Brevet FR3143684A1 — publié le 20240621

Procédé de gestion des transitions de puissance entre mode s de génération Procédé de gestion des transitions de puissance entre un premier mode de génération et un second mode de génération dans une turbomachine ayant un arbre haute pression sur lequel est prélevé une puissance haute pression et un arbre basse pression sur lequel est prélevé une puissance basse pression, le premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le second mode de génération correspondant à un second partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, la transition entre le premier mode génération et le second mode de génération se faisant pendant une durée prédéterminée (t2-t1) en appliquant une même fonction de lissage f(t) à la fois à la puissance haute pression et à la puissance basse pression et sans modification de la puissance totale. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Procédé de gestion des transitions de puissance entre modes de génération La présente invention se rapporte au domaine de l’hybridation interne des turbomachines d’aéronefs plus électriques voire fortement électrifiés. Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’aéronefs mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des aéronefs. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique de ces aéronefs. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de turbomachines d’aéronefs, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques. L’hybridation turbomachine est réalisée par un système électrique faisant l’interface entre les arbres mécaniques de la turbomachine et le réseau électrique de l’aéronef. Ce système doit permettre d’assurer les fonctions de démarrage de la turbomachine (HP et/ou BP), la génération de puissance électrique contrôlée pour alimenter les charges propulsives et non propulsives et l’injection ou le prélèvement de puissance maitrisée sur les arbres de la turbomachine pour l’assister si nécessaire. L’équilibre entre la puissance consommée par les charges et la puissance générée par les sources disponibles est assuré en contrôlant la tension du bus (en fréquence et en amplitude maximale pour la tension AC et en amplitude pour la tension DC), tout en respectant les contraintes du système. Classiquement, et comme l’illustre la , les architectures des systèmes d’hybridation interne d’une turbomachine 100 sont basées sur des canaux DC connectés en parallèles, typiquement un canal HP (correspondant à l’arbre haute pression 102 de la turbomachine) et un canal BP (correspondant à son arbre basse pression 104). Ces deux canaux DC sont réalisés chacun par une machine électrique 106, 108, typiquement une machine synchrone à aimants permanents, associée à un convertisseur de puissance réversible commandé AC/DC 110, 112 délivrant une tension continue à une barre DC 114 reliée aux charges 116 à alimenter (propulsives et/ou non propulsives). La commande des convertisseurs de puissance réversibles est assurée classiquement par un module de commande 118 qui reçoit ses ordres du contrôleur de la turbomachine ECU 120 (pour « Electronic Control Unit » en anglais). Une source externe, typiquement un ensemble de batteries ou de super-condensateurs, associée à un convertisseur réversible DC/DC (l’ensemble étant non illustré) peuvent aussi être connectés en parallèle de ces canaux HP et BP pour fournir de la puissance sur les arbres HP et/ou BP, par exemple lors du démarrage de la turbomachine. La génération de puissance à partir des arbres HP et BP de la turbomachine a un impact différent sur ses performances (opérabilité) ou sur la poussée qu’elle génère en fonction de l’arbre de prélèvement sollicité. Le contrôleur de la turbomachine a donc notamment pour fonction en cours de mission d’adapter les pourcentages de participation des machines électriques à cette génération de puissance pour optimiser son point de fonctionnement. Pour cela, l’ECU 120 va demander au module de commande 118 de faire un partage des puissances de prélèvement entre les arbres HP et BP pour alimenter les charges 116 du réseau qui ont en général des comportements dynamiques qui peuvent être variables, notamment les charges dites actives. Comme le montre la , ce partage des puissances de prélèvements entre les arbres HP et BP demandé par l’ECU peut, sur la durée d’une mission, varier selon plusieurs modes successifs, comme un premier mode de génération dans lequel 60% de la puissance est prélevé sur l’arbre HP et 40% de la puissance est prélevé sur l’arbre BP et un second mode de génération dans lequel 100% de la puissance est prélevé sur l’arbre BP, tel qu’illustré. Toutefois, lors du changement de mode de génération (à t0), du fait de la modification instantanée du rapport des puissances, il se créé des impacts de prélèvement sur chaque