FR3072653A1 - AIRCRAFT ELECTRICAL NETWORK - Google Patents
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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.The invention relates to an electrical network of an aircraft and a method of operating the electrical network. The network comprises: • a generator (G) delivering an AC voltage, the generator having a neutral (N), • a rectifier (RU) receiving the AC voltage and delivering a continuous network DC voltage (HVDC) that can be referenced relative to to a neutral (16) of the aircraft, • charges (L1, L2, L3) connected to the continuous network (HVDC), the network is configured to operate in normal operation without connection of the neutral (N) of the generator (G) and comprises: • detection means (CGU) in normal operation of a fault (31, 32, 33) of the network, • connection means (K) of an electrical neutral (16) of the aircraft to neutral (N) of the generator (G), • locating means (K1, K2 and K3i) of the fault configured to operate when the neutral (N) of the generator (G) is connected to the neutral (16) of the aircraft, isolation means (K1, K2 and K3i) of a part of the network where a fault is located.
Description
Réseau électrique d’aéronefAircraft electrical network
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.The invention relates to an electrical network of an aircraft and a method of operating the electrical network. The invention finds particular utility for large commercial aircraft which increasingly include on-board electrical equipment. The invention finds particular utility for airplanes which use alternative electrical power sources associated with high voltage DC networks.
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.The on-board equipment forming charges supplied by these electrical sources is very varied in nature and their energy consumption is very variable over time. For example, the air conditioning and internal lighting systems are in almost continuous operation, while redundant security systems such as control surfaces are used only exceptionally.
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.Generally, the aircraft has three-phase electric generators that supply all of the on-board electrical equipment. These generators deliver for example an alternating voltage of 115 V at a frequency of 400 Hz. On board an aircraft, there are for example one or more main generators, well known in the Anglo-Saxon literature under the name of "main generator ". These are rotating electrical machines driven by the aircraft engine (s). There is also an auxiliary generator well known in the Anglo-Saxon literature under the name of "auxiliary power unit" driven by a turbine dedicated to this generator and allowing the aircraft to be powered mainly when it is on the ground or in phase takeoff to relieve aircraft reactors. The auxiliary generator can also be used as a flight backup generator.
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 oeuvre un bus HVDC comme distribution principale de l’énergie électrique de l’avion.In recent architectures, the aircraft is becoming more and more electric. One or more HVDC high-voltage DC buses can be used locally to supply certain loads directly or through converters. We can also consider implementing an HVDC bus as the main distribution of the aircraft's electrical energy.
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.The aircraft then has a rectifier which makes it possible to supply a DC voltage from the alternating voltage produced by the generator (s). The direct voltage is produced by the rectifier towards a high voltage direct bus well known in the Anglo-Saxon literature under the name of “high voltage direct current” or under its acronym 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.Many aircraft have a metal frame that can be used as a return conductor for loads supplied with DC voltage. From an electrical point of view, the carcass is called "airplane neutral". In this configuration, the generator neutral is also connected to the aircraft neutral. The use of this neutral has several advantages, such as the reduction in the mass of the wiring due to the use of the carcass as a return cable to the generator. Another benefit is security. Indeed, a fault between a phase and the neutral results in an overcurrent which is easy to detect to protect the network. However with the development of composite fiber aircraft structures, it can become difficult to find a continuous metal carcass between all loads and generators.
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.Alternatively, it is possible to do without aircraft neutral at the generators. An advantage of this configuration is to avoid the circulation of certain harmonics of the generator on the network. For example, in the case of a three-phase generator, the harmonic 3 easily transits on the aircraft neutral when it is connected to the generator. The removal of the generator neutral connection to the carcass prevents this 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.In the configuration where the generator neutral is connected to the aircraft neutral, it is necessary to adapt the generator design to limit the production of this harmonic, in particular by acting on the winding coefficient. But this tends to increase the mass of the generators. The elimination of the connection of generator neutral and aircraft neutral simplifies the design of generators for which the production of harmonics becomes less problematic. The simplification of the design therefore makes it possible to lighten the generators and improve their 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.Another advantage of this configuration is to avoid the triggering of protections in the event of a simple fault between a phase and the carcass, thus allowing continuity of service even in the event of a fault.
