FR3039823A1

FR3039823A1 - Systemes, procedes et dispositifs de detection de defaut a la terre en courant continu haute tension bipolaire

Info

Publication number: FR3039823A1
Application number: FR1657556A
Authority: FR
Inventors: Peter James Handy
Original assignee: GE Aviation Systems Ltd
Current assignee: GE Aviation Systems Ltd
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2017-02-10
Also published as: US10569895B2; US20180134408A1; GB2541026A; JP2017060381A; CN106443301B; BR102016018159A2; CN106443301A; GB2541026B; GB201513998D0; CA2938234A1

Abstract

La présente invention porte sur des systèmes, des procédés et des dispositifs de distribution d'énergie électrique d'aéronef (200), comprenant un composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) ; un composant formant charge électrique (226) susceptible d'absorber de la puissance électrique provenant du composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) ; un ensemble de composants de commutation (216) configurés pour établir sélectivement une connexion électrique du composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) au composant formant charge électrique (226) et un composant d'interruption en cas de défaut à la terre (232) couplé à l'ensemble de composants de commutation (216). Le composant d'interruption en cas de défaut à la terre (232) est configuré pour détecter un défaut à la terre sur la base d'une différence détectée entre un courant de sortie de l'ensemble de composants de commutation (216) et un courant de retour provenant du composant formant charge électrique (226).

Description

Systèmes, procédés et dispositifs de détection de défaut à la terre en courant continu haute tension bipolaire

Les systèmes de distribution d’énergie électrique gèrent l’attribution de puissance de sources d’énergie à des charges électriques qui consomment la puissance électrique distribuée. Dans un aéronef, des turbines à gaz servant à assurer la propulsion de l’aéronef fournissent typiquement de l’énergie mécanique qui excite finalement un certain nombre d’accessoires différents tels que des génératrices, des génératrices/démarreurs, des alternateurs à aimants permanents (PMA), des pompes à carburant et des pompes hydrauliques, c’est-à-dire de l’équipement pour des fonctions nécessaires sur un aéronef autres que la propulsion. Par exemple, les aéronefs actuels nécessitent de l’énergie électrique pour des charges électriques relatives à l’avionique, aux moteurs et à d’autres équipements électriques.

Au cours du temps, les tensions des sources d’énergie électrique d’aéronefs ont augmenté. Les aéronefs à systèmes d’alimentation électrique de 14 à 28 volts en courant continu (VCC) ont fait place à des aéronefs à systèmes d’alimentation électrique fonctionnant à 115 volts en courant alternatif (VCA) et 230 VCA. Actuellement, un aéronef peut comporter une ou plusieurs sources d’énergie électrique qui fonctionnent à des tensions comprenant plus/moins 270 VCC. Par exemple, un gros-porteur commercial bimoteur actuel utilise un système électrique qui est un système à tension hybride comportant des sous-systèmes qui fonctionnent à des tensions de 230 VCA, 115 VCA, 28 VCC ainsi qu’un sous- système à courant continu haute tension bipolaire qui comporte des sources de plus et moins 270 VCC.

Les tensions dans les systèmes électriques à courant continu (CC) haute tension atteignent des niveaux comparables à ceux de systèmes à courant alternatif (CA) domestiques. Dans les systèmes CA domestiques, un disjoncteur peut se déclencher vers une position de coupure, typiquement au moyen d’un interrupteur électromécanique qui peut s’actionner en environ 50 millisecondes (ms), afin de mettre hors tension la ligne d’alimentation lorsque le courant à la terre dépasse un niveau de 25 à 30 milliampères (mA). Mais dans un système électrique CC haute tension, il est compliqué de prendre des dispositions similaires en raison d’un accès limité à la boucle de retour par la terre, nécessaire pour obtenir une mesure de courant suffisamment précise. A savoir, pour des systèmes électriques à courant continu unipolaire, il est difficile de mesurer l’écart entre le courant de sortie et le courant de retour car le chemin de retour de courant provenant de la charge passe par le châssis de l’aéronef.

Selon un aspect de l’invention, un système de distribution d’énergie électrique d’aéronef comprend un composant source de courant continu haute tension bipolaire pourvu d’un conducteur de tension positive et d’un conducteur de tension négative ; un composant formant charge électrique susceptible d’absorber de la puissance électrique provenant du composant source de courant continu haute tension bipolaire ; un ensemble de composants de commutation configurés pour établir sélectivement une connexion électrique du composant source de courant continu haute tension bipolaire au composant formant charge électrique par commutation entre un état ouvert qui déconnecte électriquement le composant source de courant continu haute tension bipolaire du composant formant charge électrique et un état fermé qui connecte électriquement le composant source de courant continu haute tension au composant formant charge électrique, dans lequel un premier sous-ensemble de composants de commutation est couplé au conducteur positif du composant source de courant continu haute tension bipolaire et un second sous-ensemble de composants de commutation est couplé au conducteur négatif du composant source de courant continu haute tension bipolaire ; et un composant d’interruption en cas de défaut à la terre couplé à l’ensemble de composants de commutation. Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre est configuré pour détecter un défaut à la terre sur la base d’une différence détectée entre un courant de sortie de l’ensemble de composants de commutation et un courant de retour provenant du composant formant charge électrique.

