EP4736310A1

EP4736310A1 - Procédé de contrôle d'une machine électrique en mode moteur par hybridation parallèle d'un réseau électrique auxiliaire

Info

Publication number: EP4736310A1
Application number: EP24737088.5A
Authority: EP
Inventors: Dimitri ALLARD; Joel Devautour; Jawad KARIM
Original assignee: Safran Electrical and Power SAS
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2023-06-30
Filing date: 2024-06-26
Publication date: 2026-05-06
Also published as: FR3150666A1; WO2025003242A1; CN121511556A

Abstract

L'invention concerne un système électrique pour aéronef comprenant un réseau principal (110) et un réseau auxiliaire (120) relié au réseau principal (110) et un dispositif de contrôle de la machine électrique tournante (111), le dispositif de contrôle comprenant : - un premier organe de contrôle (131) de tension du réseau principal (110) relié à l'unité de commande (113), le premier organe de contrôle (131) étant configuré pour contrôler le courant d'induction du rotor de la machine électrique tournante (111), - un deuxième organe de contrôle (132) du courant aux bornes de la machine électrique tournante (111) relié au module de commande (123), le deuxième organe de contrôle (132) étant configuré pour commander le courant généré par le convertisseur (122), le système électrique étant configuré pour prendre : - une configuration générateur dans laquelle la machine électrique tournante (111) transmet un courant électrique à l'au moins un composant électrique (200), et - une configuration moteur dans laquelle la valeur du courant en sortie du convertisseur (122) est supérieure à la valeur du courant de l'au moins un composant électrique (200), le système électrique passant de la configuration générateur à la configuration moteur, et inversement, en commandant le dispositif de contrôle (123).

Description

DESCRIPTION

Titre de l’invention : Procédé de contrôle d’une machine électrique en mode moteur par hybridation parallèle d’un réseau électrique auxiliaire.

[0001] L’invention concerne le domaine des systèmes électriques embarqués et des machines électriques tournantes génératrices d’une énergie électrique pour des composants consommateurs à l’intérieur d’un aéronef. De manière plus générale, l’invention concerne le domaine des réseaux électriques et de l’hybridation.

[0002] L’invention porte sur un système électrique pour un aéronef comprenant notamment un dispositif de contrôle d’une machine électrique et au moins un ensemble de stockage d'énergie électrique. Plus particulièrement, l’invention est un système électrique comprenant un dispositif d’hybridation parallèle des machines électriques à simple ou multiples étages avec un générateur statique permettant de fournir du couple moteur et assurer les besoins en génération du réseau aéronef.

[0003] Les machines électriques d'un aéronef sont des alternateurs - moteurs. La fonction moteur n'est aujourd'hui utilisée que dans le cadre d'un démarrage de réacteur (traditionnellement par une source d'énergie au sol). Les récentes évolutions sur les systèmes de stockage d'énergie permettent d'envisager rembarquement de nouvelles sources d'énergie dans les aéronefs. Ces dernières permettront de réaliser des fonctions d'hybridation de ces machines selon certaines phases de vol afin d'optimiser la consommation de carburant du réacteur pour des régimes à faible rendement.

[0004] De plus, les turbulences en vol provoquent des variations de puissance mécanique qui forcent à sur-dimensionner les réacteurs de l’aéronef afin d’éviter d’atteindre un régime d’instabilité.

[0005] De surcroît, les aéronefs embarquent aujourd’hui de plus en plus de composants électriques et notamment des onduleurs pour réaliser la fonction de démarrage électrique. Cependant ces onduleurs ne sont pas réutilisés par la suite du vol et peuvent alors être assimilés à un poids mort.

[0006] Enfin, le réseau électrique de puissance du système aéronef, lorsque les composants sont en fonction génération de courant, doit être alimenté en permanence. Or, ce besoin est un frein aux solutions d’hybridation car [0007] les machines électriques tournantes principales ne peuvent pas générer la puissance au réseau électrique aéronef et fournir du couple au réacteur au même instant.

[0008] Certains documents tels que le document EP 4087079 A1 traitent de cette problématique dans le domaine de l’aéronautique. Le document EP 4087079 A1 ne permet seulement une régulation de courant au niveau du convertisseur dans le réseau de l’aéronef. Or, la charge requise dans le réseau de l’aéronef étant variable, la puissance de cette dernière ne peut être compensée par la régulation. Autrement dit, le document EP 4087079 A1 permet une régulation du courant en sortie du convertisseur mais ne permet pas de renseigner d’un apport des systèmes de stockage d'énergie en direction de la machine tournante de l’aéronef.

[0009] Le document WO 2016/133503 A1 propose un dispositif facilitant le démarrage des systèmes propulseurs des aéronefs par le biais d’un couplage entre les systèmes d’entrainement mécaniques et les machines électriques tournantes de l’aéronef. Néanmoins, le document WO 2016/133503 A1 propose de soulager l’arbre de transmission devant sa charge principale, à savoir le couple propulsif, en transmettant une assistance en couple moteur. Or, dans un mode starter tel que divulgué, le dispositif selon le document WO 2016/133503 A1 ne cherche pas à maintenir la tension du réseau dans l’aéronef à une certaine valeur ce qui est essentiel lors de la phase de vol de l’aéronef.

[0010] L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un dispositif de contrôle des flux de puissance des machines électriques tournantes par deux contrôles distinct :

Un premier contrôle de la tension du réseau aéronef à une valeur constante par pilotage du courant rotorique de la machine électrique tournante.

