FR3140863A1 - Système électrique pour un aéronef, procédé d’utilisation et ensemble d’un système électrique et d’une turbomachine d’aéronef - Google Patents

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Abstract

Un système électrique (100) pour aéronef comprenant : - une première (1) et une deuxième machines électriques (2) configurées pour générer de l’énergie électrique par prélèvement d’un couple respectivement à un arbre basse pression (41) et à un arbre haute pression (42) d’une turbomachine d’aéronef (40) et comprenant chacune une sortie d’alimentation primaire (S1-A, S2-A) et une sortie d’alimentation secondaire (S1-B, S2-B) indépendantes, - une première unité de distribution électrique (3) connectée électriquement aux sorties d’alimentation primaires (S1-A, S2-A), - une deuxième unité de distribution électrique (4) connectée électriquement aux sorties d’alimentation secondaires (S1-B, S2-B) et, - au moins un dispositif d’entraînement mécanique (5) configuré pour entraîner au moins un équipement d’aéronef (50), comprenant une entrée de commande primaire (E5-A) et une entrée de commande secondaire (E5-B) indépendantes qui sont connectées à la première unité de distribution électrique (3) et à la deuxième unité de distribution électrique (4) respectivement. Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

Système électrique pour un aéronef, procédé d’utilisation et ensemble d’un système électrique et d’une turbomachine d’aéronef
La présente invention concerne le domaine des systèmes électriques pour un aéronef.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers Etats. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’aéronefs mais aussi à ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des aéronefs. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des aéronefs.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent notamment sur de nouvelles générations de moteurs d’aéronef hybrides thermiques et électriques. L’objectif de la Déposante est notamment de développer des aéronefs intégrant un système de génération électrique de forte puissance. Ceci permettrait d’augmenter la part des équipements électriques à bord afin de réduire la consommation de carburant et d’optimiser la partie thermodynamique des turbomachines.
En pratique, dans une turbomachine d’aéronef classique, il est connu d’intégrer une machine électrique dans le boîtier d’accessoires qui prélève ou génère un couple sur l’arbre haute pression de la turbomachine d’aéronef pour produire de l’énergie électrique ou assurer le démarrage de la turbomachine. La puissance d’une telle machine électrique est toutefois très faible.
Une solution pour augmenter la puissance électrique serait d’augmenter le couple maximal de la machine électrique. Une telle machine électrique de forte puissance n’est en pratique pas envisageable pour des raisons de sureté, en ce qu’elle est moins sûre qu’une source thermique. Une telle machine électrique présenterait en effet une fiabilité et une disponibilité insuffisantes, à savoir une probabilité trop importante de ne pas exécuter une fonction souhaitée à un instant donné et dans des conditions données. En effet, en cas de défaillance de la machine électrique, notamment en cas de perte de la génération de puissance électrique, tous les équipements qu’elle alimente seraient perdus. De même, en cas de perte de l’injection de puissance sur les arbres, l’entraînement de la turbomachine ne serait plus adapté.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un système électrique pour un aéronef, l’aéronef comprenant au moins une turbomachine d’aéronef comprenant un arbre basse pression et un arbre haute pression configurés pour être entraînés en rotation, l’aéronef comprenant au moins un équipement d’aéronef commandable, le système électrique étant configuré, dans un mode générateur, pour entraîner ledit équipement d’aéronef, le système électrique comprenant :
  • Une première machine électrique et une deuxième machine électrique configurées pour générer de l’énergie électrique par prélèvement d’un couple respectivement à l’arbre basse pression et à l’arbre haute pression de la turbomachine d’aéronef, chaque machine électrique comprenant une sortie d’alimentation primaire et une sortie d’alimentation secondaire indépendantes,
  • Une première unité de distribution électrique connectée électriquement aux sorties d’alimentation primaires de la première machine électrique et de la deuxième machine électrique,
  • Une deuxième unité de distribution électrique connectée électriquement aux sorties d’alimentation secondaires de la première machine électrique et de la deuxième machine électrique, et
  • Au moins un dispositif d’entraînement mécanique configuré pour entraîner au moins ledit au moins un équipement d’aéronef, le dispositif d’entraînement mécanique comprenant une entrée de commande primaire et une entrée de commande secondaire indépendantes qui sont connectées respectivement à la première unité de distribution électrique et à la deuxième unité de distribution électrique afin d’être alimentées électriquement.
Le système électrique selon l’invention permet avantageusement d’alimenter un grand nombre d’équipements d’aéronef avec un haut niveau de sureté, notamment en termes de fiabilité et de disponibilité. L’architecture redondante du système électrique offre en effet un grand nombre de reconfigurations électriques possibles en cas de défaillance d’un de ses composants. Le système électrique comporte notamment deux sources d’énergie mécanique distinctes, deux machines électriques distinctes et deux unités de distribution électrique distinctes. En outre, chaque machine électrique comporte deux voies d’alimentation parallèles. De même pour le dispositif d’entraînement mécanique.
