Réseau électrique

L'invention concerne un réseau électrique. L'invention trouve une utilité particulière en aéronautique pour les avions commerciaux gros porteurs qui 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 de générateurs électriques triphasés permettant l'alimentation de l'ensemble des équipements électriques embarqués appelés charges par la suite. Ces générateurs délivrent par exemple une tension de 115 V à une fréquence de 400 Hz vers un bus alternatif de l'avion. A bord d'un avion, on trouve par exemple un ou plusieurs générateurs principaux, bien connus dans la littérature anglo- saxonne sous le nom de « Main Generator ». Il s'agit de machines électriques tournantes entraînées par le ou les moteurs de l'avion. D'autres générateurs peuvent alimenter le bus alternatif tel que par exemple un générateur auxiliaire bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de « Auxilliary Power Unit » et entrainé par une turbine dédiée à ce générateur ou encore un générateur de parc mis à disposition de l'avion lorsqu'il est au sol, par de nombreux aéroports. Ce générateur de parc permet d'éviter de faire appel au générateur auxiliaire lorsque l'avion est au sol.

Récemment suite à l'apparition de charges de puissance élevées (moteurs électrique ou sous réseaux alternatifs) nécessitant d'être alimentées par des onduleurs de tension triphasés, on a installé à bord d'avions des bus continus haute tension alimentés à partir du bus alternatif au travers de redresseurs. Ces bus continus haute tension sont bien connus dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de HVDC pour : « High Voltage Direct Current ». Par la suite, le bus continu haute tension sera appelé bus HVDC.

L'avion dispose également de batteries permettant d'alimenter certaines charges lorsque les sources alternatives (générateurs ou groupe de parc) ne sont pas disponibles.

En particulier, les batteries doivent secourir certains calculateurs ou certains systèmes électriques critiques comme par exemple les commandes de vol, le freinage, l'inversion de poussée des moteurs ou le démarrage de turbines au travers d'un bus continu basse tension. Les batteries ont historiquement une basse tension par exemple

24V continu (ou éventuellement 48V continu dans le futur) pour alimenter le plus directement possible des alimentations de calculateurs critiques dont le standard actuel est 28V continu et pour limiter le nombre de batteries en série. Pour les charges électriques de puissance plus élevées comme par exemple le système de freinage, l'inversion de poussée ou le démarrage de moteur, on utilise des convertisseurs continu continu élévateurs pour pouvoir utiliser des batteries basse tension dont la tension est bien inférieure à celle du bus continu haute tension HVDC. On pourrait également envisager d'utiliser des batteries spécifiques plus haute tension pour ces charges de façon à limiter ou annuler l'élévation de tension nécessaire entre la batterie et le bus HVDC.

Les bus continus basse tension, par exemple 28V continu, sont généralement créés à partir du bus alternatif au moyen d'une unité de transformation et de redressement, produite par de nombreux équipementiers aéronautiques. Cette unité est bien connue dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de « Transformer Rectifier Unit » et sera appelée par la suite : TRU. Le TRU est alimenté par le bus alternatif de l'avion et fournit une tension continue de 28V. Le TRU comprend généralement un transformateur fonctionnant à la fréquence du réseau alternatif de l'avion, par exemple entre 300HZ et 1200Hz.

Les batteries basses tension sont alors chargées soit directement par les bus continus basse tension soit au travers d'un chargeur de batterie mettant en œuvre un convertisseur continu continu. Une autre solution pour réaliser le lien de transfert d'énergie entre un bus continu basse tension et un bus HVDC consiste à mettre en œuvre soit un convertisseur dédié continu-continu à modulation de largeur d'impulsion bidirectionnel utilisant un transformateur haute fréquence, soit deux convertisseurs continu continu tête-bêche indépendants utilisant

chacun un transformateur haute fréquence. On entend par haute fréquence, une fréquence supérieure à 1 OkHz.