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.However, using this configuration requires troubleshooting and increases the cost and complexity of the network. This is why to date, the configuration without connection of the generator neutral has not been implemented.
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.The invention aims to propose the use of the configuration without connection of the generator neutral while retaining the simplicity of locating network faults obtained with a configuration where the generator neutral is connected to the aircraft neutral.
A cet effet, l’invention a pour objet un réseau électrique d’aéronef comprenant :To this end, the invention relates to an aircraft electrical network comprising:
• 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 :• a generator delivering an alternating voltage, the generator having a neutral, • a rectifier receiving the alternating voltage and delivering a direct voltage to a direct network which can be referenced with respect to a neutral of the aircraft, • loads connected to the direct network, the network being configured to operate in normal operation without connection of the generator neutral and comprising:
• 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.• means for detecting a network fault in normal operation, • means for connecting an electrical neutral of the aircraft to the generator neutral, • means for locating the fault configured to operate when the generator neutral is connected to the aircraft neutral, • means for isolating part of the network where a fault is located.
Avantageusement, les moyens de détection comprennent un contrôleur du générateur.Advantageously, the detection means comprise a generator controller.
Avantageusement, les moyens de localisation et les moyens d’isolement comprennent des contacteurs protégés en surintensité et à ouverture temporisée.Advantageously, the location means and the isolation means comprise protected overcurrent and timed opening contactors.
Avantageusement, la temporisation des contacteurs protégés en surintensité est calibrée du plus lent au plus rapide de l’amont vers l’aval du réseau.Advantageously, the timing of the overcurrent protected contactors is calibrated from the slowest to the fastest from upstream to downstream of the network.
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 :The subject of the invention is also a method of implementing an electrical network according to the invention, characterized in that the following operations are linked in order:
• 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 du réseau où le défaut est localisé, • déconnexion du neutre du générateur du neutre électrique de l’aéronef pour retrouver un fonctionnement normal.• detection in normal operation of a network fault, • connection of the generator neutral to the aircraft electrical neutral, • location of the fault and isolation of part of the network where the fault is located, • disconnection of the generator neutral electrical neutral of the aircraft to return to normal operation.
Avantageusement, le raccordement du neutre du générateur au neutre électrique de l’aéronef est réalisé sous condition de détection d’une tension anormale sur le réseau continu et de l’absence d’oscillations à la fréquence de la tension alternative délivrée par le générateur de cette tension anormale.Advantageously, the connection of the generator neutral to the electrical neutral of the aircraft is carried out under the condition of detection of an abnormal voltage on the DC network and of the absence of oscillations at the frequency of the alternating voltage delivered by the generator. this abnormal tension.
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 :The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the detailed description of an embodiment given by way of example, description illustrated by the attached drawing in which:
la figure 1 représente schématiquement un exemple de réseau électrique conforme à l’invention ;Figure 1 schematically shows an example of an electrical network according to the invention;
les figures 2 et 3 représentent sous forme de chronogramme des exemples de comparaisons de tensions présentes en sortie d’un redresseur du réseau électrique à une tension de référence.Figures 2 and 3 show in the form of a timing diagram examples of comparisons of voltages present at the output of a rectifier in the electrical network at a reference voltage.
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.For the sake of clarity, the same elements will have the same references in the different 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.FIG. 1 schematically represents an example of an electrical network installed on board an aircraft, in particular a large commercial aircraft. The aircraft can be powered by different generators, some internal such as main generators driven by the aircraft reactors, an auxiliary generator, denoted APU and driven by a turbine dedicated to this generator or even a fleet group made available. of the aircraft when it is on the ground. In Figure 1, only one generator G is shown. The invention can be implemented for each of these generators taken in isolation or for several of the generators mentioned above.
