FR3131279A1 - Chaine de propulsion électrique d’un aéronef - Google Patents
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Abstract
Chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant - une source d’énergie électrique (1) comportant une génératrice synchrone (11) entrainée par un moteur thermique (12), - un premier moteur électrique synchrone (3) connecté à une sortie de la génératrice synchrone par un circuit électrique à courant alternatif (2), - un organe rotatif de propulsion (7), caractérisée en ce qu’elle comporte - un circuit électrique à courant continu (4) comportant à partir d’une entrée connectée au circuit électrique à courant alternatif : un premier convertisseur alternatif/continu (41), une liaison électrique à courant continu (42) et un second convertisseur continu/alternatif (43), - un second moteur électrique (5) connecté à une sortie du convertisseur continu/alternatif, - un train différentiel (6) comportant un premier arbre d’entrée (61) relié au premier moteur électrique synchrone, un second arbre d’entrée (62) relié au second moteur électrique et un arbre de sortie (63) relié à l’organe rotatif de propulsion. Figure pour l’abrégé : figure 1
Description
La présente invention concerne l’électrification de la propulsion des aéronefs. Cette électrification vise à remplacer tout ou partie de la propulsion actuelle à base de sources thermiques par des sources et effecteurs électriques pour des considérations environnementales (pollution, bruit, …).
L’invention concerne plus particulièrement une chaine propulsive électrique.
Une chaine propulsive comporte schématiquement au moins une source d’énergie, au moins un actionneur, ou propulseur, et un ou des circuit(s) de distribution d’énergie pour connecter source d’énergie et actionneur. La source d’énergie comporte par exemple une turbine à gaz et une génératrice synchrone.
Les principaux critères pour évaluer les performances d’une chaine propulsive sont la densité de puissance et le rendement.
On connait les chaines de propulsion électrique comportant un circuit de distribution électrique à courant continu. Ces chaines intègrent des convertisseurs de puissance pour convertir les tensions de fonctionnement alternatives des sources d’énergie et des actionneurs en tensions continues.
Chaque convertisseur de puissance présente des fonctionnalités de contrôle, ce qui permet notamment un découplage total entre la vitesse de rotation de la source d’énergie et la vitesse de rotation de l’actionneur. En outre, il est facile de connecter une batterie (source continue) sur un circuit de distribution électrique à courant continu.
Un inconvénient de ces chaines de propulsion électrique est que les convertisseurs de puissance réduisent le rendement de la chaine propulsive électrique et en augmentent le poids, ce qui en diminue la densité de puissance.
On connait également les chaines de propulsion électrique comportant un circuit de distribution électrique à courant alternatif. Dans ce cas, la connexion entre la source d’énergie et l’actionneur est directe, c’est-à-dire sans convertisseur de puissance.
Cela améliore la densité de puissance et le rendement par rapport au cas d’une chaine de propulsion intégrant des convertisseurs de puissance. Néanmoins les fonctionnalités de la chaine de propulsion sont aussi plus limitées. En particulier la vitesse de rotation des actionneurs est couplée à la vitesse de rotation de la source d’énergie.
Un autre inconvénient de ces chaines de propulsion électrique est que le démarrage des actionneurs est plus complexe car leur synchronisation à la source d’énergie doit être effectuée. Pour cela, il est possible d’ajouter des convertisseurs de puissance. Ces derniers peuvent également assurer la connexion d’une batterie avec la chaine de propulsion électrique. L’ajout de ces convertisseurs augment là aussi le poids de la chaine propulsive, et donc en diminue la densité de puissance et le rendement.
L’invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant une chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant
- Une source d’énergie électrique rotative comportant une génératrice synchrone entrainée par un moteur thermique,
- Un premier moteur électrique synchrone dont une entrée est connectée à une sortie de la génératrice synchrone par un circuit électrique à courant alternatif,
- Un organe rotatif de propulsion,
Caractérisée en ce qu’elle comporte
- Un circuit électrique à courant continu comportant en série à partir d’une entrée connectée au circuit électrique à courant alternatif : un premier convertisseur alternatif/continu, une liaison électrique à courant continu et un second convertisseur continu/alternatif,
- Un second moteur électrique, dont une entrée est connectée à une sortie du convertisseur continu/alternatif,
- Un train différentiel comportant un premier arbre d’entrée relié au premier moteur électrique synchrone, un second arbre d’entrée relié au second moteur électrique et un arbre de sortie relié à l’organe rotatif de propulsion.
