EP4662756A1 - Procédé de surveillance et de protection d'un système d'hybridation électrique contre le risque de feu - Google Patents

Procédé de surveillance et de protection d'un système d'hybridation électrique contre le risque de feu

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Publication number
EP4662756A1
EP4662756A1 EP24709469.1A EP24709469A EP4662756A1 EP 4662756 A1 EP4662756 A1 EP 4662756A1 EP 24709469 A EP24709469 A EP 24709469A EP 4662756 A1 EP4662756 A1 EP 4662756A1
Authority
EP
European Patent Office
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distribution box
monitoring
converters
protection method
electrical
Prior art date
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Pending
Application number
EP24709469.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Ravel
Li Li
Philippe Delbosc
Benoît Lucien MICHAUD
Guillaume PERCHERON
Raouf BENLAMINE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electrical and Power SAS filed Critical Safran Electrical and Power SAS
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02H7/062—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 generators; for synchronous capacitors for parallel connected generators
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
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    • H02P29/027—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an over-current
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    • H02H7/085—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 excessive load

Definitions

  • the present invention relates to the field of protection systems for electrical distribution networks in aircraft with electric or hybrid propulsion and it relates more particularly to a method for monitoring and protecting an electrical hybridization system ensuring full coverage of faults likely to present a risk of fire.
  • climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies around the world. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being or will be adopted by various States. In particular, an ambitious standard applies both to new types of aircraft but also to those currently in circulation requiring the implementation of technological solutions in order to make them compliant with the regulations in force. Civil aviation has been mobilizing for several years now to make a contribution to the fight against climate change.
  • the traditional protection principles of electrical networks and systems are based on simple and mainly passive devices.
  • the protections mainly provide protection of the electrical installation (not the equipment) according to the thermal behavior of the cables and very locally according to a differential mode to detect cable disconnections.
  • generator protections according to the thermal behavior of the generator windings and the dynamic behavior of the voltage to remain within the acceptable envelope for consumers (common failure mode that can lead to catastrophic events).
  • each line is connected by a breaking element, contactor or static switch (SSPC), to the high voltage direct current (HVDC) distribution bar, and faults will be detected by a set of current sensors, protection being done by opening the line.
  • SSPC breaking element, contactor or static switch
  • the voltage of the electrical network is continuous and of the order of 800 VDC, typically between 540 and 1000 VDC, and the system is subject to the consequences of altitude. Indeed, with a high direct voltage, electrical faults can lead to much more energetic arcs than with low voltage or alternating voltage, very quickly causing serious damage that can go as far as a fire, or an uncontrolled fire, which cannot be accepted to meet the certification requirements of aircraft turbomachines to which such an electric hybridization system is subject.
  • An electrical monitoring and protection system must therefore not leave any fault uncovered and must act quickly to avoid dangerous damage, but at the same time, it must not cause untimely shutdowns that are too frequent. In the event of a fault, it is therefore necessary keep available, therefore connected, the maximum amount of equipment, so as not to degrade the availability of the aircraft's turbomachine (engine) too much.
  • the present invention is therefore the result of technological research aimed at very significantly improving the performance of aircraft and, in this sense, contributes to reducing their environmental impact. Its main purpose is to ensure coverage of all possible defects and a verification of their consistency to provide robustness to the detection of these defects. Another purpose is to guarantee rapid action in the event of defects to avoid major or dangerous degradation and propagation to other parts of the turbomachine or its connection with the aircraft.
  • a method for monitoring and protecting an electrical hybridization system against the risk of fire comprising two rotating machines each having at least one stator winding, each stator winding being associated with an AC/DC converter, and a distribution box for delivering, from the DC voltages delivered by the AC/DC converters, a high DC voltage on the one hand for local loads and on the other hand for the electrical network of an aircraft, a method characterized in that current and voltage measurements are carried out in the distribution box, the converters and the stator windings of the rotating machines and if, once these measurements have been consolidated together in a control card, the risk of fire is proven, contactors of the distribution box and/or the converters and mechanical disconnection of the rotating machines are selectively carried out.
  • the measurement of an overcurrent or overvoltage in the distribution box and/or the converters or the detection of an excessive temperature or low oil pressure in the rotating machines causes the opening of the converter switches, the opening of the distribution box contactor and then the mechanical disconnection of the rotating machine.
  • the measurement of an overcurrent at the output of the distribution box causes the opening of the contactor or static switch associated with the faulty local load and, in the event of an opening fault, the opening of all the contactors or static switches associated with the other local loads.
  • measuring an overcurrent at an input on the converter side of the distribution box causes the switches of this converter to open, followed by the opening of the contactor of the distribution box, then if necessary the mechanical disconnection of the rotating machine.
  • the detection of an electric arc in one of the rotating machines causes the switches of the associated converter to be short-circuited and then the rotating machine to be mechanically disconnected.