Selon un autre aspect, un procédé d’atténuation de défaut à la terre consiste à effectuer une mise sous tension à partir d’un composant source de courant continu haute tension bipolaire pourvu d’un conducteur de tension positive et d’un conducteur de tension négative ; à fermer un ensemble de composants de commutation pour connecter électriquement le composant source de courant continu haute tension bipolaire à un composant formant charge électrique susceptible d’absorber de la puissance provenant du composant source de courant continu haute tension bipolaire ; à détecter un défaut à la terre à l’aide d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre sur la base d’une différence détectée entre un courant de sortie de l’ensemble de composants de commutation et un courant de retour provenant du composant formant charge électrique ; à appliquer un signal indicatif du défaut à la terre détecté à l’ensemble de composants de commutation ; et à ouvrir l’ensemble de composants de commutation pour déconnecter électriquement le composant source de courant continu haute tension bipolaire d’un composant formant charge électrique.

Selon un autre aspect, un dispositif d’interruption en cas de défaut à la terre comprend un composant d’interruption en cas de défaut à la terre couplé à un ensemble de composants de commutation. L’ensemble de composants de commutation sont configurés pour établir sélectivement une connexion électrique d’un composant source de courant continu haute tension bipolaire à un composant formant charge électrique susceptible d’absorber de la puissance électrique provenant du composant source de courant continu haute tension bipolaire par commutation entre un état ouvert qui déconnecte électriquement le composant source de courant continu haute tension bipolaire du composant formant charge électrique et un état fermé qui connecte électriquement le composant source de courant continu haute tension au composant formant charge électrique. Un premier sous-ensemble de composants de commutation est couplé à un conducteur positif du composant source de courant continu haute tension bipolaire et un second sous-ensemble de composants de commutation est couplé au conducteur négatif du composant source de courant continu haute tension bipolaire. Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre est configuré pour détecter un défaut à la terre sur la base d’une différence détectée entre un courant de sortie de l’ensemble de composants de commutation et un courant de retour provenant du composant formant charge électrique.

Divers autres objectifs, caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à l’étude de la description détaillée qui suit, illustrée par les dessins dans lesquels : -la figure 1 est une représentation schématique de dessus d’un exemple d’aéronef et de système de distribution d’énergie électrique selon divers aspects de la présente invention ; -la figure 2 est un schéma d’un exemple de système de distribution d’énergie électrique CC haute tension selon divers aspects de la présente invention ; -la figure 3 est un organigramme d’un procédé d’interruption en cas de défaut à la terre sur un système d’alimentation électrique CC haute tension bipolaire selon divers aspects de la présente invention ; -la figure 4 est une représentation schématique d’un exemple de système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire pourvu d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre selon divers aspects de la présente invention ; -la figure 5 est une représentation schématique d’un exemple de système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire pourvu d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre selon divers aspects de la présente invention ; -la figure 6 est une représentation graphique d’un exemple de formes d’onde de tension et de courant qui illustre le fonctionnement du système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire pourvu d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre selon divers aspects de la présente invention ; et -la figure 7 est une représentation graphique d’un exemple de formes d’onde de tension et de courant qui illustre le fonctionnement du système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire pourvu d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre selon divers aspects de la présente invention.

Dans cette description, les modes de réalisation de la présente invention sont décrits dans le contexte d’un aéronef, qui permet la production d’énergie électrique à partir d’une source d’énergie telle qu’un moteur à turbine, du carburéacteur, de l’hydrogène, etc. Bien qu’un mode de réalisation de l’invention soit représenté dans l’environnement d’un aéronef, on comprendra toutefois que l’invention n’est pas ainsi limitée et peut être appliquée de façon générale à des systèmes de distribution d’énergie électrique dans des applications autres que l’aviation, telles que d’autres applications mobiles et des applications industrielles, commerciales et résidentielles non mobiles. Par exemple, des environnements mobiles applicables peuvent comprendre un aéronef, un astronef, un lanceur spatial, un satellite, une locomotive, une automobile, etc. Des environnements commerciaux peuvent comprendre des usines de fabrication ou des installations ou infrastructures de production et de distribution d’énergie électrique.

