Brevet FR3128327A1 — publié le 20230421

Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, la chaine de propulsion comportant un moteur électrique (2), un module (3) d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique et une source de tension continue (1), le module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comportant un onduleur (31), le module (3) d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique étant d’une part relié à la source de tension continue (1) et d’autre part relié au moteur électrique (2), caractérisé en ce qu’il comporte, dans le cas d’une détection d’un défaut électrique dans la chaine de propulsion, une étape de commande de court-circuit au niveau de l’onduleur (31) du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Figure pour l’abrégé : figure 1 Protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef La présente invention concerne les moteurs électriques ou hybrides, notamment pour les aéronefs. Elle concerne plus particulièrement la protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant un moteur électrique, un module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique et une source de tension continue. État de l’art antérieur L’évolution des aéronefs entraine un intérêt pour les propulsions électriques et hybrides. Dans ce cadre, on considère une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, formant un réseau électrique et comportant un moteur électrique, un module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique et une source de tension continue. Pour protéger la chaine de propulsion électrique en cas de défaillance d’un élément, on peut ajouter des composants à la chaine de propulsion. Ainsi, il est possible par exemple de prévoir, entre la source de tension continue et le module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique, des diodes supplémentaires pour imposer un unique sens de courant ou encore des dispositifs de coupure de courant. Cependant, l’ajout de composants est pénalisant pour le système. En effet, cela augmente le coût et la masse de la chaine de propulsion électrique. De plus, il faut prendre en compte l’augmentation de la dissipation thermique et la réduction de la fiabilité de la chaine de propulsion électrique. Ces contraintes imposent un surdimensionnement de tous les composants. L’invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, la chaine de propulsion comportant - un moteur électrique, - une source de tension continue, et - un module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comportant un onduleur, et étant d’une part relié à la source de tension continue et d’autre part relié au moteur électrique, l’onduleur comportant des modules de puissance comportant chacun un bras de pont haut et un bras de pont bas, caractérisé en ce qu’il comporte, dans le cas d’une détection d’un défaut électrique dans la chaine de propulsion, une étape de commande de court-circuit au niveau de l’onduleur du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique, parmi plusieurs types de court-circuit prédéterminés, l’étape de commande de court-circuit comportant la commande d’un court-circuit des bras de pont haut, ou des bras de pont bas, ou des bras de pont haut et bas simultanément, ou une alternance de courts-circuits des bras de pont haut et des bras de pont bas, en fonction du type de défaut électrique détecté. Grâce à l’invention, en cas de défaut électrique dans la chaine de propulsion, si le moteur se comporte en génératrice de courant, il est possible de contenir au niveau du moteur l’énergie générée par le moteur. Cela permet par exemple d’éviter de réalimenter un court-circuit sur le circuit de puissance continu, ce qui limite ainsi les risques de feux. Cet avantage est obtenu sans composant additionnel. Le type du court-circuit qui est commandé est sélectionné en fonction du type de défaut détecté. Selon une caractéristique préférée, l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit des bras de pont bas en cas de court-circuit entre des bornes d’entrée positive et négative du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Ainsi, on évite d’alimenter en courant généré par le moteur le court-circuit entre les bornes d’entrée positive et négative du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Selon une caractéristique préférée, l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit des bras de pont haut en cas de court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique. Selon une caractéristique préférée, l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’une alternance de court-circuit des bras de pont haut et des bras de pont bas en cas de court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique. Selon une caractéristique préférée, l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit simultané des bras de pont haut et des bras de pont bas en cas de court-circuit entre les bornes positive et négative d’un des modules de puissance de l’onduleur. Ainsi, il est possible de décharger un réservoir d’énergie du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Selon une caractéristique préférée, l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit des bras de pont haut, ou un court-circuit des bras de pont bas, en cas de bras de pont cassé fermé ou ouvert. L’invention concerne aussi une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant - un moteur électrique, - une source de tension continue, et - un module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comportant un onduleur, et étant d’une part relié à la source de tension continue et d’autre part relié au moteur