  • the detection of an electrical arc on the aircraft's electrical network causes the distribution box contactor to open.
  • the switches of the converters and the distribution box are opened each time a rotating machine is stopped, when it is started up or during maintenance.
  • the opening of the contactors and switches is defined by threshold and tripping duration parameters determined for each according to the configuration of the electrical network and equipment characteristics of the electric hybridization system.
  • a disconnection test of rotating machines is carried out periodically or each time they are stopped.
  • the current and voltage, oil pressure and temperature measurements are consolidated together in a management and processing module preferably located in the distribution box.
  • a management and processing module preferably located in the distribution box.
  • Figure 1 illustrates a first example of an electric hybridization system according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a second example of an electric hybridization system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic of the integration of measurements into the electric hybridization system of Figure 1,
  • Figure 4 shows a schematic of the integration of protections in the electric hybridization system of Figure 1, and
  • Figure 5 illustrates the different protection zones monitored with the invention.
  • the principle of the invention is based on in-depth knowledge and monitoring of the various equipment of the electrical hybridization system to improve the protection of the system. If the organs remain classic compared to what is done in electrical protection, static contactors and switches, or even mechanical disconnection system for rotating machines, their triggering is determined on the one hand with more precision and selectivity and on the other hand with more global transverse consolidation and/or cross-checking algorithms.
  • the measurements made in the different equipment are consolidated between them and the cross-referencing of current and voltage measurements makes it possible to refine the detection of faults.
  • Knowledge of the measurements and the state of the system, open or closed state of the switches in particular, makes it possible to add global validations, such as current summations.
  • FIG. 1 illustrates a first example of an electric hybridization system according to the invention composed of two rotating machines 10, 12, possibly of the PMG (Permanent Magnet Generator - PMG) type, of two AC/DC electronic converters (Power Electronics -PE) 14, 16 respectively associated with these rotating machines, of a distribution box 18 of the PDMU (Power Distribution Management Unit) type whose bipolar high voltage direct current (HVDC) distribution bar is connected on the one hand to the converters and on the other hand to the electrical network of the aircraft 20 and to local loads 22, 24, 26 for example.
  • PMG Permanent Magnet Generator - PMG
  • AC/DC electronic converters Power Electronics -PE
  • PDMU Power Distribution Management Unit
  • HVDC bipolar high voltage direct current
  • the electric hybridization system is equipped with sensors, some necessary for the operation of the system (voltage regulation and power control in the converters), others added specifically to ensure the detection of faults in the system.
  • the sensors installed at different locations in the system provide current measurements, voltage measurements, insulation measurements, arc detection, temperature measurements, oil pressure measurements, and measurements of the position and speed of the rotors of the rotating machines. They will be detailed further with regard to Figure 3.
  • the electric hybrid system is also equipped with electrical protections that open the faulty line(s), for example to stop the flow of a faulty current and/or to isolate a dangerous voltage. Additional protection may consist of mechanically disconnecting the rotor of the rotating machine from its drive (by disengaging or clutching) in order to stop its rotation.
  • the protections are integrated either in the distribution box, or in the converters, or in the rotating machines and will be detailed further with regard to Figure 4.
  • the definition of the electrical protections, by threshold and duration parameters, makes it possible to ensure the selectivity of the protections between them, and is determined according to the configuration of the electrical network and the characteristics of the equipment of the electrical hybridization system.
  • the control of these electrical protections can be distributed throughout the system, or even external to the turbomachine, but it is preferably arranged in the distribution box 18 which comprises a control card 28 for monitoring and protecting the system according to the invention.
  • Figure 2 shows another example of an electrical hybridization system also composed of two rotating machines 30, 32 of the PMG (Permanent Magnet Generator) type, each with two stator winding channels 300, 302, 320, 322, four AC/DC (Power Electronics) electronic converters 34, 36, 38, 40 respectively associated with four stator windings of the two rotating machines, two PDMU (Power Distribution Management Unit) distribution boxes 42, 44, local loads 46, 48, 50 and two output links 52, 54 to the aircraft electrical network.
  • a circuit board control 56 for monitoring and protecting the system may be arranged in one or both of the distribution boxes, or, as shown, outside them.
  • Figure 3 illustrates all of the measurement sensors arranged in the various equipment of the electric hybridization system of Figure 1.
  • References 100, 102 correspond to a first sensor ensuring a measurement of the position or speed of the rotor in each of the two rotating machines 10, 12.
  • References 104, 106 correspond to a second sensor ensuring either a measurement of the current in the neutral to ground connection through an impedance in each of the two rotating machines 10, 12, or a measurement of the voltage at the terminals of this neutral to ground connection impedance.
  • References 108, 110 correspond to a third sensor ensuring, if necessary, a measurement of the unbalance current between the two stars in parallel in each of the two rotating machines 10, 12.
  • References 112, 114 correspond to a fourth sensor ensuring a measurement of the temperature of the stator windings of each of the two rotating machines 10, 12.
