FR3148124A1 - Système électrique de distribution d'énergie électrique à une pluralité de charges électriques sur un bus DC commun - Google Patents

Abstract

L’invention se rapporte à un système électrique (37) de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques (1, 2), configuré pour être connecté d’une part à un dispositif de production d’électricité (35) comprenant un moteur thermique à vitesse variable (3) et d’autre part à une pluralité de charges électriques (1, 2) comprenant au moins une machine tournante (1). Le système comprend un convertisseur AC/DC (5) configuré pour redresser une tension alternative fournie par le dispositif de production d’électricité (35) en une tension continue, et un bus DC (6) commun à toutes les charges électriques (1, 2), le bus DC (6) étant configuré pour distribuer la tension continue à la pluralité de charges électriques (1, 2), le système électrique étant en outre configuré pour réinjecter sur le bus DC (6) une énergie excédentaire générée par ladite au moins une machine tournante (1). Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Système électrique de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques sur un bus DC commun

La présente invention se rapporte à un système électrique de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques, ainsi qu’à un procédé de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques. Cette invention est applicable pour tout système utilisant un moteur thermique comme source principale d’énergie. Les domaines d’application suivants peuvent être envisagés à titre d’exemple : alimentation électrique d’un radar militaire ou civil, d’un centre de commandement tactique, d’un centre de communication.

Les radars, comme d’autres machines électriques, sont typiquement alimentés par un réseau électrique triphasé composé de trois phases avec une tension de 400 V entre elles, chaque phase ayant une fréquence de 50 Hz, ou, selon les régions, par un réseau électrique triphasé composé de trois phases avec une tension de 440 V entre elles, chaque phase ayant une fréquence de 60 Hz.

Ces équipements peuvent être alimentés par des groupes électrogènes autonomes, ou par des moteurs thermiques disposés dans des véhicules tels que des véhicules blindés, des tanks ou encore des navires. On parlera plus généralement de dispositif de production d’électricité utilisant un moteur thermique.

Parmi les architectures connues de conversion et de distribution d’énergie à partir d’un dispositif de production d’électricité utilisant un moteur thermique, on distingue les groupes à vitesse fixe, et les groupes à vitesse variable.

La illustre une architecture à vitesse fixe. Un moteur thermique 18 entraîne un arbre moteur dans un mouvement rotatif par combustion d’un carburant à très haute température. Le moteur thermique 18 peut être intégré dans un groupe électrogène autonome, ou correspondre au moteur d’une machine roulante sur laquelle est embarquée le radar. Un alternateur 19 transforme le mouvement rotatif d'un arbre moteur en un courant électrique. L'alternateur 19 se compose typiquement d'un rotor équipé d’une bobine d’excitation permettant la création d’un champ tournant à l'intérieur d'un stator composé de bobines de cuivre.

La distribution de la tension alternative est effectuée sur une ligne de distribution 21. Chaque sous-ensemble (ou sous-équipement) du radar réalise sa propre conversion AC/DC avant d’adapter le réseau à sa fonction. Par exemple pour le moteur électrique 27 utilisé pour entraîner l’antenne du radar en rotation, une conversion AC/DC est opérée par le redresseur 23, puis conversion DC/AC est opérée par l’onduleur 24. Pour les autres composants alimentés avec une tension continue, par exemple les éléments d’émission/réception ou de traitement, une conversion AC/DC est opérée par le redresseur 25, et un convertisseur DC/DC 26 abaisse ou élève la tension selon les caractéristiques nominales du sous-équipement 28.

Ce type d’architecture impose au moteur thermique de tourner à vitesse constante pour générer la fréquence souhaitée (50 Hz ou 60 Hz). La illustre une cartographie typique d’un moteur thermique, qui représente la vitesse moteur en abscisse (en tours par minute) et le couple moteur en ordonnée (en Newton-mètre). La cartographie représente la consommation spécifique du moteur, et permet de déterminer si le point de fonctionnement actuel se trouve dans une zone avec un bon rendement ou non. Plus la zone de fonctionnement tend vers le noir (typiquement en rouge sur une cartographie en couleurs), plus le moteur consommera du carburant.

Sur la cartographie se trouvent des courbes iso-puissance qui représentent la puissance fournie par le moteur en fonction de son régime. La représente la courbe 32 de l’iso-puissance 140 kW, la courbe 33 de l’iso-puissance 100 kW, la courbe 34 de l’iso-puissance 80 kW, et la courbe 35 de l’iso-puissance 40 kW.

Avec cette architecture, le moteur doit tourner à une vitesse constante car la vitesse de rotation est directement liée à la fréquence du réseau électrique en sortie de la génératrice. Par conséquent lorsque la consommation diminue (diminution de 140 kW à 80 kW), ce qui peut être le cas par exemple si l’antenne du radar est dans le sens du vent, le point de fonctionnement P1 reste sur la même verticale mais se décale en ordonnée jusqu’à un point P2 engendrant une diminution du rendement considérable ainsi qu’une diminution de la fiabilité du moteur. Le fonctionnement du moteur dans la zone sombre entraînerait plusieurs effets indésirables au niveau du moteur, notamment provoqués par le glaçage des pistons.