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 œuvre 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.These generators supply an alternating voltage, for example a voltage of 115 V at a frequency of 400 Hz to an alternating bus 10 of the aircraft. Alternative bus 10 is often referred to as the aircraft's "main bus". Any other tension is also possible. As an example we can cite 230V generators which equip some recent planes. The generator frequency can be fixed or variable. The fixed frequency generators associated with the reactors of an aircraft are known in the in the English literature are the name of "Integrated Drive Generators" or by its initials IDG. Variable frequency generators associated with aircraft reactors are known in the Anglo-Saxon literature are the name of "Variable Frequency Generators" or by its initials VFG. In Figure 1, the generator G is shown with three phases. It is of course possible to implement the invention with generators comprising other number of phases. Transformations of alternating voltages may be necessary and for this purpose, a transformer or an autotransformer can be implemented between one of the generators and the alternating bus 10. The autotransformers used on aircraft are well known in Anglo-Saxon literature are the name of “Auto-transformer Unit” or by its initials ATU. To avoid weighing down the figure, no transformer or autotransformer is shown.
Des moyens de déconnexion Ki 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.Disconnection means Ki make it possible to open the link connecting the generator G to the alternating bus 10. The electrical network also includes a rectifier RU connected to the alternating bus 10 and making it possible to deliver a direct voltage to a high-voltage continuous network 14 denoted HVDC according an Anglo-Saxon abbreviation for: "High Voltage Direct Curent". The rectifier RU is thus called for its Anglo-Saxon abbreviation: "Rectifier Unit". The rectifier RU can be replaced by equipment carrying out both an AC voltage transformation and the rectification of the transformed AC voltage. For this it is common to implement equipment comprising an autotransformer and a rectifier known in the Anglo-Saxon literature in the aeronautical field under the name of "Auto-transformer Rectifier Unit" or by its initials ATRU. The voltage of the high voltage HVDC direct network is for example + and 270V between each of its terminals with respect to a midpoint which can be connected to the aircraft neutral 16 which then forms the voltage reference of the HVDC network. The terminals of the HVDC high-voltage network can be called phases by analogy with the phases of the AC network 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.The RU rectifier includes components usually used for rectification such as power diodes. It is also possible to use controlled components, in particular thyristors or power transistors. The active components are well suited to adapt to variable frequency generators. The RU rectifier is generally accompanied by filters to smooth the voltage and current delivered to the HVDC network. In FIG. 1, the filters are represented by capacitors. It is understood that these filters may include other types of components such as for example inductors. It is also possible to integrate active components into it as required. A first filter 20 can be disposed between the output terminals of the rectifier RU and a second filter 22, also disposed between the output terminals of the rectifier RU, can form a voltage divider whose midpoint is connected to the aircraft neutral 16 in order to fix the potential of the HVDC network. In FIG. 1, the filters are shown outside the rectifier RU. It is also possible to integrate them into the rectifier itself.
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.A generator controller called GCU according to an English abbreviation for: "Generator Control Unit" is used to manage the power delivered by the RU rectifier to the HVDC network. The controller GCU receives the voltages present at the output of the rectifier RU and compares them to a reference voltage Vref to drive the generator G. The driving can be done by means of an exciter 24 of the generator G.
Des moyens de déconnexion K2 permettent d’ouvrir une liaison reliant le redresseur RU au réseau HVDC.Disconnection means K 2 open a link connecting the rectifier RU to the HVDC network.
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.The aircraft’s electrical system includes several loads connected to the HVDC continuous network. By loads is meant any type of equipment capable of consuming or possibly generating electrical energy from or to the HVDC network. Among the generating charges, we can notably cite energy storers such as batteries, consuming energy when recharged and generating energy when necessary. Among the consuming loads, some can operate continuously, such as the aircraft’s air conditioning system, and others temporarily, such as the landing gear’s electric braking system. It is important to note that certain loads can be critical, such as certain flight instruments and others can possibly be shed when necessary.
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 L1, K32 pour la charge L2 et K33 pour la charge L3.In Figure 1, three charges Li, L2 and L 3 . are represented. In practice, the number of charges is generally greater. Disconnection means are provided for each of these loads, K31 for the load L1, K32 for the load L 2 and K 33 for the load L 3 .
