FR3098663A1 - Architecture de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef et procédé de transfert de l’énergie électrique régénérée dans une telle architecture - Google Patents

Architecture de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef et procédé de transfert de l’énergie électrique régénérée dans une telle architecture Download PDF

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Abstract

L’invention concerne une architecture (20) de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef, comprenant : un générateur électrique (26), un premier convertisseur de tension (30) agencé en sortie du générateur électrique, un bus de communication (32) à courant continu et à haute tension alimenté par le premier convertisseur de tension, un moteur (36) électrique de puissance comprenant un deuxième convertisseur de tension (34) connecté au bus de communication, des moyens de stockage (42) d’énergie électrique connectés au bus de communication, une résistance de freinage (46), et un superviseur (48) configuré pour implémenter une loi de contrôle-commande des convertisseurs de tension pour, en fonction de l’état d’organes de l’architecture, distribuer l’énergie électrique régénérée vers un ou des organes de l’architecture, les organes de l’architecture étant les moyens de stockage, le générateur électrique, le moteur et la résistance de freinage. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

ARCHITECTURE DE TRANSFERT DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE RÉGÉNÉRÉE DANS UN AÉRONEF ET PROCÉDÉ DE TRANSFERT DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE RÉGÉNÉRÉE DANS UNE TELLE ARCHITECTURE
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine de la dissipation de l’énergie régénérée dans un aéronef par des machines ou des actionneurs électriques, lors de phases de décélération ou de freinage.
En particulier, les machines ou actionneurs électriques peuvent renvoyer de l’énergie électrique de décélération ou de freinage sur le réseau électrique de l’aéronef, dans lequel cette énergie électrique doit être dissipée.
Cette invention s’inscrit dans le cadre d’une chaine électrique complète, de la génération électrique jusqu’aux moteurs électriques entrainant des hélices à vocation de fournir la poussée.
En particulier, l’invention consiste en la réalisation d’une architecture spécifique de traitement de l’énergie régénérée avec une loi spécifique de contrôle-commande des différents organes de l’architecture. Une architecture définit une installation électrique.
Arrière-plan technique
De façon connue, afin de dissiper l’énergie régénérée dans une architecture d’un aéronef, il est possible d’utiliser des conducteurs ohmiques, c’est-à-dire des résistances, par exemple en céramique. Toutefois, cette solution présente de nombreux inconvénients.
En effet, les architectures évoluent dans un environnement aéronautique sévère. Ainsi, ces solutions classiques de dissipation d’énergie à base de résistances imposent un volume important, d’où un poids associé considérable, ainsi qu’une élévation de la température au sein de l’architecture.
Il existe des solutions pour palier à ces inconvénients, notamment des architectures de traitement de l’énergie régénérée.
La demande de brevet FR-A1-2 967 847 porte sur un procédé et une architecture de traitement de l’énergie électrique régénérée d’un aéronef. Cette solution propose de renvoyer l'énergie vers le générateur électrique de l'architecture pour convertir cette énergie en énergie mécanique.
Comme représenté sur les figures 1a et 1b, l’architecture comporte un générateur 1 électrique réversible, entraîné par une machine thermique 2, par exemple un groupe auxiliaire de puissance (APU, acronyme de l’expression anglaise « Auxiliary Power Unit »), et apte à délivrer une tension alternative ; des actionneurs 10a-10d électriques et un circuit multivoies convertisseur de tension 4 à liaisons multiples La-Ld. Les actionneurs 10a-10d, ici des moteurs, peuvent fonctionner en mode moteur (les flèches FMreprésentant le fonctionnement des actionneurs 10a-10d en mode moteur), ou en mode générateur (les flèches FRreprésentant le fonctionnement des actionneurs 10a-10d en mode générateur).
Le circuit convertisseur de tension 4 comporte des moyens redresseurs de tension alternative 3, 11 provenant du générateur 1 et des convertisseurs 5a-5d de puissance agencés sur les liaisons multiples La-Ld et aptes à piloter autant d'actionneurs 10a-10d électriques. En particulier, les moyens redresseurs de tension alternative 11 sont réversibles.
Des contacteurs 6a-6d sont agencés sur les liaisons La-Ld, entre les convertisseurs 5a-5d de puissance et les actionneurs 10a-10d correspondants et permettent de configurer chaque liaison selon les modes de fonctionnement moteur ou générateur des actionneurs 10a-10d.
Le circuit convertisseur de tension 4 comporte également des moyens 7 de transmission inverse d'énergie électrique (les flèches FRet FDreprésentant la transmission inverse d'énergie électrique) appliquée au générateur 1 fonctionnant en mode moteur.
Il a également été mis en œuvre un procédé et un système pour améliorer la gestion de la régénération de charge électrique d'un aéronef, et plus précisément pour renvoyer de l'énergie régénérée au bus de distribution d'un aéronef, en vue d'une réutilisation.
Cette solution propose de renvoyer l'énergie régénérée vers un bus d’alimentation bidirectionnel pour alimenter d’autres charges d’actionnement et/ou des charges auxiliaires, ainsi que de renvoyer l'énergie vers le générateur électrique de l'architecture de manière à convertir cette énergie en énergie mécanique et de dissiper l’énergie régner dans une machine tournante de l’aéronef.
L’architecture comporte un moteur principal fournissant de l'énergie à des charges d'alimentation mécanique, un générateur pour convertir l'énergie mécanique du moteur principal en énergie électrique, un convertisseur réversible destiné à convertir l’énergie entre le générateur et un bus d’alimentation.
Le bus d’alimentation est un bus bidirectionnel, et est destiné à alimenter l’un des types de charges d’actionnement et/ou auxiliaires, et à recevoir l’énergie des charges d'actionnement lorsqu’elles sont régénérées par les charges auxiliaires.
