FR3072652A1 - Reseau electrique d'aeronef - Google Patents

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Francis Abdesselam
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Abstract

L'invention concerne un réseau électrique d'un aéronef et un procédé de fonctionnement du réseau électrique. Le réseau comprend : • un générateur (G) délivrant une tension alternative, le générateur possédant un neutre (N), • un redresseur (RU) recevant la tension alternative et délivrant une tension continue à réseau continu (HVDC) pouvant être référencée par rapport à un neutre (16) de l'aéronef, • des charges (L1, L2, L3) connectées au réseau continu (HVDC), le réseau est configuré pour fonctionner en fonctionnement normal sans raccordement du neutre (N) du générateur (G) et comprend : • des moyens de détection (CGU) en fonctionnement normal d'un défaut (31, 32, 33) du réseau, • des moyens de raccordement (K) d'un neutre électrique (16) de l'aéronef au neutre (N) du générateur (G), • des moyens de localisation (K1, K2 et K3i) du défaut configurés pour fonctionner lorsque le neutre (N) du générateur (G) est raccordé au neutre (16) de l'aéronef, • des moyens d'isolement (K1, K2 et K3i) d'une partie du réseau où un défaut est localisé.

Description

Réseau électrique d’aéronef
L’invention concerne un réseau électrique d’un aéronef et un procédé de fonctionnement du réseau électrique. L’invention trouve une utilité particulière pour les avions commerciaux gros porteurs qui comportent de plus en plus d’équipements électriques embarqués. L’invention trouve une utilité particulière pour les avions qui utilisent des sources de puissances électriques alternatives associés à des réseaux continus haute tension.
Les équipements embarqués formant des charges alimentées par ces sources électriques sont de nature très variée et leur consommation énergétique est très variable dans le temps. A titre d’exemple, les systèmes de climatisation et d’éclairage internes sont en fonctionnement quasi continu alors des systèmes de sécurité redondants comme des commandes de gouvernes, ne sont utilisés qu’exceptionnellement.
Généralement, l’avion dispose de générateurs électriques triphasés permettant l’alimentation de l’ensemble des équipements électriques embarqué. Ces générateurs délivrent par exemple une tension alternative de 115 V à une fréquence de 400 Hz. A bord d’un avion, on trouve par exemple un ou plusieurs générateurs principaux, bien connus dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de « main generator ». Il s’agit de machines électriques tournantes entraînées par le ou les réacteurs de l’avion. On trouve également un générateur auxiliaire bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de « auxilliary power unit » entraîné par une turbine dédiée à ce générateur et permettant l’alimentation de l’avion principalement lorsqu’il est au sol ou en phase de décollage pour soulager les réacteurs de l’avion. Le générateur auxiliaire peut aussi être utilisé comme générateur de secours en vol.
Dans les architectures récentes, l’avion devient de plus en plus électrique. Un ou plusieurs bus continus haute tension HVDC peuvent être utilisés localement pour alimenter certaines charges en direct ou au travers de convertisseurs. On peut également envisager de mettre en œuvre un bus HVDC comme distribution principale de l’énergie électrique de l’avion.
L’avion dispose alors d’un redresseur permettant de fournir une tension continue à partir de la tension alternative produite par le ou les des générateurs. La tension continue est produite par le redresseur vers un bus continu haute tension bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de « high voltage direct current » ou sous son acronyme HVDC.
De nombreux avions possèdent une carcasse métallique pouvant servir de conducteur de retour pour les charges alimentées en tension continue. D’un point de vue électrique, la carcasse est appelée « neutre avion ». Dans cette configuration le neutre des générateurs est également raccordé au neutre avion. L’utilisation de ce neutre présente plusieurs avantages, comme la réduction de la masse des câblages du à l’utilisation de la carcasse comme câble de retour vers le générateur. Un autre avantage concerne la sécurité. En effet, un défaut entre une phase et le neutre se traduit par une surintensité qu’il est facile de détecter pour protéger le réseau. Cependant avec le développement de structures d’avion en fibres composites, il peut devenir difficile de trouver une carcasse métallique continue entre toutes les charges et les générateurs.
Alternativement, il est possible de se passer du neutre avion au niveau des générateurs. Un avantage de cette configuration est d’éviter la circulation de certains harmoniques du générateur sur le réseau. Par exemple, dans le cas d’un générateur triphasé, l’harmonique 3 transite facilement sur le neutre avion quand il est raccordé au générateur. La suppression du raccordement du neutre du générateur à la carcasse empêche cette circulation.
