La distribution de puissance dans le domaine de l'aérospatiale

Dans l'aérospatiale et les applications similaires, les concepteurs se préoccupent de réduire  la taille, le poids et la consommation d'énergie (SWaP). Au sein des avions, l'espace est toujours une priorité, et les économies de poids permettent de réduire la consommation de carburant, d'augmenter la durée des vols et d'accroître les charges de fret. De même, la réduction de la consommation d'énergie tout au long du processus de distribution permet d'économiser du poids et de l'espace. Sachant qu'un avion commercial de grande taille peut contenir au moins 100 contacteurs de forte puissance dans le système de distribution , le simple fait d'économiser 0,1 ampère en puissance de commande pour chaque dispositif peut avoir une incidence considérable sur la dissipation globale de la puissance. Une dissipation de puissance réduite permet d'utiliser des sources d'alimentation plus petites. Les exigences techniques des relais de milieu de gamme sont détaillées dans la norme MIL-PRF-83536. Ils sont utilisés pour la distribution secondaire de la charge et offrent des configurations de contacts à plusieurs pôles et en C (inverseur). Ceux-ci sont légers, compacts et très fiables pour une utilisation dans les applications aérospatiales les plus exigeants. 

La commutation de courants et de tensions élevés pendant de nombreuses années de fonctionnement dans les avions peut constituer un défi pour les contacteurs de puissance. Les contraintes thermiques et les arcs de contact normaux lors de la commutation peuvent user à la fois les contacteurs et les interconnexions. L'énergie de commutation associée à l'ouverture des contacts principaux peut s'avérer moins importante avec les systèmes 115 VCA conventionnels. Par définition, la tension/le courant tombe à zéro à chaque cycle, ce qui réduit l'ampleur des pointes et permet de les éliminer plus rapidement. En revanche, à 230 VCA, l'espacement des contacts ouverts doit être augmenté pour aider à éliminer les retours d'arc lorsque la tension augmente à partir d'une intensité nulle. 

Dans les systèmes modernes d'alimentation en courant alternatif de l'aérospatiale, la fréquence n'est plus fixée à 400 Hz. Elle varie de 350 à 800 Hz en fonction du régime des moteurs. Les concepteurs de contacteurs et de panneaux d'alimentation doivent évaluer soigneusement les effets de cette large gamme de fréquences sur la durée de vie et les performances thermiques des appareils.

L'adoption du 270 VDC et du 540 VDC, initialement dans l'aviation militaire et maintenant dans l'aviation commerciale, a imposé des changements radicaux dans la conception des contacteurs de puissance. Les contacteurs existants ne sont pas adaptés à la commutation haute tension en raison de leur incapacité à générer une tension d'arc adéquate pour l'interruption. Pour surmonter ces limitations physiques, la conception des contacteurs doit s'appuyer sur des méthodes telles que des plaques de séparation d'arc, des glissières, des aimants pour le soufflage magnétique et de meilleures atmosphères de commutation internes. Pendant de nombreuses années, les contacteurs de puissance pour l'aérospatiale ont été en grande partie des contacteurs ON/OFF tout ou rien sans grande intelligence ni protection des circuits. L'une des plus grandes tendances actuelles pour les contacteurs aérospatiaux et militaires consiste à intégrer des fonctions intelligentes pour assurer la protection contre les événements anormaux et détecter les défaillances des systèmes. Ces caractéristiques deviennent encore plus importantes lorsque les systèmes d'alimentation ont des tensions élevées comme le courant continu à haute tension (HVDC).

L'un des premiers domaines dans lesquels des commandes électroniques ont été ajoutées aux contacteurs concernait la réduction des circuits afin de diminuer la consommation des bobines. Tous les contacteurs électromécaniques contiennent un actionneur magnétique qui nécessite beaucoup plus de puissance pour démarrer le mouvement de fermeture des contacts que c'est nécessaire pour les maintenir fermés. Par exemple, il peut être nécessaire d'avoir 5 ampères pour actionner un contacteur, mais moins de 1 ampère pour maintenir l'état ON. Une réduction de 80 % de la puissance peut être obtenue grâce à un meilleur contrôle de la bobine. Cela se traduit par une réduction de la production de chaleur et de la sollicitation de l'appareil ou du panneau de distribution d'énergie. 

Deux méthodes sont couramment utilisées pour réduire la consommation d'énergie sont les bobines multiples et la modulation de la largeur d'impulsion (PWM). 

