FR3119501A1 - Système d’alimentation électrique d’un actionneur d’aéronef - Google Patents

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Louis GRIMAUD
Didier MORONI
Mehdi Besseghair
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Safran Electronics and Defense SAS
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Abstract

Architecture d’alimentation d’actionneurs d’aéronef, comprenant un réseau électrique de bord, monophasé, relié par une ligne d’alimentation à un moteur électrique d’au moins un actionneur, la ligne d’alimentation comprenant successivement un dispositif de conversion amont pour convertir la tension du réseau électrique de bord en une tension adaptée à la ligne d’alimentation en aval, au moins un supercondensateur associé à un circuit électronique de gestion du fonctionnement du supercondensateur, et un dispositif de conversion aval destiné à être raccordé au moteur ; le dispositif de conversion aval étant réversible pour assurer une conversion de tension à la fois lorsque le moteur est en mode de fonctionnement moteur et lorsque le moteur est en mode de fonctionnement générateur, le dispositif de conversion aval étant agencé pour avoir sélectivement une fonction abaisseur de tension et une fonction élévateur de tension quel que soit le mode de fonctionnement du moteur de telle manière que le supercondensateur puisse alimenter le moteur en mode de fonctionnement moteur et être rechargé par le moteur en mode de fonctionnement générateur. FIGURE DE L’ABREGE : [Fig. 1]

Description

Système d’alimentation électrique d’un actionneur d’aéronef
La présente invention concerne le domaine de l’aéronautique et plus particulièrement l’actionnement électrique d’équipements d’aéronef dont des équipements mobiles comme : un atterrisseur, un frein de roue d’atterrisseur, un inverseur de poussée, une surface de vol mobile de commande primaire ou secondaire telle qu’un aileron ou un volet…
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Les aéronefs comprennent souvent au moins un réseau électrique monophasé et un réseau électrique triphasé.
Le réseau électrique monophasé est considéré comme insuffisamment puissant pour alimenter les équipements mobiles de l’aéronef, comme les surfaces de vol, les inverseurs de poussée, les freins et les atterrisseurs. Le réseau électrique triphasé est donc utilisé pour l’actionnement des équipements mobiles en fournissant la puissance nécessaire aux actionneurs électromécaniques utilisés pour déplacer les équipements mobiles entre leurs différentes positions de service.
Ainsi, l’architecture du système d’alimentation de ces actionneurs comprend généralement une ligne d’alimentation reliant les moteurs des actionneurs au réseau électrique triphasé. La ligne d’alimentation comprend le plus souvent :
  • un filtre d’entrée pour éliminer les perturbations électriques (surtensions, surintensités) transmises par le réseau électrique triphasé et auxquelles sont sensibles les composants du système d’alimentation ;
  • un redresseur de type pont de diodes, transformateur/redresseur, ou à correction de facteur de puissance (PFC) ;
  • un limiteur de courant ;
  • un filtre amorti de type LC pour limiter les appels de courant au démarrage et éviter un effondrement de la tension d’entrée ;
  • une capacité de découplage ;
  • un onduleur triphasé ;
  • une résistance de dissipation ou de freinage ;
  • un filtre de sortie d’onduleur.
Il apparaît que les besoins en puissance se présentent sous forme de pics comme visible sur la qui représente la puissance consommée en fonction du temps pour un actionneur d’aileron. La puissance nécessaire au moment des pics de puissance est fournie par le réseau triphasé de sorte que l’ensemble des composants du système d’alimentation doit être dimensionné pour absorber ces pics de puissance. Il en résulte un poids relativement important très pénalisant pour les applications aéronautiques.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a notamment pour but de permettre l’alimentation d’actionneurs d’aéronef en limitant le poids embarqué.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention une architecture selon la revendication 1.
Ainsi, c’est le supercondensateur qui fournit l’essentiel de la puissance nécessaire au moteur lors des pics de puissance et le réseau ne sert qu’à compléter le cas échéant celle-ci ou à maintenir la charge du supercondensateur ou à l’alimentation du moteur hors pics de puissance. En outre, le supercondensateur est rechargé par le moteur en mode générateur, lorsque des forces aérodynamiques s’exercent sur l’équipement mobile associé à l’actionneur et le dispositif de conversion aval permet de réguler la tension et le courant, d’une part, aux bornes du moteur lorsque celui-ci fonctionne en mode moteur et, d’autre part, aux bornes du supercondensateur lorsque le moteur fonctionne en mode générateur. Il n’est donc pas nécessaire de dimensionner l’ensemble de l’architecture en fonction des pics de puissance mais uniquement la partie située en aval du supercondensateur. Il en résulte un gain de poids et, en conséquence, une diminution de la consommation de carburant engendrée par la propulsion de l’aéronef.