Un deuxième contrôle des puissances liées à la machine électrique tournante par la source de courant du réseau d’hybridation connecté en parallèle du réseau principal.

[0011] A cet effet, l’invention a pour objet un système électrique pour aéronef comprenant un réseau principal et un réseau auxiliaire relié au réseau principal, le réseau principal comprenant :

Un système d’entraînement, Une machine électrique tournante reliée au système d'entrainement, la machine électrique tournante étant reliée à au moins un composant électrique, la machine électrique tournante comprenant un rotor et un stator, le rotor étant entraîné en mouvement par le système d’entraînement,

Une unité de commande de la machine électrique tournante, le réseau auxiliaire comprenant : au moins une batterie, alimentant en courant continu l’au moins un composant électrique, un convertisseur connecté à l’au moins une batterie et à l’au moins un composant électrique, configuré pour convertir le courant continu en un courant alternatif, un module de commande du convertisseur relié au convertisseur, configuré pour mesurer une tension entre la machine électrique tournante et l’au moins un composant électrique et pour mesurer une tension entre le convertisseur et l’au moins un composant électrique, le système électrique comprenant en outre un dispositif de contrôle de la machine électrique tournante, le dispositif de contrôle comprenant : un premier organe de contrôle de tension du réseau principal relié à l’unité de commande, le premier organe de contrôle étant configuré pour contrôler le courant d’induction du rotor de la machine électrique tournante de sorte à ce que la machine électrique tournante soit maintenue à une vitesse de rotation imposée, un deuxième organe de contrôle du courant aux bornes de la machine électrique tournante relié au module de commande, le deuxième organe de contrôle étant configuré pour commander le courant généré par le convertisseur lorsque le courant d’induction du rotor de la machine électrique tournante est régulé par le premier organe de contrôle de tension du réseau principal, le système électrique étant configuré pour prendre : une configuration générateur dans laquelle la machine électrique tournante transmet un courant électrique à l’au moins un composant électrique, et une configuration moteur dans laquelle la valeur du courant en sortie du convertisseur est supérieure à la valeur du courant de l’au moins un composant électrique, le système électrique passant de la configuration générateur à la configuration moteur, et inversement, en commandant le dispositif de contrôle.

[0012] Le système électrique permet avantageusement de contrôler le flux de puissance propulsive qui est alloué précisément à la turbine tout en maintenant la qualité du courant et de la tension dans le réseau de l’aéronef pour les consommateurs. En outre, ce contrôle ne dépend pas de la mesure de la position angulaire de la machine tournante ce qui peut-être contraignant.

[0013] Selon un aspect de l’invention, le système d’entraînement est un système d’entraînement rotatif.

[0014] Selon un aspect de l’invention, le réseau principal et le réseau auxiliaire sont des réseaux triphasés.

[0015] Selon un aspect de l’invention, le système électrique comprend un filtre disposé entre le convertisseur et l’au moins un composant électrique.

[0016] Selon un aspect de l’invention, le convertisseur est un onduleur.

[0017] L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

[0018] La figure 1 représente un système électrique pour aéronef selon l’invention,

[0019] La figure 2 représente un procédé de contrôle du système électrique de la figure 1 ,

[0020] La figure 3 représente une vue schématique du courant et de la tension du système électrique dans un diagramme de Fresnel.

[0021] Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

[0022] La figure 1 représente un système électrique 100 pour un aéronef. Le système électrique 100 comprend au moins deux branches en parallèle l’une de l’autre. Autrement dit, le réseau électrique 100 comprend un réseau principal 110 et un réseau auxiliaire 120.

[0023] Le réseau principal 110 comprend au moins une source de tension alternative 111 par prélèvement mécanique sur un système d'entrainement 112. La source de tension alternative 111 est une machine électrique tournante 111 à un ou plusieurs étages. La machine électrique tournante 111 comprend un rotor 1110 et un stator 1111 . Le rotor 1110 est mobile en rotation dans le stator 1111 de sorte à générer un courant d’induction en direction d’au moins un composant électrique 200 relié au système électrique 100 de l’aéronef.

[0024] La machine électrique tournante 111 est ainsi connectée, par le biais de son rotor, au système d’entraînement 112 qui permet d’entraîner en rotation le rotor de la machine électrique tournante 111.

[0025] Dès lors, la machine électrique tournante 111 est dans un état générateur de courant. En effet, le système d’entraînement 112 génère une énergie mécanique qui est transférée au rotor de la machine électrique tournante 111 qui assure une transformation de cette énergie mécanique en une énergie électrique, sous forme de courant mesurable dans le réseau principal 110, afin d’alimenter en tension l’au moins un composant électrique 200.

[0026] La machine électrique tournante 111 est également connectée à une unité de commande 113 de la tension. L’unité de commande 113 permet de commander la machine électrique tournante 111 de sorte à ce que la machine électrique tournante génère une tension fixe indépendamment du besoin des composant électrique 200 dans l’aéronef . L’unité de commande 113 régule la machine électrique tournante 111.

[0027] Le réseau auxiliaire 120 comprend quant à lui au moins un ensemble de stockage d'énergie électrique 121 configuré pour apporter un complément énergétique à l’au moins un composant électrique 200 et capable d’alimenter en courant continu l’au moins un composant électrique 200. Autrement dit, l’ensemble de stockage d’énergie électrique 121 est relié à l’au moins un composant électrique 200 et fournit un courant électrique continu à l’au moins un composant électrique 200.