Au moins certains des modes de réalisation de l’invention concernent des systèmes, procédés et appareils de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire qui comprennent des capacités de détection et d’interruption de défaut à la terre. Le système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire comprend un ensemble de composants de commutation tels que des contrôleurs de puissance à semi-conducteurs (SSPC). On comprendra qu’un « ensemble » peut comprendre un nombre quelconque d’interrupteurs à semi-conducteurs, y compris un seul interrupteur à semi-conducteurs. De manière similaire, « un ensemble », tel que le terme est utilisé dans la présente, peut comprendre un nombre quelconque d’éléments, y compris un seul élément. On comprendra qu’une alimentation CC bipolaire ou source d’énergie CC bipolaire, tels que les termes sont utilisés dans la présente, peuvent être définies comme étant une source d’énergie électrique en courant continu dont la tension de sortie peut être réglée à positive ou négative et qui peut fournir un courant. On comprendra qu’un courant continu haute tension, tel que le terme est utilisé dans la présente, peut être défini comme étant de l’énergie électrique à des tensions suffisamment élevées pour infliger des dommages aux êtres vivants. Par exemple, des tensions supérieures à 50 V appliquées à un segment continu de peau humaine sèche peuvent provoquer une fibrillation cardiaque si elles génèrent des courants électriques dans des tissus corporels qui passent par la zone thoracique. On comprendra qu’un défaut à la terre, tel que le terme est utilisé dans la présente, peut être défini comme étant un contact accidentel entre un conducteur sous tension d’une charge électrique ou d’un système de distribution d’énergie électrique et la « terre » ou masse électrique telle qu’une masse de châssis.

Actuellement, peu d’aéronefs comportent des sources d’énergie haute tension bipolaires telles que plus et moins 270 VCC, et aucun de ces aéronefs n’intègre un système de distribution d’énergie électrique pour alimentation haute tension bipolaire. Toutefois, grâce à l’utilisation d’un système de distribution d’énergie électrique CC haute tension, des sources CC haute tension bipolaires ne seront plus confinées à une seule zone de l’aéronef. Par conséquent, des sources CC haute tension bipolaires auront besoin, par l’intermédiaire du système de distribution d’énergie électrique, d’une capacité d’atténuation d’événements de défaut à la terre qui peuvent survenir à n’importe quel endroit sur l’aéronef où une charge est alimentée par la source CC haute tension bipolaire.

On s’intéressera maintenant à la figure 1 qui est une représentation schématique de dessus d’un exemple d’aéronef et de système de distribution d’énergie électrique selon divers aspects de la présente invention. Un aéronef 2 est représenté comme comportant au moins une turbine à gaz, représentée ici sous la forme d’un système de moteur gauche 12 et d’un système de moteur droit 14 qui peuvent être sensiblement identiques l’un à l’autre. L’aéronef 2 peut comporter un nombre quelconque de systèmes de moteur. Le système de moteur gauche 12 peut être accouplé à une ou plusieurs sources d’énergie électrique 16 qui convertissent de l’énergie mécanique en énergie électrique. On comprendra qu’une partie quelconque ou la totalité des moteurs d’un aéronef 2, comprenant les systèmes de moteur gauche et droit 12, 14, peuvent être ainsi accouplés à une ou plusieurs sources d’énergie électrique CC haute tension bipolaires 16. La source d’énergie CC haute tension bipolaire 16 peut être couplée à un système de distribution d’énergie électrique 18 qui alimente sélectivement un ensemble de systèmes et de dispositifs sur l’aéronef 2 qui constituent collectivement la charge électrique. Des systèmes et dispositifs alimentés par la source d’énergie CC haute tension bipolaire 16 par l’intermédiaire du système de distribution d’énergie électrique 18 peuvent être n’importe quel système ou dispositif sur un aéronef susceptible d’absorber de la puissance électrique et comprennent, sans caractère limitatif, des actionneurs de commandes de vol 26, des convertisseurs abaisseurs de tension localisés 27 pour indicateurs électroniques de poste de pilotage, des systèmes de régulation climatique 28, etc.

Dans l’aéronef 2, les systèmes de moteur gauche et droit 12, 14 en fonctionnement fournissent de l’énergie mécanique qui peut être extraite par l’intermédiaire d’un corps, pour fournir une force motrice destinée à la source d’énergie CC haute tension bipolaire 16. D’autres sources d’énergie peuvent comprendre, sans caractère limitatif, des génératrices, des batteries, des piles à combustible, des sources d’énergie de secours telles qu’un turbogénérateur de secours à moulinet (RAT), des redresseurs destinés à convertir une ou plusieurs entrées de source CA en une source CC haute tension bipolaire, etc. La source d’énergie électrique 16 fournit elle-même l’énergie électrique produite aux charges électriques pour les systèmes et dispositifs 26, 27, 28 destinés à fonctionner en charge, qui est distribuée par le système de distribution d’énergie électrique 18.

On se rapportera maintenant à la figure 2 qui est un schéma d’un exemple de système de distribution d’énergie électrique CC haute tension bipolaire 50 selon divers aspects de la présente invention. Le système de distribution d’énergie électrique CC haute tension bipolaire comprend un composant source CC haute tension bipolaire 52 couplé à un ensemble de composants de commutation 54. L’ensemble de composants de commutation 54 établit sélectivement une connexion électrique du composant source de tension CC haute tension bipolaire à un composant formant charge électrique 58. Un composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56, couplé à l’ensemble de composants de commutation 54 et au composant formant charge électrique 58, assure la mesure du courant de sortie de l’ensemble de composants de commutation 54 et du courant de retour provenant du composant formant charge électrique 58. Un composant de communication 60 est couplé à l’ensemble de composants de commutation 54 pour commander et surveiller l’état de l’ensemble de composants de commutation 54.

