FR3131987A1 - Procede de pilotage et protection d’un reseau de distribution electrique pour charges propulsives d’aeronef - Google Patents
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Abstract
Procédé de pilotage et protection d’un réseau de distribution électrique pour charges propulsives d’aéronef comportant N canaux d’alimentation continu haute tension (HVDC), chaque bus de rang j est couplé au bus de rang j+1 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC) fermé dans une configuration nominale du réseau de distribution électrique, Le procédé comportant : - la détection (14) d’un court-circuit, - la reconfiguration (15) du réseau de distribution de puissance électrique selon une configuration dégradée intermédiaire dans laquelle les SSPC sont ouverts, - En réponse à la détection que le court-circuit intervient sur un canal de rang k, l’ouverture non-provisoire d’au moins un organe de commutation (16) du canal de rang k, - la reconfiguration (17) du réseau de distribution selon une configuration dégradée finale, dans laquelle au moins une partie des SSPC sont refermés et ledit au moins un organe de commutation du canal de rang k reste ouvert. Figure de l’abrégé : Figure 2
Description
La présente divulgation relève du domaine des procédés de pilotage et de protection des réseaux de distribution électrique pour charges propulsives d’aéronef.
De manière générale dans l’aéronautique, les équipements sont fortement contraints en termes de masse et de capacité d’intégration. Pour optimiser la masse et l’intégration du système, les réseaux de distribution électrique permettant d’alimenter les moteurs des aéronefs peuvent présenter des architectures dites distribuées.
Dans ce type d’architecture, les batteries sont connectées en parallèle sur le réseau continu haute tension (HVDC). En mode nominal, les tensions entre les différentes batteries s’équilibrent de sorte que les batteries alimentent de manière partagée les différentes charges. En cas de perte d’une batterie, les charges propulsives sont alimentées par les batteries restantes. Ceci permet de dimensionner les batteries au plus près du fonctionnement nominal, et ainsi d’optimiser la masse des batteries. Le réseau de distribution électrique devient également plus intégré car le boitier de distribution associe plusieurs charges à plusieurs batteries.
Une des difficultés de ce type d’architecture est la gestion des défauts et en particulier des courts- circuits. En cas de court-circuit peu impédant, par exemple, une batterie Li-ion peut délivrer en quelques millisecondes un courant de quelques milliers d’ampères. Lorsque les batteries sont connectées en parallèle sur le réseau, le phénomène est amplifié par le nombre de batteries en parallèle, ce qui a deux conséquences :
La première conséquence, directe, est que les courants mis en jeu dans ce type de court-circuit peuvent être destructifs pour les composants aéronautiques existants aujourd’hui sur le marché, et les solutions de protection active ne sont pas capables d’isoler le défaut.
La seconde conséquence est liée à la nature de l’architecture de distribution distribuée. En effet, contrairement à une architecture de distribution ségréguée, qui ne propage pas les conséquences d’un court-circuit à l’ensemble du réseau propulsif, dans ce type d’architecture, la tension du réseau vue par tous les moteurs va s’écrouler sur une durée suffisamment longue pour causer la perte inacceptable de la propulsion de l’aéronef, tous les moteurs liés au bus n’étant plus alimentés du fait d’une mise en protection automatique liée à un niveau de tension de bus trop faible.
La présente divulgation vient améliorer la situation.
Il est proposé un procédé de pilotage et protection d’un réseau de distribution électrique pour charges propulsives d’aéronef. L’aéronef embarque un nombre N de sources électriques et un nombre N de charges propulsives. L’aéronef embarque en outre le réseau de distribution électrique.
Le réseau de distribution électrique comporte un nombre N de canaux d’alimentation continu haute tension (HVDC). Chaque canal présente un rang j compris entre 1 et N. Chaque canal comporte une ligne électrique d’entrée, un bus de distribution HVDC de rang j et une ligne électrique de sortie. La ligne électrique d’entrée est connectée à la ligne électrique de sortie par l’intermédiaire du bus de distribution HVDC. Chaque canal de rang j comporte au moins un élément de protection et un organe de commutation sur la ligne électrique d’entrée et un élément de protection et un organe de commutation sur la ligne électrique de sortie.
La ligne électrique d’entrée est connectée électriquement à une source électrique et la ligne électrique de sortie est connectée électriquement à une charge propulsive.
Chaque bus de distribution de rang j est en outre couplé au bus de distribution de rang j+1 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC) qui est fermé dans une configuration nominale du réseau de distribution électrique, de sorte à ce qu’en configuration nominale, le réseau de distribution de puissance électrique soit apte à distribuer aux charges propulsives la puissance électrique reçue des N sources électriques.
Le procédé comporte :
- la détection d’un court-circuit dans le réseau de distribution de puissance électrique,
- la reconfiguration du réseau de distribution de puissance électrique selon une configuration dégradée intermédiaire dans laquelle tous les SSPC sont ouverts, de sorte à ce que les canaux soient électriquement isolés les uns des autres,
- en réponse à la détection que le court-circuit intervient sur un canal de rang k, l’ouverture non-provisoire d’au moins un organe de commutation du canal de rang k,
- la reconfiguration du réseau de distribution selon une configuration dégradée finale, dans laquelle au moins les bus de distribution HVDC d’autre rang que le rang k sont recouplés entre eux et ledit au moins un organe de commutation du canal de rang k reste ouvert.
- la détection d’un court-circuit dans le réseau de distribution de puissance électrique,
- la reconfiguration du réseau de distribution de puissance électrique selon une configuration dégradée intermédiaire dans laquelle tous les SSPC sont ouverts, de sorte à ce que les canaux soient électriquement isolés les uns des autres,
- en réponse à la détection que le court-circuit intervient sur un canal de rang k, l’ouverture non-provisoire d’au moins un organe de commutation du canal de rang k,
- la reconfiguration du réseau de distribution selon une configuration dégradée finale, dans laquelle au moins les bus de distribution HVDC d’autre rang que le rang k sont recouplés entre eux et ledit au moins un organe de commutation du canal de rang k reste ouvert.
