FR3040247A1 - Reseaux, procedes et dispositifs de distribution de courant continu haute tension bipolaire - Google Patents
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Abstract
Des réseaux, procédés et dispositifs de distribution de courant dans des aéronefs comportent un composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) ; un composant d'application de charge électrique (58) apte à extraire de l'électricité du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) ; un ensemble de composants de commutation (54) conçu pour faire sélectivement passer du courant du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) au composant d'application de charge électrique (58) et un composant d'élimination des transitoires (56). Le composant d'élimination des transitoires (56) est conçu pour limiter le courant circulant dans le premier ou le second sous-ensemble de l'ensemble de composants de commutation (54) lorsque les premier et second sous-ensembles ne sont pas dans le même état.
Description
Réseaux, procédés et dispositifs de distribution de courant continu haute tension bipolaire
Les réseaux de distribution d'électricité gèrent l'affectation de courant, provenant de sources d'électricité, à des charges électriques qui consomment l'électricité distribuée. Dans les aéronefs, des moteurs à turbine à gaz pour la propulsion des aéronefs produisent ordinairement une énergie mécanique qui fait finalement fonctionner un certain nombre d'accessoires différents tels que des alternateurs, des alternateurs/démarreurs, des alternateurs à aimant permanent (AAP), des pompes à carburant et des pompes hydrauliques, p. ex. des équipements pour des fonctions autres que la propulsion nécessaires à bord d'un aéronef. Par exemple, les aéronefs modernes ont besoin d'électricité pour des charges électriques liées à l'avionique, aux moteurs et autres équipements électriques.
Au fil du temps, la tension des sources d'électricité pour aéronefs a augmenté. Les aéronefs à réseau électrique à courant continu de 14 et 28 volts (Vcc) ont cédé la place à des aéronefs à réseaux électriques fonctionnant avec un courant alternatif de 115 volts (Vca) et de 230 Vca. Actuellement, les aéronefs peuvent comporter une ou plusieurs sources d'électricité qui fonctionnent à des tensions dont +/- 270 Vcc. Par exemple, un avion de ligne commercial gros-porteur à réaction bimoteur actuel utilise un réseau électrique qui est un réseau à tension hybride qui comprend des sous-réseaux fonctionnant à des tensions de 230 Vca, 115 Vca, 28 Vcc ainsi qu'un sous-réseau de courant continu haute tension bipolaire qui comprend des sources de + et - 270 Vcc.
Les tensions dans les réseaux électriques de c.c. haute tension atteignent des niveaux comparables aux réseaux domestiques de c.a. et nécessitent la présence de moyens d'atténuation de défauts pour détecter le passage d'un courant électrique anormal qui peut survenir dans le réseau et réagir en conséquence. Dans les réseaux domestiques de c.a., des dispositifs de protection contre les défauts comprennent ordinairement un disjoncteur qui peut déclencher et se mettre en position bloquante, ordinairement par l'intermédiaire d'un contacteur électromécanique dont l'actionnement peut prendre environ 50 millisecondes (ms) pour mettre hors tension la ligne d'alimentation en cas de dérangement. Un contacteur électromécanique laissant passer vers une charge électrique un courant issu d'une source de c.c. haute tension amorce un arc à l'instant de l'ouverture du contacteur, lorsque le flux d'électrons passant par les contacts du contacteur en train de s'ouvrir ionise les molécules d'air dans l'espace entre les contacts pour former un plasma gazeux. Le plasma a une faible résistance et est apte à maintenir le passage de courant. Le plasma est chaud et susceptible d'éroder les surfaces métalliques des contacts du contacteur. L'amorçage d'un arc par le courant électrique provoque une dégradation des contacts et donc du contacteur électromécanique, ainsi qu'une interférence électromagnétique (EMI) qui peut nécessiter l'utilisation de procédés d'extinction d'arc.
Selon un premier aspect, un réseau pour la distribution d'électricité dans un aéronef comporte un composant formant source de courant continu haute tension bipolaire avec un conducteur de tension positive et un conducteur de tension négative ; un composant d'application de charge électrique apte à extraire de l'électricité du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire ; un ensemble de composants de commutation conçu pour faire sélectivement passer du courant du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire au composant d'application de charge électrique en basculant entre un état bloquant qui supprime le passage de courant entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et le composant d’application de charge électrique et un état passant qui établit le passage de courant entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et le composant d application de charge électrique, un premier sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur positif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et un second sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur négatif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire, et un composant d'élimination des transitoires. Le composant d'élimination des transitoires est conçu pour limiter le courant circulant dans le premier ou le second sous-ensemble de l'ensemble de composants de commutation lorsque les premier et second sous-ensembles ne sont pas dans le même état.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier sous-ensemble de composants de commutation comprend un niveau de limite d'intensité décalé par rapport à un niveau de limite d'intensité du second sous-ensemble de composants de commutation 214 de telle sorte que, lorsque le composant d’application de charge électrique subit un court-circuit, le premier sous-ensemble de composants de commutation limite l’intensité avant le second sous-ensemble de composants de commutation.
Selon un autre aspect, un procédé de distribution d’électricité comporte l'application d'électricité d'un composant formant source de courant continu haute tension bipolaire à conducteur de tension positive et conducteur de tension négative à un composant d'application de charge électrique apte à extraire de l'electricité du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire par l'intermédiaire d'un ensemble de composants de commutation conçu pour taire sélectivement passer du courant du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire au composant d'application de charge électrique en basculant entre un état bloquant qui supprime le passage entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et le composant d'application de charge électrique et un état passant qui établit le passage entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et le composant d application de charge électrique, un premier sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur positif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et un second sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur négatif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et limitant, à 1 aide d'un composant d'élimination des transitoires, le courant circulant dans le premier ou le second sous-ensemble de l'ensemble de composants de commutation lorsque les premier et second sous-ensembles ne sont pas dans le même état.
