WO2020136333A1 - Protection contre les surtensions d'un système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante - Google Patents

Protection contre les surtensions d'un système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante Download PDF

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WO2020136333A1
WO2020136333A1 PCT/FR2019/053202 FR2019053202W WO2020136333A1 WO 2020136333 A1 WO2020136333 A1 WO 2020136333A1 FR 2019053202 W FR2019053202 W FR 2019053202W WO 2020136333 A1 WO2020136333 A1 WO 2020136333A1
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WO
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inverter
voltage
generator
input terminals
regulation
Prior art date
Application number
PCT/FR2019/053202
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English (en)
Inventor
Alexis RENOTTE
Benoit Michaud
Original Assignee
Safran Electrical & Power
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Filing date
Publication date
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Priority to US17/418,351 priority Critical patent/US11677229B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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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
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
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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
    • H02P9/102—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 for limiting effects of transients

Definitions

  • the present invention relates generally to electrical generation systems used in aircraft. It relates more particularly to a constant frequency and variable speed system, called the VSCF system from English: "Variable Speed Constant Frequency”.
  • a first electrical energy generation system comprises a generator connected to a power distribution center which supplies loads for the aircraft.
  • a circuit known as a “crowbar” circuit is capable of short-circuiting the power lines between the generator and the distribution center. These power lines are then connected to the neutral of the electrical network of the aircraft in order to drop the voltage.
  • a line contactor is open and the generator excitation is interrupted.
  • equipment for rapidly demagnetizing the generator by cutting off its excitation by discharging the inductance of the excitation coil of the generator in a resistor.
  • I therefore offer a protection solution independent of the generator control, dissimilar, and dimensioned on relatively low powers compared to those brought into play by the previous equipment because it acts only on the excitation of the generator and not on the main power of the machine.
  • variable speed and constant frequency system the variable speed and constant frequency system
  • VSCF system the variable speed and constant frequency system
  • It is a power generation system that includes a generator directly driven by the aircraft engine and a power converter to convert the generator output into constant frequency power for the loads of the aircraft.
  • Such a VSCF system conventionally includes a voltage regulation system.
  • An example of an electrical energy generation system of this type is described in WO 92 17930. It includes a clipping system for suppressing overvoltages on the continuous network, as well as its regulation.
  • This clipping system interacts with a voltage regulation system by exciting the generator. This implies that the clipping system and the voltage regulation system by excitation of the generator are not independent.
  • this clipping system is limited to a single generator configuration.
  • the object of the invention is to propose a device for protection against overvoltages of a variable speed and constant frequency system (VSCF) which is independent of the voltage regulation system which equips the VSCF system.
  • the invention aims to solve the problems of the prior art by providing a system of electric power generation at variable speed and constant frequency comprising at least one DC generator connected by a DC bus to the input terminals of at least one inverter and at least one module for regulating the output voltage of the at least one inverter, the inverter comprising one or two inverter modules each connected to the input terminals of the inverter, a midpoint capacitive connected to the neutral of the aircraft being connected to the input terminals of the inverter via two respective capacitors,
  • a circuit comprising at least one switch in series with a resistor, the circuit being connected between the input terminals of the at least one inverter,
  • a first voltage sensor for measuring the voltage between a first input terminal of the inverter and the capacitive midpoint
  • a second voltage sensor for measuring the voltage between a second input terminal of the inverter and the midpoint capacitive and two switches respectively between the first terminal of the inverter and the capacitive midpoint and between the second terminal of the inverter and the capacitive midpoint
  • a control circuit connected to the first and to the second measurement sensor and able to receive a voltage respectively measured by the first and the second measurement sensor, compare the measured voltage to a threshold and order the closing of at least one switch if the measured voltage is greater than the threshold and the opening of the at least one switch otherwise.
  • the overvoltage protection device makes it possible to prevent overvoltages at the output of the variable speed and constant frequency electrical generation system (VSCF), that is to say at the level of aircraft loads which are powered by the VSCF system.
  • VSCF variable speed and constant frequency electrical generation system
  • the overvoltage protection device is independent of the voltage regulation system which equips the VSCF system.
  • the regulation can be carried out by controlling the generator excitation voltage or by controlling the inverter.
  • the overvoltage protection device does not require a measurement of the voltage at the output of the VSCF system.
  • the overvoltage protection device makes it possible to limit the DC voltage within the VSCF system without impacting the control of the generator.
  • the dynamic control constraints on the regulation system are therefore limited.
  • the overvoltage protection device is compatible with a system architecture comprising several sources of energy and / or connected to several electrical distribution networks.
  • the device according to the invention allows additional time to compensate for this overvoltage by the voltage regulation system or to initiate a protective action, which limits the stresses on the generator and its regulation.
  • the device according to the invention allows better continuity of service of the loads of the aircraft.
  • the device according to the invention limits overvoltages upstream of the inverter, which limits the transmission of faults.
  • the device according to the invention prevents the occurrence of a DC voltage in output of the inverter in the event of a short circuit of a semiconductor of the inverter, without short-circuiting the generator.
  • the at least one voltage regulation module at the output of the at least one inverter is adapted to control the at least one inverter or to control the excitation current of the at least one generator.
  • control circuit is capable of receiving a voltage value measured at the output of the at least one inverter by at least one voltage sensor, and capable of controlling the opening of a line contactor located in output of the at least one inverter.
  • control circuit is able to control the stopping of the operation of the at least one inverter.
  • control circuit is able to control the stopping of the excitation of the at least one generator.
  • the invention also relates to a method for protecting against overvoltages of a system with variable speed and constant frequency in the particular embodiment of the invention previously presented, characterized in that it comprises steps of:
  • the invention also relates to a power generation system with variable speed and constant frequency comprising at least one DC generator connected by a DC bus to the input terminals of at least one inverter and at least one module for regulating the output voltage of the at least one inverter,
  • FIG. 1 represents an electrical power supply system equipped with a device for protection against overvoltages according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2a represents a first embodiment of a voltage regulation module equipping the electrical supply system of FIG. 1,
  • FIG. 2b represents a second embodiment of a voltage regulation module equipping the electrical supply system of FIG. 1,
  • FIG. 3 represents the overvoltage protection device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents the RMS voltages at the regulation point, with and without the overvoltage protection device according to the invention
  • FIG. 5 represents the overvoltage protection device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 6e represent timing diagrams in the event of a short circuit of a semiconductor of the inverter shown in FIG. 5
  • FIG. 7 represents the operation of the overvoltage protection device in the event of a short circuit of a semiconductor of the inverter shown in FIG. 5, according to an embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows the overvoltage protection device according to a third embodiment of the invention.
  • a power supply system 10 comprises a constant frequency and variable speed system (VSCF) driven by a primary motor 1 via a shaft 2.
  • the primary motor is typically a motor of aircraft.
  • the VSCF system 10 From its input connected to the shaft 2, the VSCF system 10 comprises a generator 11. It is a DC generator or, in an equivalent manner, an AC generator connected to an AC rectifier or converter. /continued. The first case is considered below. Output terminals of the generator 11 are connected to a DC link, or power bus, 12. The DC link 12 is connected to the input terminals of an inverter, or DC / AC converter 14.
  • the inverter 14 has a three-phase output at constant frequency, delivering for example an alternating voltage of 115 V phase-neutral or 230 V phase-neutral.
  • the output of the inverter 14 is a regulation point 15, connected to a power distribution center 3.