Le composant source CC haute tension bipolaire 52 est une source d’énergie ou alimentation CC haute tension bipolaire. Le composant source CC haute tension bipolaire 52 peut délivrer n’importe quel niveau de tension positive et négative à utiliser dans la distribution d’énergie électrique à un composant formant charge électrique 58, y compris mais non exclusivement une tension de 270 V positive et négative. L’ensemble de composants de commutation 54 comprend un ensemble d’interrupteurs à semi-conducteurs. L’ensemble d’interrupteurs à semi-conducteurs peut comprendre n’importe quel type d’interrupteur à semi-conducteurs pouvant passer à l’état passant ou bloqué (c’est-à-dire fermé ou ouvert) lorsqu’une tension externe est appliquée à un ensemble de bornes de commande de l’interrupteur. Chacun des interrupteurs à semi-conducteurs dans l’ensemble de composants de commutation 54 peut comprendre un dispositif de commutation électronique à semi-conducteurs qui commute le courant à destination du circuit de charge du composant formant charge électrique 58, et un mécanisme de couplage pour permettre au signal de commande d’activer l’interrupteur sans composants électromécaniques. L’ensemble de composants de commutation 54 peuvent être n’importe quel type d’interrupteurs électroniques à semi-conducteurs, y compris mais non exclusivement un contrôleur de puissance à semi-conducteurs (SSPC), un relais à semi-conducteurs comprenant un seul transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET), un relais à semi-conducteurs comprenant de multiples transistors MOSFET montés en configuration parallèle, etc.

Une configuration de l’ensemble de composants de commutation 54 consiste à utiliser des SSPC qui sont des dispositifs à semi-conducteurs qui commandent la puissance électrique fournie à une charge. De plus, les SSPC remplissent des fonctions de surveillance et de diagnostic afin d’identifier des situations de surcharge et de prévenir les courts-circuits. Fonctionnellement, les SSPC sont similaires à des disjoncteurs avec des éléments de commutation électromécaniques qui protégeront le câblage et les charges contre des défauts, mais étant donné que les SSPC sont plus fiables et coupent le courant plus rapidement que des éléments disjoncteurs électromécaniques, les SSPC sont typiquement utilisés dans des systèmes électriques cruciaux pour la sécurité, tels que ceux présents dans des aéronefs. Les SSPC peuvent changer d’état en moins de quelques microsecondes, par comparaison à des interrupteurs électromécaniques qui requièrent environ 30 ms pour achever une transition d’un état à l’autre. Mis en œuvre avec des SSPC, l’ensemble de composants de commutation 54 peut comporter des fonctions de surveillance et de protection intégrées comprenant sans caractère limitatif la surveillance de tension, la surveillance de courant, la surveillance de température, la limitation de courant, la surveillance de I2t, la protection de défaut d’arc et la protection de défaut à la terre basse fidélité, etc. Les fonctions de surveillance et de protection intégrées des SSPC permettent à l’ensemble de composants de commutation 54 de fonctionner comme un contrôleur qui peut commander des sorties destinées aux charges afin d’assurer des fonctionnements appropriés. Les SSPC peuvent comprendre des microprocesseurs configurables qui peuvent être programmés pour augmenter les caractéristiques de commande. La surveillance de courant sur un SSPC n’a typiquement pas une résolution suffisante pour une détection de défaut à la terre. A savoir, les fonctions de surveillance de courant des SSPC offrent une plage de résolution de 3 à 5 %. En conséquence, un interrupteur transmettant environ 10 ampères (A) ne détectera pas un défaut à la terre inférieur à 300 mA avec la protection contre les défauts à la terre intégrée d’un SSPC. L’ensemble de composants de commutation 54 peut comprendre un nombre quelconque d’interrupteurs, y compris mais non exclusivement un premier interrupteur couplé à un conducteur positif du composant source CC haute tension bipolaire 52 et un second interrupteur couplé à un conducteur négatif du composant source CC haute tension bipolaire 52. En conséquence, dans une configuration, l’ensemble de composants de commutation 54 comprend un premier SSPC couplé à un conducteur positif du composant source CC haute tension bipolaire 52 et un second SSPC couplé à un conducteur négatif du composant source CC haute tension bipolaire 52.