Pour pallier au problème de fiabilité, un banc de charge de type résistif 20 est alimenté en sortie de l’alternateur 19 pour augmenter artificiellement la consommation du moteur et donc améliorer son point de fonctionnement. Toutefois, l’utilisation d’un banc de charge résistif a un impact négatif sur le rendement du moteur sur un cycle donné.

Une autre solution consiste à réinjecter l’énergie excédentaire générée par l’antenne (dans le sens du vent) sur le réseau électrique triphasé, en particulier sur le sous-équipement 28. Des variateurs de vitesse dits quatre quadrants permettent, à cet effet, de régénérer de l'énergie produite par le moteur (devenue génératrice si la charge est entrainante) sur le réseau électrique. Pour cela, l’énergie est convertie par l’onduleur 24, par le redresseur 23, par le redresseur 25 et par le convertisseur DC/DC 26.

Il y aurait donc, au total, quatre conversions pour réutiliser l’énergie injectée, et éviter ainsi de déplacer le point de fonctionnement. La réinjection par quatre briques de conversion n’est pas optimale, car elle engendre plus de pertes dans les conversions. De plus, cette solution n’offre pas une bonne fiabilité du système, du fait de la mise en série de quatre briques de conversion pour réinjecter l’énergie excédentaire. La mise en série des briques de conversion a également un impact sur les coûts de design de l’ensemble.

Les groupes à vitesse variable représentent une autre catégorie d’architecture connue de conversion et de distribution d’énergie à partir d’un dispositif de production d’électricité utilisant un moteur thermique. Un exemple de groupe à vitesse variable (également appelé groupe hybride) est illustré par la .

Le dispositif de production d’électricité 29 comprend un moteur thermique 18 un alternateur 19, un redresseur 33 (convertisseur AC/DC), un onduleur 32 (convertisseur DC/AC), un convertisseur DC/DC 30 connecté à un point intermédiaire situé entre le redresseur 33 et l’onduleur 32, et une unité de stockage d’énergie 31, par exemple une batterie, pour stocker et restituer de l’énergie. L‘unité de stockage d’énergie 31 est connectée au bus DC 34. La présence du redresseur 33 et de l’onduleur 32 permet au moteur thermique de choisir son point de fonctionnement afin d’optimiser le rendement, et de s’affranchir ainsi de l’utilisation d’un banc de charge.

Ainsi, cette solution optimise le rendement du système complet sur des points de fonctionnement à faible charge. La double conversion AC/DC + DC/AC permet de reconstruire un réseau 400 V à 50 Hz pour alimenter les charges électriques.

L‘unité de stockage d’énergie 31 permet de pallier au changement de régime du moteur thermique lors des transitoires de puissance. Pour cela, le convertisseur DC/DC bidirectionnel 30 assure la décharge de l‘unité de stockage 31 lors des transitoires de puissance, mais aussi la recharge ou le maintien de l‘unité de stockage d’énergie en fonction nominale. Cela rend transparent le changement de régime du moteur.

La solution de groupe hybride implique d’utiliser un grand nombre de briques de conversion dans la chaîne directe (c’est-à-dire sans réinjection), avec un convertisseur AC/DC, un convertisseur DC/AC, et un convertisseur DC/DC en plus par rapport au groupe à vitesse fixe, ce qui a pour conséquence une augmentation de la masse du groupe électrogène, une fiabilité moindre du fait de la mise en série des convertisseurs, un coût plus élevé, un rendement plus faible, et un travail de robustesse à effectuer sur chaque sous-élément alimenté.

De plus, comme dans le groupe fixe, il y a également quatre conversions pour réutiliser l’énergie injectée, ce qui n’est pas optimal en raison de la surconsommation d’énergie au point de fonctionnement nominal.

Enfin, dans la solution utilisant un groupe à vitesse fixe, et dans la solution connue utilisant un groupe à vitesse variable, chaque abonné (sous-ensemble alimenté par le dispositif de production d’électricité) doit être équipé de son propre convertisseur AC/DC, faisant ainsi augmenter la masse, le volume et le coût du système.

L’invention vise donc à fournir une nouvelle architecture électrique permettant de s’interfacer sur des réseaux tactiques ou sédentaires en minimisant la consommation énergétique globale, en limitant les conversions en cascade pour alimenter les sous-ensemble abonnés, et en limitant les conversions pour la réinjection d’énergie.

Un objet de l’invention est donc un système électrique de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques, configuré pour être connecté d’une part à un dispositif de production d’électricité comprenant un moteur thermique à vitesse variable et d’autre part à une pluralité de charges électriques comprenant au moins une machine tournante, le système comprenant un convertisseur AC/DC configuré pour redresser une tension alternative fournie par le dispositif de production d’électricité en une tension continue, et un bus DC commun à toutes les charges électriques, le bus DC étant configuré pour distribuer la tension continue à la pluralité de charges électriques, le système électrique étant en outre configuré pour réinjecter sur le bus DC une énergie excédentaire générée par ladite au moins une machine tournante.

