FR2899401A1 - Convertisseur de courant pour aeronef a caracteristiques de sortie de tension ameliorees - Google Patents
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Abstract
Convertisseur de courant alternatif triphasé en courant continu pour aéronef ayant un filtre d'entrée, un transformateur de puissance, un redresseur, un filtre de sortie et une charge fictive qui réalise une régulation améliorée de la tension sur un intervalle de charges de courant de sortie. Le transformateur comprend un primaire et une paire d'enroulements secondaires. Le filtre d'entrée reçoit un courant alternatif multiphasé d'entrée et est connecté pour fournir un courant d'entrée filtré au primaire du transformateur, les enroulements secondaires étant connectés au redresseur. Le redresseur présente une sortie de courant continu connectée au filtre de sortie. La charge fictive est connectée au niveau du filtre de sortie et est conçue pour prélever suffisamment de courant à la sortie de courant continu pour que le convertisseur fonctionne avec une caractéristique I-V sensiblement linéaire sur un intervalle de charges allant d'une faible charge inférieure à 5 ampères à une forte charge supérieure à 50 ampères.
Description
t CONVERTISSEUR DE COURANT POUR AERONEF A CARACTERISTIQUES DE SORTIE DE
TENSION AMELIOREES La présente invention concerne d'une façon générale les sources d'alimentation électriques et, plus particulièrement, des sources d'alimentation électrique utilisées à bord d'aéronefs pour convertir du courant alternatif en courant continu servant à faire fonctionner divers systèmes d'un aéronef. La figure 1 représente une source d'alimentation électrique d'aéronef de l'art antérieur sous la forme d'un convertisseur de courant alternatif en courant continu qui reçoit d'un générateur de l'aéronef un courant alternatif triphasé d'entrée. Cette alimentation d'entrée peut être, ce qui est fréquent, du courant alternatif triphasé de 200 V à 400 Hz. Le convertisseur réduit par paliers ce courant d'entrée dans un transformateur d'alimentation Ti, redresse la tension secondaire et filtre celle-ci pour produire une tension continue de sortie de 28 V. Plus particulièrement, l'entrée triphasée est fournie par l'intermédiaire d'un filtre d'entrée d'un réseau en L et est connectée suivant une configuration en Y au primaire du transformateur d'alimentation Ti. Le transformateur a deux secondaires, un premier connecté à l'aide d'une topologie 0 et l'autre à l'aide d'une topologie Y. Ces secondaires sont connectés à un redresseur sous la forme d'une rangée de diodes de puissance CR1-CR12 qui assurent un redressement pleine onde de la tension secondaire, les extrémités à basse tension étant connectées à la terre par l'intermédiaire d'un transformateur interphase T2 qui sert à réaliser un couplage magnétique des formes d'ondes A et Y. Le transformateur interphase comprend une paire de prises de tension plus élevée qui sont connectées à un relais Z1 de détection de coupure qui fournit des informations sur l'état du convertisseur destinées à être utilisées, par exemple, par un système FADEC. La sortie positive du redresseur est connectée à une résistance stabilisatrice R1 de 40 S2, 25 W qui limite la tension de sortie dans des conditions de charge nulle ou basse, et un réseau de filtres en n qui comprend deux condensateurs de 94 F séparés par une inductance de 0,1 mû, 0,3 (valeurs mesurées à 1 kHz). Sur la figure 1, B1 est un moteur de ventilateur servant à refroidir les composants du circuit, J1 est une prise femelle (par exemple une prise MS 3102R-20-17P) et TB1 est une plaque à bornes. Un circuit typique de l'art antérieur construit selon la vue schématique de la figure 1 a une caractéristique de tension de sortie qui dépend fortement de la charge. 