Dans les premiers modèles de contacteurs à économie d'énergie, le transfert réel de puissance des bobines d'excitation aux bobines de maintien était effectué à l'aide d'interrupteurs de fin de course mécaniques. Une fois que l'actionneur a été transféré sur la majeure partie de sa course, un interrupteur est déclenché pour réduire la puissance. Les interrupteurs de fin de course se sont avérés problématiques pour plusieurs raisons. Le réglage peut être extrêmement critique pour le bon fonctionnement à long terme du contacteur, car l'interrupteur peut être actionné trop tôt ou trop tard dans le cycle. Par ailleurs, comme l'interrupteur coupe la bobine haute puissance en même temps que la fermeture du contact principal, il peut provoquer une augmentation du rebondissement ou des vibrations au niveau du contact.

Avec l'intégration de commandes électroniques pour les bobines, la synchronisation du transfert de la puissance de la bobine n'est plus liée au mouvement de l'actionneur ni à un interrupteur de fin de course. Il devient possible de s'assurer que les jeux de contacts ont été complètement transférés et sont dans une position fermée stable avant de commencer le transfert de la bobine. En contrôlant ainsi le moment du transfert, la fiabilité est considérablement améliorée.  

La modulation de la largeur d'impulsion (PWM) utilise des impulsions de bobine ON-OFF de différentes durées, ou cycles de service, pour contrôler le courant moyen délivré à une bobine. Le PWM a l'avantage de tolérer une plus large gamme de niveaux de tension, mais peut provoquer un bruit rayonné s'il n'est pas correctement filtré. Le PWM a également la capacité d'ajuster le cycle de service en cas de tension de fonctionnement anormale. Dans le cas d'une batterie faible, le cycle de fonctionnement est augmenté afin de créer une source de courant constante pour le contacteur.

Le risque de surcharge est un problème courant dans les systèmes d'alimentation électrique de l'aérospatiale. Les défaillances électriques peuvent survenir non seulement dans l'équipement de chargement, mais également dans le câblage et le réseau de distribution électrique des avions. Ce risque a fait l'objet d'études approfondies au regard du vieillissement des avions et des effets de l'exposition environnementale à long terme sur les systèmes d'isolation. La protection comprend la détection des sous-tensions au niveau du générateur, la surveillance des niveaux de courant de fonctionnement et la détection du courant de fuite. 

De nombreuses applications existantes reposent encore sur des disjoncteurs thermiques bimétalliques. Ces appareils sont peu coûteux et peuvent également être utilisés comme coupe-circuit pour la résolution des problèmes. Cependant, ils ne sont pas adaptés aux courants très élevés, ont une précision de courbe de déclenchement limitée et n'ont pas de fonctionnalités BIT pour garantir un fonctionnement correct lorsque c'est nécessaire. Afin de pallier ces faiblesses, la détection électronique est souvent intégrée dans les contacteurs de puissance. 

La détection électronique permet une détection plus fiable des surintensités. Ces dispositifs peuvent fournir une précision de courbe de déclenchement au moins deux fois supérieure à celle des disjoncteurs thermiques conventionnels. Les capteurs électroniques peuvent également être mis à l'épreuve par le biais de tests intégrés pour simuler des événements de défaillance afin de s'assurer qu'ils fonctionneront comme prévu en cas de défaillance du système.

La première exigence en matière de protection électronique contre les surcharges est de disposer d'une méthode permettant de contrôler avec précision le courant circulant dans le contacteur. La méthode la plus simple consiste à utiliser une résistance de précision comme shunt et à mesurer simplement la tension aux bornes de celle-ci. Cette méthode est très précise, mais peut générer une chaleur considérable dans les contacteurs à courant élevé. De plus, cette méthode n'est pas particulièrement adaptée au mélange des circuits de commande et des lignes de détection 120 V/240 V pour assurer l'intégrité globale des systèmes. 

Le transformateur de courant (TC) constitue une deuxième méthode de surveillance du courant. Le champ magnétique créé par le courant de passage établit un courant secondaire dans le TC. Le courant est alors proportionnel, mais nettement plus faible. Le rapport type entre le courant et le courant TC est de 500:1. Les TC sont simples à appliquer et précis, mais ils peuvent être lourds dans le cas de capteurs en boucle ouverte ou complexes dans les conceptions en boucle fermée. 

