FR3125176A1 - Architecture électrique pour aéronef - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une architecture électrique (2) pour aéronef comprenant :- un premier réseau (16) de distribution électrique propulsif distribuant une haute tension continue, - un deuxième réseau (18) de distribution électrique propulsif distribuant une haute tension continue, - un premier réseau (46) de distribution électrique alternatif distribuant une tension alternative triphasée, - un deuxième réseau (54) de distribution électrique alternatif distribuant une tension alternative triphasée,- un premier onduleur (44) connecté entre le premier réseau de distribution électrique propulsif et le premier réseau de distribution électrique alternatif, - un deuxième onduleur (52) connecté entre le deuxième réseau de distribution électrique propulsif et le deuxième réseau de distribution électrique alternatif, - un boitier électronique (60) connecté au premier onduleur et au deuxième onduleur pour commander la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le premier onduleur et la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le deuxième onduleur. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Architecture électrique pour aéronef
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne une architecture électrique pour aéronef.
Etat de la technique antérieure
Traditionnellement, les aéronefs comportent plusieurs réseaux de distribution électrique haute tension continue et plusieurs réseaux de distribution électrique alternatif. Les réseaux de distribution électrique haute tension continue sont propres à alimenter les équipements et charges liés à la propulsion. Ces réseaux sont appelés « réseaux propulsifs». Ils présentent une tension continue comprise entre 400 Volts et 800 Volts.
Les réseaux de distribution électrique alternatif triphasé sont propres à alimenter les équipements de services aux passagers tels que les commodités, les luminaires, les systèmes de divertissement et les cuisines. Les réseaux de distribution électrique alternatif triphasé peuvent présenter une tension de 115 Volts ou de 230 Volts. Chaque réseau de distribution électrique alternatif triphasé est alimenté par un générateur de courant alternatif indépendant. Chaque générateur de courant alternatif est dimensionné pour que, en cas de panne d’un générateur d’un autre réseau, il puisse prendre en charge au moins une partie des charges de l’autre réseau. Des interrupteurs connectés entre les réseaux et entre les générateurs permettent d’alimenter un réseau par un générateur d’un autre réseau.
Cependant, comme les générateurs de courant alternatif sont directement entrainés par les turbomachines au travers des boites de transmission de puissance, la fréquence de la tension alternative générée par chaque générateur est fonction du régime de la turbomachine. En conséquence, les différents générateurs constituant les sources de tension alternatives sont à des fréquences et des phases toutes différentes. Pour éviter un court-circuit généré par ces différences de phase et de fréquence, l’alimentation est coupée pendant un laps de temps de 20 à 30 millisecondes lors de la connexion d’un générateur à un deuxième réseau alternatif. Cette coupure entraine des trous de tension de 100 à 200 ms que doivent subir tous les équipements alimentés par le deuxième réseau alternatif. Les équipements sont conçus pour accepter ces trous de tension avec des stratégies soit de réservoirs d’énergies soit de redémarrage le plus rapidement possible pour perturber le moins possible l’opération de l’avion car les reconfigurations du réseau électrique peuvent se produire au sol mais aussi en vol.
Présentation de l’invention
Un premier but de la présente invention est de proposer une architecture de réseau électrique permettant d’éviter ces trous de tension.
Un deuxième but de la présente invention est de proposer une architecture de réseau électrique optimiser d’un point de vue masse, coût et efficacité.
La présente invention a pour objet une architecture électrique pour aéronef comprenant :
- un premier réseau de distribution électrique propulsif propre à distribuer une haute tension continue, le premier réseau de distribution électrique propulsif comprenant au moins un premier boitier de distribution électrique,
- un deuxième réseau de distribution électrique propulsif propre à distribuer une haute tension continue, le deuxième réseau de distribution électrique propulsif comprenant au moins un deuxième boitier de distribution électrique,
- un premier réseau de distribution électrique alternatif apte à distribuer une tension alternative triphasée,
- un deuxième réseau de distribution électrique alternatif apte à distribuer une tension alternative triphasée,
- un premier onduleur connecté entre le premier réseau de distribution électrique propulsif et le premier réseau de distribution électrique alternatif,
- un deuxième onduleur connecté entre le deuxième réseau de distribution électrique propulsif et le deuxième réseau de distribution électrique alternatif,
- un boitier électronique connecté au premier onduleur et au deuxième onduleur pour commander la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le premier onduleur et la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le deuxième onduleur.
