WO2024256769A1 - Generateur a excitation hybride d'un systeme de propulsion hybride electrique - Google Patents

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WO2024256769A1
WO2024256769A1 PCT/FR2024/050730 FR2024050730W WO2024256769A1 WO 2024256769 A1 WO2024256769 A1 WO 2024256769A1 FR 2024050730 W FR2024050730 W FR 2024050730W WO 2024256769 A1 WO2024256769 A1 WO 2024256769A1
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synchronous machine
generator
voltage
brushless synchronous
converter
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Inventor
Benoît Lucien MICHAUD
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/33—Hybrid electric aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
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    • B64D27/35—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage
    • B64D27/357—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage using batteries
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the general field of hybrid aircraft propulsion systems and more particularly to a hybrid excitation generator for the electrical power supply of the propulsion system.
  • climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies around the world. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being or will be adopted by various states. In particular, an ambitious standard applies both to new types of aircraft as well as those in circulation requiring the implementation of technological solutions in order to make them compliant with current regulations. Civil aviation has been mobilizing for several years now to make a contribution to the fight against climate change.
  • turbojets are equipped with a hybrid electric propulsion system comprising at least one bidirectional electrical source connected to the high-pressure shaft and another connected to the low-pressure shaft of the turbojet. This electrical system supplies the loads of the aircraft and/or the propulsion engine.
  • the hybrid electric propulsion system 100 conventionally comprises, from upstream to downstream in the direction of gas flow, a fan 101, a low-pressure compressor BPI 10, a high-pressure compressor 120, a combustion chamber 130 which receives fuel 102, a high-pressure turbine 121, a low-pressure turbine 111 and a primary exhaust nozzle 103.
  • the compressor 110 and the turbine 111 are connected by the low-pressure shaft 112 and form a low-pressure body.
  • the compressor 120 and the turbine 121 are connected by the high-pressure shaft 122 and form, with the combustion chamber 130, a high-pressure body.
  • the high-pressure generator GHP is driven directly or via a transmission shaft by the high-pressure shaft 122.
  • the low-pressure generator GBP is driven by the low-pressure shaft 112.
  • this electric propulsion system is powered by wound rotor synchronous machines which have the advantage of being able to control the output voltage by the excitation circuit as well as the short-circuit current in the event of a fault.
  • these synchronous machines can be replaced by permanent magnet synchronous machines (151, 152) associated with power converters (161, 162). These converters make it possible to rectify and regulate the voltage to supply a DC continuous electrical network.
  • This solution is particularly suitable for generators connected to the high-pressure shaft 122 whose shaft rotation speed range is not very wide (speed ratio between 1.5 and 2.5), because over a wide speed range (ratio greater than 5), there is a risk of voltage control instability at high speed when high defluxing is used to limit current, and an increase in harness and power converter mass due to high currents at low speed.
  • the invention relates to a hybrid electric propulsion system for a turbojet engine comprising:
  • a first permanent magnet synchronous machine connected to a direct voltage to alternating voltage converter, intended to be connected to a high pressure shaft of the turbojet, and configured to operate in motor mode or in generator mode;
  • hybrid excitation generator comprising a brushless synchronous machine, a second permanent magnet synchronous machine connected in series to the brushless synchronous machine, and a rectifier bridge connected to the brushless synchronous machine
  • the hybrid excitation generator being intended to be connected to a low pressure shaft of the turbojet and the brushless synchronous machine comprising a generator, an exciter, rotating diodes placed between the generator and the exciter and a DC to DC converter connected to the exciter
  • the different operating modes make it possible to optimize the dimensioning and mass of the hybrid excitation generator system:
  • the brushless synchronous machine can compensate for the reactive energy of the second permanent magnet machine
  • the brushless synchronous machine operates in “boost” mode
  • the brushless synchronous machine operates in “brake” mode.
  • the operation of the constant current and voltage hybrid excitation generator is also independent of the speed of the low pressure shaft.