[0028] L’unité de stockage d’énergie électrique 121 est préférentiellement une batterie 121 . Néanmoins tout dispositif de stockage ou de génération d’un courant continu peut être envisagé tel qu’une Ram air turbine par exemple. Dans la suite de la description, l’unité de stockage d’énergie électrique 121 est une batterie 121 .

[0029] Le réseau auxiliaire 120 comprend également un convertisseur 122 disposé entre la batterie 121 et l’au moins un composant électrique 200, configuré pour convertir le courant continu de la batterie 121 en un courant alternatif. La batterie 121 fournit ainsi un courant continu au convertisseur 122 qui la convertit.

[0030] Le réseau auxiliaire 120 comprend aussi un module de commande 123 du convertisseur 122, configuré pour mesurer une tension entre la machine électrique tournante 111 et l’au moins un composant électrique 200 et pour mesurer une tension électrique entre le convertisseur 122 et l’au moins un composant électrique 200. Le module de commande 123 du convertisseur 122 est également apte à mesurer le courant électrique entre la machine électrique tournante 111 et l’au moins un composant électrique 200 et à mesurer un courant électrique entre le convertisseur 122 et l’au moins un composant électrique 200. Le module de commande 123 est connecté au convertisseur 122.

[0031] Le réseau principal 110 et le réseau auxiliaire 120 sont donc deux réseaux électriques dissociés et reliés, tous deux, à l’au moins un composant électrique 200.

[0032] De manière facultative, le réseau auxiliaire 120 peut également comprendre un filtre 124 disposé entre le convertisseur 122 et l’au moins un composant électrique 200 configuré pour éliminer les harmoniques de tension liées au découpage du convertisseur 122 et de générer une tension triphasée sinusoidale au sein du réseau auxiliaire 120.

[0033] Le système électrique 100 comprend en outre un dispositif de contrôle 130 de la machine électrique tournante 111 . Le dispositif de contrôle 130 de la machine électrique tournante 111 comprend un premier organe de contrôle 131 de tension du réseau principal 110 relié à l’unité de commande 113. Le premier organe de contrôle 131 est configuré pour contrôler le courant rotorique d’induction de la machine électrique tournante 111 de sorte à faire varier ou maintenir la tension en sortie de la machine électrique tournante 111 . En effet, la force électromotrice générée par la machine électrique tournante 111 varie proportionnellement à la vitesse et au courant d’induction. Ainsi, lorsque la vitesse de rotation imposée par le réacteur varie, la tension en sortie de la machine électrique peut être contrôlée et maintenue constante en agissant directement sur le courant d’induction rotorique.

[0034] Autrement dit, la tension de la machine électrique tournante, et plus généralement du système électrique 100, dépend de la vitesse d’entraînement du système d’entraînement 112, c’est-à-dire la vitesse de rotation transmise par le système d’entraînement 112, du courant dans le réseau principal 110, aux bornes de la machine électrique tournante 111 et du courant d’induction du rotor de la machine électrique tournante. En effet, la tension V_P0R du système électrique 100 dépend de deux équations :

La chute de tension dans les enroulements du stator de la machine électrique tournante 111 qui dépend du courant dans le réseau principal 110 :

[0036] Où V_FEM représente une valeur de force électromotrice en Volt, R_s représente la résistance électrique de la machine électrique tournante 111 en Ohm, I_prin représente la valeur de courant à la machine électrique tournante 111 , L_s représente l’inductance statorique à la machine électrique tournante en Henry et V_P0R représente la valeur de tension dans le système électrique 100.

Et du module de la force électromotrice V_FEM dépendant de la vitesse électrique o>_eiec, du courant d'induction rotorique I_f en Ampère et du courant à la machine électrique tournante après transformation dans un le repère de Park :

[0038] Où M_a représente une valeur d’inductance mutuelle de la machine électrique tournante 111 en Henry, L_d et /^représentent la valeur de l’inductance de la machine électrique tournante 111 après un changement de repère par le biais d’une transformée de Park respectivement supportée selon l’axe d dans le repère de Park et supportée selon l’axe q dans le repère de Park et I_dprin représente la valeur de courant à la machine électrique tournante 111 après changement de repère vers le repère de Park supporté selon l’axe d du repère de Park. [0039] Au regard de ces deux équations (1 ) et (2), il est donc possible de relier la valeur de tension V_P0R dans le système électrique 100 à la vitesse électrique o>_eiec, au courant l_prin du réseau principal 110 et au courant d’induction rotorique l_f.

[0040] Ainsi le premier organe de contrôle 131 permet d’ajuster la commande du courant d’induction rotorique pour maintenir la valeur de tension V_P0R dans le système électrique 100 à une valeur constante par la régulation pour compenser aux variations du courant l_prin et de la vitesse électrique , a>_e(ec sans avoir nécessité de connaître leur valeur.

[0041] Maintenir une tension constante dans le réseau principal 110 et dans le système électrique 100 en agissant sur le courant du rotor de la machine électrique tournante 111 présente ainsi l’avantage de maintenir un potentiel électrique pour l’au moins un composant électrique 200 et d’éviter tout disfonctionnement de l’au moins un composant électrique 200 à cause d’une sous-tension non souhaitée.