Selon un aspect préféré, le système électrique comprend une pluralité de dispositifs d’entraînement mécanique configurés chacun pour entraîner au moins un équipement d’aéronef, chaque dispositif d’entraînement mécanique comprenant une entrée de commande primaire et une entrée de commande secondaire indépendantes qui sont connectées à la première unité de distribution électrique et à la deuxième unité de distribution électrique respectivement afin d’être alimentées électriquement. Le système électrique est avantageusement de type à haute puissance et permet l’alimentation d’une part importante d’équipements à bord de l’aéronef.
Selon un aspect de l’invention, la première machine électrique comprend un moteur-générateur électrique comprenant un rotor, couplé à l’arbre basse pression, et un stator comprenant :
  • Un premier enroulement statorique, configuré pour fournir une tension primaire à la sortie d’alimentation primaire, et
  • Un deuxième enroulement statorique, configuré pour fournir une tension secondaire à la sortie d’alimentation secondaire.
Le moteur-générateur électrique comprend avantageusement deux voies parallèles indépendantes d’alimentation électrique, ce qui permet en cas de défaillance sur une voie une reconfiguration aisée exclusivement sur l’autre voie. L’intégration d’un moteur-générateur à deux étoiles au lieu de deux moteurs-générateurs distincts permet en outre un gain de masse et d’encombrement embarqué.
Selon un aspect de l’invention, la première machine électrique comprend un convertisseur AC/DC comprenant :
  • Un premier circuit électrique configuré pour convertir la tension primaire fournie à la sortie d’alimentation primaire et
  • Un deuxième circuit électrique configuré pour convertir la tension secondaire fournie à la sortie d’alimentation secondaire.
Le convertisseur comprend avantageusement deux voies parallèles indépendantes de conversion électrique, ce qui permet en cas de défaillance sur une voie une reconfiguration aisée exclusivement sur l’autre voie.
Selon un aspect préféré de l’invention, la deuxième machine électrique comprend un moteur-générateur électrique comprenant un rotor, couplé à l’arbre haute pression, et un stator comprenant :
  • Un premier enroulement statorique, configuré pour fournir une tension primaire à la sortie d’alimentation primaire, et
  • Un deuxième enroulement statorique, configuré pour fournir une tension secondaire à la sortie d’alimentation secondaire.
Selon un aspect préféré de l’invention, la deuxième machine électrique comprend un convertisseur AC/DC comprenant :
  • Un premier circuit électrique configuré pour convertir la tension primaire fournie à la sortie d’alimentation primaire et
  • Un deuxième circuit électrique configuré pour convertir la tension secondaire fournie à la sortie d’alimentation secondaire.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif d’entraînement mécanique comprend un moteur électrique comprenant un rotor, configuré pour être couplé à l’équipement d’aéronef, et un stator comprenant :
  • Un premier enroulement statorique, configuré pour recevoir une tension primaire de l’entrée de commande primaire, et
  • Un deuxième enroulement statorique, configuré pour recevoir une tension secondaire de l’entrée de commande secondaire.
Le moteur comprend avantageusement deux voies parallèles indépendantes d’entraînement de l’équipement d’aéronef, ce qui permet en cas de défaillance sur une voie une reconfiguration aisée exclusivement sur l’autre voie. L’intégration d’un moteur à deux étoiles au lieu de deux moteurs permet en outre un gain de masse et d’encombrement embarqué.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif d’entraînement mécanique comprend un convertisseur AC/DC comprenant :
  • Un premier circuit électrique configuré pour convertir la tension primaire reçue par l’entrée de commande primaire et
  • Un deuxième circuit électrique configuré pour convertir la tension secondaire reçue par l’entrée de commande secondaire.
Le convertisseur comprend avantageusement deux voies parallèles indépendantes de conversion électrique, ce qui permet en cas de défaillance sur une voie une reconfiguration aisée exclusivement sur l’autre voie.
Selon un aspect de l’invention, le système électrique comprend une pluralité d’interrupteurs commandables associés chacun à une sortie d’alimentation d’une machine électrique de manière à isoler chaque sortie d’alimentation de manière indépendante. En cas de défaillance, les unités de distribution électrique peuvent ainsi avantageusement reconfigurer aisément le système électrique en isolant un composant, pour continuer d’entraîner l’équipement d’aéronef.
Selon un aspect préféré de l’invention, le système électrique comprend une pluralité d’interrupteurs commandables associés chacun à une entrée de commande du dispositif d’entraînement mécanique, de manière à isoler chaque entrée de commande de manière indépendante. En cas de défaillance, les unités de distribution électrique peuvent ainsi avantageusement reconfigurer aisément le système électrique en isolant un composant, pour continuer d’entraîner l’équipement d’aéronef.