Le composant de communication 60 destiné à commander et surveiller l’état de l’ensemble de composants de commutation 54 communique avec d’autres éléments de commande de l’aéronef. Le composant de communication 60 rapporte l’état des SSPC à d’autres systèmes de commande de gestion de véhicule. Le composant de communication 60 peut envoyer des données à l’interrupteur, les données étant indicatives d’instructions destinées à l’interrupteur, lisant l’état de l’interrupteur qui comprend l’état d’ouverture ou de fermeture de l’interrupteur, et surveillant la santé de l’interrupteur qui comprend la température de l’interrupteur. Le composant de communication 60 peut être basé sur n’importe quel matériel et protocole de communication de données permettant de transmettre des données relatives à la commande et à l’état de l’ensemble de composants de commutation 54, y compris mais non exclusivement un câble d’interconnexion équilibré configuré pour mettre en œuvre la norme reconnue 458 (RS-485), un câble série bifilaire configuré pour mettre en œuvre un protocole de réseau de contrôleurs (bus CAN), un câble série à trois ou cinq fils configuré pour mettre en œuvre la norme reconnue 232 (RS-232), etc.

Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 surveille les courants de sortie des SSPC positif et négatif dans le système de distribution CC haute tension bipolaire 50. Avec un système de distribution électrique haute tension bipolaire 50, le courant circule à partir du composant source CC haute tension bipolaire 52, sort vers l’ensemble de composants de commutation 54, sort vers le composant formant charge électrique 58 puis en revient. En conséquence, le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 est configuré pour déterminer la différence entre le courant circulant de l’ensemble de composants de commutation 54 au composant formant charge électrique 58 et le courant circulant en retour du composant formant charge électrique 58 à l’ensemble de composants de commutation 54. Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 peut être constitué de n’importe quel dispositif apte à déterminer un courant différentiel indicatif d’un défaut à la terre dans le système de distribution électrique haute tension bipolaire 50, y compris mais non exclusivement un transformateur physique classique, un transformateur de courant toroïdal, un capteur de courant continu à effet Hall, et un transducteur de courant à sonde magnétométrique (« fluxgate »).

On se rapportera maintenant à la figure 3 qui est un organigramme représentant un procédé 100 d’interruption en cas de défaut à la terre sur un système d’alimentation électrique CC haute tension bipolaire selon divers aspect de la présente invention. A une étape 110, le composant source CC haute tension bipolaire 52 met sous tension le système de distribution CC haute tension bipolaire 50. Selon le type ou la configuration du composant source CC haute tension bipolaire 52, la mise sous tension peut comprendre l’activation d’une génératrice, le démarrage d’un moteur, l’envoi d’une instruction de commande de mise sous tension de la source, la fermeture d’un ou plusieurs circuits, etc. A une étape 112, l’ensemble de composants de commutation 54 se ferment. Les composants formant charge électrique 58 sont alimentés et, pendant un fonctionnement normal, absorbent correctement de la puissance conformément aux exigences de fonctionnement desdits composants formant charge électrique 58. Si un défaut à la terre se produit, à une étape 114 le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 détecte le défaut à la terre. Pour détecter un défaut à la terre, le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 peut mesurer ou détecter n’importe quelle caractéristique électrique indicative d’un défaut à la terre, y compris mais non exclusivement une tension, un courant, une résistance, une variation de tension, une variation de courant ou une variation de résistance dans n’importe quel composant électrique interne ou externe au système de distribution d’énergie électrique 50. Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 peut mesurer ou détecter le signal avec n’importe quelle modalité utilisée pour la détection et le traitement de signaux, y compris mais non exclusivement des modalités numérique, analogique, discrète, continue ou leurs combinaisons. Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56 applique un signal, à une étape 116, à un module de surveillance, par exemple dans un composant 218 décrit plus bas à propos des figures 4 et 5, de l’ensemble de composants de commutation 54. A une étape 118, l’ensemble de composants de commutation 56 ouvre les interrupteurs et met hors tension le composant formant charge électrique 58.

On se rapportera maintenant à la figure 4 qui est une représentation schématique d’un exemple de système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire 200 pourvu d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232 selon divers aspects de la présente invention. Le composant source CC haute tension bipolaire 210 comprend deux sources CC haute tension 211 couplées chacune à une masse de châssis 236, l’une par le conducteur négatif et l’autre par le conducteur positif. Le composant source CC haute tension bipolaire 210 est couplé à l’ensemble de composants de commutation 216 qui comprend deux SSPC 212 et 214 ; un premier SSPC 212 couplé au côté positif du composant source CC haute tension bipolaire 210 et un second SSPC 214 couplé au côté négatif du composant source CC haute tension bipolaire 210. Le couplage entre le composant source CC haute tension bipolaire 210 et l’ensemble de composants de commutation 216 peut comprendre un fil limiteur de courant 238. L’ensemble de composants de commutation 216 est couplé au composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232. Le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232 est couplé au composant formant charge électrique 226. Le couplage entre le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232 et le composant formant charge électrique 226 peut comprendre un fil limiteur de courant 238.