Avantageusement, le boitier électronique peut facilement piloter un onduleur de manière à synchroniser la fréquence du premier réseau de distribution électrique alternatif et du deuxième réseau de distribution alternatif. En conséquence, en cas de défaillance connexion du deuxième réseau propulsif, le deuxième réseau alternatif peut être directement connecté au premier réseau propulsif sans qu’ils soient nécessaire d’attendre une décharge des composants électroniques du deuxième réseau alternatif. De la même façon, en cas de défaillance du premier réseau propulsif, le premier réseau alternatif peut être directement connecté au deuxième réseau propulsif. Ainsi, il n’y a plus de trou de tension sur les réseaux alternatifs.
Avantageusement, le premier réseau propulsif et le premier réseau alternatif s’équilibrent et fonctionnent à un point de fonctionnement optimisé par rapport aux pertes. De la même façon, le deuxième réseau propulsif et le deuxième réseau alternatif fonctionnent à un point de fonctionnement optimisé par rapport aux pertes.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- Le boitier électronique est propre à asservir la phase de la tension alternative générée par le deuxième onduleur à la phase de la tension alternative générée par le premier onduleur.
- Le boitier électronique est propre à asservir les signaux de synchronisation de la tension alternative générée par le deuxième onduleur aux signaux de synchronisation de la tension alternative générée par le premier onduleur.
- Le premier onduleur et le deuxième onduleur sont commandés pour générer en sortie une tension alternative triphasée à une fréquence de 400 Hertz.
Avantageusement, la fréquence fixe de 400 Hertz permet de dimensionner au plus juste toutes les charges à composants magnétiques (moteurs, pompes, transformateur de tension, etc.) qui n’ont plus à prendre en compte la fréquence basse de 350 Hertz. Il en résulte un gain de masse de l’ordre de 10% pour les transformateurs de tension. Avantageusement les moteurs et pompes peuvent être dimensionnées à leur point de fonctionnement à 400 Hertz. Ainsi, ils peuvent fonctionner à leur rendement de fonctionnement optimal.
- Au moins un onduleur parmi le premier onduleur et le deuxième onduleur est un onduleur réversible.
Avantageusement, la réversibilité du premier onduleur et/ou du deuxième onduleur permet de fournir de l’énergie électrique au premier et/ou au deuxième réseau de distribution électrique propulsif par exemple à l’aide d’un groupe auxiliaire de puissance. Cette énergie électrique peut être stockée dans les accumulateurs ou alimenter le boitier de distribution de puissance des réseaux de distribution électrique propulsif. Cette énergie électrique peut également être transmise aux machines électriques fonctionnant en mode moteur.
L’architecture comporte :
- un premier interrupteur propre à connecter le premier réseau de distribution électrique propulsif au premier réseau de distribution électrique alternatif ;
- un deuxième interrupteur propre à connecter le deuxième réseau de distribution électrique propulsif au deuxième réseau de distribution électrique alternatif ;
- au moins un troisième interrupteur propre à connecter le premier réseau de distribution électrique alternatif au deuxième réseau de distribution électrique alternatif.
Avantageusement, ces interrupteurs permettent de connecter le premier réseau de distribution électrique alternatif au deuxième réseau de distribution électrique propulsif en cas de panne du premier réseau de distribution électrique propulsif. De la même façon, ces interrupteurs permettent de connecter le deuxième réseau de distribution électrique alternatif au premier réseau de distribution électrique propulsif en cas de panne du deuxième réseau de distribution électrique propulsif.