[0042] Le dispositif de contrôle 130 de la machine électrique tournante 111 comprend également un deuxième organe de contrôle 132 du courant aux bornes de la machine électrique tournante 111 . Le deuxième organe de contrôle 132 est relié au module de commande 123. Le deuxième organe de contrôle 132 est configuré pour commander le courant généré par le convertisseur 122. En effet, La puissance du réseau principal 110 est fonction de la tension dans le système électrique 100 et du courant dans le réseau principal 110. Or, comme énoncé précédemment, la tension dans le système électrique 100 est maintenue constante par l’action du premier organe de contrôle 131 de la machine électrique tournante 111. Ainsi il est possible de piloter la puissance et la valeur du courant dans le réseau principal 110 en venant injecter un courant supérieur au besoin des consommateurs, à savoir l’au moins un composant électrique 200, avec le générateur statique, à savoir la batterie 121 . Le réseau auxiliaire 120 et l’au moins un composant électrique 200 forment alors une source réversible de puissance du point de vue de la machine électrique tournante.

[0043] La batterie 121 et le convertisseur 122 permet alors d’assurer les besoins du réseau électrique, c’est-à-dire l’au moins un composant électrique 200, sans connaître le courant consommé I_c par l’au moins un composant électrique 200.

[0044] Plus précisément, le deuxième organe de commande 132 permet d’agir sur le réseau auxiliaire 120 et sur la batterie 121 pour que la batterie 121 génère une valeur de courant prédéfinie. Ainsi, le deuxième organe de contrôle 132 peut commander la batteriel 21 de sorte que la batteriel 21 augmente le courant dans le réseau auxiliaire 120, en augmentant la valeur du courant généré, ou diminuer le courant dans le réseau auxiliaire 120, en diminuant la valeur du courant généré par la batterie 121 .

[0045] De cette manière, il est possible de contrôler le courant et donc la puissance du réseau principale 110 en faisant varier le courant dans le réseau auxiliaire 120. En effet, la valeur du courant dans le réseau électrique 100, qui alimente l’au moins un composant électrique 200, est définie comme la somme du courant dans le réseau principal 110, généré par la machine électrique tournante 111 , et du courant dans le réseau auxiliaire 120, converti par le convertisseur 122.

[0046] Autrement dit, la valeur du courant mesurée à l’au moins un composant électrique 200 peut être définie selon la formule suivante :

[0047] l_c Iprin " taux

[0048] Où I_c représente la valeur du courant à l’au moins un composant électrique 200, I_prin représente la valeur du courant dans le réseau principal 110, c’est-à-dire la valeur du courant générée par la machine électrique tournante 111 et l_aux représente la valeur du courant dans le réseau auxiliaire 120, généré par le convertisseur 122.

[0049] Or, le besoin en courant à l’au moins un composant électrique étant estimable, faire varier le courant dans le réseau auxiliaire 120 permet de faire varier la valeur du courant dans le réseau principal 110 généré par la machine électrique tournante 111. Le besoin en courant à l’au moins un composant électrique 200 n’est pas constant. Cependant, l’organe de contrôle 132 reste indépendant à cette variation.

[0050] Autrement dit, le deuxième organe de contrôle 132 permet d’imposer à la batterie 121 et au convertisseur 122 de générer une plus grande quantité de courant dans le réseau auxiliaire 120 pour compenser à la variation de courant dans l’au moins un composant électrique 200. Cet apport supplémentaire impacte alors la valeur du courant dans le réseau principal 110 et plus particulièrement la machine électrique tournante 111 dont la génération en courant est diminuée. [0051 ] Ainsi, pour une valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200, l’augmentation de la valeur du courant l_aux au réseau auxiliaire 120 induit à la diminution de la valeur du courant /_prindans le réseau principal 1 10.

[0052] Et, lorsque la valeur du courant l_aux au réseau auxiliaire 120 est supérieure ou égale à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200, alors la valeur du courant /_prindans le réseau principal 1 10 devient inférieure ou égale à zéro.

[0053] Dès lors, il est possible d’observer dans le réseau principal 1 10 une inversion du sens du courant de sorte que la machine électrique tournante 1 1 1 est dans un état moteur et absorbe du courant en provenance du réseau auxiliaire 120 pour générer un couple supplémentaire au système d’entrainement 1 12.

[0054] Autrement dit, la transmission de l’énergie est inversée et la machine électrique tournante 1 1 1 consomme l’énergie électrique, à savoir le courant dans le réseau principal 1 10 présent en excédent, de sorte à fournir une énergie mécanique en direction du système d’entraînement 1 12. La machine électrique tournante 1 11 bascule alors d’un état générateur à un état moteur.

[0055] Le deuxième organe de contrôle 132 permet donc de faire basculer la machine électrique tournante 1 1 1 d’un état générateur de courant à un état moteur et inversement en contrôlant le courant en sortie du convertisseur 122 et en augmentant notamment la valeur du courant /_au%au réseau auxiliaire 120 par rapport à la valeur du courant /_{p n}dans le réseau principal 1 10.

[0056] En effet, en augmentant la valeur du courant /_au%au réseau auxiliaire 120 de sorte à être supérieure à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200, alors le sens du courant dans le réseau principal 110 est inversé et l’état de la machine électrique tournante 1 1 1 bascule de générateur de courant à moteur. Et, en diminuant la valeur du courant /_au%au réseau auxiliaire 120 de sorte à être supérieure à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200, le deuxième organe de contrôle 132 permet alors à la machine électrique tournante 1 1 1 de basculer d’un état moteur à un état générateur de courant pour compenser la diminution du courant généré dans le réseau auxiliaire 120.

[0057] Le système électrique 100 est ainsi configuré pour prendre : une configuration générateur dans laquelle la machine électrique tournante 111 transmet un courant électrique à l’au moins un composant électrique 200, et une configuration moteur dans laquelle la valeur du courant en sortie du convertisseur 122 est supérieure à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200.