  • the power distribution center 3 supplies aircraft loads that are not shown.
  • the VSCF system comprises a device for protection against overvoltage, or voltage limiter, 16 connected to the power bus 12, upstream of the inverter 14.
  • the voltage limiter 16 is described below.
  • the overvoltage protection device makes it possible to prevent overvoltages at the output of the VSCF system, that is to say at the level of aircraft loads which are supplied by the VSCF system.
  • filters are conventionally used. They have been omitted in Figure 1 to simplify the presentation.
  • the VSCF system comprises a module 4 for regulating the voltage at the regulation point 15, a first embodiment of which is shown in FIG. 2a.
  • a module 4 for regulating the voltage at the regulation point 15 a first embodiment of which is shown in FIG. 2a.
  • the generator 11, the inverter 14 and the regulation point 15 of the VSCF system have been represented.
  • the output of the inverter 14 is three-phase, but for simplicity, it is shown in Figures 2a and 2b as if it were single-phase.
  • the regulation of the voltage at regulation point 15 can be carried out in two modes.
  • inverter master In the first mode, called "inverter master", the regulation of the voltage at the regulation point 15 is implemented by the control of the inverter 14.
  • the control of the excitation of the generator 11 is slaved to the control of the inverter which optimizes the DC voltage within the VSCF system to minimize system losses and the mass of the output filter.
  • the regulation module 4 comprises voltage sensors 41 and current sensors 42 at the regulation point 15, for measuring respectively the voltage and the current at the regulation point on each phase. To simplify the presentation, we consider below a single voltage sensor and a single current sensor.
  • the voltage sensor 41 is connected to a first comparator 43 which compares the measured voltage with a set value, for example equal to 115 V.
  • the output of the first comparator 43 is connected to different cascade regulation stages 44i, 44 2 and 44 3 .
  • a limiter 45 for limiting the current setpoint and a second comparator 46 are connected in series between the regulation stages 44i and 44 2 .
  • the current sensor 42 is connected to the second comparator 46 which compares the current setpoint at the output of the limiter 45 and the current measured at the regulation point 15.
  • the output of the second comparator 46 is connected to the input of the regulation stage 44 2 .
  • a first output of the regulation stage 44 2 is connected to a pulse width modulation (PWM) circuit 47, the output of which is connected to the inverter 14.
  • PWM pulse width modulation
  • a second output of the regulation stage 44 2 is connected to the regulation stage 44 3 , the output of which is connected to the generator 11.
  • the regulation stage 44 3 makes it possible to control the excitation current of the generator 11, and thus its output voltage.
  • FIG. 2b represents the second embodiment of the voltage regulation module 4 at the regulation point 15.
  • the generator 11, the inverter 14 and the regulation point 15 of the VSCF system have been represented.
  • the second mode is a voltage regulation at the regulation point 15 by controlling the excitation current of the generator 11.
  • the inverter 14 is in follower with a fixed modulation rate which imposes a voltage output at the regulation point 15 proportional to the voltage at the DC link 12.
  • the regulation is independent of the voltage at the DC link 12.
  • the regulation module 5 includes voltage sensors 51 and current sensors 52 at the regulation point 15, for measuring respectively the voltage and the current at the regulation point for each phase. As before, to simplify the presentation, we consider below a single voltage sensor and a single current sensor.
  • the voltage sensor 51 is connected to a comparator 53 which compares the measured voltage with a voltage setpoint, for example equal to 115 V.
  • the output of the first comparator 53 is connected to a cascade regulation stage 54.
  • the current sensor 52 is connected to a limiter 55 which also receives the voltage setpoint.
  • the output of the limiter 55 is connected to an input of the regulation stage 54.
  • the output of the regulation stage 54 is connected to the generator 11.
  • the regulation stage 54 makes it possible to control the excitation current of the generator 11, and thus its output voltage.
  • the current sensor 52 also has an output connected to an input of a limiter 56 whose output is connected to the inverter 14.
  • the limiter 56 is able to modify the control commands to the inverter 14 to limit the current at the regulation point during a network short-circuit.
  • FIG. 3 represents more particularly the voltage limiter 16 according to a first embodiment.
  • the clipper 16 is integrated into the VSCF system or, alternatively, it is arranged in separate equipment and is connected to the VSCF system.
  • the limiter 16 is connected between the input terminals of the inverter 14. It therefore acts on the voltage of the DC link 12, upstream of the inverter 14.
  • the limiter 16 includes a voltage sensor V dC 161 for measuring the voltage at the input terminals of the inverter 14.
  • the sensor 161 is connected to a circuit 162 for controlling the limiter 16 to supply it with the voltage V dC measured.
  • the control circuit 162 is connected to a switch 163.
  • the switch 163 is for example a bipolar transistor, in particular an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or a field effect transistor, in particular a MOSFET.
  • the clipper 16 may include several switches. In the following, we consider the case of a field effect transistor.
  • the control circuit 162 is then connected to the gate of the field effect transistor 163.
  • control circuit 162 is also connected to a voltage sensor at the regulation point (not shown), to the generator control circuit and to the control circuit of the inverter.
  • the field effect transistor 163 has its source connected to an input terminal of the inverter 14 and its drain is connected in series with a resistor 164, itself connected in parallel with a diode 165.
  • the resistor 164 and the diode 165 are also connected to the other input terminal of the inverter 14.
  • the resistor 164 allows energy to be dissipated when the switch 163 is closed.
  • a capacitor C is connected between the input terminals of the inverter 14 and that the output of the inverter is connected to the regulation point 15 through a filter 17 known per se.
  • the control of the clipper switch can be carried out according to different regulation modes, for example of the PI type or of the hysteresis type. The example of a hysteresis control is described below.
  • the operation of the clipper is then as follows.
  • the sensor 161 measures the voltage Vd C.
  • the measured voltage Vd C is compared by the control circuit 162 to a threshold which depends on a voltage level below a maximum voltage limit at the regulation point 15. As long as the voltage V dC remains below the threshold, the switch 163 is open and clipper 16 is inactive.
  • the limiter 16 is activated.
  • the control circuit 162 controls the closing of the switch 163 so as to lower the voltage Vd C.
  • the operation of the clipper is independent of the regulation of the voltage at the regulation point, whether it is a regulation of the generator excitation or by the control of the inverter. Indeed, a regulation of the generator excitation is independent of the DC voltage within the VSCF system and therefore of the action of the clipper, because the threshold used by the clipper is higher, than the gain of the inverter. close, at the voltage setpoint at regulation point 15. Thus, even if the limiter is activated, the voltage regulation at regulation point is not affected. In the case of a regulation carried out by the inverter control, the activation of the clipper limits the stresses on the generator and on the inverter by limiting the voltage and protects the system in the event of failure of the control of the 'inverter.
  • control circuit 162 can also control the opening of the line contactor, not shown, located at the regulation point and proceed to cut the excitation of the generator.
  • the voltage sensor at the regulation point measures the voltage at the regulation point and supplies the measured value to the control circuit 162.
  • the value of the voltage measurement at the regulation point can indicate an overvoltage.
  • the control circuit 162 can then control the opening of the line contactor and command the opening of all the switches of the inverter to stop the inverter control.
  • the clipper can also act to order cutting the excitation of the machine and controlling the opening of the line contactor in order to protect the aircraft electrical network in the event of a fault.
  • FIG. 4 represents the RMS voltages at the regulation point, with and without the clipper according to the invention.
