FR3148124A1 - Electrical system for distributing electrical power to a plurality of electrical loads on a common DC bus - Google Patents
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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. 4The invention relates to an electrical system (37) for distributing electrical energy to a plurality of electrical loads (1, 2), configured to be connected on the one hand to an electricity production device (35) comprising a variable speed heat engine (3) and on the other hand to a plurality of electrical loads (1, 2) comprising at least one rotating machine (1). The system comprises an AC/DC converter (5) configured to rectify an alternating voltage supplied by the electricity production device (35) into a direct voltage, and a DC bus (6) common to all the electrical loads (1, 2), the DC bus (6) being configured to distribute the direct voltage to the plurality of electrical loads (1, 2), the electrical system being further configured to reinject excess energy generated by said at least one rotating machine (1) onto the DC bus (6). Abstract: Fig. 4
Description
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.The present invention relates to an electrical system for distributing electrical energy to a plurality of electrical loads, as well as to a method for distributing electrical energy to a plurality of electrical loads. This invention is applicable to any system using a heat engine as the main energy source. The following fields of application may be envisaged as examples: electrical power supply of a military or civil radar, a tactical command center, a communication center.
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.Radars, like other electrical machines, are typically powered by a three-phase electrical network consisting of three phases with a voltage of 400 V between them, each phase having a frequency of 50 Hz, or, depending on the region, by a three-phase electrical network consisting of three phases with a voltage of 440 V between them, each phase having a frequency of 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.These devices can be powered by autonomous generators, or by thermal engines installed in vehicles such as armored vehicles, tanks or ships. We will more generally speak of an electricity production device using a thermal engine.
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.Among the known architectures for converting and distributing energy from an electricity production device using a thermal engine, we distinguish between fixed speed groups and variable speed groups.
La
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.The distribution of the alternating voltage is carried out on a distribution line 21. Each subassembly (or sub-equipment) of the radar carries out its own AC/DC conversion before adapting the network to its function. For example, for the electric motor 27 used to drive the radar antenna in rotation, an AC/DC conversion is carried out by the rectifier 23, then DC/AC conversion is carried out by the inverter 24. For the other components supplied with a direct voltage, for example the transmission/reception or processing elements, an AC/DC conversion is carried out by the rectifier 25, and a DC/DC converter 26 lowers or raises the voltage according to the nominal characteristics of the sub-equipment 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
Sur la cartographie se trouvent des courbes iso-puissance qui représentent la puissance fournie par le moteur en fonction de son régime. La
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.With this architecture, the engine must rotate at a constant speed because the rotation speed is directly linked to the frequency of the electrical network at the generator output. Consequently, when consumption decreases (decrease from 140 kW to 80 kW), which can be the case for example if the radar antenna is in the direction of the wind, the operating point P1 remains on the same vertical but shifts in the ordinate to a point P2 causing a considerable decrease in efficiency as well as a decrease in the reliability of the engine. Operating the engine in the dark zone would cause several undesirable effects on the engine, in particular caused by piston glazing.
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.To overcome the reliability problem, a resistive load bank 20 is supplied at the output of the alternator 19 to artificially increase the consumption of the engine and therefore improve its operating point. However, the use of a resistive load bank has a negative impact on the efficiency of the engine over a given cycle.
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.Another solution is to reinject the excess energy generated by the antenna (in the direction of the wind) into the three-phase electrical network, in particular into the sub-equipment 28. For this purpose, so-called four-quadrant speed variators make it possible to regenerate energy produced by the motor (which has become a generator if the load is driving) into the electrical network. To do this, the energy is converted by the inverter 24, by the rectifier 23, by the rectifier 25 and by the DC/DC converter 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.There would therefore be a total of four conversions to reuse the injected energy, and thus avoid moving the operating point. Reinjection by four conversion bricks is not optimal, because it generates more losses in the conversions. In addition, this solution does not offer good system reliability, due to the series connection of four conversion bricks to reinject the excess energy. The series connection of the conversion bricks also has an impact on the design costs of the whole.
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.The electricity production device 29 comprises a heat engine 18, an alternator 19, a rectifier 33 (AC/DC converter), an inverter 32 (DC/AC converter), a DC/DC converter 30 connected to an intermediate point located between the rectifier 33 and the inverter 32, and an energy storage unit 31, for example a battery, for storing and restoring energy. The energy storage unit 31 is connected to the DC bus 34. The presence of the rectifier 33 and the inverter 32 allows the heat engine to choose its operating point in order to optimize efficiency, and thus to avoid the use of a load bank.