  • the synchronous machine is brushless allows the stator to not be complicated, as is usually the case in three-stage machines conventionally used as generators. Furthermore, by being brushless, the synchronous machine present in the hybrid excitation generator has an extended service life, since there is no longer any need to change the brushes regularly. Since there is no rotating contact, the excitation current is unidirectional.
  • the voltage of the DC power supply network can be controlled at constant power over a wide speed range with a unidirectional excitation current by current and voltage loops, unlike the prior art where this is controlled by the speed measurement.
  • the short-circuit current of the DC power supply network can be controlled in order to ensure conventional protection by load selectivity.
  • the hybrid excitation generator is protected against the risks of overheating thanks to the limitation of the short-circuit current.
  • Voltage control is compatible with conventional control electronics such as “Generator Control Unit” or GCU. It limits the short-circuit current in the event of an internal fault and controls the short-circuit current of the network in order to guarantee the selectivity of the protections.
  • the energy storage system comprises a DC voltage to DC voltage converter and a battery, the battery being connected to the DC voltage to DC voltage converter which is connected to the DC power supply network.
  • the DC voltage to DC voltage converter of the hybrid excitation generator of the brushless synchronous machine is connected to a DC voltage generator.
  • This generator is used to supply the excitation current to the exciter of the brushless synchronous machine when starting the turbojet.
  • the DC voltage to DC voltage converter of the hybrid excitation generator of the brushless synchronous machine is connected to an output of the rectifier bridge and to the DC power supply network.
  • Another subject of the invention relates to an aircraft comprising at least one turbojet engine equipped with a hybrid electric propulsion system according to the invention, the hybrid electric propulsion system supplying loads of the aircraft.
  • Yet another object of the invention is a method of controlling a hybrid electric propulsion system according to the invention comprising:
  • FIG. 1 Figure 1 schematically and partially represents a hybrid electric propulsion system according to the prior art.
  • FIG. 2 Figure 2 schematically and partially represents a hybrid electric propulsion system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 Figure 3 schematically and partially represents the brushless synchronous machine included in the hybrid electric propulsion system of the invention.
  • FIG. 4 Figure 4 schematically and partially represents a hybrid electric propulsion system according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically and partially represents a hybrid electric propulsion system 200 of a turbojet according to a first embodiment of the invention.
  • This system 200 makes it possible to supply electrical power to loads 270.
  • the loads 270 represent loads of an aircraft, such as engine loads and aircraft loads.
  • the engine loads can be pumps for fuel and/or oil, de-icing and/or different actuators.
  • the aircraft loads can be loads of all electrical systems, such as those of the flight controls and/or landing gear controls and/or pumps and/or air conditioning and/or wing de-icing and/or taxiing and/or the cabin electrical network and/or the converter for the low-voltage network, etc.
  • the system 200 comprises a first permanent magnet synchronous machine 230 connected to a direct voltage to alternating voltage converter 231.
  • This first permanent magnet synchronous machine 230 is intended to be connected to the high pressure shaft 222 of the turbojet.
  • the system 200 also comprises a hybrid excitation generator 240 intended to be connected to the low pressure shaft 212 of the turbojet engine.
  • This generator 240 comprises a rectifier bridge 243 connected to a brushless synchronous machine 242 shown in more detail in FIG. 3.
  • the brushless synchronous machine 242 is itself connected in series to a second permanent magnet synchronous machine 241.
  • the brushless synchronous machine 242 comprises a generator 3421, an exciter 3422 and rotating diodes 3423 connected between the generator 3421 and the exciter 3422.
  • This machine 242 does not comprise any rotating contacts, which makes it possible to extend the service life of the machine 242 because it is no longer necessary to change the brushes regularly.
  • the excitation current coming from a direct current source via the direct voltage to direct voltage converter 244 is supplied to the exciter 3422, and more particularly to its stator.