Ainsi, ces architectures proposent de dissiper l’énergie électrique régénérée en la transformant en énergie mécanique apportée à d’autres consommateurs, d’utiliser l’énergie électrique régénérée pour des charges auxiliaires et/ou d’autres charges d’actionnement, et de limiter l’énergie mécanique apportée à l’architecture par un freinage dynamique du moteur.
Toutefois, ces solutions ne permettent pas de récupérer et stocker l’énergie électrique.
Une autre solution propose de réduire la fonction d’écrêtage du bus de courant continu (DC, acronyme de l’expression anglaise « Direct Current ») lors des cycles de régénération, en stockant l’énergie dans des super-condensateurs. Ceci est réalisé sur un bus de communication à courant continu et à haute tension (HVDC, acronyme de l’expression anglaise « High Voltage Direct Current »), avec comme source un bus de courant alternatif (AC, acronyme de l’expression anglaise « Alternative Current ») et comme charge des moteurs électriques.
Différentes lois de contrôle mono-objectif, c’est-à-dire de régulation d’un seul paramètre du système, et multi-objectifs, c’est-à-dire de régulation de plusieurs paramètres du système, sont décrites et comparées. La loi de contrôle multi-objectifs contrôle la tension et le courant dans les super-condensateurs et leur état de charge, afin d’optimiser l’utilisation de ces derniers.
Cette solution propose d’utiliser une loi de contrôle multi-objectifs pour piloter un convertisseur de puissance connecté à des super condensateurs, dans un but de réduction de la chaine de conversion d’énergie, et d’utiliser ces super-condensateurs pour stocker de l’énergie qui peut être redistribuée ou absorbée rapidement lors des transitoires.
Toutefois, cette solution ne permet pas de stocker de manière durable l’énergie électrique régénérée dans l’optique de la réutiliser ultérieurement.
L’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains de ces inconvénients.
En particulier, l’invention vise à supprimer les inconvénients posés par les solutions habituelles de dissipation d’énergie à base de résistances, ainsi qu’à récupérer et stocker l’énergie électrique.
L’invention propose de renvoyer l'énergie électrique soit vers le générateur électrique de l'architecture pour convertir cette énergie électrique en énergie mécanique, soit vers une ou plusieurs batteries pour stoker l’énergie électrique de manière plus durable que dans des super-condensateurs ; et dans certains cas de fonctionnement, de dissiper le surplus non converti ou non stocké dans un moteur électrique de puissance et également dans une ou plusieurs résistances de freinage, notamment de faible volume.
Plus précisément, l’invention concerne une architecture de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef, comprenant :
  • un générateur électrique réversible entraîné par un arbre mécanique et apte à délivrer une tension alternative,
  • un premier convertisseur de tension quatre quadrants configuré pour convertir une tension alternative en tension continue, dit convertisseur AC-DC, et inversement, le premier convertisseur de tension étant agencé en sortie du générateur électrique,
  • un bus de communication à courant continu et à haute tension, dit bus HVDC, alimenté par le premier convertisseur de tension,
  • un moteur électrique de puissance réversible comprenant un deuxième convertisseur de tension apte à fonctionner sur quatre quadrants et configuré pour convertir une tension continue en tension alternative, et inversement, dit convertisseur DC-AC, le deuxième convertisseur de tension étant connecté au bus HVDC,
  • des moyens de stockage d’énergie électrique connectés au bus HVDC,
  • au moins une résistance de freinage, et
  • un superviseur configuré pour implémenter une loi de contrôle-commande des premier et deuxième convertisseurs de tension pour, en fonction de l’état d’organes de l’architecture, distribuer l’énergie électrique régénérée vers un ou plusieurs des organes de l’architecture, les organes de l’architecture étant lesdits moyens de stockage, le générateur électrique, ledit moteur et la résistance de freinage.
L’architecture selon l’invention comporte de nouveaux organes par rapport aux solutions de l’art antérieur et se différencie par rapport à ces architectures existantes en particulier par une loi spécifique de contrôle-commande de ces organes.
Ceci permet d’optimiser l’énergie électrique, et de ce fait de limiter l’énergie extérieure apportée à l’architecture, et de sécuriser l’architecture contre les surtensions, qu’elles soient transitoires ou plus durables.
La loi de contrôle-commande permet, en fonction de l’état de l’architecture, de choisir quel organe de l’architecture doit être utilisé pour la dissipation d’énergie électrique pendant la phase de régénération.
En particulier, la loi de contrôle-commande peut être implémentée dans le superviseur pour distribuer l’énergie électrique régénérée vers :
  • les moyens de stockage lorsque la tension du bus HVDC est comprise entre une première et une deuxième tension prédéterminée, la deuxième tension prédéterminée étant supérieure à la première tension prédéterminée,
  • le générateur électrique lorsque la tension du bus HVDC est comprise entre la deuxième et une troisième tension prédéterminée, la troisième tension prédéterminée étant supérieure à la deuxième tension prédéterminée,
  • le moteur lorsque la tension du bus HVDC est supérieure à la troisième tension prédéterminée et lorsque la température du moteur est inférieure à une température prédéterminée,
  • la résistance de freinage lorsque la température du moteur est supérieure à la température prédéterminée.
Les moyens de stockage peuvent comprendre une ou une pluralité de batteries, par exemple de type Lithium-ion, et/ou un ou une pluralité de super-condensateurs, et/ou un ou une pluralité d’ultra-condensateurs. En particulier, les moyens de stockage peuvent avoir la forme d’un réseau de batteries.
L’architecture peut comprendre une ou une pluralité de résistances de freinage.
De préférence, la ou les résistances de freinage sont des résistances de faible taille et de faible puissance. En particulier, la taille et le volume de la ou des résistances de freinage peut être réduits de 50% avec l’invention par rapport à l’art antérieur.
Pour des raisons de sécurité, chaque résistance de freinage comporte un bras de freinage configuré pour dissiper de l’énergie électrique lors de régimes transitoires ou lors de surtensions potentielles sur le bus HVDC.