Le procédé est apte à être mis en œuvre lorsque l’aéronef est en vol et au sol.
Ce procédé est particulièrement avantageux en ce qu’il permet de passer d’une architecture électrique distribuée à une architecture électrique ségréguée provisoire le temps de reconfigurer l’architecture électrique distribuée après isolation du défaut électrique.
Notamment, le procédé présente le double avantage de protéger les organes du réseau électrique et d’éviter la propagation d’une panne pouvant entrainer la perte totale du système propulsif.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
Dans un mode de réalisation, pour chaque canal de rang j, la ligne électrique d’entrée est connectée électriquement à la source électrique par une connexion d’entrée, et le procédé comporte en outre, lors de la détection que le court-circuit intervient sur un canal de rang k, la détection que le court-circuit intervient sur la connexion d’entrée du canal de rang k. L’organe de commutation du canal de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique d’entrée du canal de rang k. La reconfiguration du réseau de distribution est alors pilotée vers une première configuration dégradée finale, dans laquelle tous les SSPC sont refermés et l’organe de commutation de la ligne électrique d’entrée du canal de rang k reste ouvert.
Grâce à ces caractéristiques, le défaut au niveau de l’arrivée de la source électrique est isolé tout en conservant les avantages de la distribution des sources restantes vers l’ensemble des charges propulsives.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte en outre, en réponse à la détection que le court-circuit intervient sur le canal de rang k, l’ouverture provisoire de l’organe de commutation de la ligne électrique de sortie dudit canal de rang k, ledit organe de commutation de la ligne électrique de sortie du canal de rang k étant refermé dans la première configuration dégradée finale.
Grâce à ces caractéristiques, la charge propulsive du canal de rang k est déconnectée le temps que le défaut électrique soit isolé. Ainsi, le circuit en aval du réseau de distribution est protégé de la décharge des capacités de l’onduleur de la charge propulsive.
Dans un mode de réalisation, pour chaque canal de rang j la ligne électrique de sortie est connectée électriquement à la charge propulsive par une connexion de sortie. Le procédé comporte en outre, lors de la détection que le court-circuit intervient sur un canal de rang k, la détection que le court-circuit intervient sur la connexion de sortie du canal de rang k. L’organe de commutation du canal de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique de sortie dudit canal de rang k. La reconfiguration du réseau de distribution est alors pilotée vers une deuxième configuration dégradée finale, dans laquelle tous les SSPC sont refermés et ledit organe de commutation de la ligne électrique de sortie dudit canal de rang k est ouvert.
Grâce à ces caractéristiques, le défaut au niveau de l’alimentation de la charge propulsive est isolé tout en conservant les avantages de la distribution des sources vers l’ensemble des charges propulsives restantes.
Dans un mode de réalisation, l’aéronef embarque, pour chaque canal de rang j, une deuxième charge propulsive, la ligne électrique de sortie étant une première ligne électrique de sortie, la charge propulsive étant une première charge propulsive, la connexion de sortie étant une première connexion de sortie,
chaque canal de rang j comportant en outre une deuxième ligne électrique de sortie connectée au bus de distribution HVDC de rang j, la deuxième ligne électrique de sortie comportant un élément de protection et un organe de commutation, la deuxième ligne électrique de sortie étant connectée électriquement à la deuxième charge propulsive par une deuxième connexion de sortie.
chaque canal de rang j comportant en outre une deuxième ligne électrique de sortie connectée au bus de distribution HVDC de rang j, la deuxième ligne électrique de sortie comportant un élément de protection et un organe de commutation, la deuxième ligne électrique de sortie étant connectée électriquement à la deuxième charge propulsive par une deuxième connexion de sortie.
Grâce à ces caractéristiques, deux fois N charges propulsives peuvent être alimentées par N sources électriques.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte en outre lors de la détection que le court-circuit intervient sur ladite première connexion de sortie du canal de rang k, l’ouverture provisoire de l’organe de commutation de la deuxième ligne électrique de sortie dudit canal de rang k, ledit organe de commutation de la deuxième ligne électrique de sortie du canal de rang k étant refermé dans la deuxième configuration dégradée finale.
Grâce à ces caractéristiques, les deux charges propulsives du canal sont déconnectées le temps que la charge propulsive au niveau de laquelle le défaut électrique est apparu soit isolé.
Dans un mode de réalisation, le réseau de distribution comporte en outre un commutateur électrique inter-bus, le bus de distribution HVDC de rang 1 et le bus de distribution HVDC de rang N étant connectés par l’intermédiaire du commutateur électrique inter-bus qui est ouvert dans la configuration nominale du réseau de distribution électrique.
Le procédé comporte en outre, lors de la détection que le court-circuit intervient sur un canal de rang k, la détection que le court-circuit intervient sur le bus de distribution de rang k,
l’organe de commutation du canal de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique d’entrée dudit canal de rang k.
l’organe de commutation du canal de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique d’entrée dudit canal de rang k.
La reconfiguration du réseau de distribution est alors pilotée vers une troisième configuration dégradée finale, dans laquelle ledit organe de commutation du canal de rang k reste ouvert et
- si le rang k est égal à 1, tous les SSPC sont refermés entre les bus de distribution HVDC de rang 2 à N,
- si le rang est égal à N, tous les SSPC sont refermés entre les bus de distribution HVDC de rang 1 à N-1,
- pour tous les autres rangs k, tous les SSPC sont refermés entre les bus de distribution HVDC de rang 1 à k-1 et entre les bus de rang k+1 à N, et le commutateur électrique inter-bus est refermé.
- si le rang k est égal à 1, tous les SSPC sont refermés entre les bus de distribution HVDC de rang 2 à N,
- si le rang est égal à N, tous les SSPC sont refermés entre les bus de distribution HVDC de rang 1 à N-1,
- pour tous les autres rangs k, tous les SSPC sont refermés entre les bus de distribution HVDC de rang 1 à k-1 et entre les bus de rang k+1 à N, et le commutateur électrique inter-bus est refermé.