Les charges L^ 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.The loads L ^ and L 2 are for example loads operating on alternating current and are each supplied by the HVDC network through a DC / AC converter, respectively Ci and C 2 . The load L3 operates for example in direct current and is supplied by the HVDC network through a DC / DC converter C3 which can be reversible. A DC DC network 40 can be interposed between the DC / DC converter C3 and load L 3 . This network 40 is for example a low voltage 28V DC network. Other loads and possibly one or more batteries 42 can be connected to this network.
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.The generator G has a neutral N. For example in a three-phase machine whose windings are connected in a star, the neutral is formed by the point common to the three windings. The generator G is configured to operate without its neutral N. More precisely, in normal operation, that is to say without fault in the electrical network, the generator G delivers on each of its outputs a phase. The different phases are connected to the rectifier RU which produces the direct voltage to the HVDC network. In normal operation, the production of direct voltage does not require a neutral. The aircraft neutral 16 can be used, as shown in FIG. 1, as a reference for the DC voltage, but this is not an 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.To implement the invention, the neutral N of the generator G must be connectable. More specifically, the neutral N is accessible outside the generator G and can be connected if necessary. The electrical network comprises means for connecting the electric neutral 16 of the aircraft to the neutral N of the generator G. These means are for example formed by a contactor K which can be controlled. When the generator concerned is a fleet group connected to the aircraft, the fleet group generally has a plug allowing the three phases and the group neutral to be connected to the aircraft. On the aircraft, the base receiving this sheet then includes terminals allowing the phases and neutral of the fleet group to be connected on the aircraft. To implement the invention, the base does not directly connect the neutral of the fleet group to the carcass of the aircraft, that is to say to the aircraft neutral, but through the contactor 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.For generators mounted on board the aircraft, it is possible to combine different elements mentioned above in the same equipment 30 allowing the generation of a DC voltage. This equipment notably includes the generator G, the rectifier RU and the associated filters 20 and 22 as well as the controller GCU. For the implementation of the invention, the equipment 30 has a connectable neutral N. The contactor K is external to the equipment 30 and makes it possible, if necessary, to connect the neutral N to the aircraft neutral 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. Le défaut 31 peut également être formé par l’ouverture d’une des phases du bus alternatif 10. Le défaut 31 peut aussi être formé par un court circuit biphasé ou triphasé entre les phases du bus alternatif 10. Un défaut 32 peut être formé par un court circuit entre une des phases du réseau HVDC et le neutre 16 ou encore l’ouverture d’une des phases du réseau HVDC. Le défaut 32 peut également être formé par un court circuit biphasé entre les deux phases du bus HVDC. Le défaut 32 peut être localisé en amont des moyens de déconnexion K2 ou en aval des moyens de déconnexion K2 au niveau d’une ou de plusieurs charges HVDC. Un défaut 33 peut être formé par un court circuit entre une charge, par exemple la charge Li, et le neutre 16. Comme pour les autres défauts, le défaut 33 peut être formé par l’ouverture d’une des phases alimentant la charge considérée ou par un court circuit entre deux ou trois phases. L’invention permet de détecter, de localiser et d’isoler un premier défaut intervenant sur le réseau.On board the aircraft, a fault can occur at different locations on the network. For example, three possible places are symbolized in FIG. 1. A fault 31 can be formed by a short circuit between one of the phases of the AC bus 10 and the neutral 16. The fault 31 can also be formed by the opening of one of the phases of the alternating bus 10. The fault 31 can also be formed by a two-phase or three-phase short circuit between the phases of the alternating bus 10. A fault 32 can be formed by a short circuit between one of the phases of the HVDC network and the neutral 16 or the opening of one of the phases of the HVDC network. Fault 32 can also be formed by a two-phase short circuit between the two phases of the HVDC bus. The fault 32 can be located upstream of the disconnection means K 2 or downstream of the disconnection means K 2 at one or more HVDC loads. A fault 33 can be formed by a short circuit between a load, for example the load Li, and the neutral 16. As for the other faults, the fault 33 can be formed by the opening of one of the phases supplying the load considered or by a short circuit between two or three phases. The invention makes it possible to detect, locate and isolate a first fault occurring on the network.