arbre de la turbomachine dont les transitoires induisent des perturbations sur la régulation de la turbomachine de nature à entrainer un rejet des perturbations lentes (typiquement A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des aéronefs et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental de ces aéronefs. Pour cela, la présente invention a donc pour but principal de limiter les impacts des prélèvements de puissance lorsqu’il y a un changement de mode de génération, tout en respectant les contraintes de qualité du réseau électrique. Un autre but est de permettre de gérer un éventuel impact de charge pendant ce changement de mode de génération. Ces buts sont atteints par un procédé de gestion des transitions de puissance entre un premier mode de génération et un second mode de génération dans une turbomachine ayant un arbre haute pression sur lequel est prélevé une puissance haute pression et un arbre basse pression sur lequel est prélevé une puissance basse pression, le premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le second mode de génération correspondant à un second partage de puissance, différent du premier, entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, caractérisé en ce que la transition entre le premier mode de génération et le second mode de génération se fait pendant une durée prédéterminée (t2-t1) sans modification de la puissance totale et en appliquant une même fonction de lissage f(t) au prélèvement à la fois de la puissance haute pression et de la puissance basse pression. Ainsi, en assurant un lissage des consignes de puissance de prélèvement lors de la génération, la régulation de la turbomachine n’est pas perturbée et il n’y a pas à déplorer d’excitation non désirée de modes mécaniques. Le respect de la qualité du réseau électrique est assuré car il n’y a pas de modification de la puissance totale. De préférence, la fonction de lissage f(t) est une fonction monotone bornée [0 ; 1] continue ou discrète avec f(t1)=0 et f(t2) = 1, typiquement une fonction linéaire f(t) = Kt, K étant un facteur de proportionnalité, ou une fonction de premier ordre de type f(t) = 1-exp (-t/tau), tau étant une constante de temps. Avantageusement, la durée prédéterminée est comprise entre 1 et 10 secondes. De préférence, lorsqu’un impact de charge correspondant à un prélèvement additionnel de puissance survient pendant la transition, ce prélèvement additionnel est effectué au moment de l’impact selon le premier partage de puissance ou selon le second partage de puissance, la fonction de lissage f(t) restant appliquée en amont de ce moment depuis un début de la transition et en aval de ce moment jusqu’à une fin de la transition. Selon le mode de réalisation envisagé, le prélèvement additionnel de puissance est effectué sur chacun des arbres haute ou basse pression selon le premier partage de puissance et répond à l’équation suivante : , ou encore est effectué sur chacun des arbres haute ou basse pression selon le second partage de puissance et répond à l’équation suivante : avec P0 la puissance demandée dans le premier mode de génération, P1 la puissance demandée dans le second mode de génération et t1 l’instant du changement de mode. L’invention concerne également une turbomachine (typiquement une turbomachine aéronautique telle une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d’hélicoptère hybride) mettant en œuvre le procédé précité. Plus particulièrement, la turbomachine peut comprendre en outre un module d’adaptation configuré pour générer la fonction de lissage et disposé entre un module de commande recevant des consignes de puissance d’un ECU et des convertisseurs de puissance associés aux machines électriques montées sur les arbres haute et basse pression. 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 lesquels : la illustre une architecture d’un système d’hybridation interne d’une turbomachine conforme à l’invention, la montre l’impact de l’invention sur les consignes des puissances de prélèvement, la montre un premier exemple de l’allure des consignes des puissances de prélèvement suite à un prélèvement additionnel en phase de transition, la illustre un premier exemple d’implantation de la logique de contrôle permettant d’obtenir l’allure des consignes de la , la montre les différentes étapes d’un premier exemple de procédé permettant d’obtenir l’allure des consignes de la , la montre un second exemple de l’allure des consignes des puissances de prélèvement suite à un prélèvement additionnel en phase de transition, la illustre un second exemple d’implantation de la logique de contrôle permettant d’obtenir l’allure des consignes de la , la montre les différentes étapes d’un second exemple de procédé permettant d’obtenir l’allure des consignes de la , la montre une architecture d’un système d’hybridation