Cette solution, utilisant des convertisseurs à modulation de largeur d'impulsion haute fréquence avec un niveau de puissance élevée, est généralement bien moins fiable, plus coûteuse et plus lourde que la solution de conversion mettant en œuvre un TRU alimenté par un réseau alternatif.

Le TRU n'étant pas bidirectionnel, le bus alternatif est alors fourni à partir du bus continu basse tension par un générateur ou par un onduleur triphasé dédié. L'invention a pour but de simplifier la réalisation des fonctions de conversion suivantes en limitant le recours à des ressources dédiées à ces fonctions : 1. alimentation d'un bus continu de tension X régulée à partir d'un bus continu de tension Y ; 2. charge d'une batterie de tension X à partir d'un bus continu de tension

Y ;

3. alimentation d'un bus continu de tension Y régulée à partir d'un bus continu de tension X ou d'une batterie tension X ;

4. charge d'une batterie de tension Y à partir d'un bus de tension X ; Dans les fonctions de conversion décrites ci-dessus, X est plus petit que Y. D'autres fonctions de conversion peuvent bien entendu être extrapolées des moyens de l'invention.

A cet effet, l'invention a pour objet un réseau électrique comprenant :

• deux équipements susceptibles soit de fournir, soit de consommer de l'énergie électrique,

• des moyens de transfert raccordés entre les deux équipements et permettant aux deux équipements d'échanger de l'énergie, caractérisé en ce que les moyens de transfert comprennent un convertisseur continu-alternatif réversible, le convertisseur pouvant être piloté en continu- continu en abaisseur ou en élévateur de tension.

Un premier des deux équipements forme par exemple un bus d'alimentation électrique tel que par exemple un premier bus continu. Un des seconds équipements forme par exemple un second bus continu auquel peut

être raccordée une batterie d'accumulation qui peut soit être chargée par le second bus soit lui fournir de l'énergie en cas de besoin.

Dans un mode de réalisation particulier où les deux équipements sont formés de deux bus continus dont les tensions sont différentes X et Y, les moyens de transfert permettent l'échange d'énergie électrique entre les bus dans un sens et dans l'autre. A chacun des bus, on peut raccorder une batterie. L'invention permet de contrôler l'échange d'énergie en provenance ou en direction de la ou des batteries. Les moyens de transfert permettent de réguler la tension d'un des bus lorsqu'il est alimenté par l'autre ou de réguler le courant circulant entre les bus continus.

A cet effet, les moyens de transfert comprennent entre les deux bus :

1 . un ou plusieurs onduleurs multiphasé continu-alternatif réversible, dont l'entrée continue est connectée au bus de tension Y et pouvant être piloté :

• en onduleur triphasé de tension abaisseur de tension ;

• en convertisseur continu-continu abaisseur de tension monophasé en parallèle ; • ou en convertisseur continu-continu élévateur de tension monophasé en parallèle ;

2. éventuellement, connecté en sortie alternative de l'onduleur, un TRU abaisseur de tension dont le rapport de transformation permet de délivrer la tension X à partir de la tension Y ; 3. éventuellement un onduleur triphasé continu-alternatif réversible, dont l'entrée continue est connectée au bus de tension X, pouvant être piloté en mode onduleur de tension triphasé abaisseur et dont la sortie alternative est connectée à un TRU élévateur de tension dont le rapport de transformation permet de délivrer la tension Y à partir de la tension X présente en entrée de l'onduleur.

Dans un mode de réalisation particulier où le premier équipement forme un bus d'alimentation électrique tel que par exemple un bus HVCD, le réseau comporte plusieurs seconds équipements, une pluralité de convertisseurs réversibles permettant d'échanger de l'énergie entre le bus et

les différents seconds équipements, et des moyens d'aiguillage permettant de faire varier une association entre les convertisseurs et les seconds équipements. Avantageusement, les convertisseurs peuvent tous échanger de l'énergie avec chaque second équipement. Un second équipement quelconque ne possède pas de convertisseur dédié.