L’invention a également pour objet un aéronef comportant un réseau électrique de bord triphasé et un réseau électrique de bord monophasé, ce dernier faisant partie d’une architecture d’alimentation d’actionneur telle que celle précitée.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la représente la puissance consommée en fonction du temps pour un actionneur d’aileron ;
la représente la puissance à fournir et la puissance restituée en fonction du temps pour un actionneur d’inverseur de poussée ;
la est une vue schématique du système d’actionnement d’un équipement d’aéronef, selon un premier mode de réalisation de l’invention, avec un réseau de bord monophasé à tension continue et un bus interne haute tension ;
la est une vue schématique du dispositif de conversion aval du système d’actionnement selon le premier mode de réalisation de l’invention ;
la est une vue schématique du système d’actionnement selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, le dispositif de conversion aval ayant une structure différente de celui de la ;
la est une vue schématique du système d’actionnement selon un troisième mode de réalisation de l’invention, avec un réseau de bord monophasé à tension continue, le dispositif de conversion aval du deuxième mode de réalisation et un bus interne basse tension ;
la est une vue schématique du système d’actionnement selon un quatrième mode de réalisation identique au troisième mode de réalisation sauf en ce que le dispositif de conversion amont est réversible ;
la est une vue schématique du système d’actionnement d’un équipement d’aéronef, selon un cinquième mode de réalisation de l’invention, pour un réseau de bord monophasé à tension alternative ;
la est une vue schématique d’un aéronef selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la , l’invention est ici décrite en application à un aéronef A comprenant deux réseaux électriques de bord, à savoir un réseau électrique triphasé E1 et un réseau électrique monophasé E2. Le réseau électrique triphasé E1 est par exemple soumis à une tension alternative de 115V ou 230V et le réseau électrique monophasé E2 est par exemple soumis à une tension continue de 28V ou 115V selon les modes de réalisation envisagés. L’aéronef A comprend des équipements mobiles dont des surfaces mobiles de vol V (commande primaire) et des inverseurs de poussée T. Les équipements mobiles sont déplacés entre leurs différentes positions de service par des actionneurs électromécaniques 1.
L’aéronef A est pourvu d’une architecture d’alimentation des actionneurs électromécaniques, architecture dont fait partie le réseau électrique monophasé E2.
L’architecture d’alimentation comprend au moins une ligne d’alimentation, généralement désignée en 100, reliant le réseau électrique monophasé E2 à un moteur électrique 2 de chacun des actionneurs 1. Le circuit du moteur 2 de chaque actionneur 1 est agencé pour avoir un mode de fonctionnement moteur dans lequel le moteur 1 transforme l’énergie électrique qui l’alimente en une énergie mécanique déplaçant l’équipement mobile et un mode de fonctionnement générateur dans lequel le moteur 1 transforme l’énergie mécanique qui lui est transmise par l’équipement mobile en une énergie électrique. Pour des raisons de simplification, l’invention est ici décrite en application à l’alimentation d’un unique moteur ; il va de soi cependant que l’architecture d’alimentation peut être adaptée à l’alimentation de plusieurs moteurs. Tel est par exemple le cas lorsque l’équipement mobile est déplacé par plusieurs actionneurs comportant chacun un moteur ou plusieurs moteurs d’un unique actionneur. L’architecture d’alimentation comprend de préférence autant de lignes d’alimentation que d’ensemble d’actionneurs agissant sur un même équipement.
La ligne d’alimentation 100 comprend successivement un dispositif de conversion amont 110, un dispositif de stockage d’énergie 120 relié par un bus interne au dispositif de conversion amont 110, et un dispositif de conversion aval 130 relié par un bus interne au dispositif de stockage d’énergie 120 et au moteur.
Le dispositif de stockage d’énergie 120 comprend des supercondensateurs 121 et un circuit électronique 122 de gestion du fonctionnement des supercondensateurs 121. Le circuit électronique 122 est connu en lui-même et surveille la charge et la décharge des supercondensateurs 121 en veillant à l’équilibrage des niveaux de charge entre ceux-ci.
Par dispositif de conversion, on entend tout circuit électrique/électronique permettant de transformer une tension d’entrée en une ou plusieurs tensions de sortie.