[0058] Autrement dit, dans la configuration générateur du système électrique 100, la valeur du courant I_aux au réseau auxiliaire 120 est inférieure à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200, la machine électrique tournante 111 est donc dans un état générateur de courant et la transmission de l’énergie se fait du système d’entraînement 112 vers le réseau principal 110 par l’intermédiaire de la machine électrique tournante 111 qui transforme une énergie mécanique et une énergie électrique.

[0059] Et, lorsque le système électrique 100 dans la configuration moteur, la valeur du courant I_aux au réseau auxiliaire 120 est supérieure à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200, la machine électrique tournante 111 est donc dans un état moteur et la transmission de l’énergie se fait du réseau principal 110 vers le système d’entraînement 112 par l’intermédiaire de la machine électrique tournante 111 qui transforme une énergie électrique et une énergie mécanique.

[0060] Aussi, dans ces deux configurations, moteur ou générateur, la vitesse électrique de la machine électrique tournante 111 est variable mais reste imposée par le système d’entrainement 112 tandis que la tension est maintenue constante positive par action du premier organe de contrôle 131 . Les flux de puissance sont donc déterminés par la valeur des courants dans le système électrique 100. Par analogie, le système d’entrainement 112 est une source de vitesse positive tandis que la machine électrique est une source réversible de couple.

[0061] Le système électrique 100 passe alors de la configuration générateur à la configuration moteur, et inversement, en commandant le dispositif de contrôle 130, et plus précisément le premier organe de contrôle 131 et le deuxième organe de contrôle 132.

[0062] Ainsi, une valeur de courant de bascule au niveau du convertisseur 122 peut être identifiée permettant d’observer la bascule de la machine électrique de l’état générateur de courant à l’état moteur et inversement, et donc du système électrique 100 de la configuration générateur à la configuration moteur et inversement. Cette valeur de courant de bascule est une valeur de courant I_aux au réseau auxiliaire 120 prédéterminée. De façon idéale, cette valeur de courant de bascule dans le réseau auxiliaire est égale à la valeur du courant I_c à l’au moins un composant électrique 200.

[0063] Le fait de fixer la tension dans le réseau principal 110 par l’action du premier organe de contrôle 131 présente ainsi l’intérêt de ne pas impacter l’au moins un composant électrique 200 dans son fonctionnement pendant la bascule de configuration entre la configuration moteur ou générateur opérée par l’action du deuxième organe de contrôle 132. Le dispositif de contrôle 130 agit alors en deux actions complémentaires et distinctes, une assurance d’avoir une tension fixée pour l’au moins un composant électrique 200 avant d’assurer un changement de configuration dans le système électrique 100, et particulièrement au niveau de la machine électrique tournante 111.

[0064] De manière avantageuse, le système d’entraînement 112 est un système d’entraînement rotatif tel qu’une turbine. Ce type de système d’entraînement présente l’avantage de ne pas nécessiter de conversion de mouvement entre le mouvement rotatif du système d’entraînement rotatif et la rotation du rotor de la machine électrique tournante 111.

[0065] En variante, un système d’entraînement transversal peut être envisagé avec un dispositif de conversion de la force générée en un couple d’entraînement du rotor de la machine électrique tournante 111.

[0066] De façon facultative, le réseau principal 110 et le réseau auxiliaire 120 sont des réseaux triphasés. En variante, le réseau principal 110 et le réseau auxiliaire 120 peuvent être des réseaux monophasés ou polyphasés.

[0067] A titre d’exemple indicatif, le convertisseur 122 peut être un onduleur. Néanmoins, tout dispositif de conversion d’un courant continu DC vers un courant alternatif AC peut être envisagé.

[0068] L’invention a également trait à un procédé de contrôle 1 du système électrique 100 représenté en figure 2. Le procédé de contrôle 1 du système électrique 100 comprend deux étapes pouvant être mises en oeuvre parallèlement l’une à l’autre, à savoir une étape de régulation de la puissance 2 dans le réseau principal 110 et une étape de régulation de la tension 3 dans le système électrique 100. L’étape de régulation de la puissance 2 et l’étape de régulation de la tension 3 sont deux étapes décorrélées l’une de l’autre, de sorte qu’il peut être envisagé, en fonction du besoin ou de la commande, de mettre en oeuvre l’une des étapes parmi l’étape de régulation de la puissance 2 ou l’étape de régulation de la tension 3 voire les deux simultanément.

[0069] L’étape de gestion de la puissance 2 comprend une première sous-étape de mesure 10 d’une première tension entre la machine électrique tournante 111 et l’au moins un composant électrique 200. Il est également envisagé, lors de la sous étape de mesure 10, de mesurer, lors de cette étape de mesure 10, une première valeur de courant entre la machine électrique tournante 111 et l’au moins un composant électrique 200.

[0070] A la suite de l’étape 10, l’étape de gestion de la puissance 2 comprend une sous étape de mesure 20 d’une deuxième tension entre le convertisseur 122 et l’au moins un composant électrique 200. Et, de manière similaire à la sous étape 10, il est également envisagé de mesurer, lors de cette sous étape de mesure 20, une deuxième valeur de courant entre le convertisseur 122 et l’au moins un composant électrique 200.

[0071 ] Ces deux sous étapes de mesure 10 et 20 sont mises en oeuvre par le biais du module de commande 123. Les sous étapes de mesure 10 et de mesure 20 permettent ainsi de connaître la puissance électrique, et notamment la valeur du courant dans le réseau principal 110, que peut fournir en temps réel la machine électrique tournante 111.