  • the rotor of the exciter 3422 is induced with an alternating voltage, the signal of which is rectified by the rotating diodes 3423. This makes it possible to supply the rotor of the generator 3421 with direct current which will thus generate a rotating magnetic field at the stator of generator 3421.
  • the stator of generator 3421 thus generates a three-phase current which will be rectified by rectifier bridge 243.
  • a direct voltage to direct voltage converter 244 is connected to the exciter 3422.
  • the DC to DC converter 244 which supplies the excitation current to the exciter 3422 is connected to a DC voltage generator 245.
  • This DC voltage generator 245 can be replaced by a permanent magnet generator connected to the low pressure shaft.
  • the system 200 may comprise an energy storage system 250 which may be a battery connected to a DC voltage to DC voltage converter, itself connected to the DC power supply network.
  • this energy storage system 250 makes it possible to consume the minimum energy necessary for controlling the voltage if the power consumed by the loads 270 of the turbojet engine is insufficient.
  • Figure 4 schematically and partially represents a hybrid electric propulsion system 400 of a turbojet according to a second embodiment of the invention.
  • the system 400 comprises a first permanent magnet synchronous machine 430 connected to a direct voltage to alternating voltage converter 431.
  • This first permanent magnet synchronous machine 430 is intended to be connected to the high pressure shaft 422 of the turbojet.
  • the system 400 also comprises a hybrid excitation generator 440 intended to be connected to the low-pressure shaft 412 of the turbojet engine.
  • This generator 440 comprises a rectifier bridge 443 connected to a brushless synchronous machine 442, the operation of which has been described previously with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the brushless synchronous machine 442 is itself connected in series to a second permanent magnet synchronous machine 441.
  • the DC to DC converter 444 which supplies the excitation current to the exciter 3422 is connected to the output of the rectifier bridge 443 and to the DC power supply network.
  • the converter 444 is powered directly by the output of the rectifier bridge 443, this makes it possible to have a completely autonomous control of the generator 4421, and to do without the permanent magnet generator which is conventionally connected to the same motor shaft, that is to say to the low pressure shaft 412, to start the generator 4421 when the engine starts.
  • the permanent magnet machine 441 generates a voltage sufficient to power the converter 444 to control the DC voltage and the excitation current of the exciter 4422.
  • the hybrid electric propulsion system 400 may comprise an energy storage system 450 which may be a battery connected to a DC voltage to DC voltage converter itself connected to the DC power supply network.
  • this energy storage system 450 makes it possible to consume the minimum energy necessary for controlling the voltage if the power consumed by the loads 470 of the turbojet is insufficient, and if it is not possible to adjust the control of the voltage of the DC power supply network by the DC voltage to AC voltage converter 431, for example in the case of a torque or power limitation imposed by the turbomachine.
  • the control of the voltage of the hybrid-excited generator can be achieved from current and voltage regulation loops as is already the case for three-stage generators.
  • a first PI (Proportional Integral) corrector generates a DC current setpoint from a measurement error of the DC voltage at the output of the rectifier bridge. This setpoint is limited by the short-circuit current setpoint of the network. This setpoint is in turn compared to the measurement of the network current, passes through a corrector, for example of the PI type, to generate the excitation current setpoint which is naturally limited to 0 by the rotating diodes.
  • the hybrid excitation generator can be designed to prioritize certain factors to optimize its sizing according to the application. We can use: - the hybridization ratio which compares the flux of the permanent magnet machine to the total flux of the hybrid excitation generator; or
  • the brushless synchronous machine and the second permanent magnet synchronous machine of the hybrid excitation generator are integrated together in the rotor and share the same stator. That is, they are placed in series on the rotor of the hybrid excitation generator and they share the same stator which forms the stator of the hybrid excitation generator.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a hybrid electric propulsion system as described above.
  • This hybrid electric propulsion system makes it possible to provide electrical power to the aircraft loads by controlling the voltage of the DC electrical network.