  • References 116, 118 correspond to a fifth sensor ensuring a measurement of the currents in the phases of the stator windings in each of the two rotating machines 10, 12.
  • References 120, 122 correspond to a sixth sensor ensuring a measurement of the phase currents and the voltages between the phases on the AC side, at the input of the electronic converters 14, 16.
  • the references 132, 134, 136 correspond to a ninth sensor ensuring a measurement of the currents at each of the inputs of the local loads 22, 24, 26.
  • the reference 138 corresponds to a tenth sensor ensuring a voltage measurement on the distribution bar of the high direct voltage (HVDC) of the distribution box 18.
  • the reference 140 corresponds to an eleventh sensor ensuring a measurement of the insulation (denoted “IMD”), connected to the distribution bar of the high direct voltage. This measurement can possibly also be made only during maintenance by an external body.
  • Reference 142 corresponds to a twelfth sensor ensuring a temperature measurement on the high DC voltage distribution bar and reference 144 corresponds to a thirteenth sensor ensuring a measurement of the currents and voltage, and an arc detection at the output of the distribution box 18 towards the electrical network of the aircraft 20.
  • Figure 4 illustrates all of the protections arranged in the various equipment of the electric hybridization system of Figure 1.
  • References 200, 202 correspond to a mechanical disconnection device in each of the two rotating machines 10, 12.
  • References 204, 206 correspond to an opening of the AC phase lines in each of the two rotating machines (alternatively this opening could be made at the input of the two electronic converters 14, 16).
  • References 208, 210 correspond to the electronic switches, used for protection, of the electronic converters 14, 16.
  • References 212, 214 correspond to a contactor for each of the inputs of the distribution box 18.
  • Reference 216 corresponds to a contactor for the local load 22.
  • References 218, 220 correspond to electronic switches, of the SSPC type, for each of the local loads 24, 26 and reference 222 corresponds to a contactor on the connection with the electrical network of the aircraft 20.
  • the third is made on the perimeter of the electronic converter 14, 16 and the associated protection component (contactor 212, 214) in the distribution box 18 and corresponds to a so-called type C consolidation.
  • the fourth is made on a wide perimeter grouping the rotating machine 10, 12 and its associated electronic converter 14, 16, as well as the associated protection component 212, 214 in the distribution box 18 and corresponds to a so-called type D consolidation.
  • Type A Electrical signal characteristics
  • the equipment of the electric hybridization system in the turbomachine is all known, the only lack of visibility is therefore on the connection to the aircraft electrical network.
  • the electrical characteristics of the currents and voltages associated with the equipment are used to adjust the thresholds and tripping times of the protections, and to add frequency or harmonic analyses when they are relevant.
  • the current-time curves of the protections on the input lines in the distribution box are adjusted in relation to the output characteristics of the converters when they are in generator mode or in motor mode, depending on the network configuration, and to their power limitations, and not only on the heating characteristics of the cables.
  • Type B Internal consolidation of the distribution box:
  • ABS I_pole-_distribution box - I_pole-_converter
  • ABS V_distribution box - V_converter
  • Type D Consolidation with the measures implemented in the rotating machine:
  • the winding of the rotating machine integrates current transformers whose measurements are made in the associated converter, with the advantage that these transformers provide an isolated measurement of the power circuit.
  • the current transformers are placed on each phase and on the neutral connections connected by a resistance to the
  • the measurement of the current in the neutral allows a quasi-direct measurement of the current flowing in an insulation fault, and as the current transformer is dedicated, its characteristics are defined so that it makes a measurement with good precision.
  • the detection of faults by the current flowing in the neutral connection also takes into account

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Procédé de surveillance et de protection d'un système d'hybridation électrique contre le risque de feu, le système d'hybridation électrique comprenant deux machines tournantes ayant chacune au moins un bobinage statorique, chaque bobinage statorique étant associé à un convertisseur AC/DC, et un boitier de distribution pour délivrer, à partir des tensions continues délivrées par les convertisseurs AC/DC, une haute tension continue d'une part pour des charges locales et d'autre part pour le réseau électrique d'un aéronef, procédé dans lequel il est procédé à des mesures de courant et de tension dans le boitier de distribution, les convertisseurs et les bobinages statoriques des machines tournantes et si, une fois ces mesures consolidées ensemble dans une carte de contrôle, le risque de feu est avéré, il est procédé sélectivement à une ouverture de contacteurs du boitier de distribution et/ou des convertisseurs et une déconnexion mécanique des machines tournantes.

Description

Description
Titre de l'invention : PROCEDE DE SURVEILLANCE ET DE PROTECTION D'UN SYSTEME D'HYBRIDATION ELECTRIQUE CONTRE LE RISQUE DE FEU
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de protection des réseaux électriques de distribution dans les aéronefs à propulsion électrique ou hybride et elle concerne plus particulièrement un procédé de surveillance et de protection d'un système d'hybridation électrique assurant une pleine couverture des défauts de nature à présenter un risque de feu.
