Brevet FR3143556A1 — publié le 20240621

Procédé de gestion des transitions de puissance entre un mode de génération et un mode d’assistance Procédé de gestion des transitions de puissance entre un mode de génération et un mode d’assistance dans une turbomachine ayant un arbre haute pression entrainant une machine électrique haute pression et sur lequel est prélevé une puissance haute pression (P HP ) et un arbre basse pression entrainant une machine électrique basse pression et sur lequel est prélevé une puissance basse pression (P BP ), le mode de génération correspondant à un partage déterminé de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le mode d’assistance correspondant à une demande d’injection d’une puissance supplémentaire sur l’arbre haute pression ou l’arbre basse pression, procédé dans lequel pour atteindre la puissance supplémentaire demandée, lorsque le prélèvement de puissance haute ou basse pression est interrompu et que la machine électrique haute ou basse pression entrainant respectivement l’arbre haute ou basse pression dont le prélèvement est interrompu se met en mode moteur, la puissance prélevée restante de l’arbre haute ou basse pression en mode générateur est ajustée à partir de la puissance injectée haute ou basse pression issue de la machine électrique haute ou basse pression passée en mode moteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Procédé de gestion des transitions de puissance entre un mode de génération et un mode d’assistance 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 mais également le prélèvement de puissance maitrisée sur les arbres de la turbomachine lors du fonctionnement de la turbomachine en mode d’assistance. L’équilibre entre la puissance consommée par les charges et la puissance générée par les sources disponibles est assuré en contrôlant la tension des 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. Plus précisément, lorsque la turbomachine demande de l’assistance, une source qui participe à la régulation de la tension de génération arrête sa participation à la génération et se met en mode moteur. Ce basculement de mode de fonctionnement provoque une forte fluctuation de la tension qui s’écarte alors des gabarits de tension prédéfinis ( ) définissant les limites à ne pas dépasser aussi bien en transitoire qu’en régime permanent pour un fonctionnement tant normal 500 qu’anormal (avec un problème sur le réseau, i.e. court-circuit) 502 de la turbomachine. Pour contrôler cette tension et la maintenir dans ces gabarits, il est connu de recourir soit au délestage de charges (par exemple celles non prioritaires) en reconfigurant temporairement le système électrique, soit à une source externe (associée ou non à un délestage temporaire) ayant une dynamique plus importante que celle des sources de la turbomachine pour fournir la partie haute fréquence (HF) de la puissance à générer, soit encore à un surdimensionnement de certains organes passifs du système électrique tels que les condensateurs des électroniques de puissance. Néanmoins, ces solutions ne sont pas sans inconvénients. Le délestage ne comporte aucune anticipation de la consommation ou du comportement du réseau électrique et l’ajout d’une source externe ne repose que sur un partage fréquentiel de la puissance générée entre la turbomachine et cette source externe, la turbomachine ne fournissant toujours uniquement qu’une puissance moyenne. Enfin, le surdimensionnement des systèmes est pénalisant en matière de masse et de ce fait guère souhaitable pour une application aéronautique. 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 fortes fluctuations de tension lors du passage de la turbomachine dans un mode d’assistance, en anticipant la variation brusque de la puissance disponible et sans pénalisation de la masse embarquée, tout en respectant les contraintes de qualité du réseau électrique. Ces buts sont atteints par procédé de gestion des transitions de puissance entre un mode de génération et un mode d’assistance dans une turbomachine ayant un arbre haute pression entrainant une machine électrique haute pression et sur lequel est prélevé une puissance haute pression et un arbre basse pression entrainant une machine électrique basse pression et sur lequel est prélevé une puissance basse pression, le mode de génération correspondant à un partage déterminé de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le mode d’assistance correspondant à une demande d’injection d’une puissance supplémentaire sur l’arbre haute pression ou l’arbre basse pression, caractérisé en ce que pour atteindre la puissance supplémentaire demandée, lorsque le prélèvement de puissance haute ou basse pression est interrompu et que la machine électrique haute ou basse pression entrainant respectivement l’arbre haute ou basse pression dont le prélèvement est interrompu se met en mode moteur, la puissance prélevée restante de l’arbre haute ou basse pression en mode générateur est ajustée à partir de la puissance