Selon un aspect de l’invention :
  • Le système électrique est configuré, dans un mode moteur, pour entraîner l’arbre basse pression et l’arbre haute pression,
  • Chaque unité de distribution électrique est configurée pour être reliée à une source d’énergie électrique et pour fournir de l’énergie électrique aux machines électriques,
  • La première machine électrique et la deuxième machine électrique sont configurées pour fournir un couple respectivement à l’arbre basse pression et à l’arbre haute pression.
Le système électrique comprend avantageusement un mode générateur et un mode moteur respectivement pour prélever et fournir un couple aux arbres basse pression et haute pression de la turbomachine d’aéronef.
L’invention concerne également un ensemble d’un système électrique tel que décrit précédemment et d’une turbomachine d’aéronef comprenant un arbre basse pression et un arbre haute pression configurés pour être entraînés en rotation, ensemble dans lequel les machines électriques du système électrique sont montées dans la turbomachine d’aéronef. Ceci permet un accouplement aisé des machines électriques sur les arbres de la turbomachine.
L’invention concerne également un ensemble d’un système électrique tel que décrit précédemment, d’un premier calculateur d’aéronef et d’un deuxième calculateur d’aéronef indépendant du premier calculateur d’aéronef, dans lequel :
  • La première unité de distribution électrique est contrôlée par le premier calculateur d’aéronef et
  • La deuxième unité de distribution électrique est contrôlée par le deuxième calculateur d’aéronef.
Selon un aspect préféré, la première unité de distribution électrique et la deuxième unité de distribution électrique sont contrôlées par chacun du premier calculateur d’aéronef et du deuxième calculateur d’aéronef. Le système électrique comprend ainsi, outre une architecture redondante, également une commande redondante pour augmenter la fiabilité et la disponibilité.
L’invention concerne également un ensemble d’un système électrique tel que décrit précédemment et d’au moins un équipement d’aéronef commandable configuré pour être entraîné par ledit dispositif d’entraînement mécanique. De préférence, au moins un équipement d’aéronef se présente sous la forme d’un actionneur ou d’une pompe.
L’invention concerne également un aéronef comprenant :
  • Au moins une turbomachine d’aéronef comprenant un arbre basse pression et un arbre haute pression configurés pour être entraînés en rotation,
  • Au moins un équipement d’aéronef commandable, et
  • Au moins un système électrique tel que décrit précédemment.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un système électrique en mode générateur tel que décrit précédemment, dans lequel au moins l’une des machines électriques, au moins l’une des unités de distribution électriques et le dispositif d’entraînement mécanique assurent ensemble l’entraînement de l’équipement d’aéronef. Le système électrique comporte avantageusement une architecture offrant une variété de modes dégradés possibles en cas de défaillance de l’un de ses composants.
De préférence, au moins l’une des machines électriques, chaque unité de distribution électrique et le dispositif d’entraînement mécanique assurent ensemble l’entraînement de l’équipement d’aéronef.
De préférence, chaque machine électrique, chaque unité de distribution électriques et le dispositif d’entraînement mécanique assurent ensemble l’entraînement de l’équipement d’aéronef. Ceci correspondant à un mode normal de fonctionnement en l’absence de défaillance.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un système électrique en mode moteur tel que décrit précédemment, dans lequel la première machine électrique et au moins l’une des unités de distribution électriques assurent ensemble l’entraînement de l’arbre basse pression, de préférence chaque unité de distribution électrique.
De préférence, la deuxième machine électrique et au moins l’une des unités de distribution électriques assurent ensemble l’entraînement de l’arbre haute pression, de préférence chaque unité de distribution électrique.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’un système électrique en mode générateur pour un aéronef selon une forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique détaillée du système électrique de la .
La est une représentation schématique du système électrique de la en présence d’une défaillance du deuxième enroulement statorique du moteur-générateur électrique de la deuxième machine électrique.
La est une représentation schématique du système électrique de la en présence d’une défaillance du deuxième enroulement statorique du moteur électrique du dispositif d’entraînement mécanique.
La est une représentation schématique du système électrique de la en présence d’une défaillance du premier calculateur.
La est une représentation schématique d’un système électrique relié à plusieurs équipements d’aéronef selon une autre forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un système électrique comprenant une connexion électrique entre les unités de distribution électriques selon une autre forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un système électrique dans lequel chaque unité de distribution électrique est connectée électriquement à un calculateur distinct selon une autre forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique du système électrique de la dans un mode moteur.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
De manière connue, un aéronef comprend une ou plusieurs turbomachines pour assurer sa propulsion. Une turbomachine d’aéronef comprend classiquement un (ou plusieurs) compresseur(s), une chambre de combustion et une (ou plusieurs) turbine(s) configurés ensemble pour accélérer un flux d’air circulant d’amont en aval dans la turbomachine d’aéronef, afin d’assurer la propulsion de l’aéronef. Dans une turbomachine d’aéronef de type à double flux, un arbre basse pression relie de manière couplée un compresseur basse pression et une turbine basse pression, et un arbre haute pression relie de manière couplée un compresseur haute pression et une turbine haute pression. L’arbre basse pression et l’arbre haute pression sont entraînés en rotation de manière indépendante par la circulation du flux d’air dans la turbomachine d’aéronef, la vitesse de rotation de l’arbre haute pression étant supérieure à celle de l’arbre basse pression.
