Brevet FR3129793A1 — publié le 20230602

Dispositif de coupure haute tension à convertisseur de précharge Dispositif de coupure haute tension monté entre une source de puissance électrique (S+, S-) et les deux lignes d’alimentation (HV+, HV-) d’une charge de type capacitif et comportant des premier (Kp) et second (Kn) éléments de coupure en parallèle desquels un circuit de précharge (10) est monté, le circuit de précharge étant formé d’un convertisseur de puissance à découpage dont une première borne d’entrée est connectée en amont du premier élément de coupure (Kp) et une seconde borne d’entrée est connectée en aval du second élément de coupure (Kn), afin que, lorsque les premier et second éléments de coupure sont en position ouverte, le convertisseur est flottant sur une des deux lignes d’alimentation et non polarisé. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Dispositif de coupure haute tension à convertisseur de précharge La présente invention se rapporte au domaine de la distribution électrique de puissance dans un aéronef, et plus particulièrement en haute tension continue (HVDC). Pour alimenter des circuits de puissance dans un réseau de distribution électrique, on utilise généralement des contacteurs électromécaniques qui apportent une capacité à avoir une faible chute de tension à l’état fermé et une isolation galvanique à l’état ouvert. Ces contacteurs de puissance relient directement la source de puissance électrique à la charge et laisse passer le courant consommé par la charge quelle que soit son impédance équivalente. Lorsque l’impédance équivalente d’une charge électrique est de type capacitive (par exemple un moteur électrique), sa connexion sur une source par l’intermédiaire d’un élément de coupure provoque un courant d’appel qui peut être très important (10 à 20 fois son courant nominal ou plus). Pour éviter cette circulation d’un pic de courant important qui peut provoquer des vieillissements des composants, des perturbations électromagnétiques ou même leurrer des protections qui sont calibrées pour des niveaux de courant inférieur, un dispositif additionnel agissant comme un limiteur de courant est ajouté dans le circuit. Ce dispositif est soit réalisé par une association d’un élément de coupure électromécanique en série avec une résistance de limitation du courant, soit par un élément de coupure à commutation statique en fonctionnement linéaire (par exemple un MOSFET). Dans les deux cas, la masse et le volume de ces dispositifs additionnels est important car ils doivent être dimensionnés pour dissiper toute l’énergie pendant la précharge et rester « fail safe » en cas de défaillance de tout ou partie du dispositif. En outre, les dispositifs de précharge utilisés pour mettre sous tension des charges fortement capacitive présentent un fonctionnement linéaire qui a pour inconvénient de dissiper une grande partie de l’énergie qu’ils véhiculent vers la charge. La montre un exemple d’un dispositif de coupure 40 de l’art antérieur avec une branche parallèle (branche de précharge 42) à l’élément 44 de coupure principal Kp / Kn disposé entre la source de puissance électrique et les lignes haute et basse tensions HV+ et HV- alimentant la charge. Ce couple Kp / Kn est de type contacteurs électromécaniques et assure une isolation galvanique à l’état ouvert et une impédance très faible (centaine de mV sous courant nominal) à l’état fermé. Ces contacteurs électromécaniques sont classiquement commandés depuis un module de commande 46 selon des informations de tension et/ou courant relevés en amont et en aval de ces contacteurs. Les éléments de la branche parallèle 42 de précharge, un contacteur K1 et une résistance de limitation R1 présentent une impédance définie pour avoir un courant I2 déterminé par la tension de source / R1 correspondant au courant de précharge de la charge (typiquement de quelques dizaines d’Ampères). Le contacteur K1 est aussi de type électromécanique pour assurer une isolation galvanique à l’état ouvert et commandé également par le module de commande 46. La illustre la séquence fonctionnelle de mise sous tension de la charge par le dispositif de coupure et consiste à fermer d’abord le contacteur K1 et le contacteur Kn qui autorise le passage du courant I2 vers la charge puis au bout d’un temps déterminé (ou lorsque la tension est environ égale à la tension source - ou dans certains cas d’un courant donné) de fermer le contacteur Kp. Une fois ce circuit de puissance reliant la source à la charge sous faible impédance fermé, tout le courant passe dans cette branche (I3>>I2) le contacteur K1 est alors ouvert. Durant la phase où le contacteur K1 est fermé, la puissance dissipée dans la résistance de limitation R1 est significative et égale au rapport (tension source)²/R1. Cette puissance dissipée ne dure toutefois que pendant la phase de précharge et est généralement inférieure à la seconde. La présente invention a donc pour but principal de maitriser le transitoire de transfert d’énergie lors d’une mise sous tension d’une charge fortement capacitive. Un autre but de l’invention est de réaliser un contrôle du courant vers la charge avec un