Les premier et second SSPC 212, 214 peuvent comporter un certain nombre de sous-composants et de modules destinés à commander et protéger l’ensemble de composants de commutation 216. Un SSPC 212, 214 peut comporter un interrupteur à semi-conducteurs principal 224 qui s’ouvre ou se ferme pour coupler le composant formant charge électrique 226 au composant source CC haute tension bipolaire 210 ou l’en découpler. L’interrupteur à semi-conducteurs principal 224 peut comporter un ou plusieurs éléments de protection, y compris mais non exclusivement une varistance à oxyde métallique (MOV), un suppresseur de tensions transitoires (TVS), etc. Un SSPC 212, 214 peut comporter un ou plusieurs circuits d’amortissement 228 connectés à l’entrée de l’interrupteur, à la sortie de l’interrupteur ou aux deux, pour supprimer des pointes de tension et amortir une oscillation due à l’inductance du circuit lors de l’ouverture d’un interrupteur. Un SSPC 212, 214 peut comporter un ou plusieurs circuits de test intégré 230 pour offrir des fonctions de test intégré (BIT). Le circuit de test intégré 230 permet le fonctionnement d’un système de test intégré déclenché (IBIT) qui permet un test automatique du SSPC 212, 214 afin de vérifier le bon fonctionnement du SSPC 212, 214. Le circuit de test intégré 230 peut tester n’importe quelle fonction du SSPC et comprend sans caractère limitatif un circuit de détection de défaut d’arc pour la détection d’un défaut d’arc. Quand les deux SSPC sont ouverts, la tension développée à la sortie de chaque SSPC en raison d’une fuite des composants à semi-conducteurs est gérée par un élément résistif 240, 241 couplé à la sortie du SSPC 212, 214 et à la masse de châssis 236. Le SSPC 212, 214 peut comporter un sous-composant de commande d’interrupteur 222 qui peut coordonner les communications avec des composants de communication externes 234, activer des fonctions de protection par l’intermédiaire d’un module de surveillance 218 et commander l’état de l’interrupteur principal 224 du SSPC 212, 214. Le module de surveillance 218 peut comprendre n’importe quelles fonctions de surveillance permettant de déterminer des événements potentiels qui peuvent endommager l’interrupteur, y compris mais non exclusivement des fonctions de surveillance de tension, de surveillance de courant, de surveillance de température, de limitation de courant, de surveillance de I2t, de protection de défaut d’arc et de protection de défaut à la terre basse fidélité, etc. Le module de commande 220 peut commander l’état de l’interrupteur principal 224 sur la base d’entrées provenant soit de composants de communication externes 234 soit du module de surveillance 218, ou de combinaisons des deux.

Comme représenté sur la figure 4, le composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232 comporte un transformateur physique classique à noyau magnétique. Des câbles d’alimentation positif et négatif provenant de la sortie des SSPC positif et négatif 212, 214 sont fait passer à travers le transformateur avec des enroulements en phase. Les enroulements de détection 242 au niveau du transformateur fournissent une indication de déséquilibre indicative d’un défaut à la terre. Pendant un fonctionnement normal, au cours duquel le courant provenant du côté positif de la charge du composant formant charge électrique 226 et le courant provenant du côté négatif de la charge du composant formant charge électrique 226 sont d’amplitudes égales, la tension de détection résultante est nulle. Etant donné que la charge du composant formant charge électrique 226 n’est pas référencée asymétriquement sur le châssis, comme cela serait le cas pour un système à source de tension CC unipolaire, à l’instant auquel un défaut à la terre survient sur la sortie positive ou négative de l’ensemble de composants de commutation 216, une pointe de tension positive ou négative est détectée sur les enroulements de détection 242 du transformateur du composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232, déterminant ainsi l’existence et l’emplacement du défaut. Deux enroulements sont prévus sur le transformateur du composant d’interruption en cas de défaut à la terre 232 pour tenir compte des deux SSPC 212, 214 surveillant des défauts à la terre. Étant donné qu’il n’existe pas de champ magnétique continu dans le noyau du transformateur pendant un fonctionnement normal, le transformateur peut comprendre soit un noyau d’air soit un noyau à haute perméabilité. Pour offrir plus de sensibilité aux défauts à la terre, il est possible d’augmenter le nombre de spires sur chaque enroulement de détection 242, ainsi que la perméabilité du matériau de noyau choisi. La tension de sortie de chaque bobine de détection peut être filtrée afin d’éliminer des déclenchements intempestifs créés par l’opération de commutation entre de multiples charges ayant des caractéristiques électriques différentes.

La figure 5 est une représentation schématique d’un exemple de système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire pourvu d’un composant d’interruption en cas de défaut à la terre selon divers aspects de la présente invention. Le système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire à composant d’interruption en cas de défaut à la terre est similaire à celui représenté sur la figure 4 ; en conséquence, des composants analogues seront repérés par les mêmes numéros augmentés de 100, et on comprendra que la description de composants analogues du premier système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire à composant d’interruption en cas de défaut à la terre s’applique au deuxième système de distribution d’énergie électrique haute tension bipolaire à composant d’interruption en cas de défaut à la terre, sauf indication contraire. Le composant interrupteur de défaut à la masse 332 comprend un transformateur de courant toroïdal.