Avantageusement, un premier convertisseur DC/DC bidirectionnel est connecté entre d’une part un point intermédiaire situé entre le convertisseur AC/DC et le bus DC, et d’autre part à une unité de stockage d’énergie, l’unité de stockage d’énergie étant configurée pour servir de réserve d’énergie lors d’un changement de point de fonctionnement du moteur thermique à vitesse variable correspondant à une variation de la consommation d’au moins une des charges électriques.

Avantageusement, le convertisseur AC/DC comprend une cellule de filtrage, configurée pour filtrer les perturbations électromagnétiques engendrées par la conversion AC/DC.

Avantageusement, le dispositif de production d’électricité comprend un alternateur à aimants permanents, la cellule de filtrage comprenant un filtre LC constitué d’un condensateur et d’une bobine.

Avantageusement, le convertisseur AC/DC est du type PFC, et comprend un redresseur triphasé comprenant six interrupteurs commandés, et une unité de contrôle/commande utilisant une commande vectorielle pour déterminer quels interrupteurs sont à commuter de façon à réguler la tension du bus DC et à réguler le facteur de puissance en entrée du convertisseur AC/DC.

Avantageusement, le convertisseur AC/DC est un premier convertisseur AC/DC, le système comprenant un deuxième convertisseur AC/DC, identique au premier convertisseur AC/DC, et utilisable en redondance du premier convertisseur AC/DC, en cas de défaillance du premier convertisseur AC/DC, et dans lequel le premier convertisseur AC/DC et le deuxième convertisseur AC/DC comprennent chacun une diode en sortie, la diode étant connectée au bus DC.

Avantageusement, le système comprend une unité de calcul, connectée en parallèle du convertisseur AC/DC, et configurée pour détecter des microcoupures sur la tension alternative fournie par le dispositif de production d’électricité, et pour déconnecter une partie des charges électriques vis-à-vis du bus DC.

Avantageusement, un second convertisseur DC/DC est connecté en série entre le convertisseur AC/DC et le bus DC, le second convertisseur DC/DC étant configuré pour abaisser la tension continue en sortie du convertisseur AC/DC et pour fournir une isolation galvanique entre le convertisseur AC/DC et le bus DC.

L’invention se rapporte également à un radar, configuré pour être alimenté par un dispositif de production d’électricité utilisant un moteur thermique à vitesse variable, le radar comprenant un système électrique selon l’une des revendications précédentes, et pluralité de charges électriques dont au moins une machine tournante est alimentée sur le bus DC via un onduleur, et au moins un composant d’émission/réception alimenté sur le bus DC via un convertisseur DC/DC.

L’invention se rapporte également à un procédé de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques, la pluralité de charges électriques comprenant au moins machine tournante, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :
- redresser une tension alternative fournie par un dispositif de production d’électricité comprenant un moteur thermique à vitesse variable en une tension continue ;
- distribuer la tension continue sur un bus DC commun à toutes les charges électriques ;
- réinjecter sur le bus DC commun une énergie excédentaire générée par la machine tournante.

Description des figures

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple.

La , déjà décrite, illustre une architecture de groupe à vitesse fixe.

La , déjà décrite, illustre une cartographie de consommation d’un moteur thermique.

La , déjà décrite, illustre une architecture de groupe à vitesse variable.

La illustre un schéma bloc du système électrique de distribution d’énergie électrique selon un premier mode de réalisation de l’invention.

La illustre un schéma bloc du convertisseur AC/DC selon l’invention.

La illustre un exemple de topologie du système électrique de distribution d’énergie électrique selon le premier mode de réalisation de l’invention.

Les figures 6a, 6b et 6c illustrent des vues en détail de la topologie de la .

La illustre différents chronogrammes détaillant le traitement d’une microcoupure.

La illustre un schéma bloc du système électrique de distribution d’énergie électrique selon un second mode de réalisation de l’invention.

La illustre un exemple de topologie du système électrique de distribution d’énergie électrique selon le second mode de réalisation de l’invention.

La illustre une vue en détail de la .

L’invention est décrite avec le schéma bloc de la . Le système électrique 37 selon l’invention est connecté d’une part à un dispositif de production d’électricité 35 comprenant un moteur thermique à vitesse variable 3 et un alternateur 11, et d’autre part à une pluralité de charges électriques (1, 2).

Le moteur thermique à vitesse variable 3 est utilisé comme source principale d’énergie, et peut éventuellement être associé d’autres sources d’énergie telles que des batteries et/ou des sources d’énergie renouvelable.

Sur la , au moins une des charges électriques est une machine tournante, par exemple une pompe, un ventilateur, un compresseur, une machine asynchrone ou encore une machine synchrone. L’ensemble de charges électriques comprend également une autre charge électrique, par exemple le dispositif d’émission/réception 2 du radar.

Le système selon l’invention comprend un unique convertisseur AC/DC 5 qui redresse la tension alternative fournie par le dispositif de production d’électricité 35 en une tension continue, et un bus DC 6 commun à toutes les charges électriques. Le bus DC 6 commun distribue la tension continue à la pluralité de charges électriques (1, 2). Par « conversion », on entend un changement de forme d’onde (redresseur ou onduleur) et/ou un changement d’amplitude (élévateur ou abaisseur) du signal de tension.