Dans la configuration où le neutre des générateurs est raccordé au neutre avion, il est nécessaire d’adapter la conception des générateurs pour limiter la production de cet harmonique, notamment en agissant sur le coefficient de bobinage. Mais cela tend à augmenter la masse des générateurs. La suppression du raccordement du neutre des générateurs et du neutre avion permet de simplifier la conception des générateurs pour lesquels la production des harmoniques devient moins problématique. La simplification de la conception permet donc un allègement des générateurs et une amélioration de leur performance.
Un autre avantage de cette configuration est d’éviter le déclenchement de protections en cas de défaut simple entre une phase et la carcasse permettant ainsi une continuité de service même en cas de défaut.
Cependant, l’utilisation de cette configuration impose d’effectuer des recherches du défaut et augmente le coût ainsi que la complexité du réseau. C’est pourquoi à ce jour, la configuration sans raccordement du neutre des générateurs n’a pas été mise en œuvre.
L’invention vise à proposer l’utilisation de la configuration sans raccordement du neutre des générateurs tout en conservant la simplicité de localisation des défauts du réseau obtenue avec une configuration où le neutre des générateurs est raccordé au neutre avion.
A cet effet, l’invention a pour objet un réseau électrique d’aéronef comprenant :
• un générateur délivrant une tension alternative, le générateur possédant un neutre, • un redresseur recevant la tension alternative et délivrant une tension continue à réseau continu pouvant être référencée par rapport à un neutre de l’aéronef, • des charges connectées au réseau continu, le réseau étant configuré pour fonctionner en fonctionnement normal sans raccordement du neutre du générateur et comprenant :
• des moyens de détection en fonctionnement normal d’un défaut du réseau, • des moyens de raccordement d’un neutre électrique de l’aéronef au neutre du générateur, • des moyens de localisation du défaut configurés pour fonctionner lorsque le neutre du générateur est raccordé au neutre de l’aéronef, • des moyens d’isolement d’une partie du réseau où un défaut est localisé.
Avantageusement, les moyens de détection comprennent un contrôleur du générateur.
Avantageusement, les moyens de localisation et les moyens d’isolement comprennent des contacteurs protégés en surintensité et à ouverture temporisée.
Avantageusement, la temporisation des contacteurs protégés en surintensité est calibrée du plus lent au plus rapide de l’amont vers l’aval du réseau.
L’invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre d’un réseau électrique selon l’invention, caractérisé en ce qu’on enchaîne dans l’ordre les opérations suivantes :
• détection en fonctionnement normal d’un défaut du réseau, • raccordement du neutre du générateur au neutre électrique de l’aéronef, • localisation du défaut et isolement d’une partie réseau où le défaut est localisé, • déconnexion du neutre électrique de l’aéronef et du neutre du générateur pour retrouver un fonctionnement normal.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :
la figure 1 représente schématiquement un exemple de réseau électrique conforme à l’invention ;
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
La figure 1 représente schématiquement un exemple de réseau électrique installé à bord d’un aéronef, notamment un avion commercial gros porteur. L’aéronef peut être alimenté par différents générateurs, certains internes comme des générateurs principaux entraînés par les réacteurs de l’aéronef, un générateur auxiliaire, noté APU et entraîné par une turbine dédiée à ce générateur ou encore un groupe de parc mis à la disposition de l’aéronef lorsque celui-ci est au sol. Sur la figure 1, un seul générateur G est représenté. L’invention peut être mise en œuvre pour chacun de ces générateurs pris isolément ou pour plusieurs parmi les générateurs cités plus haut.