  • the curves 100 represent the RMS voltages not to be exceeded by the voltage generation system during the load shedding or short-circuit clarification transients.
  • Curve 101 represents the voltage for a VSCF generation system with an “excitation master” type control.
  • the amplitude of the overvoltage is directly linked to the design of the generator (main stator) and requires limiting the inductance of the machine to limit the overvoltage.
  • the duration of the plateau of curve 101 is linked to the design of the main rotor and in particular to the energy stored in this circuit (1/2 U 2 ) and to the discharge time constant of this circuit through its internal resistance and the rotating diodes.
  • L / R which has a direct impact on the losses of the machine and its mass. Reducing the inductance L will require increasing the current of the main rotor to generate an equivalent induction and can lead to limitations related to the saturation of the magnetic circuit as well as an increase in the losses in the rotor in I 2 . Increasing the resistance R will also increase the losses and lead to greater heating. This transient imposes very significant constraints on the design of the generator and in particular on the design of the main rotor.
  • Curve 101 The voltage decrease slope (curve 101) is mainly managed by the generator excitation control circuit, but the response time of the excitation circuit can also slow down the system response time.
  • Curve 102 represents the voltage for the VSCF system equipped with the clipper according to the invention.
  • the clipper according to the invention makes it possible to limit the constraints on the design of the generator, to limit the constraints on the semiconductors of the inverters (voltage resistance of the components and losses by switching) and also to limit the constraints on the excitation circuit by increasing its response time.
  • the first case is a simple modulation, without harmonic 3 or vector control.
  • the transfer function of the inverter during nominal control is: where r is the modulation depth of the inverter, r ⁇ l, and V por is the voltage at the regulation point 15.
  • the clipper acts as a buffer between regulating the generator excitation and the line voltage. Activation of the clipper gives the system additional time to confirm a possible fault.
  • the voltage at the regulation point 15 is limited to 135.5 Vrms.
  • the clipper 16 makes it possible to detect a control fault in the inverter 14.
  • the clipper 16 is activated and then limits the voltage V dC . This provides a delay of 10 to 15 ms to request opening of the line contactor, shutting down the inverter and energizing the generator.
  • the voltage at the regulation point thus remains below a predetermined value.
  • FIG. 5 represents a second embodiment of a voltage limiter adapted to the case of an inverter 24 equipped with a capacitive midpoint PM connected to the neutral of the aircraft.
  • the inverter 24 comprises one or two inverter modules, in the example shown two inverter modules 24i and 24 2 each connected to the input terminals of the inverter.
  • the midpoint PM is connected to the input terminals of the inverter via two respective capacitors Cl and C2.
  • the clipper 26 is connected between the input terminals of the inverter 24.
  • the clipper 26 comprises a voltage sensor 261i for measuring the voltage V dci between a first terminal, for example the positive terminal, of input of the inverter 24 and point capacitive medium PM, that is to say the neutral of the aircraft.
  • the clipper 26 includes a voltage sensor 261 2 for measuring the voltage V dC2 between the other terminal, for example the negative terminal, input of the inverter 24 and the capacitive midpoint PM.
  • the sensors 261i and 26I 2 are connected to a circuit 262 for controlling the clipper 26 to supply it with the voltages V dci and V dC2 measured.
  • the control circuit 262 is connected to switches 263i and 263 2 respectively between the first terminal of the inverter 24 and the capacitive midpoint PM and between the second terminal of the switch and the capacitive midpoint PM.
  • the switches include for example transistors, here four in number by way of example.
  • the switches 263i and 263 2 are each connected to a respective energy dissipation resistor 264i and 264 2 .
  • the resistors 264i and 264 2 are on the other hand each connected to a respective input terminal of the inverter 24.
  • the clipper 26 is in a way a double clipper comprising two similar clipper modules, one between the first input terminal of the inverter 24 and the capacitive midpoint PM and the other between the second input terminal of the inverter 24 and the capacitive midpoint PM.
  • the output of the inverter 24 is connected to the regulation point 15 through a filter 27 known per se.
  • Figures 6a to 6e show an example of timing diagrams in the event of a short circuit of a semiconductor of the inverter equipped with a capacitive midpoint as shown in the previous figure.
  • the clipper 26 improves the protection of the electrical network of the aircraft against the appearance of a DC voltage at the output of the inverter.
  • V is the DC voltage at the end of capacitor discharge
  • Uo is the initial voltage across the capacitor
  • t is the discharge time
  • t is the time constant RC, with R which is the resistance of the clipper and C la capacitance of the capacitor at the input terminals of the inverter.
  • the use of the clipper 26 also makes it possible not to short-circuit the generator for the time necessary to cut the excitation to the generator rotor, and thus limits the short-circuit current seen by the generator.
  • FIG. 6a represents the appearance of a short circuit on a semiconductor of the inverter, here an inverter semiconductor connected to the first input terminal of the inverter 24.
  • FIG. 6b represents the control of the first clipping module.
  • FIG. 6c represents the voltage V por at the regulation point 15.
  • FIG. 6d represents the voltage Vci across the terminals of the capacitor C1 and the voltage Vc 2 across the terminals of the capacitor C2.
  • Figure 6e shows the control of the second clipping module.
  • FIG. 7 represents the operation of the overvoltage protection device in the event of a short circuit of a semiconductor of the inverter equipped with a capacitive midpoint as shown in FIG. 5, in the form of a flowchart comprising steps E1 to E5.
  • step E1 When in step E1 a short circuit on an inverter semiconductor connected to the first input terminal of the inverter 24 is detected (FIG. 6a), this step is followed by step E2 in which the first clipping module is ordered (Figure 6b) after 10 ps with a duty cycle of 1.
  • the first clipping module is ordered ( Figure 6b) after 10 ps with a duty cycle of 1.
  • the next step E3 is the stopping of the control of the two inverter modules.
  • the next step E4 is the command to open the line contactor and cut the generator excitation current.
  • step E4 is followed by step E5 at which a time delay, for example of 100 ms, is started. At the end of this time delay, the generator is de-energized.
  • the second clipping module (FIG. 6e) is then controlled to discharge the capacitor C2 through the resistor 264 2 .
  • the device is then in the safety position and has prevented the appearance of a DC voltage at the output of the inverter in less than 2 ms.
  • FIG. 8 represents a voltage limiter according to a third embodiment of the invention.
  • the VSCF system is adapted to be driven by two primary motors h and I2 via respective shafts 2i and 22.
  • the VSCF system From its inputs connected to shafts 2i and 2, the VSCF system comprises two respective generators lli and II2. It should be noted that, as a variant, several generators can be driven by the same motor. Output terminals generators lli and II2 are connected to two direct current links, or power buses, respectively 12i and 12 2 . The direct current links 12i and 12 2 are connected to the input terminals of two respective inverters, or DC / AC converter, 14i and 14 2 .
  • the inverters 14i and 14 2 respectively have three-phase outputs at constant frequency, delivering for example an alternating voltage of 115 V phase-neutral or 230 V phase-neutral.
  • the outputs of the inverters 14i and 14 2 are regulation points 15i and 15 2 , connected to power distribution centers 3i and 3 2 .
  • the power distribution centers 3i and 3 2 supply unrepresented aircraft loads.
  • the VSCF system also comprises two modules 4i and 4 2 for regulating the voltage at the regulation point 15i and 15 2 .