Selon l’invention, le générateur électrique peut fonctionner en mode générateur et produire de l’énergie électrique à partir de l’énergie mécanique transmise par l’arbre mécanique ; ou fonctionner en mode moteur et produire de l’énergie mécanique à partir de l’énergie électrique régénérée. Le générateur électrique réversible est ainsi un moteur-générateur.
Le générateur électrique peut être un générateur à aimant permanent.
En alternative, le générateur électrique peut être un générateur synchrone à excitation séparée.
En alternative, le générateur électrique peut être un générateur à reluctance variable avec excitation séparée ou auto-excité.
Le générateur électrique peut être apte à délivrer une tension alternative triphasée.
Le premier convertisseur de tension AC-DC peut être un redresseur actif, ou un redresseur-onduleur.
Avantageusement, l’invention permet donc un stockage d’énergie électrique dans des moyens de stockage, qui peuvent avoir la forme d’un réseau de batteries. Cette énergie électrique stockée peut être utilisée ultérieurement pour alimenter des démarreurs, ou pour limiter l’énergie extérieure apportée, de sorte à optimiser l’énergie électrique consommée. Ceci permet une réduction des dimensions du générateur électrique par rapport à une architecture selon l’art antérieur.
L’invention permet également une dissipation d’énergie électrique résiduelle ou transitoire dans une résistance de freinage, notamment de faible taille et de faible puissance. Ceci permet de sécuriser l’architecture contre les surtensions transitoires ou plus durables. De plus, une résistance de freinage de faible taille et de faible puissance ne pose pas de problème de dissipation de chaleur dans l’architecture.
L’invention permet également une dissipation d’énergie électrique de type perte cuivre et perte fer dans le stator du moteur, par contrôle du courant d’axe direct et de la quadrature.
Selon l’invention, le bus HVDC est rapide et robuste entre chaque convertisseur de tension pilotant le stockage et la dissipation d’énergie électrique.
Selon l’invention, la loi de contrôle-commande gère les convertisseurs de tension en fonction de la tension du bus HVDC et de l’état des différents organes de stockage et de dissipation de l’énergie électrique régénérée.
Cette architecture permet également une réduction du poids de la fonction de dissipation d’énergie électrique. En effet, pendant les pics de demandes de puissance, les moyens de stockage fournissent la puissance à la chaîne d’actionnement. Ainsi, le générateur électrique peut fournir uniquement une puissance moyenne. L’utilisation des moyens de stockage comme source de stockage d’énergie électrique régénérée pour la chaîne d’actionnement permet donc de réduire la taille du générateur électrique.
L’invention permet également un contrôle, par le premier convertisseur de tension AC-DC, de la puissance active et réactive fournie par le générateur électrique. Ce convertisseur de tension permet également le fonctionnement en mode moteur du générateur électrique pour une réinjection de l’énergie électrique régénérée, par un contrôle de l’angle entre le vecteur courant et le flux dans l’entrefer.
En effet, lorsque la tension appliquée au terminal du générateur électrique est supérieure à la somme de la tension de force contre électromotrice et de la réactance d’armature du stator, le générateur électrique fonctionne en mode moteur, c’est-à-dire injecte un couple positif sur l’arbre mécanique.
Dans le cas d’une régénération, la tension du bus HVDC augmente et devient supérieure à cette tension seuil au terminal du générateur électrique. Afin de contrôler l’angle du vecteur courant circulant dans le générateur électrique, l’inductance du générateur électrique est utilisée comme inductance du premier convertisseur de tension. En particulier, chaque phase du premier convertisseur de tension agit comme un abaisseur de tension, avec l’inductance lissant le courant.
Ceci permet avantageusement l’intégration de l’électronique de puissance dans le générateur électrique, les inductances étant des éléments volumineux et coûteux.
L’architecture selon l’invention peut également comprendre un troisième convertisseur de tension bidirectionnel configuré pour convertir une tension continue en tension continue, dit convertisseur DC-DC. Le troisième convertisseur de tension peut être agencé entre les moyens de stockage et le bus HVDC.
Le superviseur peut être configuré pour implémenter une loi de contrôle-commande des premier, deuxième et troisième convertisseurs de tension pour, en fonction de l’état des organes de l’architecture, distribuer l’énergie électrique régénérée vers un ou plusieurs des organes de l’architecture.
En particulier, lorsque le bus HVDC a une tension à courant continu fixe, le convertisseur DC-DC est nécessaire pour permettre de réguler la tension variable des moyens de stockage. Dans ce cas, il est possible d’alimenter un réseau électrique ATA-24. L’énergie électrique peut être consommée directement par les consommateurs de puissance sur le bus HVDC.
Lorsque le bus HVDC a une tension flottante, les moyens de stockage peuvent être connectés directement sur le bus HVDC, sans l’intermédiaire du convertisseur DC-DC.
L’architecture selon l’invention peut également comprendre un bus de communication à bande passante élevée reliant le superviseur et les premier et deuxième convertisseurs de tension. Autrement dit, un bus de communication robuste et à forte bande passante permet de communiquer entre les convertisseurs de tension et le superviseur, le superviseur fournissant les consignes en fonction de l’état des différents organes, c’est-à-dire en fonction de la tension, du courant, ou de l’état de charge. Le superviseur peut être configuré pour contrôler la tension de ce bus de communication par un statisme inverse de la tension.
L’architecture selon l’invention peut également comprendre une machine thermique, par exemple une turbine à gaz, qui comporte l’arbre mécanique.
L’invention concerne également un procédé de transfert de l’énergie électrique régénérée dans une architecture selon l’invention, dans lequel en mode de fonctionnement nominal, le générateur électrique est entraîné par l’arbre mécanique et fournit de la puissance au moteur via les premier et deuxième convertisseurs de tension et le bus HVDC, et caractérisé en ce qu’en phase de freinage ou de décélération, une régénération d’énergie électrique est produite, et en ce que l’énergie électrique régénérée est transmise, en fonction de l’état des organes de l’architecture, à un organe de l’architecture suivant la loi de contrôle-commande des premier et deuxième convertisseurs de tension.