Grâce à ces caractéristiques, le réseau peut redistribuer l’énergie électrique entre les canaux non-isolés après isolation du canal de rang k.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte en outre l’ouverture non-provisoire de l’organe de commutation de la ligne électrique de sortie dudit canal de rang k, ledit organe de commutation de la ligne électrique de sortie restant ouvert dans la troisième configuration dégradée finale.
Grâce à ces caractéristiques, la source électrique et la charge propulsive du canal de rang k en défaut sont isolées.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte en outre l’ouverture non-provisoire de l’organe de commutation de la deuxième ligne électrique de sortie du canal de rang k, ledit organe de commutation de la deuxième ligne électrique de sortie restant ouvert dans la troisième configuration dégradée finale.
Grâce à ces caractéristiques, la source électrique et les charges propulsives du canal de rang k en défaut sont isolées.
Il est proposé en outre un réseau de distribution électrique comportant un nombre N de canaux d’alimentation continu haute tension (HVDC).
Chaque canal présente un rang j compris entre 1 et N, chaque canal comporte une ligne électrique d’entrée, un bus de distribution HVDC de rang j et une ligne électrique de sortie. La ligne électrique d’entrée est connectée à la ligne électrique de sortie par l’intermédiaire du bus de distribution HVDC.
Chaque canal comporte au moins un élément de protection et un organe de commutation sur la ligne électrique d’entrée et un élément de protection et un organe de commutation sur la ligne électrique de sortie.
La ligne électrique d’entrée est apte à être connectée électriquement à une source électrique et la ligne électrique de sortie est apte à être connectée électriquement à une ou plusieurs charges propulsives.
Chaque bus de distribution HVDC de rang j est en outre couplé au bus de distribution HVDC de rang j+1 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC) qui est fermé dans une configuration nominale du réseau de distribution électrique.
Ainsi, en configuration nominale, le réseau de distribution de puissance électrique est apte à distribuer aux charges propulsives la puissance électrique reçue des N sources électriques.
Le réseau de distribution de puissance électrique est en outre apte à être reconfiguré en cas de court-circuit sur un canal de rang k selon une configuration dégradée intermédiaire dans laquelle les SSPC sont ouverts, de sorte à ce que les canaux soient électriquement isolés les uns des autres.
Le réseau de distribution de puissance électrique est en outre apte à ouvrir au moins un organe de commutation du canal de rang k.
Le réseau de distribution de puissance électrique est en outre apte à être reconfiguré selon une configuration dégradée finale, dans laquelle au moins les bus de distribution HVDC d’autre rang que le rang k sont recouplés entre eux et ledit au moins un organe de commutation du canal de rang k reste ouvert.
Selon un autre aspect, il est proposé un circuit de supervision global du réseau tel que décrit ci-dessus comportant des cartes électroniques configurées pour exécuter des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie du procédé tel que défini ci-dessus, notamment pour contrôler l’ouverture des SSPC et des organes de commutation.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Dans la suite de la description, et pour simplifier l’illustration, il sera représenté tout élément de raccordement électrique en position ouverte par un rectangle comportant une croix, tandis que le même élément en position fermée sera représenté par le rectangle seul.
Il est maintenant fait référence à la . Un système propulsif pour aéronef comporte un réseau de distribution électrique 1, un ensemble de sources électriques 2 et un ensemble de charges propulsives 3. Les charges propulsives 3 sont des moteurs électriques.
La représente un tel réseau de distribution électrique 1 dont le but est de distribuer de manière efficace l’énergie électrique de l’ensemble de sources électriques 2 vers l’ensemble de charges propulsives 3 dans un aéronef en vol, par exemple un avion.
Le réseau 1 est représenté dans uneconfiguration nominale. Par configuration nominale, on comprendra une configuration normale, en l’absence de défaut électrique tel qu’un court-circuit, lors d’un vol de l’aéronef.
Pour les besoins de l’illustration, le réseau 1 comporte un nombre N=3 de canaux 4 et deux charges propulsives 3 par canal 4. Il apparaitra que la description du réseau 1 peut être adaptée pour un nombre N de canaux 4 quelconque.
Les canaux 4 sont des canaux d’alimentation continu haute tension (HVDC).
Comme illustré, chaque canal 4 présente un rang j, où j peut être égal à 1, 2 ou 3. Chaque canal 4 comporte une ligne électrique d’entrée 5, un bus de distribution 6 de rang j et deux lignes électrique de sortie 7. Le bus de distribution 6 est un bus HVDC. La ligne électrique d’entrée 5 est connectée aux deux lignes électriques de sortie 7 par l’intermédiaire du bus de distribution 6.
Chaque canal 4 comporte un organe de commutation 8 sur la ligne électrique d’entrée 5 et un organe de commutation 9 sur chacune des deux lignes électriques de sortie 7. Les organes de commutation 8, 9 sont des organes de commutation bipolaire qui permettent d’assurer l’isolation galvanique et la mise en ligne respective des sources électriques 2 et des charges propulsives 3.
Chaque canal 4 est connecté à une des sources électriques 2 par l’intermédiaire d’une connexion d’entrée 10. La ligne électrique d’entrée 5 est connectée électriquement à la connexion d’entrée 10 qui achemine la puissance électrique de la source électrique 2 vers le canal 4.
Chaque canal 4 est respectivement connecté à deux charges propulsives 3 par l’intermédiaire de deux connexions de sortie 11 respectives. Les deux connexions de sortie 11 sont toutes les deux raccordées électriquement au bus de distribution 6 par les deux lignes électriques de sortie 7.
Le bus de distribution 6 du canal 4 de rang j=1 est raccordé au bus de distribution 6 du canal 4 de rang j=2 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC) 12.
Comme on peut le voir sur la , le SSPC 12 est fermé dans la configuration nominale du réseau 1.
Le bus de distribution 6 du canal 4 de rang j=2 est également raccordé au bus de distribution 6 du canal 4 de rang j=3 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC) 12, également fermé.
