Dispositif d'alimentation d'une pluralité de charges à partir d'un réseau de fourniture d'énergie électrique

L'invention concerne un dispositif d'alimentation d'une pluralité de charges à partir d'un réseau de fourniture d'énergie électrique. L'invention trouve une utilité particulière dans le domaine aéronautique. Les avions gros porteurs comportent de plus en plus d'équipements électriques embarqués. Ces équipements sont de nature très variée et leur consommation énergétique est très variable dans le temps. A titre d'exemple, les systèmes de climatisation et d'éclairage internes sont en fonctionnement quasi continu alors des systèmes de sécurité redondants comme des commandes de gouverne, ne sont utilisés qu'exceptionnellement. Généralement, l'avion dispose d'un réseau de fourniture d'énergie électrique triphasé permettant l'alimentation de l'ensemble des équipements électriques appelés charges par la suite. Les différentes charges peuvent nécessiter des apports énergétiques différents en tension et en nature de courant, alternatif ou continu. Par ailleurs, les charges peuvent être plus ou moins tolérantes aux perturbations du réseau électriques qui les alimente. En conséquence, la solution actuelle conduit à associer à chaque charge son propre convertisseur et son réseau de filtrage dédié. Cette solution est coûteuse et induit une masse embarquée importante.

L'invention vise à réduire la masse et le coût des dispositifs de transformation d'énergie entre un réseau de fourniture d'énergie électrique et les différentes charges embarquées en proposant une modularité des convertisseurs assurant la transformation d'énergie.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation d'une pluralité de charges à partir d'un réseau de fourniture d'énergie électrique, et de plusieurs convertisseurs comportant chacun une entrée et une sortie, l'entrée de chaque convertisseur prélevant de l'énergie du réseau et la sortie de chaque convertisseur étant associée à au moins une charge pour lui délivrer de l'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'aiguillage permettant de faire varier l'association entre convertisseurs et charges.

L'association des convertisseurs et des charges se fait en fonction du besoin en courant instantané et du mode de contrôle instantané de la

charge (Li) qui lui est associée. Le mode de contrôle de la charge dépend essentiellement du type de charge. A titre d'exemple couramment mis en œuvre dans un avion, on peut citer la régulation de vitesse, de couple ou de position, l'anti-givrage ou le dégivrage, le fonctionnement à puissance constante et des stratégies diverses de contrôle moteur (défluxage, contrôle avec ou sans capteur).

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

- la figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif conforme à l'invention ;

- la figure 2 représente un convertisseur n'alimentant qu'une seule charge ; - la figure 3 représente une charge alimentée par plusieurs convertisseurs ;

- la figure 4 représente schématiquement un exemple de convertisseur ; la figure 5 représente schématiquement un exemple d'onduleur comportant un onduleur de tension élémentaire, l'onduleur appartenant au convertisseur représenté figure 4 ;

- la figure 6 représente schématiquement un autre exemple d'onduleur comportant deux onduleurs de tension élémentaires ;

- la figure 7 représente sous forme de tableau un exemple de fréquences de découpage propre du convertisseur et de courant en sortie des convertisseurs.

Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La figure 1 représente un dispositif 1 d'alimentation de plusieurs charges utilisées à bord d'un avion. Sur la figure 1 , quatre charges L1 à L4 sont représentées à titre d'exemple. On entend par charge un ou plusieurs dispositifs électriques en permanence alimentés simultanément. Le dispositif

1 est alimenté par un réseau alternatif 2 à ni phases. Le dispositif délivre aux charges des tensions alternatives à n2 phases. Dans le cas le plus courant, ni = n2 = 3. Il est bien entendu possible de mettre en œuvre

l'invention pour un réseau d'alimentation ou pour des tensions alternatives dont le nombre de phases est différent. Il est également possible d'alimenter le dispositif au moyen d'un réseau continu et/ou de délivrer des tensions continues aux charges. Le dispositif 1 comporte par exemple 6 convertisseurs EPP1 à