Le bus DC 6 est constitué de tous les éléments de distribution en sortie du convertisseur AC/DC 5 et en amont de chaque abonné, ce qui inclut notamment les disjoncteurs DC, les contacteurs DC, les sectionneurs DC, les fusibles DC, les câbles, les connecteurs et les jeux de barres de distribution.

Le convertisseur AC/DC 5 établit ainsi une première régulation du bus commun, fournissant ainsi une tension stable. En particulier, lorsque le moteur thermique est celui d’un véhicule, par exemple un navire, la puissance de sortie de l’alternateur peut subir de fortes fluctuations (de l’ordre du mégawatt pour des certains navires), en fonction des mises sous tension ou des délestages.

Le convertisseur AC/DC 5 est préférentiellement du type PFC (« Power Factor Correction » ou correction du facteur de puissance), en particulier du type PFC boost. Le convertisseur PFC boost active et désactive rapidement un interrupteur et avec un cycle de service variable afin de rendre le courant d'entrée sinusoïdal en phase avec la tension d'entrée. Ainsi, la correction du facteur de puissance permet de limiter l’énergie réactive consommée par les charges électriques (par exemple par le radar). Aussi, plus le courant doit être en phase avec la tension, plus la consommation réactive doit être réduite, et plus la puissance sortie par l’alternateur est proche de la puissance réellement consommée par les charges électriques.

Il est possible d’envisager d’autres topologies de conversion, par exemple un pont de diode triphasé équipé de capacité en sortie.

Ainsi, en plus du rôle de pré-régulation de la tension sur le bus DC commun, le convertisseur AC/DC 5 permet de rendre la consommation « propre » au niveau du système électrique.

En effet, le convertisseur AC/DC 5 permet de consommer un courant équilibré sur les trois phases, quel que soit le point de fonctionnement radar (augmentant la fiabilité du groupe électrogène et permettant un dimensionnement des organes de protections, par exemple le disjoncteur, au juste besoin), et un courant en phase avec la tension, limitant l’énergie réactive et par conséquent augmentant le rendement des alternateurs. Par ailleurs, le convertisseur AC/DC 5 permet de maîtriser le niveau de pollution harmonique de courant, ce qui limite les harmoniques de tension sur le réseau (propriété très intéressante sur un bateau par exemple).

De plus, le système électrique peut réinjecter, sur le bus DC commun 6, une énergie excédentaire générée par la machine tournante 1 (la moitié du temps, le système de rotation passe de l’état de consommateur électrique à l’état de générateur électrique). En effet, les raccordements au bus DC commun 6 de plusieurs charges (1, 2) peuvent être rassemblés pour exploiter l'énergie de manière plus efficace. Quand la machine tournante a besoin d’une puissance plus faible que sa puissance nominale (ce qui peut être le cas par exemple lorsque l’antenne est dans le sens du vent), l'énergie générée par la machine tournante lors du ralentissement de l’antenne peut être exploitée par un autre appareil sur le bus DC commun. Sans le bus DC commun, l'énergie générée par la machine tournante lors du ralentissement serait convertie en chaleur dans un banc de charge alors que l'autre charge électrique 2 devrait puiser son énergie sur le réseau d'alimentation.

Ainsi, comme le moteur thermique 3 n’est plus tenu de fournir une tension fixe et prédéterminée à une fréquence fixe et prédéterminée (par exemple une tension de 400 V à 50 Hz), le moteur thermique 3 a un degré de liberté sur son point de fonctionnement. Comme l’illustre la , en partant du point de fonctionnement P1, le point de fonctionnement peut se déplacer au point P1’ s’il y a besoin de travailler à iso-puissance, ou sur une autre courbe de puissance, sur un point offrant une consommation moindre de carburant (par exemple le point P2’).

Le système proposé est donc basé sur une conversion AC/DC au plus proche de la source d’énergie et sur une distribution électrique en DC. La distribution électrique en DC procure les avantages de la solution à vitesse fixe (seulement deux conversions en série entre le moteur thermique et les charges électriques) et les avantages de la solution hybride (point de fonctionnement optimal du moteur thermique). Par ailleurs, la réinjection d’énergie de la machine tournante vers les autres charges électriques ne nécessite que deux conversions (cf. flèche 38 sur la ).

Ainsi, le système proposé peut s’interfacer sur des réseaux tactiques ou sédentaires en minimisant la consommation énergétique globale via une génération à vitesse variable, une limitation des conversions en cascade pour alimenter les abonnés (c’est-à-dire les charges), et une limitation des conversions pour la réinjection de l’énergie.

D’autres effets positifs viennent compléter l’intérêt de la solution, en particulier une masse globale plus faible (car moins de convertisseurs), une fiabilité globale plus élevé (il y a moins de convertisseurs connectés en série, donc la fiabilité globale est moins impactée en cas de défaillance d’un des convertisseurs), un coût global de design et de fabrication plus faible, et un rendement global plus élevé. De plus, l’invention permet d’utiliser des composants du commerce à tension continue sur le bus DC.