De manière connue, un aéronef comprend également un ou plusieurs calculateurs d’aéronef configurés pour commander des équipements d’aéronef, notamment des actionneurs, dédiés en particulier aux commandes de vol. La turbomachine comprend également un ou plusieurs calculateurs. Un calculateur d’aéronef désigne par la suite indistinctement un calculateur monté dans la turbomachine ou en dehors de la turbomachine dans l’aéronef.
En référence à la , l’invention concerne un aéronef comprenant en outre un système électrique 100 configuré, dans un mode générateur G, pour prélever de l’énergie mécanique sur les arbres de la turbomachine d’aéronef 40 afin d’assurer l’alimentation électrique d’équipements d’aéronef 50. De préférence, le système électrique 100 est également configuré, dans un mode moteur M, pour injecter de la puissance mécanique sur les arbres de la turbomachine d’aéronef 40. Le système électrique 100 est en pratique adapté pour fournir une haute puissance électrique afin d’augmenter la part des équipements alimentés électriquement dans un aéronef. La puissance électrique visée est notamment bien supérieure à celle d’un générateur électrique de l’état de l’art monté dans le boîtier d’accessoires de la turbomachine d’aéronef. Le système électrique 100 possède en outre une architecture redondante lui conférant un niveau élevé de sureté de fonctionnement, en pratique comparable à celui d’un composant hydraulique ou mécanique, comme ce sera décrit par la suite.
Selon l’invention et en référence à la , le système électrique 100 comprend deux machines électriques 1, 2, deux unités de distribution électrique 3, 4 et un (ou plusieurs) dispositif(s) d’entraînement mécanique 5 assurant ensemble l’alimentation électrique du (ou des) équipement(s) d’aéronef 50, tels que des actionneurs, par exemple des vérins électrohydrauliques ou électromécaniques, ou des pompes.
Toujours selon l’invention et comme illustré sur la , les machines électriques, à savoir une première machine électrique 1 et une deuxième machine électrique 2, sont configurées, dans le mode générateur G, pour être entraînées respectivement par l’arbre basse pression 41 et par l’arbre haute pression 42 de la turbomachine d’aéronef 40. Chaque machine électrique 1, 2 comprend une sortie d’alimentation primaire S1-A, S2-A et une sortie d’alimentation secondaire S1-B, S2-B indépendantes.
Toujours selon l’invention et comme illustré sur la , les unités de distribution électriques 3, 4 se présentent sous la forme d’une première unité de distribution électrique 3, connectée électriquement aux sorties d’alimentation primaires S1-A, S2-A, et d’une deuxième unité de distribution électrique 4 connectée électriquement aux sorties d’alimentation secondaires S1-B, S2-B.
Toujours selon l’invention et comme illustré sur la , chaque dispositif d’entraînement mécanique 5 est configuré, dans le mode générateur G, pour entraîner un ou plusieurs équipements d’aéronef 50. Chaque dispositif d’entraînement mécanique 5 comprend une entrée de commande primaire E5-A et une entrée de commande secondaire E5-B indépendantes qui sont connectées respectivement à la première unité de distribution électrique 3 et à la deuxième unité de distribution électrique 4.
Selon un aspect préféré illustré sur la , le système électrique 100 comprend un mode moteur M, dans lequel :
  • Chaque unité de distribution électrique 3, 4 est configurée pour être reliée à une source d’énergie électrique 80, 81 et pour fournir de l’énergie électrique aux machines électriques 1, 2,
  • La première machine électrique 1 et la deuxième machine électrique 2 sont configurées pour fournir un couple respectivement à l’arbre basse pression 41 et à l’arbre haute pression 42.
Il est représenté dans l’exemple de la un système électrique 100 comprenant un unique dispositif d’entraînement mécanique 5, alimentant un unique équipement d’aéronef 50. Il va cependant de soi, comme illustré sur la , que le nombre de dispositifs d’entraînement mécanique 5 est quelconque, égal à deux dans cet exemple. De plus, un même dispositif d’entraînement mécanique 5 pourrait alimenter plusieurs équipements d’aéronef 50.
L’architecture redondante du système électrique 100 selon l’invention permet avantageusement de prélever l’énergie mécanique sur deux sources différentes, l’arbre basse pression 41 et l’arbre haute pression 42 de la turbomachine d’aéronef 40. De plus, chaque équipement d’aéronef 50 est commandé par deux unités de distribution électrique 3, 4 différentes, connectées chacune avec les deux machines électriques 1, 2. Une telle architecture redondante assure au système électrique 100 une fiabilité et une disponibilité élevées, même en cas de défaillance de l’un quelconque de ses composants.