  • the VSCF system comprises a device for protection against overvoltages, or voltage limiter, 16 connected to the power buses 12i and 122, upstream of the inverters 14i and 14 2 .
  • the voltage limiter 16 is similar to that which has been previously described.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)

Abstract

Dispositif de protection contre les surtensions d'un système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante comportant au moins un générateur à courant continu (11) relié par un bus à courant continu (12, 121,122) aux bornes d'entrée d'au moins un onduleur (14) et au moins un module de régulation (4, 5, 41, 42) de la tension en sortie de l'au moins un onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (16) comportant au moins un interrupteur en série avec une résistance, le circuit étant relié entre les bornes d'entrée de l'au moins un onduleur, au moins un capteur de mesure de la tension continue aux bornes d'entrée de l'au moins un onduleur, Un circuit de commande relié à l'au moins un capteur de mesure et apte à recevoir une tension mesurée par l'au moins un capteur de mesure, comparer la tension mesurée à un seuil et commander la fermeture de l'au moins un interrupteur si la tension mesurée est supérieure au seuil et son ouverture sinon.

Description

DESCRI PTION
Titre : PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS D'UN SYSTEME DE GEN ERATION
D'ENERGI E ELECTRIQU E A VITESSE VARIABLE ET FREQUENCE CONSTANTE
DOMAI NE TECHN IQUE
La présente invention concerne de manière générale les systèmes de génération électrique utilisés dans les aéronefs. Elle concerne plus particulièrement un système à fréquence constante et à vitesse variable, dit système VSCF d'après l'anglais : « Variable Speed Constant Frequency ».
TECHNIQUE ANTÉRI EU RE
Dans le domaine aéronautique, il est connu d'utiliser un générateur électrique pour alimenter des équipements d'un aéronef. I l est nécessaire de prévoir des équipements pour empêcher des surtensions de se produire.
Ainsi un premier système de génération d'énergie électrique comporte un générateur relié à un centre de distribution de puissance qui alimente des charges de l'aéronef. En cas de surtension, un circuit dit circuit « crowbar » est apte à court-circuiter les lignes de puissance entre le générateur et le centre de distribution. Ces lignes de puissance sont alors reliées au neutre du réseau électrique de l'aéronef afin de faire chuter la tension. Un contacteur de ligne est ouvert et l'excitation du générateur est interrompue.
Ainsi, l'apparition d'une surtension a pour conséquence une interruption de service, avant un redémarrage du système électrique.
I l est à noter que le circuit « crowbar » agit juste en a mont du centre de distribution de puissance, ce qui implique qu'un défaut électrique qui se produit se transmet dans tout le circuit de puissance.
Dans une autre application de génération d'énergie électrique, un équipement est prévu pour démagnétiser rapidement le générateur en coupant son excitation par une décharge de l'inductance de la bobine d'excitation du générateur da ns une résistance. I l offre ainsi une solution de protection indépendante du système de contrôle du générateur, dissimilaire, et dimensionnée sur des puissances relativement faibles comparées à celles mise en jeu par l'équipement précédent car il n'agit que sur l'excitation du générateur et pas sur la puissance principale de la machine.
Cependant, cette solution impose la mise en série du dispositif de protection dans la ligne de l'excitation machine. Cela impacte donc les performances de régulation en ajoutant des chutes de tension sur le câblage d'excitation.
Par ailleurs, un type de système pour générer de l'énergie électrique à partir du ou des moteurs de l'aéronef et à destination des différents équipements électriques équipant l'aéronef est le système à vitesse variable et fréquence constante, dit système VSCF d'après l'anglais « Variable Speed Constant Frequency ». Il s'agit d'un système de génération de puissance qui comporte un générateur entraîné directement par le moteur de l'aéronef et un convertisseur de puissance pour convertir la sortie du générateur en puissance de fréquence constante pour les charges de l'aéronef.
Un tel système VSCF comporte classiquement un système de régulation de la tension.
Un exemple de système de génération d'énergie électrique de ce type est décrit dans WO 92 17930. Il comporte un système d'écrêtage pour supprimer les surtensions sur le réseau continu, ainsi que sa régulation.
Ce système d'écrêtage interagit avec un système de régulation de la tension par l'excitation du générateur. Cela implique que le système d'écrêtage et le système de régulation de la tension par l'excitation du générateur ne sont pas indépendants.
De plus, ce système d'écrêtage est limité à une configuration à un unique générateur.
L'invention a pour but de proposer un dispositif de protection contre les surtensions d'un système à vitesse variable et fréquence constante (VSCF) qui soit indépendant du système de régulation de la tension qui équipe le système VSCF. EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante comportant au moins un générateur à courant continu relié par un bus à courant continu aux bornes d'entrée d'au moins un onduleur et au moins un module de régulation de la tension en sortie de l'au moins un onduleur, l'onduleur comportant un ou deux modules d'onduleurs chacun relié aux bornes d'entrée de l'onduleur, un point milieu capacitif relié au neutre de l'aéronef étant relié aux bornes d'entrée de l'onduleur via deux condensateurs respectifs,
caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de protection contre les surtensions comportant
Un circuit comportant au moins un interrupteur en série avec une résistance, le circuit étant relié entre les bornes d'entrée de l'au moins un onduleur,
un premier capteur de tension pour mesurer la tension entre une première borne d'entrée de l'onduleur et le point milieu capacitif, un second capteur de tension pour mesurer la tension entre une seconde borne d'entrée de l'onduleur et le point milieu capacitif et deux interrupteurs respectivement entre la première borne de l'onduleur et le point milieu capacitif et entre la seconde borne de l'onduleur et le point milieu capacitif,
Un circuit de commande relié au premier et au second capteur de mesure et apte à recevoir une tension respectivement mesurée par le premier et le second capteur de mesure, comparer la tension mesurée à un seuil et commander la fermeture d'au moins un interrupteur si la tension mesurée est supérieure au seuil et l'ouverture de l'au moins un interrupteur sinon. Le dispositif de protection contre les surtensions selon l'invention permet d'empêcher les surtensions en sortie du système de génération électrique à vitesse variable et fréquence constante (VSCF), c'est-à-dire au niveau des charges d'aéronef qui sont alimentées par le système VSCF.
Le dispositif de protection contre les surtensions selon l'invention est indépendant du système de régulation de la tension qui équipe le système VSCF. La régulation peut être réalisée par le contrôle de la tension d'excitation du générateur ou par le contrôle de l'onduleur.
Il y a ainsi une segrégation claire entre le système de régulation et le dispositif de protection contre les surtensions. Par ailleurs, le contacteur de ligne, la gestion de l'excitation et le dispositif de coupure des circuits de modulation de largeur d'impulsion (PWM) jouent le rôle de protection de second rang et sont dissimilaires du dispositif de protection contre les surtensions.
Le dispositif de protection contre les surtensions selon l'invention ne nécessite pas de mesure de la tension en sortie du système VSCF.
Le dispositif de protection contre les surtensions selon l'invention permet de limiter la tension continue au sein du système VSCF sans impacter le contrôle du générateur. Les contraintes de contrôle dynamique sur le système de régulation sont donc limitées.
Le dispositif de protection contre les surtensions selon l'invention est compatible avec une architecture de système comportant plusieurs sources d'énergie et/ou relié à plusieurs réseaux de distribution électrique.
En limitant les surtensions en sortie de l'onduleur, le dispositif selon l'invention permet d'avoir un délai supplémentaire pour compenser cette surtension par le système de régulation de la tension ou pour engager une action de protection, ce qui limite les contraintes sur le générateur et sa régulation.