Selon un mode de réalisation avantageux illustré par la , un convertisseur DC/DC bidirectionnel 7 est connecté à un point intermédiaire 8 situé entre le convertisseur AC/DC 5 et le bus DC 6. Le convertisseur DC/DC bidirectionnel 7 est également connecté à une unité de stockage d’énergie 9, telle qu’une batterie accumulatrice d’électricité. L’unité de stockage d’énergie 9 sert de réserve d’énergie lors d’un changement de consommation d’au moins une des charges électriques (1, 2) engendrant un changement du point de fonctionnement sur le moteur thermique. Le moteur thermique, ayant une réactivité de l’ordre de la seconde, nécessite une réserve d’énergie permettant de prendre le relais durant le régime transitoire.

En effet, le moteur détermine son point de fonctionnement en fonction de la charge radar (ou de tout autre équipement constituant la charge électrique) ; lorsque la consommation électrique du radar varie, ce qui se produit au démarrage avec un fort appel de puissance, le point de fonctionnement du moteur est modifié, mais avec une latence, typiquement de l’ordre de la seconde. Pour pallier à cette latence du moteur, l’unité de stockage d’énergie 9 fournit l’énergie nécessaire au démarrage de la machine tournante.

De façon réciproque, l’unité de stockage d’énergie 9 peut également être chargée durant le fonctionnement à charge constante des charges électriques.

La présence du convertisseur DC/DC bidirectionnel 7 et de l’unité de stockage d’énergie 9 n’est toutefois pas indispensable pour assurer le bon fonctionnement du système de distribution selon l’invention. Si le système de distribution est relié à un réseau externe qui n’est pas uniquement dédié au radar (par exemple un réseau d’un véhicule terrestre, naval ou aérien), la consommation en carburant du moteur thermique peut augmenter temporairement, sans que cela n’affecte les performances du radar. Ainsi, selon que l’équipementier soit responsable ou non des performances du radar (en termes de consommation de carburant), il est possible de se passer de la réserve d’énergie.

L’utilisation d’une tension continue offre une simplicité de connexion en DC qui ne nécessite pas de mise en phase des réseaux (ordre de phase et fréquence et amplitudes des tensions identiques). L’unité de stockage d’énergie 9 peut également être ponctuellement utilisée pour alimenter des équipements externes, par exemple pour l’éclairage ou le chauffage du shelter.

Le système électrique selon l’invention présente, en outre, l’avantage d’offrir une fonction UPS intégrée (« Uninterrupted Power Supply » ou ASI pour Alimentation Sans Interruption). En effet, certains radars utilisent des UPS en entrée du système pour augmenter le temps de disponibilité du radar et améliorer la robustesse du réseau électrique. En cas de panne de courant ou de chute de tension, l'UPS prend le relais pendant une durée prédéterminée, afin que les données puissent être sauvegardées ou qu'une clôture sécurisée des logiciels puisse avoir lieu.

Pour cela, les UPS de l’état de l’art utilisent une double conversion AC/DC + DC/AC en mode nominal ou DC/DC + DC/AC en mode secouru, en plus du système de distribution et de conversion d’énergie utilisé hors cas de secours. Cette double conversion engendre une diminution du rendement et une diminution de la fiabilité, ainsi qu’une augmentation de la masse et du volume du système.

Le système selon l’invention dispose d’une fonction UPS intégrée (bloc 44 sur la ), constituée du convertisseur AC/DC, du convertisseur DC/DC bidirectionnel, et de l’unité de stockage d’énergie 9. Des ordres sont envoyés à un organe de supervision pour éteindre les calculateurs sensibles.

A l’inverse des UPS conventionnels, ce dernier permet d’assurer une simple conversion (passage de deux conversions à une conversion) entre le réseau de distribution et la source d’alimentation.

La illustre un schéma bloc du convertisseur AC/DC 5 selon l’invention. Il comprend un redresseur triphasé 36 comprenant six interrupteurs commandés 12, et une unité de contrôle/commande 13 utilisant une commande vectorielle pour déterminer quels interrupteurs 12 sont à commuter de façon à réguler la tension continue du bus DC 6 et à réguler le facteur de puissance en entrée du convertisseur AC/DC 5, si celui-ci est un convertisseur à correction du facteur de puissance (convertisseur PFC).

La topologie du convertisseur 5 est présentée plus en détail dans la . Cette topologie est un « PFC deux niveaux » permettant de limiter le nombre d’éléments, d’être bidirectionnel, de faciliter le contrôle commande, limiter le coût et surtout limiter la tension de sortie. En effet cette structure impose une tension minimale en sortie de conversion (sur le bus DC).

L’unité de contrôle/commande 13 peut être implémentée sous la forme d’un circuit intégré, par exemple un microcontrôleur ou un DSP. Le contrôle/commande utilise ainsi une commande vectorielle, ce qui nécessite des conversions matricielles dans l’unité de contrôle/commande 13.

Un module de protection de réseau 41 est connecté directement en entrée du convertisseur AC/DC 5, sur chaque phase fournie par l’alternateur 11. Ainsi, chaque ligne triphasée est protégée par un fusible permettant de protéger le groupe électrogène à vitesse variable ou le réseau vis-à-vis des courts-circuits ou des surcharges du convertisseur AC/DC.