injectée haute ou basse pression issue de la machine électrique haute ou basse pression passée en mode moteur. Ainsi, en envoyant à la source qui est en mode génération, la puissance demandée par la source qui passe en mode assistance, on anticipe cette demande, on limite la variation de tension et on maitrise le transitoire tout en contenant la tension dans les gabarits définis. De préférence, si les machines électriques haute ou basse pression présentent des dynamiques différentes, l’injection de la puissance supplémentaire demandée se fait en adaptant la dynamique du prélèvement de la puissance prélevée restante haute ou basse pression. L’invention concerne également 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, un module de commande recevant des consignes de puissance d’un ECU et des convertisseurs de puissance associés à des machines électriques haute et basse pression montées respectivement sur les arbres haute et basse pression, un mode de génération correspondant à un partage déterminé de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et un mode d’assistance correspondant à l’injection d’une puissance supplémentaire sur l’arbre haute pression ou l’arbre basse pression, caractérisée en ce que pour atteindre la puissance supplémentaire demandée, le module de commande est configuré pour que, lorsque le prélèvement de puissance haute ou basse pression est interrompu et que la machine électrique haute ou basse pression entrainant respectivement l’arbre haute ou basse pression dont le prélèvement est interrompu se met en mode moteur, la puissance prélevée restante de l’arbre haute ou basse pression en mode générateur est ajustée à partir de la puissance injectée haute ou basse pression issue de la machine électrique haute ou basse pression passée en mode moteur. De préférence, le module de commande comprend en outre des modules d’assistance configurés pour ajouter la puissance injectée haute ou basse pression à la puissance prélevée restante haute ou basse pression et un module de sélection configuré pour sélectionner les puissances prélevées issues des modules d’assistance. Avantageusement, chacun des modules d’assistance comporte un additionneur et un module d’adaptation ayant une fonction de transfert F1, F2 pour adapter la dynamique de la puissance prélevée restante haute ou basse pression selon les dynamiques respectives des machines électriques haute et basse pression. Selon la dynamique des machines électriques, les fonctions de transfert sont égales à 1 si les machines électriques haute et basse pression ont la même dynamique, sont des retards de phase si la dynamique de la machine électrique qui passe en mode moteur est plus lente que celle qui reste en mode générateur, ou sont des fonctions à avance de phase si la dynamique de la machine électrique qui passe en mode moteur est plus rapide que celle qui reste en mode générateur. 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 illustre une architecture d’un système d’hybridation interne d’une turbomachine conforme à l’invention, la détaille le module de commande innovant du système d’hybridation interne de la , la illustre les consignes de prélèvement des puissances associées à une demande d’assistance, la montre les différentes étapes du procédé mis en œuvre dans le système d’hybridation interne de la , et la montre un exemple de gabarits de tension applicables au système d’hybridation interne de la . Lors d’une demande d’assistance, une source électrique de la turbomachine qui participe à la régulation de la tension de génération cesse de le faire et passe en mode moteur pour injecter la puissance nécessaire et assurer la fonction d’assistance à la turbomachine. Les sources restantes ayant un certain temps de réponse, le temps qu’elles se reconfigurent pour fournir la puissance manquante, la tension de génération décroit fortement et sort des limites des gabarits imposés, d’autant plus que l’équilibre entre puissance générée et puissance consommée n’est plus satisfait. Pour remédier à ce problème, l’invention se propose d’agir sur le module de commande des sources restantes pour en modifier le comportement après la demande d’assistance de la turbomachine, de telle sorte que le transitoire de la tension de génération reste contenu dans les gabarits prédéfinis. La illustre un exemple d’architecture des systèmes d’hybridation interne d’une turbomachine 100 basés 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 opérés 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-bus DC 114 reliée aux charges 116 à alimenter (propulsives 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) qui commande le moteur thermique et a donc notamment pour fonction d’adapter les pourcentages de participation des machines électriques à la génération de puissance pour optimiser le point de fonctionnement de la turbomachine. 