Dans le procédé selon l’invention, lorsque la tension du bus HVDC est comprise entre la première et la deuxième tension prédéterminée, l’énergie électrique régénérée peut être transmise aux moyens de stockage.
Dans le procédé selon l’invention, lorsque la tension du bus HVDC est comprise entre la deuxième et la troisième tension prédéterminée, l’énergie électrique régénérée peut être transmise au générateur électrique.
Dans le procédé selon l’invention, lorsque la tension du bus HVDC est supérieure à la troisième tension prédéterminée et lorsque la température du moteur est inférieure à la température prédéterminée, l’énergie électrique régénérée peut être transmise au moteur.
Dans le procédé selon l’invention, lorsque la température du moteur est supérieure à la température prédéterminée, l’énergie électrique régénérée peut être transmise à la résistance de freinage.
Le procédé selon l’invention peut comprendre l’utilisation de l’inductance du générateur électrique comme inductance du premier convertisseur de tension lorsque l’énergie électrique régénérée est transmise au générateur électrique.
L’invention permet ainsi une transmission inverse d’énergie électrique au générateur électrique, en mode moteur, via l’inductance du générateur électrique qui est utilisée comme inductance du premier convertisseur de tension AC-DC.
Dans le procédé selon l’invention, en phase d’accélération, lorsque la tension du bus HVDC est supérieure à une quatrième tension prédéterminée, le générateur électrique et les moyens de stockage fournissent de l’énergie électrique au moteur, notamment via le premier convertisseur de tension et le bus HVDC.
Dans le procédé selon l’invention, en phase d’accélération, lorsque la tension du bus HVDC est inférieure à la quatrième tension prédéterminée, le générateur électrique fournit de l’énergie électrique au moteur, notamment via le premier convertisseur de tension et le bus HVDC, et recharge les moyens de stockage jusqu’à une cinquième tension prédéterminée, la cinquième tension prédéterminée étant supérieure à la quatrième tension prédéterminée.
Dans le procédé selon l’invention, en phase d’accélération, lorsque la tension du bus HVDC est supérieure à la cinquième tension prédéterminée, le générateur électrique fournit de l’énergie électrique au moteur, notamment via le premier convertisseur de tension et le bus HVDC.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1a représente schématiquement une architecture de traitement de l’énergie électrique régénérée d’un aéronef selon l’art antérieur,
la figure 1b représente schématiquement un autre mode de réalisation de l’architecture de la figure 1a,
la figure 2 représente schématiquement une architecture de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef selon l’invention,
la figure 3 est un organigramme de l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur de l’architecture selon l’invention, en cas d’absorption d’énergie électrique,
la figure 4 est un graphique illustrant l’évolution de la tension du bus HVDC de l’architecture selon l’invention en fonction du temps lors de la l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur, en cas d’absorption d’énergie électrique,
la figure 5 est un graphique illustrant l’évolution de la puissance électrique régénérée de l’ensemble constitué du moteur et de l’hélice de l’architecture selon l’invention en fonction du temps lors de la l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur, en cas d’absorption d’énergie électrique,
la figure 6 est un graphique illustrant l’évolution de la vitesse de la vitesse de rotation de l’arbre du moteur de l’architecture selon l’invention en fonction du temps lors de la l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur, en cas d’absorption d’énergie électrique,
la figure 7 est un organigramme de l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur de l’architecture selon l’invention, en cas de demande d’énergie électrique,
la figure 8 est un graphique illustrant l’évolution de la tension du bus HVDC de l’architecture selon l’invention en fonction du temps lors de la l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur, en cas de demande d’énergie électrique, et
la figure 9 est un graphique illustrant l’évolution de la puissance du moteur électrique de puissance de l’architecture selon l’invention en fonction du temps lors de la l’implémentation de la loi de contrôle-commande par le superviseur, en cas de demande d’énergie électrique.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l'invention
La figure 2 représente une architecture 20 de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef selon l’invention.
Une machine thermique 22, par exemple une turbine à gaz, comporte un arbre mécanique 24, qui entraîne un générateur électrique 26.
Le générateur électrique 26 est réversible. Ainsi, le générateur électrique 26 peut fonctionner en mode générateur et produire de l’énergie électrique à partir de l’énergie mécanique transmise par l’arbre mécanique 24, ou fonctionner en mode moteur et produire de l’énergie mécanique à partir de l’énergie électrique régénérée.
Le générateur électrique 26 est apte à délivrer une tension alternative, par exemple triphasée. Sur la figure 2, les trois phases 28a, 28b, 28c du générateur électrique 26 sont représentées.
Le générateur électrique 26 peut être un générateur à aimant permanent, ou un générateur synchrone à excitation séparée, ou un générateur à reluctance variable avec excitation séparée, ou un générateur à reluctance variable auto-excité, ou encore tout autre type de générateur électrique.
Un convertisseur de tension 30 AC-DC quatre quadrants, c’est-à-dire réversible en courant et en tension, est agencé en sortie du générateur électrique 26. Ce convertisseur de tension 30 est configuré pour convertir une tension alternative en tension continue, et inversement.
Le convertisseur de tension 30 AC-DC peut être un redresseur actif, ou un redresseur-onduleur.
Le convertisseur de tension 30 AC-DC alimente un bus HVDC 32
Le bus HVDC 32 est connecté à un convertisseur de tension 34 DC-AC d’un moteur 36 électrique de puissance apte à fonctionner sur quatre quadrants, c’est-à-dire apte à être réversible en tension et en courant.
Le convertisseur de tension 34 DC-AC est réversible, c’est-à-dire qu’il est configuré pour convertir une tension continue en tension alternative, et inversement.
Le moteur 36 est une machine tournante qui entraîne une hélice 38, via un arbre d’entrainement 40.
Des moyens de stockage 42 d’énergie électrique sont connectés au bus HVDC 32.