De façon avantageuse, l’alternateur 11 du dispositif de production d’électricité 35 est un alternateur (ou générateur) à aimants permanents. Les générateurs à aimants permanents sont des machines synchrones sur lesquelles l’enroulement d’excitation du rotor est remplacé par des aimants permanents. Puisqu'ils n'ont pas besoin d'être excités séparément, les pertes d'excitation du rotor sont éliminées. Pour un groupe à vitesse fixe, il n’est pas possible d’utiliser un alternateur à aimant permanent, car lors de variations importantes de la charge, il y aurait une variation de tension importante (aucune régulation possible). C’est pourquoi les alternateurs à excitations séparées sont utilisés sur les groupes à vitesse fixe de telle sorte à augmenter l’excitation du bobiné et donc la tension en sortie d’alternateur lors des augmentations de charges du récepteur.

Or, les alternateurs à excitation séparée sont deux à trois fois plus lourds que les alternateurs à aimants permanents, avec un plus mauvais rendement en raison du frottement des balais, et avec une maintenance accrue et des coûts d’exploitation plus importants.

Par ailleurs, le convertisseur AC/DC 5 comprend une cellule de filtrage 10 pour supprimer les surtensions et les perturbations électromagnétiques engendrées par le découpage du convertisseur AC/DC 5. Le générateur à aimants permanents dispose d’un bobinage statorique ; ainsi, il n’est pas nécessaire d’utiliser une cellule de filtrage 10 en « Pi ». La cellule de filtrage 10 ne comprend qu’une inductance et un condensateur, au lieu de deux inductances et un condensateur pour les filtres en « Pi ». Il peut être noté que le volume du convertisseur AC/DC 5 est principalement occupé par la cellule de filtrage 10, donc un gain de volume au niveau de la cellule de filtrage 10 permet d’optimiser le volume du convertisseur AC/DC 5 de façon conséquente.

Le convertisseur AC/DC 5 comprend des résistances de pré-charge 40 (une pour chaque phase produite par l’alternateur) pour éviter d’avoir des sur-courants lors de la mise sous tension des différentes capacités présentes dans le système électrique. Au démarrage, quand le système est mis sous tension, les résistances de pré-charge 40 limitent le pic de courant engendré. Dès que la valeur du courant est stabilisée, les résistances de pré-charge 40 peuvent alors être shuntées.

Un premier module 38 de mesure de la tension et du courant est connecté entre la cellule de filtrage 10 et les résistances de pré-charge 40. Un deuxième module 39 de mesure de la tension et du courant est connecté entre le redresseur triphasé 36 et le bus DC commun 6. L’unité de contrôle/commande 13 récupère les mesures de tension et de courant issues du premier module 38 et du deuxième module 39, afin de déterminer quel transistor doit être commuté dans le redresseur triphasé 36: La détermination du ou des transistors à commuter doit être effectuée afin que le courant et la tension soient le plus en phase possible, ce qui permet d’assurer la régulation de ligne. La illustre, par les double-flèches, les différents échanges d’informations (mesure et commande) entre l’unité de contrôle/commande 13 et les modules de mesure de la tension et du courant, le redresseur triphasé 36 et les résistances de pré-charge 40.

Bien que les charges électriques (1, 2) puissent être connectées à un seul et unique convertisseur AC/DC pour tout le système, il peut être prévu de connecter un deuxième convertisseur AC/DC 5’, identique au premier convertisseur AC/DC 5, et utilisable en redondance du premier convertisseur AC/DC, en cas de défaillance du premier convertisseur AC/DC. La redondance, bien que non-indispensable, peut être exigée dans certains domaines d’utilisation, en fonction des exigences des clients. Dans ce cas, il peut être avantageux de connecter une diode (15, 15’) en sortie de chaque convertisseur AC/DC, ce qui permet de paralléliser les traitements AC/DC sans problèmes d’interférences (cf. ).

La illustre un exemple de topologie de circuit du système électrique selon l’invention. Outre les éléments déjà décrits en référence aux figures 4 et 5, la illustre également des exemples d’onduleurs triphasés 42 utilisés pour les machines tournantes 1 devant être alimentées avec une tension alternative. Dans l’exemple de la , chaque onduleur comprend six transistors de puissance (S1-S6), chaque interrupteur de puissance ayant une diode en antiparallèle (D1-D6) afin d'assurer la bidirectionnalité en courant (cf. ). La charge triphasée 1 est modélisée par une inductance L mise en série avec une résistance R. L’onduleur est piloté via une commande adaptée au niveau de la grille de commande des interrupteurs de puissance afin de réaliser la tension désirée. La illustre également des exemples de convertisseurs DC/DC 43 pour abaisser ou élever la tension à un niveau requis par les charges 2. Dans un mode de réalisation appliqué au radar, les charges 2 peuvent être dédiées par exemple à l’émission/réception ou au traitement des données.

Les convertisseurs DC/DC 43 peuvent avoir une topologie de type « phase shifted », qui a pour avantage de créer une isolation galvanique par l’intermédiaire du transformateur d’isolement, et de permettre d’élever ou d’abaisser la tension de sortie (« buck » ou « boost »).