Lors de l’apparition d’un défaut, la tension et/ou le courant présent sur le réseau HVDC sont perturbés et le GCU peut émettre une alerte précisant qu’un défaut est apparu. Certains défauts peuvent être détectés et localisés en conservant le contacteur K ouvert, c'est-à-dire en conservant flottant le neutre N du générateur G. D’autres défauts peuvent être détectés mais ne peuvent pas être localisés sans fermer le contacteur K. Plus précisément, les défauts détectés au moyens de surintensités présentes sur le réseau HVDC peuvent être localisés au moyen du contrôleur GCU. Le procédé de l’invention s’intéresse plus particulièrement aux défauts entraînant des tensions anormales sur le réseau HVDC.When a fault occurs, the voltage and / or current present on the HVDC network are disturbed and the GCU can issue an alert specifying that a fault has occurred. Certain faults can be detected and located by keeping the contactor K open, that is to say by keeping the neutral N of generator G floating. Other faults can be detected but cannot be located without closing the contactor K. More specifically, the faults detected by means of overcurrents present on the HVDC network can be located by means of the GCU controller. The method of the invention is more particularly concerned with faults causing abnormal voltages on the HVDC network.
La figure 2 représente sous forme de chronogramme un exemple de comparaison des tensions présentes en sortie du redresseur RU à la tension Vref· Cette comparaison est réalisée par le contrôleur CGU. La tension 51 est présente à la borne positive du redresseur RU et la tension 52 est présente à la borne négative du redresseur RU. Entre l’instant initial du chronogramme, et l’instant t1, aucun défaut n’est présent. Les tensions 51 et 52 sont considérées comme normales. Pour un réseau HVDC de 540V, la tension 51 est constante à +270V et la tension 52 est constante à -270V. On considère qu’un défaut apparaît à l’instant t1. Après l’apparition de ce défaut, la tension 51 se met à osciller entre une valeur de 0V et +540V au rythme de la fréquence du bus alternatif 10. De même la tension 52 se met à osciller entre une valeur de -540V et 0V au même rythme. Les tensions oscillent à la fréquence du bus alternatif 10. La différence de potentiel entre les deux tensions 51 et 52 reste égale à 540V. Sur la figure 2, la période de la fréquence du bus alternatif 10 est de t2-t1. Une telle oscillation est caractéristique d’un défaut 31 intervenant en amont du redresseur RU sur le réseau alternatif 10. La localisation du défaut peut donc se faire dès l’instant t2 lorsque la tension 51 passe de 0V à 540V et que la tension 52 passe de 540V à 0V.FIG. 2 represents in chronogram form an example of comparison of the voltages present at the output of the rectifier RU with the voltage Vref · This comparison is carried out by the controller CGU. Voltage 51 is present at the positive terminal of rectifier RU and voltage 52 is present at the negative terminal of rectifier RU. Between the initial instant of the timing diagram, and instant t1, no fault is present. Voltages 51 and 52 are considered normal. For an HVDC network of 540V, the voltage 51 is constant at + 270V and the voltage 52 is constant at -270V. We consider that a fault appears at time t1. After the appearance of this fault, the voltage 51 starts to oscillate between a value of 0V and + 540V at the rate of the frequency of the AC bus 10. Likewise the voltage 52 starts to oscillate between a value of -540V and 0V at the same rate. The voltages oscillate at the frequency of the AC bus 10. The potential difference between the two voltages 51 and 52 remains equal to 540V. In FIG. 2, the period of the frequency of the AC bus 10 is t2-t1. Such an oscillation is characteristic of a fault 31 occurring upstream of the rectifier RU on the AC network 10. The location of the fault can therefore be done from time t2 when the voltage 51 goes from 0V to 540V and the voltage 52 goes from 540V to 0V.
