DISPOSITIF ET PROCEDE D'ALIMENTATION DE SECOURS ELECTRIQUE à BORD D'UN AERONEF

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L' invention concerne un dispositif et un procédé d'alimentation de secours électrique à bord d'un aéronef, par exemple « tout électrique ».

éTAT DE LA TECHNIQUE ANTéRIEURE

Dans la suite de la description on considérera, à titre d'exemple, un aéronef du type avion .

Une source de secours électrique couramment employée sur un avion « plus électrique » (ou « more electric aircraft ») est une turbine éolienne (« Ram Air Turbine » ou RAT en anglais) entraînant un générateur électrique par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse.

Dans des situations d'urgence à bord d'un avion, on peut utiliser une telle turbine éolienne pour générer une puissance électrique suffisante pour permettre à cet avion de voler suffisamment longtemps et puis d'atterrir.

Une turbine éolienne comprend une hélice qui est actionnée par l'air à haute vitesse circulant contre l'avion. L'hélice, qui tourne ainsi, entraîne un générateur électrique qui fournit la puissance de secours nécessaire pour alimenter la partie

« essentielle » du réseau électrique pour permettre aux

systèmes critiques de l'avion, par exemple les commandes de vol et les circuits avioniques clés, de continuer à fonctionner. En vol normal, l'ensemble est replié et emmagasiné dans le fuselage ou dans une aile de l'avion.

Sur un avion dit « plus électrique » les commandes de vol permettant de manœuvrer l'avion sont déplacées par des actionneurs hydrauliques et électriques. Un exemple d'architecture des réseaux hydraulique et électrique correspondants est illustrée sur la figure 1, dans un cas de fonctionnement normal, la turbine éolienne n'étant pas en service.

Sur cette figure, un premier moteur Ml de l'avion entraîne mécaniquement une première génératrice électrique GENl et une pompe hydraulique PHl, et un second moteur M2 de l'avion entraîne mécaniquement une seconde génératrice électrique GEN2 et une seconde pompe hydraulique PH2.

Chaque génératrice électrique GENl ou GEN2 est reliée à une barre bus de distribution électrique triphasée respectivement 10 et 11, chacune de celle-ci étant reliée à une barre bus de distribution électrique triphasée « essentielle » 12 et 13. D'autre part, chaque pompe hydraulique PHl ou PH2 permet d'alimenter des actionneurs hydrauliques 20 ou 21.

La partie « essentielle » 15 du réseau électrique comprend, en plus de ces barres bus 12 et 13, des actionneurs électriques 16 et 17, par exemple les actionneurs électriques de commande de vol, et d'autres charges essentielles 18.

Une turbine éolienne RAT peut être reliée à ces barres bus de distribution triphasée essentielles 12 et 13.

En cas de panne, ou perte, totale des moteurs Ml et M2, seuls les actionneurs électriques 16 et 17, ainsi que les autres charges essentielles 18 sont utilisés. En effet, la source de secours, qui est ici la turbine éolienne RAT, est électrique. En effet, en fonctionnement secours, le générateur électrique de la turbine éolienne RAT permet d'alimenter la partie « essentielle » 15 du réseau électrique, par exemple en courant alternatif triphasé 115/200 Volts AC.

Après l'avion « plus électrique », l'avion « tout électrique » est envisagé. Dans un tel avion les commandes de vol sont activées par des actionneurs uniquement électriques. Un exemple d'architecture correspondante est illustré sur la figure 2 dans un cas de fonctionnement normal, la turbine éolienne n'étant pas en service. Les éléments de cette figure 2, qui étaient déjà représentés sur la figure 1, gardent des références identiques.

Sur cette figure deux nouvelles génératrices électriques GEN3 et GEN4 sont reliées respectivement à des barres bus de distribution électrique triphasée 25 et 26, auxquelles sont connectés des actionneurs électriques 27 et 28.

La génération électrique de secours peut être réalisée par exemple en 115/200 Volts AC ou en 230/400 Volts AC. La partie « essentielle » 15 du réseau électrique est conçue pour ces mêmes tensions

afin d'alimenter les équipements consommateurs

« essentiels ».