Les moyens de stockage 42 peuvent comprendre des super-condensateurs, des ultra-condensateurs et/ou des batteries, notamment de type Lithium-ion, et avoir la forme d’un réseau de batteries.
Les batteries peuvent être connectées au bus HVDC 32 via un convertisseur de tension 44 DC-DC bidirectionnel, c’est-à-dire réversible. Le convertisseur de tension 44 DC-DC est configuré pour convertir une tension continue en tension continue.
Le convertisseur de tension 44 DC-DC permet de réguler la tension variable des batteries, notamment lorsque le bus HVDC 32 a une tension à courant continu fixe.
En alternative, les batteries peuvent être directement connectées au bus HVDC 32, notamment lorsque le bus HVDC 32 a une tension flottante.
Une ou des résistances de freinage 46 sont connectées au bus HVDC 32. De préférence, les résistances de freinage 46 sont de faible volume et de faible puissance.
Une résistance de freinage 46 comporte un bras de freinage configuré pour dissiper de l’énergie électrique lors de régimes transitoires ou lors de surtensions sur le bus HVDC 32.
Un superviseur 48 est connecté aux convertisseurs de tension 30, 34, 44 via un bus de communication 50 à bande passante élevée, c’est-à-dire un bus de communication robuste et à forte bande passante. Le bus de communication 50 peut avoir une bande passante d’au moins 5 Mb par seconde, le temps de réponse de la régénération étant de l’ordre d’une centaine de microsecondes. Un tel bus de communication 50 permet de transférer les commandes avec le moins de temps de latence possible. Le bus de communication 50 peut être un bus CAN.
Le superviseur 48 est configuré pour implémenter une loi de contrôle-commande des convertisseurs de tension 30, 34, 44 pour distribuer l’énergie électrique régénérée dans l’architecture vers au moins l’un parmi les moyens de stockage 42, le générateur électrique 26, le moteur 36 et la ou les résistances de freinage 46.
Cette loi de contrôle-commande est implémentée en fonction de l’état des organes de l’architecture, de manière à optimiser le transfert d’énergie électrique en termes de rendement et de surdimensionnement.
Cette loi de contrôle-commande est basée sur la commande et les mesures des différentes variables d’état des organes de l’architecture de sorte à connaître l’état de la chaine de conversion d’énergie de l’architecture, c’est-à-dire le courant, la tension, la puissance, la vitesse, ou encore le couple.
Les variables d’état peuvent être la température du générateur électrique 26, la température du moteur 36, la température des convertisseurs de tension 30, 34, 44, l’état de charge des moyens de stockage 42, le couple exercé sur l’arbre du générateur électrique 26, et les couples tension/courant pour chaque organe de l’architecture.
Le superviseur 48 pilote la distribution de l’énergie de régénération dans les organes de stockage et de dissipation de l’architecture.
En particulier, chaque convertisseur de tension 30, 34, 44 envoie au superviseur 48 sont état et son signal de surveillance. Le superviseur 48 envoie ensuite à chaque convertisseur de tension 30, 34, 44 un point de contrôle indiquant vers quel organe de l’architecture l’énergie électrique régénérée doit être envoyée.
Le superviseur 48 peut également gérer les pics de puissance.
Le superviseur 48 donne la priorité pour le stockage ou la gestion du stockage d’énergie électrique, puis pour la réinjection ou la réutilisation de l’énergie électrique, et enfin pour la dissipation d’énergie électrique à un organe particulier de l’architecture, en fonction de la tension du bus HVDC 32, de l’énergie électrique régénérée, ainsi que de l’état des organes.
Lors d’une régénération importante, la ou les batteries peuvent être rechargées en priorité, au lieu de solliciter le transfert d’énergie électrique en énergie mécanique par le générateur électrique 26.
Lorsque la ou les batteries sont chargées à un niveau prédéterminé, comme la tension du bus HVDC 32 augmente, l’énergie électrique régénérée peut être réinjectée sur l’arbre du générateur électrique 26.
Si la température du moteur 36, ou si une autre contrainte du générateur électrique est atteinte, le moteur 36, puis la ou les résistances de freinage 46 peuvent dissiper le reste de l’énergie électrique régénérée.
En particulier, la ou les batteries sont chargées ou déchargées en priorité de sorte à maintenir le niveau de charge de ces dernières dans une certaine plage comprise entre 60 % et 70 % de la charge maximale correspondant respectivement à deux valeurs de tension du bus HVDC 32. Cette plage comprise entre 60 % et 70 % de la charge maximale de la ou des batteries 42 est un compromis entre la taille de la ou des batteries 42, leur durée de vie et le nombre de recharge.
Le niveau de courant de charge élevée pendant la phase de régénération permet avantageusement d’améliorer la durée de vie de la ou des batteries de type Lithium-ion.
En particulier, la profondeur de décharge n’est, de préférence, pas supérieure à 50 % de manière à éviter une dégradation prématurée des batteries du type Lithium-ion.
Ceci permet avantageusement une certaine capacité de charge des batteries de manière à pouvoir répondre à un besoin de complément de puissance demandée par le moteur, mais aussi une certaine réserve de charge des batteries de manière à pouvoir autoriser une récupération d’énergie régénérée.
Sur la figure 2, la flèche A représente l’énergie électrique régénérée depuis l’hélice 38.
L’énergie électrique est régénérée vers les moyens de stockage 42 lorsque la tension du bus HVDC 32 est comprise entre une première et une deuxième tension prédéterminée, la deuxième tension prédéterminée étant supérieure à la première tension prédéterminée. Comme représenté sur la figure 2, la flèche A1 illustre la régénération d’énergie électrique vers les moyens de stockage 42, c’est-à-dire la charge des batteries.
L’énergie électrique est régénérée vers le générateur électrique 26 lorsque la tension du bus HVDC 32 est comprise entre la deuxième et une troisième tension prédéterminée, la troisième tension prédéterminée étant supérieure à la deuxième tension prédéterminée. Sur la figure 2, la flèche A2 illustre la régénération d’énergie électrique vers le générateur électrique 26, c’est-à-dire la transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique.