interne d’une turbomachine selon l’art antérieur, et la illustre les consignes de prélèvement des puissances associées à l’architecture de l’art antérieur. Le principe de l’invention repose sur la limitation des impacts de prélèvement de puissance sur les arbres haute pression (HP) et/ou basse pression (BP) en cas de changement de mode de génération, en introduisant une fonction de lissage des consignes des puissances de prélèvement tout en garantissant que la puissance totale de prélèvement permette l’alimentation du réseau électrique de la turbomachine et de l’aéronef. Comme l’illustre la (les modules identiques à ceux de l’art antérieur sont affectés des mêmes références et ne sont pas à nouveau décrits), cette fonction de lissage f(t) permettant une transition douce entre deux modes de génération est obtenue par l’adjonction d’un module d’adaptation 200 des consignes reçues depuis l’ECU et à destination des machines électriques. Ce module est disposé entre le module de commande 118 et les convertisseurs de puissance 110, 112 associés aux machines électriques 106, 108 montées sur les arbres haute et basse pression 102, 104. La illustre les consignes des puissances de prélèvement pendant la phase de transition (lissage) traduisant le changement de mode de génération, après intégration de la fonction de lissage réalisée par le module d’adaptation 200. On peut y remarquer que le passage du premier mode de génération dans lequel 60% de la puissance est prélevé sur l’arbre HP et 40% de la puissance est prélevé sur l’arbre BP, au second mode de génération dans lequel 100% de la puissance est prélevé sur l’arbre BP, n’est plus immédiate, à un temps donné t0 comme dans l’art antérieur, mais s’étale sur une durée plus longue (typiquement compris entre 1 et 10 secondes) entre un temps t1 et un temps t2 pendant lequel la puissance prélevée sur chaque arbre va passer progressivement (et non abruptement) de son niveau actuel dans le premier mode de génération à son niveau futur dans le second mode de génération, sans modification de la puissance totale consommée par le réseau électrique. La fonction de lissage f(t) qui assure cette montée progressive est typiquement une fonction linéaire f(t)=Kt, K étant un facteur de proportionnalité, ou une fonction du premier ordre de type f(t)=1-exp (-t/tau), tau étant une constante de temps. Ces deux types préférentiels de fonction ne sauraient toutefois être considérés comme limitatifs, une fonction du second ordre répondant à la fonction de transfert f(p) = 1/(p 2 /w 2 + 2mp/w + 1) dans le domaine de Laplace, m étant un coefficient d’amortissement >= 1, est aussi envisageable de même qu’une application de ces fonctions de premier et second ordres à la fonction linéaire précitée. De façon plus générale, toute fonction monotone bornée [0 ; 1] continue ou discrète avec f(t1)=0 et f(t2) = 1 peut convenir. Comme évoqué précédemment, cette phase de transition n’étant plus immédiate, il doit être envisagé le cas où une demande de prélèvement de puissance parvient pendant cette phase transitoire où le régime permanent n’a pas encore été atteint. Selon l’invention, deux solutions de partage sont examinées. La première illustrée aux figures 3 à 5 dans laquelle la différence de demande de puissance est traitée de la même manière que la demande de puissance initiale, c’est-à-dire au prorata des deux modes en fonction de la fonction de partage alors que la seconde illustrée aux figures 6 à 8, la différence de demande de puissance utilise le second mode de génération. On notera que s’il n’y a pas d’évolution de la demande pendant la transition, les deux alternatives sont équivalentes. Dans la première solution, il s’agit donc, quand il y a un impact de charge qui s’opère pendant la transition, de continuer à appliquer le partage de puissance de prélèvement qui était défini. La montre l’allure des consignes de puissance obtenues avec ce partage initial. Par exemple, si pour délivrer une puissance totale P0, le partage initial de puissance est de 60% sur l’arbre HP et de 40% sur l’arbre BP et qu’on veuille passer à 0% sur l’arbre HP et 100% sur l’arbre BP et si pendant la phase de transition entre le temps t1 et le temps t2, il y a à un temps ti une modification des demandes en puissance des consommateurs, par exemple une demande additionnelle de 50% pour arriver à une puissance totale P1 comme illustré, alors dans ce cas, la nouvelle demande en puissance des consommateurs sera prélevée à hauteur de 60% sur l’arbre HP et de 40% sur l’arbre BP au point d’application du changement de prélèvement. Cette solution se traduit mathématiquement par les équations suivantes : Avec P0 la puissance demandée dans le premier mode de génération (respectivement sur l’arbre HP ou l’arbre BP) et P1 la puissance demandée dans le second mode de génération (respectivement sur l’arbre HP ou l’arbre BP). La illustre la logique de contrôle mise en œuvre dans le module d’adaptation pour répondre à cette équation. Elle est organisée classiquement autour de différents blocs fonctionnels qui vont élaborer la consigne courante (setpoint) à partir du mode de génération sélectionné (Mode) et de l’évolution de la consigne (setpoint vect) : un bloc 300 de détection de changement de mode, un bloc d’inhibition de la transition 302, un bloc de stockage des ancien et nouveau modes 304, un bloc de génération de l’ancienne consigne de puissance 306, un bloc de génération de la nouvelle consigne de puissance 308, un bloc de génération de la transition 310 et un bloc de fusion des ancienne et nouvelle consignes de puissance 312. Les différentes étapes permettant le passage du premier au second mode de génération est maintenant illustré à la . Dans une première étape 400, la consigne de puissance sur l’arbre HP est à x 1 % (par exemple 60%) de la puissance consommée et celle sur l’arbre BP à y 1 % (par exemple 40%) de cette puissance consommée, définissant une puissance demandée dans le premier mode de génération P0. Dans une étape suivante 402, au temps t1, une demande de changement de mode de génération dans le rapport des puissances est détectée et la transition est alors engagée en application de la fonction de lissage f(t) dans une nouvelle étape 404. Dans une étape suivante 406, au temps ti, un impact de charge ΔP (P1-P0) est constaté du fait d’une demande additionnelle pour porter la puissance à la puissance demandée dans le second mode de génération P1 et cet impact de charge est immédiatement répercuté sur les puissances haute et basse pression selon le partage de puissance initial. Dans l’étape suivante 408, la dynamique de la transition est reprise sur la base de la fonction de lissage jusqu’à la fin de la transition au temps t2 et l’obtention du régime permanent à la puissance P1 dans un rapport de puissance à x 2 % pour la haute pression et y 2 % pour la basse pression dans une étape finale 410. Dans la seconde solution, il s’agit, quand il y a un impact de charge qui s’opère pendant la transition (c’est-à-dire un changement de consigne de prélèvement), d’appliquer le partage des puissances de prélèvement que l’on veut atteindre suite au changement de mode de génération souhaité. La montre l’allure des consignes de puissance obtenues avec ce partage final. Par exemple, si pour délivrer une puissance totale P0, le partage initial de puissance est de 60% sur l’arbre HP et de 40% sur l’arbre BP et qu’on veuille passer à 0% sur l’arbre HP et à 100% sur l’arbre BP et si pendant la phase de transition, entre le temps t1 et le temps t2, il y a à un temps ti une modification des demandes en puissance des consommateurs, par exemple une demande additionnelle de 50% pour arriver à une puissance totale P1 comme illustré, alors dans ce cas, la nouvelle demande en puissance des consommateurs sera prélevée à hauteur de 0% sur l’arbre HP et de 100% sur l’arbre BP jusqu’à atteindre le régime permanent. Cette solution se traduit mathématiquement par les équations suivantes : Avec P0 la puissance demandée dans le premier mode de génération (respectivement sur l’arbre HP ou l’arbre BP), P1 la puissance demandée dans le second mode de génération (respectivement sur l’arbre HP ou l’arbre BP) et t1 l’instant du changement de mode. La illustre la logique de contrôle mise en œuvre dans le module d’adaptation pour répondre à cette équation. Elle est organisée classiquement autour de différents blocs fonctionnels qui vont élaborer la consigne courante (setpoint) à partir du mode de génération sélectionné (Mode) et de l’évolution de la consigne (setpoint vect) : le bloc 300 de détection de changement de mode, le bloc d’inhibition de la transition 302, le bloc de génération de l’ancienne consigne de puissance 306, le bloc de génération de la nouvelle consigne de puissance 308, le bloc de génération de la transition 310 et le bloc de fusion des ancienne et nouvelle consignes de puissance 312. Les différentes étapes permettant le passage du premier au second mode de génération est maintenant illustré à la . Dans la première étape 400, la consigne de puissance sur l’arbre HP est à x 1 % (par exemple 60%) de la puissance consommée et celle sur l’arbre BP à y 1 % (par exemple 40%) de cette puissance consommée, définissant une puissance demandée P0. Dans l’étape suivante 402, au temps t1, une demande de changement de mode de génération dans le rapport des puissances est détectée et la phase de transition est alors engagée en application de la fonction de lissage f(t), dans l’étape suivante 404. A l’étape 406, au temps ti, un impact de charge ΔP (P1-P0) est constaté du fait d’une demande additionnelle pour porter la puissance totale à la puissance