Ainsi, les canaux 4 sont interconnectés par l’intermédiaire de leur bus de distribution 6. En d’autres termes, les canaux 4 sont parallèles. Ainsi, en configuration nominale, le réseau 1 est apte à distribuer aux charges propulsives 3 la puissance électrique reçue de l’ensemble des sources électriques 2.
Comme on peut le voir, le bus de distribution 6 du canal 4 de rang j=1 est également raccordé au bus de distribution 6 du canal 4 de rang j=3 par l’intermédiaire d’un commutateur électrique inter-bus 13, qui, lui, est ouvert. Le rôle du commutateur électrique inter-bus 13 est de reconnecter les canaux 1 et 3 entre eux en cas de perte du bus de rang j=2.
Le réseau 1 est un réseau reconfigurable sous l’action d’un circuit de supervision globale comportant plusieurs cartes électroniques (non représentées). Le circuit de supervision globale comporte en outre des commandes d’ouverture pour les SSPC 12, pour le commutateur électrique inter-bus 13, et pour les organes de commutation 8 et 9. Le circuit de supervision globale comporte en outre des capteurs de courant et de tension. Les SSPC 12 disposent en outre de leur propre mesure de courant.
Le procédé de pilotage mis en œuvre pour la gestion des courts-circuits est décrit en référence à la .
Dans une première étape 14, le circuit de supervision est apte à détecter un court-circuit sur un des canaux 4 de rang j=k. Le réseau 1 est alors en configuration nominale.
Dans une deuxième étape 15, le circuit de supervision pilote alors le réseau 1 pour le reconfigurer selon uneconfiguration dégradée intermédiairedans laquelle les SSPC 12 sont ouverts. La configuration dégradée intermédiaire du réseau 1 est représentée en référence à la où les SSPC 12 sont représentés par un rectangle comportant une croix.
Les SSPC 12 isolent les différents canaux 4 en une dizaine de microsecondes. Ainsi, dans la configuration dégradée intermédiaire, les canaux 4 sont électriquement isolés les uns des autres. En d’autres termes, le système propulsif devient alors ségrégué, ce qui va permettre de localiser et de clarifier le défaut sur le canal 4 de rang j=k touché par la panne sans impacter les autres canaux 4.
De manière avantageuse, la sous tension globale engendrée par le court-circuit ne dure que quelques microsecondes correspondant au temps d’ouverture du SSPC 12. Dès que les SSPC 12 sont ouverts, le système devient ségrégué, et les lignes non affectées par le défaut voient leur tension revenir à un niveau normal, ce qui permet de garder les charges propulsives 3 opérationnelles.
Ainsi, le transitoire électrique très court n’est pas perçu sur le couple aérodynamique de la charge propulsive 3, la protection électrique de la charge propulsive 3 en sous tension, qui est plus lente que l’ouverture du SSPC 12, ne devrait pas mettre la charge propulsive 3 en défaut.
En outre, de manière avantageuse, le courant vu par les composants au niveau du canal 4 en défaut reste le courant d’une seule batterie et non pas le courant des 3 batteries en parallèle.
Dans une troisième étape 16, un organe de commutation du canal de rang k est ouvert de sorte à isoler le défaut électrique correspondant.
Une fois le défaut isolé, dans une quatrième étape 17, les SSPC 12 sont refermés de sorte à ce que le réseau 1 soit reconfiguré selon une configuration dégradée finale, dans laquelle le défaut est isolé mais les propriétés de distribution du réseau 1 sont conservées.
Ainsi, une fois la ligne électrique en défaut isolée, il est possible de reconnecter les bus de distribution 6 afin de paralléliser à nouveau les sources électriques 2, après analyse du réseau 1 et de la localisation du défaut.
Cette reconnexion se fait soit en refermant les SSPC 12, soit en fermant le commutateur électrique inter-bus 13 si le défaut se trouve au niveau du bus de distribution de rang k=2.
Différents mécanismes sont mis en jeu dans ce procédé, en fonction de zones du système propulsif concernées par le défaut électrique. Les différentes zones sont représentées en référence à la ,qui représente un système propulsif 18 comportant un boîtier de protection 19 dans lequel est intégré le réseau 1. Les éléments identiques à ceux présentés en référence à la sont identifiés par les mêmes chiffres de référence.
La présente un niveau de détail supplémentaire. Notamment, les pôles « + » et les pôles « -» de chaque ligne électrique sont représentés.
En particulier, on voit que chaque ligne électrique d’entrée 5 est protégée par un élément de protection 20. L’élément de protection 20 est un fusible.
En particulier, on voit que chaque ligne électrique de sortie 7 est protégée par un élément de protection 21. L’élément de protection 21 est un fusible pyroswitch.
Il y a en outre sur chacune des lignes électriques d’entrée 5 et chacune des lignes électriques de sortie 7 des capteurs de courant et de tension 21 assurant la gestion et la protection de l’ensemble du réseau 1.
Pour chaque zone du système propulsif, la mise en œuvre des troisième étape 16 et quatrième étape 17 du procédé de pilotage est unemise en œuvre spécifique à la zonedans laquelle le défaut électrique apparaît.
La première zone 22 comporte les sources électriques 2 et les connexions d’entrée 10 connectées à tous les canaux 4. La première zone 22 se situe entre les sources électriques 2 et le boîtier de protection 19.
La deuxième zone 23 comporte l’ensemble des lignes électriques de sortie 7 de tous les canaux 4. La deuxième zone 23 se situe entre le boîtier de protection 19 et les charges propulsives 3.
Les trois troisièmes zones 24 appartenant chacune à un canal 4 de rang j comportent chacune respectivement la ligne électrique d’entrée 5 et le bus de distribution 6 du canal 4. Les troisièmes zones 24 sont localisées dans le boîtier de protection 19 et concerne des défauts internes au boîtier de protection 19.
La représente les trois différentes branches respectives 25, 26 et 27 de la mise en œuvre du procédé de pilotage, en fonction de la zone, respectivement la première zone 22, la deuxième zone 23, ou une des troisièmes zones 24, où se situe la localisation du court-circuit. Pour les besoins de la description, on considèrera qu’un défaut apparaît sur le canal 4 de rang j=k.