Landscapes

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Système (200) de propulsion électrique hybride d'un turboréacteur comprenant : - une première machine synchrone à aimants permanents (230) reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative (231) et destinée à être reliée à un arbre haute pression (222) du turboréacteur; - un générateur d'excitation hybride (240) comprenant une machine synchrone sans balais (242), une deuxième machine synchrone à aimants permanents (241) connectée en série à la machine synchrone sans balais, et un pont redresseur (243) connecté à la machine synchrone sans balais, le générateur d'excitation hybride étant destiné à être relié à un arbre basse pression (212) du turboréacteur et la machine synchrone sans balais comprenant une génératrice (3421), une excitatrice (3422), des diodes tournantes placées entre la génératrice et l'excitatrice et un convertisseur de tension continue en tension continue (244) relié à l'excitatrice; - un système de stockage d'énergie (250); et - un réseau d'alimentation électrique continu relié au convertisseur de tension continue en tension alternative et au pont redresseur.

Description

Description
Titre de l'invention : Générateur à excitation hybride d'un système de propulsion hybride électrique
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général des systèmes de propulsion hybrides d'aéronef et plus particulièrement à un générateur à excitation hybride pour l'alimentation électrique du système de propulsion.
Technique antérieure
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s'applique à la fois aux nouveaux types d'avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en oeuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L'aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d'améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l'environnement et dont l'intégration et l'utilisation dans l'aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d'amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l'emploi de méthodes et l'exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d'avions, l'allègement des appareils, et le développement de l'emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion. Ainsi, certains turboréacteurs sont équipés d'un système de propulsion électrique hybride comprenant au moins une source électrique bidirectionnelle connectée à l'arbre haute pression et une autre connectée à l'arbre basse pression du turboréacteur. Ce système électrique alimente les charges de l'avion et/ou du moteur propulsif.
Comme illustré en figure 1, le système de propulsion électrique hybride 100 comprend classiquement d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, une soufflante 101, un compresseur basse pression BPI 10, un compresseur haute pression 120, une chambre de combustion 130 qui reçoit du carburant 102, une turbine haute pression 121, une turbine basse pression 111 et une tuyère primaire d'échappement 103. Le compresseur 110 et la turbine 111 sont reliés par l'arbre basse pression 112 et forment un corps basse pression. Le compresseur 120 et la turbine 121 sont reliés par l'arbre haute pression 122 et forment, avec la chambre de combustion 130, un corps haute pression. Le générateur haute pression GHP est entraîné directement ou par l'intermédiaire d'un arbre de transmission par l'arbre haute pression 122. Le générateur basse pression GBP est entraîné par l'arbre basse pression 112.
Classiquement, ce système de propulsion électrique est alimenté par des machines synchrones à rotor bobiné qui ont l'avantage de pouvoir contrôler la tension de sortie par le circuit d'excitation ainsi que le courant de court-circuit en cas de défaut. Pour réduire la masse et le volume du système et améliorer son rendement et sa qualité de la tension, ces machines synchrones peuvent être remplacées par des machines synchrones à aimants permanents (151, 152) associées à des convertisseurs de puissance (161, 162). Ces convertisseurs permettent de redresser et de réguler la tension pour alimenter un réseau électrique continu DC. Cette solution est particulièrement adaptée aux générateurs reliés à l'arbre haute pression 122 dont la plage de vitesse de rotation de l'arbre est peu étendue (ratio de vitesse compris entre 1,5 et 2,5), car sur une grande plage de vitesse (ratio supérieur à 5), il y a un risque d'instabilité du contrôle de la tension à haute vitesse quand un fort défluxage est utilisé pour limiter le courant, et une augmentation de la masse des harnais et du convertisseur de puissance à cause des forts courants à basse vitesse.