1 s Par exemple, pour un circuit qui produit un courant continu de sortie d'une tension nominale de 28 V, la sortie en l'absence de charge du circuit peut être un courant continu de 33 V, tandis qu'une sortie à forte charge (c'est-à-dire un courant de sortie d'une intensité supérieure à 50 ampères) peut être un courant continu de moins de 27 V, la tension de sortie continuant à diminuer à mesure qu'augmente la charge. Cette courbe de tension de sortie par rapport à la charge est presque linéaire, sauf en cas de faibles charges (c'est-à-dire inférieures à 5 ampères). Il en résulte que la source d'alimentation électrique assure une régulation limitée d'environ 28 % (c'est-à-dire une oscillation d'un maximum d'environ 8 volts autour d'un courant continu d'une tension nominale de 28 V). En outre, la tension ondulée constatée à la sortie du convertisseur est ordinairement d'environ 1,5 V c-c (volts crête-à-crête). Bien que la caractéristique de tension ondulée puisse satisfaire les exigences en vigueur telles que la norme MIL-STD 704, ces valeurs de forte ondulation d'alimentation peuvent néanmoins avoir une incidence non souhaitable sur des communications et d'autres systèmes embarqués. Traditionnellement, une amélioration de la régulation du niveau et de l'ondulation de la tension de sortie a été obtenue à l'aide de topologies d'asservissement à rétroaction comme des régulateurs linéaires, des thyristors à déclenchement et des régulateurs de tension à modulation de durée d'impulsion ou autre mode de commutation. Ces systèmes de rétroaction contrôlent la tension de sortie et règlent leur fonctionnement en conséquence pour parvenir à une sortie bien régulée. Des caractéristiques de sortie typiques pour une alimentation en courant continu de 28 V/100 ampères comprennent une régulation de tension avec une marge de courant continu de 1 V et une tension ondulée de 0,4 V c-c. Cependant, une régulation améliorée utilisant ces configurations de circuit peut présenter quelques inconvénients. Par exemple, les régulateurs linéaires ont une efficacité relativement faible puisque beaucoup d'énergie est perdue sous la forme de chaleur, ce qui peut nécessiter d'importantes mesures de gestion thermique. Par ailleurs, les sources d'alimentation à mode de commutation peuvent produire beaucoup de parasites électromagnétiques et ils nécessitent l'utilisation de dispositifs actifs qui peuvent être beaucoup moins fiables que des dispositifs passifs tels que des résistances, des condensateurs, des diodes et des inductances. Cette fiabilité peut être importante en aéronautique. Selon l'invention, il est proposé un convertisseur de courant multiphasé de courant alternatif en courant continu pour aéronef ayant un filtre d'entrée, un 2 transformateur d'alimentation, un redresseur, un filtre de sortie, et une charge fictive, qui assure une régulation de tension améliorée sur toute une gamme de charges de courant de sortie. Le transformateur comprend un primaire et une paire d'enroulements secondaires. Le filtre d'entrée reçoit du courant alternatif multiphasé d'entrée et est connecté pour fournir un courant d'entrée filtré au primaire du transformateur, les enroulements secondaires étant connectés au redresseur. Le redresseur fournit une sortie de courant continu qui est connectée au filtre de sortie. La charge fictive est connectée au niveau du filtre de sortie et prélève suffisamment de courant à la sortie de courant continu pour que le convertisseur fonctionne avec une caractéristique I-V sensiblement linéaire sur un intervalle de charges allant d'une faible charge inférieure à 5 ampères à une forte charge supérieure 50 ampères. Dans une forme de réalisation, la charge fictive peut comprendre une ou plusieurs résistances ayant une valeur totale de résistance suffisante pour prélever la quantité nécessaire de courant. Egalement, dans une autre forme de réalisation, le filtre de sortie peut comprendre un condensateur de sortie à grand stockage (par exemple, 1000 F ou plus) qui filtre le courant ondulé issu du redresseur et peut réaliser une régulation d'ondulation de tension de moins de 1,0 V c-c. Le condensateur de sortie peut réaliser une régulation d'ondulation de tension de moins de 0,5 V c-c.