Pour la branche 25 correspondant à un court-circuit qui apparaît sur la première zone 22, la troisième étape 16 du procédé est une étape spécifique 28. L’étape spécifique 28 comporte l’ouverture du fusible de la source électrique 2 raccordée au canal 4 de rang k sur lequel le court-circuit a apparu. En d’autres termes, le fusible du câblage défectueux disjoncte.
Pour la branche 26 correspondant à un court-circuit qui apparaît sur une des troisièmes zones 24, la troisième étape 16 du procédé est une étape spécifique 29. L’étape spécifique 29 comporte l’ouverture de l’élément de protection 20 de la ligne électrique d’entrée 5 du canal 4 de rang j=k sur lequel le court-circuit a apparu. En d’autres termes, le fusible du câblage défectueux disjoncte.
Pour la branche 27 correspondant à un court-circuit qui apparaît sur la deuxième zone 23, la troisième étape 16 du procédé est une étape spécifique 30. L’étape spécifique 30 comporte l’ouverture de l’élément de protection 21 de la ligne électrique de sortie 7 du canal 4 de rang j=k sur lequel le court-circuit a apparu. En d’autres termes, le fusible du câblage défectueux disjoncte.
Puis, dans une étape 31 commune aux trois branches 25, 26 et 27, pour le canal 4 de rang j=k sur lequel le court-circuit a apparu, le circuit de supervision global pilote alors l’ouverture des deux organes de commutation 9 des deux lignes électriques de sortie 7. En d’autres termes, le circuit de supervision global demande l’arrêt des charges propulsives associées au bus de rang j=k.
Lorsque ledéfaut est situé entre une source électrique 2 et le boîtier de protection 16, c’est-à-dire pour la branche 25, une étape spécifique 31 est mise en œuvre, dans laquelle le circuit de supervision global pilote alors l’ouverture de l’organe de commutation 8 de la ligne électrique d’entrée 5. En d’autres termes, le circuit de supervision global isole la source électrique 2 associée au bus de rang j=k.
Puis, le circuit de supervision global vérifie dans une étape 32 s’il autorise la fermeture des SSPC 12. Dans l’affirmative, dans une étape 33, les lignes de précharge sont refermées et le circuit de supervision global pilote alors la fermeture des deux organes de commutation 9 des deux lignes électriques de sortie 7. En d’autres termes, le circuit de supervision global relance les charges propulsives associées au bus de rang j=k.
La mission de vol de l’aéronef se poursuit alors avec un réseau 1 dans unepremière configuration dégradée finale, dans laquelle les SSPC 12 sont refermés et l’organe de commutation 8 de la ligne électrique d’entrée 5 du canal 4 de rang j=k reste ouvert. En d’autres termes, deux sources électriques alimentent les six charges propulsives.
Dans une option avantageuse, si le circuit de supervision global n’autorise pas, dans l’étape 32, la fermeture des SSPC 12, alors la mission de vol de l’aéronef se poursuit en reconnectant les bus de distribution des deux canaux 4 non entachés de défaut. Dans ce cas, deux sources électriques 2 alimentent quatre charges propulsives 3, et le canal 4 de rang j=k en défaut n’est pas reconnecté.
Unexemplede mise en œuvre du procédé de pilotage lorsque le défaut est situé entre une source électrique 2 et le boîtier de protection 16 est décrit en référence auxFigures 6 à 9.
La représente le système propulsif 18 de la , lorsqu’un défaut apparaît sur la connexion d’entrée 10 du canal de rang j=1. En d’autres termes, dans cet exemple, le rang k du canal 4 en défaut est le rang 1. De manière générale, le défaut peut arriver sur les deux autres canaux 4: en d’autres termes, le rang j=k aurait pu prendre la valeur j=2 ou la valeur j=3. Le défaut est représenté par un éclair et le flux de courants électrique anormal en direction et en intensité est représenté par des flèches en trait plein.
Pendant les premières microsecondes, les trois sources électriques 2 et les charges propulsives 3 vont délivrer du courant électrique dans le défaut, avec une forte variation d’intensité par rapport au temps.
Ce flux de courant va provoquer très rapidement l’isolation des canaux 4 entre eux via les deux SSPC 12, ce qui est illustré dans la . On voit sur la des flux de courants électrique normaux représentés par des flèches en trait pointillés sur canaux de rang j=2 et j=3. Comme représenté, les deux SSPC 12 sont ouverts.
La configuration du réseau 1 est alors une selon la configuration dégradée intermédiaire dans laquelle les SSPC 12 sont ouverts, de sorte à ce que les canaux 4 soient électriquement isolés les uns des autres.
Ainsi, les deux charges propulsives 3 liées au bus de distribution 6 de rang j=2 et au bus de distribution 6 de rang j=3 demeurent opérationnelles.
En effet, l’isolation du défaut est plus rapide que la mise en défaut des charges propulsives 3. Aussi, la dynamique des moteurs ne devrait pas générer une perte de poussée significative au niveau de l’aéronef.
Toutefois, le circuit de supervision global requiert l’arrêt des charges propulsives 3 associées au bus de distribution de rang k=1, comme représenté sur la . En effet, durant le défaut, les capacités de l’onduleur du moteur se seront déchargées dans le défaut, aussi les moteurs sont mis en protection sous-tension.
L‘organe de protection interne de la source électrique 2 va également isoler le défaut de la source de tension qui ne peux pas être stoppé intrinsèquement.
Une fois que le courant est descendu à un niveau acceptable, l’organe de commutation 8 du canal de rang k=1 est commandé ouvert pour isoler galvaniquement la zone en court-circuit.
Afin de redémarrer proprement les charges propulsives 3, les deux organes de commutation du canal de rang k=1 sont commandés ouverts. Les organes de protection 21 du canal de rang k=1 n’isolent pas les charges propulsives 3 durant cette opération, car ils sont monodirectionnels au niveau de la protection et leur fonction est de protéger le circuit en aval du réseau 1.