Autrement dit, un convertisseur continu-alternatif réversible peut être utilisé pour alimenter différentes charges de l'avion à partir du bus d'alimentation électrique de l'avion. Il est possible de mettre en commun plusieurs convertisseurs au travers des moyens d'aiguillage permettant de faire varier l'association entre convertisseurs et charges, les batteries ou un second bus continu étant considéré comme une charge ou une source particulière. Ainsi, en cas d'indisponibilité d'un convertisseur, il est possible d'affecter un autre convertisseur à la liaison entre batteries et bus en utilisant les moyens d'aiguillage. Ces moyens d'aiguillage peuvent fonctionner en temps réel améliorant ainsi la disponibilité des batteries et plus généralement la fiabilité du réseau électrique de l'avion.

L'invention est décrite en rapport à un réseau électrique embarqué à bord d'un aéronef. Il est bien entendu qu'elle peut être mise en œuvre dans tout autre domaine tel que par exemple le domaine automobile où la motorisation électrique se développe et par conséquent l'utilisation de batteries. Les batteries peuvent être remplacées par tout autre élément de stockage d'énergie tel que par exemple un condensateur ou une super capacité. Par commodité, dans la suite de la description, on utilisera le terme batterie pour tout élément de stockage d'énergie.

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 un schéma électrique d'un réseau installé à bord d'un aéronef ;

La figure 2 représente de façon schématique un TRU utilisé dans le réseau de la figure 1 ;

La figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation d'un convertisseur utilisé dans le réseau de la figure 1 ;

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

La figure 1 représente schématiquement différents équipements électriques embarqués à bord d'un aéronef notamment un avion commercial gros porteur. Un générateur principal 10 noté MG est entraîné par un des moteurs de l'avion. Le générateur 10 fonctionne lorsque les moteurs de l'avion fonctionnent et délivre par exemple une tension de 115 V à une fréquence de 400 Hz vers un réseau alternatif 11 de l'avion. Des moyens de déconnexion 12 permettant d'ouvrir la liaison reliant le générateur 10 au réseau 11. Un générateur auxiliaire 13, noté APU, est entraîné par une turbine dédiée à ce générateur 13 pour fournir au réseau alternatif 1 1 la tension de 115 V. De même, des moyens de déconnexion 14 permettent d'ouvrir la liaison reliant le générateur auxiliaire 13 au réseau 11. La turbine fonctionne en utilisant le carburant de l'avion et est mise en œuvre lorsque l'avion est au sol.

A bord de l'avion, est également installé un redresseur 20 connecté au réseau alternatif 1 1 et permettant de délivrer une tension continue à un bus d'alimentation électrique continu haute tension 21 noté HVDC selon une abréviation anglo-saxonne pour : « High Voltage Direct Curent ». Une tension couramment utilisée pour le bus continu haute tension 21 est de 540V.

Le bus continu 21 alimente plusieurs convertisseurs d'énergie 22 à 25 destiné chacun à alimenter une charge, par exemple 26 et 27 par l'intermédiaire de moyens d'aiguillage 30. La représentation de la figure 1 est schématique. Dans la pratique, une charge peut être alimentée par plusieurs convertisseurs ou encore un convertisseur peut alimenter plusieurs charges. Certaines charges peuvent être alimentées en tension continue et le convertisseur associé converti alors la tension du bus continu 21 en une tension utilisable par la charge considérée. Dans un avion gros porteur, on trouve de nombreuses charges utilisant une tension alternative de 1 15 V sous une fréquence de 400 Hz. Pour alimenter ces charges, les convertisseurs 24 et 25 sont des onduleurs. Des onduleurs connus ont la particularité d'être réversibles.