Selon un aspect préféré illustré sur la , le système électrique 100 comprend également des interrupteurs commandables 31-A, 31-B, 32-A, 32-B, 33, 34 configurés pour isoler de manière indépendante un composant en cas de défaillance. Dans cet exemple, un interrupteur 31-A, 32-A est associé à chaque sortie d’alimentation primaire S1-A, S2-A et un interrupteur 31-B, 32-B est associé à chaque sortie d’alimentation secondaire S1-B, S2-B. Toujours dans cet exemple, un interrupteur 33, 34 est associé à chaque entrée de commande E5-A, E5-B.
Selon un aspect préféré, au moins une partie du système électrique 100 est montée dans la turbomachine d’aéronef 40. De préférence, les machines électriques 1, 2 sont montées dans la turbomachine d’aéronef 40, par exemple dans le boîtier d’accessoires pour faciliter l’accouplement avec les arbres 41, 42. Selon un aspect préféré, les unités de distribution électrique 3, 4 sont montées sur la turbomachine d’aéronef 40 afin de réduire le câblage de tension continue les reliant aux machines électriques 1, 2. De préférence également, le dispositif d’entraînement mécanique 5 est monté à proximité de l’équipement d’aéronef 50 qu’il alimente.
En référence à la , chaque machine électrique 1, 2 comprend un moteur-générateur électrique 6, 12 et un convertisseur électrique 9, 15 configurés :
  • dans le mode générateur G, pour prélever de l’énergie mécanique sur un arbre 41, 42 de la turbomachine d’aéronef 40 et la transformer en énergie électrique à destination des unités de distribution électrique 3, 4,
  • dans le mode moteur M, pour transformer de l’énergie électrique provenant des unités de distribution électrique 3, 4 et la transformer en énergie mécanique pour l’injecter sur un arbre 41, 42.
La première machine électrique 1 prélève/injecte l’énergie mécanique uniquement sur l’arbre basse pression 41 et la deuxième machine électrique 2 uniquement sur l’arbre haute pression 42. Les deux machines électriques 1, 2 alimentent chacune les deux unités de distribution électrique 3, 4.
Comme illustré sur la , le moteur-générateur électrique 6, 12 de chaque machine électrique 1, 2 comprend :
  • un rotor couplé en rotation à l’arbre 41, 42 de la turbomachine 40, et
  • un stator comprenant un premier enroulement statorique 7, 13, configuré pour fournir dans le mode générateur G une tension primaire alternative U1-A, U2-A à la sortie d’alimentation primaire S1-A, S2-A, et un deuxième enroulement statorique 8, 14, configuré pour fournir dans le mode générateur G une tension secondaire alternative U1-B, U2-B à la sortie d’alimentation secondaire S1-B, S2-B.
En pratique, le premier enroulement statorique 7, 13 et le deuxième enroulement statorique 8, 14 d’un stator (stator à deux étoiles) comprennent chacun plusieurs phases, usuellement trois (moteur-générateur triphasé), montées en vis-à-vis du rotor. Les phases du premier enroulement statorique 7, 13 s’étendent en alternance avec les phases du deuxième enroulement statorique 8, 14 sur la périphérie du stator. Dans un stator, les phases du premier enroulement statorique 7, 13 sont ainsi décalées angulairement par rapport aux phases du deuxième enroulement statorique 8, 14. Le moteur-générateur électrique 6, 12 de chaque machine électrique 1, 2 comprend ainsi une voie primaire, fournissant une tension primaire alternative U1-A, U2-A, et une voie secondaire, fournissant une tension secondaire alternative U1-B, U2-B, qui sont indépendantes et prélèvent toutes deux l’énergie mécanique sur un même arbre 41, 42 dans le mode générateur G.
Toujours en référence à la , le convertisseur électrique 9, 15 de chaque machine électrique 1, 2 est de type AC/DC et est monté entre le moteur-générateur 6, 12 et les sorties d’alimentation S1-A, S1-B, S2-A, S2-B. Chaque convertisseur électrique 9, 15 comprend un premier circuit électrique 10, 16, configuré dans le mode générateur G pour convertir la tension primaire alternative U1-A fournie par la génératrice 6, 12 en une tension primaire continue, et un deuxième circuit électrique 11, 17 configuré dans le mode générateur G pour convertir la tension secondaire alternative U1-B fournie par la génératrice 6, 12 en une tension secondaire continue.
Toujours en référence à la , les sorties d’alimentation primaire S1-A, S2-A de chaque machine électrique 1, 2 sont reliées, de préférence de manière filaire, à la première unité de distribution électrique 3 et sont configurées pour lui fournir les tensions primaires continues U1-A, U2-A. De manière analogue, les sorties d’alimentation secondaire S1-B, S2-B sont reliées, de préférence de manière filaire, à la deuxième unité de distribution électrique 4 et sont configurées pour lui fournir les tensions secondaires continues U1-B, U2-B.