Une fois le défaut isolé, le circuit de supervision globale peut reconfigurer le réseau 1 selon lapremière configuration dégradée finale.
Plus précisément, le circuit de supervision globale commande la fermeture des deux SSPC 12 en utilisant la fonction de précharge interne des SSPC 12, en fonction de l’état des sources électriques 2. Un verrou supplémentaire peut à ce niveau-là être implémenté pour être sûr que la zone du défaut a bien été identifiée en première zone 22 et que le défaut n’est pas en troisième zone 24 du canal de rang k=1: Si la précharge du bus de distribution 6 de rang k=1 ne se réalise pas en un temps donné maximum, il est considéré que le bus de distribution 6 de rang k=1 est en défaut et ne peut plus être réalimenté.
Une fois que les deux SSPC 12 sont refermés, les organes de commutation 9 des charges propulsives 3 du canal 4 de rang k=1 peuvent être refermés en utilisant également la précharge associée. Les charges propulsives 3 peuvent être ainsi redémarrées sur consigne du circuit de supervision global.
La configuration finale du système pour la fin de la mission de l’aéronef est représentée sur la : les deux sources électriques 2 restantes alimentent toutes les charges propulsives 3.
Pour la branche 27 de la , ledéfaut est situé entre le boîtier de protection 16 et les charges propulsives 3, sur le canal 4 de rang j=k. Dans ce cas, il n’y a pas d’étape 31. Le circuit de supervision global vérifie directement dans une étape 34 s’il autorise la fermeture des SSPC 12.
Dans l’affirmative, dans une étape 35, les lignes de précharge sont refermées. Le circuit de supervision global pilote alors la fermeture de l’organe de commutation 9 de la ligne électrique de sortie 7 saine. En d’autres termes, le circuit de supervision global relance la charge propulsive 3 non entachée de défaut associée au bus de rang k. En revanche, l’autre charge propulsive 3 associée au bus de rang k reste isolée.
La mission de vol de l’aéronef se poursuit alors avec un réseau 1 dans unedeuxième configuration dégradée finale, dans laquelle les SSPC 12 sont refermés et l’organe de commutation 9 d’une des deux lignes électriques de sortie 7 du canal 4 de rang k reste ouvert. En d’autres termes, trois sources électriques alimentent cinq charges propulsives 3.
Dans une option avantageuse, si le circuit de supervision global n’autorise pas, dans l’étape 34, la fermeture des SSPC 12, alors la mission de vol de l’aéronef se poursuit en reconnectant les bus de distribution des deux canaux 4 non entachés de défaut. Dans ce cas, deux sources électriques 2 alimentent quatre charges propulsives 3, et le canal 4 en défaut n’est pas reconnecté.
Unexemplede mise en œuvre du procédé de pilotage lorsque le défaut est situé entre une le boîtier de protection 16 et les charges propulsives 3 est décrit en référence auxFigures 10 à 13.
Comme on peut le voir sur la , un défaut électrique représenté par un éclair apparaît sur la deuxième connexion de sortie 11 du canal 4 de rang j=k=1.
Afin d’isoler la source électrique 2 du canal 4 de rang 1 en défaut, les deux SSPC 12 s’ouvrent, comme représenté sur la correspondant à une configuration dégradée intermédiaire du réseau 1.
Afin d’isoler le défaut vis à vis du bus de distribution 6 du canal 4 de rang 1, l’organe de protection 21 de la deuxième connexion de sortie 11 va isoler le défaut présent sur le câblage de la deuxième charge propulsive 3.
Afin de déconnecter les moteurs du canal 4 de rang 1 en défaut, le circuit de supervision global envoie une requête pour arrêter les charges propulsives 3 liées au bus de distribution 6 de rang 1. Les deux organes de commutation 9 sont ensuite ouverts. La configuration du réseau 1 correspondantes est représentée en référence à la .
Le circuit de supervision global commande alors la reconfiguration du réseau 1 selon la deuxième configuration dégradée finale représentée sur la .
En effet, les deux SSPC 12 sont refermés pour remettre le réseau 1 en configuration distribuée. En outre, la première charge propulsive 3 qui n’est pas sur la ligne en défaut peut être remise en ligne suivant le besoin de l’aéronef en refermant l’organe de commutation 9 correspondant.
Pour la branche 26 du procédé de pilotage de la , le défaut correspond à une des troisièmes zones 24. Une étape spécifique 31 identique à celle de la branche 25 est mise en œuvre. Cela correspond au cas oùle bus de distribution 6 de rang k est en défaut .Le circuit de supervision global isole alors la source électrique 2 associée au bus de rang k.
La mission de vol de l’aéronef se poursuit alors avec un réseau 1 dans unetroisième configuration dégradée finale, dans laquelle les organes de commutation 8 et 9 du canal 4 de rang k restent ouverts et :
- si le rang k est égal à 1, le SSPC 12 est refermé entre le bus de distribution de rang 2 et le bus de distribution de rang 3,
- si le rang k est égal à 3, le SSPC 12 est refermé entre le bus de distribution de rang 1 et le bus de distribution de rang 2,
- si le rang k est égal à 2, le commutateur électrique inter-bus 13 est refermé et les deux SSPC 12 restent ouverts.
- si le rang k est égal à 1, le SSPC 12 est refermé entre le bus de distribution de rang 2 et le bus de distribution de rang 3,
- si le rang k est égal à 3, le SSPC 12 est refermé entre le bus de distribution de rang 1 et le bus de distribution de rang 2,
- si le rang k est égal à 2, le commutateur électrique inter-bus 13 est refermé et les deux SSPC 12 restent ouverts.
Unexemplede mise en œuvre du procédé de pilotage lorsque le défaut est situé sur un bus de distribution 6 est décrit en référence auxFigures 14 à 17.
Comme on peut le voir sur la , un défaut électrique représenté par un éclair apparaît sur le bus de distribution 6 de rang j=k=1.
