à courant alternatif : un premier convertisseur alternatif/continu, une liaison électrique à courant continu et un second convertisseur continu/alternatif, - Un second moteur électrique, dont une entrée est connectée à une sortie du convertisseur continu/alternatif, - Un train différentiel comportant un premier arbre d’entrée relié au premier moteur électrique synchrone, un second arbre d’entrée relié au second moteur électrique et un arbre de sortie relié à l’organe rotatif de propulsion. Grâce à l’invention, la vitesse de rotation d’un actionneur est découplée de la vitesse de rotation de la source d’énergie. Le démarrage de la chaine propulsive et la synchronisation entre la source d’énergie et l’actionneur sont facilités. Selon une caractéristique préférée, la chaine de propulsion électrique d’un aéronef comporte en outre une source de tension continue connectée au circuit électrique à courant continu. Selon une caractéristique préférée, le second moteur a une puissance inférieure à la puissance du premier moteur. Ainsi le circuit électrique à courant continu est utilisé pour faire passer une puissance limitée. Il en est de même pour les convertisseurs, ce qui limite leur poids et garantit une bonne densité de puissance pour la chaine de propulsion. Selon une caractéristique préférée, la chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comporte en outre un contacteur situé à la sortie de la source d’énergie électrique rotative. Le contacteur permet de déconnecter la source d’énergie électrique rotative, notamment lors du démarrage de la chaine de propulsion. L’invention concerne aussi un procédé de démarrage de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef telle que précédemment présentée, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de : - commande de l’ouverture du contacteur, - commande de l’alimentation de la liaison électrique à courant continu par la batterie, - commande du premier convertisseur pour qu’il pilote le premier moteur pour augmenter sa vitesse de rotation jusqu’à ce que le premier moteur atteigne la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur atteigne la tension de la génératrice, - commande du second convertisseur pour qu’il alimente et contrôle le second moteur pour diminuer la vitesse de l’organe rotatif de propulsion, - commande de la fermeture du contacteur lorsque le premier moteur a atteint la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur a atteint la tension de la génératrice. L’invention concerne aussi un procédé de variation de vitesse de l’organe rotatif de propulsion de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef telle que précédemment présentée, après le démarrage de la chaine de propulsion, caractérisé en ce qu’il comporte l’étape de commande du second convertisseur continu/alternatif pour qu’il pilote le second moteur en vitesse pour contrôler la vitesse de l’organe rotatif de propulsion. L’invention concerne aussi un aéronef comportant une chaine de propulsion électrique telle que précédemment présentée. Les procédés et l’aéronef présentent des avantages similaires à ceux précédemment énoncés. D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, décrits en référence aux figures dans lesquelles : illustre une chaine de propulsion électrique selon un mode de réalisation de l’invention, illustre le démarrage de la chaine de propulsion électrique de la , illustre un procédé de démarrage de la chaine de propulsion électrique, selon un mode de réalisation de l’invention, illustre des résultats de simulation de fonctionnement de la chaine de propulsion électrique, illustre une chaine de propulsion électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention, illustre une chaine de propulsion électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention, illustre une chaine de propulsion électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention, et illustre une chaine de propulsion électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. Chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant une source d’énergie électrique rotative (1) comportant une génératrice synchrone (11) entrainée par un moteur thermique (12), un premier moteur électrique synchrone (3) dont une entrée est connectée à une sortie de la génératrice synchrone par un circuit électrique à courant alternatif (2), un organe rotatif de propulsion (7), caractérisée en ce qu’elle comporte un circuit électrique à courant continu (4) comportant en série à partir d’une entrée connectée au circuit électrique à courant alternatif : un premier convertisseur alternatif/continu (41), une liaison électrique à courant continu (42) et un second convertisseur continu/alternatif (43), un second moteur électrique (5), dont une entrée est connectée à une sortie du convertisseur continu/alternatif, un train différentiel (6) comportant un premier arbre d’entrée (61) relié au premier moteur électrique synchrone, un second arbre d’entrée (62) relié au second moteur électrique et un arbre de sortie (63) relié à l’organe rotatif de propulsion. Chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 1, comportant en outre une source de tension continue (8) connectée au circuit électrique à courant continu. Chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le second moteur (5) a une puissance inférieure à la puissance du premier moteur (3). Chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre un contacteur (21) situé à la sortie de la source d’énergie électrique rotative (1). Procédé de démarrage de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de : commande (E1) de l’ouverture du contacteur, commande (E2) de l’alimentation de la liaison électrique à courant continu par la batterie, commande (E2) du premier convertisseur pour qu’il pilote le premier moteur pour augmenter sa vitesse de rotation jusqu’à ce que le premier moteur atteigne la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur atteigne la tension de la génératrice, commande (E2) du second convertisseur pour qu’il alimente et contrôle le second moteur pour diminuer la vitesse de l’organe rotatif de propulsion, commande (E3) de la fermeture du contacteur lorsque le premier moteur a atteint la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur a atteint la tension de la génératrice. Procédé de variation de vitesse de l’organe rotatif de propulsion de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, après le démarrage de la chaine de propulsion, caractérisé en ce qu’il comporte l’étape de commande du second convertisseur continu/alternatif (43) pour qu’il pilote le second moteur (5) en vitesse pour contrôler la vitesse de l’organe rotatif de propulsion. Aéronef comportant une chaine de propulsion électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.