De manière inverse, dans le mode moteur M, la première unité de distribution électrique 3 fournit aux sorties d’alimentation primaire S1-A, S2-A une tension primaire continue U1-A, U2-A, qui est convertie par les convertisseurs 9, 15 en une tension primaire alternative. De même, la deuxième unité de distribution électrique 4 fournit aux sorties d’alimentation secondaire S1-B, S2-B une tension secondaire continue U1-B, U2-B, qui est convertie par les convertisseurs 9, 15 en une tension primaire alternative. Chaque moteur-générateur 6, 12 injecte un couple à un arbre 41, 42 à partir d’une tension primaire alternative U1-A, U2-A et d’une tension secondaire alternative U1-B, U2-B.
En référence à la , les unités de distribution électrique 3, 4 sont reliées, de préférence de manière filaire, à un premier calculateur d’aéronef 60 et à un deuxième calculateur d’aéronef 61. Les calculateurs d’aéronef 60, 61 sont configurés dans le mode générateur G pour contrôler l’alimentation des équipements d’aéronef 50 en transmettant un signal de commande C3, C4 aux unités de distribution électrique 3, 4. Les unités de distribution électrique 3, 4 transmettent en retour leur état D3, D4 aux calculateurs d’aéronef 60, 61. Les calculateurs d’aéronef 60, 61 et les unités de distribution électrique 3, 4 sont configurés suivant une logique maître-esclave, les calculateurs d’aéronef 60, 61 étant les maîtres et les unités de distribution électriques 3, 4 les esclaves. A partir des signaux de commande C3, C4 et des tensions d’alimentation continues U1-A, U1-B, U2-A, U2-B, les unités de distribution électrique 3, 4 sont configurées pour élaborer une tension de commande continue U5-A, U5-B qui est transmise au dispositif d’entraînement mécanique 5.
Comme illustré sur la , les unités de distribution électrique 3, 4 sont également reliées à une ou plusieurs sources d’énergie électrique 80, 81, tel que des batteries électriques, de préférence indépendantes pour chaque unité de distribution électrique 3, 4, afin de mettre en œuvre le mode moteur M. Les unités de distribution électrique 3, 4 alimentent les machines électriques 1, 2 dans le mode moteur M à partir des sources d’énergie électrique 80, 81.
Selon un premier aspect préféré illustré sur la , les unités de distribution 3, 4 sont reliées chacune à la fois au premier calculateur 60 et au deuxième calculateur 61. En cas de défaillance du premier calculateur d’aéronef 60, les deux unités de distribution 3, 4 peuvent avantageusement continuer de fonctionner avec le deuxième calculateur d’aéronef 61, comme illustré sur la .
Selon un autre aspect illustré sur les figures 7 et 8, la première unité de distribution électrique 3 est reliée au premier calculateur d’aéronef 60 uniquement et la deuxième unité de distribution électrique 4 au deuxième calculateur d’aéronef 61 uniquement. Ceci permet de former deux voies distinctes. De préférence, les unités de distribution électrique 3, 4 sont reliées entre elles par une ligne de transmission 24, afin de transmettre les signaux de commande C3, C4 des calculateurs 60, 61 et leur état D3, D4. En cas de défaillance du premier calculateur 60, la première unité de distribution électrique 3 peut avantageusement de continuer de fonctionner en mode dégradé via la ligne de transmission 24.
De préférence, les unités de distribution 3, 4 sont configurées pour stopper la transmission avec un calculateur d’aéronef 60, 61 en présence d’une défaillance. De préférence également, en cas de défaillance parmi l’une des machines électriques 1, 2 et du dispositif d’entraînement mécanique 5, les unités de distribution électrique 3, 4 sont configurées pour commander les interrupteurs 31-A, 31-B, 32-A, 32-B, 33, 34 afin de reconfigurer le système électrique 100 en isolant le composant défaillant.
En référence à la , le dispositif d’entraînement mécanique 5 comprend un convertisseur électrique 21 et un moteur électrique 18 configurés pour transformer les tensions de commande U5-A, U5-B fournies par les unités de distribution électrique 3, 4 en une consigne de déplacement pour l’équipement d’aéronef 50, par exemple un actionneur.
En référence à la , le convertisseur électrique 21 du dispositif d’entraînement mécanique 5 est de type AC/DC et est monté entre les entrées de commande E5-A, E5-B et le moteur électrique 18 afin de convertir les tensions de commande continues U5-A, U5-B en des tensions de commande alternatives. Le convertisseur 21 comprend un premier circuit électrique 22, relié à l’entrée de commande primaire E5-A, et un deuxième circuit électrique 23, relié à l’entrée de commande secondaire E5-B.
Comme illustré sur la , le moteur électrique 18 comprend, de manière analogue aux moteurs-générateurs 6, 12 des machines électriques 1, 2 :
  • un rotor couplé en rotation à l’équipement d’aéronef 50, et
  • un stator comprenant un premier enroulement statorique 19, alimenté par la tension primaire alternative U5-A du premier circuit 22 du convertisseur 21, et un deuxième enroulement statorique 20, alimenté par la tension secondaire alternative U5-B du deuxième circuit 23 du convertisseur 21.