[0072] Ainsi, à la suite de la sous étape 10 et préférentiellement, à la suite des sous étapes de mesure 10 et 20, l’étape de gestion de la puissance 2 comprend une sous étape de calcul 30 d’une valeur de puissance apparente dans le réseau principal 110. La notion de puissance apparente est une valeur de puissance maximale disponible pour faire fonctionner l’au moins un composant électrique 200. La puissance apparente est la somme trigonométrique de la puissance active et de la puissance réactive.

[0073] D’une manière préférentielle, la puissance apparente peut être définie selon la formule suivante :

[0075] Où P représente la valeur de la puissance active dans le réseau principal 110 alors que Q représente la valeur de la puissance réactive dans le réseau principal 110.

[0076] Plus précisément, la puissance apparente est la somme trigonométrique de deux composantes, à savoir la puissance active et la puissance réactive. La puissance active permet de générer un travail ou de la chaleur tandis que la puissance réactive est une puissance improductive mais nécessaire aux dipôles inductifs et capacitifs pour générer un champ magnétique ou électrostatique respectivement. Autrement dit, la puissance active permet de provoquer une action ou un mouvement. La puissance active peut alors être interprétée comme la puissance “utile”. La puissance active utilise ainsi une partie de l’énergie mise à disposition par la puissance apparente. A l’inverse, la puissance réactive est une puissance qui ne permet pas de développer une action.

[0077] D’une autre manière, ce calcul peut se faire selon la formule suivante :

[0078] S = U_eff * I_eff pour un réseau monophasé et S = 3 * V_eff * i_eff (2) pour un réseau triphasé,

[0079] Où S représente la valeur de puissance apparente disponible dans le réseau principal 110, U_eff représente la valeur de tension efficace mesurable dans le réseau principal, et I_eff représente la valeur de courant efficace mesurable dans le réseau principal. Dans un repère triphasé, V_eff représente alors la valeur de tension phase neutre et i_eff la valeur de courant de phase efficace.

[0080] Néanmoins tout autre moyen permettant de calculer la valeur de la puissance apparente disponible dans le réseau principal 110 peut être envisagé.

[0081] De plus, il peut également être envisagé de directement mesurer cette valeur de puissance en plus de la tension et du courant dans le premier réseau 110.

[0082] Après avoir calculé la valeur de puissance apparente du réseau principal 110, il est possible de déterminer, lors d’une étape de détermination 40, la valeur de puissance active P et la valeur de puissance réactive Q. [0083] Pour ce faire, de manière préférentielle, l’étape de détermination 40 comprend une sous étape d’observation 45 des caractéristiques physiques du réseau principal 110 et du réseau auxiliaire 120. En effet, il est nécessaire afin d’effectuer par la suite un changement de repère, d’observer la position du réseau principal 110 par rapport au réseau auxiliaire 120. Plus précisément, il est nécessaire que le courant et la tension mesurable au niveau du réseau principal 110 et du réseau auxiliaire 120 possèdent la même fréquence et la même phase.

[0084] Pour ce faire, le procédé de contrôle 1 applique une fonction de boucle à phase asservie ou PLL qui permet de garantir que le courant et la tension au réseau principal 110 connecté au réseau auxiliaire 120 ont la même fréquence et la même phase.

[0085] S’en suit alors une sous étape de transformation 50 de la valeur de puissance active P et de la valeur de puissance réactive Q selon une transformation de Park. Il s’agit alors de faire un changement de repère dans le repère vectoriel de Park dans le référentiel du PLL. Dès lors, dans le repère vectoriel de Park dans le référentiel du PLL, la valeur de puissance active P et la valeur de puissance réactive Q s’écrivent selon les formules suivantes :

[0088] Où ’et g’ représentent les deux axes du repère vectoriel de Park dans le référentiel du PLL. V_d, représente ainsi la valeur de la première tension selon l’axe d’ alors que I_d, représente la valeur du premier courant selon l’axe d’. Et, V_q, représente ainsi la valeur de la première tension selon l’axe g’ alors que I_q, représente la valeur du premier courant selon l’axe q’.

[0089] S’en suit alors une sous étape de découplage 60 de la valeur de puissance active transformée et de la valeur de puissance réactive transformée. Pour ce faire, le procédé d’alimentation 1 applique une fonction de boucle à phase asservie ou PLL à la valeur de puissance active transformée et à la valeur de puissance réactive transformée. La fonction PLL permet d’estimer la position du réseau principal 110, cette fois dans le référentiel du PLL, qui, par transformée de Park dans le référentiel du PLL, impose la condition suivante : [0090] V_q, = 0

[0091 ] Autrement dit, la fonction PLL permet de déterminer un angle imposant la valeur de tension sur le l’axe du repère vectoriel du PLL q’ tel que Vq' = 0.

[0092] A titre indicatif, la fonction PLL utilisée lors de la sous étape 45 peut être de manière préférentielle identique à la fonction PLL de la sous étape de découplage 60.

[0093] Le repère de la machine électrique tournante (c/,q) et le repère du PLL (cf, q’) provienne tous deux de transformées de Park du repère triphasé de la machine électrique tournante. Néanmoins, ces deux repères présentent des fonctions différentes. Le repère de la machine électrique tournante (d,q) permet, par le biais de la transformation de Park, de faire porter les flux de puissance uniquement sur un seul axe du repère de sorte à faciliter le contrôle de la machine électrique tournante 111 , alors que le repère du PLL (cf, q’) permet de faire porter la tension dans le système électrique 100 sur un seul axe du repère permettant de découpler les puissances sur un axe du repère distinct. La puissance actif est alors portée sur l’axe d’ alors que la puissance réactive est portée sur l’axe g’.

