Brevet FR3155108A1 — publié le 20250509

L’invention concerne un dispositif de transfert de puissance électrique comportant un convertisseur DC/DC (2), un redresseur (3), un premier onduleur (4) et un deuxième onduleur (5). Le convertisseur DC/DC (2) comporte : - un transformateur (20) comportant n enroulements primaires et un enroulement secondaire, n étant un entier naturel au moins égal à deux ; - un premier ensemble de commutation comportant n ponts actifs électriquement séparés les uns des autres, chaque pont actif étant configuré pour être connecté d’une part à une source d’alimentation continue (S1, S2) et étant connecté d’autre part à l’un des enroulements primaires ; et - un deuxième ensemble de commutation connecté d’une part à l’enroulement secondaire et d’autre part au premier onduleur (4) et au deuxième onduleur (5). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Dispositif de transfert de puissance électrique comportant un convertisseur DC/DC multi-sources. L’invention se rapporte à un dispositif de transfert de puissance électrique. L’invention s’applique à tout type de dispositif permettant de transférer de la puissance électrique. Elle trouve notamment son application dans les dispositifs aéronautiques. Dans divers domaines, et notamment celui de l’aéronautique, il y a de plus en plus de besoins électriques pour alimenter des dispositifs électroniques. On observe ainsi une augmentation de l’énergie électrique embarquée. En parallèle à cela, il existe une contrainte importante de réduction de poids et/ou volume. La FIG. 1 montre notamment un exemple de dispositif de transfert de puissance de l’art antérieur. Il s’agit d’un convertisseur de puissance au démarrage utilisé en aéronautique et également appelé SBU (pour “smart box unit” en langue anglaise). La SBU assure le démarrage d’un réseau principal (‘’main’’) ou d’un groupe auxiliaire de puissance ou APU (pour ‘’Auxiliary Power Unit’’ en langue anglaise) au moyen d’un réseau 115V ou d’une batterie 0-28V. La SBU présente l’inconvénient d’être une masse morte embraquée uniquement pour une fonction de démarrage au sol. L’invention vise à fournir un dispositif de transfert de puissance électrique capable de répondre à la fois aux besoins électriques mais également aux contraintes de poids/volume. L’invention propose à cet effet un dispositif de transfert de puissance électrique comportant : un convertisseur de courant continu/courant continu, dit convertisseur DC/DC ; un redresseur configuré pour être connecté à une source de tension alternative ; un premier onduleur connecté d’une part au convertisseur DC/DC et au redresseur, le premier onduleur étant configuré pour alimenter d’autre part un réseau principal d’une machine électrique ; et un deuxième onduleur connecté d’une part au redresseur et au convertisseur DC/DC, le deuxième onduleur étant configuré pour alimenter d’autre part une excitatrice de la machine électrique. Selon l’invention, le convertisseur DC/DC comporte : un transformateur comportant n enroulements primaires et un enroulement secondaire, n étant un entier naturel au moins égal à deux ; un premier ensemble de commutation comportant n ponts actifs électriquement séparés les uns des autres, chaque pont actif étant configuré pour être connecté d’une part à une source d’alimentation continue et étant connecté d’autre part à l’un des enroulements primaires ; et un deuxième ensemble de commutation connecté d’une part à l’enroulement secondaire et d’autre part au premier onduleur et au deuxième onduleur. Le dispositif de transfert permet en multipliant les sources de fournir plusieurs voies de transfert de puissance. En effet, grâce au convertisseur DC/DC et au redresseur, plusieurs connexions de sources d’alimentation sont envisageables : la source de tension alternative ou les n sources de tension continues. Cela permet de créer des flux d’énergie différents selon les besoins. Il est ainsi possible d’assurer plusieurs fonctions liées à la génération et la distribution d’énergie mais également de recharge de batterie. En outre, l’invention permet de réduire le poids et le volume du dispositif de transfert puisque le convertisseur DC/DC mutualise plusieurs fonctions. Enfin, en déconnectant les ponts actifs du premier ensemble de commutation les uns des autres, cela permet de rendre indépendant chaque pont actif. Un transfert de puissance peut ainsi se faire de manière indépendante entre chaque enroulement primaire et l’enroulement secondaire. Des caractéristiques préférées particulièrement commodes du dispositif de transfert selon l’invention sont présentées ci-dessous. Le convertisseur DC/DC est réversible. Le convertisseur DC/DC et le redresseur sont configurés pour délivrer une même tension de sortie. La tension de sortie est de 270V. La source d’alimentation continue est une batterie, de préférence une batterie 0-28V ou une batterie 0-400V. La