Selon un autre aspect, un dispositif de commutation de puissance comporte un ensemble de composants de commutation conçu pour faire sélectivement passer du courant d'un composant formant source de courant continu haute tension bipolaire à un composant d'application de charge électrique en basculant entre un état bloquant qui supprime le passage entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et le composant d application de charge électrique et un état passant qui établit le passage entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire et le composant d'application de charge électrique, un premier sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur positif du composant formant source bipolaire de courant continu haute tension et un second sous-ensemble de composants de commutation étant couple au conducteur négatif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire, et un composant d’élimination des transitoires. Le composant d'élimination des transitoires est conçu pour limiter le courant circulant dans le premier ou le second sous-ensemble de l'ensemble de composants de commutation lorsque les premier et second sous-ensembles ne sont pas dans le même état. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : -la Figure 1 est une illustration schématique de dessus d'un exemple d'aéronef et de réseau de distribution d’électricité selon divers aspects décrits ici ; -la Figure 2 un schéma d'un exemple de réseau de distribution de courant continu haute tension selon divers aspects décrits ici ; -la Figure 3 est un organigramme illustrant un procédé de distribution d’électricité dans un réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici ; -la Figure 4 est une illustration schématique d'un exemple de réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici ; -la Figure 5 est une illustration schématique d’un exemple de réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici ; -la Figure 6 est une illustration schématique d'un exemple de réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici ; -la Figure 7 est un exemple de graphique de formes de tension et d'intensité qui démontre le fonctionnement du réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici ; et -la Figure 8 est un exemple de graphique de formes de tension et d'intensité qui démontre le fonctionnement du réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici.
Les formes de réalisation de la présente invention sont décrites ici dans le contexte d'un aéronef, qui permet la production d'électricité à partir d'une source d’énergie telle qu’un moteur à turbine, du kérosène, de l’hydrogène, etc. Cependant, bien qu'une forme de réalisation de l'invention soit présentée dans un environnement aéronautique, l'invention ne se limite pas à cela et s’applique globalement à des réseaux de distribution d'électricité dans des applications non aéronautiques telles que d'autres applications mobiles et des applications non mobiles dans l'industrie, le commerce et l'habitat. Par exemple, les environnements mobiles applicables peuvent comprendre un aéronef, un vaisseau spatial, un lanceur spatial, un satellite, une locomotive, une automobile, etc. Les environnements commerciaux peuvent comprendre des locaux de fabrication ou des installations ou infrastructures de production et de distribution d'électricité.
Au moins certaines des formes de réalisation de l’invention proposent des réseaux, procédés et dispositifs de distribution bipolaire de courant haute tension qui comportent des moyens de détection et d'atténuation des transitoires. Le réseau de distribution de courant haute tension bipolaire cotnporte un ensemble de composants de commutation tels que des contaeteurs disjoncteurs statiques (SSPC). “Un ensemble” peut comprendre n'importe quel nombre de contaeteurs à semi-conducteurs, don. un unique contacteur à semi-conducteurs. De même, “un ensemble” au sens de la présente description peu. comprendre n'importe quel nombre d’elements, y compris un unique élément. Au sens de la présente description, une alimentation en c.c. bipolaire ou une source de e c bipolaire peu, être définie comme une source d'électricité à courant continu où la tension de sortie peut être établie positive ou négative et peut générer du courant. Au sens de la présente description le c.c. haute tension peu. être défini comme énergie électrique à des tensions suffisamment hautes pour endommager des composants à sem,-conducteurs en cas d'incident électrique e. peut comprendre à Mire nullement limitatif, des tensions supérieures à celles fournies par des sources d'électricité de 28 Vec intégrées dans de nombreux aéronefs classiques.
Actuellement, peu d'aéronefs comportent des sources de courant haute tension bipolaire telles que + et - 270 Vec et aucun de ces aéronefs n'intègre un réseau de distribution d'électricité pour courant haute tension bipolaire. Cependant, avec la présence d'un reseau de distribution de c.c. haute tension, des sources de c.c. haute tension bipolaire ne seront plus limitées à une zone des aéronefs. Par conséquent, les sources de e.e. haute tension bipolaire, par le biais du réseau de distribution d’électricité, devront etre à même d'éliminer l'activité électrique des transitoires et d'atténuer les incidents pouvant survenir n'importe où dans les aeronefs là où une charge est alimentée par la source de e.c. haute tension bipolaire.
En raison de problèmes de fiabilité et de vitesse de commutation associés aux contacteurs électromécaniques, des contacteurs à semi-conducteurs sont ordinairement utilisés dans les réseaux électriques essentiels pour la sûreté tels que ceux présents dans les aeronefs et comportant des applications de courant continu haute tension. Les contacteurs à semi-conducteurs sont susceptibles d être endommagés du fait d'une réaction à des transitoires dans un circuit ou un réseau électrique. Les réseaux de distribution d'électricité tels que ceux présents dans les aéronefs sont exposés à un certain nombre de sources potentielles d'activité électrique de transitoires dont, mais a titre nullement limitatif, les pannes d équipements et la foudre. Une méthode pour protéger contre les transitoires les réseaux de distribution de c.c. haute tension comporte une coordination de la cadence d'ouverture et de fermeture des contacteurs à semi-conducteurs couplés aux alimentations positive et négative d'une source de e.c. haute tension. La coordination des contacteurs à semi-conducteurs comprend une mesure protectrice telle que si un contacteur à semi-conducteurs couplé à l’une des alimentations positive et négative est défaillant, l’autre n'est pas endommagé.