[0094] L’étape de gestion de la tension 3 comprend quant à elle une sous étape de mesure 300 d’une tension à la machine électrique tournante 111. S’en suit alors une sous étape de mesure 301 d’un courant d’induction rotorique à la machine électrique tournante 111. Après avoir mesuré la tension à la machine électrique tournante et la valeur du courant d’induction au rotor de la machine électrique tournante lors des sous étapes 300 et 301 , l’étape de gestion de la tension 3 comprend une sous étape de contrôle de la tension 302 dans le système électrique 100.

[0095] Il s’agit, lors de la sous étape 302, de maintenir la tension dans le réseau électrique 100 et à la machine électrique tournante 111 , à une valeur de tension fixe. La tension dans le système électrique est alors contrôlée.

[0096] A la suite de la sous étape 60, l’étape de gestion de la puissance 2 comprend une étape de contrôle 70 des puissances dans le réseau principal. Il s’agit, lors de l’étape 70, de modifier la valeur de courant en sortie du convertisseur 122. Cette étape de contrôle 70 permet de faire varier la valeur du courant I_aux au réseau auxiliaire 120 autour de la valeur de courant de bascule permettant faire basculer le système électrique entre la configuration générateur et a configuration moteur. Or, comme énoncé précédemment, le courant à l’au moins un composant 200 étant la sommes des courants dans le réseau principal 110 et dans le réseau auxiliaire 120, augmenter la valeur du courant dans le réseau auxiliaire induit à une diminution de la valeur du courant dans le réseau principal 110, en sortie de la machine électrique tournante 111 . Et, la valeur de puissance étant directement proportionnelles à la valeur du courant, la diminution du courant dans le réseau principal 110 implique une diminution de la valeur de puissance dans le réseau principal 110 jusqu’à une inversion du sens de la puissance à la machine électrique tournante 111. Dès lors, le courant et la puissance dans le réseau principal 110 est contrôlé et la machine électrique tournante 111 peut être commandée pour basculé d’un état générateur de courant à un état moteur et inversement.

[0097] En outre, afin de ne pas impacter l’au moins un composant électrique 200 lors d’une bascule entre les configurations générateur et moteur, il est nécessaire de fixer la tension dans le système électrique 100 avant de faire varier le courant et la puissance dans le réseau principal. Ainsi, le procédé de contrôle 1 peut comprendre une étape conditionnelle 310. L’étape conditionnelle 310 impose ainsi que la mise en oeuvre de l’étape 70 permettant de contrôler le courant dans le réseau auxiliaire 120 et dans le réseau principal 110 ne soit permise que si la tension dans le système électrique 100 est fixe, c’est-à-dire après la mise en oeuvre de l’étape 302.

[0098] Dès lors, afin de garantir un bon fonctionnement de l’au moins un composant électrique 200 durant une bascule entre une configuration moteur et une configuration générateur ou inversement, un lien de corrélation peut être appliqué entre l’étape de contrôle des puissances 2 et l’étape de contrôle de la tension 3, par le biais de l’étape conditionnelle 310.

[0099] Enfin, le procédé de contrôle 1 comprend, à la suite de l’étape 70 et de l’étape 302, une étape d’identification 80 de la configuration du système électrique 100 et de l’état de la machine électrique tournante 111. Cette étape d’identification 80 permet de savoir si la machine électrique tournante 111 est dans l’état générateur de courant ou moteur et si le système électrique est dans la configuration générateur de courant ou moteur.

[0100] Maintenant qu’il est acquis que la tension du système électrique 100 est régulée à la machine électrique tournante 111 à une valeur constante et que la puissance du système électrique 100 est régulée par l’ensemble batterie 121 et convertisseur 122 pour n’imposer qu’une puissance active, il est possible d’observer l’impact en terme de puissance mécanique au niveau de la machine électrique tournante 111.

[0101] Dans un diagramme de Fresnel, représenté en figure 3, il est possible de placer la tension V_P0R du système électrique 100 en opposition de phase avec le courant l_prin car la tension V_P0R est positive, le courant l_prin est négatif et absorbé par la machine électrique tournante en configuration moteur. La puissance réactive est, comme indiqué précédemment, nulle.

[0102] La valeur efficace de la force électromotrice V_PEM s’écrit alors :

[0107] Comme observé sur le diagramme de la figure 3, cette tension V_FEM est projetée sur l’axe q du repère de Park, conformément à la loi de Lenz Faraday.

[0108] La puissance utile P_u apportée à la machine s’écrit comme :

[0109] P_u = -l_q\V_PEM\

[0110] Avec Iq la projection du courant I_prin sur l’axe q du repère. Il est également possible de remarquer par construction géométrique que

[0111] /g = - \I_prin\ cos(ô)

[0112] Ainsi la puissance utile P_u s’exprime comme :

[0114] Dès lors, le deuxième organe de contrôle 132 impose au réseau principal 110 un facteur de puissance unitaire, ainsi :

[0115] P_u = Pelec₁₃₂ ~ ^pj stator [0116] Où P_eiec₁₃₂ représente la valeur de la puissance active impose par le deuxième organe de contrôle 132 et Pj_stator représente les pertes joules statoriques.