source de tension alternative est un groupe de parc au sol, de préférence un groupe de parc au sol fournissant une tension de 115V. Le dispositif de transfert est un convertisseur de puissance au démarrage. Le transformateur est un transformateur d’isolation électrique. Le premier onduleur est de type triphasé et le deuxième onduleur est de type monophasé. D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront encore dans la description ci-après en référence aux dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs: la FIG. 1 représente un convertisseur de puissance au démarrage de l’art antérieur ; la FIG. 2 représente schématiquement un dispositif de transfert de puissance selon un mode de réalisation de l’invention ; et la FIG. 3 représente un exemple de réalisation d’un convertisseur DC/DC du dispositif de transfert de la FIG. 2 . La FIG. 2 représente un exemple de réalisation d’un dispositif de transfert 1 de puissance selon l’invention. Le dispositif de transfert de puissance est dans cet exemple une SBU (pour “smart box unit” en langue anglaise) ou convertisseur de puissance au démarrage. La SBU est classiquement utilisée pour piloter et alimenter une génératrice-démarreur pendant le démarrage d’engins aéronautiques. La génératrice-démarreur, aussi connue sous l'abréviation S/G pour son acronyme anglo-saxon ‘’Starter-Generator’’, est utilisée comme démarreur pour le démarrage par exemple des turboréacteurs, turbopropulseurs, turbomoteurs d'usage aéronautique et comme générateur principal du réseau électrique de bord des avions, des hélicoptères et des drones. La génératrice-démarreur est une machine électrique qui fonctionne en mode démarreur pour démarrer un moteur, puis en mode génératrice pour fournir la puissance électrique nécessaire à un réseau de bord ou tout autre système nécessitant une puissance électrique. Le dispositif de transfert 1 comporte un convertisseur de courant continu/courant continu 2, un redresseur 3, un premier onduleur 4 et un deuxième onduleur 5. Le convertisseur de courant continu/courant continu 2, appelé ci-après convertisseur DC/DC, est configuré pour être connecté à plusieurs sources d’alimentation continue S1, S2. Le convertisseur DC/DC 2 est ainsi multi-sources. De préférence, les sources d’alimentation continue sont des batteries. Dans l’exemple représenté, le convertisseur DC/DC 2 est configuré pour être connecté à deux sources d’alimentation continue S1, S2, dites première source d’alimentation continue S1 et deuxième source d’alimentation continue S2. La première source d’alimentation continue S1 est une batterie 0-28V. La deuxième source d’alimentation continue S2 est une batterie 0-400V. Le convertisseur DC/DC 2 est connecté d’autre part, en sortie notamment, au premier onduleur 4 et au deuxième onduleur 5. Le convertisseur DC/DC 2 est configuré pour délivrer une tension de sortie vers le premier onduleur 4 et le deuxième onduleur 5. La tension de sortie est ici de 270V. Un exemple de topologie du convertisseur DC/DC 2 est représenté en FIG. 3 . Le convertisseur DC/DC 2 comporte un transformateur 20, un premier ensemble de commutation 21 et un deuxième ensemble de commutation 22. Le transformateur 20 comporte n enroulements primaires W1a, W1b et un enroulement secondaire W2, n étant un entier naturel au moins égal à deux. Dans l’exemple représenté, le transformateur 20 comporte deux enroulements primaires appelés ci-après premier enroulement primaire W1a et deuxième enroulement primaire W1b. Les enroulements primaires W1a, W1b sont reliés au premier ensemble de commutation 21. L’enroulement secondaire W2 est relié au deuxième ensemble de commutation 22. Le transformateur 20 est ici un transformateur d’isolation électrique. Un tel transformateur permet d’apporter une isolation galvanique entre le courant primaire et le courant secondaire. Les enroulements primaires W1a, W1b et l’enroulement secondaire W2 sont séparés électriquement par une isolation principale. Une isolation est ainsi assurée en cas de problèmes pouvant survenir en les différentes sources d’alimentation continue. Le transformateur d’isolation électrique constitue donc un dispositif de sécurité. Le premier ensemble de commutation 21 comporte n ponts actifs 210a, 210b. Chaque pont actif 210a, 210b est configuré pour être connecté, notamment en entrée, à l’une des sources d’alimentation continue S1, S2. Chaque pont actif 210a, 210b est connecté, notamment en sortie, à l’un des enroulements primaires W1a, W1b du transformateur 20. Les ponts actifs 210a, 210b du premier ensemble de commutation 21 sont déconnectés électriquement les uns des autres. Cela permet de les rendre indépendants les uns des autres et permettre, comme expliqué plus loin, des transferts de puissance de manière totalement indépendante. Le premier ensemble de commutation 21 comporte ici deux ponts actifs 210a, 210b, dits premier pont actif 