Dans un premier temps, le circuit de supervision global commande l’isolation des canaux 4 entre eux pour mettre le réseau 1 dans une configuration dégradée intermédiaire représentée sur la . Comme dans les cas précédents, les deux SSPC 12 vont donc s’ouvrir.
Sur le canal 4 de rang 1, afin d’isoler la source électrique 2, l‘organe de protection 20 de la ligne électrique d’entrée 5 va disjoncter, comme représenté sur la . L’organe de protection interne de la source électrique 2 peut également participer à l’isolation électrique, suivant son dimensionnement.
Sur le canal 4 de rang 1, une fois que le courant électrique est descendu à un niveau acceptable, l’organe de commutation 8 est commandé ouvert pour isoler la zone en court-circuit de la source électrique 2.
La configuration du réseau 1 suite à cette étape est montrée dans la .
Puis, afin de déconnecter les moteurs du canal 4 de rang 1 en défaut, le circuit de supervision globale requiert l’arrêt des deux charges propulsives 3 associées au bus de distribution 6.
Une fois que le courant est descendu à un niveau acceptable, les deux organes de commutation 9 seront commandés ouverts pour isoler la zone en court-circuit, ceci afin d’éviter toute régénération des moteurs électriques telle par exemple un mode roue libre suivant la poussée aérodynamique des pales, encore appelée en anglais « windmilling » dans le défaut.
L‘organe de protection 20 de la ligne électrique d’entrée 5 ayant isolé en premier, le défaut est localisé dans la troisième zone 24 correspondant au premier canal 4 de rang 1. La logique réseau interdit alors la refermeture du premier SSPC 12 entre le premier canal 4 de rang 1 et le deuxième canal 4 de rang 2. Le deuxième SSPC 12 peut quant à lui être refermé, de sorte à reconnecter le deuxième canal 4 de rang 2 avec le troisième canal 4 de rang 3.
La configuration du réseau 1 pour terminer la mission est décrite dans la correspondant à la troisième configuration dégradée finale.
Dans ce cas de défaut, les deux moteurs du canal 4 de rang k=1 en défaut sont irrémédiablement perdus. En d’autres termes, deux sources électriques 2 alimentent les quatre charges propulsives 3 et un canal reste isolé et perdu.
Claims (10)
- Procédé de pilotage et protection d’un réseau de distribution électrique(1)pour charges propulsives(3)d’aéronef,
l’aéronef embarquant un nombre N de sources électriques(2)et un nombre N de charges propulsives(3), l’aéronef embarquant en outre le réseau de distribution électrique(1),
le réseau de distribution électrique(1) comportant un nombre N de canaux(4)d’alimentation continu haute tension (HVDC),
chaque canal(4) ayant un rang j compris entre 1 et N, chaque canal(4)comportant une ligne électrique d’entrée(5), un bus de distribution HVDC(6)de rang j et une ligne électrique de sortie(7), la ligne électrique d’entrée(5)étant connectée à la ligne électrique de sortie(7) par l’intermédiaire du bus de distribution HVDC(6), chaque canal(4)de rang j comportant au moins un élément de protection(20)et un organe de commutation(8)sur la ligne électrique d’entrée(5)et un élément de protection(21)et un organe de commutation(9)sur la ligne électrique de sortie(7),
la ligne électrique d’entrée(5)étant connectée électriquement à une source électrique(2)et la ligne électrique de sortie étant connectée électriquement à une charge propulsive(3),
chaque bus de distribution(6)de rang j est en outre couplé au bus de distribution(6)de rang j+1 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC)(12)qui est fermé dans uneconfiguration nominaledu réseau de distribution électrique(1),
de sorte à ce qu’en configuration nominale, le réseau de distribution de puissance électrique(1)soit apte à distribuer aux charges propulsives(3)la puissance électrique reçue des N sources électriques(2),
Le procédé comportant :
- la détection(14)d’un court-circuit dans le réseau de distribution de puissance électrique(1),
- la reconfiguration(15)du réseau de distribution de puissance électrique(1)selon uneconfiguration dégradée intermédiairedans laquelle tous les SSPC(12)sont ouverts, de sorte à ce que les canaux(4)soient électriquement isolés les uns des autres,
- En réponse à la détection que le court-circuit intervient sur un canal(4)de rang k, l’ouverture(16)non-provisoire d’au moins un organe de commutation(8, 9)du canal(4)de rang k,
- la reconfiguration(14)du réseau de distribution selon uneconfiguration dégradée finale, dans laquelle au moins les bus de distribution HVDC (6) d’autre rang que le rang k sont recouplés entre eux et ledit au moins un organe de commutation(8, 9)du canal(4)de rang k reste ouvert. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque canal(4)de rang j, la ligne électrique d’entrée(5)est connectée électriquement à la source électrique(2)par une connexion d’entrée(10),
le procédé comportant en outre, lors de la détection que le court-circuit intervient sur un canal(4)de rang k, ladétection (25) que le court-circuit intervient sur la connexion d’entrée (10)du canal(4)de rang k,
l’organe de commutation(8)du canal de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique d’entrée(5)du canal(4)de rang k,
la reconfiguration du réseau de distribution est alors pilotée vers unepremière configuration dégradée finale, dans laquelle tous les SSPC sont refermés et l’organe de commutation de la ligne électrique d’entrée du canal de rang k est ouvert. - Procédé selon la revendication 2, dans lequel le procédé comporte en outre :
- en réponse à la détection que le court-circuit intervient sur le canal(4) de rang k, l’ouverture provisoire de l’organe de commutation(9)de la ligne électrique de sortie(7)dudit canal de rang k,
ledit organe de commutation(9)de la ligne électrique de sortie(7)du canal(4)de rang k étant refermé dans la première configuration dégradée finale. - Procédé selon la revendication 1 à 3, dans lequel, chaque canal(4)de rang j la ligne électrique de sortie(7)est connectée électriquement à la charge propulsive(3)par une connexion de sortie( 11 ),
le procédé comportant en outre, lors de la détection que le court-circuit intervient sur le canal de rang k, ladétection (27) que le court-circuit intervient sur la connexion de sortie (11)du canal(4)de rang k,