Technique antérieure
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 Etats. 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 des 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 moteurs, 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.
Ainsi, les principes de protection traditionnels des réseaux et systèmes électriques reposent sur des dispositifs simples et majoritairement passifs. Les protections assurent principalement une protection de l'installation électrique (pas des équipements) selon le comportement thermique des câbles et très localement selon un mode différentiel pour détecter des déconnexions de câbles. En complément de la distribution, il existe également des protections de générateur selon le comportement thermique des bobinages du générateur et le comportement dynamique de la tension pour rester dans l'enveloppe acceptable pour les consommateurs (mode commun de panne pouvant aboutir à des événements catastrophiques).
Toutefois, dans les systèmes de distribution existants, chaque ligne est connectée par un élément de coupure, contacteur ou commutateur statique (SSPC), à la barre de distribution de la haute tension continue (HVDC), et les défauts seront détectés par un ensemble de capteurs de courant, la protection se faisant par l'ouverture de la ligne.
La surveillance et la protection d'un système électrique sont donc bien connues et répandues dans les systèmes électriques de distribution des aéronefs mais ceux-ci jusqu'à présent le sont avec des tensions modérées (< 230 VAC) et avec une seule source connectée à la fois (à part sur certains systèmes en 28 VDC).
Or, dans les systèmes d'hybridation électrique pour turbomachine d'aéronef, la tension du réseau électrique est continue et de l'ordre de 800 VDC, typiquement entre 540 et 1000 VDC, et le système est soumis aux conséquences de l'altitude. En effet, avec une haute tension continue, les défauts électriques peuvent conduire à des arcs beaucoup plus énergétiques qu'en basse tension ou en tension alternative, provoquant très rapidement des dommages graves qui peuvent aller jusqu'à un déclenchement de feu, ou un feu non contrôlé, lesquels ne peuvent être acceptés pour répondre aux exigences de certification des turbomachines d'aéronef auxquelles est soumis un tel système d'hybridation électrique.
Un système de surveillance et de protection électrique ne doit donc laisser aucun défaut non couvert et doit agir vite pour éviter des dégradations dangereuses, mais en même temps, il ne doit pas provoquer d'arrêts intempestifs trop fréquents. En cas de défaut, il faut ainsi garder disponible, donc connecté, le maximum d'équipements, afin de ne pas trop dégrader la disponibilité de la turbomachine (moteur) de l'aéronef.
Pour des applications haute tension, les énergies en jeu, les dégâts potentiels et l'effet négatif de l'altitude sur la caractéristique diélectrique de l'air, font que les protections traditionnelles adaptées à la thermique des câbles ne sont plus acceptables car elles sont trop lentes. Par ailleurs, de nouveaux besoins de protection sont nécessaires pour couvrir des phénomènes (par exemple les arcs électriques) qui étaient sans effet sous faible tension mais qui deviennent critique en haute tension.
Exposé de l'invention
La présente invention est donc 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 leur impact environnemental. Elle a pour but principal d'assurer une couverture de l'ensemble des défauts possibles et une vérification de leur cohérence pour apporter de la robustesse à la détection de ces défauts. Un autre but est de garantir une action rapide en cas de défauts pour éviter une dégradation majeure ou dangereuse et une propagation aux autres parties de la turbomachine ou à sa liaison avec l'aéronef.
Ces buts sont atteints par un procédé de surveillance et de protection d'un système d'hybridation électrique contre le risque de feu, le système d'hybridation électrique comprenant deux machines tournantes ayant chacune au moins un bobinage statorique, chaque bobinage statorique étant associé à un convertisseur AC/DC, et un boîtier de distribution pour délivrer, à partir des tensions continues délivrées par les convertisseurs AC/DC, une haute tension continue d'une part pour des charges locales et d'autre part pour le réseau électrique d'un aéronef, procédé caractérisé en ce qu'il est procédé à des mesures de courant et de tension dans le boîtier de distribution, les convertisseurs et les bobinages statoriques des machines tournantes et si, une fois ces mesures consolidées ensemble dans une carte de contrôle, le risque de feu est avéré, il est procédé sélectivement à une ouverture de contacteurs du boîtier de distribution et/ou des convertisseurs et une déconnexion mécanique des machines tournantes.
Grâce à ce principe de consolidation des mesures disponibles issues des capteurs existant dans les différents équipements du système, la totalité des zones sont couvertes sans ajout de capteurs supplémentaires. L'installation électrique haute tension continue est ainsi protégée avec un bon niveau de performances attendu, notamment quant à son temps de réaction et sa robustesse, le tout étant réalisé de façon cohérente.