La figure 6 représente le résultat d’une simulation du système de détection de défaut à la terre avec un modèle de corps humain connecté directement à la sortie du SSPC positif 212. L’ensemble de graphes fournis à titre d’exemple sont destinés à illustrer un exemple non restrictif du procédé décrit, et ne représentent pas spécifiquement des signaux, capteurs, valeurs ou opérations nécessaires du procédé. À un instant (1), le composant source CC haute tension bipolaire 52, qui est une alimentation électrique de 270 VCC positive et négative comme représenté sur la figure 4 et la figure 5 en 210 et 310, est mis sous tension. À un instant (2), l’ensemble de composants de commutation 54, qui sont deux SSPC 212, 214, sont fermés pour mettre sous tension un composant formant charge électrique 58. À un instant (3), un défaut à la terre qui est modélisé par un condensateur de 450 nanofarads (nF) en parallèle avec une résistance de 500 ohms (Ω) est appliqué à la sortie du SSPC positif 212, 312, ce qui déclenche une pointe de tension sur l’enroulement de détection 242, 342 du composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56, 232, 332. Le signal peut être appliqué au module de surveillance 218, 318 du sous-composant de commande d’interrupteur 222, 322 du SSPC 212, 214, 312, 314. Dans le cas d’un défaut confirmé, le module de commande 220, 320 peut ouvrir le SSPC 212, 214, 312, 314.

La figure 7 représente le résultat d’une simulation du système de détection de défaut à la terre avec un modèle de corps humain connecté directement à la sortie du SSPC négatif 214, 314. De nouveau, l’ensemble de graphes fournis à titre d’exemple sont destinés à illustrer un exemple non restrictif du procédé décrit, et ne représentent pas spécifiquement des signaux, capteurs, valeurs ou opérations nécessaires du procédé. A un instant (1), le composant source CC haute tension bipolaire 52, qui est une alimentation électrique de 270 VCC positive et négative comme représenté sur la figure 4 et la figure 5 en 210 et 310, est mis sous tension. A un instant (2), l’ensemble de composants de commutation 54, qui sont deux SSPC 212, 214, 312, 314, sont fermés pour mettre sous tension un composant formant charge électrique 58. À un instant (3), un défaut à la terre qui est modélisé par un condensateur de 450 nanofarads (nF) en parallèle avec une résistance de 500 ohms (Ω) est appliqué à la sortie du SSPC positif 212, 312, ce qui déclenche une pointe de tension sur l’enroulement de détection 242, 342 du composant d’interruption en cas de défaut à la terre 56, 232, 332. De nouveau, le signal peut être appliqué au module de surveillance 218, 318 du sous-composant de commande d’interrupteur 222, 322 du SSPC 212, 214, 312, 314. Dans le cas d’un défaut confirmé, le module de commande 220 peut ouvrir le SSPC 212, 214.

Bien qu’un système de distribution d’énergie électrique à source CC unipolaire renvoie un courant par le châssis de l’aéronef, un système de distribution d’énergie électrique à source CC bipolaire transmet du courant à l’aller par un fil et au retour par un autre, ce qui permet d’accéder à l’aller et au retour de chaque alimentation électrique. De cette manière, le composant d’interruption en cas de défaut à la terre exploite des fils positif et négatif sur la charge. En conséquence, le système de distribution d’énergie électrique CC bipolaire peut assurer la mesure d’un courant différentiel entre les conducteurs d’alimentation et de retour. La mesure de courant différentiel permet au système de distribution d’énergie électrique CC bipolaire de déterminer si de la puissance est en train d’être transmise d’un côté de la charge à la masse de châssis, ce qui indique un défaut à la terre.

Les effets techniques des modes de réalisation décrits plus haut comprennent la détection et l’atténuation d’événements de défaut à la terre dans un système de distribution d’énergie électrique CC haute tension, fondées sur l’utilisation d’une technique de détection et d’interruption de défaut à la terre simple et rentable. De plus, les modes de réalisation décrits plus haut contournent le problème de polarisation continue en régime permanent, dans un système d’interruption en cas de défaut à la terre à base de transformateur, par utilisation d’un seul noyau magnétique pour les courants d’alimentation et de retour, ce qui entraîne l’absence de champ magnétique en régime permanent dans le noyau du transformateur. Le système de distribution d’énergie électrique décrit plus haut surveille les courants de sortie de SSPC positif et négatif dans un réseau CC haute tension bipolaire, et peut déterminer un courant de fuite à la terre de l’ordre de 5 mA afin de procurer un système de détection de défaut à la terre plus sensible.

Dans une mesure qui n’a pas été déjà décrite, les différentes caractéristiques et structures des divers modes de réalisation peuvent être utilisées en combinaison les unes avec les autres au besoin. Le fait qu’une caractéristique ne soit pas illustrée dans tous les modes de réalisation ne signifie pas qu’elle ne peut pas l’être, mais cela est effectué dans un but de brièveté de la description. Ainsi, les diverses caractéristiques des différents modes de réalisation peuvent être mélangées et associées au besoin pour former de nouveaux modes de réalisation, que les nouveaux modes de réalisation soient expressément décrits ou non. Toutes les combinaisons ou permutations de caractéristiques décrites dans la présente invention sont couvertes par cette description.