210a et deuxième pont actif 210b. Le premier pont actif 210a est configuré pour être connecté, notamment en entrée, à la première source d’alimentation continue S1 (ici à la batterie 0-28V). Le premier pont actif 210a est connecté, notamment en sortie, au premier enroulement primaire W1a du transformateur 20. Le deuxième pont actif 210b est configuré pour être connecté, notamment en entrée, à la deuxième source d’alimentation continue S2 (ici à la batterie 0-400V). Le deuxième pont actif 210b est connecté, notamment en sortie, au deuxième enroulement primaire W1b du transformateur 20. Le premier pont actif 210a est électriquement déconnecté du deuxième pont actif 210b. Le deuxième ensemble de commutation 22 comprend les bornes de sortie par lesquelles la tension de sortie du convertisseur DC/DC 2 est délivrée, ici une tension de 270V. Le deuxième ensemble de commutation 22 comporte un pont actif 220. Le pont actif 220 délivre en sortie la tension de sortie, ici de 270V. Le pont actif 220 est connecté via les bornes de sortie au premier onduleur 4 et au deuxième onduleur 5. Le pont actif 220 du deuxième ensemble de commutation 22 est relié d’autre part à l’enroulement secondaire W2. Le convertisseur DC/DC 2 décrit ci-avant est ainsi de type active bridge. Le convertisseur DC/DC 2 selon l’invention diffère notamment des convertisseurs types active bridge de l’art antérieur en ce que les ports des ponts actifs sont séparés (i.e. non reliés). Le convertisseur DC/DC 2 est avantageusement réversible. Le redresseur 3 est configuré pour être connecté à une source de tension alternative S3. La source de tension alternative S3 peut être un groupe de parc au sol ou GPU (pour ‘’Ground Power Unit’’ en langue anglaise). Le groupe GPU correspond à une source à laquelle les systèmes avion peuvent être reliés lorsque l'avion est en stationnement au sol via une prise de parc et qui produit une tension alternative dite tension au sol. Par exemple, le groupe de parc au sol fournit une tension alternative de 115V. Le redresseur 3 permet de convertir la tension alternative en une tension continue. Il s’agit d’un redresseur actif dimensionné sur la base de la tension continue la plus haute en sortie et de la tension alternative la plus basse en entrée. La tension de sortie du redresseur 3 est la même que la tension de sortie du convertisseur DC/DC 2, ici de 270V. Le premier onduleur 4 est connecté au convertisseur DC/DC 2. Le premier onduleur 4 est notamment connecté au deuxième ensemble de commutation 22, plus particulièrement au pont actif 220 du deuxième ensemble de commutation 22. Le premier onduleur 4 est configuré pour être connecté d’autre part à un réseau principal (ou ‘’Main’’ en langue anglaise) d’une machine électrique, typiquement le réseau principal de la génératrice/démarreur. Le premier onduleur 4 permet ainsi d’alimenter le réseau principal. Le premier onduleur 4 est avantageusement de type triphasé. Le deuxième onduleur 5 est connecté au convertisseur DC/DC 2. Le deuxième onduleur 5 est notamment connecté au deuxième ensemble de commutation 22, plus particulièrement au pont actif 220 du deuxième ensemble de commutation 22. Le deuxième onduleur 5 est configuré pour être connecté d’autre part à une excitatrice de la machine électrique, typiquement l’excitatrice de la génératrice/démarreur. Le deuxième onduleur 5 permet ainsi d’alimenter l’excitatrice. Le deuxième onduleur 5 est avantageusement de type monophasé. La FIG. 3 représente par des flèches les transferts de puissance permis par le convertisseur DC/DC 2 de l’invention. La réversibilité du convertisseur DC/DC 2 permet la réversibilité des transferts de puissance. La flèche F1 représente la possibilité de transfert de puissance de la première source d’alimentation continue S1, ici la batterie 28V, vers le deuxième ensemble de commutation 22. Ce transfert permet notamment la fonction de démarrage assurée par la batterie 28V. Il s’agit d’une fonction utilisée principalement en vol dans le cas de la SBU en l’absence du parc de sol GPU. En effet, lors du démarrage de l’avion, si le démarrage a lieu au sol alors le parc de sol GPU peut être utilisé. Si le démarrage est réalisé en vol alors la batterie 28V peut être utilisée comme alternative au parc de sol GPU. La flèche F2 représente la possibilité de transfert de puissance inverse à celle de la flèche F1. La flèche F2 représente la possibilité de transfert de puissance du deuxième ensemble de commutation 22 vers la première source d’alimentation continue S1, ici la batterie 28V. Autrement dit, il est possible de recharger la batterie 28V depuis le deuxième ensemble de commutation 22. La flèche F3 représente la possibilité de transfert de puissance de la deuxième source d’alimentation continue S2, ici la batterie 400V, vers le deuxième ensemble de commutation 22. De même que le transfert représenté par la flèche F1, ce transfert