Grâce à l’invention, la vitesse de rotation d’un actionneur est découplée de la vitesse de rotation de la source d’énergie.
Le démarrage de la chaine propulsive et la synchronisation entre la source d’énergie et l’actionneur sont facilités.
Selon une caractéristique préférée, la chaine de propulsion électrique d’un aéronef comporte en outre une source de tension continue connectée au circuit électrique à courant continu.
Selon une caractéristique préférée, le second moteur a une puissance inférieure à la puissance du premier moteur.
Ainsi le circuit électrique à courant continu est utilisé pour faire passer une puissance limitée. Il en est de même pour les convertisseurs, ce qui limite leur poids et garantit une bonne densité de puissance pour la chaine de propulsion.
Selon une caractéristique préférée, la chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comporte en outre un contacteur situé à la sortie de la source d’énergie électrique rotative. Le contacteur permet de déconnecter la source d’énergie électrique rotative, notamment lors du démarrage de la chaine de propulsion.
L’invention concerne aussi un procédé de démarrage de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef telle que précédemment présentée, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de :
- commande de l’ouverture du contacteur,
- commande de l’alimentation de la liaison électrique à courant continu par la batterie,
- commande du premier convertisseur pour qu’il pilote le premier moteur pour augmenter sa vitesse de rotation jusqu’à ce que le premier moteur atteigne la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur atteigne la tension de la génératrice,
- commande du second convertisseur pour qu’il alimente et contrôle le second moteur pour diminuer la vitesse de l’organe rotatif de propulsion,
- commande de la fermeture du contacteur lorsque le premier moteur a atteint la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur a atteint la tension de la génératrice.
L’invention concerne aussi un procédé de variation de vitesse de l’organe rotatif de propulsion de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef telle que précédemment présentée, après le démarrage de la chaine de propulsion, caractérisé en ce qu’il comporte l’étape de commande du second convertisseur continu/alternatif pour qu’il pilote le second moteur en vitesse pour contrôler la vitesse de l’organe rotatif de propulsion.
L’invention concerne aussi un aéronef comportant une chaine de propulsion électrique telle que précédemment présentée.
Les procédés et l’aéronef présentent des avantages similaires à ceux précédemment énoncés.
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, décrits en référence aux figures dans lesquelles :
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
Selon un mode de réalisation préféré, représenté à la , une chaine de propulsion électrique est destinée à équiper un aéronef.
La chaine de propulsion électrique comporte une source d’énergie électrique rotative 1 comportant une génératrice synchrone 11 entrainée par un moteur thermique 12. Le moteur thermique 12 est par exemple une turbine à gaz ou un moteur à piston. La génératrice synchrone 11 est par exemple de type à aimant permanent ou à rotor bobiné.
La chaine de propulsion électrique comporte aussi un circuit électrique à courant alternatif 2 connecté à une sortie de la génératrice synchrone 11. Le circuit électrique à courant alternatif 2 connecté est également relié à une entrée d’un premier moteur synchrone 3, dit moteur principal. Le premier moteur synchrone 3 est par exemple de type à aimant permanent ou à rotor bobiné.
Le circuit électrique à courant alternatif 2 comporte un contacteur 21 apte à déconnecter la source d’énergie électrique rotative 1 des composants situés en aval ou au contraire à les connecter électriquement.
