EP4562724A1 - Dispositif de protection électrique de câbles d'alimentation de moteurs à aimants permanents - Google Patents

Dispositif de protection électrique de câbles d'alimentation de moteurs à aimants permanents

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EP4562724A1
EP4562724A1 EP23754817.7A EP23754817A EP4562724A1 EP 4562724 A1 EP4562724 A1 EP 4562724A1 EP 23754817 A EP23754817 A EP 23754817A EP 4562724 A1 EP4562724 A1 EP 4562724A1
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EP
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fuse
electric motor
contactor
protective device
electrical distribution
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Application number
EP23754817.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Deshayes
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02H7/09—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against over-voltage; against reduction of voltage; against phase interruption
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    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/041—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using a short-circuiting device

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric propulsion of aircraft and more particularly concerns a device for electrical protection of power cables of permanent magnet motors. This device also finds application in hybrid platforms where, to ensure the propulsion of the aircraft, the electric motor system complements a thermal motor.
  • All-electric propulsion platforms use an entirely electric propulsion chain composed of a source of electrical energy (batteries in general) and one or more electrical loads (electric machines in general) which, to minimize their mass, are often permanent magnet motors.
  • electrical distribution systems integrate electrical protections to protect the electrical installation (wiring, connectors) and which are designed to react so that the source of electrical energy supplying a short circuit is disconnected.
  • the electrical loads must be designed to never regenerate current on the network to guarantee the stability of this network and in the case where they are likely to regenerate (permanent magnet motor or actuator for example), the energy must be dissipated either in the motor or actuator, or in a dedicated resistive device.
  • Figure 1 schematically illustrates an electrical distribution architecture in the case of electric propulsion of small VTOL (vertical take-off and landing) type platforms for example.
  • VTOL vertical take-off and landing
  • the battery 10 consists of a battery 10 powering an electric motor 20 through an electrical distribution box 30.
  • the battery 10 integrates its own protection elements with generally a power contactor Kl to galvanically isolate the battery cells and allow maintenance operations and a power fuse Fl which blows in the event of a short circuit created in the electrical circuit external to the battery 10.
  • the electrical distribution box 30 generally includes its own power contactor K2.
  • the main aim of the present invention is to provide a device protecting an electrical distribution network with an active load of the rotating machine type with permanent magnets by deriving a fault current. Another goal is not to overstress the electric motor or its associated control electronics. Yet another goal is to avoid the need for installation of large and heavy components in the high voltage direct current (HVDC) power distribution network on the load side.
  • HVDC high voltage direct current
  • a device for protection against a short circuit occurring on a high voltage direct current supply line between a direct source and an active load characterized in that it is constituted by a branch circuit formed of a contactor K3 and a fuse F2 connected in series and mounted in parallel to the active load by a line independent of the high voltage direct current supply line, the branch circuit being configured so that the current passes mainly through him once fuse F2 has blown.
  • fuse F2 is of small caliber (less than 32A) and the independent line is of small section (less than 6mm 2 ).
  • the continuous source is a battery and the load activates a permanent magnet electric motor.
  • the contactor K3 and the fuse F2 are mounted in an electrical distribution box placed between the battery and the permanent magnet electric motor.
  • the invention also relates to an electrical distribution network comprising a protection device as mentioned above and an aircraft equipped with such an electrical distribution network.
  • Figure 1 schematically illustrates a power supply circuit for an electric motor from a battery
  • Figure 2 illustrates the circuit of Figure 1 following an electrical fault on the power cables of the electric motor
  • Figure 3 shows the creation of an electric arc current between the power cables following the electrical fault
  • Figure 4 shows a protection device comprising a branch circuit of lower impedance in accordance with the invention
  • Figure 5 shows the creation of the electric arc current and its extinction of the electric arc in the circuit
  • Figure 6 shows the progressive disappearance of the fault by opening the branch circuit
  • Figure 7 illustrates the control sequence of contactor K3 of the branch circuit during the creation and extinction of the electrical fault.
  • FIG. 4 illustrates the architecture thus obtained.
  • the battery 10 powering the electric motor 20 through the electrical distribution box 30.
  • the battery 10 integrates the power contactor Kl and the power fuse Fl and the electrical distribution box 30 has its own protection element, the contactor of K2 power.