Plus précisément, le dispositif de conversion amont 110 est agencé pour convertir la tension du réseau électrique monophasé E2 en une première tension de bus interne pour alimenter les supercondensateurs 121 et le dispositif de conversion amont hors pic de puissance, la première tension de bus interne étant monophasée et continue. Le dispositif de conversion amont 110 est dimensionné pour compenser une perte d’énergie des supercondensateurs 121 due à des courants de fuite et pour fournir un complément d’énergie au dispositif de conversion aval 130 lors des pics d’énergie.
En outre, le dispositif de conversion aval 130 est réversible pour assurer une conversion de tension à la fois lorsque le moteur 2 est en mode de fonctionnement moteur et lorsque le moteur 2 est en mode de fonctionnement générateur. Le dispositif de conversion aval 130 est agencé pour avoir sélectivement une fonction abaisseur de tension et une fonction élévateur de tension quel que soit le mode de fonctionnement du moteur 2 de telle manière que les supercondensateurs 121 puissent alimenter le moteur 2 en mode de fonctionnement moteur et être rechargés par le moteur 2 en mode de fonctionnement générateur. Le dispositif de conversion aval 130 est ainsi agencé pour, d’une part, convertir la première tension de bus interne en une tension triphasée alternative d’alimentation des enroulements du moteur 2 pour piloter le moteur en mode moteur et, d’autre part, convertir une tension triphasée alternative fournie par le moteur en mode de fonctionnement générateur en une tension adaptée au rechargement des supercondensateurs 121. En effet, le dispositif de conversion aval 130 doit permettre de réguler la tension en entrée et en sortie quel que soit le mode de fonctionnement considéré : ceci est particulièrement intéressant en mode de fonctionnement générateur car il est alors possible d’abaisser la tension pour empêcher une surtension au-delà de la tension maximale acceptable par les supercondensateurs 121 ou, au contraire, d’augmenter la tension pour accélérer la charge des supercondensateurs 121 (tout en restant en-dessous de la tension maximale acceptable par les supercondensateurs 121).
Dans le premier mode de réalisation représenté à la , le réseau électrique monophasé E2 fournit une basse tension continue de 28V et la première tension de bus interne est une haute tension continue égale à 270V.
Le dispositif de conversion amont 110 est ici un convertisseur continu/continu élévateur de tension qui est dimensionné pour convertir la tension monophasée continue de 28V en la tension monophasée continue de 270V et qui est relié au dispositif de stockage d’énergie 120 par un bus interne à la première tension de bus interne.
Le dispositif de conversion aval 130 comprend un onduleur à topologie Buck-boost et plus précisément Y-Buck-boost comme représenté à la . Cet onduleur comprend pour chaque phase du moteur 2 un premier pont de transistors T1 et T2 (pont Buck) ayant un point milieu relié via une inductance à un point milieu d’un deuxième pont de transistors T3 et T4 (pont Boost) en parallèle duquel est monté un condensateur. L’onduleur est piloté de manière connue en elle-même et par exemple en mettant en œuvre le procédé de commande décrit dans le document FR-A-3066660.
Dans le deuxième mode de réalisation, et en référence à la , le dispositif de conversion aval 130 comprend un convertisseur continu/continu 131 et un onduleur abaisseur de tension 132 remplaçant tous deux l’onduleur de type Buck-Boost de la .
Le convertisseur continu/continu 131 est agencé pour être élévateur de tension, réversible et isolé, et est relié au dispositif de stockage d’énergie 121 par un bus interne à la première tension de bus interne soit ici 270V continue. Le convertisseur continu/continu permet de réguler la tension aux bornes des supercondensateurs 121. Le convertisseur continu/continu 131 est ici de type « Dual Active Bridge ».
L’onduleur abaisseur de tension 132 est réversible et est relié au moteur 2.
Le convertisseur continu/continu 131 et l’onduleur abaisseur de tension 132 sont reliés entre eux par un bus interne isolé à la première tension de bus interne soit ici 270V continue.
Le dispositif de conversion amont 110 est comme précédemment un convertisseur continu/continu élévateur de tension qui est dimensionné pour convertir la tension monophasée continue de 28V en la tension monophasée continue de 270V et qui est relié au dispositif de stockage d’énergie 120 par un bus interne à la première tension de bus interne.
On note que :
  • dans le mode générateur, la tension appliquée aux supercondensateurs 121 est régulée pour ne pas dépasser les tensions et courants maximums supportés par les supercondensateurs 121 ;
  • dans le mode moteur, la variation admissible de tension sur le bus interne est fortement élargie (dans la limite des courants acceptables) pour une même amplitude des tensions des phases du moteur 2 afin d’atteindre le domaine de vitesse recherchée pour le moteur.