permet notamment la fonction de démarrage assurée par la batterie 400V. Il s’agit d’une fonction utilisée principalement en vol dans le cas de la SBU en l’absence du parc de sol GPU. La flèche F4 représente la possibilité de transfert de puissance inverse à celle de la flèche F3. La flèche F4 représente la possibilité de transfert de puissance du deuxième ensemble de commutation 22 vers la deuxième source d’alimentation continue S2, ici la batterie 400V. Autrement dit, il est possible de recharger la batterie 400V depuis le deuxième ensemble de commutation 22. La flèche F5 représente la possibilité de transfert de puissance depuis la deuxième source d’alimentation continue S2 vers la première source d’alimentation continue S1. Autrement dit, il est possible de recharger la batterie 28V au moyen de la batterie 400V. Dans le cas du convertisseur de puissance au démarrage SBU, les flèches F2 et F4 permettent de profiter d’une inertie créée par un moteur de l’avion en vol. En effet, le moteur peut retourner une énergie depuis le réseau principal vers le deuxième ensemble de commutation 22. Grâce à la configuration du convertisseur DC/DC selon l’invention, cette énergie est utilisée pour recharger la batterie 28V ou la batterie 400V. Le dispositif de transfert selon l’invention permet, grâce au convertisseur DC/DC multi-sources de connexion, d’avoir plusieurs entrée et sortie électriques et de créer des flux de puissances différents selon les besoins. Ces flux de puissance sont indépendants grâce à la séparation des ponts actifs. La structure du dispositif de transfert permet de mutualiser plusieurs fonctions dans un même dispositif grâce au convertisseur DC/DC. L’invention permet d’utiliser un seul convertisseur DC/DC mais également un seul redresseur, évitant ainsi de dupliquer des chaînes de transfert d’énergie et permettant ainsi de réduire le volume et le poids du dispositif de transfert. L’invention n’est pas limitée au convertisseur de puissance au démarrage (SBU) décrit ici en exemple. En effet, l’invention s’applique à tout type de dispositif ayant pour fonction de générer, transférer et/ou distribuer de la puissance électrique. L’invention peut être utilisée dans ce but avec tout type de machine électrique. Dispositif de transfert de puissance électrique comportant : un convertisseur de courant continu/courant continu (2), dit convertisseur DC/DC ; un redresseur (3) configuré pour être connecté à une source de tension alternative (S3) ; un premier onduleur (4) connecté d’une part au convertisseur DC/DC (2) et au redresseur (3), le premier onduleur (4) étant configuré pour alimenter d’autre part un réseau principal d’une machine électrique ; et un deuxième onduleur (5) connecté d’une part au redresseur (3) et au convertisseur DC/DC (2), le deuxième onduleur (5) étant configuré pour alimenter d’autre part une excitatrice de la machine électrique, le dispositif de transfert (1) étant caractérisé en ce que le convertisseur DC/DC (2) comporte : un transformateur (20) comportant n enroulements primaires (W1a, W1b) et un enroulement secondaire (W2), n étant un entier naturel au moins égal à deux ; un premier ensemble de commutation (21) comportant n ponts actifs (210a, 210b) électriquement séparés les uns des autres, chaque pont actif (210a, 210b) étant configuré pour être connecté d’une part à une source d’alimentation continue (S1, S2) et étant connecté d’autre part à l’un des enroulements primaires (W1a, W1b) ; et un deuxième ensemble de commutation (22) connecté d’une part à l’enroulement secondaire (W2) et d’autre part au premier onduleur (4) et au deuxième onduleur (5). Dispositif de transfert selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur DC/DC (2) est réversible. Dispositif de transfert selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le convertisseur DC/DC (2) et le redresseur (3) sont configurés pour délivrer une même tension de sortie. Dispositif de transfert selon la revendication 3, dans lequel la tension de sortie est de 270V. Dispositif de transfert selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la source d’alimentation continue (S1, S2) est une batterie, de préférence une batterie 0-28V ou une batterie 0-400V. Dispositif de transfert selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la source de tension alternative (S3) est un groupe de parc au sol, de préférence un groupe de parc au sol fournissant une tension de 115V. Dispositif de transfert selon l’une des revendications 1 à 6, ledit dispositif de transfert (1) est un convertisseur de puissance au démarrage. Dispositif de transfert selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le transformateur (20) est un transformateur d’isolation électrique. Dispositif de transfert selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le premier onduleur (4) est de type triphasé et le deuxième onduleur (5) est de type monophasé.