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.Thus, this solution optimizes the efficiency of the complete system at low load operating points. The double AC/DC + DC/AC conversion makes it possible to reconstruct a 400 V network at 50 Hz to supply the electrical loads.
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.The energy storage unit 31 makes it possible to compensate for the change in engine speed during power transients. To this end, the bidirectional DC/DC converter 30 ensures the discharge of the storage unit 31 during power transients, but also the recharging or maintenance of the energy storage unit in nominal operation. This makes the change in engine speed transparent.
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.The hybrid group solution involves using a large number of conversion bricks in the direct chain (i.e. without reinjection), with an AC/DC converter, a DC/AC converter, and a DC/DC converter in addition to the fixed-speed group, which results in an increase in the mass of the generator set, lower reliability due to the series connection of the converters, a higher cost, lower efficiency, and robustness work to be carried out on each powered sub-element.
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.In addition, as in the fixed group, there are also four conversions to reuse the injected energy, which is not optimal due to the overconsumption of energy at the nominal operating point.
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.Finally, in the solution using a fixed speed group, and in the known solution using a variable speed group, each subscriber (sub-assembly powered by the electricity production device) must be equipped with its own AC/DC converter, thus increasing the mass, volume and cost of the system.
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.The invention therefore aims to provide a new electrical architecture allowing interface with tactical or sedentary networks while minimizing overall energy consumption, limiting cascade conversions to supply subscriber subsets, and limiting conversions for energy reinjection.
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.An object of the invention is therefore an electrical system for distributing electrical energy to a plurality of electrical loads, configured to be connected on the one hand to an electricity production device comprising a variable speed heat engine and on the other hand to a plurality of electrical loads comprising at least one rotating machine, the system comprising an AC/DC converter configured to rectify an alternating voltage supplied by the electricity production device into a direct voltage, and a DC bus common to all the electrical loads, the DC bus being configured to distribute the direct voltage to the plurality of electrical loads, the electrical system being further configured to reinject excess energy generated by said at least one rotating machine onto the DC bus.
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.Advantageously, a first bidirectional DC/DC converter is connected between, on the one hand, an intermediate point located between the AC/DC converter and the DC bus, and on the other hand to an energy storage unit, the energy storage unit being configured to serve as an energy reserve during a change in the operating point of the variable speed heat engine corresponding to a variation in the consumption of at least one of the electrical loads.
Avantageusement, le convertisseur AC/DC comprend une cellule de filtrage, configurée pour filtrer les perturbations électromagnétiques engendrées par la conversion AC/DC.Advantageously, the AC/DC converter comprises a filtering cell, configured to filter the electromagnetic disturbances generated by the AC/DC conversion.
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.Advantageously, the electricity production device comprises a permanent magnet alternator, the filtering cell comprising an LC filter consisting of a capacitor and a coil.
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.Advantageously, the AC/DC converter is of the PFC type, and comprises a three-phase rectifier comprising six controlled switches, and a control/command unit using vector control to determine which switches are to be switched so as to regulate the voltage of the DC bus and to regulate the power factor at the input of the AC/DC converter.
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.Advantageously, the AC/DC converter is a first AC/DC converter, the system comprising a second AC/DC converter, identical to the first AC/DC converter, and usable as redundancy of the first AC/DC converter, in the event of failure of the first AC/DC converter, and in which the first AC/DC converter and the second AC/DC converter each comprise an output diode, the diode being connected to the DC bus.
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.Advantageously, the system comprises a calculation unit, connected in parallel with the AC/DC converter, and configured to detect micro-cuts on the alternating voltage supplied by the electricity production device, and to disconnect part of the electrical loads from the DC bus.
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.Advantageously, a second DC/DC converter is connected in series between the AC/DC converter and the DC bus, the second DC/DC converter being configured to step down the DC voltage at the output of the AC/DC converter and to provide galvanic isolation between the AC/DC converter and the DC bus.
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.The invention also relates to a radar, configured to be powered by an electricity production device using a variable speed thermal engine, the radar comprising an electrical system according to one of the preceding claims, and a plurality of electrical loads of which at least one rotating machine is powered on the DC bus via an inverter, and at least one transmission/reception component powered on the DC bus via a DC/DC converter.