  • the two high voltage direct current power lines (-HVDC and +HVDC) between the motor 20 and the electrical distribution box 30 bear the references 32 and 34. In electric propulsion, these two power lines have voltages typically between 270VDC and 540VDC or more.
  • the electrical distribution box 30 further comprises an assembly formed in series of a contactor K3 and a fuse F2, both of small caliber (i.e. of intensity less than 32A ), and mounted in parallel with the motor 20 by an independent line made up of two cables of small section (typically less than 6mm 2 ) 36 and 38, the assembly forming a branch circuit for the electric arc current of lower impedance than the plasma of the electric arc.
  • contactor K3 is controlled to close to derive part of the regeneration energy from the motor .
  • the electric arc requires a certain level of energy to be maintained (air ionization energy)
  • Figure 7 shows the appearance of the different currents in the electrical circuit depending on the state of contactor K3 in the case of a high voltage direct current supply of 540V in a permanent magnet electric motor of 30kW to 4.5MW power.

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Abstract

Dispositif de protection contre un court-circuit survenant sur une ligne d'alimentation à haute tension continue (36, 38) entre une source continue (10) et une charge active (20), le dispositif étant constitué par un circuit de dérivation formé d'un contacteur K3 et d'un fusible F2 reliés en série et montés en parallèle de la charge active par une ligne (32, 34) indépendante de la ligne d'alimentation à haute tension continue, le circuit de dérivation étant configuré de sorte que le courant passe majoritairement à travers lui une fois le fusible F2 fondu.

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif de protection électrique de câbles d'alimentation de moteurs à aimants permanents
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine de la propulsion électrique d'aéronefs et elle concerne plus spécialement un dispositif de protection électrique des câbles d'alimentation de moteurs à aimants permanents. Ce dispositif trouve aussi application dans des plateformes hybrides où, pour assurer la propulsion de l'avion, le système de motorisation électrique vient en complément d'une motorisation thermique.
Technique antérieure
Les plateformes à propulsion tout électrique utilisent une chaîne propulsive entièrement électrique composée d'une source d'énergie électrique (batteries en général) et d'une ou plusieurs charges électriques (machines électriques en général) qui, pour en minimiser la masse, sont souvent des moteurs à aimants permanents.
De même, les systèmes électriques de distribution intègrent des protections électriques pour protéger l'installation électrique (câblages, connecteurs) et qui sont conçues pour réagir de sorte que la source d'énergie électrique alimentant un court- circuit soit déconnectée.
Par ailleurs, les charges électriques doivent être conçues pour ne jamais régénérer du courant sur le réseau pour garantir la stabilité de ce réseau et dans le cas où elles seraient de nature à régénérer (moteur ou actionneur à aimants permanents par exemple), l'énergie doit être dissipée soit dans le moteur ou l'actionneur, soit dans un dispositif résistif dédié.
Cette contrainte entraine soit un surdimensionnement de la charge pour gérer l'énergie de régénération (avec à terme un risque de destruction du système si l'effet aérodynamique de l'hélice entraînant le moteur est trop importante) soit un équipement additionnel comportant une résistance de dissipation d'énergie qui se traduit par une augmentation de masse et de volume particulièrement pénalisante.
La figure 1 illustre de façon schématique une architecture de distribution électrique dans le cas de propulsions électriques de petites plateformes de type VTOL (vertical take-off and landing) par exemple.
Elle se compose d'une batterie 10 alimentant un moteur électrique 20 au travers d'un boîtier de distribution électrique 30. La batterie 10 intègre ses propres éléments de protection avec généralement un contacteur de puissance Kl pour isoler galvaniquement les cellules de la batterie et permettre les opérations de maintenance et un fusible de puissance Fl qui fond en cas de court-circuit créé dans le circuit électrique extérieur à la batterie 10. Le boîtier de distribution électrique 30 comporte généralement son propre contacteur de puissance K2.
En cas de court-circuit sur la ligne entre le moteur 20 et le boîtier de distribution électrique 30, par exemple du fait d'un câble abimé, un arc électrique alimenté par le courant fourni principalement par la batterie va se créer (courant d'arc 1), faisant fondre le fusible Fl et, sous l'effet de la violence du phénomène, endommager le câble qui va avoir tendance à se rompre (voir la figure 2).