La chaine de propulsion électrique comporte aussi un circuit électrique à courant continu 4. Le circuit électrique à courant continu 4 comporte un premier convertisseur alternatif/continu 41 connecté au circuit électrique à courant alternatif 2, en aval du contacteur 21. Le convertisseur alternatif/continu 41 est connecté à une liaison électrique à courant continu 42, elle-même connectée à un second convertisseur continu/alternatif 43. Il est à noter que les deux convertisseurs sont bidirectionnels et peuvent être commandés en alternatif/continu et en continu/alternatif.
Une batterie 8 est connectée au circuit électrique à courant continu 4.
La chaine de propulsion électrique comporte aussi un second moteur 5, dit moteur auxiliaire, dont une entrée est connectée à une sortie du convertisseur continu/alternatif 43. Le second moteur synchrone 5 est par exemple de type à aimant permanent ou à rotor bobiné.
La chaine de propulsion électrique comporte aussi un train différentiel 6, ou train épicycloïdal, qui comporte un premier arbre d’entrée 61 relié au premier moteur synchrone 3, un second arbre d’entrée 62 relié au second moteur 5 et un arbre de sortie 63 relié à un organe rotatif de propulsion 7.
L’organe rotatif de propulsion 7 est par exemple une hélice.
Le train différentiel 6 est une transmission mécanique qui associe les deux arbres d’entrée et l’arbre de sortie, ces trois arbres ayant des vitesses de rotation différentes, avec une seule relation mathématique : les vitesses de deux des arbres déterminent celle du troisième. Plus précisément, le train différentiel 6 réalise une sommation pondérée des vitesses de rotation des arbres d’entrée 61 et 62 et détermine ainsi la vitesse de rotation de l’arbre de sortie 63. En conséquence, la vitesse de rotation de l’hélice 7 est une somme pondérée des vitesses de rotation des moteurs 3 et 5.
Le train différentiel 6 comporte des engrenages liés aux arbres d’entrée et de sortie. Les engrenages d’un train différentiel sont souvent nommés « soleil », « couronne » et « satellite ».
Soient Nsol, Ncouet Nsatles nombres de dents des engrenages « soleil », « couronne » et « satellite », respectivement, et Wsol, Wcouet Wsatles vitesses de rotation des engrenages « soleil », « couronne » et « satellite », respectivement. L’équation de vitesse est :
Nsol.Wsol+Ncou.Wcou= (Nsol+Ncou).Wsat
Ainsi la vitesse de rotation de l’arbre de sortie 63 du train différentiel dépend de la vitesse de rotation des deux arbres d’entrée 61 et 62.
La chaine de propulsion électrique comporte aussi un module de commande 9 configuré pour commander le fonctionnement des différents éléments de la chaine de propulsion électrique.
Par ailleurs, en considérant le circuit électrique à courant alternatif 2 connecté entre la source 1 et le premier moteur synchrone 3, la liaison entre la source et la charge est directe, c’est-à-dire sans convertisseur de puissance. Cela implique que les fréquences électriques de la source 1 et du premier moteur 3 sont égales. En l’absence du fonctionnement du circuit à courant continu 4 et du second moteur 5, la vitesse de rotation du premier moteur 3 et donc celle de l’hélice 7 sont couplées à la vitesse de rotation de la source d’énergie électrique rotative 1.
En considérant le circuit électrique à courant continu 4 connecté entre la source 1 et le second moteur synchrone 5, le premier convertisseur alternatif/continu 41 permet la conversion de courant alternatif en courant continu et le second convertisseur continu/alternatif 43 permet la conversion de courant continu en courant alternatif. Les convertisseurs 41 et 43 ont aussi une fonction de contrôle qui permet de découpler la vitesse de rotation de la source d’énergie électrique rotative 1 et la vitesse de rotation du second moteur 5.
Plus précisément, le contrôle en vitesse du second moteur 5 est assuré par le second convertisseur 43. Le premier convertisseur 41 permet soit de réguler la tension de la liaison électrique à courant continu 42 soit de transférer de la puissance au circuit électrique à courant alternatif 2.