Ce délai supplémentaire permet par exemple d'utiliser le contacteur de ligne comme moyen de protection, malgré son temps d'ouverture relativement long, par exemple de l'ordre de 30 ms.
Le dispositif selon l'invention permet une meilleure continuité de service des charges de l'aéronef.
Le dispositif selon l'invention limite les surtensions en amont de l'onduleur, ce qui limite la transmission des défauts.
Pour le système VSCF comportant un onduleur équipé d'un point milieu capacitif, le dispositif selon l'invention empêche l'apparition d'une tension continue en sortie de l'onduleur en cas de court-circuit d'un semi-conducteur de l'onduleur, sans court-circuiter le générateur.
Selon des caractéristiques préférées alternatives, l'au moins un module de régulation de la tension en sortie de l'au moins un onduleur est adapté pour contrôler l'au moins un onduleur ou pour contrôler le courant d'excitation de l'au moins un générateur.
Selon une caractéristique préférée, le circuit de commande est apte à recevoir une valeur de tension mesurée en sortie de l'au moins un onduleur par au moins un capteur de tension, et apte à commander l'ouverture d'un contacteur de ligne situé en sortie de l'au moins un onduleur.
Selon une caractéristique préférée, le circuit de commande est apte à commander l'arrêt du fonctionnement de l'au moins un onduleur.
Selon une caractéristique préférée, le circuit de commande est apte à commander l'arrêt de l'excitation de l'au moins un générateur.
L'invention concerne aussi un procédé de protection contre les surtensions d'un système à vitesse variable et fréquence constante dans le mode particulier de réalisation de l'invention précédemment présenté, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de :
Détection d'un court-circuit sur un semi-conducteur d'onduleur connecté à l'une des bornes d'entrée de l'onduleur,
Commande de la fermeture de l'interrupteur correspondant à ladite une des bornes d'entrée de l'onduleur,
Arrêt de la commande de l'onduleur,
Commande d'ouverture du contacteur de ligne et coupure du courant d'excitation du générateur,
Commande de la fermeture de l'interrupteur correspondant à l'autre des bornes d'entrée de l'onduleur après une temporisation.
L'invention concerne aussi un système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante comportant au moins un générateur à courant continu relié par un bus à courant continu aux bornes d'entrée d'au moins un onduleur et au moins un module de régulation de la tension en sortie de l'au moins un onduleur,
caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de protection contre les surtensions tel que précédemment présenté.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles :
[Fig. 1] représente un système d'alimentation électrique équipé d'un dispositif de protection contre les surtensions selon un mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 2a] représente un premier mode de réalisation d'un module de régulation de tension équipant le système d'alimentation électrique de la figure 1,
[Fig. 2b] représente un second mode de réalisation d'un module de régulation de tension équipant le système d'alimentation électrique de la figure 1,
[Fig. 3] représente le dispositif de protection contre les surtensions selon un premier mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 4] représente les tensions RMS au point de régulation, avec et sans le dispositif de protection contre les surtensions selon l'invention,
[Fig. 5] représente le dispositif de protection contre les surtensions selon un second mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 6a]
[Fig. 6b]
[Fig. 6c]
[Fig. 6d]
[Fig. 6e] représentent des chronogrammes en cas de court-circuit d'un semi-conducteur de l'onduleur représenté à la figure 5, [Fig. 7] représente le fonctionnement du dispositif de protection contre les surtensions en cas de court-circuit d'un semi-conducteur de l'onduleur représenté à la figure 5, selon un mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 8] représente le dispositif de protection contre les surtensions selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Selon un mode de réalisation préféré représenté à la figure 1, un système d'alimentation électrique 10 comporte un système à fréquence constante et à vitesse variable (VSCF) entraîné par un moteur primaire 1 via un arbre 2. Le moteur primaire est typiquement un moteur d'aéronef.
A partir de son entrée reliée à l'arbre 2, le système VSCF 10 comporte un générateur 11. Il s'agit d'un générateur à courant continu ou de manière équivalente d'un générateur à courant alternatif relié à un redresseur ou convertisseur alternatif/continu. On considère dans la suite le premier cas. Des bornes de sortie du générateur 11 sont reliées à une liaison à courant continu, ou bus de puissance, 12. La liaison à courant continu 12 est reliée aux bornes d'entrée d'un onduleur, ou convertisseur continu/alternatif 14.
L'onduleur 14 a une sortie triphasée à fréquence constante, délivrant par exemple une tension alternative de 115 V phase-neutre ou 230 V phase-neutre. La sortie de l'onduleur 14 est un point de régulation 15, relié à un centre de distribution de puissance 3. Le centre de distribution de puissance 3 alimente des charges d'aéronef non représentées.
Selon l'invention, le système VSCF comporte un dispositif de protection contre les surtensions, ou écrêteur de tension, 16 relié au bus de puissance 12, en amont de l'onduleur 14. L'écrêteur de tension 16 est décrit dans la suite. Le dispositif de protection contre les surtensions permet d'empêcher les surtensions en sortie du système VSCF, c'est-à-dire au niveau des charges d'aéronef qui sont alimentées par le système VSCF. Il est à noter que des filtres sont classiquement utilisés. Ils ont été omis dans la figure 1 pour simplifier l'exposé.
Le système VSCF comporte un module 4 de régulation de tension au point de régulation 15, dont un premier mode de réalisation est représenté à la figure 2a. Dans cette figure, seuls le générateur 11, l'onduleur 14 et le point de régulation 15 du système VSCF ont été représentés. On rappelle que la sortie de l'onduleur 14 est triphasée, mais pour simplifier, elle est représentée aux figures 2a et 2b comme si elle était monophasée.
La régulation de la tension au point de régulation 15 peut être réalisée suivant deux modes.
Dans le premier mode, dit « inverter master », la régulation de la tension au point de régulation 15 est mise en œuvre par le contrôle de l'onduleur 14. Le contrôle de l'excitation du générateur 11 est asservi au contrôle de l'onduleur ce qui permet d'optimiser la tension continu au sein du système VSCF pour minimiser les pertes du système et la masse du filtre de sortie.
Le module de régulation 4 comporte des capteurs de tension 41 et des capteurs de courant 42 au point de régulation 15, pour mesurer respectivement la tension et le courant au point de régulation sur chaque phase. Pour simplifier l'exposé, on considère dans la suite un seul capteur de tension et un seul capteur de courant.
Le capteur de tension 41 est relié à un premier comparateur 43 qui compare la tension mesurée à une valeur de consigne, par exemple égale à 115 V.
La sortie du premier comparateur 43 est reliée à différents étages de régulation en cascade 44i, 442 et 443.
Un limiteur 45 pour limiter la consigne de courant et un second comparateur 46 sont reliés en série entre les étages de régulation 44i et 442. Le capteur de courant 42 est relié au second comparateur 46 qui compare la consigne de courant en sortie du limiteur 45 et le courant mesuré au point de régulation 15.
La sortie du second comparateur 46 est reliée à l'entrée de l'étage de régulation 442. Une première sortie de l'étage de régulation 442 est reliée à un circuit de modulation de largeur d'impulsion (PWM) 47 dont la sortie est reliée à l'onduleur 14. Le circuit 47 est apte à délivrer des ordres de contrôle à l'onduleur 14.