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.The invention also relates to a method for distributing electrical energy to a plurality of electrical loads, the plurality of electrical loads comprising at least one rotating machine, the method being characterized in that it comprises the steps of:
- rectifying an alternating voltage supplied by an electricity production device comprising a variable speed heat engine into a direct voltage;
- distribute the DC voltage on a common DC bus to all electrical loads;
- reinject excess energy generated by the rotating machine onto the common DC bus.
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.Other features, details and advantages of the invention will emerge from reading the description given with reference to the attached drawings given by way of example.
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Les figures 6a, 6b et 6c illustrent des vues en détail de la topologie de la
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L’invention est décrite avec le schéma bloc de la
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.The variable speed heat engine 3 is used as the main energy source, and can optionally be combined with other energy sources such as batteries and/or renewable energy sources.
Sur la
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.The system according to the invention comprises a single AC/DC converter 5 which rectifies the alternating voltage supplied by the electricity production device 35 into a direct voltage, and a DC bus 6 common to all the electrical loads. The common DC bus 6 distributes the direct voltage to the plurality of electrical loads (1, 2). By “conversion” is meant a change in waveform (rectifier or inverter) and/or a change in amplitude (step-up or step-down) of the voltage signal.
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.The DC bus 6 consists of all the distribution elements at the output of the AC/DC converter 5 and upstream of each subscriber, which includes in particular the DC circuit breakers, the DC contactors, the DC disconnectors, the DC fuses, the cables, the connectors and the distribution busbars.
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.The AC/DC converter 5 thus establishes an initial regulation of the common bus, thus providing a stable voltage. In particular, when the thermal engine is that of a vehicle, for example a ship, the output power of the alternator can undergo strong fluctuations (of the order of a megawatt for certain ships), depending on the power supply or load shedding.
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.The AC/DC converter 5 is preferably of the PFC type ("Power Factor Correction" or power factor correction), in particular of the PFC boost type. The PFC boost converter quickly activates and deactivates a switch and with a variable duty cycle in order to make the sinusoidal input current in phase with the input voltage. Thus, the power factor correction makes it possible to limit the reactive energy consumed by the electrical loads (for example by the radar). Also, the more the current must be in phase with the voltage, the more the reactive consumption must be reduced, and the closer the power output by the alternator is to the power actually consumed by the electrical loads.
Il est possible d’envisager d’autres topologies de conversion, par exemple un pont de diode triphasé équipé de capacité en sortie.It is possible to consider other conversion topologies, for example a three-phase diode bridge equipped with output capacity.
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.Thus, in addition to the role of pre-regulating the voltage on the common DC bus, the AC/DC converter 5 makes it possible to make consumption “clean” at the level of the electrical system.
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).Indeed, the AC/DC 5 converter allows to consume a balanced current on the three phases, whatever the radar operating point (increasing the reliability of the generator set and allowing the sizing of the protection devices, for example the circuit breaker, to the exact need), and a current in phase with the voltage, limiting the reactive energy and consequently increasing the efficiency of the alternators. In addition, the AC/DC 5 converter allows to control the level of harmonic pollution of current, which limits the voltage harmonics on the network (a very interesting property on a boat for example).
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.In addition, the electrical system can reinject, on the common DC bus 6, excess energy generated by the rotating machine 1 (half the time, the rotating system switches from the state of electrical consumer to the state of electrical generator). Indeed, the connections to the common DC bus 6 of several loads (1, 2) can be grouped together to exploit the energy more efficiently. When the rotating machine needs a lower power than its nominal power (which can be the case for example when the antenna is in the direction of the wind), the energy generated by the rotating machine when the antenna slows down can be exploited by another device on the common DC bus. Without the common DC bus, the energy generated by the rotating machine when slowing down would be converted into heat in a load bank while the other electrical load 2 would have to draw its energy from the power supply network.
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
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.Thus, the proposed system can interface on tactical or sedentary networks while minimizing the overall energy consumption via variable speed generation, a limitation of cascade conversions to supply subscribers (i.e. loads), and a limitation of conversions for energy reinjection.
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.Other positive effects complement the interest of the solution, in particular a lower overall mass (because fewer converters), a higher overall reliability (there are fewer converters connected in series, so the overall reliability is less impacted in the event of failure of one of the converters), a lower overall design and manufacturing cost, and a higher overall efficiency. In addition, the invention makes it possible to use commercial components with direct voltage on the DC bus.