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 qui consomment une puissance L du réseau qui ont en général des comportements dynamiques qui peuvent être variables, notamment les charges dites actives. Comme le montre la , ce partage déterminé des puissances de prélèvements entre les arbres HP et BP demandé par l’ECU qui, par exemple, est initialement dans un mode de génération dans lequel 60% de la puissance L est prélevé sur l’arbre HP et 40% de la puissance L est prélevé sur l’arbre BP, peut, pour atteindre la puissance supplémentaire que nécessite la demande d’assistance, passer dans un mode d’assistance dans lequel le prélèvement de puissance haute pression sur l’arbre HP est interrompu, la machine électrique haute pression se mettant en mode moteur pour injecter de la puissance haute pression, et 100% de la puissance L étant alors fournie par l’arbre BP plus la charge demandée par l’arbre HP, tel qu’illustré sur cette figure. Toutefois, lors du passage au mode d’assistance, du fait de cette modification instantanée du rapport des puissances, la puissance fournie en transitoire 130 et la puissance désirée 140 divergent. Il s’agit donc de trouver le moyen de compenser la différence entre la puissance fournie en transitoire par les sources restantes et la puissance désirée pour contenir la tension de génération dans les gabarits prédéfinis jusqu’à atteindre le régime permanent sans rajout de source externe. Plus explicitement, cette différence de puissance en transitoire est traduite par l’équation (1) suivante : (1) Soit encore (2) Avec C : valeur des condensateurs de puissance sur le bus DC Ps : puissance des sources Pl : puissance des charges Wc : énergie dans les condensateurs de puissance Comme, il ne peut être envisagé d’augmenter la taille des condensateurs des électroniques de puissance qui entrainerait un surdimensionnement du système ni d’accélérer les boucles de contrôle de tension et de courant qui impliquerait des contraintes sur la chaine de contrôle (temps de cycle calculateur, délais des commandes, vitesses des électroniques de puissance etc..), l’invention propose un rajout de fonctions dans le module de commande 118 assurant la régulation de la tension de génération afin de limiter sa variation lors des demandes d’assistance de la turbomachine et de la maintenir dans les plages de variation définies par les gabarits. On optimise ainsi la masse car il n’y a pas d’adjonction d’une source externe ni de surdimensionnement des condensateurs de l’électronique de puissance chargés d’emmagasiner l’énergie électrique. La détaille les composants formant le module de commande 118 ainsi modifié qui comprend outre un module de régulation de tension 200 délivrant les gabarits de tension prédéfinis ou la puissance P nécessaire pour les garantir, un module de génération de mode 202 auquel il est relié et qui reçoit les consignes de puissance de l’ECU 120 et élabore le partage des puissances de la charge L entre les arbres HP et BP, deux modules d’assistance associés l’un 204 à l’arbre haute pression et l’autre 206 à l’arbre basse pression et configurés pour ajouter la puissance injectée basse P BP ou haute P HP pression respectivement à la puissance prélevée restante haute P HP ou basse pression P BP respectivement, et un module de sélection 208 configuré pour sélectionner les puissances prélevées P BP et P HP issues du module de génération de mode ou des modules d’assistance à partir du MODE de puissance provenant de l’ECU 120. Chacun des modules d’assistance comporte un additionneur 300, 302 pour quantifier les puissances à générer en plus d’un côté et à prélever de l’autre côté et un module d’adaptation 304, 306 ayant une fonction de transfert F1, F2 qui dépend de la dynamique de la machine électrique associée. Par exemple, si l’ECU demande une puissance négative (PBP en mode moteur) à l’arbre BP alors, pour le calcul de P HP , l’additionneur soustrait cette puissance négative P BP à la puissance d’entrée P au module d’assistance 204, c’est-à-dire à 100% de la puissance des charges car P BP est passé en mode moteur. En sortie P HP est égale à P + P BP . Les fonctions de transfert F1 et F2 servent à adapter la dynamique de la puissance prélevée de la machine restante à la dynamique de la machine qui est passée en mode moteur afin d’anticiper son besoin en puissance. Selon les cas, F1 et F2 peuvent être égales à : l’unité si les deux machines installées sur l’arbre HP et l’arbre BP ont la même dynamique, un retard de phase, ou toute fonction permettant de ralentir la réponse de la machine restante, par exemple une fonction de transfert de premier ordre, si la dynamique de la machine qui passe en mode moteur est plus lente que la machine qui reste en mode générateur, une fonction à avance de phase, si la dynamique de la machine qui passe en mode moteur est plus rapide que la machine restante. La illustre les différentes étapes du procédé mis en œuvre dans le module de commande. Dans une première étape 400, le système est dans un régime de fonctionnement normal en mode génération avec un partage des puissances prélevées entre l’arbre haute pression et l’arbre base pression. A l’étape suivante 402, une demande de fonctionnement en mode assistance est effectuée et, par exemple, la machine électrique haute pression (c’est-à-dire celle entrainant l’arbre haute pression) qui était en mode générateur dans le mode de fonctionnement normal (lequel est interrompu) passe en mode moteur. Dans une nouvelle étape 404, le module d’assistance associé à l’arbre haute pression entre en action pour communiquer la puissance haute pression à l’arbre basse pression avant que dans une étape finale 406 la puissance prélevée par l’arbre basse pression soit ajustée à partir de cette puissance haute pression pour atteindre la puissance supplémentaire demandée par le mode d’assistance. 