- L’architecture comporte un boitier de connexion adapté pour être connecté à un groupe auxiliaire de puissance, ledit boitier de connexion étant connecté entre le premier réseau de distribution électrique alternatif et le deuxième réseau de distribution électrique alternatif.
- Le premier réseau de distribution électrique propulsif comporte en outre un premier accumulateur connecté au premier onduleur.
Avantageusement, l’énergie électrique stockée dans le premier réseau de distribution électrique propulsif peut être utilisé par le premier et éventuellement le deuxième réseau de distribution électrique alternatif en cas de besoin.
L’architecture comporte :
- une turbomachine ayant un arbre basse pression et un arbre haute pression,
- une première machine électrique basse pression couplée à l’arbre basse-pression de la turbomachine, et
- une première machine électrique haute pression couplée à l’arbre haute-pression de la turbomachine, la première machine électrique basse pression et la première machine électrique haute pression étant connectées au premier boitier de distribution électrique.
Avantageusement, le premier boitier de distribution électrique est alimenté à la fois par une machine électrique couplée à l’arbre basse-pression et à une machine électrique couplée à l’arbre haute pression. Cette connexion croisée assure une plus grande redondance et une plus grande tolérance aux pannes.
L’architecture comporte en outre une deuxième machine électrique basse pression couplée à l’arbre basse-pression de la turbomachine et une deuxième machine électrique haute pression couplée à l’arbre haute-pression de la turbomachine, la deuxième machine électrique basse pression et la deuxième machine électrique haute pression étant connectées au deuxième boitier de distribution électrique.
- Au moins une machine électrique basse pression et au moins une machine électrique haute pression sont des moteurs électriques réversibles.
Avantageusement, les moteurs électriques peuvent fonctionner en mode générateur pour alimenter le premier réseau de distribution électrique ou en mode moteur pour fournir du couple à la turbomachine.
Brève description des figures
est une vue schématique d’une architecture électrique pour aéronef selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
En référence à la , l’architecture électrique 2 de la présente invention comporte une partie propulsive 4 et une partie non propulsive 6.
L’architecture électrique comporte, dans sa partie propulsive 4, une première 8 et une deuxième 10 machines électriques couplées à un arbre 20 d’une turbo-machine, une première 12 et une deuxième14 machines électriques, 1couplées à un arbre haute pression 22 de la turbo-machine, un premier réseau de distribution électrique propulsif 16 et un deuxième réseau de distribution électrique propulsif 18.
Par soucis de simplification, le premier réseau de distribution électrique propulsif 16 et le deuxième réseau de distribution électrique propulsif 18 sont appelés ci-après premier réseau propulsif 16 et respectivement deuxième réseau propulsif 18.
Par convention, la première 8 et la deuxième 10 machines électriques couplées à l’arbre basse pression 20 sont appelées ci-après « machines électriques basse-pression ». De la même façon, la première 12 et la deuxième 14 machines électriques couplées à l’arbre haute pression 22 sont appelées ci-après « machines électriques basse-pression ».
Les machines électriques basse-pression 8, 10 et les machines électriques haute pression 12,14 sont constituées par des moteur électriques. Elles fonctionnent en mode générateur. Elles génèrent un courant alternatif qui est redressé par des redresseurs non représentés pour former une haute tension continue généralement comprise 400 Volts et 800 Volts. Cette haute tension continue alimente le premier réseau propulsif 16 et le deuxième réseau propulsif 18.
De préférence, les machines électriques basse-pression 8,10 et les machines électriques haute-pression 12, 14 sont constituées par des moteurs électriques réversibles. Elles peuvent ainsi fonctionner en mode moteur pour assister la turbomachine lors de phases particulières de vol.
