Brevet FR3149870A1 — publié le 20241220

Générateur à excitation hybride d’un système de propulsion hybride électrique Système (200) de propulsion électrique hybride d’un turboréacteur comprenant : une première machine synchrone à aimants permanents (230) reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative (231) et destinée à être reliée à un arbre haute pression (222) du turboréacteur ; un générateur d’excitation hybride (240) comprenant une machine synchrone sans balais (242), une deuxième machine synchrone à aimants permanents (241) connectée en série à la machine synchrone sans balais, et un pont redresseur (243) connecté à la machine synchrone sans balais, le générateur d’excitation hybride étant destiné à être relié à un arbre basse pression (212) du turboréacteur et la machine synchrone sans balais comprenant une génératrice (3421), une excitatrice (3422), des diodes tournantes placées entre la génératrice et l’excitatrice et un convertisseur de tension continue en tension continue (244) relié à l’excitatrice ; un système de stockage d’énergie (250) ; et un réseau d’alimentation électrique continu relié au convertisseur de tension continue en tension alternative et au pont redresseur. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Générateur à excitation hybride d’un système de propulsion hybride électrique La présente invention se rapporte au domaine général des systèmes de propulsion hybrides d’aéronef et plus particulièrement à un générateur à excitation hybride pour l’alimentation électrique du système de propulsion. 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’avions mais aussi ceux 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 avions. 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 conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l’efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative 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 moteurs d’avions, l’allègement des appareils, et le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion. Ainsi, certains turboréacteurs sont équipés d’un système de propulsion électrique hybride comprenant au moins une source électrique bidirectionnelle connectée à l’arbre haute pression et une autre connectée à l’arbre basse pression du turboréacteur. Ce système électrique alimente les charges de l’avion et/ou du moteur propulsif. Comme illustré en , le système de propulsion électrique hybride 100 comprend classiquement d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante 101, un compresseur basse pression BP110, un compresseur haute pression 120, une chambre de combustion 130 qui reçoit du carburant 102, une turbine haute pression 121, une turbine basse pression 111 et une tuyère primaire d’échappement 103. Le compresseur 110 et la turbine 111 sont reliés par l’arbre basse pression 112 et forment un corps basse pression. Le compresseur 120 et la turbine 121 sont reliés par l’arbre haute pression 122 et forment, avec la chambre de combustion 130, un corps haute pression. Le générateur haute pression GHP est entraîné directement ou par l’intermédiaire d’un arbre de transmission par l’arbre haute pression 122. Le générateur basse pression GBP est entraîné par l’arbre basse pression 112. Classiquement, ce système de propulsion électrique est alimenté par des machines synchrones à rotor bobiné qui ont l’avantage de pouvoir contrôler la tension de sortie par le circuit d’excitation ainsi que le courant de court-circuit en cas de défaut. Pour réduire la masse et le volume du système et améliorer son rendement et sa qualité de la tension, ces machines synchrones peuvent être remplacées par des machines synchrones à aimants permanents (151, 152) associées à des convertisseurs de puissance (161, 162). Ces convertisseurs permettent de redresser et de réguler la tension pour alimenter un réseau électrique continu DC. Cette solution est particulièrement adaptée aux générateurs reliés à l’arbre haute pression 122 dont la plage de vitesse de rotation de l’arbre est peu étendue (ratio de vitesse compris entre 1,5 et 2,5), car sur une grande plage de vitesse (ratio supérieur à 5), il y a un risque d’instabilité du contrôle de la tension à haute vitesse quand un fort défluxage est utilisé pour limiter le courant, et une augmentation de la masse des harnais et du convertisseur de puissance à cause des forts courants à basse vitesse. Une solution consiste à utiliser un générateur à excitation hybridée qui permet de contrôler le courant de court-circuit sans utiliser de convertisseur commandé sur le circuit de puissance. Mais ce générateur nécessite une excitation en courant bidirectionnelle, comme décrit dans le brevet US 5 397 975, ce qui nécessite d’alimenter le rotor du générateur avec des collecteurs tournants, qui ont une durée de vie limitée, ou d’avoir une machine plus complexe avec une excitation au niveau du stator, telle que décrite dans l’article « Hybrid Excitation Synchronous Alternator Connected to a Diode Rectifier with a Resistive Load » de Y. Amara, A. H. Ben Ahmed, E. Hoang, L. Vido, M. Gabsi et M. Lécrivain publié dans EPE Journal 04/2006. Il est donc souhaitable de disposer d’un système de propulsion électrique de masse et volume réduit pouvant supporter une plage de vitesse étendue. L’invention concerne un système de propulsion électrique hybride d’un turboréacteur comprenant : une première machine synchrone à aimants permanents reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative, destinée à être reliée à un arbre haute pression du turboréacteur, et configurée pour fonctionner en mode moteur ou