Considérant maintenant la Figure 1, il y est représenté une vue schématique de dessus d'un exemple d’aéronef et de réseau de distribution d'électricité selon divers aspects décrits ici. Un aéronef 2 a au moins un moteur à turbine à gaz, représenté 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 avoir n'importe quel nombre de systèmes de moteurs. Le système de moteur gauche 12 peut être couplé à une ou plusieurs sources d'électricité 16 qui convertit/convertissent de l’énergie mécanique en électricité. L'un quelconque ou la totalité des moteurs d’un aéronef 2, dont les systèmes de moteurs gauche et droit 12, 14, peut/peuvent être ainsi couplé(s) à une ou plusieurs source(s) 16 de courant continu haute tension bipolaire. La source 16 de courant continu haute tension bipolaire peut être couplée à un réseau de distribution d'électricité 18 qui met sélectivement sous tension un ensemble de systèmes et de dispositifs de l'aéronef 2 qui composent collectivement la charge électrique. Les systèmes et dispositifs alimentes par la source 16 de courant continu haute tension bipolaire par l'intermédiaire du réseau de distribution d'électricité 18 peuvent etre n’importe quel système ou dispositif d’un aéronef capable d'extraire du courant via la charge et comprennent, mais à titre nullement limitatif, des actionneurs 26 de commandes de vol, des convertisseurs abaîsseurs localisés 27 pour les écrans dans l’habitacle, des systèmes de climatisation 28, etc.
Dans 1 aéronef 2, les systèmes de moteurs gauche et droit 12, 14 en marche fournissent de l’énergie mécanique qui peut être extraite à l'aide d’une bobine afin de produire une force d’entrainement pour la source 16 de courant continu haute tension bipolaire. D’autres sources de courant peut comprendre, à titre nullement limitatif, des alternateurs, des batteries, des piles à combustible, des sources d’électricité de secours telles qu’une Turbine à Air Dynamique (TAD), des redresseurs pour convertir une ou plusieurs entrée(s) de sources de c.a. en source de c.c. haute tension bipolaire, etc. A son tour, pour le fonctionnement des charges, la source d’électricité 16 fournit le courant généré aux charges électriques pour les systèmes et dispositifs 26, 27, 28, ce courant étant distribué par le réseau de distribution d’électricité 18.
Considérant maintenant la Figure 2, il y est représenté un schéma d’un exemple de réseau de distribution 50 de c.c. haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici. Le réseau de distribution de c.c. haute tension bipolaire comporte un composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 couplé à un ensemble de composants de commutation 54. L'ensemble de composants de commutation 54 couple sélectivement le courant issu du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 à un composant 58 d'application de charge électrique L'ensemble de composants de commutation 54 comprend un composant d’élimination de transitoires 56 afin de limiter le courant passant dans l’ensemble de composants de commutation à semi-conducteurs pendant un phénomène de tension transitoire. Un composant de communication 60 est couplé à l'ensemble de composants de commutation 54 pour commander et contrôler l'état de l'ensemble de composants de commutation 54. Selon un mode de réalisation de l’invention, le composant de communication 60 est conçu pour appliquer une tension extérieure à un ensemble de bornes de commande de l’ensemble de composants de commutation 54 en fonction de l’état de l’ensemble de composants de commutation.
Le composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 est une source ou une alimentation fournissant du c.c. haute tension bipolaire. Le composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 peut délivrer tout niveau de tension positive et négative destinée à servir à la distribution d'électricité à un composant 58 d'application de charge électrique dont, à titre nullement limitatif, une tension positive et négative de 270 V, L'ensemble de composants de commutation 54 comprend un ensemble d'interrupteurs à semi-conducteurs. L'ensemble d interrupteurs à semi-conducteurs peut comprendre tout type d interrupteur à semi-conducteurs apte à devenir passant ou bloquant (c est-à-dire à se fermer ou à s'ouvrir) lorsqu'une tension extérieure est appliquée à un ensemble de bornes de commande de 1 interrupteur. Chacun des interrupteurs à semi-conducteurs de l'ensemble de composants de commutation 54 peut comprendre un dispositif de commutation électronique à semi-conducteurs qui bascule l'alimentation en courant vers les circuits de charge du composant 58 d'application de charge électrique, 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 peut être constitué de tout type d'interrupteurs électroniques à semi-conducteurs dont, à titre nullement limitatif, un contacteur disjoncteur statique (SSPC), un relais à semi-conducteurs comprenant un transistor à effet de champ à grille isolée (MOSFET), un relais à semi-conducteurs comprenant de multiples MOSFET montés en parallèle, etc. Les éléments de commutation à semi-conducteurs de l’ensemble de composants de commutation peuvent être en n'importe quelle matière utilisée pour des applications en électronique de commutation à semi-conducteurs dont, à titre nullement limitatif, le silicium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium, etc.
Une configuration de l'ensemble de composants de commutation 54 comprend la présence de SSPC qui sont des dispositifs à semi-conducteurs commandant l'alimentation électrique d'une charge. De plus, les SSPC assument des fonctions de surveillance et de diagnostic afin de détecter des états de surcharge et d’empêcher des courts-circuits. Les SSPC fonctionnent d'une manière similaire à des coupe-circuits avec des éléments de commutation électromécaniques protégeant les câblages et les charges contre des défaillances. Les SSPC peuvent changer d'état dans un délai chiffré en millisecondes, à comparer à des commutateurs électromécaniques qui peuvent avoir besoin d'environ 30 ms ou davantage pour achever une transition d'un état à un autre.