Comme le montre la figure 3 qui illustre les courants batterie et moteur selon l'état du fusible Fl, si, à la rupture du fusible, le moteur est entraîné par sa propre inertie ou par l'effet des forces aérodynamiques exercées sur son hélice, le moteur devient générateur et va alimenter le court-circuit avec le courant d'arc (courant d'arc 2). Rien dans le circuit électrique ne permet alors d'arrêter l'arc électrique qui est entretenu tant que le moteur tourne et jusqu'à ce que le niveau de dégât soit tel qu'il n'y a plus de matière métallique pour maintenir le plasma de l'arc électrique (cette période pouvant durer plusieurs secondes).
Il existe donc dans un système électrique alimentant une machine tournante pour systèmes propulsifs électriques ou hybrides, un besoin d'un dispositif de protection dédié pouvant éteindre l'arc électrique par suppression du courant lui permettant de se maintenir.
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but principal un dispositif protégeant un réseau de distribution électrique avec un charge active de type machine tournante à aimants permanents par dérivation d'un courant de défaut. Un autre but est de ne pas sur contraindre le moteur électrique ou son électronique de pilotage associée. Encore un autre but est de ne pas nécessiter d'installation de composants gros et lourds dans le réseau de distribution électrique haute tension continue (HVDC) du côté de la charge.
Ces buts sont atteints par un dispositif de protection contre un court-circuit survenant sur une ligne d'alimentation à haute tension continue entre une source continue et une charge active, caractérisé en ce qu'il est constitué par un circuit de dérivation formé d'un contacteur K3 et d'un fusible F2 reliés en série et montés en parallèle de la charge active par une ligne indépendante de la ligne d'alimentation à haute tension continue, le circuit de dérivation étant configuré de sorte que le courant passe majoritairement à travers lui une fois le fusible F2 fondu.
Ainsi, le recours à un circuit de dérivation indépendant dépourvu de charge résistive permet une réalisation simple avec peu de composants et peu pénalisante en masse et volume.
De préférence, le fusible F2 est de petit calibre (inférieure à 32A) et la ligne indépendante est de faible section (inférieure à 6mm2).
Avantageusement, la source continue est une batterie et la charge active un moteur électrique à aimants permanents.
De préférence, le contacteur K3 et le fusible F2 sont montés dans un boitier de distribution électrique disposé entre la batterie et le moteur électrique à aimants permanents. L'invention concerne également un réseau de distribution électrique comprenant un dispositif de protection tel que précité et un aéronef muni d'un tel réseau de distribution électrique.
Brève description des dessins
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 :
[Fig. 1] la figure 1 illustre schématiquement un circuit d'alimentation d'un moteur électrique depuis une batterie,
[Fig. 2] la figure 2 illustre le circuit de la figure 1 suite à un défaut électrique sur les câbles d'alimentation du moteur électrique,
[Fig. 3] la figure 3 montre la création d'un courant d'arc électrique entre les câbles d'alimentation suite au défaut électrique,
[Fig. 4] la figure 4 montre un dispositif de protection comportant un circuit de dérivation de plus faible impédance conforme à l'invention,
[Fig. 5] la figure 5 montre la création du courant d'arc électrique et son extinction de l'arc électrique dans le circuit,
[Fig. 6] la figure 6 montre la disparition progressive du défaut par ouverture du circuit de dérivation, et
[Fig. 7] la figure 7 illustre la séquence de commande du contacteur K3 du circuit de dérivation pendant la création et l'extinction du défaut électrique.
Description des modes de réalisation
Le principe de l'invention repose sur l'adjonction d'un circuit de dérivation du courant d'arc électrique configuré pour limiter le courant de régénération de nature à alimenter le court-circuit et donc pour éteindre au plus vite cet arc électrique. La figure 4 illustre l'architecture ainsi obtenue. On retrouve la batterie 10 alimentant le moteur électrique 20 au travers du boitier de distribution électrique 30. La batterie 10 intègre le contacteur de puissance Kl et le fusible de puissance Fl et le boitier de distribution électrique 30 comporte son propre élément de protection, le contacteur de puissance K2. Les deux lignes d'alimentation à haute tension continue (-HVDC et +HVDC) entre le moteur 20 et le boitier de distribution électrique 30 portent les références 32 et 34. Dans la propulsion électrique, ces deux lignes d'alimentation ont des tensions typiquement comprises entre 270VDC et 540VDC ou plus.