L’énergie électrique est régénérée vers le moteur 36 lorsque la tension du bus HVDC 32 est supérieure à la troisième tension prédéterminée et lorsque la température du moteur 36 est inférieure à une température prédéterminée. Comme représenté sur la figure 2, la flèche A3 illustre la régénération d’énergie électrique vers le moteur 36, c’est-à-dire la dissipation de l’énergie électrique régénérée dans le moteur 36.
L’énergie électrique est régénérée vers la ou les résistances de freinage 46 lorsque la température du moteur 36 est supérieure à la température prédéterminée. Sur la figure 2, la flèche A4 illustre la régénération d’énergie électrique vers la ou les résistances de freinage 46, c’est-à-dire la dissipation de l’énergie électrique régénérée dans la ou les résistances de freinage 46.
L’invention propose ainsi de renvoyer l'énergie électrique soit vers le générateur électrique 26 pour convertir cette énergie électrique en énergie mécanique, soit vers la ou les batteries pour stoker l’énergie électrique ; et dans certains cas de fonctionnement, de dissiper le surplus non converti ou non stocké dans le moteur 36 et également dans la ou les résistances de freinage 46.
La figure 3 représente la loi de contrôle-commande gérée par le superviseur 48, en cas d’absorption d’énergie électrique. Les figures 4 à 6 représentent respectivement l’évolution de la tension VBdu bus HVDC 32, de la puissance électrique P régénérée de l’ensemble constitué du moteur 36 et de l’hélice 38 et de la vitesse de rotation v de l’arbre du moteur 36 en fonction du temps t.
Lors de la détection d’une phase de régénération ϕR(étape E1), c’est-à-dire lors de la détection d’un couple négatif, il y a une augmentation de la tension du bus HVDC 32. Il est alors déterminé si la tension du bus HVDC 32 est comprise entre le premier seuil de tension V1 correspondant à la première tension prédéterminée et le deuxième seuil de tension V2 correspondant à la deuxième tension prédéterminée (étape E2).
Dans ce cas, la ou les batteries sont rechargées à partir du seuil de tension V1 jusqu’au seuil de tension V2 (étape E3). L'augmentation de la tension du bus HVDC 32 est limitée par le taux de charge de la ou des batteries.
Ensuite, lorsqu’il est déterminé que la tension du bus HVDC 32 dépasse le seuil de tension V2, mais reste inférieure à un troisième seuil de tension V3 correspondant à la troisième tension prédéterminée (étape E4), le convertisseur de tension 30 est utilisé comme inverseur pour réinjecter l’énergie électrique sur l'arbre du générateur électrique 26 (étape E5). Les moyens de stockage 42 ne sont alors plus chargés, afin de préserver leur longévité.
Ensuite, il est déterminé si la tension du bus HVDC 32 dépasse le seuil de tension V3 (étape E6). Dans ce cas, et tant que la température du moteur 36 est inférieure à une température prédéterminée, l’énergie électrique est régénérée vers le moteur électrique 26 (étape E7). En particulier, le convertisseur de tension 34 du moteur 36 commande le régulateur de flux pour augmenter les pertes cuivre et pertes fers du moteur 36, tant que la température du moteur 36 le permet. La puissance électrique absorbée par le moteur 36 dépend de la vitesse de l’arbre du moteur 36 : plus la vitesse de l’arbre du moteur 36 est faible, moindre est la puissance électrique absorbée.
Ensuite, il est déterminé si la température du moteur dépasse la température prédéterminée (étape E8). Dans cas, l’énergie électrique est régénérée vers la ou les résistances de freinage 46 (étape E9). Autrement dit, si la température du moteur 36 dépasse la température prédéterminée, la dissipation est effectuée dans la ou les résistances de freinage 46.
Comme représenté sur la figure 5, en dehors d’une phase de régénération ϕR, ou entre deux phases de régénération ϕRreprésentée par la période TR, la puissance P régénérée par le moteur 36 et l’hélice 38 est sensiblement égale à une puissance notée Pmoy. Au début d’une phase de régénération ϕR, la puissance P régénérée par le moteur 36 et l’hélice 38 augmente jusqu’à une puissance maximale notée Pmax. Au cours de la phase de régénération ϕR, la puissance P régénérée par le moteur 36 et l’hélice 38 diminue linéairement de la puissance Pmax à la puissance Pmoy.
La puissance P régénérée de l’ensemble constitué du moteur 36 et de l’hélice 38 dépend de l’inertie et de l’exigence de décélération.
Comme représenté sur la figure 6, avant une phase de régénération ϕR, la vitesse de rotation v de l’arbre du moteur 36 augmente jusqu’à une vitesse de rotation vmax. Au cours d’une phase de régénération ϕR, la vitesse de rotation v de l’arbre du moteur 36 diminue linéairement de la vitesse de rotation vmax à une vitesse de rotation vmin, après la phase de régénération ϕR. Entre deux phases de régénération, représentée par la période TR, la vitesse de rotation v de l’arbre du moteur 36 diminue linéairement jusqu’à la vitesse de rotation vmin, puis reste sensiblement constante et égale à la vitesse de rotation vmin. Au cours de la phase de régénération ϕRsuivante, la vitesse de rotation v de l’arbre du moteur 36 augmente de la vitesse de rotation vmin à la vitesse de rotation vmax, après la phase de régénération ϕR.
La figure 7 représente la loi de contrôle-commande gérée par le superviseur 48, en cas de demande d’énergie électrique. Les figures 8 et 9 représentent respectivement l’évolution de la tension VBdu bus HVDC 32 et de la puissance électrique PMdu moteur 36 en fonction du temps t.
Lors de la détection d’une phase d’accélération, et donc de consommation de puissance, du moteur 36 (étape E10), c’est-à-dire lors de la détection d’un couple positif, il y a une diminution de la tension du bus HVDC 32. Il est alors déterminé si la tension du bus HVDC 32 est supérieure à un quatrième seuil de tension V4 correspondant à une quatrième tension prédéterminée (étape E11).