Mis en œuvre avec des SSPC, l’ensemble de composants de commutation 54 peut comprendre des moyens de contrôle et de protection intégrés pour des opérations dont, à titre nullement limitatif, le contrôle de la tension, le contrôle de l'intensité, le contrôle de la température afin d'assurer l'absence de surchauffe des SSPC négatifs et positifs, la limitation de l’intensité, le contrôle d'Ft, la protection contre l'amorçage d'arcs et la protection contre des défauts à la terre de basse fidélité, etc. Les moyens de contrôle et de protection intégrés des SSPC permettent à l'ensemble de composants de commutation 54 de servir de régulateur pouvant réguler le courant de sortie appliqué aux charges afin d'assurer le bon fonctionnement de celles-ci. Les SSPC peuvent comprendre des microprocesseurs configurables qui peuvent être programmés pour améliorer les caractéristiques de régulation. Chaque SSPC peut comprendre toute configuration, topologie ou tous composants électroniques servant à la commutation de puissance dans le réseau de distribution 50 de c.c. haute tension dont, à titre nullement limitatif, la réalisation de chaque SSPC de façon qu'il comprenne un ou plusieurs dispositifs à semi-conducteurs en parallèle pour renforcer la capacité d'acheminement de courant, la configuration des SSPC pour qu'ils soient bidirectionnels en utilisant deux dispositifs unidirectionnels en série, etc. L'ensemble de composants de commutation 54 peut comprendre n'importe quel nombre de contacteurs dont, à titre nullement limitatif, un premier contacteur couplé à un conducteur positif venant du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 et un deuxième contacteur couplé à un conducteur négatif venant du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52. Par conséquent, dans une configuration, l'ensemble de composants de commutation 54 comprend un premier SSPG couplé à un conducteur positif venant du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 et un deuxième SSPC couplé à un conducteur négatif venant du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52.
Le composant de communication 60 commande et contrôle l'état de l'ensemble de composants de commutation 54 en partie en communiquant avec d'autres éléments de commande de l'aéronef. Par exemple, le composant de communication 60 communique l'état les SSPC à d'autres systèmes de commande de gestion du véhicule. Le composant de communication 60 peut transmettre des données indicatrices d'instructions au contacteur, lire un état du contacteur qui comprend l'information selon laquelle le contacteur est ouvert ou fermé, et surveiller un état de marche du contacteur. Par exemple, l'état du contacteur peut comprendre une indication de ce que le contacteur est ouvert ou fermé et l’état de marche peut du contacteur peut comprendre une indication de température. Le composant de communication 60 peut reposer sur tout 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 dont, à titre nullement limitatif, un câble d'interconnexion équilibrée conçu pour mettre en œuvre la Norme Reconnue 485 (RS-485), un câble série bifilaire conçu pour mettre en œuvre un protocole pour réseau local de commande (bus CAN), un câble série trifilaire ou pentafilaire conçu pour mettre en œuvre la Norme Reconnue 232 (RS-232), etc.
Le composant d'élimination des transitoires 56, couplé à l’ensemble de composants de commutation 54 limite la circulation de courant dans l'ensemble de composants de commutation 54 dans le réseau de distribution 50 de c.c. haute tension. Avec un réseau de distribution 50 de courant haute tension, le courant part du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52, passe de celui-ci à l'ensemble de composants de commutation 54, passe de celui-ci au composant 58 d'application de charge électrique puis revient. Par conséquent, le composant d'élimination des transitoires 56 est conçu pour limiter ou arrêter le courant passant dans l’ensemble de composants de commutation 54 pendant un état de surtension, ce qui est susceptible de faire baisser le niveau d'endommagement par le courant dans un ou plusieurs composant(s) de l'ensemble de composants de commutation 54. Le composant d’élimination des transitoires 56 peut être formé à partir de et conçu avec tout dispositif apte à limiter le courant par l'intermédiaire d'un élément de commutation à semi-conducteurs dont, à titre nullement limitatif, une varistance à oxyde métallique (MOV), un suppresseur de tension transitoire (TVS), une diode à effet de volant (c’est-à-dire de roue libre, d'amortissement, de fixation de niveau, etc.) et des combinaisons de ceux-ci qui comprennent des éléments à l’intérieur et à l'extérieur de l’ensemble d'éléments de commutation 54.
Considérant maintenant la Figure 3, il y est représenté un organigramme illustrant un procédé 100 de distribution d'électricité sur un réseau de distribution de c.c. haute tension bipolaire 50 selon divers aspects décrits ici. En 110, le composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 applique de l'électricité au réseau de distribution de c.c. haute tension bipolaire 50. Selon le type ou la configuration du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52, l'application d’électricité peut comprendre l'activation d'un alternateur, le démarrage d'un moteur, l'émission d'une instruction de commande pour mettre sous tension la source, la fermeture d'un ou de plusieurs circuits, etc. Pendant des fonctionnements normaux ou idéalisés, l'ensemble de composants de commutation 54 se ferme et les composants d’application de charge électrique 58 sont mis sous tension et réduisent correctement le courant conformément aux exigences de fonctionnement des composants d'application de charge électrique 58. Lors de fonctionnements anormaux, voire lors de fonctionnements réels, nominaux en vraie grandeur, les composants de l'ensemble de composants de commutation 54 ne sont pas toujours dans le même état. Par exemple, un commutateur peut être bloquant tandis qu'un autre est passant. Dans certains cas, l'asymétrie dans l’état de l’ensemble de composants de commutation 54 survient en raison d'une anomalie dans le réseau de distribution de c.c. haute tension bipolaire 50. Dans d'autres cas, l'asymétrie dans l’état de l’ensemble de composants de commutation 54 survient en raison d'un manque de simultanéité des événements de commutation. Ainsi, un commutateur change d'état avant un autre commutateur de 1 ensemble de composants de commutation 54. Le manque de simultanéité dans la commutation des composants de l'ensemble de composants de commutation 54 survient, en partie, en raison du niveau de coordination fini réalisable par commande électronique. De plus ou selon une autre possibilité, le manque de simultanéité peut être encore accentué par des exigences de fonctionnement qui peuvent comprendre, mais à titre nullement limitatif, la séparation physique des commutateurs. Par exemple, les commutateurs sont souvent séparés d'un peu plus de 30 cm (1 pied) pour assurer l'isolation électrique en raison de la haute tension du réseau de distribution de c.c. haute tension bipolaire 50. La séparation physique peut provoquer une commutation légèrement non synchronisée du fait de délais de communication entre commutateurs.