De préférence, la mesure d'un sur-courant ou d'une surtension dans le boîtier de distribution et/ou les convertisseurs ou encore la détection d'une température excessive ou d'une pression d'huile basse dans les machines tournantes entraîne l'ouverture des commutateurs des convertisseurs, l'ouverture du contacteur du boîtier de distribution puis la déconnexion mécanique de la machine tournante.
Avantageusement, la mesure d'un sur-courant en sortie du boîtier de distribution entraîne l'ouverture du contacteur ou du commutateur statique associé à la charge locale défectueuse et en cas de défaut d'ouverture, l'ouverture de tous les contacteurs ou commutateurs statiques associés aux autres charges locales.
De préférence, la mesure d'un sur-courant à une entrée côté convertisseur du boîtier de distribution, entraîne l'ouverture des commutateurs de ce convertisseur, suivi de l'ouverture du contacteur du boîtier de distribution, puis si nécessaire la déconnexion mécanique de la machine tournante.
Avantageusement, la détection d'un arc électrique dans une des machines tournantes entraîne la mise en court-circuit des commutateurs du convertisseur associé puis la déconnexion mécanique de la machine tournante.
De préférence, la détection d'un arc électrique sur le réseau électrique de l'aéronef entraîne l'ouverture du contacteur du boîtier de distribution.
Avantageusement, les commutateurs des convertisseurs et du boîtier de distribution sont ouverts à chaque arrêt d'une machine tournante, à sa mise en route ou lors de sa maintenance.
De préférence, l'ouverture des contacteurs et commutateurs est définie par des paramètres de seuil et de durée de déclenchement déterminés pour chacun en fonction de la configuration du réseau électrique et de caractéristiques d'équipements du système d'hybridation électrique.
Avantageusement, il est effectué un test de déconnexion des machines tournantes périodiquement ou à chacun de leur arrêt.
De préférence, les mesures de courant et de tension, de pression d'huile et de température sont consolidées ensemble dans un module de gestion et de traitement disposé de préférence dans le boîtier de distribution. 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 un premier exemple d'un système d'hybridation électrique conforme à l'invention,
[Fig. 2] la figure 2 illustre un second exemple d'un système d'hybridation électrique conforme à l'invention,
[Fig. 3] la figure 3 montre un schéma d'intégration des mesures dans le système d'hybridation électrique de la figure 1,
[Fig. 4] la figure 4 montre un schéma d'intégration des protections dans le système d'hybridation électrique de la figure 1, et
[Fig. 5] la figure 5 illustre les différentes zones de protection surveillées avec l'invention.
Description des modes de réalisation
Le principe de l'invention repose sur une connaissance et une surveillance approfondie des différents équipements du système d'hybridation électrique pour améliorer la protection du système. Si les organes restent classiques par rapport à ce qui se fait en protection électrique, contacteurs et commutateurs statiques, ou encore système de déconnexion mécanique pour les machines tournantes, leurs déclenchements sont déterminés d'une part avec plus de précision et de sélectivité et d'autre part avec des algorithmes transverses de consolidation et/ou recoupement plus globaux.
Les mesures faites dans les différents équipements sont consolidées entre elles et le recoupement de mesures de courants et tensions permet d'affiner la détection de défauts. La connaissance des mesures et de l'état du système, état ouvert ou fermé des commutateurs notamment, permet d'ajouter des validations globales, comme des sommations de courants.
La figure 1 illustre un premier exemple d'un système d'hybridation électrique conforme à l'invention composé de deux machines tournantes 10, 12, éventuellement de type PMG (Permanent Magnet Generator - PMG), de deux convertisseurs électroniques AC/DC (Power Electronics -PE) 14, 16 respectivement associés à ces machines tournantes, d'un boîtier de distribution 18 de type PDMU (Power Distribution Management Unit) dont la barre bipolaire de distribution de haute tension continue (HVDC) est reliée d'une part aux convertisseurs et d'autre part au réseau électrique de l'aéronef 20 et à des charges locales 22, 24, 26 par exemple.
Le système d'hybridation électrique est équipé de capteurs, certains nécessaires pour le fonctionnement du système (régulation de la tension et le contrôle de la puissance dans les convertisseurs), d'autres ajoutés spécifiquement pour assurer la détection des défauts dans le système. Les capteurs installés à différents endroits du système assurent des mesures de courant, des mesures de tensions, des mesures d'isolement, des détections d'arc, des mesures de températures, des mesures de pression d'huile, et des mesures de position et de vitesse des rotors des machines tournantes. Ils seront détaillés plus avant en regard de la figure 3.
Le système d'hybridation électrique est aussi équipé de protections électriques qui ouvrent la ou les lignes en défaut, afin par exemple d'arrêter la circulation d'un courant défectueux et/ou d'isoler une tension dangereuse. Une protection additionnelle peut consister en la déconnexion mécanique du rotor de la machine tournante de son entraînement (par décrabotage ou embrayage) afin d'arrêter sa rotation. Les protections sont intégrées soit dans le boîtier de distribution, soit dans les convertisseurs, soit dans les machines tournantes et seront détaillées plus avant en regard de la figure 4.