Chaque convertisseur 22 à 25 peut être affecté en temps réel aux différentes charges 26 et 27 en fonction du besoin instantané de chaque charge et en fonction de la disponibilité de chacun des convertisseurs 22 à 25. Les moyens d'aiguillage 30 permettent de faire varier en temps réel l'association entre convertisseurs 22 à 25 et charges 26 et 27. L'association des convertisseurs 22 à 25 et des charges 26 et 27 se fait en fonction du besoin en courant instantané et du mode de contrôle instantané de la charge 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'antigivrage ou le dégivrage, le fonctionnement à puissance constante et des stratégies diverses de contrôle moteur (défluxage, contrôle avec ou sans capteur).

Les moyens d'aiguillage 30 comportent par exemple des interrupteurs commandés électriquement permettant d'associer chaque convertisseur à toutes les charges qui lui sont compatibles. On entend par compatible le fait que plusieurs charges peuvent fonctionner à l'aide du même convertisseur, notamment lorsqu'elles nécessitent la même alimentation, par exemple une tension de 115 V à une fréquence de 400 Hz. Les convertisseurs permettant de délivrer une même alimentation forment un groupe dont les membres sont interchangeables. Les différents membres d'un groupe sont avantageusement identiques. Cela réduit les coûts de réalisation des convertisseurs en standardisant leur production et permet de simplifier la maintenance de l'avion en ne maintenant en stock qu'un seul type de convertisseur. Comme on le verra par la suite, certains types de convertisseurs peuvent délivrer plusieurs alimentations différentes en fonction du mode de pilotage du convertisseur. Ainsi, à un même groupe de convertisseurs, on peut par exemple associer des charges fonctionnant en tension alternative, par exemple 1 15V 400Hz, et des charges fonctionnant en tension continu comme par exemple des batteries.

Le groupe est reconfigurable en fonction du besoin instantané des charges pouvant être alimenté par ce groupe. Il n'est pas nécessaire de disposer d'un convertisseur dédié à chaque charge. En effet, les charges ne fonctionnent pas toutes simultanément. Le nombre de convertisseurs d'un même groupe est défini en fonction de la puissance maximale instantanée

que l'ensemble des charges associées à un groupe peut consommer. Cette puissance est inférieure à l'addition des puissances maximales de chaque charge. Les moyens d'aiguillage 30 permettent donc de réduire le nombre de convertisseurs embarqués et donc la masse de ces convertisseurs. De plus, la reconfiguration permet d'améliorer la disponibilité des charges. En effet, en cas de panne d'un convertisseur, un autre convertisseur du même groupe peut immédiatement prendre le relais pour alimenter une charge donnée. Certaines charges critiques, telles que par exemple des commandes de gouvernes, peuvent ainsi fonctionner avec une alimentation sécurisée sans pour cela nécessiter la redondance d'un convertisseur uniquement dédié à ces commandes. L'ensemble des convertisseurs d'un même groupe forme alors une ressource commune capable d'alimenter un groupe de charges. A l'intérieur d'une même ressource commune, les différents convertisseurs qui la composent sont indifférenciés.

Une charge particulière du réseau est constituée par une batterie 35 raccordée à un des convertisseurs par l'intermédiaire des moyens d'aiguillage 30. De façon classique sur avion, il connu d'utiliser une batterie de tension nominale 28V continu. D'autre tensions de batteries sont bien entendues possibles pour la mise en œuvre de l'invention. A partir d'un bus 21 , 540V continu, on peut piloter le convertisseur 22 de façon à ce qu'il délivre directement la tension continue de 28V à un second bus continu 33 pouvant alimenter la batterie 35. Il est possible d'intercaler entre le second bus 33 et la batterie 35 un chargeur de batterie permettant de réguler le courant chargeant la batterie. Il est également avantageux d'intercaler, pour charger la batterie 35, entre le convertisseur 22 et la batterie 35, une unité de transformation et de redressement 36 appelée TRU par la suite. Le TRU 36 est alimenté en tension alternative 1 15V 400Hz et fournit une tension continue de 28V. L'utilisation d'un TRU facilite le fonctionnement du convertisseur 22 utilisé en onduleur qui reçoit une tension continue de 540V. On peut considérer l'ensemble formé par le TRU 36 et la batterie 35 comme une charge que l'on peut associer à un des convertisseurs par les moyens d'aiguillage 30.