Par conséquent, lors de l’étape 112, une détermination de 1 état de 1 ensemble de composants de commutation 54 comprend une détermination de ce que, oui ou non, tous les commutateurs sont ouverts ou fermés. Si tous les commutateurs de l'ensemble de composants de commutation 54 ne sont pas dans le même état, le composant d'élimination des transitoires 56 limite la circulation de courant dans l’ensemble de composants de commutation à semi-conducteurs 54. Lors de l'étape 114, le composant d'élimination des transitoires 56 limite le courant circulant par l’ensemble de composants de commutation à semi-conducteurs 54 afin d’assurer une mesure de protection pour l'ensemble de composants de commutation à semi-conducteurs 54.
Considérant maintenant la Figure 4, il y est représenté une illustration schématique d’un exemple de réseau de distribution de courant haute tension bipolaire 200 selon divers aspects décrits ici. Le composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210 comprend deux sources de c.c. haute tension 211 de courant continu de 270 volts couplées chacune à la terre 236 du châssis, l’une par le conducteur négatif et l'autre par le conducteur positif. Le composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210 est couplé à l'ensemble de composants de commutation 216 qui comprend deux SSPC 212 et 214, un premier S SPC 212 étant couplé au côté positif du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210 et un second SSPC 214 étant couplé au côté négatif du composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210. Le couplage entre le composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210 et l'ensemble de composants de commutation 216 peut comprendre un fil de limitation d'intensité 238. Les composants de l'ensemble de composants de commutation 216 sont couplés au composant d’application de charge électrique 226. Le couplage entre l'ensemble de composants de commutation 216 et le composant d'application de charge électrique 226 peut comprendre un fil de limitation d'intensité 238. Selon un mode de réalisation de 1 invention, l'ensemble de composants de commutation 216 comprend deux régulateurs de courant à semi-conducteurs.
Les premier et second SSPC 212, 214 peuvent comprendre un certain nombre de sous-composants et de modules pour commander et protéger l'ensemble de composants de commutation 216. Un SSPC 212, 214 peut comprendre un commutateur principal à semi-conducteurs 224 qui s'ouvre ou se ferme pour coupler le composant d'application de charge électrique 226 au composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210 ou pour découpler ceux-ci. Comme représenté sur la Figure 4, le commutateur principal à semi-conducteurs 224 peut comprendre le composant d'élimination des transitoires 225, lequel peut être constitué d'un ou de plusieurs éléments protecteurs dont, à titre nullement limitatif, une varistance à oxyde métallique (MOV) ou un ensemble de varistances à oxyde métallique, un suppresseur de tensions transitoires (TVS) ou un ensemble de suppresseur de «enstons transitoires, etc. Le composant d'élimination des transitoires 225 réagit à des états de surtension brusques ou momentanés indiquant un phénomène transitoire et limite la circulation de courant dans le commutateur principal 224. Un SSPC 212, 214 peut comprendre un ou plusieurs circuits d'amortissement 228 à l'entrée du commutateur, à la sortie du commutateur ou aux deux, afin de supprimer les pointes de tension et d'amortir les oscillations provoquées par l'inductance du/des circuit(s) lorsque s'ouvre un commutateur. Un SSPC 212, 214 peut comprendre un on plusieurs circuit(s) de test intégré 230 destinés à servir de moyens de Test Intégré (BIT). Le circuit de test intégré 230 permet le fonctionnement d'une méthode de Test Intégré Déclenché (IBIT) qui permet des tests automatiques 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 caractéristique du SSPC et comprend, mais à titre nullement limitatif, un circuit de détection d amorçage d'arc pour la détection d'un amorçage d'arc. Lorsque les deux SSPC sont ouverts, la tension apparue à la sortie de chaque SSPC du fait d'un courant de fuite dans le semiconducteur est gérée par un élément résistif 240, 241 couplé à la sortie du SSPC 212, 214 et à la terre 236 du châssis. Le SSPC 212, 214 peut comprendre un sous-composant de commande 222 de commutateur qui peut coordonner des communications avec des composants de communication extérieurs 234, permettre des fonctions protectrices par l'intermediaire d'un module de contrôle 218 et commander l'état du commutateur principal 224 du SSPC 212, 214. Le module de contrôle 218 peut comprendre n'importe quels moyens de contrôle pour déterminer des phénomènes potentiels risquant d'endommager le commutateur dont, mais à titre nullement limitatif, le contrôle de la tension, le contrôle de l'intensité, le contrôle de la température, la limitation de l'intensité, le contrôle d'Ft, la protection contre les amorçages d'arcs et la protection contre des défauts à la terre de basse fidélité, etc. Le SSPC 212, 214 peut assurer une protection différentielle contre les alimentations défectueuses, où le courant de sortie du SSPC positif 212 et du SSPC négatif 214 est comparé afin de déterminer un grave défaut à la terre. Le module de contrôle 218 peut contrôler 1 intensité et la tension de sortie au niveau des SSPC 212, 214 afin de réaliser une détection d'amorçages d'arcs en série et en parallèle. Les SSPC 212, 214 comprennent une limitation d'intensité en boucle fermée où chaque SSPC 212, 214 utilise une contre-reaction locale d'intensité en boucle fermée pour assurer un partage équitable du courant entre les SSPC pendant les épisodes de limitation d'intensité. Le module de contrôle 218 peut réaliser une limitation d'intensité à l'aide de toute configuration ou technique utile pour des dispositifs de limitation d’intensité à semi-conducteurs dont, mais à titre nullement limitatif, des techniques de limitation linéaire d'intensité et de modulation de durée d'impulsions (MDI). Le module de commande 220 peut commander l’état du commutateur principal 224 d’après les informations fournies soit pas les composants de communication extérieurs 234, soit par le module de contrôle 218, ou par des combinaisons de