Selon un mode de réalisation avantageux illustré par la
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.Indeed, the engine determines its operating point based on the radar load (or any other equipment constituting the electrical load); when the radar's electrical consumption varies, which occurs at start-up with a high power demand, the engine's operating point is modified, but with a latency, typically of the order of a second. To compensate for this engine latency, the energy storage unit 9 provides the energy necessary to start the rotating machine.
De façon réciproque, l’unité de stockage d’énergie 9 peut également être chargée durant le fonctionnement à charge constante des charges électriques.Conversely, the energy storage unit 9 can also be charged during constant load operation of the electrical loads.
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.The presence of the bidirectional DC/DC converter 7 and the energy storage unit 9 is however not essential to ensure the proper functioning of the distribution system according to the invention. If the distribution system is connected to an external network that is not solely dedicated to the radar (for example a network of a land, naval or air vehicle), the fuel consumption of the thermal engine may increase temporarily, without this affecting the performance of the radar. Thus, depending on whether or not the equipment manufacturer is responsible for the performance of the radar (in terms of fuel consumption), it is possible to do without the energy reserve.
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.The use of a direct voltage offers a simplicity of connection in DC which does not require phasing of the networks (phase order and frequency and amplitudes of the identical voltages). The energy storage unit 9 can also be punctually used to power external equipment, for example for lighting or heating the 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.The electrical system according to the invention also has the advantage of offering an integrated UPS function ("Uninterrupted Power Supply" or ASI for Alimentation Sans Interruption). Indeed, some radars use UPS at the input of the system to increase the availability time of the radar and improve the robustness of the electrical network. In the event of a power failure or voltage drop, the UPS takes over for a predetermined period, so that the data can be saved or a secure closure of the software can take place.
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.To achieve this, state-of-the-art UPSs use a double conversion of AC/DC + DC/AC in nominal mode or DC/DC + DC/AC in backup mode, in addition to the energy distribution and conversion system used outside of backup. This double conversion results in a decrease in efficiency and a decrease in reliability, as well as an increase in the mass and volume of the system.
Le système selon l’invention dispose d’une fonction UPS intégrée (bloc 44 sur la
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.Unlike conventional UPSs, the latter allows for a simple conversion (going from two conversions to one conversion) between the distribution network and the power source.
La
La topologie du convertisseur 5 est présentée plus en détail dans la
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.The control/command unit 13 may be implemented as an integrated circuit, for example a microcontroller or a DSP. The control/command thus uses vector control, which requires matrix conversions in the control/command unit 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.A network protection module 41 is connected directly to the input of the AC/DC converter 5, on each phase supplied by the alternator 11. Thus, each three-phase line is protected by a fuse to protect the variable speed generator set or the network against short circuits or overloads of the AC/DC converter.
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.Advantageously, the alternator 11 of the electricity production device 35 is a permanent magnet alternator (or generator). Permanent magnet generators are synchronous machines on which the rotor excitation winding is replaced by permanent magnets. Since they do not need to be excited separately, rotor excitation losses are eliminated. For a fixed speed group, it is not possible to use a permanent magnet alternator, because during significant load variations, there would be a significant voltage variation (no regulation possible). This is why separately excited alternators are used on fixed speed groups so as to increase the excitation of the winding and therefore the alternator output voltage during increases in loads of the receiver.
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.However, separately excited alternators are two to three times heavier than permanent magnet alternators, with poorer efficiency due to brush friction, and with increased maintenance and higher operating costs.
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.Furthermore, the AC/DC converter 5 comprises a filter cell 10 to eliminate overvoltages and electromagnetic disturbances generated by the switching of the AC/DC converter 5. The permanent magnet generator has a stator winding; thus, it is not necessary to use a filter cell 10 in “Pi”. The filter cell 10 only comprises one inductor and one capacitor, instead of two inductors and one capacitor for the “Pi” filters. It can be noted that the volume of the AC/DC converter 5 is mainly occupied by the filter cell 10, so a gain in volume at the filter cell 10 makes it possible to optimize the volume of the AC/DC converter 5 significantly.