Une solution consiste à utiliser un générateur à excitation hybridée qui permet de contrôler le courant de court-circuit sans utiliser de convertisseur commandé sur le circuit de puissance. Mais ce générateur nécessite une excitation en courant bidirectionnelle, comme décrit dans le brevet US 5 397 975, ce qui nécessite d'alimenter le rotor du générateur avec des collecteurs tournants, qui ont une durée de vie limitée, ou d'avoir une machine plus complexe avec une excitation au niveau du stator, telle que décrite dans l'article « Hybrid Excitation Synchronous Alternator Connected to a Diode Rectifier with a Resistive Load » de Y. Amara, A. H. Ben Ahmed, E. Hoang, L. Vido, M. Gabsi et M. Lécrivain publié dans EPE Journal 04/2006.
Il est donc souhaitable de disposer d'un système de propulsion électrique de masse et volume réduit pouvant supporter une plage de vitesse étendue.
Exposé de l'invention
L'invention concerne un système de propulsion électrique hybride d'un turboréacteur comprenant :
- une première machine synchrone à aimants permanents reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative, destinée à être reliée à un arbre haute pression du turboréacteur, et configurée pour fonctionner en mode moteur ou en mode générateur ;
- un générateur d'excitation hybride comprenant une machine synchrone sans balais, une deuxième machine synchrone à aimants permanents connectée en série à la machine synchrone sans balais, et un pont redresseur connecté à la machine synchrone sans balais, le générateur d'excitation hybride étant destiné à être relié à un arbre basse pression du turboréacteur et la machine synchrone sans balais comprenant une génératrice, une excitatrice, des diodes tournantes placées entre la génératrice et l'excitatrice et un convertisseur de tension continue en tension continue relié à l'excitatrice,
- un système de stockage d'énergie ; et
- un réseau d'alimentation électrique continu relié au convertisseur de tension continue en tension alternative et au pont redresseur.
Ainsi, grâce à l'invention, les différents modes de fonctionnement permettent d'optimiser le dimensionnement et la masse du système du générateur d'excitation hybride :
- à haute vitesse et forte puissance, la machine synchrone sans balais permet de compenser l'énergie réactive de la deuxième machine à aimants permanents ;
- à basse vitesse et forte puissance, la machine synchrone sans balais fonctionne en mode « boost » ; et
- à haute vitesse et faible puissance, la machine synchrone sans balais fonctionne en mode « frein ».
Le fonctionnement du générateur d'excitation hybride à courant et tension constantes se fait également indépendamment de la vitesse de l'arbre basse pression.
De plus, le fait que la machine synchrone soit sans balais, cela permet de ne pas complexifier le stator, comme cela est habituellement le cas dans les machines à trois étages classiquement utilisées comme générateur. Par ailleurs, en étant sans balais, la machine synchrone présente dans le générateur d'excitation hybride a une durée de vie est étendue, car il n'y a plus besoin de changer régulièrement des balais. Comme il n'y a pas de contact tournant, le courant d'excitation est unidirectionnel.
Ainsi, on peut contrôler la tension du réseau d'alimentation électrique continu à puissance constante sur une large plage de vitesse avec un courant d'excitation unidirectionnel par des boucles de courant et de tension contrairement à l'art antérieur où cela est asservi à la mesure de vitesse. De plus, grâce au générateur d'excitation hybride, on peut contrôler le courant de court-circuit du réseau d'alimentation électrique continu afin d'assurer une protection classique par sélectivité des charges. Ainsi, le générateur d'excitation hybride est protégé contre les risques de sur-échauffement grâce à la limitation du courant de court-circuit.
Le contrôle de la tension est compatible avec les électroniques de contrôle classiques de type « Unité de contrôle de générateur » ou GCU (« Generator Control Unit »). Il permet de limiter le courant de court-circuit en cas de défaut interne et de contrôler le courant de court-circuit du réseau afin de garantir la sélectivité des protections.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, le système de stockage d'énergie comprend un convertisseur de tension continue en tension continue et une batterie, la batterie étant reliée au convertisseur de tension continue en tension continue qui est relié au réseau d'alimentation électrique continu.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le convertisseur de tension continue en tension continue du générateur d'excitation hybride de la machine synchrone sans balais est connecté à un générateur de tension continue.