Une seconde sortie de l'étage de régulation 442 est reliée à l'étage de régulation 443 dont la sortie est reliée au générateur 11. L'étage de régulation 443 permet de contrôler le courant d'excitation du générateur 11, et ainsi sa tension de sortie.
La figure 2b représente le second mode de réalisation du module 4 de régulation de tension au point de régulation 15. Dans cette figure, seuls le générateur 11, l'onduleur 14 et le point de régulation 15 du système VSCF ont été représentés.
Le second mode, dit « excitation master » est une régulation de la tension au point de régulation 15 par le contrôle du courant d'excitation du générateur 11. L'onduleur 14 est en suiveur avec un taux de modulation fixe ce qui impose une tension de sortie au point de régulation 15 proportionnelle à la tension au niveau de la liaison à courant continu 12. La régulation est indépendante de la tension au niveau de la liaison à courant continu 12.
Le module de régulation 5 comporte des capteurs de tension 51 et des capteurs de courant 52 au point de régulation 15, pour mesurer respectivement la tension et le courant au point de régulation pour chaque phase. Comme précédemment, pour simplifier l'exposé, on considère dans la suite un seul capteur de tension et un seul capteur de courant.
Le capteur de tension 51 est relié à un comparateur 53 qui compare la tension mesurée à une valeur de consigne de tension, par exemple égale à 115 V.
La sortie du premier comparateur 53 est reliée à un étage de régulation en cascade 54.
Le capteur de courant 52 est relié à un limiteur 55 qui reçoit également la valeur de consigne de tension. La sortie du limiteur 55 est reliée à une entrée de l'étage de régulation 54.
La sortie de l'étage de régulation 54 est reliée au générateur 11. L'étage de régulation 54 permet de contrôler le courant d'excitation du générateur 11, et ainsi sa tension de sortie. Le capteur de courant 52 a également une sortie reliée à une entrée d'un limiteur 56 dont la sortie est reliée à l'onduleur 14.
Le limiteur 56 est apte à modifier les ordres de contrôle à l'onduleur 14 pour limiter le courant au point de régulation lors d'un court-circuit réseau.
La figure 3 représente plus particulièrement l'écrêteur de tension 16 selon un premier mode de réalisation. L'écrêteur 16 est intégré au système VSCF ou en variante il est disposé dans un équipement distinct et est relié au système VSCF.
L'écrêteur 16 est relié entre les bornes d'entrée de l'onduleur 14. Il agit donc sur la tension de la liaison à courant continu 12, en amont de l'onduleur 14.
L'écrêteur 16 comporte un capteur 161 de tension VdC pour mesurer la tension aux bornes d'entrée de l'onduleur 14. Le capteur 161 est relié à un circuit 162 de commande de l'écrêteur 16 pour lui fournir la tension VdC mesurée. Le circuit de commande 162 est relié à un interrupteur 163. L'interrupteur 163 est par exemple un transistor bipolaire, notamment un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT), ou un transistor à effet de champ, notamment un MOSFET. L'écrêteur 16 peut comporter plusieurs interrupteurs. Dans la suite, on considère le cas d'un transistor à effet de champ. Le circuit de commande 162 est alors relié à la grille du transistor à effet de champ 163.
En variante, le circuit de commande 162 est aussi relié à un capteur de tension au point de régulation (non représenté), au circuit de contrôle de générateur et au circuit de commande de l'onduleur.
Le transistor à effet de champ 163 a sa source reliée à une borne d'entrée de l'onduleur 14 et son drain est relié en série avec une résistance 164, elle- même reliée en parallèle avec une diode 165. La résistance 164 et la diode 165 sont d'autre part reliées à l'autre borne d'entrée de l'onduleur 14. La résistance 164 permet de dissiper l'énergie lorsque l'interrupteur 163 est fermé.
Il est à noter qu'un condensateur C est relié entre les bornes d'entrée de l'onduleur 14 et que la sortie de l'onduleur est reliée au point de régulation 15 au travers d'un filtre 17 connu en soi. La commande de l'interrupteur de l'écrêteur peut être réalisée selon différent mode de régulation, par exemple de type PI ou encore de type à hystérésis. On décrit dans la suite l'exemple d'une commande à hystérésis.
Le fonctionnement de l'écrêteur est alors le suivant. Le capteur 161 mesure la tension VdC. La tension VdC mesurée est comparée par le circuit de commande 162 à un seuil qui dépend d'un niveau de tension inférieur à une limite maximale de tension au point de régulation 15. Tant que la tension VdC demeure inférieure au seuil, l'interrupteur 163 est ouvert et l'écrêteur 16 est inactif.
Si la tension VdC dépasse le seuil, l'écrêteur 16 est activé. Le circuit de commande 162 commande la fermeture de l'interrupteur 163 de manière à faire baisser la tension VdC.
Le fonctionnement de l'écrêteur est indépendant de la régulation de la tension au point de régulation, qu'il s'agisse d'une régulation de l'excitation du générateur ou par le contrôle de l'onduleur. En effet, une régulation de l'excitation du générateur est indépendante de la tension continue au sein du système VSCF et donc de l'action de l'écrêteur, car le seuil utilisé par l'écrêteur est supérieur, au gain de l'onduleur près, à la consigne de tension au point de régulation 15. Ainsi, même si l'écrêteur est activé, la régulation de tension au point de régulation n'est pas affectée. Dans le cas d'une régulation effectuée par le contrôle de l'onduleur, l'activation de l'écrêteur limite les contraintes sur le générateur et sur l'onduleur en limitant la tension et protège le système en cas de défaillance du contrôle de l'onduleur.
En cas de dysfonctionnement ou de tension trop élevée, le circuit de commande 162 peut également commander l'ouverture du contacteur de ligne, non représenté, situé au niveau du point de régulation et procéder à la coupure de l'excitation du générateur.
En variante, le capteur de tension au point de régulation mesure la tension au point de régulation et fournit la valeur mesurée au circuit de commande 162. La valeur de la mesure de tension au point de régulation peut indiquer une surtension. Le circuit de commande 162 peut alors commander l'ouverture du contacteur de ligne et commander l'ouverture de tous les interrupteurs de l'onduleur pour stopper la commande de l'onduleur.
Selon une autre variante, l'écrêteur peut aussi agir pour commander de couper l'excitation de la machine et commander l'ouverture du contacteur de ligne afin de protéger le réseau électrique avion en cas de défaut.
La figure 4 représente les tensions RMS au point de régulation, avec et sans l'écrêteur selon l'invention.
Plus précisément, les courbes 100 représentent les tensions RMS à ne pas dépasser par le système de génération de tension pendant les transitoires de délestage ou de clarification de court-circuit.
La courbe 101 représente la tension pour un système de génération VSCF avec un contrôle type « excitation master ».
L'amplitude de la surtension est directement liée au design du générateur (stator principal) et impose de limiter l'inductance de la machine pour limiter la surtension.
La durée du plateau de la courbe 101 est liée au design du rotor principal et notamment à l'énergie stockée dans ce circuit (1/2 U2) et à la constante de temps de décharge de ce circuit à travers sa résistance interne et les diodes tournantes. Afin de réduire cette durée, il est nécessaire de réduire la constante de temps L/R ce qui a un impact direct sur les pertes de la machine et sa masse. Réduire l'inductance L va nécessiter l'augmentation du courant du rotor principal pour générer une induction équivalente et peut amener à des limitations liées à la saturation du circuit magnétique ainsi qu'une augmentation des pertes dans le rotor en I2. Augmenter la résistance R va également augmenter les pertes et conduire à un échauffement plus important. Ce transitoire impose des contraintes très importantes sur le design du générateur et en particulier sur le design du rotor principal.