Lors de la perte totale des moteurs se pose un problème technique lié à la période transitoire intervenant entre cette perte totale et la mise en service effective de la source de secours.

Sur un avion « plus électrique », possédant une architecture mixte, telle que celle illustrée sur la figure 1, avec des actionneurs électriques et hydrauliques, la production d'énergie durant cette période transitoire est naturellement assurée par les pompes hydrauliques du fait de l'inertie des moteurs.

Par contre la génération d'électricité est très rapidement stoppée après la perte des moteurs du fait des contraintes en fréquence électrique qui empêchent l'utilisation des génératrices électriques à faible vitesse de rotation.

La figure 3 illustre ainsi les conséquences de la perte des moteurs sur des génératrices électriques GENl et GEN2 et des pompes hydrauliques PHl et PH3 normales. Elle illustre, en effet, une courbe

N/Nmax en fonction du temps, N étant la vitesse de rotation des moteurs, avec :

- P : plage de fonctionnement normal des moteurs,

- tl : perte des moteurs avec une vitesse N égale à la vitesse maximale Nmax,

- t2 : perte des moteurs avec une vitesse N = 50% de Nmax, et perte de la génération électrique (génératrices GENl et GEN2),

- δt : période transitoire (t2—»t3) ,

- t4 : perte de la génération hydraulique (pompes hydrauliques PHl et PH2) .

Ainsi si la vitesse initiale des moteurs est de 50% de la vitesse maximale, la génération électrique (GENl, GEN2) est perdue instantanément après la perte des moteurs (Ml et M2) . Par contre la génération hydraulique (PHl, PH2) est assurée pendant quelques secondes (jusqu'au temps t4).

Une puissance et une énergie hydraulique suffisante peut donc être fournie pendant la mise en service de la source de secours (turbine éolienne RAT) , ce qui permet de garantir la manœuvrabilité de l'avion.

Sur un avion « tout électrique », l'absence d'énergie hydraulique ne permet donc plus d'assurer la couverture de la période transitoire δt juste après la perte des moteurs, ni donc d'assurer la manœuvrabilité de l'avion.

Il faut, de plus, remarquer qu'une seconde période transitoire est observée lors de l'atterrissage de l'avion. En effet, une turbine éolienne RAT est inefficace à basse vitesse de l'avion, après l'atterrissage. Or, le freinage des roues de l'avion requière une puissance et une énergie conséquente.

Sur un avion « plus électrique » possédant un réseau hydraulique, le freinage en mode secours est réalisé grâce à des accumulateurs hydrauliques, qui permettent d'alimenter les freins en libérant leur fluide sous une pression donnée. Par contre sur un avion « tout électrique », l'énergie nécessaire au freinage doit donc être fournie par une source électrique différente de la turbine éolienne.

L'invention a pour objet de proposer un dispositif et un procédé d'alimentation en puissance de secours permettant d'assurer la couverture de ces périodes transitoires.

EXPOSé DE L'INVENTION

L' invention concerne un dispositif d'alimentation de secours électrique à bord d'un aéronef, apte à alimenter la partie « essentielle » du réseau électrique de l'aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend une première machine synchrone à excitation séparée associée à une roue à inertie, et un dispositif auxiliaire de mise en rotation et de maintien en rotation de la roue à inertie.

Dans un mode avantageux de réalisation, le dispositif de l'invention comprend en outre une seconde machine synchrone à excitation séparée associée à une turbine éolienne. Avantageusement la première machine synchrone est reliée : au dispositif auxiliaire, qui est lui- même relié à une barre bus « essentielle » au travers d'un premier contacteur triphasé, - à cette barre bus à travers un second contacteur triphasé,

- à la seconde machine synchrone, à travers ce second contacteur triphasé et un troisième contacteur triphasé. Avantageusement le dispositif auxiliaire comprend deux convertisseurs statiques. Le premier

convertisseur est un redresseur triphasé permettant d'obtenir une tension continue. Le second convertisseur est un onduleur triphasé, qui permet l' autopilotage de la première machine synchrone. L' invention concerne également un procédé d'alimentation de secours électrique à bord d'un aéronef, caractérisé en ce que l'on utilise une première machine synchrone à excitation séparée associée à une roue à inertie pour alimenter la partie « essentielle » du réseau électrique de l'aéronef lors d'une panne totale en génération électrique, et en ce qu'on met en rotation et on maintient en rotation la roue à inertie à l'aide d'un dispositif auxiliaire.