Dans ce cas, le générateur électrique 26 et la ou les batteries fournissent de l’énergie électrique au moteur 36 (étape E12), notamment via le convertisseur de tension 30 et le bus HVDC 32. En particulier, la ou les batteries fournissent la puissance en transitoire afin de soulager le générateur électrique 26. Les batteries se déchargent pour alimenter le moteur 36. La diminution de la tension du bus HVDC 32 est limitée par le taux de charge de la ou des batteries.
Ensuite, il est déterminé si la tension du bus HVDC 32 devient inférieure au seuil de tension V4 (étape E13), et dans ce cas, le générateur électrique 26 fournit de l’énergie électrique au moteur 36, notamment via le convertisseur de tension 30 et le bus HVDC 32, et recharge les batteries jusqu’à un cinquième seuil de tension V5 correspondant à une cinquième tension prédéterminée (étape E14). Comme représenté sur la figure 8, le seuil de tension V5 est supérieur au seuil de tension V4, Ainsi, la tension du bus HVDC 32 est surveillée, et dès qu’elle atteint le seuil de tension V4, le courant n’est plus fourni par la ou les batteries pour éviter une décharge excessive de ces dernières, mais uniquement par le générateur électrique 26 par l’intermédiaire du convertisseur de tension 30. Une fois la demande de puissance fournie, le générateur électrique 26 recharge la ou les batteries jusqu’au seuil de tension V5. Ce seuil de tension V5 permet une recharge de la ou des batteries suffisante pour fournir ultérieurement un complément d’énergie à une demande future de puissance et pour accepter une absorption d’une régénération suivante.
Ensuite, il est déterminé si la tension du bus HVDC 32 est supérieure au seuil de tension V5 (étape E15). Lorsque la tension du bus HVDC 32 est supérieure au seul de tension V5, le générateur électrique 26 fournit de l’énergie électrique au moteur 36 (étape E16), notamment via le convertisseur de tension 30 et le bus HVDC 32.
Comme représenté sur les figures 8 et 9, lorsque la tension du bus HVDC 32 est supérieure au seuil de tension V5, le générateur électrique 26 fournit de l’énergie électrique au moteur 36 lors d’une phase d’accélération. De ce fait, la tension du bus HVDC 32 diminue, et la puissance du moteur 36 augmente.
Puis, lorsque la tension du bus HVDC 32 est comprise entre les seuils de tension V4 et V5, la ou les batteries se déchargent pour fournir un complément de puissance au moteur 36 et soulager le générateur électrique 26. De ce fait, la tension du bus HVDC 32 diminue, et la puissance du moteur 36 augmente jusqu’à atteindre la puissance d’accélération Pacc requise.
Ensuite, comme la demande de puissance est satisfaite, le générateur recharge la ou les batteries jusqu’au seuil de tension V5.
L’invention concerne également un procédé de transfert de l’énergie électrique régénérée dans une architecture 20 telle que décrite précédemment.
En mode de fonctionnement nominal, le générateur électrique 26 est entraîné par l’arbre mécanique 24 de la machine thermique 2 et fournit de la puissance au moteur 36 via les convertisseurs de tension 30, 34 et le bus HVDC 32.
En phase de freinage ou de décélération, une régénération d’énergie électrique est produite dans l’architecture.
L’énergie électrique régénérée est transmise, en fonction de leur état, au générateur électrique 26, ou aux moyens de stockage 42, ou au moteur 36, ou à la résistance de freinage 46, suivant la loi de contrôle-commande des convertisseurs de tension 30, 34, 44.
En particulier, lorsque la tension du bus HVDC 32 est comprise entre les seuils de tension V1 et V2, l’énergie électrique régénérée est transmise aux batteries.
Lorsque la tension du bus HVDC 32 est comprise entre les seuils de tension V2 et V3, l’énergie électrique régénérée est transmise au générateur électrique 26.
Dans le cas où la tension du bus HVDC 32 est supérieure au seuil de tension V3 et tant que la température du moteur 36 est inférieure à la température prédéterminée, l’énergie électrique régénérée est transmise au moteur 36.
Et lorsque la température du moteur 36 est supérieure à la température prédéterminée, l’énergie électrique régénérée est transmise à la ou aux résistances de freinage 46.
Ainsi, l’énergie électrique régénérée est transmise aux moyens de stockage 42 ou au générateur électrique 26 par une transmission inverse d’énergie à partir du moteur 36. En cas de surplus d’énergie électrique régénérée, cette dernière est transmise au moteur 36, puis à la ou aux résistances de freinage 46.
En particulier, l’inductance du générateur électrique 26 est utilisée comme inductance du convertisseur de tension 30 lorsque l’énergie électrique régénérée est transmise au générateur électrique 26.
En phase d’accélération, le générateur électrique 26 et les batteries fournissent de l’énergie électrique au moteur 36 lorsque la tension de ce dernier est supérieure au seuil de tension V4.
Toujours en phase d’accélération, le générateur électrique 26 fournit de l’énergie électrique au moteur 36 et recharge les batteries lorsque la tension du bus HVDC 32 est inférieure au seuil de tension V4. Les batteries sont rechargées jusqu’au seuil de tension V5.
Et enfin, en phase d’accélération, le générateur électrique 26 fournit seul de l’énergie électrique au moteur 36 lorsque la tension du bus HVDC 32 est supérieure au seuil de tension V5.