[0117] De plus, le courant rotorique d’induction régulé que le premier organe de contrôle 131 impose est alors défini comme :

[0119] La puissance transmise est donc assurée moyennant les pertes joules statoriques. A cela s’ajoute les pertes fers et les pertes joules rotoriques résultants de la variation du courant d’induction rotorique I_f .

[0120] Le dispositif de contrôle 130 fonctionne dans les limites de saturation magnétique de la machine électrique tournante 111. Ainsi la puissance en couple moteur qu’il est possible de développer est limitée lorsque la machine électrique tournante 111 est en configuration moteur.

[0121] L’invention concerne donc un dispositif de contrôle 130 des flux de puissance d’une machine électrique tournante par deux contrôles distincts :

Un contrôle de la tension du réseau principal 110 à une valeur constante par l’électronique de pilotage du courant rotorique de la machine électrique tournante 111 réalisé par le premier organe de contrôle 131 ,

Et un contrôle des puissances, et plus particulièrement des courants, liés à la machine électrique tournante 111 par le convertisseur 122 connecté en parallèle du réseau principal 111.

[0122] La machine électrique tournante 111 est ainsi régulée, par le premier organe de contrôle 131 , en tension dans le réseau principal 111 en pilotant le courant d’induction rotorique. La tension de sortie de la machine électrique tournante 111 dépend en partie de la force électromotrice du rotor et donc de ce courant d’induction. Il est alors possible de contrôler la tension en sortie de la machine électrique tournante 111 par action sur le courant d’excitation.

[0123] La puissance du système électrique 100 étant fixée par les charges, à savoir l’au moins un composant électrique 200, les courants en sortie du convertisseur 122 vont progressivement survenir à la totalité de la puissance nécessaire des charges. Dès lors, les courants de la machine électrique tournante sont nuis. Puis, le signe des courants dans la machine électrique tournante 111 s’inverse afin d’inverser le signe du couple électromagnétique et passer dans le cadrant moteur.

[0124] Le dispositif de contrôle 130 présente l’avantage d’avoir un contrôle des puissances du réseau principal 110 non intrusif quant au système de régulation de la tension. En outre, il n’est pas nécessaire de multiplier les connexions électroniques entre la machine électrique tournante 111 et le convertisseur 122.

[0125] Le dispositif de contrôle 130 présente également l’avantage de permettre un fonctionnement de la machine électrique tournante 111 en mode moteur tout en garantissant la génération de puissance électrique dans le système électrique.

[0126] Enfin, le dispositif de contrôle 130 l’intérêt de permettre la réutilisation d’une partie de la puissance voire une compensation d’énergie mécanique si besoin en provenance de moyens de stockage électrique comme les batteries 121 .

Claims

REVENDICATIONS

1 . Système électrique (100) pour aéronef comprenant un réseau principal (110) et un réseau auxiliaire (120) relié au réseau principal (110), le réseau principal (110) comprenant :

- Un système d’entraînement (112),

Une machine électrique tournante (111 ) reliée au système d'entrainement (112), la machine électrique tournante (111 ) étant reliée à au moins un composant électrique (200), la machine électrique tournante (111 ) comprenant un rotor et un stator, le rotor étant entraîné en mouvement par le système d’entraînement (112),

Une unité de commande (113) de la machine électrique tournante (111 ), le réseau auxiliaire (120) comprenant : au moins une batterie (121 ), alimentant en courant continu l’au moins un composant électrique (200), un convertisseur (122) connecté à l’au moins une batterie (121 ) et à l’au moins un composant électrique (200), configuré pour convertir le courant continu en un courant alternatif,

- un module de commande (123) du convertisseur (122) relié au convertisseur

(122), configuré pour mesurer une tension entre la machine électrique tournante (111 ) et l’au moins un composant électrique (200) et pour mesurer une tension entre le convertisseur (122) et l’au moins un composant électrique (200), le système électrique comprenant en outre un dispositif de contrôle de la machine électrique tournante (111 ), le dispositif de contrôle comprenant : un premier organe de contrôle (131 ) de tension du réseau principal (110) relié à l’unité de commande (113), le premier organe de contrôle (131 ) étant configuré pour contrôler le courant d’induction du rotor de la machine électrique tournante (111) de sorte à ce que la machine électrique tournante (111 ) soit maintenue à une vitesse de rotation imposée, un deuxième organe de contrôle (132) du courant aux bornes de la machine électrique tournante (111 ) relié au module de commande (123), le deuxième organe de contrôle (132) étant configuré pour commander le courant généré par le convertisseur (122) lorsque le courant d’induction du rotor de la machine électrique tournante (111 ) est régulé par le premier organe de contrôle (131 ) de tension du réseau principal (110), le système électrique étant configuré pour prendre : une configuration générateur dans laquelle la machine électrique tournante (111 ) transmet un courant électrique à l’au moins un composant électrique (200), et une configuration moteur dans laquelle la valeur du courant en sortie du convertisseur (122) est supérieure à la valeur du courant de l’au moins un composant électrique (200), le système électrique passant de la configuration générateur à la configuration moteur, et inversement, en commandant le dispositif de contrôle (123).

2. Système électrique pour aéronef (100) selon la revendication 1 , dans lequel le système d’entraînement (112) est un système d’entraînement rotatif.

3. Système électrique pour aéronef (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le réseau principal (110) et le réseau auxiliaire (120) sont des réseaux triphasés.

4. Système électrique pour aéronef (100) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant un filtre (124) disposé entre le convertisseur (122) et l’au moins un composant électrique (200).

5. Système électrique pour aéronef (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le convertisseur (122) est un onduleur.