Ce générateur permet de fournir le courant d'excitation à l'excitatrice de la machine synchrone sans balais lors du démarrage du turboréacteur.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le convertisseur de tension continue en tension continue du générateur d'excitation hybride de la machine synchrone sans balais est connecté à une sortie du pont redresseur et au réseau d'alimentation électrique continu.
Cela permet d'avoir une excitation autonome de la machine synchrone sans balais et de se passer du générateur de tension continue (ou du générateur à aimants permanents classiquement branché sur les génératrices des avions) pour alimenter l'excitatrice de la machine synchrone sans balais lors du démarrage du turboréacteur.
Un autre objet de l'invention concerne un aéronef comprenant au moins un turboréacteur équipé d'un système de propulsion électrique hybride selon l'invention, le système de propulsion électrique hybride alimentant des charges de l'aéronef. Encore un autre objet de l'invention est un procédé de contrôle d'un système de propulsion électrique hybride selon l'invention comprenant :
- la compensation d'une énergie réactive de la deuxième machine synchrone à aimants permanents par la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à forte puissance ;
- le fonctionnement en mode « boost » de la machine synchrone sans balais à basse vitesse et à forte puissance ; et
- le fonctionnement en mode « frein » de la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à faible puissance ; le générateur d'excitation hybride fonctionnant à courant et tension constantes indépendamment d'une vitesse de l'arbre basse pression
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride selon l'art antérieur.
[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride selon un mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, la machine synchrone sans balais comprise dans le système de propulsion électrique hybride de l'invention.
[Fig. 4] La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Description des modes de réalisation La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride 200 d'un turboréacteur selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce système 200 permet de fournir une puissance électrique à des charges 270. Les charges 270 représentent des charges d'un aéronef, comme les charges moteurs et les charges avion. Les charges moteurs peuvent être des pompes pour le carburant et/ou l'huile, du dégivrage et/ou des différents actionneurs. Les charges avion peuvent être des charges de tous les systèmes électriques, comme ceux des commandes de vol et/ou des commandes des trains d'atterrissage et/ou des pompes et/ou de la climatisation et/ou du dégivrage des ailes et/ou du taxiing et/ou du réseau électrique de la cabine et/ou du convertisseur pour le réseau basse tension, etc...
Le système 200 comprend une première machine synchrone à aimants permanents 230 reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative 231. Cette première machine synchrone à aimants permanents 230 est destinée à être reliée à l'arbre haute pression 222 du turboréacteur.
Le système 200 comprend également un générateur d'excitation hybride 240 destiné à être relié à l'arbre basse pression 212 du turboréacteur. Ce générateur 240 comprend un pont redresseur 243 connecté à une machine synchrone sans balais 242 représentée plus en détails en figure 3. La machine synchrone sans balais 242 est elle-même connectée en série à une deuxième machine synchrone à aimants permanents 241.
La machine synchrone sans balais 242 comprend une génératrice 3421, une excitatrice 3422 et des diodes tournantes 3423 connectées entre la génératrice 3421 et l'excitatrice 3422. Cette machine 242 ne comprend aucun contact tournant, ce qui permet d'allonger la durée de vie de la machine 242 car il n'est plus nécessaire de changer régulièrement les balais. Le courant d'excitation venant d'une source de courant continu via le convertisseur de tension continue en tension continue 244 est fourni à l'excitatrice 3422, et plus particulièrement à son stator. Le rotor de l'excitatrice 3422 est induit d'une tension alternative, dont le signal est redressé par les diodes tournantes 3423. Cela permet d'alimenter le rotor de la génératrice 3421 en courant continu qui va ainsi générer un champ magnétique tournant au stator de la génératrice 3421. Le stator de la génératrice 3421 génère ainsi un courant triphasé qui va être redressé par le pont redresseur 243.