Les capteurs à effet Hall constituent une autre méthode fréquente pour mesurer le champ magnétique créé par le courant. Les éléments à effet Hall ont un niveau de tension de sortie basé sur l'exposition à un champ magnétique. Ce champ est le plus souvent focalisé sur le capteur à effet Hall à l'aide d'un anneau de flux ou d'un collecteur entourant le jeu de barres ou l'alimentation de sortie du contacteur. Les capteurs à effet Hall modernes ont une tension de sortie et une linéarité programmables et ils peuvent permettre la détection bidirectionnelle du courant et la détection du courant alternatif. La figure 4 montre un capteur à effet Hall intégré à un contacteur TE 28 VCC ou directement intégré dans une conception 600 VCC. 

Les avantages du capteur à effet Hall sont les suivants :

• Isolation entre les circuits primaires et secondaires
• Fonctionne en courant continu ou alternatif
• Haute précision
• Haute performance dynamique
• Capacités de surcharge élevées
• Haute fiabilité

Quel que soit le type de capteur, un système électronique complémentaire est nécessaire pour collecter les informations provenant de ces capteurs et prendre des décisions sur la configuration du système. Dans certains cas, l'électronique intégrée ne communique les conditions de fonctionnement qu'à d'autres systèmes de l'avion. Ces informations peuvent être très utiles pour la prise de décision en matière de délestage en cas de perte d'une source d'alimentation. Les charges des avions sont classées par ordre de priorité en fonction de leur importance, de sorte que les charges de commodité qui ne sont pas indispensables sont mises hors tension afin de maintenir les charges essentielles au vol et autres charges cruciales. 

En plus de communiquer les conditions du circuit, les contacteurs avec un système de détection intégrée peuvent réagir indépendamment aux conditions de défaut de surcharge. Cela permet un déclenchement rapide et un verrouillage rapide, en 10 ms. Le niveau de protection contre les défauts des contacteurs intelligents, c'est-à-dire ceux dotés d'un système de détection électronique, peut même être ajusté en fonction de l'utilisateur ou de la position spécifique de l'application afin d'adapter la protection à chaque charge individuelle. De tels ajustements peuvent être réalisés par la programmation des broches des connecteurs, l'utilisation de commutateurs DIP, l'ajout de résistances externes ou le codage logiciel. Cela permet également de reconfigurer le contacteur intelligent si les besoins de l'application changent.

Bien que la détection des surintensités soit généralement la tâche principale d'un contacteur intelligent, d'autres défauts peuvent également être détectés, à savoir : 

• Perte de phase ou de rotation de phase
  
• Défaut de l'alimentation différentielle
  
• Défaut de mise à la terre
• Détection de défaut d'arc

Défauts de phase

Pour protéger les moteurs, les ventilateurs et autres appareils utilisant une alimentation triphasée, les phases doivent rester synchronisées afin de garantir la bonne distribution de l'alimentation. Les défauts de phase mettent à rude épreuve les appareils utilisés, raccourcissant leur durée de vie, provoquant un mauvais fonctionnement et entraînant même des défaillances catastrophiques. Les deux principaux défauts de phase sont la perte de phase et la rotation incorrecte de la phase. Les deux entraînent une distribution de puissance inégale et déséquilibrée. Lorsque l'une des phases est perdue, la puissance délivrée est diminuée puisque seules deux phases délivrent de l'énergie. Une erreur de rotation de phase se produit lorsque les phases  ne sont pas correctement synchronisées avec une séparation de 120 degrés. 

Les mêmes techniques utilisées pour surveiller le courant afin de détecter les surcharges peuvent être utilisées pour détecter les problèmes de séquence de phases. En détectant et en comparant les niveaux de courant sur chaque phase, toute différence peut être détectée. 

Protection contre les défauts de courant de fuite

La détection des courants de fuite et la protection contre les défauts différentiels impliquent plusieurs capteurs de courant le long du câblage. Les sorties des capteurs sont comparées pour détecter les défauts. La détection de défaut de mise à la terre est un système de protection spécialisé utilisant un seul capteur commun pour s'assurer que tout le courant transmis est également renvoyé depuis la charge sans fuite. Ce moyen de détection est couramment utilisé dans les  pompes à carburant des avions afin de réduire le risque d'inflammation des vapeurs de carburant. 

La protection contre les défauts de l'alimentation différentielle est courante dans l'industrie aérospatiale. Il s'agit généralement d'une protection à seuil élevé pour valider l'absence de fuite de courant sur les artères d'alimentation de grand diamètre . Une configuration type comprend un capteur au niveau ou à l'intérieur du
groupe électrogène et un second au niveau du contacteur de la ligne principale. Si les courants détectés sont différents, cela signifie qu'un défaut s'est produit.