La pente de décroissance de la tension (courbe 101) est principalement gérée par le circuit de contrôle de l'excitation du générateur, mais le temps de réponse du circuit d'excitation peut lui aussi ralentir le temps de réponse du système. La courbe 102 représente la tension pour le système VSCF équipé de l'écrêteur selon l'invention.
Il est possible de limiter la tension au point de régulation par l'écrêteur.
De plus, l'écrêteur selon l'invention permet de limiter les contraintes sur le design du générateur, de limiter les contraintes sur les semi-conducteurs des onduleurs (tenue en tension des composants et pertes par commutation) et également de limiter les contraintes sur le circuit d'excitation en augmentant son temps de réponse.
On détaille maintenant le fonctionnement nominal de l'écrêteur. Deux cas sont à considérer pour définir le gain maximum de l'onduleur entre la tension continue d'entrée et la tension de sortie de l'onduleur.
Le premier cas est une modulation simple, sans harmonique 3 ni contrôle vectoriel. On détaille maintenant le fonctionnement de l'écrêteur dans ce cas.
La fonction de transfert de l'onduleur lors du contrôle nominal est :
Figure imgf000015_0001
où r est la profondeur de modulation de l'onduleur, r<l, et Vpor est la tension au point de régulation 15.
Dans ce cas de contrôle, en limitant la tension VdC du bus 12 à 384 V, on limite la tension au point de régulation 15 à 135,8 Vrms.
L'écrêteur agit comme un tampon entre la régulation de l'excitation du générateur et la tension réseau. L'activation de l'écrêteur permet de donner au système un temps supplémentaire pour confirmer un éventuel défaut. Lorsque l'écrêteur est activé :
Soit la régulation de l'excitation réussit à réduire la tension du bus DC et l'écrêteur se réouvre,
Soit l'écrêteur reste fermé plus de 40ms et l'ouverture du contacteur de ligne et l'arrêt du fonctionnement de l'onduleur sont commandés, dans le cas du mode « inverter master » où l'excitation du générateur est asservie au contrôle de l'onduleur ; de plus l'arrêt de l'excitation du générateur est commandé, dans le cas du mode « excitation master ». Le second cas est un contrôle de la tension au point de régulation 15 utilisant l'harmonique 3. On détaille maintenant le fonctionnement de l'écrêteur dans ce cas.
Dans le cas d'un contrôle fondé sur l'harmonique 3, la fonction de transfert de l'onduleur devient :
Figure imgf000016_0001
Ainsi, en limitant la tension VdC à 332 V, on limite la tension au point de régulation 15 à 135,5 Vrms.
Dans le cas d'un contrôle fondé sur l'harmonique 3, on peut encore utiliser l'écrêteur pour limiter les transitoires de tension. Cette configuration a l'avantage de limiter la tension VdC à une valeur inférieure et donc de diminuer l'impact sur l'onduleur 14 en termes de tenue en tension et pertes.
L'écrêteur 16 selon l'invention permet de détecter un défaut de régulation de l'onduleur 14.
Dans ce cas, l'écrêteur 16 est activé et limite alors la tension VdC. Cela fournit un délai de 10 à 15 ms pour demander l'ouverture du contacteur de ligne, arrêter l'onduleur et l'excitation du générateur.
La tension au point de régulation reste ainsi inférieure à une valeur prédéterminée.
La figure 5 représente un second mode de réalisation d'écrêteur de tension adapté au cas d'un onduleur 24 équipé d'un point milieu capacitif PM relié au neutre de l'aéronef.
L'onduleur 24 comporte un ou deux modules d'onduleur, dans l'exemple représenté deux modules d'onduleur 24i et 242 chacun relié aux bornes d'entrée de l'onduleur. Le point milieu PM est relié aux bornes d'entrée de l'onduleur via deux condensateurs respectifs Cl et C2.
L'écrêteur 26 est relié entre les bornes d'entrée de l'onduleur 24. L'écrêteur 26 comporte un capteur 261i de tension pour mesurer la tension Vdci entre une première borne, par exemple la borne positive, d'entrée de l'onduleur 24 et le point milieu capacitif PM, c'est-à-dire le neutre de l'aéronef. De manière similaire, l'écrêteur 26 comporte un capteur 2612 de tension pour mesurer la tension VdC2 entre l'autre borne, par exemple la borne négative, d'entrée de l'onduleur 24 et le point milieu capacitif PM.
Les capteurs 261i et 26I2 sont reliés à un circuit 262 de commande de l'écrêteur 26 pour lui fournir les tensions Vdci et VdC2 mesurées. Le circuit de commande 262 est relié à des interrupteurs 263i et 2632 respectivement entre la première borne de l'onduleur 24 et le point milieu capacitif PM et entre la seconde borne de l'interrupteur et le point milieu capacitif PM. Les interrupteurs comportent par exemple des transistors, ici au nombre de quatre à titre d'exemple.
Les interrupteurs 263i et 2632 sont chacun reliés à une résistance respective de dissipation d'énergie 264i et 2642. Les résistances 264i et 2642 sont d'autre part reliées chacune à une borne d'entrée respective de l'onduleur 24.
L'écrêteur 26 est en quelque sorte un double écrêteur comportant deux modules écrêteurs similaires, l'un entre la première borne d'entrée de l'onduleur 24 et le point milieu capacitif PM et l'autre entre la seconde borne d'entrée de l'onduleur 24 et le point milieu capacitif PM.
Il est à noter que la sortie de l'onduleur 24 est reliée au point de régulation 15 au travers d'un filtre 27 connu en soi.
Le fonctionnement de l'écrêteur 26 est décrit dans la suite.
Les figures 6a à 6e représentent un exemple de chronogrammes en cas de court-circuit d'un semi-conducteur de l'onduleur équipé d'un point milieu capacitif tel que représenté à la figure précédente.
L'écrêteur 26 améliore la protection du réseau électrique de l'aéronef contre l'apparition d'une tension continue en sortie de l'onduleur.
En cas de court-circuit d'un semi-conducteur de l'onduleur, la tension présente aux bornes du demi-pont capacitif sera appliquée sur la tension de sortie au point de régulation. Les actions classiques de protection du réseau électrique sont de couper l'excitation de la machine et d'ouvrir un contacteur en sortie de l'onduleur. Ces protections ont un temps de réponse supérieur à 10 ms, alors que la composante continue de la tension de sortie doit être inférieure à 6V en moins de 5ms. Dans le cas d'un onduleur tel que représenté à la figure 3, il est possible de détecter un défaut d'un semi-conducteur en moins de 10ps (protection désaturation), d'activer rapidement l'interrupteur de l'écrêteur et de décharger ainsi le condensateur à travers la résistance en moins de 2ms :
Figure imgf000018_0001
où :
V est la tension continue en fin de décharge de condensateur, Uo est la tension initiale aux bornes du condensateur, t est le temps de décharge, t est la constante de temps RC, avec R qui est la résistance de l'écrêteur et C la capacité du condensateur aux bornes d'entrée de l'onduleur.
Dans le cas d'un onduleur équipé d'un point milieu capacitif, tel que représenté à la figure 5, l'utilisation de l'écrêteur 26 permet en plus de ne pas court- circuiter le générateur pendant le temps nécessaire pour couper l'excitation au rotor du générateur, et limite ainsi le courant de court-circuit vu par le générateur.