Liste des composants 2 Aéronef 12, 14 Système de moteur 16 Source d’énergie CC haute tension bipolaire 18 Système de distribution d’énergie électrique 26 Actionneur de commandes 27 Convertisseur abaisseur de tension localisé 28 Système de régulation climatique 50 Système de distribution électrique CC haute tension bipolaire 52 Composant source CC haute tension bipolaire 52 Ensemble de composants de commutation 56 Composant d’interruption en cas de défaut à la terre 58 Composant formant charge électrique 60 Composant de communication 100 Procédé d’interruption en cas de défaut à la terre 110, 112, 114, 116, 118

Etapes du procédé 100 200 Système de distribution CC haute tension bipolaire 210 Composant source CC haute tension bipolaire

211 Source CC

212 SSPC

214 SSPC 216 Ensemble de composants de commutation 218 Module de surveillance 220 Module de commande 222 Sous-composant de commande d’interrupteur et de surveillance 224 Interrupteur principal 226 Composant formant charge électrique 230 Circuit de test intégré (BIT) 228 Circuit d’amortissement 232 Composant d’interruption en cas de défaut à la terre 234 Composant de communication 236 Masse de châssis 238 Fil limiteur de courant 240 Résistance 242 Enroulement de détection 300 Système de distribution CC haute tension bipolaire 310 Composant source CC haute tension bipolaire

311 Source CC

312 SSPC

314 SSPC 316 Ensemble de composants de commutation 318 Module de surveillance 320 Module de commande 322 Sous-composant de commande d’interrupteur et de surveillance 324 Interrupteur principal 326 Composant formant charge électrique 330 Circuit de test intégré (BIT) 328 Circuit d’amortissement 332 Composant d’interruption en cas de défaut à la terre 334 Composant de communication 336 Masse de châssis 338 Fil limiteur de courant 340 Résistance 342 Enroulement de détection

Claims

REVENDICATIONS

1. Système (200) de distribution d’énergie électrique d’aéronef, comprenant : un composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) pourvu d’un conducteur de tension positive et d’un conducteur de tension négative ; un composant formant charge électrique (226) susceptible d’absorber de la puissance électrique provenant du composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) ; un ensemble de composants de commutation (216) configurés pour établir sélectivement une connexion électrique du composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) au composant formant charge électrique (226) par commutation entre un état ouvert qui déconnecte électriquement le composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) du composant formant charge électrique (226) et un état fermé qui connecte électriquement le composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) au composant formant charge électrique (226), dans lequel un premier sous-ensemble de composants de commutation (212) est couplé au conducteur positif du composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) et un second sous-ensemble de composants de commutation (214) est couplé au conducteur négatif du composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) ; et un composant d’interruption en cas de défaut à la terre (232) couplé à l’ensemble de composants de commutation (216) et configuré pour détecter un défaut à la terre sur la base d’une différence détectée entre un courant de sortie de l’ensemble de composants de commutation (216) et un courant de retour provenant du composant formant charge électrique (226).
2. Système selon la revendication 1, dans lequel au moins un sous-ensemble de l’ensemble de composants de commutation (216) s’ouvre en réponse à un signal détecté provenant du composant d’interruption en cas de défaut à la terre (232).
3. Système selon la revendication 1, dans lequel le composant source de courant continu haute tension bipolaire (210) comprend deux alimentations électriques de 270 volts en courant continu (211).
4. Système selon la revendication 3, dans lequel un conducteur négatif de l’une des deux alimentations électriques de 270 volts en courant continu est couplé à une masse de châssis (236) et le conducteur positif de l’autre des deux alimentations électriques de 270 volts en courant continu est couplé à la masse de châssis (236).
5. Système selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble de composants de commutation (216) comprend deux contrôleurs de puissance à semi-conducteurs (SSPC).
6. Système selon la revendication 1, comprenant en outre un composant de communication (234) configuré pour appliquer une tension externe à un ensemble de bornes de commande de l’ensemble de composants de commutation (216) afin de modifier l’état de l’ensemble de composants de commutation (216).
7. Système selon la revendication 1, dans lequel le composant d’interruption en cas de défaut à la terre (232) comprend un transformateur pourvu soit d’un noyau à haute perméabilité soit d’un noyau d’air.
8. Système selon la revendication 7, dans lequel le transformateur comprend un transformateur de courant toroïdal.
9. Système selon la revendication 1, dans lequel le composant d’interruption en cas de défaut à la terre (232) comprend soit un capteur de courant continu à effet Hall soit un transducteur de courant à sonde magnétométrique.
10. Système selon la revendication 7, dans lequel le transformateur comprend une paire d’enroulements de détection (242) qui détectent une pointe de tension positive ou négative indicative d’un défaut à la terre sur la base de la différence entre le courant provenant du côté positif de la charge du composant formant charge électrique (226) et le courant provenant du côté négatif de la charge du composant formant charge électrique (226).