La définition des protections électriques, par des paramètres de seuil et de durée, permet d'assurer la sélectivité des protections entre elles, et est déterminée en fonction de la configuration du réseau électrique et des caractéristiques des équipements du système d'hybridation électrique. Le contrôle de ces protections électriques peut être réparti dans l'ensemble du système, voire externe à la turbomachine, mais il est de préférence disposé dans le boîtier de distribution 18 qui comprend une carte de contrôle 28 pour la surveillance et la protection du système selon l'invention.
La figure 2 montre un autre exemple de réalisation d'un système d'hybridation électrique également composé de deux machines tournantes 30, 32 de type PMG (Permanent Magnet Generator) avec chacune deux canaux de bobinage statoriques 300, 302, 320, 322 , quatre convertisseurs électroniques AC/DC (Power Electronics) 34, 36, 38, 40 respectivement associés à quatre bobinages statoriques des deux machines tournantes, deux boîtiers de distribution 42, 44 PDMU (Power Distribution Management Unit), des charges locales 46, 48, 50 et de deux liaisons de sortie 52, 54 vers le réseau électrique de l'aéronef. Une carte de contrôle 56 pour la surveillance et la protection du système peut être disposé dans l'un des deux boîtiers de distribution, ou dans les deux, ou, comme illustré, à l'extérieur de ceux-ci.
La figure 3 illustre l'ensemble des capteurs de mesure disposé dans les différents équipements du système d'hybridation électrique de la figure 1. Les références 100, 102 correspondent à un premier capteur assurant une mesure de position ou de vitesse du rotor dans chacune des deux machines tournantes 10, 12. Les références 104, 106 correspondent à un deuxième capteur assurant soit une mesure du courant dans la connexion du neutre à la masse au travers d'une impédance dans chacune des deux machines tournantes 10, 12, soit une mesure de tension aux bornes de cette impédance de connexion du neutre à la masse. Les références 108, 110 correspondent à un troisième capteur assurant, si besoin, une mesure du courant de déséquilibre entre les deux étoiles en parallèle dans chacune des deux machines tournantes 10, 12. Les références 112, 114 correspondent à un quatrième capteur assurant une mesure de la température des bobinages statoriques de chacune des deux machines tournantes 10, 12. Les références 116, 118 correspondent à un cinquième capteur assurant une mesure des courants dans les phases des bobinages statoriques dans chacune des deux machines tournantes 10, 12. Les références 120, 122 correspondant à un sixième capteur assurant une mesure des courants de phases et des tensions entre les phases côté AC, en entrée des convertisseurs électroniques 14, 16. Les références 124, 126 correspondent à un septième capteur assurant une mesure des courants et de la tension côté DC, en sortie des convertisseurs électroniques 14, 16. Les références 128, 130 correspondent à un huitième capteur assurant une mesure des courants et tension à l'entrée du boîtier de distribution 18. Les références 132, 134, 136 correspondent à un neuvième capteur assurant une mesure des courants au niveau de chacune des entrées des charges locales 22, 24, 26. La référence 138 correspond à un dixième capteur assurant une mesure de tension sur la barre de distribution de la haute tension continue (HVDC) du boîtier de distribution 18. La référence 140 correspond à un onzième capteur assurant une mesure de l'isolement (noté « IMD »), connectée sur la barre de distribution de la haute tension continue. Cette mesure peut éventuellement aussi n'être faite qu'en maintenance par un organe externe. La référence 142 correspond à un douzième capteur assurant une mesure de température sur la barre de distribution de la haute tension continue et la référence 144 correspond à un treizième capteur assurant une mesure des courants et tension, et une détection d'arc à la sortie du boîtier de distribution 18 vers le réseau électrique de l'aéronef 20. La figure 4 illustre l'ensemble des protections disposé dans les différents équipements du système d'hybridation électrique de la figure 1. Les références 200, 202 correspondent à un dispositif de déconnexion mécanique dans chacune des deux machines tournantes 10, 12. Les références 204, 206 correspondent à une ouverture des lignes de phases AC dans chacune des deux machines tournantes (en variante cette ouverture pourrait être pratiquée en entrée des deux convertisseurs électroniques 14, 16). Les références 208, 210 correspondent aux commutateurs électroniques, utilisés en protection, des convertisseurs électroniques 14, 16. Les références 212, 214 correspondent à un contacteur pour chacune des entrées du boîtier de distribution 18. La référence 216 correspond à un contacteur pour la charge locale 22. Les références 218, 220 correspondant à des commutateurs électroniques, de type SSPC, pour chacune des charges locales 24, 26 et la référence 222 correspond à un contacteur sur la liaison avec le réseau électrique de l'aéronef 20.