La topologie « phase shifted », illustrée par la , comprend une entrée de tension continue et une sortie de tension continue. Dans un premier temps, le réseau DC d’entrée est ondulé par les quatre interrupteurs S1’ à S4’. Le réseau une fois ondulé transite dans un transformateur T₁’ permettant d’abaisser (dans le cas présent) la tension, en fonction du rapport entre le nombre de spires au secondaire par rapport au nombre de spires au primaire. Le réseau en sortie du transformateur T₁’ est identique en termes de forme d’onde au réseau en entrée du transformateur, à l’amplitude près. Le réseau en sortie de transformateur passe dans un pont de diode (D₁’, D₂’) pour redresser les créneaux et changer la forme d’onde. Le réseau redressé est ensuite filtré par la self L₀’ pour lisser le courant et C₀’ pour lisser la tension.

Sur la et sur la , le convertisseur bidirectionnel 7 est isolé par un transformateur, et composé de huit transistors de puissance (S1’’-S8’’). La topologie utilisée est préférentiellement dérivée de la topologie du type « phase shifted », et comprend, par ailleurs, une logique de hacheur quatre quadrants de part et d’autre du transformateur d’isolement Liso, permettant ainsi la bidirectionnalité du courant.

Des condensateurs sont disposés en entrée et en sortie du convertisseur bidirectionnel 7, afin de pour lisser au maximum l’ondulation de tension en sortie de convertisseur.

Selon un mode de réalisation avantageux, une unité de calcul 16 (de type FPGA, DSP ou microcontrôleur) est connectée en parallèle du convertisseur AC/DC 5. Elle est programmée pour détecter des microcoupures sur la tension alternative (en entrée du convertisseur AC/DC 5) fournie par le dispositif de production d’électricité 35, et pour déconnecter une partie des charges électriques (1, 2) vis-à-vis du bus DC 6 à l’aide de bloc de commandes 44.

En particulier, en cas de microcoupure, typiquement durant 10-20 ms, l’unité de calcul 16 peut privilégier certains types de charges au détriment d’autres, de façon prédéfinie, ce qui revient à effectuer un délestage. Par exemple, dans le cas d’un radar, en cas de microcoupure, un défaut d’alimentation du variateur de vitesse ou du système de refroidissement ne portera pas préjudice à la qualité de la mesure. En revanche, un défaut d’alimentation du module d’émission/réception entraînera une absence de mesure le temps de la microcoupure, ce qui peut avoir des conséquences sur la détection des cibles potentielles.

Ainsi, ce mode de réalisation évite d’avoir à utiliser des condensateurs disposant d’une forte capacité (donc volumineux) afin d’alimenter les charges en cas de microcoupure. La possibilité de commander l’ouverture des lignes menant aux transistors de puissance des convertisseurs en entrée de charge permet de limiter le volume du condensateur C1 en sortie du convertisseur AC/DC 5 tout en maintenant le niveau de tension du bus DC pendant la microcoupure.

Selon un mode de réalisation, l’unité de calcul 16 et l’unité de contrôle/commande 13 peuvent ne former qu’un seul et même composant. Le fait d’utiliser deux composants distincts permet d’industrialiser le convertisseur AC/DC sans prendre en compte des contraintes de « temps réel » qui peuvent être allouées pour la conception et le design de la détection des microcoupures.

La illustre différents chronogrammes de la tension sur le bus commun en fonction du temps, en cas de microcoupure. Sur le chronogramme CHR1, la tension du réseau passe de la valeur nominale à une valeur inférieure à la tension minimale Vmin (seuils Vmax et Vmin définis par l’utilisateur réseau dans l’algorithme de la carte de gestion). Ainsi, l’unité de calcul 16 détecte une microcoupure après l’instant T1 (chronogramme CHR2). Le radar intègre l’information de microcoupure à l’issue du temps T2 (chronogramme CHR3). L’unité de calcul 16 envoie ensuite la commande d’ouverture des interrupteurs des charges non-essentielles (chronogramme CHR4). Ainsi, à l’issue du temps T_total(=T1+T2+T3), le système électrique maintient une puissance pour les charges essentielles durant la microcoupure, sans qu’il ne soit nécessaire de faire appel à des condensateurs supplémentaires.

La durée T1 peut être typiquement également à 1 ms, la durée T2 à 1 ms, la durée T3 à 100 µs, ce qui fait un délai total T_totalde 2,1 ms. Pour une microcoupure typique de 10 à 20 ms, les charges essentielles peuvent être alimentées par l’unité de stockage d’énergie 9. Pour une coupure plus importante que 20 ms, les charges essentielles peuvent être alimentées par l’unité de stockage d’énergie 9 le temps d’une extinction propre.

L’unité de calcul 16 doit avoir une fréquence d’échantillonnage suffisamment élevée prendre une décision rapidement de donner l’ordre à un organe de type relais statique asynchrone qui vient s’ouvrir rapidement afin de délester l’alimentation des charges à forte inertie. Pour des microcoupures de 10 à 20 ms, une fréquence d’échantillonnage de l’ordre de 10 kHz peut être envisagée.

Pendant la phase de délestage, les machines tournantes (par exemple les pompes, moteurs et ventilateurs) peuvent réinjecter leur énergie pour limiter la chute de tension du bus DC.