Afin d'alimenter l'excitatrice 3422 en courant continu, un convertisseur de tension continue en tension continue 244 est relié à l'excitatrice 3422.
Dans ce premier mode de réalisation, le convertisseur de tension continue en tension continue 244 qui fournit le courant d'excitation à l'excitatrice 3422 est relié à un générateur de tension continue 245. Ce générateur de tension continue 245 peut être remplacé par un générateur à aimants permanents relié à l'arbre basse pression.
Enfin le système 200 peut comprendre un système de stockage d'énergie 250 qui peut être une batterie connectée à un convertisseur de tension continue en tension continue, lui-même connecté au réseau d'alimentation électrique continu. En cas de vitesse élevée, ce système de stockage d'énergie 250 permet de consommer l'énergie minimale nécessaire au contrôle de la tension si la puissance consommée par les charges 270 du turboréacteur est insuffisante.
La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, un système de propulsion électrique hybride 400 d'un turboréacteur selon un second mode de réalisation de l'invention.
Le système 400 comprend une première machine synchrone à aimants permanents 430 reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative 431. Cette première machine synchrone à aimants permanents 430 est destinée à être reliée à l'arbre haute pression 422 du turboréacteur.
Le système 400 comprend également un générateur d'excitation hybride 440 destiné à être relié à l'arbre basse pression 412 du turboréacteur. Ce générateur 440 comprend un pont redresseur 443 connecté à une machine synchrone sans balais 442, dont le fonctionnement a été décrit précédemment en référence aux figures 2 et 3. La machine synchrone sans balais 442 est elle-même connectée en série à une deuxième machine synchrone à aimants permanents 441.
Dans ce second mode de réalisation, le convertisseur de tension continue en tension continue 444 qui fournit le courant d'excitation à l'excitatrice 3422 est relié à la sortie du pont redresseur 443 et au réseau d'alimentation électrique continu. Ainsi le convertisseur 444 est alimenté directement par la sortie du pont redresseur 443, cela permet d'avoir un contrôle de la génératrice 4421 totalement autonome, et de se passer du générateur à aimant permanent qui est classiquement connecté au même arbre moteur, c'est-à-dire à l'arbre basse pression 412, pour démarrer la génératrice 4421 au démarrage du moteur. Ainsi, au démarrage, dès que l'arbre basse pression 412 se met à tourner, la machine à aimants permanents 441 génère une tension suffisante pour alimenter le convertisseur 444 pour contrôler la tension continue et le courant d'excitation de l'excitatrice 4422.
Comme précédemment, le système de propulsion électrique hybride 400 peut comprendre un système de stockage d'énergie 450 qui peut être une batterie connectée à un convertisseur de tension continue en tension continue relié lui-même au réseau d'alimentation électrique continu. En cas de vitesse élevée, ce système de stockage d'énergie 450 permet de consommer l'énergie minimale nécessaire au contrôle de la tension si la puissance consommée par les charges 470 du turboréacteur est insuffisante, et s'il n'est pas possible d'ajuster le contrôle de la tension du réseau d'alimentation électrique continu par le convertisseur de tension continue en tension alternative 431, par exemple dans le cas d'une limitation de couple ou de puissance imposée par la turbomachine.
Dans les deux modes de réalisation décrits, le contrôle de la tension de la génératrice à excitation hybride peut être réalisé à partir de boucles de régulation en courant et tension comme c'est déjà le cas pour les génératrices à trois étages. Par exemple, un premier correcteur de PI (Proportionnel Intégral) génère une consigne de courant continu à partir d'une erreur de mesure de la tension continue en sortie du pont redresseur. Cette consigne est limitée par la consigne de courant de court- circuit du réseau. Cette consigne est à son tour comparée à la mesure du courant réseau, passe par un correcteur, par exemple de type PI, pour générer la consigne du courant d'excitation qui est naturellement limitée à 0 par les diodes tournantes.