ceux-ci. Selon un mode de réalisation de l’invention, les régulateurs de courant à semi-conducteurs comprennent le module de contrôle 218 et un module de commande 220. Le module de contrôle 218 détermine si l’intensité du courant de commutation dans les régulateurs de courant à semi-conducteurs dépasse un seuil prédéterminé et le module de commande 220 peut établir l’état des deux régulateurs de courant à semi-conducteurs en réponse à 1 intensité déterminée du courant de commutation. De plus, le module de contrôle 218 détermine si la température des régulateurs de courant à semi-conducteurs dépasse un seuil prédéterminé et le module de commande 220 peut établie l’état des deux régulateurs de courant à semi-conducteurs en réponse à la température déterminée En mettant en œuvre les mesures de contrôle et de protection définies ci-dessus, le réseau de distribution de courant haute tension bipolaire 200 peut exécuter un certain nombre d'étapes pour commander et coordonner les SSPC 212, 214. Par exemple, le reseau de distribution de courant haute tension bipolaire 200 est apte à contrôler en continu l’état de chaque commutateur principal 224 quand il est bloquant et passant. Lorsque chaque commutateur principal 224 est dans un état passant, le module de contrôle 218 peut réaliser la protection des fils par Pt où, si le module de contrôle 218 détermine que l'intensité s'est écartée d'une courbe de seuil prédéterminée, une instruction émise par le module de commande peut mettre les deux commutateurs principaux 224 dans l'état bloquant. Le seuil prédéterminé peut être n’importe quelle courbe de l'intensité par rapport au temps qui détermine le déclenchement par Pt et que l'on trouvera notamment, mais pas exclusivement, dans des normes aérospatiales et industrielles qui fournissent des exemples de courbes. De même, si le module de contrôle 218 détermine que le courant de commutation dans l'un ou l’autre SSPC 212, 214 dépasse un seuil prédéterminé, l'intensité peut être limitée et les commutateurs principaux 224 ont basculé dans l'état bloquant. Le seuil prédéterminé peut être tout niveau d'intensité dépendant du nombre de composants de commutation à semiconducteurs disponibles pour laisser passer du courant dans le SSPC, notamment, mais pas exclusivement, des niveaux d’intensité de 10 à 1000 ampères (A). Si le module de contrôle 218 détermine que la température pour un SSPC 212, 214 dépasse un niveau nominal, le module de commande 220 peut mettre les deux SSPC 212, 214 dans l'état bloquant ou signaler la situation à un composant de commande extérieur via le composant de communication 234. Le niveau nominal peut être toute température en fonction du SSPC particulier, notamment, mais pas exclusivement, 100 degrés Celsius (°C).
Si on utilise deux SSPC de limitation d'intensité 212, 214 en sene, comme représenté sur la Figure 4, si les niveaux de limite d’intensité pour chaque SSPC 212, 214 sont égaux, le réseau de distribution de courant haute tension bipolaire 200 peut connaître une instabilité dans la régulation d’intensité en boucle fermée. Par conséquent, l’ensemble de composants de commutation 216 peut comprendre des niveaux de limite d’intensité échelonnés pour chaque SSPC 212, 214. Par exemple, la limite d'intensité du SSPC positif 212 peut être établie à 600 % et la limite d'intensité du SSPC négatif 214 peut être établie à 500 %. De la sorte, les niveaux de limite d’intensité échelonnés assurent que, pendant un scénario de charge en court-circuit, ce soit le SSPC positif 212 qui limite d’abord l'intensité. Les tensions et les intensités sont contrôlées dans le but de surveiller la situation et l'état de marche. Le SSPC 212, 214 peut comprendre des éléments et des procédés pour empêcher le courant de fuite dans le semi-conducteur dont, mais pas exclusivement, une résistance stabilisatrice 240. Au moment du basculement de l'état d’un SSPC 212, 214, ce qu'on appelle le “basculement dans l’état passant” et le “basculement dans l'état bloquant ’, le SSPC 212, 214 peut confiner le rapport dV/dt de la tension de charge dans une bande spécifique en réalisant une rétroaction en boucle fermée sur d'V/dt. La bande spécifique peut être tout changement de tension par unité de temps, notamment, mais pas exclusivement, 100 V/microseconde pour chaque commutateur dans un réseau de + et - 270 Vcc, Pendant le “basculement dans l'état passant” et le “basculement dans l’état bloquant” du SSPC le SSPC 212, 214 peut ajuster la valeur de consigne de limite d’intensité afin de maîtriser le rythme d'augmentation du rapport dl/dt du courant de charge.
La Figure 5 est une illustration schématique d'un exemple de réseau de distribution de courant haute tension bipolaire 300 selon divers aspects décrits ici. Le réseau de distribution de courant haute tension bipolaire est similaire à celui représenté sur la Figure 4, aussi les parties identiques seront-elles désignées par les mêmes repères augmentés de 100, étant entendu que, sauf mention contraire, la description des parties identiques du premier réseau de distribution de courant haute tension bipolaire vaut pour le deuxième réseau de distribution de courant haute tension bipolaire. La Figure 5 comprend un composant d’élimination des transitoires 325 avec un élément supplémentaire représenté sous la forme d'une diode de roue libre 350 à l’extérieur de l’ensemble de composants de commutation 316. La diode de roue libre 350 peut réduire l’énergie transitoire dissipée dans les dispositifs MOV ou TVS sur le commutateur principal 324 des SSPC 312, 314. La Figure 6 est une illustration schématique d'un exemple de réseau de distribution de courant haute tension bipolaire 400 selon divers aspects décrits ici. Le composant d’élimination des transitoires 425 comprend la diode de roue libre 450 à la sortie des composants de l'ensemble de composants de commutation 416. Les dispositifs MOV ou TVS 452, 454 sont situés à l’entrée des SSPC 412, 414. Alors que, sur la Figure 5 et la Figure 6, les deux SSPC 212, 214, 312, 314 doivent se trouver au même endroit afin de réduire les pertes dans les câblages de la diode de roue libre 350, 450, avec la configuration de la Figure 4, les composants de l’ensemble de composants de commutation 216 n'ont pas besoin de se trouver au même endroit.