électrique, l’onduleur comportant des modules de puissance comportant chacun un bras de pont haut et un bras de pont bas, caractérisé en ce qu’il comporte un sous-module de pilotage de l’onduleur, adapté, dans le cas d’une détection d’un défaut électrique dans la chaine de propulsion, à commander un court-circuit au niveau de l’onduleur du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique, parmi plusieurs types de court-circuit prédéterminés, le court-circuit étant un court-circuit des bras de pont haut, ou des bras de pont bas, ou des bras de pont haut et bas simultanément, ou une alternance de courts-circuits des bras de pont haut et des bras de pont bas, en fonction du type de défaut électrique détecté. L’invention concerne aussi un aéronef comportant une chaine de propulsion électrique. La chaine de propulsion électrique et l’aéronef présentent des avantages analogues à ceux précédemment présentés. Dans un mode particulier de réalisation, les étapes du procédé selon l’invention sont mises en œuvre par des instructions de programme d’ordinateur. En conséquence, l’invention vise aussi un programme d’ordinateur sur un support d’informations, ce programme étant susceptible d’être mis en œuvre dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé tel que décrit ci-dessus. L’invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions de programme d'ordinateur adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé tel que décrit ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préféré, donné à titre d’exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles : illustre une chaine de propulsion électrique, selon un mode de réalisation de l’invention, illustre un défaut dans la chaine de propulsion électrique de la , illustre le procédé de protection de la chaine de propulsion électrique de la . 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. E xposé d étaillé d e m odes d e r éalisation p articuliers Selon un mode de réalisation préféré, représenté à la , une chaîne de propulsion électrique d’un aéronef comporte une source de tension continue 1, un moteur électrique 2 et un module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Le moteur électrique 2 est relié à une hélice 4. Un circuit de puissance continu 5 sous la forme d’un harnais de puissance continu est d’une part relié à des bornes de sortie de la source de tension continue 1. Le harnais de puissance continu 5 est d’autre part relié à des bornes d’entrée du module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Un circuit de puissance triphasé 6 sous la forme d’un harnais de puissance triphasé est d’une part relié à des bornes de sortie du module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Le harnais de puissance triphasé 6 est d’autre part relié à des bornes d’entrée du moteur électrique 2. Le module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comporte un onduleur triphasé 31 qui comporte trois modules de puissance 31 1 , 31 2 et 31 3 respectivement reliés à une phase du harnais de puissance triphasé 6. Chaque module de puissance comporte deux bras de pont, à savoir un bras de pont haut et un bras de pont bas. Chaque bras de pont comporte un interrupteur 31 1 1 , 31 1 2 , 31 2 1 31 2 2 , 31 31 et 31 3 2 . Chacun de ces interrupteurs est par exemple réalisé sous la forme d’un transistor IGBT avec une diode en parallèle. Le module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comporte aussi un réservoir d’énergie 32 sous la forme d’un ou de plusieurs condensateurs. Le module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comporte encore un sous-module 35 de commande du moteur électrique, et un sous-module 36 de pilotage de l’onduleur 31, en particulier des bras de pont de l’onduleur 31. Bien entendu, l’un de ces sous-modules ou les deux peuvent être des modules externes au module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique et être connecté à ce dernier. Des dispositifs de mesures de grandeurs électriques et de protection électrique des différents éléments de la chaine de propulsion équipent ces derniers. Ces dispositifs sont classiques et ne sont ni représentés ni décrit pour alléger la description de l’invention. De même, les architectures et équipements de l’aéronef doivent respecter des exigences d’installation et de sécurité définies par les organismes réglementaires et de certification. Cela impose notamment de prévoir des moyens pour détecter et supprimer les défauts et empêcher leur propagation ainsi que celle de leurs effets induits. Par conséquent, les composants sont dimensionnés pour tenir le temps de détection des pannes et de déclenchement des protections associés. Des dispositifs de protection supplémentaires peuvent être mis en œuvre dans l’architecture pour assurer une redondance. Par ailleurs, pour être performantes et compétitives, ces architectures doivent être optimisées en masse, fiabilité, coût. Ces aspects ne sont pas détaillés ici. Le moteur 2 est par exemple un moteur synchrone triphasé à aimants permanents. Ce type de moteur présente de nombreux avantages : il est compact, il présente un bon rendement, un bon rapport puissance/masse et un couple élevé. Cependant, il ne lui est pas possible de contrôler l’excitation de l’inducteur. Par conséquent, le moteur électrique 2 présente l’inconvénient de se comporter en génératrice quand le moteur n’est pas piloté et que le rotor est mis en rotation sous l’effet d’une mise en roue-libre de l’hélice 4 alors qu’elle est en rotation, ou lorsque l’hélice est entrainée par des efforts aérodynamiques du vent (en anglais : windmilling). Ce phénomène crée une force électromotrice (FEM) sur les trois phases connectées au module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. De manière connue, la source de tension continue 1 est équipée d’un système de protection 11 apte à isoler la source de tension en cas de défaut électrique dans la chaine de propulsion. Le système de protection 11, symbolisé par un interrupteur, est disposé entre la source de tension continue 1 et le circuit de puissance continu 5. Un système de surveillance de la source, non représenté, commande l’ouverture du système de protection en cas de défaut électrique. Lorsque la source de tension continue 1 est isolée, le moteur électrique 2 n’est plus commandé. Il peut alors passer en mode roue-libre et laisser tourner l’hélice en raison des précédents couples appliqués. Il est aussi possible que des efforts aérodynamiques (vent) sur l’hélice pendant n’importe quelle phase de vol maintiennent ou mettent en rotation le moteur électrique 2. Lorsque le moteur électrique est ainsi mis en rotation, il se comporte alors en génératrice. Une source de courant est alors créée et, en l’absence de mesures correctrices, réalimente la chaine de propulsion et par conséquent le défaut électrique. Dans la suite, on envisage le cas d’un défaut électrique dans la chaine de propulsion. La représente le cas où le défaut électrique est un court-circuit CC sur le harnais de puissance continu 5. En d’autres termes, les bornes d’entrée positive et négative du module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique sont en court-circuit. Dans ce cas, le circuit de protection 11 de la source s’ouvre en amont du défaut électrique CC pour protéger la source de tension continue 1. A la suite de cette ouverture, le moteur électrique 2 continue à tourner et devient génératrice ce qui a pour conséquence d’alimenter le court-circuit sur le harnais de puissance continu 5. Le courant généré par le moteur électrique en mode génératrice devient égal à la force électromotrice divisée par l’impédance du moteur électrique 2, où la force électromotrice est l’image de la vitesse moteur. Il n’y a pas d’élément d’ouverture entre le moteur électrique 2 et le module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique pour des raisons de limitation de poids et d’encombrement. Dans un tel cas de défaut électrique, le procédé de protection de la chaine de propulsion électrique est mis en œuvre. La représente le procédé de protection de la chaine de propulsion électrique de la , mis en œuvre dans le sous-module 36 de pilotage des bras de pont de l’onduleur 31. Le procédé comporte des étapes E1 à E2. L’étape E1 est une détection de défaut électrique dans la chaine de propulsion et l’identification du type de défaut. Le sous-module 36 surveille la chaine de propulsion en recevant des résultats de mesures effectuées par les dispositifs de mesures de grandeurs électriques des différents éléments de la chaine de propulsion et en les comparant à des valeurs nominales. Si un ou des résultats de mesures s’écarte(nt) des valeurs nominales, alors un défaut électrique est détecté et le type de défaut est identifié. Il s’agit par exemple de la détection du court-circuit CC au niveau du circuit de puissance continu 5, illustré à la . Suite à la détection de défaut électrique, l’interrupteur 11 est ouvert pour protéger la source de tension continue 1. La chaine de propulsion électrique se trouve alors dans la configuration de la . D’autres défauts électriques pris en compte et détectables à l’étape E1 sont notamment : - Un court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique 2 ; - Un court-circuit entre les bornes positive et négative d’un des modules de puissance de l’onduleur 31 ; - Un bras de pont cassé fermé ou ouvert. L’étape suivante E2 est une commande de court-circuit au niveau de l’onduleur 31 du module 3 d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Le court-circuit est sélectionné parmi plusieurs types de court-circuit prédéterminés, en fonction du type de défaut électrique détecté à l’étape précédente. Plus précisément, le sous-module 36 de pilotage des bras de pont de l’onduleur 31 commande la fermeture d’au moins une partie des interrupteurs de l’onduleur 31. Ainsi, si le moteur électrique 2 se comporte en génératrice, comme expliqué précédemment, le courant généré par le moteur 2 est dévié afin qu’il ne passe plus dans le défaut électrique, par exemple le court-circuit CC. La meilleure stratégie de protection est appliquée en fonction du type de défaut détecté dans la chaine de propulsion. En cas de court-circuit entre les bornes d’entrée positive et négative du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique, comme représenté à la , le court-circuit commandé à l’étape E2 est un court-circuit des bras de pont bas. Un court-circuit des bras de pont bas crée un point milieu sur les phases du moteur. Le courant généré par le moteur n’alimente plus le court-circuit CC existant dans le circuit de puissance continu 5. Cette procédure arrête le moteur au bout d’un certain temps. En cas de court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique, le court-circuit commandé à l’étape E2 est un court-circuit des bras de pont haut. En variante, en cas de court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique, le court-circuit commandé à l’étape E2 est une alternance de court-circuit des bras de pont haut et des bras de pont bas. Cela permet de répartir la contrainte thermique provoquée par les courts-circuits alternativement sur tous les bras de pont. En cas de court-circuit entre les bornes positive et négative d’un des modules de puissance de l’onduleur 31, le