Les figures 8 et 9 illustrent un mode de réalisation dans lequel un second convertisseur DC/DC 45 est connecté en série entre le convertisseur AC/DC 5 et le bus DC 6. Le second convertisseur DC/DC 45 comprend une pluralité de cellules de commutations qui sont dimensionnées de façon à diminuer la tension de part et d'autre du convertisseur. Chaque cellule est composée d’un transistor de puissance et d’une diode montée en antiparallèle. La topologie du second convertisseur DC/DC 45 peut être du type « phase shifted », décrite précédemment. Un transformateur permet d’obtenir l’effet abaisseur.

Ce mode de réalisation, bien qu’apportant une contrainte supplémentaire en termes de rendement, de coût et de masse, permet d’assurer un niveau de régulation du bus DC 6 plus performant, et de diminuer la tension de sortie du bus DC. Le fait de travailler avec une tension inférieure permet d’utiliser une gamme plus étendue de composants disponibles dans le commerce. Par ailleurs, le fait de rajouter une isolation galvanique permet de limiter la propagation du courant de fuite à l’extérieur de l’équipement à alimenter (par exemple du radar), et de limiter les contraintes de tension d’isolement sur les charges.

Claims (10)

1. Système électrique (37) de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques (1, 2), configuré pour être connecté d’une part à un dispositif de production d’électricité (35) comprenant un moteur thermique à vitesse variable (3) et d’autre part à une pluralité de charges électriques (1, 2) comprenant au moins une machine tournante (1), le système étant caractérisé en ce qu’il comprend un convertisseur AC/DC (5) configuré pour redresser une tension alternative fournie par le dispositif de production d’électricité (35) en une tension continue, et un bus DC (6) commun à toutes les charges électriques (1, 2), le bus DC (6) étant configuré pour distribuer la tension continue à la pluralité de charges électriques (1, 2), le système électrique étant en outre configuré pour réinjecter sur le bus DC (6) une énergie excédentaire générée par ladite au moins une machine tournante (1).
2. Système selon la revendication 1, dans lequel un premier convertisseur DC/DC bidirectionnel (7) est connecté entre d’une part un point intermédiaire (8) situé entre le convertisseur AC/DC (5) et le bus DC (6), et d’autre part à une unité de stockage d’énergie (9), l’unité de stockage d’énergie (9) étant configurée pour servir de réserve d’énergie lors d’un changement de point de fonctionnement du moteur thermique à vitesse variable (3) correspondant à une variation de la consommation d’au moins une des charges électriques (1, 2).
3. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur AC/DC (5) comprend une cellule de filtrage (10), configurée pour filtrer les perturbations électromagnétiques engendrées par la conversion AC/DC.
4. Système selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de production d’électricité (35) comprend un alternateur à aimants permanents (11), la cellule de filtrage (10) comprenant un filtre LC constitué d’un condensateur et d’une bobine.
5. 5. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur AC/DC (5) est du type PFC, et comprend un redresseur triphasé (36) comprenant six interrupteurs commandés (12), et une unité de contrôle/commande (13) utilisant une commande vectorielle pour déterminer quels interrupteurs (12) sont à commuter de façon à réguler la tension du bus DC (6) et à réguler le facteur de puissance en entrée du convertisseur AC/DC (5).
6. 6. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur AC/DC (5) est un premier convertisseur AC/DC (5), le système comprenant un deuxième convertisseur AC/DC (5’), identique au premier convertisseur AC/DC (5), et utilisable en redondance du premier convertisseur AC/DC (5), en cas de défaillance du premier convertisseur AC/DC (5), et dans lequel le premier convertisseur AC/DC (5) et le deuxième convertisseur AC/DC (5’) comprennent chacun une diode (15, 15’) en sortie, la diode (15, 15’) étant connectée au bus DC (6).
7. 7. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant une unité de calcul (16), connectée en parallèle du convertisseur AC/DC (5), et configurée pour détecter des microcoupures sur la tension alternative fournie par le dispositif de production d’électricité (35), et pour déconnecter une partie des charges électriques (1, 2) vis-à-vis du bus DC (6).
8. 8. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un second convertisseur DC/DC (45) est connecté en série entre le convertisseur AC/DC (5) et le bus DC (6), le second convertisseur DC/DC (45) étant configuré pour abaisser la tension continue en sortie du convertisseur AC/DC (5) et pour fournir une isolation galvanique entre le convertisseur AC/DC (5) et le bus DC (6).
9. Radar (17), configuré pour être alimenté par un dispositif de production d’électricité utilisant un moteur thermique à vitesse variable (3), le radar (17) comprenant un système électrique (37) selon l’une des revendications précédentes, et pluralité de charges électriques (1, 2) dont au moins une machine tournante (1) est alimentée sur le bus DC (6) via un onduleur (42), et au moins un composant d’émission/réception (2) alimenté sur le bus DC (6) via un convertisseur DC/DC.
10. Procédé de distribution d’énergie électrique à une pluralité de charges électriques, la pluralité de charges électriques comprenant au moins machine tournante (1), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :
    - redresser une tension alternative fournie par un dispositif de production d’électricité (35) comprenant un moteur thermique à vitesse variable en une tension continue ;
    - distribuer la tension continue sur un bus DC commun à toutes les charges électriques
    - réinjecter sur le bus DC commun une énergie excédentaire générée par la machine tournante (1).