La figure 3 représente toujours sous forme de chronogramme un autre exemple de comparaison réalisée par le contrôleur CGU des tensions présentes en sortie du redresseur RU à la tension Vref· Entre l’instant initial du chronogramme, et l’instant t1, aucun défaut n’est présent. Les tensions 51 et 52 sont considérées comme normales comme pour la figure 2. A l’instant t1, date de l’apparition d’un défaut, la tension 51 passe à OV et la tension 52 passe à -540V. A la différence du chronogramme de la figure 2, sur la figure 3, les deux tensions 51 et 52 restent constantes, même après l’instant t2. La constance des tensions 51 et 52 avant et après l’instant t2 est caractéristique d’un défaut intervenant en aval du redresseur RU. Il n’est cependant pas possible de localiser ce défaut. Il peut s’agir d’un défaut 32 en amont des moyens de déconnexion K2 ou d’un défaut 32 en aval des moyens de déconnexion K2 au niveau d’une ou de plusieurs charges HVDC.FIG. 3 still shows in the form of a timing diagram another example of comparison made by the controller CGU of the voltages present at the output of the rectifier RU with the voltage Vref · Between the initial instant of the chronogram, and instant t1, no fault is present. The voltages 51 and 52 are considered to be normal as in FIG. 2. At time t1, date of the appearance of a fault, the voltage 51 goes to OV and the voltage 52 goes to -540V. Unlike the timing diagram in FIG. 2, in FIG. 3, the two voltages 51 and 52 remain constant, even after time t2. The constancy of the voltages 51 and 52 before and after the instant t2 is characteristic of a fault occurring downstream of the rectifier RU. It is however not possible to locate this fault. It may be a fault 32 upstream of the disconnection means K 2 or a fault 32 downstream of the disconnection means K 2 at one or more HVDC loads.
La localisation du défaut monophasé intervenant en aval du redresseur RU peut se faire en raccordant le neutre N du générateur au neutre électrique 16 de l’aéronef. 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 un défaut 32 entre une des phases du réseau HVDC et le neutre 16 intervenant en aval du redresseur RU. 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.The location of the single-phase fault occurring downstream of the rectifier RU can be done by connecting the neutral N of the generator to the electrical neutral 16 of the aircraft. In practice, as long as the contactor K is not closed to connect the neutral N of the generator to the aircraft neutral, the GCU cannot locate a fault 32 between one of the phases of the HVDC network and the neutral 16 occurring downstream of the rectifier RU . The fault can be located by closing the contactor K. Thus, a short circuit type fault will cause a large current in the neutral. This current can easily be detected by measuring the current flowing in the connected neutral, aircraft neutral 16 and neutral N of the generator.
Le GCU peut discerner un défaut intervenant en amont du redresseur RU d’un défaut intervenant en aval du redresseur RU. Le discernement peut être réalisé en fonction de l’évolution d’une tension jugée erronée. Plus précisément, après détection d’une tension erronée sur le réseau continu HVDC, si cette tension erronée oscille au rythme de la fréquence du bus alternatif 10, le défaut est alors localisé sur la partie alternative du réseau. L’isolement de la partie du réseau en défaut se fait en ouvrant le contacteur K1 .Au contraire, si la tension erronée n’oscille pas au rythme de la fréquence du bus alternatif 10, c'est-à-dire reste constante audelà d’une demi-période t2-t1 après la détection de la tension erronée, alors, il est nécessaire de fermer le contacteur K pour localiser le défaut.The GCU can discern a fault occurring upstream of the RU rectifier from a fault occurring downstream of the RU rectifier. Discernment can be made according to the evolution of a tension judged to be erroneous. More specifically, after detection of an erroneous voltage on the HVDC direct network, if this erroneous voltage oscillates at the rate of the frequency of the AC bus 10, the fault is then located on the AC part of the network. The part of the faulty network is isolated by opening contactor K1. On the contrary, if the erroneous voltage does not oscillate at the rate of the frequency of the AC bus 10, i.e. remains constant beyond d 'half a period t2-t1 after detection of the faulty voltage, then it is necessary to close the contactor K to locate the fault.
Afin de simplifier le GCU, il est possible de se passer du test concernant l’apparition des oscillations et de déclencher directement la fermeture du contacteur K dès la détection d’une tension erronée. Il est cependant avantageux de réaliser le test afin limiter le recours au raccordement des neutres N et 16.In order to simplify the GCU, it is possible to dispense with the test concerning the appearance of oscillations and to directly trigger the closing of contactor K as soon as an incorrect voltage is detected. It is however advantageous to carry out the test in order to limit the recourse to the connection of neutral N and 16.