Ces générateurs fournissent une tension alternative par exemple une tension de 115 V à une fréquence de 400 Hz vers un bus alternatif 10 de l’avion. Le bus alternatif 10 est souvent appelé : « bus principal » de l’avion. Toute autre tension est également possible. A titre d’exemple on peut citer des générateurs 230V qui équipent certains avions récents. La fréquence des générateurs peut être fixe ou variable. Les générateurs à fréquence fixe associés aux réacteurs d’un avion sont connus dans la dans la littérature anglo-saxonne sont le nom de « Integrated Drive Generators » ou par ses initiales IDG. Les générateurs à fréquence variable associés aux réacteurs d’un avion sont connus dans la dans la littérature anglo-saxonne sont le nom de « Variable Frequency Generators » ou par ses initiales VFG. Sur la figure 1, le générateur G est représenté avec trois phases. Il est bien entendu possible de mettre en oeuvre l’invention avec des générateurs comprenant d’autres nombre de phases. Des transformations de tensions alternatives peuvent être nécessaires et à cet effet, un transformateur ou un autotransformateur peut être mis en œuvre entre un des générateurs et le bus alternatif 10. Les autotransformateurs utilisé sur avion sont bien connus dans la littérature anglo-saxonne sont le nom de « Auto-transformer Unit » ou par ses initiales ATU. Pour ne pas alourdir la figure, aucun transformateur ou autotransformateur n’est représenté.
Des moyens de déconnexion K1 permettent d’ouvrir la liaison reliant le générateur G au bus alternatif 10. Le réseau électrique comprend également un redresseur RU connecté au bus alternatif 10 et permettant de délivrer une tension continue à un réseau continu haute tension 14 noté HVDC selon une abréviation anglo-saxonne pour : « High Voltage Direct Curent ». Le redresseur RU est ainsi appelé pour son abréviation anglosaxonne : « Rectifier Unit ». Le redresseur RU peut être remplacé par un équipement réalisant à la fois une transformation de tension alternative et le redressement de la tension alternative transformé. Pour cela il est courant de mettre en œuvre un équipement comprenant un autotransformateur et un redresseur connu dans la littérature anglo-saxonne du domaine aéronautique sous le nom de « Auto-transformer Rectifier Unit » ou par ses initiales ATRU. La tension du réseau continu haute tension HVDC est par exemple de + et 270V entre chacune de ses bornes par rapport à un point milieu qui peut être raccordé au neutre avion 16 qui forme alors la référence de tension du réseau HVDC. Les bornes du réseau haute tension HVDC peuvent être appelées phases par analogie avec les phases du réseau alternatif 10.
Le redresseur RU comprend des composants habituellement utilisés pour le redressement tels des diodes de puissances. Il est également possible de mettre en œuvre des composants commandés notamment des thyristors ou des transistors de puissance. Les composants actifs sont bien adaptés pour s’adapter à des générateurs à fréquence variable. Le redresseur RU est généralement accompagné de filtres permettant de lisser la tension et le courant délivré au réseau HVDC. Sur la figure 1, les filtres sont représentés par des condensateurs. Il est bien entendu que ces filtres peuvent comprendre d’autres types de composants telles que par exemple des inductances. Il est également possible d’y intégrer des composants actifs en fonction de besoin. Un premier filtre 20 peut être disposé entre les bornes de sortie du redresseur RU et un second filtre 22, également disposé entre les bornes de sortie du redresseur RU, peut former un diviseur de tension dont le point milieu est raccordé au neutre avion 16 afin de fixer le potentiel du réseau HVDC. Sur la figure 1, les filtres sont représentés hors du redresseur RU. Il est également possible de les intégrer dans le redresseur lui-même.
Un contrôleur du générateur appelé GCU selon une abréviation anglo-saxonne pour : « Generator Control Unit » permet de gérer la puissance délivrée par le redresseur RU au réseau HVDC. Le contrôleur GCU reçoit les tensions présentes en sortie du redresseur RU et les compare à une tension de référence Vref pour piloter le générateur G. Le pilotage peut se faire au moyen d’une excitatrice 24 du générateur G.
Des moyens de déconnexion K2 permettent d’ouvrir une liaison reliant le redresseur RU au réseau HVDC.
Le réseau électrique de l’avion comprend plusieurs charges connectées au réseau continu HVDC. Par charges on entend tout type d’équipement susceptible de consommer ou éventuellement de générer de l’énergie électrique de ou vers le réseau HVDC. Parmi les charges génératrices, on peut notamment citer des stockeurs d’énergie telles que des batteries, consommant de l’énergie lorsqu’on les recharge et générant de l’énergie en cas de besoin. Parmi les charges consommatrices, certaines peuvent fonctionner en permanence, comme notamment le système de climatisation de l’avion, et d’autres de façon temporaire, comme le système de freinage électrique du train d’atterrissage. Il est important de noter que certaines charges peuvent être critiques, comme notamment certains instruments de vol et d’autres peuvent éventuellement être délestées en cas de besoin.