De plus, le générateur d'excitation hybride peut être conçu de façon à prioriser certains facteurs pour optimiser son dimensionnement en fonction de l'application. On peut utiliser : - le ratio d'hybridation qui compare le flux de la machine à aimants permanents au flux total du générateur d'excitation hybride ; ou
- le ratio de puissance entre la machine à aimants permanents et la machine synchrone sans balais en fonction du ratio d'hybridation et ainsi optimiser la masse ou le rendement du générateur ; ou
- le courant de court-circuit à excitation nulle par la force électromotrice à vide de la machine à aimants permanents et par l'inductance de la machine synchrone sans balais ; ou encore
- la courbe de fonctionnement à puissance minimale en fonction de l'application.
Quel que soit le mode de réalisation, la machine synchrone sans balais et la deuxième machine synchrone à aimants permanents du générateur d'excitation hybride sont intégrés ensemble dans le rotor et partagent le même stator. Autrement dit, elles sont placées en série sur le rotor du générateur d'excitation hybride et elles partagent le même stator qui forme le stator du générateur d'excitation hybride.
L'invention concerne également un aéronef comprenant un système de propulsion électrique hybride tel que décrit précédemment. Ce système de propulsion électrique hybride permet de fournir une puissance électrique aux charges de l'aéronef en contrôlant la tension du réseau électrique continu.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de contrôle d'un système (200, 400) de propulsion électrique hybride d'un turboréacteur comprenant :
- une première machine synchrone à aimants permanents (230, 430) reliée à un convertisseur de tension continue en tension alternative (231, 431), destinée à être reliée à un arbre haute pression (222, 422) du turboréacteur, et configurée pour fonctionner en mode moteur ou en mode générateur ;
- un générateur d'excitation hybride (240, 440) comprenant une machine synchrone sans balais (242, 442), une deuxième machine synchrone à aimants permanents (241, 441) connectée en série à la machine synchrone sans balais (242, 442), et un pont redresseur (243, 443) connecté à la machine synchrone sans balais (242, 442), le générateur d'excitation hybride étant destiné à être relié à un arbre basse pression (212, 412) du turboréacteur et la machine synchrone sans balais (242, 442) comprenant une génératrice (3421), une excitatrice (3422), des diodes tournantes (3423) placées entre la génératrice et l'excitatrice et un convertisseur de tension continue en tension continue (244, 444) relié à l'excitatrice ;
- un système de stockage d'énergie (250) ; et
- un réseau d'alimentation électrique continu relié au premier convertisseur de tension continue en tension alternative (231, 431) et au pont redresseur (243, 443) ; le procédé comprenant :
- la compensation d'une énergie réactive de la deuxième machine synchrone à aimants permanents par la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à forte puissance ;
- le fonctionnement en mode « boost » de la machine synchrone sans balais à basse vitesse et à forte puissance ; et - le fonctionnement en mode « frein » de la machine synchrone sans balais à haute vitesse et à faible puissance ; le générateur d'excitation hybride fonctionnant à courant et tension constantes indépendamment d'une vitesse de l'arbre basse pression.
[Revendication 2] Procédé de contrôle selon la revendication 1, dans lequel le système de stockage d'énergie comprend un convertisseur de tension continue en tension continue et une batterie, la batterie étant reliée au convertisseur de tension continue en tension continue qui est relié au réseau d'alimentation électrique continu.
[Revendication 3] Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le convertisseur de tension continue en tension continue (244) du générateur d'excitation hybride (240) de la machine synchrone sans balais (242) est connecté à un générateur de tension continue (245).
[Revendication 4] Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le convertisseur de tension continue en tension continue (444) du générateur d'excitation hybride (440) de la machine synchrone sans balais (442) est connecté à une sortie du pont redresseur (443) et au réseau d'alimentation électrique continu.
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