La détection d’une tension erronée et la détection d’oscillations se fait en fonction de seuils, notamment pour éviter que des fluctuations mineures, par exemple non filtrées par les filtres 20 et 22 ne soient assimilées à une détection de défaut. Par ailleurs, les deux chronogrammes des figures 2 et 3 sont donnés à titre d’exemple. D’autres valeurs de tensions 51 et 52 peuvent être considérées comme représentatives de défauts. Par exemple, sur le chronogramme de la figure 3, une tension 51 voisine de +540V est également considérée comme représentative d’un défaut.The detection of an erroneous voltage and the detection of oscillations is done as a function of thresholds, in particular to avoid that minor fluctuations, for example not filtered by filters 20 and 22, be assimilated to fault detection. Furthermore, the two timing diagrams in Figures 2 and 3 are given by way of example. Other voltage values 51 and 52 can be considered as representative of faults. For example, in the timing diagram of FIG. 3, a voltage 51 close to + 540V is also considered to be representative of a fault.
La localisation du défaut aval au redresseur RU 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-i, 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.The location of the downstream fault at rectifier RU can then be done by means of contactors Ki, K 2 and K 3i . More specifically, the contactors can be protected against overcurrent. To this end, each of the contactors Ki, K 2 and K 3i comprises a timed opening command governing an overcurrent. For each of the contactors, the admissible current is calibrated according to the maximum current allowed in the link carrying the contactor. The time delay makes it possible first of all to avoid any untimely triggering in the event of a temporary disturbance of the network without definitive consequence.
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 Li, L2 et L3.The timer can also be used to isolate part of the network where a fault has occurred. More precisely, when a contactor detects an overcurrent, it can be deduced therefrom that a fault has appeared downstream of this contactor. The upstream and downstream of the network are defined as a function of the transit of electrical energy from the generator G to the loads Li, L 2 and L 3 .
La protection contre la surintensité des contacteurs Kj, K2 et K3i est ici mise à profit pour localiser et isoler le défaut. En effet, en raccordant le neutre N du générateur G au neutre avion 16, une surintensité apparaît dans le neutre et est détectée par les contacteurs Ki, K2 et K3i qui vont s’ouvrir à tour de rôle.The overcurrent protection of contactors Kj, K 2 and K 3i is used here to locate and isolate the fault. Indeed, by connecting the neutral N of the generator G to the aircraft neutral 16, an overcurrent appears in the neutral and is detected by the contactors Ki, K 2 and K 3i which will open in turn.
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 K31 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.By calibrating the delay from the slowest to the fastest from upstream to downstream of the network, the first contactor to open will be the one located immediately upstream of the fault, which makes it possible to isolate only part of the network containing the faulty component. For example, if fault 33 appears, contactor K33 will open and the other contactors will remain closed. Load L3 is no longer supplied, but the other loads can continue their work. If fault 32 occurs, there is no overcurrent at contactors K31 and only contactor K 2 opens. Emergency means, not described here, can be used to supply certain loads. We favor loads considered critical.
Le défaut peut être localisé et isolé de façon automatique au moyen de la protection contre une surintensité de chacun des contacteurs K1, K2 et K3j. Alternativement, les contacteurs Κί, K2 et K3i peuvent être commandés pour s’ouvrir de l’aval vers l’amont afin de localiser et d’isoler le défaut. Cette commande peut être assurée par le contrôleur GCU et/ou par un autre contrôleur de l’aéronef.The fault can be located and isolated automatically by means of the overcurrent protection of each of the contactors K1, K 2 and K 3 j. Alternatively, the contactors Κί, K 2 and K 3i can be controlled to open from downstream to upstream in order to locate and isolate the fault. This command can be provided by the GCU controller and / or by another aircraft controller.
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.Once the fault has been isolated, it is possible to open the contactor K again to disconnect the neutral N from the generator G and the aircraft neutral 16 and thus return to normal operating conditions apart from the isolated part of the network. Between the closing of contactor K as soon as a fault is detected and its opening after isolation of the part of the faulty network, the duration can be very short of the order of a few milliseconds. During this period, disturbances such as harmonic 3 may circulate in the aircraft neutral. These disturbances cease as soon as contactor K is opened again.
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