Claims (10)

  1. Architecture (20) de transfert de l’énergie électrique régénérée dans un aéronef, comprenant :
    • un générateur électrique (26) réversible entraîné par un arbre mécanique (24) et apte à délivrer une tension alternative,
    • un premier convertisseur de tension (30) quatre quadrants configuré pour convertir une tension alternative en tension continue, et inversement, le premier convertisseur de tension (30) étant agencé en sortie du générateur électrique (26),
    • un bus de communication (32) à courant continu et à haute tension alimenté par le premier convertisseur de tension (30),
    • un moteur (36) électrique de puissance réversible, ledit moteur (36) comprenant un deuxième convertisseur de tension (34) apte à fonctionner sur quatre quadrants et configuré pour convertir une tension continue en tension alternative, et inversement, le deuxième convertisseur de tension (34) étant connecté audit bus de communication (32),
    • des moyens de stockage (42) d’énergie électrique connectés audit bus de communication (32),
    • une résistance de freinage (46), et
    • un superviseur (48) configuré pour implémenter une loi de contrôle-commande des premier et deuxième convertisseurs de tension (30, 34) pour, en fonction de l’état d’organes de l’architecture, distribuer l’énergie électrique régénérée vers un ou plusieurs des organes de l’architecture, les organes de l’architecture étant lesdits moyens de stockage (42), le générateur électrique (26), ledit moteur (36) et la résistance de freinage (46).
  2. Architecture (20) selon la revendication précédente, dans laquelle la loi de contrôle-commande est implémentée dans le superviseur (48) pour distribuer l’énergie électrique régénérée vers :
    • lesdits moyens de stockage (42) lorsque la tension dudit bus de communication (32) est comprise entre une première et une deuxième tension (V1, V2) prédéterminée, la deuxième tension (V2) prédéterminée étant supérieure à la première tension (V1) prédéterminée,
    • le générateur électrique (26) lorsque la tension dudit bus de communication (32) est comprise entre la deuxième et une troisième tension (V2, V3) prédéterminée, la troisième tension (V3) prédéterminée étant supérieure à la deuxième tension (V2) prédéterminée,
    • ledit moteur (36) lorsque la tension dudit bus de communication (32) est supérieure à la troisième tension (V3) prédéterminée et lorsque la température dudit moteur (36) est inférieure à une température prédéterminée,
    • la résistance de freinage (46) lorsque la température dudit moteur (36) est supérieure à la température prédéterminée.
  3. Architecture (20) selon l’une des revendications précédentes, comprenant également un troisième convertisseur de tension (44) bidirectionnel configuré pour convertir une tension continue en tension continue, le troisième convertisseur de tension (44) étant agencé entre lesdits moyens de stockage (42) et ledit bus de communication (32), et dans laquelle le superviseur (48) est configuré pour implémenter une loi de contrôle-commande des premier, deuxième et troisième convertisseurs de tension (30, 34, 44) pour, en fonction de l’état des organes de l’architecture, distribuer l’énergie électrique régénérée vers un ou plusieurs des organes de l’architecture.
  4. Architecture (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le générateur électrique (26) est un générateur à aimant permanent, ou un générateur synchrone à excitation séparée, ou un générateur à reluctance variable avec excitation séparée ou auto-excité.
  5. Architecture (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de stockage (42) comprennent une ou une pluralité de batteries, par exemple de type Lithium-ion, et/ou un ou une pluralité de super-condensateurs, et/ou un ou une pluralité d’ultra-condensateurs.
  6. Architecture (20) selon l’une des revendications précédentes, comprenant également un bus de communication (50) à bande passante élevée reliant le superviseur (48) et les premier et deuxième convertisseurs de tension (30, 34), et dans laquelle le superviseur (48) est configuré pour contrôler la tension de ce bus de communication (50) par un statisme inverse de la tension.
  7. Procédé de transfert de l’énergie électrique régénérée dans une architecture (20) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel en mode de fonctionnement nominal, le générateur électrique (26) est entraîné par l’arbre mécanique (24) et fournit de la puissance audit moteur (36) via les premier et deuxième convertisseurs de tension (30, 34) et le bus de communication (32) à courant continu et à haute tension, et caractérisé en ce qu’en phase de freinage ou de décélération, une régénération d’énergie électrique est produite, et en ce que l’énergie électrique régénérée est transmise, en fonction de l’état des organes de l’architecture, à un organe de l’architecture suivant la loi de contrôle-commande des premier et deuxième convertisseurs de tension (30, 34).
  8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel :
    • lorsque la tension dudit bus de communication (32) est comprise entre la première et la deuxième tension (V1, V2) prédéterminée, l’énergie électrique régénérée est transmise auxdits moyens de stockage (42),
    • lorsque la tension dudit bus de communication (32) est comprise entre la deuxième et la troisième tension (V2, V3) prédéterminée, l’énergie électrique régénérée est transmise au générateur électrique (26),
    • lorsque la tension dudit bus de communication (32) est supérieure à la troisième tension (V3) prédéterminée et lorsque la température dudit moteur (36) est inférieure à la température prédéterminée, l’énergie électrique régénérée est transmise audit moteur (36), et
    • lorsque la température dudit moteur (36) est supérieure à la température prédéterminée, l’énergie électrique régénérée est transmise à la résistance de freinage (46).
  9. Procédé selon la revendication précédente, comprenant l’utilisation de l’inductance du générateur électrique (26) comme inductance du premier convertisseur de tension (30) lorsque l’énergie électrique régénérée est transmise au générateur électrique (26).
  10. Procédé selon l’une des revendications 7 à 9, dans lequel, en phase d’accélération :
    • lorsque la tension dudit bus de communication (32) est supérieure à une quatrième tension (V4) prédéterminée, le générateur électrique (26) et lesdits moyens de stockage (42) fournissent de l’énergie électrique audit moteur (36),
    • lorsque la tension dudit bus de communication (32) est inférieure à la quatrième tension (V4) prédéterminée, le générateur électrique (26) fournit de l’énergie électrique audit moteur (36) et recharge lesdits moyens de stockage (42) jusqu’à une cinquième tension (V5) prédéterminée, la cinquième tension (V5) prédéterminée étant supérieure à la quatrième tension (V4) prédéterminée, et
    • lorsque la tension dudit bus de communication (32) est supérieure à la cinquième tension (V5) prédéterminée, le générateur électrique (26) fournit de l’énergie électrique audit moteur (36).
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