Dans le mode de réalisation représenté, la première machine électrique basse-pression 8 est connectée au premier réseau propulsif 16 par l’intermédiaire d’un interrupteur 24. La deuxième machine électrique basse pression 10 est connectée au deuxième réseau propulsif 18, par l’intermédiaire d’un interrupteur 26. De la même façon, la première machine électrique haute pression 12 est connectée au premier réseau propulsif 16 par l’intermédiaire d’un interrupteur 28. La deuxième machine électrique haute pression 14 est connectée au deuxième réseau propulsif 18 par l’intermédiaire d’un interrupteur 30.
Avantageusement, cette connexion croisée avec interrupteurs assure une plus grande tolérance aux pannes. En effet, en cas de défaillance d’un des deux arbres de prélèvement, les réseaux alternatifs décrit ci-après continuent à être alimentés par l’autre arbre de prélèvement.
Avantageusement dans la présente demande de brevet, deux machines électriques sont installées sur chaque arbre de prélèvement mécanique de la turbomachine pour assurer une redondance et une tolérance aux pannes.
Le premier réseau propulsif 16 comporte un premier boitier de distribution électrique 32, une barre de connexion 34 connectée en sortie au premier boitier de distribution électrique 32 et un premier accumulateur 36 connecté en sortie de la barre de connexion 34.
Le premier boitier de distribution électrique 32 est propre à alimenter des équipements et des charges nécessaires à la propulsion de l’aéronef comme par exemple le calculateur moteur, le système de dégivrage moteur.
La barre de connexion 34 est propre à alimenter des équipements de raccordement.
De la même façon, le deuxième réseau propulsif 18 comporte un deuxième boitier de distribution électrique 38, une barre de connexion 40 connectée en sortie du deuxième boitier de distribution électrique et un deuxième accumulateur 42 connecté en sortie de la barre de connexion 40.
L’architecture électrique 2 comporte dans sa partie non propulsive 6 un premier onduleur 44, un premier réseau 46 de distribution électrique alternatif connecté au premier onduleur, un deuxième onduleur 52 et un deuxième réseau 54 de distribution électrique alternatif connecté au deuxième onduleur.
Le premier onduleur 44 est connecté au premier réseau propulsif 16. Il reçoit en entrée une haute tension continue du premier réseau propulsif 16. Il est propre à convertir cette haute tension continue en une tension alternative triphasée présentant une tension de 115 Volts ou de 230 Volts.
De la même façon, le deuxième onduleur 52 est connecté au deuxième réseau propulsif 18. Il reçoit en entrée une haute tension continue du deuxième réseau propulsif 18. Il est propre à convertir cette haute tension continue en une tension alternative triphasée présentant une tension de 115 Volts ou de 230 Volts.
De préférence, le premier onduleur 44 et le deuxième onduleur 52 sont des onduleurs réversibles.
Avantageusement, dans la présente architecture électrique, le premier réseau propulsif 16 et le premier réseau alternatif 46 s’équilibrent et fonctionnent à un point de fonctionnement optimisé par rapport aux pertes. De la même façon, le deuxième réseau propulsif 18 et le deuxième réseau alternatif 54 fonctionnent à un point de fonctionnement optimisé par rapport aux pertes.
L’architecture électrique 2 comporte en outre dans sa partie non propulsive 6 un boitier électronique 60 connecté entre le premier onduleur et le deuxième onduleur.
Le boitier électronique 60 est un boitier de commande. En particulier, il est apte à commander la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le premier onduleur 44 et la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le deuxième onduleur 52 de manière à les synchroniser.
De préférence, le boitier électronique 60 est également propre à asservir la phase de la tension alternative générée par le deuxième onduleur 52 à la phase de la tension alternative générée par le premier onduleur 44.
Le boitier électronique 60 est également propre à asservir les signaux de synchronisation de la tension alternative générée par le deuxième onduleur 52 aux signaux de synchronisation de la tension alternative générée par le premier onduleur 44.