l’organe de commutation(9)du canal(4)de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique de sortie(7)dudit canal de rang k,
la reconfiguration du réseau de distribution(1)est alors pilotée vers unedeuxième configuration dégradée finale, dans laquelle tous les SSPC(12)sont refermés et ledit organe de commutation(9)de la ligne électrique de sortie(7)dudit canal(4)de rang k est ouvert. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’aéronef embarque,pour chaque canal (4) de rang j , une deuxième charge propulsive (3),la ligne électrique de sortie (7) étant une première ligne électrique de sortie, la charge propulsive (3) étant une première charge propulsive, la connexion de sortie (11) étant une première connexion de sortie,
chaque canal de rang j comportant en outre une deuxième ligne électrique de sortie(7)connectée au bus de distribution HVDC(6)de rang j, la deuxième ligne électrique de sortie(7)comportant un élément de protection(21)et un organe de commutation(9), la deuxième ligne électrique de sortie(7)étant connectée électriquement à la deuxième charge propulsive(3)par une deuxième connexion de sortie(11). - Procédé selon la revendication 5 prise en combinaison avec la revendication 4, comportant en outre lors de la détection(27)que le court-circuit intervient sur ladite première connexion de sortie(11)dudit canal (4) de rang k, l’ouverture provisoire de l’organe de commutation(9)de la deuxième ligne électrique de sortie(7)dudit canal(4)de rang k,
ledit organe de commutation(9)de la deuxième ligne électrique de sortie(7)dudit canal de rang k étant refermé dans ladeuxième configuration dégradée finale. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le réseau de distribution(1)comporte en outre un commutateur électrique inter-bus( 1 3), le bus de distribution HVDC(6)de rang 1 et le bus de distribution HVDC(6)de rang N étant connectés par l’intermédiaire du commutateur électrique inter-bus( 13 )qui est ouvert dans la configuration nominale du réseau de distribution électrique(1),
le procédé comportant en outre, lors de la détection que le court-circuit intervient sur ledit canal de rang k, ladétection (26) que le court-circuit intervient sur le bus de distribution HVDC (6)de rang k,
l’organe de commutation(8)du canal(4)de rang k qui est ouvert est alors celui de la ligne électrique d’entrée(5)dudit canal de rang k,
la reconfiguration du réseau de distribution(1)est alors pilotée vers unetroisième configuration dégradée finale, dans laquelle ledit organe de commutation(8)dudit canal(4)de rang k reste ouvert et
- si le rang k est égal à 1, tous les SSPC(12)sont refermés entre les bus de distribution HVDC(6)de rang 2 à N,
- si le rang est égal à N, tous les SSPC(12)sont refermés entre les bus de distribution HVDC(6)de rang 1 à N-1,
- pour tous les autres rangs k, tous les SSPC(12)sont refermés entre les bus de distribution HVDC(6)de rang 1 à k-1 et entre les bus de rang k+1 à N, et le commutateur électrique inter-bus( 13 )est refermé. - Procédé selon la revendication 7, dans lequel le procédé comporte en outre l’ouverture non-provisoire de l’organe de commutation(9)de la ligne électrique de sortie(7)dudit canal(4)de rang k, ledit organe de commutation(9)de ladite ligne électrique de sortie(7)restant ouvert dans latroisième configuration dégradée finale.
- Procédé selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 5, comportant en outre l’ouverture non-provisoire de l’organe de commutation(9)de la deuxième ligne électrique de sortie(7)dudit canal(4)de rang k, ledit organe de commutation de ladite deuxième ligne électrique de sortie(7) restant ouvert dans latroisième configuration dégradée finale.
- Réseau de distribution électrique(1)comportant un nombre N de canaux(4) d’alimentation continu haute tension (HVDC),
chaque canal(4)ayant un rang j compris entre 1 et N, chaque canal(4)comportant une ligne électrique d’entrée(5), un bus de distribution HVDC(6)de rang j et une ligne électrique de sortie(7), la ligne électrique d’entrée(5)étant connectée à la ligne électrique de sortie(7)par l’intermédiaire du bus de distribution HVDC(6), chaque canal(4)de rang j comportant au moins un élément de protection(20)et un organe de commutation(8)sur la ligne électrique d’entrée(5)et un élément de protection(21)et un organe de commutation(9)sur la ligne électrique de sortie(7),
la ligne électrique d’entrée(5)étant apte à être connectée électriquement à une source électrique(2)et la ligne électrique de sortie(7)étant apte à être connectée électriquement à une charge propulsive(3),
chaque bus de distribution HVDC(6)de rang j est en outre couplé au bus de distribution HVDC(6) de rang j+1 par l’intermédiaire d’un contrôleur de puissance à semi-conducteur (SSPC)(12)qui est fermé dans une configuration nominale du réseau de distribution électrique(1),
de sorte à ce qu’en configuration nominale, le réseau de distribution de puissance électrique(1)soit apte à distribuer aux charges propulsives(3)la puissance électrique reçue des N sources électriques(2),
le réseau de distribution de puissance électrique(1)étant en outre apte à être reconfiguré(15)en cas de court-circuit sur un canal(4)de rang k selon une configuration dégradée intermédiaire dans laquelle tous les SSPC(12)sont ouverts, de sorte à ce que les canaux(4)soient électriquement isolés les uns des autres,
le réseau de distribution de puissance électrique(1)étant en outre apte à ouvrir au moins un organe de commutation(8, 9)du canal(4)de rang k,
le réseau de distribution de puissance électrique(1)étant en outre apte à être reconfiguré(17)selon une configuration dégradée finale, dans laquelle au moins les bus de distribution HVDC (6) d’autre rang que le rang k sont recouplés entre eux et ledit au moins un organe de commutation(8, 9)du canal(4)de rang k reste ouvert.
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- 2023-01-13 WO PCT/FR2023/050049 patent/WO2023135396A1/fr unknown
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| US20210376602A1 (en) * | 2018-09-28 | 2021-12-02 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Power supply system for a water-bound device that has different connected zones |
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