Ainsi, l’architecture comportant le circuit électrique à courant alternatif 2 et le premier moteur synchrone 3 en parallèle avec le circuit électrique à courant continu 4 et le second moteur synchrone 5, les deux moteurs étant reliés au train différentiel 6, permet de découpler la vitesse de rotation de l’hélice de la vitesse de rotation de la source d’énergie électrique rotative 1. En d’autres termes, cette architecture permet de faire varier la vitesse de rotation de l’hélice, à vitesse de rotation de la source d’énergie 1 constante.
Les puissances des moteurs électriques 3 et 5 sont choisies de sorte que la puissance du second moteur 5 (auxiliaire) soit inférieure à la puissance du premier moteur 3 (principal). De préférence, la puissance du second moteur 5 est égale à une fraction de la puissance du second moteur 3.
Il est à noter que le rapport de puissance des moteurs 3 et 5 définit également approximativement le rapport des vitesses de rotation des moteurs.
Par exemple, le premier moteur 3 assure entre 80 et 95%, de préférence 90%, de la vitesse de rotation de l’hélice et le second moteur assure au maximum entre 5 et 20%, de préférence 10%, de la vitesse de rotation de l’hélice. Le rapport des puissances des moteurs fixe un intervalle de variation possible de la vitesse de rotation de l’hélice, à vitesse de rotation de la source d’énergie 1 constante. Ainsi, le circuit électrique à courant continu 4 est utilisé pour faire passer une puissance limitée. Il en est de même pour les convertisseurs 41 et 43, ce qui limite leur poids et garantit une bonne densité de puissance pour la chaine de propulsion.
Les figures 2 et 3 représentent le cas du démarrage de la chaine de propulsion électrique. La est un organigramme comportant des étapes E1 à E3 mises en œuvre dans le module de commande 9.
En considérant le circuit électrique à courant alternatif 2 connecté entre la source 1 et le premier moteur synchrone 3, on rappelle que les vitesses de rotation de la source d’énergie 1 et du moteur 3 sont couplées.
Cela implique qu’en l’absence du fonctionnement du circuit à courant continu 4 et du second moteur 5, il faut entrainer l’hélice à une vitesse relativement élevée pour entrainer le premier moteur 3 à la vitesse correspondant à celle de la source d’énergie 1. Cela demande donc une puissance importante.
Grâce à l’invention, le démarrage de la chaine de propulsion électrique est facilité. En effet, pour le démarrage de la chaine de propulsion électrique, il faut synchroniser la génératrice 11 et le premier moteur 3 avant de les connecter.
Le démarrage de la chaine de propulsion électrique est effectué de la façon suivante.
A l’étape E1, le module de commande 9 commande l’ouverture du contacteur 21. Lorsque le contacteur 21 est ouvert, la génératrice 11 et le premier moteur 3 ne sont pas connectés.
A l’étape suivante E2, le module de commande 9 commande le démarrage proprement dit de la chaine de propulsion électrique. Sous l’effet de cette commande :
- la batterie alimente la liaison électrique à courant continu 42 et donc les convertisseurs 41 et 43 ;
- le premier convertisseur 41 est piloté en onduleur (DC/AC) permettant d’alimenter le premier moteur 3. Le convertisseur 41 pilote le moteur 3 en vitesse et en tension. Il mesure également la vitesse (fréquence électrique) et la tension (amplitude et phase) de la génératrice 11. Le convertisseur 41 pilote le moteur 3 pour augmenter sa vitesse de rotation jusqu’à ce que le moteur 3 atteigne la vitesse de la génératrice 11 (vitesse de synchronisme) et également que la tension du moteur 3 atteigne la tension de la génératrice 11. Le pilotage en vitesse est fait de manière à obtenir les tensions de la génératrice et du moteur parfaitement synchronisées (en phase) ;
- le moteur 5 est alimenté et contrôlé par le second convertisseur 43 pour limiter (voire annuler) la vitesse de l’hélice 7. Pour cela, le second moteur 5 est entrainé en sens inverse du premier moteur 3. Le train différentiel réalise la somme pondérée des vitesses, qui demeure faible, voire nulle. Ainsi, la puissance nécessaire au démarrage est fortement réduite. La vitesse de l’hélice 7 est mesurée et le moteur 5 est régulé en vitesse pour limiter la vitesse de l’hélice 7.