en mode générateur ; un générateur d’excitation hybride comprenant une machine synchrone sans balais, une deuxième machine synchrone à aimants permanents connectée en série à la machine synchrone sans balais, et un pont redresseur connecté à la machine synchrone sans balais, le générateur d’excitation hybride étant destiné à être relié à un arbre basse pression du turboréacteur et la machine synchrone sans balais comprenant une génératrice, une excitatrice, des diodes tournantes placées entre la génératrice et l’excitatrice et un convertisseur de tension continue en tension continue relié à l’excitatrice, un système de stockage d’énergie ; et un réseau d’alimentation électrique continu relié au convertisseur de tension continue en tension alternative et au pont redresseur. Ainsi, grâce à l’invention, les différents modes de fonctionnement permettent d’optimiser le dimensionnement et la masse du système du générateur d’excitation hybride : à haute vitesse et forte puissance, la machine synchrone sans balais permet de compenser l’énergie réactive de la deuxième machine à aimants permanents ; à basse vitesse et forte puissance, la machine synchrone sans balais fonctionne en mode « boost » ; et à haute vitesse et faible puissance, la machine synchrone sans balais fonctionne en mode « frein ». Le fonctionnement du générateur d’excitation hybride à courant et tension constantes se fait également indépendamment de la vitesse de l’arbre basse pression. De plus, le fait que la machine synchrone soit sans balais, cela permet de ne pas complexifier le stator, comme cela est habituellement le cas dans les machines à trois étages classiquement utilisées comme générateur. Par ailleurs, en étant sans balais, la machine synchrone présente dans le générateur d’excitation hybride a une durée de vie est étendue, car il n’y a plus besoin de changer régulièrement des balais. Comme il n’y a pas de contact tournant, le courant d’excitation est unidirectionnel. Ainsi, on peut contrôler la tension du réseau d’alimentation électrique continu à puissance constante sur une large plage de vitesse avec un courant d’excitation unidirectionnel par des boucles de courant et de tension contrairement à l’art antérieur où cela est asservi à la mesure de vitesse. De plus, grâce au générateur d’excitation hybride, on peut contrôler le courant de court-circuit du réseau d’alimentation électrique continu afin d’assurer une protection classique par sélectivité des charges. Ainsi, le générateur d’excitation hybride est protégé contre les risques de sur-échauffement grâce à la limitation du courant de court-circuit. Le contrôle de la tension est compatible avec les électroniques de contrôle classiques de type « Unité de contrôle de générateur » ou GCU (« Generator Control Unit »). Il permet de limiter le courant de court-circuit en cas de défaut interne et de contrôler le courant de court-circuit du réseau afin de garantir la sélectivité des protections. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le système de stockage d’énergie comprend un convertisseur de tension continue en tension continue et une batterie, la batterie étant reliée au convertisseur de tension continue en tension continue qui est relié au réseau d’alimentation électrique continu. Selon un mode de réalisation de l’invention, le convertisseur de tension continue en tension continue du générateur d’excitation hybride de la machine synchrone sans balais est connecté à un générateur de tension continue. Ce générateur permet de fournir le courant d’excitation à l’excitatrice de la machine synchrone sans balais lors du démarrage du turboréacteur. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le convertisseur de tension continue en tension continue du générateur d’excitation hybride de la machine synchrone sans balais est connecté à une sortie du pont redresseur et au réseau d’alimentation électrique continu. Cela permet d’avoir une excitation autonome de la machine synchrone sans balais et de se passer du générateur de tension continue (ou du générateur à aimants permanents classiquement branché sur les génératrices des avions) pour alimenter l’excitatrice de la machine synchrone sans balais lors du démarrage du turboréacteur. Un autre objet de l’invention concerne un aéronef comprenant au moins un turboréacteur équipé d’un système de propulsion électrique hybride selon l’invention, le système de propulsion électrique hybride alimentant des charges de l’aéronef. Encore un autre objet de l’invention est un procédé de contrôle d’un système de propulsion électrique hybride selon l’invention comprenant : la compensation d’une énergie réactive de la deuxième machine synchrone à aimants permanents par la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à forte puissance ; le fonctionnement en mode « boost » de la machine synchrone sans balais à basse vitesse et à forte puissance ; et le fonctionnement en mode « frein » de la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à faible puissance ; le générateur d’excitation hybride fonctionnant à courant et tension constantes indépendamment d’une vitesse de l’arbre 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 des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. La représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride selon l’art antérieur. La représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride selon un mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, la machine synchrone sans balais comprise dans le système de propulsion électrique hybride de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride selon un autre mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride 200 d’un turboréacteur selon un premier mode de réalisation de l’invention. Ce système 200 permet de fournir une puissance électrique à des charges 270. Les charges 270 représentent des charges d’un aéronef, comme les charges moteurs et les charges avion. Les charges moteurs peuvent être des pompes pour le carburant et/ou l’huile, du dégivrage et/ou des différents actionneurs. Les charges avion peuvent être des charges de tous les systèmes électriques, comme ceux des commandes de vol et/ou des commandes des trains d’atterrissage et/ou des pompes et/ou de la climatisation et/ou du dégivrage des ailes et/ou du taxiing et/ou du réseau électrique de la cabine et/ou du convertisseur pour le réseau basse tension, etc… Le système 200 comprend une première machine synchrone à aimants permanents 230 reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative 231. Cette première machine synchrone à aimants permanents 230 est destinée à être reliée à l’arbre haute pression 222 du turboréacteur. Le système 200 comprend également un générateur d’excitation hybride 240 destiné à être relié à l’arbre basse pression 212 du turboréacteur. Ce générateur 240 comprend un pont redresseur 243 connecté à une machine synchrone sans balais 242 représentée plus en détails en . La machine synchrone sans balais 242 est elle-même connectée en série à une deuxième machine synchrone à aimants permanents 241. La machine synchrone sans balais 242 comprend une génératrice 3421, une excitatrice 3422 et des diodes tournantes 3423 connectées entre la génératrice 3421 et l’excitatrice 3422. Cette machine 242 ne comprend aucun contact tournant, ce qui permet d’allonger la durée de vie de la machine 242 car il n’est plus nécessaire de changer régulièrement les balais. Le courant d’excitation venant d’une source de courant continu via le convertisseur de tension continue en tension continue 244 est fourni à l’excitatrice 3422, et plus particulièrement à son stator. Le rotor de l’excitatrice 3422 est induit d’une tension alternative, dont le signal est redressé par les diodes tournantes 3423. Cela permet d’alimenter le rotor de la génératrice 3421 en courant continu qui va ainsi générer un champ magnétique tournant au stator de la génératrice 3421. Le stator de la génératrice 3421 génère ainsi un courant triphasé qui va être redressé par le pont redresseur 243. Afin d’alimenter l’excitatrice 3422 en courant continu, un convertisseur de tension continue en tension continue 244 est relié à l’excitatrice 3422. Dans ce premier mode de réalisation, le convertisseur de tension continue en tension continue 244 qui fournit le courant d’excitation à l’excitatrice 3422 est relié à un générateur de tension continue 245. Ce générateur de tension continue 245 peut être remplacé par un générateur à aimants permanents relié à l’arbre basse pression. Enfin le système 200 peut comprendre un système de stockage d’énergie 250 qui peut être une batterie connectée à un convertisseur de tension continue en tension continue, lui-même connecté au réseau d’alimentation électrique continu. En cas de vitesse élevée, ce système de stockage d’énergie 250 permet de consommer l’énergie minimale nécessaire au contrôle de la tension si la puissance consommée par les charges 270 du turboréacteur est insuffisante. La représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride 400 d’un turboréacteur selon un second mode de réalisation de l’invention. Le système 400 comprend une première machine synchrone à aimants permanents 430 reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative 431. Cette première machine synchrone à aimants permanents 430 est destinée à être reliée à l’arbre haute pression 422 du turboréacteur. Le système 400 comprend également un générateur d’excitation hybride 440 destiné à être relié à l’arbre basse pression 412 du turboréacteur. Ce générateur 440 comprend un pont redresseur 443 connecté à une machine synchrone sans balais 442, dont le fonctionnement a été décrit précédemment en référence aux figures 2 et 3. La machine synchrone sans balais 442 est elle-même connectée en série à une deuxième machine synchrone à aimants permanents 441. Dans ce second mode de réalisation, le convertisseur de tension continue en tension continue 444 qui fournit le courant d’excitation à l’excitatrice 3422 est relié à la sortie du pont redresseur 443 et au réseau d’alimentation électrique continu. Ainsi le convertisseur 444 est alimenté directement par la sortie du pont redresseur 443, cela permet d’avoir un contrôle de la génératrice 4421 totalement autonome, et de se passer du générateur à aimant permanent qui est classiquement connecté au même arbre moteur, c’est-à-dire à l’arbre basse pression 412, pour démarrer la génératrice 4421 au démarrage du moteur. Ainsi, au démarrage, dès que l’arbre basse pression 412 se met à tourner, la machine à aimants permanents 441 génère une tension suffisante pour alimenter le convertisseur 444 pour contrôler la tension continue et le courant d’excitation de l’excitatrice 4422. Comme précédemment, le système de propulsion électrique hybride 400 peut comprendre un système de stockage d’énergie 450 qui peut être une batterie connectée à un convertisseur de tension continue en tension continue relié lui-même au réseau d’alimentation électrique continu. En cas de vitesse élevée, ce système de stockage d’énergie 450 permet de consommer l’énergie minimale nécessaire au contrôle de la tension si la puissance consommée par les charges 470 du turboréacteur est