Le filtre de sortie peut comporter une inductance en série avec la sortie de courant continu. Le filtre de sortie peut comporter un filtre de sortie de réseau en L. La charge fictive peut comporter plusieurs résistances de forte puissance en parallèle les unes avec les autres.
Le redresseur peut comporter plusieurs diodes connectées pour effectuer un redressement pleine onde de la tension issue des enroulements secondaires, et la charge fictive peut comporter une ou plusieurs résistances ayant une valeur totale de résistance telle que ladite charge fictive prélève suffisamment de courant par l'intermédiaire des diodes à une charge de courant de sortie nulle pour faire fonctionner les diodes à leur pleine tension de conduction directe. Le primaire peut être connecté pour recevoir du courant d'entrée suivant une configuration en Y, l'un des enroulements secondaires peut être connecté en configuration A et l'autre des enroulements secondaires peut être connecté en configuration Y, et le redresseur peut comporter deux groupes de diodes, chaque groupe étant connecté à l'un des enroulements secondaires pour réaliser un redressement pleine onde, lesdites diodes étant connectées, au niveau de leurs extrémités de basse tension, à la terre par l'intermédiaire d'un transformateur interphase. Le convertisseur peut recevoir un courant alternatif triphasé non régulé de 200 V à 400 Hz et peut fournir une sortie de courant continu à variation de tension non supérieure à 3 volts pour une série de charges allant de 0 à 150 ampères d'intensité avec une ondulation de tension inférieure à 0,5 V c-c. Le convertisseur peut ne contenir que des composants passifs sans rétroaction.
Selon un autre aspect, l'invention propose un convertisseur de courant alternatif en courant continu multiphasé pour aéronef qui comporte une pluralité de lignes d'entrée servant à recevoir un courant alternatif triphasé d'entrée ; un transformateur d'alimentation ayant un primaire et une paire d'enroulements secondaires, ledit primaire étant connecté auxdites lignes d'entrée en configuration en Y afin de recevoir le courant alternatif triphasé d'entrée ; un redresseur comprenant une pluralité de diodes connectées sous la forme d'un redresseur pleine onde pour ainsi fournir une sortie de courant continu, lesdits enroulements secondaires dudit transformateur comprenant un premier enroulement connecté à un premier groupe desdites diodes en configuration A et un second enroulement connecté à un second groupe desdites diodes à configuration en Y, lesdites diodes étant connectées à la terre par l'intermédiaire d'un transformateur interphase ; une charge de résistance montée sur ladite sortie de courant continu dudit redresseur ; et un filtre de sortie comportant au moins un condensateur connecté qui filtre la sortie de courant continu du redresseur et réalise une régulation de l'ondulation de tension ; ladite charge de résistance prélevant suffisamment de courant par l'intermédiaire desdites diodes pour faire fonctionner lesdites diodes à leur pleine tension de conduction directe indépendamment de la présence d'une charge externe. Le filtre de sortie peut comporter une inductance série avant le condensateur, le condensateur peut avoir une capacité de 1000 F ou plus et le filtre de sortie peut fournir une tension inférieure à 1,0 V c-c. La charge de résistance peut prélever suffisamment de courant à la sortie de courant continu pour que le convertisseur fonctionne à une caractéristique I-V sensiblement linéaire sur un intervalle de charges allant d'une faible charge inférieure à 5 ampères à une forte charge supérieure à 50 ampères.35 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un convertisseur de courant alternatif triphasé en courant continu pour aéronef, selon l'art antérieur, qui fonctionne à partir d'un courant alternatif nominal de 200 V à 400 Hz et fournit un courant continu de sortie de 28 V conçu pour faire face à des charges de 0 à 100 ampères ; la figure 2 est une représentation schématique d'un convertisseur de courant alternatif triphasé en courant continu pour aéronef, selon l'invention ; et la figure 3 est un graphique comparant les caractéristiques de sortie I-V des circuits des figures 1 et 2.