Lorsque le moteur 3 a atteint la vitesse de la génératrice 11 (vitesse de synchronisme) et que la tension du moteur 3 a atteint la tension de la génératrice 11 en phase et en amplitude, l’étape E2 est suivie de l’étape E3 à laquelle le module de commande 9 commande la fermeture du contacteur 21. La source d’énergie 1 alimente ensuite le premier moteur 3.
Ensuite, la vitesse de rotation du second moteur est ramenée autour de zéro. La vitesse de l’hélice correspond alors à la vitesse du premier moteur.
L’invention permet de diminuer la puissance de démarrage de la chaine de propulsion électrique, par la limitation ou l’annulation de la vitesse de l’hélice 7. Cette caractéristique est particulièrement intéressante dans le cas d’une hélice à pas fixe pour laquelle il n’est pas possible de limiter le couple par un contrôle de pas. L’invention peut également être appliquée dans le cas d’une hélice à pas variable.
En cours de fonctionnement de la chaine de propulsion électrique après son démarrage, la source d’énergie électrique rotative 1 est connectée au premier moteur 3 via le circuit électrique à courant alternatif 2.
Le premier convertisseur alternatif/continu 41 peut être commandé pour alimenter le circuit électrique à courant continu 4, et donc le second moteur 5, à partir de la source d’énergie 1 ou au contraire pour transmettre de la puissance vers le moteur principal 3.
On rappelle que la vitesse de rotation de l’hélice 7 est une somme pondérée des vitesses de rotation des moteurs 3 et 5.
Le second convertisseur continu/alternatif 43 est commandé pour qu’il pilote le second moteur 5 en vitesse pour contrôler la vitesse de rotation de l’hélice 7. Par exemple si le second moteur 5 est contrôlé à vitesse nulle, la vitesse de rotation de l’hélice 7 est celle du premier moteur 3 au coefficient de pondération défini par le train différentiel près.
Si le second moteur 5 est contrôlé en vitesse positive, respectivement négative, la vitesse de rotation de l’hélice 7, qui est une somme pondérée des vitesses de rotation des moteurs 3 et 5, est supérieure, respectivement inférieure, à celle du premier moteur 3 au coefficient de pondération défini par le train différentiel près.
Il est à noter que le rapport de puissance des moteurs 3 et 5 définit également approximativement le rapport des vitesses de rotation des moteurs. Ainsi, si la puissance du second moteur 5 est égale à 10% de la puissance du premier moteur, il sera possible d’obtenir approximativement 10% de variation de vitesse.
Lorsque l’hélice est entrainée par des efforts aérodynamiques du vent (en anglais : windmilling), il est possible de transférer à la batterie 8 de l’énergie générée par la rotation de l’hélice 7 sous l’effet du vent en passant par le premier moteur et/ou le second moteur.
Dans ce cas, la rotation de l’hélice 7 entraine en rotation les premier et second moteurs. Ceux-ci se comportent alors en génératrices. L’énergie générée est renvoyée vers la batterie 8, via les convertisseurs 41 et 43.
La représente des résultats de simulation de fonctionnement de la chaine de propulsion électrique. Plus précisément, elle représente, du haut vers le bas, les diagrammes temporels :
De la vitesse de rotation du second moteur Vsm,
De la vitesse de rotation de l’hélice Vh, et
De la vitesse de rotation du premier moteur Vpm.
Les vitesses sont exprimées en rad/s.
De l’instant t0 = 0s à l’instant t1 = 5s, la chaine de propulsion électrique est en cours de démarrage. Le contacteur 21 est ouvert. Le premier moteur 3 est entrainé progressivement vers la vitesse de synchronisme avec la génératrice 11 via une rampe de vitesse entre les valeurs 0 et 600 rad/s. Pendant ce temps le second moteur 5 est entrainé selon une rampe de vitesse entre 0 et -2000 rad/s de manière à limiter la vitesse Vhde l’hélice 7. Cela a pour effet de limiter fortement la puissance lors du démarrage.