Pour définir une stratégie de protection sans avoir à ajouter de capteurs ou de protections dans le système d'hybridation électrique, on se propose de combiner les informations disponibles par un organe d'exploitation de mesures et de traitement afin de réaliser les fonctions de surveillance et de protection nécessaires pour correctement protéger le système avec des bons niveaux de détection, de localisation et d'isolation du défaut, rapidement et de façon robuste, avant qu'il n'ait le temps de créer des dégâts importants. Pour cela, et comme le montre la figure 5, le système d'hybridation électrique est séparé en quatre zones de protection distinctes correspondant à quatre types différents de consolidation. La première est faite sur le périmètre du contacteur 212, 214, formant le composant de protection du boîtier de distribution 18 et correspond à une consolidation dite de type A. La deuxième est faite sur le périmètre formé par le boîtier de distribution 18 en son entier et correspond à une consolidation dite de type B. La troisième est faite sur le périmètre du convertisseur électronique 14, 16 et du composant de protection associé (contacteur 212, 214) dans le boîtier de distribution 18 et correspond à une consolidation dite de type C. La quatrième est faite sur un périmètre large regroupant la machine tournante 10, 12 et son convertisseur électronique associé 14, 16, ainsi que le composant de protection associé 212, 214 dans le boîtier de distribution 18 et correspond à une consolidation dite de type D.
Type A : Caractéristiques de signaux électriques :
Les équipements du système d'hybridation électrique dans la turbomachine sont tous connus, le seul manque de visibilité est donc sur la liaison vers le réseau électrique de l'aéronef. Les caractéristiques électriques des courants et tensions associées aux équipements sont utilisées pour ajuster les seuils et les délais de déclenchement des protections, et pour ajouter des analyses fréquentielles ou harmoniques quand elles sont pertinentes. Les courbes courant-temps des protections sur les lignes d'entrée dans le boîtier de distribution sont ajustées par rapport aux caractéristiques de sorties des convertisseurs quand ils sont en mode générateur ou en mode moteur, suivant la configuration du réseau, et à leurs limitations de puissance, et non pas seulement sur les caractéristiques d'échauffement des câbles.
Type B : Consolidation en interne du boîtier de distribution :
Le boîtier de distribution est un nœud dans le réseau, avec peu de pertes internes (pertes Joule et puissance prise par l'alimentation interne), et sans gros condensateur sur la barre de distribution de la haute tension continue. Aussi la somme algébrique des courants entrant et sortant du boîtier de distribution doit être quasi-nulle à tout instant. Un écart important sur cette somme de courants signifierait un défaut interne grave ou un défaut de capteur de courant. Un exemple de condition de protection peut être donné par la formule suivante :
Si ABS (Courant_convertisseurA + Courant_convertisseurB + Courant_AC + Courant_chargeA + Courant_chargeB ...) > seuil
Alors Défaut
Type C : Consolidation par cohérence entre le convertisseur et le boîtier de distribution et entre le convertisseur et la machine tournante :
Les mesures dans le boîtier de distribution et celles en sortie des convertisseurs sont comparées. Les courants des pôles positif et négatif et la tension différentielle doivent être respectivement identiques (pour la tension à la chute des câbles près mais celle-ci est très faible). Si un écart apparaît, cela signifie un problème sur la ligne entre les deux équipements ou un défaut de capteur. Dans les deux cas, il est prévu d'ouvrir la ligne. Un exemple de condition de protection peut être donné par la formule :
Si ABS (I_pôle+_boitier de distribution - I_pôle+_convertisseur) > seuil
Ou ABS (I_pôle-_boitier de distribution - I_pôle-_convertisseur) > seuil
Ou ABS (V_boitier de distribution - V_convertisseur) > seuil
Alors Défaut
Type D : Consolidation avec les mesures mises en place dans la machine tournante : Le bobinage de la machine tournante intègre des transformateurs de courant dont les mesures sont faites dans le convertisseur associé, avec l'avantage que ces transformateurs fournissent une mesure isolée du circuit de puissance. Les transformateurs de courant sont placés sur chaque phase et sur les connexions des neutres reliés par une résistance à la
5 masse.
La mesure du courant dans le neutre permet une mesure quasi directe du courant circulant dans un défaut d'isolement, et comme le transformateur de courant est dédié, ses caractéristiques sont définies pour qu'il fasse une mesure avec une bonne précision. La détection des défauts par le courant circulant dans la liaison du neutre prend aussi en
10 compte la fréquence des ondulations de celui-ci pour reconnaître à quel endroit se trouve le défaut, dans la première machine tournante et le câblage AC qui lui est relié, ou dans la seconde machine tournante et son câblage AC, ou dans une liaison DC.
Les tableaux suivant sont donnés pour illustrer l'application détaillée du système de protection à un système d'hybridation électrique. Chaque tableau liste pour chaque organe 15 de protection, les défauts qu'il protège, à partir de quelles mesures il les détecte, et par quel mode d'action, il agit. En complément, est donnée la consolidation possible pour confirmer ou infirmer une mesure, et le test possible de l'organe de protection, selon les quatre types de consolidation définis précédemment.