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.The AC/DC converter 5 includes pre-charge resistors 40 (one for each phase produced by the alternator) to avoid having overcurrents when energizing the different capacities present in the electrical system. At start-up, when the system is energized, the pre-charge resistors 40 limit the current peak generated. As soon as the current value is stabilized, the pre-charge resistors 40 can then be shunted.
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
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
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 »).DC/DC 43 converters can have a “phase shifted” type topology, which has the advantage of creating galvanic isolation via the isolation transformer, and of making it possible to raise or lower the output voltage (“buck” or “boost”).
La topologie « phase shifted », illustrée par la
Sur la
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.Capacitors are arranged at the input and output of the bidirectional converter 7, in order to smooth out as much as possible the voltage ripple at the converter output.
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.According to an advantageous embodiment, a calculation unit 16 (of the FPGA, DSP or microcontroller type) is connected in parallel with the AC/DC converter 5. It is programmed to detect micro-cuts on the alternating voltage (at the input of the AC/DC converter 5) supplied by the electricity production device 35, and to disconnect part of the electrical loads (1, 2) from the DC bus 6 using a control block 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.In particular, in the event of a micro-cut, typically lasting 10-20 ms, the calculation unit 16 can favor certain types of loads to the detriment of others, in a predefined manner, which amounts to carrying out load shedding. For example, in the case of a radar, in the event of a micro-cut, a power supply fault in the speed variator or the cooling system will not affect the quality of the measurement. On the other hand, a power supply fault in the transmission/reception module will result in no measurement for the duration of the micro-cut, which may have consequences on the detection of potential targets.
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.Thus, this embodiment avoids having to use capacitors with a high capacity (therefore bulky) in order to supply the loads in the event of a micro-cut. The possibility of controlling the opening of the lines leading to the power transistors of the converters at the load input makes it possible to limit the volume of the capacitor C1 at the output of the AC/DC converter 5 while maintaining the voltage level of the DC bus during the micro-cut.
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.According to one embodiment, the calculation unit 16 and the control/command unit 13 may form a single component. Using two separate components makes it possible to industrialize the AC/DC converter without taking into account “real time” constraints that may be allocated for the design and design of the micro-cut detection.
La
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 Ttotalde 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.The duration T1 can typically also be 1 ms, the duration T2 1 ms, the duration T3 100 µs, which makes a total delay T total of 2.1 ms. For a typical micro-cut of 10 to 20 ms, the essential loads can be supplied by the energy storage unit 9. For a cut longer than 20 ms, the essential loads can be supplied by the energy storage unit 9 for the time of a clean extinction.
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.The computing unit 16 must have a sufficiently high sampling frequency to make a decision quickly to give the order to an asynchronous static relay type device which opens quickly in order to relieve the power supply of high inertia loads. For micro-cuts of 10 to 20 ms, a sampling frequency of the order of 10 kHz can be considered.
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.During the load shedding phase, rotating machines (e.g. pumps, motors and fans) can reinject their energy to limit the voltage drop of the DC bus.
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.Figures 8 and 9 illustrate an embodiment in which a second DC/DC converter 45 is connected in series between the AC/DC converter 5 and the DC bus 6. The second DC/DC converter 45 comprises a plurality of switching cells which are sized so as to decrease the voltage on either side of the converter. Each cell is composed of a power transistor and a diode connected in antiparallel. The topology of the second DC/DC converter 45 can be of the “phase shifted” type, described above. A transformer makes it possible to obtain the step-down effect.
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.This embodiment, although bringing an additional constraint in terms of efficiency, cost and mass, makes it possible to ensure a more efficient level of regulation of the DC bus 6, and to reduce the output voltage of the DC bus. Working with a lower voltage makes it possible to use a wider range of commercially available components. Furthermore, adding galvanic isolation makes it possible to limit the propagation of the leakage current outside the equipment to be powered (for example radar), and to limit the isolation voltage constraints on the loads.
Claims (10)
- 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).A method of distributing electrical energy to a plurality of electrical loads, the plurality of electrical loads comprising at least one rotating machine (1), the method being characterized in that it comprises the steps of:
- rectifying an alternating voltage supplied by an electricity production device (35) comprising a variable speed heat engine into a direct voltage;
- distribute the DC voltage on a common DC bus to all electrical loads
- reinject excess energy generated by the rotating machine (1) into the common DC bus.
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| FR2303944A FR3148124A1 (en) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | Electrical system for distributing electrical power to a plurality of electrical loads on a common DC bus |
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