A l’instant t2 = 5.5s, le premier moteur 3 est synchronisé avec la génératrice 11. Le contacteur 21 est fermé pour connecter le premier moteur 3 et la génératrice 11.
De l’instant t3 = 6s à l’instant t4 = 10s, la vitesse du second moteur Vsmest ramenée progressivement à zéro, ce qui a pour effet de faire monter la vitesse de l’hélice Vhet donc sa puissance.
De l’instant t5 =12s à l’instant t6 = 16s, des variations de vitesse sur le second moteur 5 sont effectuées ce qui permet de faire varier la vitesse de l’hélice 7.
L’invention a été décrite dans le cas d’une source d’énergie électrique et d’une hélice. Elle s’applique également à des architectures illustrées aux figures 5 à 8 et comportant :
- Plusieurs sources d’énergie électrique 1 en parallèle, alimentant chacune une chaine telle que précédemment décrite (
- Plusieurs sources d’énergie électrique 1 en parallèle, alimentant chacune une chaine telle que précédemment décrite, avec une liaison électrique à courant continu 42 commune (
- Une source d’énergie électrique 1, alimentant plusieurs chaines telles que précédemment décrites via un circuit à courant alternatif commun (
- Une source d’énergie électrique, alimentant plusieurs chaines telles que précédemment décrites via un circuit à courant alternatif commun, les chaines ayant une liaison électrique à courant continu 42 commune (
Claims (7)
- Chaine de propulsion électrique d’un aéronef, comportant
- une source d’énergie électrique rotative (1) comportant une génératrice synchrone (11) entrainée par un moteur thermique (12),
- un premier moteur électrique synchrone (3) dont une entrée est connectée à une sortie de la génératrice synchrone par un circuit électrique à courant alternatif (2),
- un organe rotatif de propulsion (7),
- un circuit électrique à courant continu (4) comportant en série à partir d’une entrée connectée au circuit électrique à courant alternatif : un premier convertisseur alternatif/continu (41), une liaison électrique à courant continu (42) et un second convertisseur continu/alternatif (43),
- un second moteur électrique (5), dont une entrée est connectée à une sortie du convertisseur continu/alternatif,
- un train différentiel (6) comportant un premier arbre d’entrée (61) relié au premier moteur électrique synchrone, un second arbre d’entrée (62) relié au second moteur électrique et un arbre de sortie (63) relié à l’organe rotatif de propulsion.
- Chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 1, comportant en outre une source de tension continue (8) connectée au circuit électrique à courant continu.
- Chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le second moteur (5) a une puissance inférieure à la puissance du premier moteur (3).
- Chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre un contacteur (21) situé à la sortie de la source d’énergie électrique rotative (1).
- Procédé de démarrage de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de :
- commande (E1) de l’ouverture du contacteur,
- commande (E2) de l’alimentation de la liaison électrique à courant continu par la batterie,
- commande (E2) du premier convertisseur pour qu’il pilote le premier moteur pour augmenter sa vitesse de rotation jusqu’à ce que le premier moteur atteigne la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur atteigne la tension de la génératrice,
- commande (E2) du second convertisseur pour qu’il alimente et contrôle le second moteur pour diminuer la vitesse de l’organe rotatif de propulsion,
- commande (E3) de la fermeture du contacteur lorsque le premier moteur a atteint la vitesse de la génératrice et que la tension du premier moteur a atteint la tension de la génératrice.
- Procédé de variation de vitesse de l’organe rotatif de propulsion de la chaine de propulsion électrique d’un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, après le démarrage de la chaine de propulsion, caractérisé en ce qu’il comporte l’étape de commande du second convertisseur continu/alternatif (43) pour qu’il pilote le second moteur (5) en vitesse pour contrôler la vitesse de l’organe rotatif de propulsion.
- Aéronef comportant une chaine de propulsion électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
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2021
- 2021-12-23 FR FR2114343A patent/FR3131279A1/fr active Pending
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