Le troisième mode de réalisation de la est identique au deuxième mode de réalisation sauf en ce que le dispositif de stockage d’énergie 120 est relié au dispositif de conversion amont 110 par un bus interne à une première tension relativement basse soit ici 28V en continu et au dispositif de conversion aval 130 par un bus interne à la première tension soit 28V en continu. Le dispositif de conversion 110 et le convertisseur continu/continu 131 sont adaptés à ces valeurs de tension.
Ainsi, le convertisseur continu/continu 131 est agencé pour être élévateur de tension, réversible et isolé, et est relié au dispositif de stockage d’énergie 121 par un bus interne à la première tension de bus interne soit ici 270V continue. Le convertisseur continu/continu 131 est agencé pour élever fortement la tension pour alimenter l’onduleur 132 en mode moteur et réguler la tension aux bornes des supercondensateurs 121 en mode générateur. Le convertisseur continu/continu 131 est ici de type « Dual Active Bridge ».
L’isolation galvanique du convertisseur continu/continu 131 permet de fournir une barrière entre les supercondensateurs 121 et le moteur 2 pour éviter une fourniture d’énergie non maîtrisée au moteur 2. Il permet en outre d’engendrer une tension continue très faible sur l’onduleur 132 pour vérifier son opérabilité avant son utilisation (« power built in test / in flight test »).
Selon le quatrième mode de réalisation illustré à la , le dispositif de conversion amont 110 est relié au dispositif de stockage d’énergie 120 par un bus interne à une première tension relativement basse soit ici 28V en continu et est agencé pour être réversible et avoir une fonction abaisseur de tension et une fonction élévateur de tension pour autoriser une distribution d’énergie des supercondensateurs 121 vers le réseau électrique monophasé E2.
Comme précédemment, le dispositif de conversion aval 130 comprend un convertisseur continu/continu 131 et un onduleur abaisseur de tension 132.
Le convertisseur continu/continu 131 est agencé pour être élévateur de tension, réversible et isolé, et est relié au dispositif de stockage d’énergie 121 par un bus interne à la première tension de bus interne soit ici 28V en continu. L’onduleur abaisseur de tension 132 est réversible et est, d’une part, relié au moteur 2 et, d’autre part, relié au convertisseur continu/continu 131 par un bus interne isolé à une deuxième tension de bus interne relativement haute soit ici 270V en continu.
Il est alors possible de stocker de l’énergie dans des moyens de stockage répartis dans l’aéronef et reliés au réseau électrique monophasé E2.
Selon le cinquième mode de réalisation de la , le réseau électrique monophasé E2 délivre une tension alternative de 115V et le dispositif de conversion amont 110’ comprend un redresseur passif simple alternance ou un redresseur à correction de facteur de puissance. Le reste de la ligne d’alimentation 100 est identique à celle de la .
Dans tous les modes de réalisation, les supercondensateurs 121, le circuit 122 de gestion de fonctionnement des supercondensateurs 121, le dispositif de conversion amont 110, 110’ et au moins une partie du dispositif de conversion aval 130 font partie d’un même dispositif électronique incorporant au moins un processeur.
Pour l’actionnement de l’inverseur de poussée T, on note sur la que la séquence d’actionnement comprend :
  • une première phase motrice dans laquelle les supercondensateurs 121 doivent fournir un pic de puissance relativement court pour initier le mouvement de l’inverseur de poussée T vers sa position sortie,
  • une deuxième phase génératrice, dans laquelle les forces aérodynamiques entraînent l’inverseur de poussée T jusqu’à sa position sortie et le moteur 2 agissant en générateur recharge les supercondensateurs 121,
  • une troisième phase motrice dans laquelle les supercondensateurs 121 doivent fournir un pic de puissance relativement long pour ramener l’inverseur de poussée T depuis sa position sortie vers sa position rentrée.
De préférence dans cette application, les supercondensateurs 121 sont dimensionnés pour ne pas être chargés à fond pendant un temps de vol de l’aéronef, le rechargement complet des supercondensateurs étant assurée pendant la deuxième phase motrice. Ceci est valable pour toute application mettant en œuvre une séquence d’actionnement débutant par une phase génératrice ou motrice de relativement faible puissance suivie d’une phase génératrice.
Lorsqu’il existe un risque de sursaturation des supercondensateurs lors de la phase génératrice, on prévoira de préférence une résistance de dissipation d’énergie reliée au dispositif de conversion aval pour dissiper l’énergie produite lorsque le moteur est en mode de fonctionnement générateur et que les supercondensateurs sont saturés.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
En particulier, l’architecture d’alimentation peut avoir une structure différente de celle décrite.