Sur le figure 1, trois charges Li, L2 et L3. sont représentées. Dans la pratique, le nombre de charges est généralement plus important. Des moyens de déconnexion sont prévues pour chacune de ces charges, K31 pour la charge L-ι, K32 pour la charge L2 et K33 pour la charge L3.
Les charges L1, et L2 sont par exemple des charges fonctionnant en courant alternatif et sont alimentées chacune par le réseau HVDC au travers d’un convertisseur continu/alternatif, respectivement Ci et C2. La charge L3 fonctionne par exemple en courant continu et est alimentée par le réseau HVDC au travers d’un convertisseur continu/continu C3 qui peut être réversible. Un réseau continu DC 40 peut être interposé entre le convertisseur continu/continu C3 et charge L3. Ce réseau 40 est par exemple un réseau basse tension 28V continu. A ce réseau peut être connecté d’autres charges et éventuellement une ou plusieurs batteries 42.
Le générateur G possède un neutre N. Par exemple dans une machine triphasée dont les enroulements sont raccordés en étoile, le neutre est formé par le point commun aux trois enroulements. Le générateur G est configuré pour fonctionner sans son neutre N. Plus précisément, en fonctionnement normal, c'est-à-dire sans défaut dans le réseau électrique, le générateur G délivre sur chacune de ses sorties une phase. Les différentes phases sont connectées au redresseur RU qui produit la tension continue au réseau HVDC. En fonctionnement normal, la production de la tension continue ne nécessite pas de neutre. Le neutre avion 16 peut être utilisé, comme représenté sur la figure 1, comme référence de la tension continue mais ce n’est pas une obligation.
Pour mettre en œuvre l’invention, le neutre N du générateur G doit être raccordable. Plus précisément, le neutre N est accessible à l’extérieur du générateur G et peut être raccordé en cas de besoin. Le réseau électrique comprend des moyens de raccordement du neutre électrique 16 de l’aéronef au neutre N du générateur G. Ces moyens sont par exemple formés par un contacteur K pouvant être piloté. Lorsque le générateur concerné est un groupe de parc raccordé à l’avion, le groupe de parc dispose généralement d’une fiche permettant de raccorder à l’avion les trois phases et le neutre du groupe. Sur l’avion l’embase recevant cette fiche comprend alors des bornes permettant de raccorder dans l’avion les phases et le neutre du groupe de parc. Pour mettre en œuvre l’invention, l’embase ne raccorde pas directement le neutre du groupe de parc à la carcasse de l’avion, c'est-à-dire au neutre avion mais au travers du contacteur K.
Pour les générateurs montés à bord de l’avion, il est possible de regrouper différents éléments mentionnés ci-dessus dans un même équipement 30 permettant la génération d’une tension continue. Cet équipement comprend notamment le générateur G, le redresseur RU et les filtres 20 et 22 associés ainsi que le contrôleur GCU. Pour la mise en œuvre de l’invention, l’équipement 30 dispose d’un neutre N raccordable. Le contacteur K est extérieur à l’équipement 30 et permet, en cas de besoin, de raccorder le neutre N au neutre avion 16.
A bord de l’aéronef un défaut peut intervenir en différents lieux du réseau. A titre d’exemple trois lieux possibles sont symbolisés sur la figure 1. Un défaut 31 peut être formé par un court circuit entre une des phases du bus alternatif 10 et le neutre 16. Un défaut 32 peut être formé par un court circuit entre une des phases du réseau HVDV et le neutre 16. Un défaut 33 peut être formé par un court circuit entre une charge, par exemple la charge L-ι, et le neutre 16. L’invention permet de détecter, de localiser et d’isoler un premier défaut intervenant sur le réseau.
Lors de l’apparition d’un défaut, la tension HVDC est perturbée et le GCU peut émettre une alerte précisant qu’un défaut est apparu. En pratique, tant que le contacteur K n’est pas fermé pour connecter le neutre N du générateur au neutre avion, le GCU ne peut pas localiser le défaut. La localisation du défaut peut se faire en fermant le contacteur K. Ainsi un défaut de type court circuit entraînera un courant important dans le neutre. Ce courant peut facilement être détecté par mesure du courant circulant dans les neutres connectés, neutre avion 16 et neutre N du générateur.