EPP6, tous alimentés par le réseau alternatif 2. Le dispositif 1 comporte également six barres de distribution secondaires, une par convertisseur EPP1 à EPP6, respectivement B1 à B6. Chaque barre de distribution secondaire comporte un ou plusieurs interrupteur de puissance à n2 phases permettant d'alimenter les différentes charges L1 à L4. Dans l'exemple représenté, la barre de distribution secondaire B1 est susceptible d'alimenter la charge L1 par l'interrupteur B11 et la charge L4 par l'interrupteur B14. De même, la barre de distribution secondaire B2 est susceptible d'alimenter la charge L1 par l'interrupteur B21 la charge L2 par l'interrupteur B22 et la charge L3 par l'interrupteur B23. La barre de distribution secondaire B3 est susceptible d'alimenter la charge L3 par l'interrupteur B33. La barre de distribution secondaire B4 est susceptible d'alimenter la charge L3 par l'interrupteur B43. La barre de distribution secondaire B5 est susceptible d'alimenter la charge L2 par l'interrupteur B52 et la barre de distribution secondaire B6 est susceptible d'alimenter la charge L4 par l'interrupteur B64.

Avantageusement, les interrupteurs sont commandés de façon à allouer en temps réel autant de convertisseur que nécessaire au besoin en énergie d'une charge donnée. L'allocation ou association en temps réel permet de limiter le nombre de convertisseurs dans le dispositif 1. La modification de l'association en temps réel peut se faire par exemple dans le domaine aéronautique au cours d'un vol. Il est par exemple possible, comme le montre la figure 2 d'allouer un convertisseur donné, repéré EPP, à l'une seulement des charges L1 , L2 ou L3 en fonction du besoin de chacune. Les trois charges L1 , L2 et L3 sont par exemple utilisées chacune à différentes phases de vol de l'avion et le convertisseur peut être utilisé alternativement pour l'une des trois charges L1 , L2 ou L3.

Un autre exemple d'allocation est donné à la figure 3. Dans cet exemple, trois convertisseurs EPP1 , EPP2 et EPP3 sont alloués simultanément à la même charge L.

La figure 4 représente schématiquement un exemple de convertisseur EPP comportant deux onduleurs 01 et 02 ainsi que quatre filtres F1 à F4. Le convertisseur EPP peut être alimenté soit par une entrée E1 au moyen d'un réseau alternatif soit par une entrée E2 au moyen d'un réseau continu. Le convertisseur EPP peut délivrer de l'énergie soit sous forme d'une tension alternative par une sortie S2 soit sous forme d'une tension continue par une sortie S1. L'entrée E1 est reliée à la sortie S1 par l'intermédiaire du filtre F1 , de l'onduleur 01 et du filtre F2, ces trois éléments étant reliés en série. L'entrée E2 et la sortie S1 sont confondus et sont reliés à la sortie S2 par l'intermédiaire du filtre F3, de l'onduleur 02 et du filtre F4, ces trois éléments étant reliés en série. Les onduleurs 01 et 02 peuvent fonctionner en redresseur ou en alternateur suivant qu'il transforme un courant alternatif en courant continu ou l'inverse. Les filtres F1 à F4 sont par exemple des filtres passifs et comportent des selfs et des condensateurs. Pour ne pas surcharger la figure 4, on n'a pas représenté le nombre de phases au niveau des points d'entrée ou de sortie E1 et S2. l'onduleur 01 pourrait être remplacé par un simple redresseur ou tout autre moyen permettant un transfert de puissance de E1 vers E2 /S1 ou S2. La réversibilité de l'onduleur 02 n'est pas obligatoire . La figure 5 représente un exemple d'une partie du convertisseur