court-circuit commandé à l’étape E2 est un court-circuit simultané des bras de pont haut et des bras de pont bas. Cela permet de répartir la contrainte thermique provoquée par les courts-circuits sur tous les bras de pont. Il est à noter qu’un court-circuit simultané des bras de pont bas et hauts simultanément ne doit être réalisé que lorsque la source de tension continue 1 est déconnectée, dans le but d’éviter de court-circuiter les bornes positive et négative de la source de tension continue 1. En cas de bras de pont cassé fermé ou ouvert, le court-circuit commandé à l’étape E2 est soit un court-circuit des bras de pont haut, soit court-circuit des bras de pont bas. Par exemple, si un bras de pont haut est cassé fermé, le court-circuit commandé est un court-circuit des bras de pont haut. Si un bras de pont haut est cassé ouvert, le court-circuit commandé est un court-circuit des bras de pont bas. Dans tous les cas, le court-circuit commandé à l’étape E2 a pour but d’imposer un trajet pour le courant généré par le moteur pour le maintenir dans les bobinages du moteur et freiner le moteur. Les inventeurs ont montré par simulation que les contraintes de température demeurent supportables par les différents composants de l’onduleur, quel que soit le type de court-circuit mis en œuvre dans l’onduleur 31. Ainsi, chacune des puces utilisées pour constituer un module de puissance (bras de pont) a par exemple une température de jonction maximum de 175°C. Le courant généré pire cas circulant dans les bras de pont après mise en court-circuit d’au moins une partie des bras de pont n’échauffe pas la puce au-delà de sa température de jonction maximum. Il est à noter que l’alternance de court-circuit des bras de pont bas et de court-circuit des bras de pont hauts permet de répartir l’élévation de température sur les deux interrupteurs d’un même bras, de même que le court-circuit simultané des bras de pont bas et hauts. Cela permet de limiter les circuits de décharge, et donc le poids et le volume de l’onduleur. Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, la chaine de propulsion comportant un moteur électrique (2), une source de tension continue (1), et un module (3) d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comportant un onduleur (31), et étant d’une part relié à la source de tension continue (1) et d’autre part relié au moteur électrique (2), l’onduleur (31) comportant des modules de puissance (31 1 , 31 2 , 31 3 ) comportant chacun un bras de pont haut (31 11 , 31 21 , 31 31 ) et un bras de pont bas (31 12 , 31 22 , 31 32 ), caractérisé en ce qu’il comporte, dans le cas d’une détection d’un défaut électrique dans la chaine de propulsion, une étape de commande de court-circuit au niveau de l’onduleur (31) du module d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique, parmi plusieurs types de court-circuit prédéterminés, l’étape de commande de court-circuit comportant la commande d’un court-circuit des bras de pont haut, ou des bras de pont bas, ou des bras de pont haut et bas simultanément, ou une alternance de courts-circuits des bras de pont haut et des bras de pont bas, en fonction du type de défaut électrique détecté. Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 1, dans lequel l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit des bras de pont bas en cas de court-circuit (CC) entre des bornes d’entrée positive et négative du module (3) d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique. Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit des bras de pont haut en cas de court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique (2). Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’une alternance de court-circuit des bras de pont haut et des bras de pont bas en cas de court-circuit au niveau d’une bobine du moteur électrique (2). Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit simultané des bras de pont haut et des bras de pont bas en cas de court-circuit entre les bornes positive et négative d’un des modules de puissance (31 1 , 31 2 , 31 3 ) de l’onduleur (31). Procédé de protection d’une chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape de commande de court-circuit comporte la commande d’un court-circuit des bras de pont haut, ou un court-circuit des bras de pont bas, en cas de bras de pont cassé fermé ou ouvert. Chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant un moteur électrique (2), une source de tension continue (1), et un module (3) d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique comportant un onduleur (31), et étant d’une part relié à la source de tension continue (1) et d’autre part relié au moteur électrique (2), l’onduleur (31) comportant des modules de puissance (31 1 , 31 2 , 31 3 ) comportant chacun un bras de pont haut (31 11 , 31 21 , 31 31 ) et un bras de pont bas (31 12 , 31 22 , 31 32 ), caractérisé en ce qu’il comporte un sous-module (36) de pilotage de l’onduleur (31), adapté, dans le cas d’une détection d’un défaut électrique dans la chaine de propulsion, à commander un court-circuit au niveau de l’onduleur (31) du module (3) d’électronique de puissance et de commande du moteur électrique, parmi plusieurs types de court-circuit prédéterminés, le court-circuit étant un court-circuit des bras de pont haut, ou des bras de pont bas, ou des bras de pont haut et bas simultanément, ou une alternance de courts-circuits des bras de pont haut et des bras de pont bas, en fonction du type de défaut électrique détecté. Aéronef comportant une chaine de propulsion électrique selon la revendication 7. Programme d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.