demandée dans le second mode de génération P1 et cet impact de charge est immédiatement répercuté sur les puissances haute et basse pression selon le partage de puissance final. Dans l’étape suivante 412, la dynamique de la transition est reprise sur la base de la fonction de lissage jusqu’à la fin de la transition au temps t2 et l’obtention du régime permanent à la puissance demandée P1 dans un rapport de puissance à x 2 % pour la haute pression et y 2 % pour la basse pression dans l’étape finale 410. On notera que l’invention trouve application à l’hybridation interne de turbomachine quel que soit le nombre de machines électriques montées sur le système propulsif et le type de turbomachine, comme une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d’hélicoptère hybride. Procédé de gestion des transitions de puissance entre un premier mode de génération et un second mode de génération dans une turbomachine (100) ayant un arbre haute pression (102) sur lequel est prélevé une puissance haute pression (HP) et un arbre basse pression (104) sur lequel est prélevé une puissance basse pression (BP), le premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le second mode de génération correspondant à un second partage de puissance, différent du premier, entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, caractérisé en ce que la transition entre le premier mode de génération et le second mode de génération se fait pendant une durée prédéterminée (t2-t1) sans modification de la puissance totale et en appliquant une même fonction de lissage f(t) au prélèvement à la fois de la puissance haute pression et de la puissance basse pression. Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 1, dans lequel la fonction de lissage f(t) est une fonction monotone bornée [0 ; 1] continue ou discrète avec f(t1)=0 et f(t2) = 1. Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 2, dans lequel la fonction de lissage f(t) est une fonction linéaire f(t) = Kt, K étant un facteur de proportionnalité, ou une fonction de premier ordre de type f(t) = 1-exp (-t/tau), tau étant une constante de temps. Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 1, dans lequel la durée prédéterminée (t2-t1) est comprise entre 1 et 10 secondes. Procédé de gestion des transitions de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lorsqu’un impact de charge correspondant à un prélèvement additionnel de puissance (P) survient pendant la transition, ce prélèvement additionnel est effectué au moment de l’impact (ti) selon le premier partage de puissance ou selon le second partage de puissance, la fonction de lissage f(t) restant appliquée en amont de ce moment depuis un début (t1) de la transition et en aval de ce moment jusqu’à une fin (t2) de la transition. Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 5, dans lequel le prélèvement additionnel de puissance P effectué sur chacun des arbres haute ou basse pression selon le premier partage de puissance répond à l’équation suivante : avec P0 la puissance demandée dans le premier mode de génération et P1 la puissance demandée dans le second mode de génération. Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 5, dans lequel le prélèvement additionnel de puissance P effectué sur chacun des arbres haute et basse pression selon le second partage de puissance répond à l’équation suivante : avec P0 la puissance demandée dans le premier mode de génération, P1 la puissance demandée dans le second mode de génération et t1 l’instant du changement de mode. Turbomachine (100) ayant un arbre haute pression (102) sur lequel est prélevé une puissance haute pression (HP) et un arbre basse pression (104) sur lequel est prélevé une puissance basse pression (BP), un premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et un second mode de génération correspondant à un second partage de puissance, différent du premier, entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, caractérisée en ce que la transition entre le premier mode de génération et le second mode de génération se fait pendant une durée prédéterminée (t2-t1) sans modification de la puissance totale et en appliquant une même fonction de lissage f(t) au prélèvement à la fois de la puissance haute pression et de la puissance basse pression. Turbomachine selon la revendication 8, comprenant en outre un module d’adaptation (200) configuré pour générer la fonction de lissage f(t) et disposé entre un module de commande (118) recevant des consignes de puissance d’un ECU (120) et des convertisseurs de puissance (110, 112) associés aux machines électriques (106, 108) montées sur les arbres haute et basse pression. Turbomachine selon la revendication 9, constituée en turbomachine aéronautique telle une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d’hélicoptère hybride.