La figure 6a représente l'apparition d'un court-circuit sur un semi- conducteur de l'onduleur, ici un semi-conducteur d'onduleur connecté à la première borne d'entrée de l'onduleur 24. La figure 6b représente la commande du premier module écrêteur. La figure 6c représente la tension Vpor au point de régulation 15. La figure 6d représente la tension Vci aux bornes du condensateur Cl et la tension Vc2 aux bornes du condensateur C2. La figure 6e représente la commande du second module écrêteur.
La figure 7 représente le fonctionnement du dispositif de protection contre les surtensions en cas de court-circuit d'un semi-conducteur de l'onduleur équipé d'un point milieu capacitif tel que représenté à la figure 5, sous la forme d'un organigramme comportant des étapes El à E5.
Lorsqu'à l'étape El un court-circuit sur un semi-conducteur d'onduleur connecté à la première borne d'entrée de l'onduleur 24 est détecté (figure 6a), cette étape est suivie de l'étape E2 à laquelle le premier module écrêteur est commandé (figure 6b) au bout de 10 ps avec un rapport cyclique de 1. Cela permet de décharger le condensateur Cl via la résistance 264i en moins de 2ms et protéger ainsi les charges connectées au réseau électrique de l'aéronef. Pendant ce temps, les protections de l'onduleur auront inhibé les commandes de l'ensemble des semi-conducteurs (ou interrupteurs) afin d'empêcher la circulation du courant de défaut.
Ainsi, la décharge du condensateur Cl par la résistance 264i permet de garantir l'absence de composante continue sur le réseau (figure 6c) en moins de 5ms sans pour autant court-circuiter le générateur, puisque le second module écrêteur est resté ouvert. Cela aura uniquement pour conséquence de charger le condensateur C2 à la tension du bus à courant continu (figure 6d).
L'étape suivante E3 est l'arrêt de la commande des deux modules d'onduleurs.
L'étape suivante E4 est la commande d'ouverture du contacteur de ligne et la coupure du courant d'excitation du générateur.
Une fois le contacteur de ligne ouvert et le courant d'excitation du générateur coupé, l'étape E4 est suivie de l'étape E5 à laquelle une temporisation, par exemple de 100 ms, est lancée. A l'issue de cette temporisation, le générateur est désexcité. Le deuxième module écrêteur (figure 6e) est alors commandé pour décharger le condensateur C2 à travers la résistance 2642.
Le dispositif est alors en position de sécurité et a empêché l'apparition d'une tension continue en sortie de l'onduleur en moins de 2ms.
En cas de court-circuit sur un semi-conducteur d'onduleur connecté à la seconde borne de l'onduleur 24, le fonctionnement est similaire en inversant la commande des premier et second modules écrêteur.
La figure 8 représente un écrêteur de tension selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le système VSCF est adapté pour être entraîné par deux moteurs primaires h et I2 via des arbres respectifs 2i et 22.
A partir de ses entrées reliées aux arbres 2i et 2 , le système VSCF comporte deux générateurs respectifs lli et II2. Il est à noter qu'en variante plusieurs générateurs peuvent être entraînés par un même moteur. Des bornes de sortie des générateurs lli et II2 sont reliées à deux liaisons à courant continu, ou bus de puissance, respectives 12i et 122. Les liaisons à courant continu 12i et 122 sont reliées aux bornes d'entrée de deux onduleurs respectifs, ou convertisseur continu/alternatif, 14i et 142.
Les onduleurs 14i et 142 ont respectivement des sorties triphasées à fréquence constante, délivrant par exemple une tension alternative de 115 V phase- neutre ou 230 V phase-neutre. Les sorties des onduleurs 14i et 142 sont des points de régulation 15i et 152, reliés à des centres de distribution de puissance 3i et 32. Les centres de distribution de puissance 3i et 32 alimentent des charges d'aéronef non représentées.
Le système VSCF comporte encore deux modules 4i et 42 de régulation de tension au point de régulation 15i et 152.
Selon l'invention, le système VSCF comporte un dispositif de protection contre les surtensions, ou écrêteur de tension, 16 relié aux bus de puissance 12i et 122, en amont des onduleurs 14i et 142. L'écrêteur de tension 16 est similaire à celui qui a été précédemment décrit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante comportant au moins un générateur à courant continu relié par un bus à courant continu aux bornes d'entrée d'au moins un onduleur (24) et au moins un module de régulation de la tension en sortie de l'au moins un onduleur, l'onduleur comportant un ou deux modules d'onduleurs chacun relié aux bornes d'entrée de l'onduleur, un point milieu capacitif relié au neutre de l'aéronef étant relié aux bornes d'entrée de l'onduleur via deux condensateurs respectifs (Cl, C2),
caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de protection contre les surtensions comportant
Un circuit (16) comportant au moins un interrupteur (263i, 2632) en série avec une résistance (264i, 2642), le circuit étant relié entre les bornes d'entrée de l'au moins un onduleur,
un premier capteur (261i) de tension pour mesurer la tension (Vdcl) entre une première borne d'entrée de l'onduleur (24) et le point milieu capacitif, un second capteur (26I2) de tension pour mesurer la tension (Vdc2) entre une seconde borne d'entrée de l'onduleur 24 et le point milieu capacitif et deux interrupteurs (263i, 2632) respectivement entre la première borne de l'onduleur (24) et le point milieu capacitif et entre la seconde borne de l'onduleur et le point milieu capacitif,
Un circuit de commande (262) relié au premier et au second capteur de mesure et apte à recevoir une tension respectivement mesurée par le premier et le second capteur de mesure, comparer la tension mesurée à un seuil et commander la fermeture d'au moins un interrupteur si la tension mesurée est supérieure au seuil et l'ouverture de l'au moins un interrupteur sinon.
2. Système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'au moins un module de régulation de la tension en sortie de l'au moins un onduleur est adapté pour contrôler l'au moins un onduleur.
3. Système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'au moins un module de régulation de la tension en sortie de l'au moins un onduleur est adapté pour contrôler le courant d'excitation de l'au moins un générateur.
4. Système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de commande est apte à recevoir une valeur de tension mesurée en sortie de l'au moins un onduleur par au moins un capteur de tension, et apte à commander l'ouverture d'un contacteur de ligne situé en sortie de l'au moins un onduleur.
5. Système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de commande est apte à commander l'arrêt du fonctionnement de l'au moins un onduleur.
6. Système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de commande est apte à commander l'arrêt de l'excitation de l'au moins un générateur.
7. Procédé de protection contre les surtensions d'un système de génération d'énergie électrique à vitesse variable et fréquence constante selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de :
Détection (El) d'un court-circuit sur un semi-conducteur d'onduleur connecté à l'une des bornes d'entrée de l'onduleur (24),
Commande (E2) de la fermeture de l'interrupteur correspondant à ladite une des bornes d'entrée de l'onduleur,
Arrêt (E3) de la commande de l'onduleur,
Commande (E4) d'ouverture du contacteur de ligne et coupure du courant d'excitation du générateur, Commande (E5) de la fermeture de l'interrupteur correspondant à l'autre des bornes d'entrée de l'onduleur après une temporisation.
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WO1992017930A1 (fr) 1991-04-02 1992-10-15 Sundstrand Corporation Systeme de production de courant comprenant un suppresseur de surtension transitoire
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