La Figure 7 est un exemple de graphique de formes de tension et de formes d'intensité qui démontre Je fonctionnement du reseau de distribution de courant haute tension bipolaire selon divers aspects décrits ici. Le graphique démontre comment la topologie des commutateurs décrite plus haut répond à la commutation non synchronisée du SSPC positif 212, 312, 412 et du SSPC négatif 214, 314, 414 telle qu’elle se produit lorsque le SSPC positif 212, 312, 412 et le SSPC négatif 214, 314, 414 ne se trouvent pas au même endroit. A l'instant {]), de l'électricité est appliquée au composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 52 qui fournit du c.c. à tension positive et négative de 270 V et est représenté par les repères 210, 310, 410 sur les figures 4 à 6, L'intensité dans l'ensemble de composants de commutations 216, 316, 416 augmente momentanément à mesure que chargent les condensateurs des circuits d'amortissement 228, 328, 428. La tension dans chaque SSPC de l'ensemble de composants de commutations 216, 316, 416 augmente jusqu'à + et - 270 Vcc et avec le commutateur principal 224, 324, 424 de l'ensemble de composants de commutation 216, 316, 416 dans l'état bloquant, la tension dans les commutateurs principaux positifs et négatifs 224, 324, 424 est de 270 Vcc. A l'instant (2), le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC négatif 214, 314, 414 se ferme et la tension dans le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC négatif 214, 314, 414 chute à 0 V et la tension de sortie (“VOUt Négative") du SSPC négatif 214, 314, 414 chute a -270 V. De même, puisque le potentiel est présent dans le composant d'application de charge électrique 226, 326, 426, la tension de sortie (“Vout Positive”) du SSPC positif 212, 312, 412 chute elle aussi à -270 V. La tension dans le commutateur principal du SSPC positif 212, 312, 412 est de 540 Vcc. Pendant ce temps, la tension de charge reste à zéro, car le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC positif 212, 312, 412 n'a pas été mis dans un état passant. L'intensité totale (“I Total Positive“ et ”lTota, Négative”) est faible en raison de l'application de charge aux circuits d'amortissement positifs et négatifs 228, 328, 428. A l'instant (3), le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC positif 212, 312, 412 est mis dans l'état passant et la tension dans le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC positif 212, 312, 412 chute à 0 V et la tension de sortie du SSPC positif 212, 312, 412 monte à + 270 V. De même, le composant d'application de charge électrique 226, 326, 426 est couplé électriquement au composant formant source de c.c. haute tension bipolaire 210, 310, 410 et, par conséquent, la tension de charge monte à 540 V et 1 intensité totale monte à 100 % de l’intensité nominale (p.ex. 120 A). A l'instant (4), le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC positif 212, 312, 412 est mis dans l’état bloquant et la tension dans le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC positif 212, 312, 412 monte à environ 1 kV sous l’effet de la force contre-électromotrice fixée (fcem) créée par l’inductance de la boucle de cablage. La tension dans le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC positif 212, 312, 412 chute à un régime forcé de 540 V. La tension de charge chute aussi à zéro et les intensités de sortie totales du SSPC chutent à 0 A.
Les graphiques de la Figure 8 indiquent le moment où le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC négatif 214, 314, 414 est mis dans l’état bloquant à l'instant (5). Puisque les circuits d amortissement 228, 328, 428 contiennent beaucoup d'énergie et que les résistances stabilisatrices 240, 241, 340, 341, 440, 441 ont des valeurs de résistance relativement élevées pour réduire les pertes en régime forcé, les condensateurs des circuits d amortissement 228, 328, 428 se déchargent en environ 25 ms. Par conséquent, les tensions de sortie positives et négatives et les tensions positives et négatives des commutateurs principaux ne reviennent respectivement pas à 0 V, 0 V, 270 V et 270 V avant un délai de 25 ms après que le commutateur principal 224, 324, 424 du SSPC négative 214, 314, 414 a été mis dans l'état bloquant.
Une distribution de courant continu haute tension bipolaire dans les aéronefs offre l’avantage que beaucoup d'électricité peut être fournie à une charge donnée à des niveaux d'intensité inférieurs en comparaison de ceux nécessaires dans les réseaux de c.c. basse tension. Dans certains cas, les besoins en courant pour une charge donnée diminuent étant donnée la constance des besoins en électricité, ce qui réduit donc le diamètre des fils pour une charge donnée, ce qui allège par conséquent les câblages. Les formes de réalisation décrites plus haut offrent, pour la commutation par semi-conducteurs de courant continu haute tension, les avantages d'une protection rapide contre les courts-circuits et d’une limitation rapide de l'intensité pendant les courts-circuits, d'une protection rapide contre les défaillances de câblages et l'amorçage d’arcs, d’une maîtrise de la charge appliquée aux charges capacitives et d'une protection contre la commutation de charges inductives et la foudre. La configuration des éléments décrits plus haut crée une topologie de réseau électrique tolérante aux défaillances de commutateurs, dont l’échec d’ouverture ou de fermeture, tolérante à la commutation non synchronisée et assure une protection secondaire pour chaque commutateur. En outre, la topologie peut être mise en œuvre sous une forme unidirectionnelle ou bidirectionnelle.