Avantageusement on utilise une seconde machine à excitation séparée associée à une turbine éolienne. Avantageusement lorsqu'une panne totale de la génération électrique intervient, la roue à inertie est instantanément couplée à la partie essentielle du réseau électrique, et dans lequel, après les quelques secondes nécessaires au déploiement et à la mise en rotation de la turbine éolienne, la roue à inertie est découplée du réseau. On recharge la roue à inertie en utilisant la partie « essentielle » du réseau électrique, via le dispositif auxiliaire. Avantageusement lors de l'atterrissage de l'aéronef, après le décrochage de la turbine éolienne, la roue à inertie est couplée au réseau afin de fournir la puissance nécessaire au freinage de l'avion.

L'invention concerne, également, un aéronef comportant un dispositif tel que décrit ci-dessus.

Avantageusement l'aéronef est un avion « tout électrique ».

Le dispositif de l'invention présente de nombreux avantages :

II permet d'assurer la couverture des périodes transitoires : la mise en place d'un dispositif de stockage de type roue à inertie permet d'assurer la disponibilité du réseau électrique pendant les périodes transitoires d'inactivité de la source de secours électrique, par exemple de la turbine éolienne. Cette fonction est particulièrement utile dans les instants qui suivent la perte totale des moteurs, et lors de l'atterrissage de l'avion. Un tel avantage s'applique à tout avion possédant une source de secours électrique.

- Il peut être couplé directement au réseau alternatif triphasé de l'avion : la roue à inertie associée à une machine électrique triphasée permet un couplage direct au réseau triphasé de l'avion, sans l'usage de convertisseurs statiques. Cela est particulièrement intéressant dans la mesure où une expérience significative est acquise concernant le courant alternatif en aéronautique. L'absence de convertisseur statique permet d'améliorer la robustesse, en n'utilisant que des systèmes simples. Un tel avantage s'applique à un avion possédant au moins une partie du réseau de secours électrique en courant alternatif.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 illustre l'architecture simplifiée d'un réseau électrique d'avion « plus électrique » avec des actionneurs électriques et hydrauliques.

La figure 2 illustre l'architecture simplifiée d'un réseau d'avion « tout électrique », sans énergie hydraulique.

La figure 3 illustre une courbe N/Nmax en fonction du temps t, N étant la vitesse de rotation des moteurs, en cas de pertes des moteurs pour une architecture du type illustrée sur la figure 1.

La figure 4 illustre le dispositif d'alimentation de secours électrique de l'invention. Les figures 5, 6 et 7 illustrent un exemple de réalisation du dispositif d'alimentation de secours électrique de l'invention, ainsi que le fonctionnement de celui-ci.

EXPOSé DéTAILLé DE MODES DE RéALISATION PARTICULIERS

Comme illustré sur la figure 4, le dispositif d'alimentation de secours électrique de l'invention comprend un dispositif de stockage, par exemple une roue à inertie RI, associée éventuellement à une turbine éolienne RAT, les autres éléments de cette figure, déjà illustrés sur la figure 2, gardant les mêmes références.

La figure 4 illustre une architecture simplifiée d'un réseau électrique d'avion « tout électrique », c'est-à-dire sans énergie hydraulique en

fonctionnement secours pendant les périodes transitoires où la turbine éolienne RAT n'est pas en service. La roue d'inertie RI (ou volant d'inertie, ou accumulateur cinétique, ou « Flywheel ») alimente la partie « essentielle » 15 du réseau électrique.