Avantageusement, les connexions du premier réseau propulsif 18 au deuxième réseau alternatif 54 ou du deuxième réseau alternatif 18 au premier réseau alternatif 46 peuvent, peuvent, grâce à cette synchronisation, s’effectuer sans trou de tension pour les charges alimentées par les réseaux alternatifs. En effet, grâce à une synchronisation en fréquence et en phase, le premier onduleur et le deuxième onduleur peuvent être mis en parallèle et assurer ainsi un recouvrement pendant les séquences d’ouvertures et de fermetures des interrupteurs du premier réseau alternatif 46 et du deuxième réseau alternatif 54.
Selon un premier mode de réalisation, le boitier électronique 60 est propre à asservir la fréquence de la tension alternative générée par le deuxième onduleur 52 à la fréquence de la tension alternative générée par le premier onduleur 44.
Selon un deuxième mode de réalisation, le premier onduleur 44 et le deuxième onduleur 52 sont commandés par le boitier électronique 60 pour générer en sortie une tension alternative triphasée à une fréquence de 400 Hertz.
Avantageusement, la fréquence fixe de 400 Hertz permet de dimensionner au plus juste toutes les charges à composants magnétiques (moteurs, pompes, transformateur de tension etc) qui n’ont plus à prendre en compte la fréquence basse de 350 Hertz. Il en résulte un gain de masse de l’ordre de 10% pour les transformateurs de tension. Avantageusement les moteurs et pompes peuvent être dimensionnées à leur point de fonctionnement à 400 Hertz. Ainsi, ils peuvent fonctionner à leur rendement de fonctionnement optimal.
Le premier réseau de distribution électrique alternatif 46 et le deuxième réseau de distribution électrique alternatif 54 sont appelés ci-après premier réseau alternatif 46 et respectivement deuxième réseau alternatif 54. Ils comprennent chacun au moins une barre de connexion 50, 58 qui est propre à alimenter les équipements de services aux passagers tels que les commodités, les éclairages, les systèmes de divertissement et les cuisines. Il correspond en partie au réseau électrique de bord appelé « réseau ATA24 ».
L’architecture électrique 2 comporte de plus dans sa partie non propulsive 6 un boitier de connexion 62 destiné à être connecté à un groupe auxiliaire de puissance 63 de type « APU ». Le boitier de connexion 62 est connecté entre le premier réseau alternatif 46 et le deuxième réseau alternatif 54. Le groupe auxiliaire de puissance 63 génère une tension alternative triphasée à fréquence fixe qui peut être utilisé au sol pour alimenter les réseaux alternatifs 46, 54. Le groupe auxiliaire de puissance 63 est représenté en pointillé sur la .
L’architecture électrique 2 comporte en outre dans sa partie non propulsive 6 un premier interrupteur 48 propre à connecter le premier réseau électrique propulsif 16 au premier réseau électrique alternatif 46, un deuxième interrupteur 56 est propre à connecter le deuxième réseau électrique propulsif 18 au premier réseau électrique alternatif 54.
Sur la , le premier interrupteur 48 est connecté entre le premier onduleur 44 et le premier réseau alternatif 46. En variante, le premier interrupteur 48 est connecté entre le premier onduleur 44 et le premier réseau propulsif 16. De la même façon, le deuxième interrupteur 56 est connecté entre le deuxième onduleur 52 et le deuxième réseau alternatif 18 ou entre le deuxième onduleur 52 et le deuxième réseau propulsif 18.
L’architecture électrique 2 comporte en outre dans sa partie non propulsive 6 un troisième interrupteur 64 connecté entre le premier réseau alternatif 46 et le premier boitier de connexion 62, et un quatrième interrupteur 66 connecté entre le premier boitier de connexion 62 et le deuxième réseau alternatif 54.
Lorsque le premier et le deuxième onduleurs sont réversibles, ils peuvent convertir de la tension alternative triphasé provenant du groupe auxiliaire de puissance 63 en tension continue pour la fournir aux premier et deuxième réseaux propulsifs lors des séquences de démarrage, de mise sous tension ou pendant des modes dégradés.
De même lorsque le premier et le deuxième onduleurs sont réversibles, ils peuvent convertir de la tension alternative triphasé provenant du groupe auxiliaire de puissance 63 en tension continue pour la fournir aux premier 36 et deuxième 42 accumulateur.