Conformément à l'invention, le boîtier de distribution électrique 30 comporte en outre, un ensemble formé en série d'un contacteur K3 et d'un fusible F2, tous deux de petit calibre (c'est à dire d'intensité inférieure à 32A), et montés en parallèle du moteur 20 par une ligne indépendante constituée de deux câbles de faible section (typiquement inférieure à 6mm2) 36 et 38, l'ensemble formant un circuit de dérivation du courant d'arc électrique de plus faible impédance que le plasma de l'arc électrique.
En installant dans le boîtier de distribution électrique ces éléments de coupure pour dériver et maîtriser l'énergie de court-circuit avec des composants de taille et masse réduite, car dimensionnés uniquement pour cette fonction, on limite au minimum l'augmentation de volume ou de masse.
Avec cette configuration et comme le montre la figure 5, lorsque le court-circuit est détecté et que la tension a disparu en aval du contacteur K2, le contacteur K3 est commandé à la fermeture pour dériver une partie de l'énergie de régénération du moteur. Etant donné que l'arc électrique a besoin d'un certain niveau d'énergie pour être entretenu (énergie d'ionisation de l'air), il est aisé pour l'homme de métier de calibrer au juste besoin le contacteur K3 et le fusible F2 pour permettre l'extinction de l'arc électrique, le circuit de dérivation étant conçu de façon à ce que le courant passe majoritairement par lui.
Très rapidement (au plus en quelques ms), l'arc électrique n'a plus assez de courant pour se maintenir et il s'éteint naturellement (courant d'arc 3a). Tout le courant passe dans le circuit de dérivation (courant d'arc 3b) de plus faible impédance jusqu'à la fonte du fusible F2 (voir la figure 6). Le circuit d'alimentation principal venant du moteur se retrouve isolé, le moteur peut continuer à être entraîné et à développer une tension à ses bornes, mais une fois que l'arc électrique est éteint, il ne pourra pas se reformer car ce circuit d'alimentation principal est alors ouvert.
La figure 7 montre l'allure des différents courants dans le circuit électrique selon l'état du contacteur K3 dans le cas d'une alimentation haute tension continue de 540V dans un moteur électrique à aimants permanents de 30kW à 4,5MW de puissance.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif de protection contre un court-circuit survenant sur une ligne d'alimentation à haute tension continue (32, 34) entre une source continue (10) et une charge active (20), caractérisé en ce qu'il est constitué par un circuit de dérivation formé d'un contacteur K3 fermé lorsque le court-circuit est détecté et d'un fusible F2 reliés en série et montés en parallèle de la charge active par une ligne (36, 38) indépendante de la ligne d'alimentation à haute tension continue, le circuit de dérivation étant configuré de sorte que le courant passe majoritairement à travers lui jusqu'à la fonte du fusible F2.
[Revendication 2] Dispositif de protection selon la revendication 1, dans lequel le fusible F2 est de petit calibre et la ligne indépendante est de faible section.
[Revendication 3] Dispositif de protection selon la revendication 2, dans lequel le petit calibre correspond à une intensité inférieure à 32A.
[Revendication 4] Dispositif de protection selon la revendication 2, dans lequel la faible section correspond à une section inférieure à 6mm2.
[Revendication 5] Dispositif de protection selon la revendication 1, dans lequel la source continue est une batterie et la charge active un moteur électrique.
[Revendication 6] Dispositif de protection selon la revendication 5, dans lequel le moteur électrique est un moteur électrique à aimants permanents de 30 kW à 4,5 MW de puissance.
[Revendication 7] Dispositif de protection selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans lequel le contacteur K3 et le fusible F2 sont montés dans un boitier de distribution électrique (30) disposé entre la batterie et le moteur électrique.
[Revendication 8] Réseau de distribution électrique comportant un dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. [Revendication 9] Aéronef comportant un réseau de distribution électrique selon la revendication 8.
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