Dans la mesure où cela n'a pas déjà été décrit, les différents détails et structures des diverses formes de réalisation peuvent être utilisés à volonté en combinaison les uns avec les autres. Le fait qu'un détail puisse ne pas être illustré dans toutes les formes de réalisation n'est pas destiné à être interprété comme une impossibilité qu’il le soit ; cela ne vise qu'à rendre la description plus concise. Ainsi, les divers détails des différentes formes de réalisation peuvent être mêlés et adaptés à volonté pour créer de nouvelles formes de réalisation, que les nouvelles formes de réalisation soient expressément décrites ou non. Toutes les combinaisons ou permutations de détails décrits ici sont couvertes par le présent exposé. 2 - aéronef 12, 14 - système de moteur 16 - source de courant continu haute tension bipolaire 18 - réseau de distribution d'électricité 26 - actionneur de commande 27 - convertisseur abaisseur localisé 28 - système de climatisation 50 - réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire 52 - composant formant source de courant continu haute tension bipolaire 54 - ensemble de composants de commutation 56 - composant d'élimination des transitoires 58 - composant d'application de charge électrique 60 - composant de communication 100 - procédé de distribution d'électricité 110, 112, 114 - étapes du procédé 100 200 - réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire 210 - composant formant source de courant continu haute tension bipolaire 211 - source de c.c.
212, 214 - SSPC 216 - ensemble de composants de commutation 218 - module de contrôle 220 - module de commande 222 - sous-composant de commande et de contrôle de commutateurs 224 - commutateur principal 225 - composant d’élimination des transitoires 226 - composant d'application de charge électrique 228 - circuit d'amortissement
230 - BIT 232 - composant d'interruption de défaut à la terre 234 - composant de communication 236 - terre du châssis 238 - fil de limitation d’intensité 240 - résistance 241 - résistance 300 - réseau de distribution de courant continu haute tension bipolaire 310 - composant formant source de courant continu haute tension bipolaire 311 - source de c.c.
312, 314 - SSPC 316 - ensemble de composants de commutation 318 - module de contrôle 320 - module de commande 322 - sous-composant de commande et de contrôle de commutateurs 324 - commutateur principal 325 - composant d'élimination des transitoires 326 - composant d'application de charge électrique 328 - circuit d'amortissement
330 - BIT 332 - composant d'interruption de défaut à la terre 334 - composant de communication 336 - terre du châssis 338 - fil de limitation d’intensité 340 - résistance 341 - résistance 350 - diode de roue libre
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Réseau de distribution d'électricité dans un aéronef, comportant : un composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) avec un conducteur de tension positive et un conducteur de tension négative ; un composant d'application de charge électrique (58) apte à extraire de l'électricité du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) , un ensemble de composants de commutation (54) conçu pour faire sélectivement passer du courant du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) au composant d'application de charge électrique (58) en basculant entre un état bloquant qui supprime le passage de courant entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) et le composant d'application de charge électrique (58) et un état passant qui établit le passage de courant entre le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) et le composant d’application de charge électrique (58), un premier sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur positif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) et un second sous-ensemble de composants de commutation étant couplé au conducteur négatif du composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (52) ; et un composant d'élimination des transitoires (56) couplé à l'ensemble de composants de commutation (54) et conçu pour limiter le courant circulant dans le premier ou le second sous-ensemble de l'ensemble de composants de commutation (54) lorsque les premier et second sous-ensembles ne sont pas dans le même état.
- 2. Réseau selon la revendication 1, dans lequel le premier sous-ensemble de composants de commutation (212) comprend un niveau de limite d'intensité décalé par rapport à un niveau de limite d'intensité du second sous-ensemble de composants de commutation (214) de telle sorte que, lorsque le composant d'application de charge électrique (226) subit un court-circuit, le premier sous-ensemble de composants de commutation (212) limite l'intensité avant le second sous-ensemble de composants de commutation (214).
- 3. Réseau selon la revendication 1, dans lequel le composant formant source de courant continu haute tension bipolaire (210) comprend deux sources (211) de courant continu de 270 volts.
- 4. Réseau selon la revendication 3, dans lequel un conducteur négatif d'une des deux sources de courant continu haute tension de 270 volts est couplé à la terre (236) du châssis et le conducteur positif de l'autre des deux sources de courant continu haute tension de 270 volts est couplé à la terre (236) du châssis.
- 5. Réseau selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble de composants de commutation (216) comprend deux régulateurs de courant à semi-conducteurs.
- 6. Réseau selon la revendication 1, comportant en outre un composant de communication (60) conçu pour appliquer une tension extérieure à un ensemble de bornes de commande de 1 ensemble de composants de commutation (54) en fonction de 1 état de 1 ensemble de composants de commutation.
- 7. Réseau selon la revendication 1, dans lequel le composant d'élimination des transitoires (225, 325) comprend un ensemble de suppresseurs de tensions transitoires ou un ensemble de varistances à oxyde métallique.
- 8. Réseau selon la revendication 7, dans lequel le composant d’élimination des transitoires (225, 325) comprend en outre une diode de roue libre (350) montée à la sortie de l'ensemble de composants de commutation (316).
- 9. Réseau selon la revendication 5, dans lequel les régulateurs de courant à semi-conducteurs comprennent un module de contrôle (218, 318) qui détermine si l'intensité du courant de commutation dans les régulateurs de courant à semi-conducteurs dépasse un seuil prédéterminé et un module de commande (220, 320) qui peut établir l’état des deux régulateurs de courant à semi-conducteurs en réponse à l'intensité déterminée du courant de commutation.
- 10. Réseau selon la revendication 5, dans lequel les régulateurs de courant à semi-conducteurs comprennent un module de contrôle (218, 318) qui détermine si la température des régulateurs de courant à semi-conducteurs dépasse un seuil prédéterminé et un module de commande (220, 320) qui peut établir l'état des deux régulateurs de courant à semi-conducteurs en réponse à la température déterminée.
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