La figure 2 représente schématiquement un exemple de TRU 36 comportant un transformateur ou autotransformateur 37 recevant la tension alternative 1 15V 400Hz triphasée délivrée par le convertisseur 22 fonctionnant en onduleur. Dans le mode de réalisation où le TRU 36 est situé entre le convertisseur 22 ou 23 et le bus continu 33, le transformateur 37 permet d'abaisser la tension qu'il reçoit. Le transformateur 37 délivre une tension triphasée de l'ordre de 20V qui une fois redressée par un redresseur

38 permet d'obtenir la tension continue de 28V pour alimenter la batterie 35.

Le redresseur 38 est par exemple réalisé au moyen d'un pont de diodes double alternance délivrant une tension lissé par des condensateurs.

La figure 3 représente schématiquement et de façon simplifiée un exemple de réalisation d'un des convertisseurs 22 à 25. Le convertisseur comporte deux bornes 40 et 41 , la borne 40 étant raccordée au pôle positif du bus continu 21 et la borne 41 étant raccordée au pôle positif négatif du bus continu 21. Entre les bornes 40 et 41 , le convertisseur comporte trois branches 42, 43 et 44 comprenant chacune deux interrupteurs électroniques, T421 et T422 pour la branche 42, T431 et T432 pour la branche 43 et, T441 et T442 pour la branche 44. Dans chaque branche 42, 43 et 44 les deux interrupteurs sont reliés en série et une diode est connectée en parallèle de chaque interrupteur. Le repère de la diode est D suivi de la partie numérique du repère de l'interrupteur associé, par exemple la diode D 421 est connectée aux bornes de l'interrupteur T 421. Chaque diode est connectée en antiparallèle par rapport au sens du courant circulant dans chaque interrupteur de la borne positive 40 vers la borne négative 41 du bus continu 21. Les interrupteurs T421 à T442 sont par exemple tous identiques et de type transistor bipolaire à grille isolée bien connu dans la littérature anglo- saxonne sous l'acronyme IGBT pour : « Insulated Gâte Bipolar Transistor ». Dans chaque branche 42, 43 et 44, au point commun des deux interrupteurs, une self, respectivement L42, L43 et L44 est connectée par sa première borne. Une seconde borne, 46, 47 et 48 de chaque self, respectivement L42, L43 et L44, permet au convertisseur d'alimenter une charge triphasée. Des condensateurs C421 à C442 sont reliés entre une des bornes 46, 47 et 48 et une des bornes 40 et 41. Lorsque l'énergie électrique est fournie au convertisseur par le réseau continu 21 , le convertisseur peut fonctionner en

onduleur de tension. En revanche, lorsque l'énergie électrique est fournie sous forme alternative entre les bornes 46, 47 et 48, par exemple par une charge régénérative ou une batterie, le convertisseur peut fonctionner en redresseur de courant. II est possible d'utiliser un TRU 36 comportant des moyens internes de régulation de la tension continue qu'il délivre à la batterie 35. Mais avantageusement, la régulation de la tension délivrée à la batterie 35 se fait à l'aide de moyens de pilotage du convertisseur 22 associé à la batterie 35, par exemple en faisant varier un rapport cyclique du convertisseur 22. Les moyens pour assurer cette régulation comportent une liaison 39 reliant le TRU 36 au convertisseur considéré. Les moyens d'aiguillage 30 peuvent comporter à cet effet des interrupteurs 50 et 51 permettant de sélectionner le convertisseur connecté à l'entrée du TRU 36. Lorsque le convertisseur 22 fonctionne en onduleur pour alimenter la batterie 35, la tension mesurée en sortie du TRU 36 sur le bus 33 permet d'adapter un rapport cyclique d'ouverture et de fermeture des interrupteurs T421 à T 442 pour maintenir la tension continue délivrée par le TRU dans une plage prédéterminée. Un dispositif électronique, appartenant au convertisseur 22, permet de commander l'ouverture et la fermeture des interrupteurs T421 à T 442. De façon connue, un tel dispositif est obligatoire dans chaque convertisseur, ou associé à lui, afin que les interrupteurs qu'il comporte fonctionnent de façon cohérente. Il est donc avantageux de déporter la fonction de régulation de la tension fournie à la batterie 35 du TRU 36 vers le convertisseur associé en utilisant son dispositif électronique de commande. Cette disposition permet également d'améliorer la fiabilité globale du réseau électrique. En effet, en simplifiant le TRU, qui ne comprend plus de moyens internes de régulation, sa fiabilité augmente. Par ailleurs, les éventuelles défaillances d'un dispositif électronique de commande d'un convertisseur sont palliées en temps réel par une reconfiguration possible des convertisseurs à l'intérieur d'un groupe auquel la batterie 35 est associée.