Le système électrique 100 comprend un mode générateur G et un mode moteur M qui sont mis en œuvre alternativement. Le mode générateur G est configuré pour être mise en œuvre durant le fonctionnement de la turbomachine d’aéronef 40, i.e. lorsque les arbres 41, 42 sont entraînés en rotation. Dans un mode normal, à savoir en l’absence de défaillance, chacune des machines électriques 1, 2, chacune des unités de distribution électrique 3, 4 et le dispositif d’entraînement mécanique 5 assurent ensemble l’entraînement d’un (ou de plusieurs) équipement(s) d’aéronef 50. Dans le mode normal, chacune des sorties d’alimentation S1-A, S1-B, S2-A, S2-B et chacune des entrées de commande E5-A, E5-B assurent la transmission électrique pour entraîner ensemble l’équipement d’aéronef 50.
Le système électrique 100 présente de plus l’avantage de présenter un grand nombre de modes dégradés, dont certains sont illustrés sur les figures 3, 4 et 5, pour permettre d’alimenter correctement l’équipement d’aéronef 50 en présence d’une défaillance. Chacun des modes dégradés consiste, en présence d’une défaillance, à reconfigurer le circuit électrique du système électrique 100 grâce aux interrupteurs commandables 31-A, 31-B, 32-A, 32-B, 33, 34 pour isoler le composant défaillant.
L’exemple de la illustre le cas d’une défaillance située au niveau de la voie secondaire de la deuxième machine électrique 2, à savoir au niveau du deuxième enroulement statorique 14 et/ou du deuxième circuit 17 du convertisseur 15 et/ou de la sortie d’alimentation secondaire S2-B. Les unités de distribution électriques 3, 4 ouvrent l’interrupteur 32-B de manière à interrompre la transmission avec la sortie d’alimentation secondaire S2-B. Ceci ne pénalise pas le reste du circuit électrique puisque la sortie d’alimentation secondaire S1-B continue d’alimenter la deuxième unité de distribution électrique 4. La première unité de distribution électrique 3 n’est pas affectée.
Dans le cas d’une défaillance plus étendue, par exemple à toute la deuxième machine électrique 2, les interrupteurs S2-A et S2-B sont ouverts, l’alimentation étant assurée exclusivement par la première machine électrique 1.
L’exemple de la illustre une défaillance au niveau de la voie secondaire du dispositif d’entraînement mécanique 5, à savoir au niveau de l’entrée de commande secondaire E5-B et/ou du deuxième circuit 23 du convertisseur 21 et/ou du deuxième enroulement statorique 20. Les unités de distribution électriques 3, 4 ouvrent l’interrupteur 34 de sorte que la commande ne provienne que de l’entrée de commande primaire E5-A et de la première unité de distribution électrique 3.
L’exemple de la illustre une défaillance au niveau du premier calculateur 60, dans laquelle les deux unités de distribution 3, 4 ne communiquent qu’avec le deuxième calculateur 61.
Le système électrique 100 selon l’invention assure ainsi de manière fiable et disponible l’entraînement d’équipements d’aéronef 50, grâce à une architecture redondante offrant une multitude de reconfigurations électriques possibles.
Le mode moteur M est quant à lui configuré pour être mis en œuvre à l’arrêt pour entraîner les arbres 41, 42 afin de démarrer la turbomachine d’aéronef 40, ou durant le fonctionnement de la turbomachine 40 afin d’injecter un couple supplémentaire aux arbres 41, 42 en rotation. De même que le mode générateur G, le mode moteur M comporte un mode normal sans défaillance et une multitude de modes dégradés. Dans le mode normal, chacune des machines électriques 1, 2, chacune des unités de distribution électrique 3, 4 et la(ou les) source(s) d’énergie électrique 80, 81 assurent ensemble l’entraînement des arbres 41, 42. L’architecture redondante du système électrique 100 permet dans le cas des défaillances illustrées sur les figures 3 à 5 de continuer d’injecter un couple sur les arbres 41, 42 durant le mode moteur M.