En effet, cette roue à inertie RI qui est accouplée à une machine électrique tournante, est réversible en puissance : elle permet le transfert d'énergie mécanique en énergie électrique, et vice- versa. Elle permet donc de stocker de l'énergie électrique sous forme mécanique en dehors des périodes transitoires, et de libérer ensuite l'énergie stockée mécaniquement vers le réseau électrique pendant les périodes transitoires. L'usage d'une telle machine électrique offre la possibilité de réaliser le couplage de la roue à inertie directement sur le réseau alternatif triphasé de l'avion, par exemple 115/200 Volts AC ou 230/400 Volts AC, ce qui n'est pas le cas des nombreux autres systèmes de stockage électrochimiques existants, tels que les batteries d'accumulateurs et les supercondensateurs, qui sont utilisés exclusivement en courant continu. Un tel couplage évite la mise en place d'un convertisseur statique réalisé à partir d'une électronique de puissance. Il en résulte un gain de masse, de coût, et surtout de fiabilité.

Avantageusement cette machine électrique peut être une machine synchrone à excitation séparée, qui permet de maîtriser les tensions du réseau pendant les périodes transitoires, par action sur son excitation. Dans une telle machine on associe une

machine principale et une machine auxiliaire, comme cela est souvent réalisé pour des générateurs électriques en aéronautique, l'excitation de la machine principale étant réalisée indirectement par l'excitation de la machine auxiliaire.

Toutefois une telle machine synchrone à excitation séparée ne peut pas être couplée en permanence sur le réseau électrique, car elle perturberait fortement les tensions. En effet, la moindre variation de fréquence, même dans le cas d'un réseau à fréquence fixe 400 Hz, forcerait une variation de vitesse de rotation de la roue à inertie. Sa forte inertie, s' opposant à la variation de vitesse imposée, impliquerait alors une forte variation de couple mécanique, et ainsi de fortes pointes de puissance pertubatrices sur le réseau électrique.

Cette machine synchrone à excitation séparée n'est donc couplée au réseau électrique qu'au moment des périodes transitoires, que le réseau soit alimenté par les générateurs électriques, en fonctionnement normal, ou la turbine éolienne, en fonctionnement secours.

Un dispositif auxiliaire permet de mettre en rotation la roue d' inertie et puis de la maintenir en rotation.

La mise en rotation de la roue à inertie, qui permet de stocker l'énergie cinétique dans celle- ci, est effectuée lors du démarrage de l'avion. Elle peut être obtenue par un autopilotage de la machine synchrone avec un convertisseur statique auxiliaire de

faible puissance, ou par une seconde machine de faible puissance .

Le maintien en rotation de la roue à inertie, durant le fonctionnement de l'avion, lui permet de pouvoir intervenir à tout instant, l'énergie nécessaire à son maintien en rotation, qui est essentiellement destinée à compenser les pertes par frottements mécaniques, étant faible.

La figure 5 illustre un exemple de réalisation du dispositif de l'invention qui comprend un dispositif auxiliaire 30 associé à une roue à inertie RI accouplée à une première machine synchrone MSl à excitation (El) séparée, et une turbine éolienne RAT accouplée à une seconde machine synchrone à excitation (E2) séparée.

La première machine synchrone MSl est reliée :

- au dispositif auxiliaire 30, qui est lui- même relié à la barre bus « essentielle » 33 au travers d'un premier contacteur triphasé KM _FWaux ,

- à cette barre bus 33 à travers un second contacteur triphasé KM _FW ,

- à la seconde machine synchrone MS2, à travers ce second contacteur triphasé KM _FW , et un troisième contacteur triphasé KM _RAT .

Le dispositif auxiliaire 30 comprend deux convertisseurs statiques 31, 32. Le premier convertisseur 31 est un redresseur triphasé permettant d'obtenir une tension continue (DC). Cette tension est ensuite « ondulée » à l'aide du second convertiseur 32, qui est un onduleur triphasé, qui permet l' autopilotage

de la première machine synchrone MSl, afin de mettre progressivement en rotation cette première machine synchrone MSl et la roue à inertie RI.