insuffisante, et s’il n’est pas possible d’ajuster le contrôle de la tension du réseau d’alimentation électrique continu par le convertisseur de tension continue en tension alternative 431, par exemple dans le cas d’une limitation de couple ou de puissance imposée par la turbomachine. Dans les deux modes de réalisation décrits, le contrôle de la tension de la génératrice à excitation hybride peut être réalisé à partir de boucles de régulation en courant et tension comme c’est déjà le cas pour les génératrices à trois étages. Par exemple, un premier correcteur de PI (Proportionnel Intégral) génère une consigne de courant continu à partir d’une erreur de mesure de la tension continue en sortie du pont redresseur. Cette consigne est limitée par la consigne de courant de court-circuit du réseau. Cette consigne est à son tour comparée à la mesure du courant réseau, passe par un correcteur, par exemple de type PI, pour générer la consigne du courant d’excitation qui est naturellement limitée à 0 par les diodes tournantes. De plus, le générateur d’excitation hybride peut être conçu de façon à prioriser certains facteurs pour optimiser son dimensionnement en fonction de l’application. On peut utiliser : le ratio d’hybridation qui compare le flux de la machine à aimants permanents au flux total du générateur d’excitation hybride ; ou le ratio de puissance entre la machine à aimants permanents et la machine synchrone sans balais en fonction du ratio d’hybridation et ainsi optimiser la masse ou le rendement du générateur ; ou le courant de court-circuit à excitation nulle par la force électromotrice à vide de la machine à aimants permanents et par l’inductance de la machine synchrone sans balais ; ou encore la courbe de fonctionnement à puissance minimale en fonction de l’application. Quel que soit le mode de réalisation, la machine synchrone sans balais et la deuxième machine synchrone à aimants permanents du générateur d’excitation hybride sont intégrés ensemble dans le rotor et partagent le même stator. Autrement dit, elles sont placées en série sur le rotor du générateur d’excitation hybride et elles partagent le même stator qui forme le stator du générateur d’excitation hybride. L’invention concerne également un aéronef comprenant un système de propulsion électrique hybride tel que décrit précédemment. Ce système de propulsion électrique hybride permet de fournir une puissance électrique aux charges de l’aéronef en contrôlant la tension du réseau électrique continu. Système (200, 400) de propulsion électrique hybride d’un turboréacteur comprenant : une première machine synchrone à aimants permanents (230, 430) reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative (231, 431), destinée à être reliée à un arbre haute pression (222, 422) du turboréacteur, et configurée pour fonctionner en mode moteur ou en mode générateur ; un générateur d’excitation hybride (240, 440) comprenant une machine synchrone sans balais (242, 442), une deuxième machine synchrone à aimants permanents (241, 441) connectée en série à la machine synchrone sans balais (242, 442), et un pont redresseur (243, 443) connecté à la machine synchrone sans balais (242, 442), le générateur d’excitation hybride étant destiné à être relié à un arbre basse pression (212, 412) du turboréacteur et la machine synchrone sans balais (242, 442) comprenant une génératrice (3421), une excitatrice (3422), des diodes tournantes (3423) placées entre la génératrice et l’excitatrice et un convertisseur de tension continue en tension continue (244, 444) relié à l’excitatrice ; un système de stockage d’énergie (250) ; et un réseau d’alimentation électrique continu relié au premier convertisseur de tension continue en tension alternative (231, 431) et au pont redresseur (243, 443). Système de propulsion selon la revendication 1, dans lequel le système de stockage d’énergie comprend un convertisseur de tension continue en tension continue et une batterie, la batterie étant reliée au convertisseur de tension continue en tension continue qui est relié au réseau d’alimentation électrique continu. Système de propulsion (200) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le convertisseur de tension continue en tension continue (244) du générateur d’excitation hybride (240) de la machine synchrone sans balais (242) est connecté à un générateur de tension continue (245). Système de propulsion (400) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le convertisseur de tension continue en tension continue (444) du générateur d’excitation hybride (440) de la machine synchrone sans balais (442) est connecté à une sortie du pont redresseur (443) et au réseau d’alimentation électrique continu. Aéronef comprenant au moins un turboréacteur équipé d’un système de propulsion électrique hybride selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, le système de propulsion électrique hybride alimentant des charges de l’aéronef. Procédé de contrôle d’un système de propulsion électrique hybride selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant : la compensation d’une énergie réactive de la deuxième machine synchrone à aimants permanents par la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à forte puissance ; le fonctionnement en mode « boost » de la machine synchrone sans balais à basse vitesse et à forte puissance ; et le fonctionnement en mode « frein » de la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à faible puissance ; le générateur d’excitation hybride fonctionnant à courant et tension constantes indépendamment d’une vitesse de l’arbre basse pression.