Claims (11)

  1. Architecture électrique (2) pour aéronef comprenant :
    - un premier réseau (16) de distribution électrique propulsif propre à distribuer une haute tension continue,
    - un deuxième réseau (18) de distribution électrique propulsif propre à distribuer une haute tension continue,
    - un premier réseau (46) de distribution électrique alternatif apte à distribuer une tension alternative triphasée,
    - un deuxième réseau (54) de distribution électrique alternatif apte à distribuer une tension alternative triphasée,
    - un premier onduleur (44) connecté entre le premier réseau (16) de distribution électrique propulsif et le premier réseau (46) de distribution électrique alternatif,
    - un deuxième onduleur (52) connecté entre le deuxième réseau (18) de distribution électrique propulsif et le deuxième réseau (54) de distribution électrique alternatif,
    - un boitier électronique (60) connecté au premier onduleur (44) et au deuxième onduleur (52) pour commander la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le premier onduleur et la fréquence de la tension alternative triphasée générée par le deuxième onduleur.
  2. Architecture électrique (2) selon la revendication 1, dans laquelle le boitier électronique (60) est propre à asservir la phase de la tension alternative générée par le deuxième onduleur (52) à la phase de la tension alternative générée par le premier onduleur (44).
  3. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle le boitier électronique (60) est propre à asservir les signaux de synchronisation de la tension alternative générée par le deuxième onduleur (52) aux signaux de synchronisation de la tension alternative générée par le premier onduleur (44).
  4. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 et 3, dans laquelle le premier onduleur (44) et le deuxième onduleur (52) sont commandés pour générer en sortie une tension alternative triphasée à une fréquence de 400 Hertz.
  5. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins un onduleur parmi le premier onduleur (44) et le deuxième onduleur (52) est un onduleur réversible.
  6. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, qui comporte :
    - un premier interrupteur (48) propre à connecter le premier réseau (16) de distribution électrique propulsif au premier réseau (46) de distribution électrique alternatif ;
    - un deuxième interrupteur (56) propre à connecter le deuxième réseau (18) de distribution électrique propulsif au deuxième réseau (54) de distribution électrique alternatif ;
    - au moins un troisième interrupteur (64, 66) propre à connecter le premier réseau (46) de distribution électrique alternatif au deuxième réseau (54) de distribution électrique alternatif.
  7. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, qui comporte un boitier de connexion (62) adapté pour être connecté à un groupe auxiliaire de puissance, ledit boitier de connexion (62) étant connecté entre le premier réseau (46) de distribution électrique alternatif et le deuxième réseau (54) de distribution électrique alternatif.
  8. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le premier réseau de distribution électrique propulsif (16) comporte en outre un premier accumulateur (36) connecté au premier onduleur (44).
  9. Architecture électrique (2) selon l’une quelconque des revendication 1 à 8 comportant :
    - une turbomachine ayant un arbre basse pression (20) et un arbre haute pression (22),
    - une première machine électrique basse pression (8) couplée à l’arbre basse-pression (20) de la turbomachine, et
    - une première machine électrique haute pression (12) couplée à l’arbre haute-pression (22) de la turbomachine, la première machine électrique basse pression (8) et la première machine électrique haute pression (12) étant connectées au premier boitier de distribution électrique (32).
  10. Architecture électrique (2) selon la revendication 9 comportant en outre une deuxième machine électrique basse pression (10) couplée à l’arbre basse-pression (20) de la turbomachine et une deuxième machine électrique haute pression (14) couplée à l’arbre haute-pression (22) de la turbomachine, la deuxième machine électrique basse pression (10) et la deuxième machine électrique haute pression (14) étant connectées au deuxième boitier de distribution électrique (38).
  11. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel au moins une machine électrique basse pression (8, 10) et au moins une machine électrique haute pression (12, 14) sont des moteurs électriques réversibles.
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