La figure 2 représente une forme de réalisation de la présente invention. Ce circuit est similaire au convertisseur de la figure 1 relevant de l'art antérieur en ce qu'il utilise le même filtre d'entrée, un transformateur de forme d'onde Y en forme d'onde A-Y, et un agencement de circuit redresseur pour convertir le courant alternatif triphasé de 200 V à 400 Hz en courant continu de sortie de 28 V, de 0 à 100 ampères. Il comprend également le transformateur interphase T2, le relais Z1 de détection de coupure et le moteur B1 de ventilateur, la prise femelle J1 et la plaque à bornes TB1 connectés comme expliqué plus haut. Cependant, à la différence du circuit de la figure 1 relevant de l'art antérieur, le circuit de la figure 2 utilise une charge fictive d'étage de sortie combinée et un filtre de capacité supérieure pour produire un niveau de tension amélioré et une meilleure régulation des ondulations.
La régulation améliorée du niveau de tension est obtenue à l'aide d'une plus faible valeur de résistance ohmique de charge de 10 f2 (mise en oeuvre comme représenté sur la figure 2 par quatre résistances R1, R2, R3, R4 de 40 ,ç2 25 W en parallèle). Cette charge fictive fait plus que servir simplement de résistance stabilisatrice û elle prélève un courant très suffisant même en l'absence de charge à la sortie du convertisseur de sorte que le convertisseur fonctionne toujours dans la partie sensiblement linéaire de sa tension inhérente de sortie par rapport à la caractéristique du courant de charge. Dans cette forme de réalisation, la charge fictive prélève suffisamment de courant, par l'intermédiaire des diodes de puissance CR1-CR12, pour les rapprocher de leur tension complète de conduction directe (par exemple, 0,7 volt), même en les maintenant légèrement chauffées afin que leur caractéristique de tension ne change pas beaucoup, même à pleine charge de sortie. Le rapport de transformation du transformateur T1 est légèrement réduit (d'environ 2 à 3 %) pour compenser la tension de sortie réduite en l'absence de charge qui résulte de cette charge fictive. Cela peut se faire en réduisant de 2 à 3 spires (sur un nombre habituel d'environ 100 spires) chacun des enroulements primaires du transformateur T1. Dans la forme de réalisation de la figure 2, cette utilisation d'une charge fictive pour améliorer la régulation du niveau de tension est réalisée en combinaison avec un filtre de sortie de réseau en L qui utilise une inductance de 1,9 mn, 53,8 H (valeurs mesurées à 1 kHz) sur la ligne de sortie de tension positive, suivi d'un condensateur de 3000 F monté sur les bornes de sortie. Ce filtre à capacité accrue en combinaison avec la charge fictive assure une amélioration d'environ 30 à 60 % de la régulation du niveau de tension et une amélioration d'environ 50 à 95 % de la régulation des ondulations de tension. Par exemple, le circuit représenté sur la figure 2 peut assurer une variation de la tension de sortie d'environ 3 à 5 volts depuis une absence de charge jusqu'à 100 ampères et, en même temps, assurer une amplitude d'ondulation ne dépassant pas 1,0 V c-c, de préférence ne dépassant pas 0,5 V c-c, et, dans une forme de réalisation particulièrement préférée, ne dépassant pas 0,2 V c-c. Par ailleurs, cette régulation de tension s'accomplit en utilisant seulement des dispositifs passifs et sans rétroaction. Elle fournit donc une tension de sortie régulée similaire à celle obtenue par des méthodes d'asservissement à rétroaction sans la faible efficacité de régulateurs linéaires, les parasites électromagnétiques des alimentations en mode commutation et la fiabilité réduite de ces alimentations et des alimentations par thyristors. La figure 3 illustre une comparaison de la caractéristique IV de sortie du circuit de la figure 1 relevant de l'art antérieur avec la forme de réalisation de la figure 2. Comme on peut le voir, la caractéristique I ùV du circuit de la figure 2 est sensiblement linéaire sur l'intervalle allant de faibles charges (moins de 5 ampères) à de fortes charges (plus de 50 ampères) et inclusivement jusqu'à 150 ampères, et elle