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 mode de génération et un mode d’assistance dans une turbomachine (100) ayant un arbre haute pression (102) entrainant une machine électrique haute pression (106) et sur lequel est prélevé une puissance haute pression (HP) et un arbre basse pression (104) entrainant une machine électrique basse pression (108) et sur lequel est prélevé une puissance basse pression (BP), le mode de génération correspondant à un partage déterminé de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le mode d’assistance correspondant à une demande d’injection d’une puissance supplémentaire sur l’arbre haute pression ou l’arbre basse pression, caractérisé en ce que pour atteindre la puissance supplémentaire demandée, lorsque le prélèvement de puissance haute ou basse pression est interrompu et que la machine électrique haute ou basse pression entrainant respectivement l’arbre haute ou basse pression dont le prélèvement est interrompu se met en mode moteur, la puissance prélevée restante de l’arbre haute ou basse pression en mode générateur est ajustée à partir de la puissance injectée haute ou basse pression issue de la machine électrique haute ou basse pression passée en mode moteur. Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 1, dans lequel si les machines électriques haute ou basse pression présentent des dynamiques différentes, l’injection de la puissance supplémentaire demandée se fait en adaptant la dynamique du prélèvement de la puissance prélevée restante haute ou basse pression. 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 module de commande (118) recevant des consignes de puissance d’un ECU (120) et des convertisseurs de puissance (110, 112) associés à des machines électriques haute (106) et basse (108) pression montées respectivement sur les arbres haute et basse pression, un mode de génération correspondant à un partage déterminé de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et un mode d’assistance correspondant à l’injection d’une puissance supplémentaire sur l’arbre haute pression ou l’arbre basse pression, caractérisée en ce que pour atteindre la puissance supplémentaire demandée, le module de commande (118) est configuré pour que, lorsque le prélèvement de puissance haute ou basse pression est interrompu et que la machine électrique haute ou basse pression entrainant respectivement l’arbre haute ou basse pression dont le prélèvement est interrompu se met en mode moteur, la puissance prélevée restante de l’arbre haute ou basse pression en mode générateur est ajustée à partir de la puissance injectée haute ou basse pression issue de la machine électrique haute ou basse pression passée en mode moteur. Turbomachine selon la revendication 3, dans lequel le module de commande comprend en outre des modules d’assistance (204, 206) configurés pour ajouter la puissance injectée haute ou basse pression à la puissance prélevée restante haute ou basse pression et un module de sélection (208) configuré pour sélectionner les puissances prélevées issues des modules d’assistance. Turbomachine selon la revendication 4, dans lequel chacun des modules d’assistance comporte un additionneur (300, 302) et un module d’adaptation (304, 306) ayant une fonction de transfert F1, F2 pour adapter la dynamique de la puissance prélevée restante haute ou basse pression selon les dynamiques respectives des machines électriques haute et basse pression. Turbomachine selon la revendication 5, dans lequel les fonctions de transfert sont égales à 1 si les machines électriques haute et basse pression ont la même dynamique. Turbomachine selon la revendication 5, dans lequel les fonctions de transfert sont des retards de phase si la dynamique de la machine électrique qui passe en mode moteur est plus lente que celle qui reste en mode générateur. Turbomachine selon la revendication 5, dans lequel les fonctions de transfert sont des fonctions à avance de phase si la dynamique de la machine électrique qui passe en mode moteur est plus rapide que celle qui reste en mode générateur. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 3 à 8, constituée en turbomachine aéronautique telle une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d’hélicoptère hybride.