EPP représenté figure 4 et mis en oeuvre avec une tension triphasée au niveau de la sortie S2. Plus précisément, la figure 5 représente schématiquement un exemple de mise en œuvre de l'onduleur 02 fonctionnant en trois phases P1 , P2 et P3 avec six interrupteurs électroniques T1 à T6. On appelle jambe de l'onduleur 02 un ensemble formé par deux interrupteurs, par exemple T1 et T4, reliés par un point commun. Sur la figure 5, l'onduleur 02 comporte deux jambes. L'onduleur 02 peut comporter une ou plusieurs jambes supplémentaires destinées à permettre un filtrage actif du mode commun émis La figure 6 représente un autre exemple de dans lequel l'onduleur comporte deux onduleurs élémentaires 021 et 022 triphasés utilisant chacun six interrupteurs, T11à T16 pour l'onduleur 021 et T21 à T26 pour l'onduleur 022. La structure représentée sur la figure 6 permet de réduire la masse du filtre F4 pour un même niveau d'ondulation résiduelle sur la sortie S2.

II est bien entendu possible de mettre en œuvre l'invention avec plus de deux onduleurs élémentaires. Les fréquences porteuses des différents onduleurs élémentaires sont alors déphasées de 2ττ/N, avec N représentant le nombre d'onduleurs élémentaires. Dans ce cas les onduleurs élémentaires sont entrelacés. Plus précisément, si chaque onduleur élémentaire délivre trois phases, ces phases seront déphasées de 2ττ/3 tout en conservant un déphasage des fréquences porteuses des différents onduleurs élémentaires entre eux de 2ττ/N. la figure 7 représente sous forme de tableau un exemple de fréquences de découpage propre du convertisseur et de courant en sortie de convertisseurs n'alimentant qu'une seule charge Li. Dans la première ligne du tableau on note le nombre de convertisseurs susceptible d'alimenter la charge Li au travers de leur barre de distribution secondaire Bi. Autrement dit, chaque barre de distribution secondaire Bi comporte un interrupteur Bii susceptible d'alimenter la charge Li. Les interrupteurs Bii sont ouverts ou fermés en fonction du besoin en courant de la charge Li.

Avantageusement, chaque convertisseur EPPi reçoit une consigne de courant à délivrer à la ou aux charges Li qui lui sont associées. Cette consigne en courant est fonction du besoin de la charge et de ou des différents convertisseurs associés. Le dispositif comporte un calculateur centralisant les besoins en courant des différentes charges et l'état de disponibilité des différents convertisseurs. Le calculateur détermine la consigne en courant émise vers les différents convertisseurs.

L'intensité consommée par la charge Li est notée dans la quatrième ligne du tableau et est exprimée en ampères. On a limité l'exemple à 6 convertisseurs, mais il est bien entendu possible d'élargir l'exemple à un plus grand nombre de convertisseurs. L'intensité délivrée par chaque convertisseur est notée dans la troisième ligne du tableau et est également exprimée en ampères. Cette intensité est égale à l'intensité consommée par la charge Li divisée par le nombre de convertisseurs raccordés à la charge Li. On suppose qu'un convertisseur peut délivrer au maximum 3OA. Pour alimenter une charge consommant 3OA, il est possible de ne l'alimenter que par un seul convertisseur ou de l'alimenter par deux convertisseurs ne délivrant chacun que 15A comme l'illustre la deuxième colonne du tableau. D'autres possibilités sont bien entendues possibles et on

choisit la possibilité en fonction du nombre de convertisseurs disponibles à l'instant donné quitte à remettre ce choix en cause ultérieurement. En pratique, si une charge nécessite une intensité comprise entre deux colonnes du tableau, on pourra choisir la configuration correspondant à la colonne de rang immédiatement supérieure.

L'exemple illustré figure 7 donne des intensités efficaces consommées par une charge. Il est bien entendu possible de faire varier de façon instantanée l'intensité au cours d'une période en fonction du besoin en courant instantané en quantité et qualité de forme d'onde demandé par la charge.