est hautement linéaire pour toutes les charges de sortie de 5 ampères ou plus. La régulation assurée par le circuit de la figure 2 est de + 1,0 V de courant continu dans l'intervalle de 1 à 150 ampères et ne s'élève qu'à 1,25 V de courant continu sur tout l'intervalle de 0 (absence de charge) à 150 ampères. Il doit être entendu que la description ci-dessus porte sur un ou plusieurs exemples préférés de formes de réalisation de l'invention. L'invention ne se limite pas à la/aux formes de réalisation décrites ici. Par ailleurs, les termes figurant dans la description qui précède concernent des formes de réalisation particulières et ne doivent pas être interprétées comme limitant le cadre de l'invention ni la définition de termes utilisés dans les revendications, sauf si un terme ou une expression est expressément défini plus haut. Diverses autres formes de réalisation et divers changements et modifications apportés à la/aux formes de réalisation décrites apparaîtront aux spécialistes de la technique. Par exemple, la résistance de la charge fictive peut être placée après le filtre de sortie plutôt qu'avant celui-ci, comme représenté sur la figure 2. Par ailleurs, d'autres configurations de filtres de sortie peuvent être utilisées dans la mesure où elles produisent un niveau d'ondulation de tension qui est acceptable pour une application particulière. En outre, les valeurs et la conception schématique de composants spécifiques décrites ici servent à donner un exemple spécifique d'une forme de réalisation utilisable pour une application particulière û une source d'alimentation électrique de courant alternatif de 200 V converti en courant continu de 28 V pour aéronef. D'autres applications utiliseront d'autres composants, valeurs de composants et conceptions de circuits. Au sens de la présente description et des revendications ci-après, les expressions "par exemple" et "tel que" et les verbes conjugués "comportant", "ayant", "comprenant" et les autres formes verbales de ceux-ci, utilisées conjointement avec une énumération d'une ou de plusieurs pièces ou autres éléments, doivent être interprétées comme ouvertes, ce qui signifie que l'énumération ne doit pas être considérée comme excluant d'autres composants ou éléments supplémentaires. Les autres expressions doivent être interprétées suivant leur sens raisonnable le plus large à moins qu'elles ne soient employées dans un contexte qui nécessite une interprétation différente.25
Claims (14)
1. Convertisseur de courant alternatif multiphasé en courant continu pour aéronef ayant un filtre d'entrée, un transformateur d'alimentation (T1), un redresseur et un filtre de sortie, le transformateur (Ti) comprenant un primaire et une paire d'enroulements secondaires, ledit filtre d'entrée recevant un courant alternatif multiphasé d'entrée et étant connecté pour fournir un courant d'entrée filtré au primaire du transformateur (T1), lesdits enroulements secondaires étant connectés au redresseur, le redresseur fournit une sortie de courant continu connectée au filtre de sortie, caractérisé en ce que : ledit convertisseur comprend une charge fictive au niveau du filtre de sortie, ladite charge fictive prélevant suffisamment de courant à la sortie de courant continu pour que ledit convertisseur fonctionne avec une caractéristique I-V sensiblement linéaire sur un intervalle de charges allant d'une faible charge inférieure à 5 ampères à une forte charge supérieure à 50 ampères.
2. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 1, dans lequel le filtre de sortie comprend un condensateur de sortie de fort stockage qui filtre le courant continu sortant du redresseur et réalise une régulation d'ondulation de tension de moins de 1,0 V c-c.
3. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 2, dans lequel le condensateur de sortie a une valeur de capacité d'au moins 1000 .iF et réalise une régulation d'ondulation de tension de moins de 0, 5 V c-c.
4. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 2, dans lequel le filtre de sortie comporte une inductance en série avec la sortie de courant continu.
5. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 4, dans lequel le filtre de sortie comporte un filtre de sortie de réseau en L.
6. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 1, dans lequel la charge fictive comporte plusieurs résistances (R1, R2, R3, R4) de forte puissance en parallèle les unes avec les autres.
7. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 1, dans lequel le redresseur comporte plusieurs diodes (CR1-CR12) connectées pour effectuer un redressement pleine onde de la tension issue des enroulements secondaires, et dans lequel la charge fictive comporte une ou plusieurs résistances(R1, R2, R3, R4) ayant une valeur de résistance totale telle que ladite charge fictive prélève suffisamment de courant par l'intermédiaire des diodes (CR1-CR12) à une charge de courant de sortie nulle pour faire fonctionner les diodes (CR1-CR12) à leur pleine tension de conduction directe.
8. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 1, dans lequel le primaire est connecté pour recevoir un courant d'entrée dans une configuration en Y, l'un des enroulements secondaires étant connecté dans une configuration en A et l'autre des enroulements secondaires étant connecté dans une configuration en Y, et dans lequel le redresseur comporte deux groupes de diodes, chaque groupe étant connecté à l'un des enroulements secondaires pour réaliser un redressement pleine onde, lesdites diodes (CR1-CR12) étant connectées à la terre, au niveau de leurs extrémités de basse tension, par l'intermédiaire d'un transformateur interphase (T2).
9. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur reçoit un courant alternatif triphasé non régulé de 200 V à 400 Hz et fournit une sortie de courant continu à variation de tension non supérieure à 3 volts sur une gamme de charge allant de 0 à 150 ampères d'intensité avec une ondulation de tension inférieure à 0,5 V c-c.
10. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur ne contient que des composants passifs sans rétroaction.
11. Convertisseur de courant alternatif multiphasé en courant continu pour aéronef, comprenant : une pluralité de lignes d'entrée destinées à recevoir du courant alternatif triphasé d'entrée ; un transformateur d'alimentation (T1) ayant un primaire et une paire d'enroulements secondaires, ledit primaire étant connecté auxdites lignes d'entrée suivant une configuration en Y afin de recevoir le courant alternatif triphasé d'entrée; un redresseur comportant une pluralité de diodes (CR1-CR12) connectées sous la forme d'un redresseur pleine onde pour ainsi fournir une sortie de courant continu, lesdits enroulements secondaires dudit transformateur (Tl) comprenant un premier enroulement connecté à un premier groupe desdites diodes suivant une configuration en A et un second enroulement connecté à un second groupe desdites diodes (CR1-CR12) suivant une configuration en Y, lesdites diodes (CR1-CR12) étant connectées à la terre par l'intermédiaire d'un transformateur interphase (T2) ;une charge de résistance montée sur ladite sortie de courant continu dudit redresseur ; et un filtre de sortie comportant au moins un condensateur connecté qui filtre le courant continu de sortie du redresseur et réalise une régulation de l'ondulation de tension ; dans lequel ladite charge de résistance prélève suffisamment de courant par l'intermédiaire desdites diodes pour faire fonctionner lesdites diodes à leur pleine tension de conduction directe indépendamment de la présence d'une charge extérieure.
12. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 11, dans lequel le filtre de sortie comporte un inducteur série avant le condensateur, le condensateur a une capacité de 1000 F ou plus et le filtre de sortie fournit une tension inférieure à 1,0 V c-c.
13. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 11, dans lequel le convertisseur ne contient que des composants passifs sans rétroaction.
14. Convertisseur de courant pour aéronef selon la revendication 11, dans lequel ladite charge de résistance prélève suffisamment de courant à la sortie de courant continu pour que le convertisseur fonctionne à une caractéristique sensiblement linéaire I-V sur un intervalle de charges s'étendant depuis une charge faible inférieure à 5 ampères jusqu'à une charge forte de plus de 50 ampères.
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