Le dispositif auxiliaire 30 est utilisé en permanence tant que la barre bus AC « essentielle » 33 est alimentée par les générateurs principaux (GENl- GEN4) ou par la turbine éolienne RAT, l'interrupteur KM _RAT étant alors fermé dans ce dernier cas. Ce dispositif 30 maintient la vitesse de rotation de la roue à inertie RI à sa valeur nominale. Il prélève donc de la puissance sur le réseau électrique pour maintenir son état de charge. Le contacteur KM _FW est alors ouvert et le contacteur KM _FWaux fermé.

Lorsque la roue à inertie RI est couplée à la barre bus 33 dans le but de l'alimenter en électricité, les ordres de commande des contacteurs s'inversent : le contacteur KM _FW est fermé, et le contacteur KM _FWauκ est ouvert. La puissance transite donc de la roue à inertie RI vers cette barre bus AC « essentielle » 33. La roue à inertie RI se décharge.

Ainsi, sur la figure 6, la flèche 35 illustre le seul chemin possible de la puissance pour la charge de la roue à inertie RI. La flèche 36 illustre le seul chemin possible de la puissance pour la décharge de la roue à inertie RI.

Lorsqu'une panne totale de la génération électrique intervient, le réseau électrique se trouve alors déconnecté de toute source électrique. La roue à inertie RI est instantanément couplée au réseau (fermeture du contacteur KM _FW ) , permettant de maintenir un niveau de tension convenable, et de fournir la

puissance et l'énergie nécessaires au bon fonctionnement de l'avion.

Après les quelques secondes nécessaires au déploiement et à la mise en rotation de la turbine éolienne RAT, la roue à inertie RI est découplée du réseau pour laisser place à cette turbine éolienne (ouverture de KM _FW et fermeture de KM _Mr ) . Cette turbine éolienne se charge alors de maintenir les tensions du réseau et de fournir l'ensemble de la puissance et l'énergie nécessaire au bon fonctionnement de l'avion.

Pendant la période transitoire, la roue à inertie RI s'est déchargée d'une quantité d'énergie conséquente. Il faut alors la recharger afin d'assurer sa disponibilité pour une future période transitoire. Cette remise en vitesse de la roue à inertie est réalisée, comme la première mise en vitesse décrite précédemment, en utilisant la partie « essentielle » 33 du réseau, via le dispositif auxiliaire 30.

Lors de l'atterrissage de l'avion, après le décrochage de la turbine éolienne RAT, celle-ci est découplée du réseau. La roue à inertie RI est à nouveau couplée au réseau afin de fournir la puissance nécessaire au freinage de l'avion (ouverture du contacteur KM _Mr et fermeture du contacteur KM _FW ) . Le chronogramme de la figure 7 illustre le fonctionnement de la roue à inertie RI, tel que défini ci-dessus, en fonction du temps t, la vitesse V de rotation de la roue à inertie RI représentant son état de charge . Sur cette figure sont illustrés les instants t suivants :

- TO : mise en route de l'avion,

- Tl : décollage,

- T2 : perte de la génération électrique (générateurs GEN1-GEN4), - T3 : mise en service de la turbine éolienne RAT,

- T4 : atterrissage,

δT1 : génération électrique par générateurs GEN1-GEN4, - δT2 : génération électrique par turbine éolienne RAT.

A la vitesse nominale (V = Vmax) , l'énergie disponible est maximale. Le chronogramme fait apparaître les deux périodes transitoires non couvertes par la turbine éolienne, qui sont situées entre les temps T2 et T3 et les temps T4 et T5. Il apparaît clairement que la charge initiale de la roue à inertie RI est réalisée à la mise en route de l'avion (temps TO), et est ensuite maintenue pendant le vol. Pendant la première période transitoire (période T2—»T3) , la roue à inertie RI se décharge. Elle est ensuite rechargée. A l'atterrissage, la turbine éolienne RAT devient inactive, ce qui met la roue à inertie à pleine contribution (période T4—»T5) . En ce qui concerne les puissances mises en jeu, une puissance du dispositif auxiliaire 30 égale à environ 10 % de celle de la turbine éolienne RAT permet de charger la roue à inertie RI en un temps de l'ordre de la minute. Pour une turbine éolienne RAT possédant un générateur électrique de 50 kW par exemple, une

puissance auxiliaire de 5 kW est convenable pour les phases de charge.