L'analyse est similaire sur les deux systèmes LP et HP, chacun constitué de la machine PMG et du convertisseur PE associé. Les tableaux suivants indiquent de façon générique « PMG » et « PE ».
5 Le contrôle du système de protection est mieux perçu avec le tableau suivant qui liste les défauts susceptibles d'entraîner un risque de feu, les mesures et consolidations effectuées pour vérifier la disponibilité de la protection qui sera alors activée pour éviter ce risque.
De façon générale, on notera que l'invention peut s'appliquer pour un système en mode moteur (propulsion) ou générateur, en simple canal ou en multicanaux, et aussi bien pour des machines triphasées que multi-phasées (avec un nombre de phases > 3), pour des
5 machines à aimants (PMG) ou des machines à rotor bobiné, avec le convertisseur électronique séparé de la machine et connecté par un câblage intermédiaire, ou au contraire intégrée ou collé à celle-ci avec des liaisons électriques très courtes.
L'invention peut s'appliquer à tout système d'hybridation électrique monté dans un autre porteur qu'un avion, hélicoptère, VTOL, etc..., comme à un système de propulsion électrique
10 associant plusieurs équipements.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de surveillance et de protection d'un système d'hybridation électrique contre le risque de feu, le système d'hybridation électrique comprenant deux machines tournantes ayant chacune au moins un bobinage statorique, chaque bobinage statorique étant associé à un convertisseur AC/DC, et un boîtier de distribution pour délivrer, à partir des tensions continues délivrées par les convertisseurs AC/DC et via une barre de distribution HVDC, une haute tension continue d'une part pour des charges locales et d'autre part pour le réseau électrique d'un aéronef, procédé caractérisé en ce qu'il est procédé à des mesures de courant et de tension dans le boîtier de distribution, les convertisseurs et les bobinages statoriques des machines tournantes et si, une fois ces mesures consolidées ensemble dans une carte de contrôle, le risque de feu est avéré, il est procédé sélectivement à une ouverture de contacteurs du boîtier de distribution et/ou des convertisseurs et une déconnexion mécanique des machines tournantes.
[Revendication 2] Procédé de surveillance et de protection selon la revendication 1, dans lequel la mesure d'un sur-courant ou d'une surtension dans le boîtier de distribution et/ou les convertisseurs ou encore la détection d'une température excessive ou d'une pression d'huile basse dans les machines tournantes entraîne l'ouverture des commutateurs des convertisseurs, l'ouverture du contacteur du boîtier de distribution puis la déconnexion mécanique de la machine tournante.
[Revendication 3] Procédé de surveillance et de protection selon la revendication 1, dans lequel la mesure d'un sur-courant en sortie du boîtier de distribution entraîne l'ouverture du contacteur ou du commutateur statique associé à la charge locale défectueuse et en cas de défaut d'ouverture, l'ouverture de tous les contacteurs ou commutateurs statiques associés aux autres charges locales.
[Revendication 4] Procédé de surveillance et de protection selon la revendication 1, dans lequel la mesure d'un sur-courant à une entrée côté convertisseur du boîtier de distribution, entraîne l'ouverture des commutateurs de ce convertisseur, suivi de l'ouverture du contacteur du boîtier de distribution, puis si nécessaire la déconnexion mécanique de la machine tournante.
[Revendication 5] Procédé de surveillance et de protection selon la revendication 1, dans lequel la détection d'un arc électrique dans une des machines tournantes entraîne la mise en court-circuit des commutateurs du convertisseur associé puis la déconnexion mécanique de la machine tournante.
[Revendication 6] Procédé de surveillance et de protection selon la revendication 1, dans lequel la détection d'un arc électrique sur le réseau électrique de l'aéronef entraîne l'ouverture du contacteur du boîtier de distribution.
[Revendication 7] Procédé de surveillance et de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les commutateurs des convertisseurs et du boîtier de distribution sont ouverts à chaque arrêt d'une machine tournante, à sa mise en route ou lors de sa maintenance.
[Revendication 8] Procédé de surveillance et de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'ouverture des contacteurs et commutateurs est définie par des paramètres de seuil et de durée de déclenchement déterminés pour chacun en fonction de la configuration du réseau électrique et de caractéristiques d'équipements du système d'hybridation électrique.
[Revendication 9] Procédé de surveillance et de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel il est effectué un test de déconnexion des machines tournantes périodiquement ou à chacun de leur arrêt.
[Revendication 10] Procédé de surveillance et de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les mesures de courant et de tension, de pression d'huile et de température sont consolidées ensemble dans un module de gestion et de traitement.
[Revendication 11] Procédé de surveillance et de protection selon la revendication 10, dans lequel le module de gestion et de traitement est disposé dans le boîtier de distribution.
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