Par exemple, le dispositif de conversion aval peut comprendre un convertisseur ayant une topologie Boost, Buck-boost, Cuk…
On peut prévoir de dimensionner les supercondensateurs pour assurer seuls la fourniture des pics de puissance, le réseau électrique de bord ne servant qu’à compenser les pertes de charge par courant de fuite.
Il est possible de précharger les supercondensateurs préalablement au vol, ou de charger ceux-ci uniquement pendant le vol, selon la durée de celui-ci.
L’invention est applicable à tout type d’équipements l’actionnement électrique d’équipements d’aéronef et notamment les équipements mobiles comme : un atterrisseur, un frein de roue d’atterrisseur, un inverseur de poussée, une surface de vol mobile de commande primaire ou secondaire telle qu’un aileron ou un volet…

Claims (16)

  1. Architecture d’alimentation d’actionneurs d’aéronef, comprenant un réseau électrique de bord, monophasé, relié par une ligne d’alimentation à un moteur électrique d’au moins un actionneur, la ligne d’alimentation comprenant successivement un dispositif de conversion amont pour convertir la tension du réseau électrique de bord en une tension adaptée à la ligne d’alimentation en aval, au moins un supercondensateur associé à un circuit électronique de gestion du fonctionnement du supercondensateur, et un dispositif de conversion aval destiné à être raccordé au moteur ; le dispositif de conversion aval étant réversible pour assurer une conversion de tension à la fois lorsque le moteur est en mode de fonctionnement moteur et lorsque le moteur est en mode de fonctionnement générateur, le dispositif de conversion aval étant agencé pour avoir sélectivement une fonction abaisseur de tension et une fonction élévateur de tension quel que soit le mode de fonctionnement du moteur de telle manière que le supercondensateur puisse alimenter le moteur en mode de fonctionnement moteur et être rechargé par le moteur en mode de fonctionnement générateur.
  2. Architecture selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de conversion aval comprend un onduleur à topologie Buck-Boost.
  3. Architecture selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de conversion aval comprend un convertisseur continu/continu élévateur, réversible et isolé, relié au supercondensateur et un onduleur abaisseur de tension réversible relié en série au convertisseur continu/continu élévateur et au moteur.
  4. Architecture selon la revendication 3, dans laquelle le convertisseur continu/continu élévateur est de type « Dual Active Bridge ».
  5. Architecture selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le convertisseur continu/continu élévateur est relié à l’onduleur abaisseur de tension réversible par un bus haute tension continue (270V) isolé.
  6. Architecture selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans laquelle l’onduleur abaisseur de tension est intégré dans un circuit électronique de puissance du moteur.
  7. Architecture selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de conversion amont est dimensionné pour compenser une perte d’énergie du supercondensateur due à des courants de fuite.
  8. Architecture selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau électrique de bord délivre une tension continue (28V), le dispositif de conversion amont comprenant un convertisseur continu/continu.
  9. Architecture selon la revendication 8, dans laquelle le dispositif de conversion amont est agencé pour être réversible et avoir une fonction abaisseur de tension et une fonction élévateur de tension pour autoriser une distribution d’énergie du supercondensateur vers le réseau électrique de bord.
  10. Architecture selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le réseau électrique de bord délivre une tension alternative (115V), le dispositif de conversion amont comprenant un redresseur passif simple alternance ou un redresseur à correction de facteur de puissance.
  11. Architecture selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le supercondensateur est relié au dispositif de conversion amont et au dispositif de conversion aval par un bus haute tension continue (270V).
  12. Architecture selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le supercondensateur est relié au dispositif de conversion amont et au dispositif de conversion aval par un bus basse tension continue (28V).
  13. Architecture selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le supercondensateur, le circuit de gestion de fonctionnement du supercondensateur, le dispositif de conversion amont et au moins une partie du dispositif de conversion aval font partie d’un même dispositif électronique incorporant un processeur.
  14. Architecture selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le supercondensateur est dimensionné pour ne pas être chargé à fond pendant un temps de vol de l’aéronef.
  15. Architecture selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une résistance de dissipation d’énergie est reliée au dispositif de conversion aval pour dissiper l’énergie produite lorsque le moteur est en mode de fonctionnement générateur et que le supercondensateur est saturé.
  16. Aéronef comportant un réseau électrique de bord triphasé et un réseau électrique de bord monophasé, ce dernier faisant partie d’une architecture d’alimentation d’actionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes mises en œuvre dans l’aéronef pour alimenter des actionneurs de l’aéronef.
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