Claims (10)

  1. Système électrique (100) pour un aéronef (70), l’aéronef (70) comprenant au moins une turbomachine d’aéronef (40) comprenant un arbre basse pression (41) et un arbre haute pression (42) configurés pour être entraînés en rotation, l’aéronef comprenant au moins un équipement d’aéronef (50) commandable, le système électrique (100) étant configuré, dans un mode générateur (G), pour entraîner ledit équipement d’aéronef (50), le système électrique (100) comprenant :
    • Une première machine électrique (1) et une deuxième machine électrique (2) configurées pour générer de l’énergie électrique par prélèvement d’un couple respectivement à l’arbre basse pression (41) et à l’arbre haute pression (42) de la turbomachine d’aéronef (40), chaque machine électrique (1, 2) comprenant une sortie d’alimentation primaire (S1-A, S2-A) et une sortie d’alimentation secondaire (S1-B, S2-B) indépendantes,
    • Une première unité de distribution électrique (3) connectée électriquement aux sorties d’alimentation primaires (S1-A, S2-A) de la première machine électrique (1) et de la deuxième machine électrique (2),
    • Une deuxième unité de distribution électrique (4) connectée électriquement aux sorties d’alimentation secondaires (S1-B, S2-B) de la première machine électrique (1) et de la deuxième machine électrique (2), et
    • Au moins un dispositif d’entraînement mécanique (5) configuré pour entraîner ledit au moins un équipement d’aéronef (50), le dispositif d’entraînement mécanique (5) comprenant une entrée de commande primaire (E5-A) et une entrée de commande secondaire (E5-B) indépendantes qui sont connectées respectivement à la première unité de distribution électrique (3) et à la deuxième unité de distribution électrique (4) afin d’être alimentées électriquement.
  2. Système électrique (100) selon la revendication 1, dans lequel la première machine électrique (1) comprend un moteur-générateur électrique (6) comprenant un rotor, couplé à l’arbre basse pression (41), et un stator comprenant :
    • Un premier enroulement statorique (7), configuré pour fournir une tension primaire (U1-A) à la sortie d’alimentation primaire (S1-A), et
    • Un deuxième enroulement statorique (8), configuré pour fournir une tension secondaire (U1-B) à la sortie d’alimentation secondaire (S1-B).
  3. Système électrique (100) selon la revendication 2, dans lequel la première machine électrique (1) comprend un convertisseur AC/DC (9) comprenant :
    • Un premier circuit électrique (10) configuré pour convertir la tension primaire (U1-A) fournie à la sortie d’alimentation primaire (S1-A) et
    • Un deuxième circuit électrique (11) configuré pour convertir la tension secondaire (U1-B) fournie à la sortie d’alimentation secondaire (S1-B).
  4. Système électrique (100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif d’entraînement mécanique (5) comprend un moteur électrique (18) comprenant un rotor, configuré pour être couplé à l’équipement d’aéronef (50), et un stator comprenant :
    • Un premier enroulement statorique (19), configuré pour recevoir une tension primaire (U5-A) de l’entrée de commande primaire (E5-A), et
    • Un deuxième enroulement statorique (20), configuré pour recevoir une tension secondaire (U5-B) de l’entrée de commande secondaire (E5-B).
  5. Système électrique (100) selon la revendication 4, dans lequel le dispositif d’entraînement mécanique (5) comprend un convertisseur AC/DC (21) comprenant :
    • Un premier circuit électrique (22) configuré pour convertir la tension primaire (U5-A) reçue par l’entrée de commande primaire (E5-A) et
    • Un deuxième circuit électrique (23) configuré pour convertir la tension secondaire (U5-B) reçue par l’entrée de commande secondaire (E5-B).
  6. Système électrique (100) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une pluralité d’interrupteurs commandables (31-A, 31-B, 32-A, 32-B) associés chacun à une sortie d’alimentation (S1-A, S2-A, S1-B, S2-B) d’une machine électrique (1, 2) de manière à isoler chaque sortie d’alimentation (S1-A, S2-A, S1-B, S2-B) de manière indépendante.
  7. Système électrique (100) selon l’une des revendications 1 à 6, configuré, dans un mode moteur (M), pour entraîner l’arbre basse pression (41) et l’arbre haute pression (42), et dans lequel :
    • Chaque unité de distribution électrique (3, 4) est configurée pour être reliée à une source d’énergie électrique (80, 81) et pour fournir de l’énergie électrique aux machines électriques (1, 2),
    • La première machine électrique (1) et la deuxième machine électrique (2) sont configurées pour fournir un couple respectivement à l’arbre basse pression (41) et à l’arbre haute pression (42).
  8. Ensemble d’un système électrique (100) selon l’une des revendications 1 à 7 et d’une turbomachine d’aéronef (40) comprenant un arbre basse pression (41) et un arbre haute pression (42) configurés pour être entraînés en rotation, ensemble dans lequel les machines électriques (1, 2) du système électrique (100) sont montées dans la turbomachine d’aéronef (40).
  9. Procédé d’utilisation d’un système électrique (100) en mode générateur (G) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel au moins l’une des machines électriques (1, 2), au moins l’une des unités de distribution électriques (3, 4) et le dispositif d’entraînement mécanique (5) assurent ensemble l’entraînement de l’équipement d’aéronef (50), de préférence chaque unité de distribution électrique (3, 4), et préférentiellement chaque machine électrique (1, 2).
  10. Procédé d’utilisation d’un système électrique (100) en mode moteur (M) selon la revendication 7, dans lequel la première machine électrique (1, 2) et au moins l’une des unités de distribution électriques (3, 4) assurent ensemble l’entraînement de l’arbre basse pression (41), de préférence chaque unité de distribution électrique (3, 4).
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