La localisation du défaut peut ensuite se faire au moyen des contacteurs Ki, K2 et K3i. Plus précisément, les contacteurs peuvent être protégés contre une surintensité. A cet effet chacun des contacteurs K|, K2 et K3i comprend une commande d’ouverture temporisée régissant à une surintensité. Pour chacun des contacteurs l’intensité admissible est calibrée en fonction du courant maximum permis dans la liaison portant le contacteur.
La temporisation permet tout d’abord d’éviter tout déclenchement intempestif en cas de perturbation passagère du réseau sans conséquence définitive.
La temporisation peut également être utilisée pour isoler une partie du réseau où un défaut est apparu. Plus précisément, lorsqu’un contacteur détecte une surintensité, on peut en déduire qu’un défaut est apparu en aval de ce contacteur. L’amont et l’aval du réseau sont définis en fonction du transit de l’énergie électrique du générateur G vers les charges L-ι, L2 et L3.
En calibrant la temporisation du plus lent au plus rapide de l’amont vers l’aval du réseau, le premier contacteur à s’ouvrir sera celui situé immédiatement en amont du défaut ce qui permet de n’isoler qu’une partie du réseau contenant le composant en défaut. Par exemple en cas d’apparition du défaut 33, le contacteur K33 s’ouvrira et les autres contacteurs resteront fermés. La charge L3 n’est plus alimentée mais les autres charges peuvent poursuivre leur office. En cas d’apparition du défaut 32, il n’y a pas de surintensité au niveau des contacteurs K3i et seul le contacteur K2 s’ouvre. Des moyens de secours, non décrits ici, peuvent être mis en œuvre pour alimenter certaines charges. On privilégie des charges jugées critiques.
Une fois le défaut isolé, il est possible d’ouvrir à nouveau le contacteur K pour déconnecter le neutre N du générateur G et le neutre avion 16 et ainsi retrouver un régime de fonctionnement normal mis à part la partie isolée du réseau. Entre la fermeture du contacteur K dès la détection d’un défaut et son ouverture après isolement de la partie du réseau en défaut, la durée peut être très courte de l’ordre de quelques millisecondes. Pendant cette durée des perturbations telles que l’harmonique 3 peut circuler dans le neutre avion. Ces perturbations cessent dès l’ouverture à nouveau du contacteur K.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS
    1. Réseau électrique d’aéronef comprenant :
    • un générateur (G) délivrant une tension alternative, le générateur possédant un neutre (N), • un redresseur (RU) recevant la tension alternative et délivrant une tension continue à réseau continu (HVDC) pouvant être référencée par rapport à un neutre (16) de l’aéronef, • des charges (L-ι, L2, L3) connectées au réseau continu (HVDC), caractérisé en ce que le réseau est configuré pour fonctionner en fonctionnement normal sans raccordement du neutre (N) du générateur (G) et en ce qu’il comprend :
    • des moyens de détection (CGU) en fonctionnement normal d’un défaut (31,32, 33) du réseau, • des moyens de raccordement (K) d’un neutre électrique (16) de l’aéronef au neutre (N) du générateur (G), • des moyens de localisation (Ki, K2 et K3i) du défaut configurés pour fonctionner lorsque le neutre (N) du générateur (G) est raccordé au neutre (16) de l’aéronef, • des moyens d’isolement (Ki, K2 et K3i) d’une partie du réseau où un défaut est localisé.
  2. 2. Réseau électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent un contrôleur du générateur (GCU).
  3. 3. Réseau électrique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de localisation et les moyens d’isolement comprennent des contacteurs (Ki, K2 et K3,) protégés en surintensité et à ouverture temporisée.
  4. 4. Réseau électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la temporisation des contacteurs (K^ K2 et K3i) protégés en surintensité est calibrée du plus lent au plus rapide de l’amont vers l’aval du réseau.
  5. 5. Procédé de mise en œuvre d’un réseau électrique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on enchaîne dans l’ordre les opérations suivantes :
    • détection en fonctionnement normal d’un défaut (31,32, 33) du réseau,
    5 · raccordement (K) du neutre (N) du générateur (G) au neutre électrique (16) de l’aéronef, • localisation du défaut (31, 32, 33) et isolement d’une partie réseau où le défaut (31, 32, 33) est localisé, • déconnexion du neutre électrique (16) de l’aéronef et du neutre (N) du 10 générateur (G) pour retrouver un fonctionnement normal.
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