Lorsque la batterie 35 doit être utilisée pour alimenter le bus continu 21 , une reconfiguration des moyens d'aiguillage 30 est opérée pour contourner le TRU 36. Autrement dit, la batterie 35 est directement connectée aux bornes 46, 47 et 48 sans traverser le TRU 36 qui est monodirectionnel. Cette connexion est réalisée, via une liaison 52, par les

moyens d'aiguillage 30. Le convertisseur, tel que représenté sur la figure 3, fonctionne alors en élévateur monophasé. Plus précisément, chaque branche et sa self associée permet d'élever la tension fournie par la batterie 35. Par exemple, pour la branche 42, on utilise alternativement l'interrupteur T422 pour stocker de l'énergie dans la self L42 sous forme d'un courant la traversant et la diode D421 pour libérer l'énergie stockée vers la borne 40 reliée au bus continu 21. Les trois branches et les selfs associées fonctionnent avec un déphasage de ττ/3. Le convertisseur peut être piloté pour fonctionner en onduleur multiphasé pour alimenter la batterie 35 au travers du TRU 36 ou en N élévateurs de tension monophasés pour alimenter le bus continu 21 à partir de la batterie, N représentant le nombre de phases de l'onduleur, les N élévateurs étant déphasés de π/N.

Le fonctionnement en N élévateurs de tension monophasés présente un inconvénient lorsque la tension du bus continu 33 est très inférieure à la tension du bus continu 21. Le rendement du convertisseur est alors assez médiocre. Pour pallier cet inconvénient, on peut intercaler entre le premier bus continu 21 et le convertisseur choisi un TRU permettant d'alimenter le premier bus 21 à partir du second bus 33. Ce TRU comprend alors un transformateur permettant d'élever la tension qu'il reçoit. Ce mode de réalisation impose de déconnecter complètement le convertisseur pour connecter les bornes 40 et 41 du convertisseur, non plus au bus continu HVDC 21 , mais au bus continu basse tension 33. Le TRU est alors connecté entre les bornes 46, 47 et 48 d'une part et le bus continu HVDC 21.

De façon plus générale, un onduleur tel que représenté sur la figure 3 peut être piloté dans un première sens, lorsqu'il reçoit de l'énergie du bus 21 , soit en onduleur multiphasé soit en N convertisseurs continu-continu abaisseurs de tension. L'onduleur peut également être piloté dans un second sens, opposé au premier, soit en redresseur de courant, lorsqu'il reçoit une tension alternative d'une charge régénérative, soit en N convertisseurs continu-continu élévateurs de tension. Le pilotage du convertisseur peut être modifié en temps réel simultanément avec les interrupteurs des moyens d'aiguillage 30.

Ce type de convertisseur continu-alternatif réversible pouvant être piloté en continu-continu en élévateur ou abaisseur de tension est beaucoup

plus simple à réaliser et beaucoup plus fiable qu'un convertisseur continu- continu bidirectionnel comprenant un transformateur haute fréquence.