fonctionnement non linéaire. Ces buts sont atteints par un dispositif de coupure haute tension monté entre une source de puissance électrique et les deux lignes d’alimentation d’une charge de type capacitif et comportant des premier et second éléments de coupure en parallèle desquels un circuit de précharge est monté, caractérisé en ce que le circuit de précharge est formé d’un convertisseur de puissance à découpage dont une première borne d’entrée est connectée en amont du premier élément de coupure et une seconde borne d’entrée est connectée en aval du second élément de coupure, afin que, lorsque les premier et second éléments de coupure sont en position ouverte, le convertisseur est flottant sur une des deux lignes d’alimentation et non polarisé. Le remplacement de la résistance de limitation de courant par un convertisseur de puissance à découpage permet de contrôler le courant d’appel d’une charge de nature capacitive. Le convertisseur permet d’avoir un rendement supérieur à 95% ce qui représente des pertes par effet Joule très inférieures à celles de résistances. Et le couplage du convertisseur de part et d’autre des éléments de coupure principaux permet d’isoler le convertisseur de la source lorsqu’ils sont ouverts. De préférence, deux éléments de commutation sont montés entre deux bornes de sortie du convertisseur de puissance et les deux lignes d’alimentation de la charge, pour une isolation galvanique de la charge. Dans un mode de réalisation avantageux, le convertisseur de puissance à découpage est un hacheur série. Avantageusement, le hacheur série comporte un interrupteur commandé depuis un module de commande recevant une information de courant prélevée en entrée de cet interrupteur et de données de démarrage (Start) et d’un éventuel défaut (Fault). De préférence, le hacheur série est précédé d’un filtre d’entrée. Avantageusement, les éléments de coupure et les éléments de commutation sont des contacteurs électromécaniques. Dans un mode de réalisation préférentiel, la source de puissance électrique est une batterie et le dispositif de coupure est monté entre cette batterie et un bus haute tension continue (HVDC) d’un aéronef. L’invention se rapporte aussi à un réseau de distribution électrique de puissance d’un aéronef comportant un dispositif de coupure tel que précité. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la montre un dispositif de coupure haute tension à convertisseur de précharge conforme à l’invention, la illustre la séquence de contrôle des commutateurs de la , la montre un exemple de réalisation du dispositif de coupure haute tension de la , la montre un dispositif de coupure haute tension à résistance de précharge de l’art antérieur, et la illustre la séquence de contrôle des commutateurs de la . Dispositif de coupure haute tension monté entre une source de puissance électrique (S+, S-) et les deux lignes d’alimentation (HV+, HV-) d’une charge de type capacitif et comportant des premier (Kp) et second (Kn) éléments de coupure en parallèle desquels un circuit de précharge (10) est monté, caractérisé en ce que le circuit de précharge est formé d’un convertisseur de puissance à découpage (100, 102) dont une première borne d’entrée est connectée en amont du premier élément de coupure (Kp) et une seconde borne d’entrée est connectée en aval du second élément de coupure (Kn), afin que, lorsque les premier et second éléments de coupure sont en position ouverte, le convertisseur est flottant sur une des deux lignes d’alimentation et non polarisé. Dispositif de coupure haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte en outre deux éléments de commutation (Ksp, Ksn) montés entre deux bornes de sortie du convertisseur de puissance (10) et les deux lignes d’alimentation de la charge (HV-, HV+), pour une isolation galvanique de la charge. Dispositif de coupure haute tension selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux éléments de commutation (Ksp, Ksn) sont des contacteurs électromécaniques. Dispositif de coupure haute tension selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur de puissance à découpage est un hacheur série (100). Dispositif de coupure haute tension selon la revendication 4, caractérisé en ce que le hacheur série (100) comporte un interrupteur commandé depuis un module de commande (12) recevant une information de courant prélevée en entrée de cet interrupteur et de données de démarrage (Start) et d’un éventuel défaut (Fault). Dispositif de coupure haute tension selon la revendication 4, caractérisé en ce que le hacheur série (100) est précédé d’un filtre d’entrée (102). Dispositif de coupure haute tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premier (Kp) et second (Kn) éléments de coupure sont des contacteurs électromécaniques. Dispositif de coupure haute tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source de puissance électrique est une batterie et le dispositif de coupure haute tension est monté entre cette batterie et un bus haute tension continue (HVDC) d’un aéronef. Réseau de distribution électrique de puissance d’un aéronef comportant un dispositif de coupure haute tension selon la revendication 8.