Avantageusement, chaque convertisseur EPPi fonctionne en modulation de largeur impulsion et le dispositif comporte des moyens pour adapter en temps réel une fréquence de découpage propre au convertisseur en fonction du besoin en puissance instantanée et du mode de contrôle instantané de la charge Li qui lui est associée. Autrement dit, la consigne de courant modifie une fréquence de découpage du convertisseur recevant cette consigne. Cette fréquence est notée dans le tableau à la deuxième ligne et est exprimée en kilo Hertz. Afin de conserver un niveau de perturbation de la tension de sortie de chaque convertisseur sensiblement constant, on choisit une fréquence f1 de découpage pour un seul convertisseur alimentant la charge Li, 3OkHz dans l'exemple retenu, et la fréquence retenue pour n convertisseur est égale à fl/n.

Avantageusement, le dispositif comporte des moyens pour adapter en temps réel une phase d'horloge de découpage propre au convertisseur en fonction du besoin en puissance instantanée de la charge Li qui lui est associée. Cette phase permet d'adapter en temps réel l'intensité délivrée par le convertisseur au besoin de la charge Li. L'adaptation de la phase d'horloge présente surtout un intérêt dans le cas où au moins deux convertisseurs sont associés à une même charge. L'adaptation se fait d'un convertisseur par rapport à l'autre

Avantageusement, et de façon plus générale, le dispositif comporte des moyens pour adapter en temps réel une commande vectorielle du ou des convertisseurs associés à une charge. On peut par exemple passer d'une commande vectorielle de type X à une commande vectorielle de type Y en fonction du besoin en puissance instantanée et du mode de

contrôle de la charge Li qui lui est associée. Cette phase permet d'adapter en temps réel l'intensité délivrée par le convertisseur au besoin de la charge Li tout en limitant le niveau des perturbations de l'alimentation de la charge.

La commande vectorielle comprend en particulier le motif vectoriel dans un cycle, autrement dit l'enchaînement des vecteurs de tensions appliqués à la charge au cours d'un cycle de fonctionnement, la fréquence des motifs, le type de modulateur, par exemple à modulation de largeur d'impulsion et la phase d'une horloge du cycle. La commande vectorielle est établie à l'aide de l'ordre d'enchaînement d'ouverture et de fermeture des interrupteurs.

On peut également modifier le type de modulation du convertisseur. Par type de modulation on entend par exemple le fait d'utiliser une horloge triangulaire et le fait de déclencher une impulsion sur les fronts montants ou descendants de l'horloge. Dans les cas critiques, on peut également modifier un paramétrage de modes de protection du convertisseur. On peut par exemple, permettre qu'un convertisseur délivre une intensité supérieure à son intensité nominale pendant une courte période ou même sans limite de durée en acceptant une possible panne du convertisseur afin d'alimenter une charge critique comme par exemple les gouvernes d'un avion en phase d'atterrissage. En cas de panne, d'un convertisseur, on pourra allouer à la charge un autre convertisseur.

Le dispositif peut gérer le cas où tous les convertisseurs sont utilisés et où à un instant donné une charge supplémentaire nécessite d'être alimentée. On attribue à chaque charge un niveau de priorité. Par exemple, dans un avion, les commandes de vol auront un niveau de priorité plus élevé que l'alimentation d'un système vidéo permettant de projeter des films à l'attention des passagers. Le dispositif comporte alors de moyens permettant de suspendre l'alimentation d'une charge d'un niveau de priorité bas, lorsque tous les convertisseurs sont utilisés pour alimenter les charges d'un niveau de priorité plus haut. Dans notre exemple, le dispositif est susceptible de suspendre l'alimentation du système vidéo au profit des commandes de vol lorsque cela est nécessaire. Les moyens permettant de suspendre l'alimentation d'une charge permettent d'améliorer le taux de disponibilité d'une charge critique sans lui associer en permanence plusieurs convertisseurs qui n'auraient pour nécessité que leur redondance propre.

Les niveaux de priorité des différentes charges peuvent par exemple être mémorisés dans une table d'allocation appartenant au dispositif 1. Cette table d'allocation des convertisseurs et des charges peut varier selon les phases de la mission de l'avion, suivant les niveaux de criticité et de disponibilité des charges et selon le nombre de convertisseurs disponibles. Cette table permet de déterminer tout au long de la mission la position des différents interrupteurs Bii.