Les défauts de mise à la terre peuvent être surveillés de deux manières. L'une d'entre elles consiste à vérifier s'il y a du courant dans le plan de masse. La seconde consiste à utiliser les informations fournies par les capteurs de phase. La somme des trois phases doit être égale à zéro. Si la somme n'est pas égale à zéro, cela signifie qu'il existe un défaut dans le câblage ou la charge.

Détection de défaut d'arc

La détection des défauts d'arc électrique est de plus en plus courante dans les disjoncteurs et les contrôleurs de puissance à semi-conducteurs (SSPC) secondaires. Il a été démontré que les dispositifs de protection existants sont inefficaces contre les défauts de projections d'arc. Bien que les niveaux de courant n'augmentent pas suffisamment pour déclencher un incident matériel, les défauts d'arc peuvent générer des niveaux de chaleur inacceptables. Les défauts d'arc en parallèle peuvent finir par évoluer vers des défauts de surintensité totale, tandis que les arcs en série résultant de conducteurs cassés ou de bornes de dispositif desserrées peuvent générer une chaleur considérable même si le courant global est bien inférieur à la courbe de déclenchement du disjoncteur. La détection des défauts d'arc et même la localisation des défauts le long du câblage constituent un domaine émergent pour les contacteurs intelligents .

Bien que les relais statiques soient répandus, l'utilisation des semi-conducteurs de puissance dans les contacteurs est relativement récente. Les MOSFET peuvent remplacer les contacts d'alimentation, avec l'avantage évident d'une fiabilité accrue grâce à l'absence de pièces mobiles. Les appareils électriques statiques peuvent prolonger la durée de vie de commutation d'un contacteur. Les contacts d'alimentation sont sujets à l'usure due à la fois au raccordement mécanique et aux effets des arcs électriques. Au fur et à mesure que les contacts s'usent, l'augmentation de la résistance à travers la connexion entraîne une augmentation de la production de chaleur et des défaillances en fin de vie.

Les relais statiques nécessitent une gestion thermique supplémentaire par rapport aux conceptions à contact solide. Même si l'absence de pièces mécaniques rend les modèles à semi-conducteurs très fiables, le principal point de défaillance est désormais la chaleur. Les appareils doivent être protégés contre les surchauffes. Au-delà de la gestion thermique grâce au dissipateur de chaleur, plusieurs transistors de puissance peuvent être utilisés en parallèle pour maintenir les courants bien en deçà des niveaux nominaux maximaux. Pour les applications aérospatiales, les transistors sont limités à 15 ou 20 % du courant nominal afin de gérer efficacement les performances thermiques. Une spécification précise du courant de défaut est plus critique dans les conceptions avec semi-conducteurs que dans les contacteurs EM conventionnels. 

Le défi que représente l'utilisation de contacteurs à commutation à chaud a pris de l'ampleur depuis que l'industrie aéronautique s'oriente vers des avions plus électriques (MEA). Cette tendance a commencé avec le remplacement des systèmes hydrauliques embarqués par des actionneurs électriques et, aujourd'hui, même les systèmes de propulsion passent à un fonctionnement électrique comme dans le cas deseVTOL. De toutes nouvelles classes d'architectures CCHT sont en cours de développement, qui pourraient s'étendre jusqu'à 6K VCC. Il est clair que les composants conçus pour le 270 VCC ne sont pas adaptés à ces nouvelles exigences. Pour la plupart des charges CCHT à courant élevé, telles que la propulsion, un contrôleur de moteur est utilisé et la durée de vie de commutation à chaud du contacteur en amont n'est pas critique (s'allume à un courant minimal). Cependant, il est essentiel que le contacteur puisse s'ouvrir sous charge dans les rares cas de défaillance d'un contrôleur, d'un moteur ou d'une alimentation. Le défi auquel sont confrontés les concepteurs CCHT consiste à trouver le bon équilibre entre la spécification de l'endurance de commutation à chaud et les besoins réels de l'application. La pénalité de taille, de poids et de coût liée à surspécification peut être importante pour les architectures CCHT. Toutefois il existe des solutions à ces problèmes grâce aux contacteurs hybrides et aux contrôleurs de puissance à semi-conducteurs (SSPC) de haute puissance.  

La conception d'un contacteur hybride combine l'avantage d'une faible résistance à l'état passant d'un contacteur électromécanique avec une commutation de puissance sans arc d'un système électronique de puissance.  Cette combinaison permet d'éliminer un mécanisme d'usure important à l'intérieur du contacteur et de sélectionner les matériaux de contact en fonction de la faible résistance à l'état passant et moins en fonction de la durabilité de la commutation à chaud. Il a été démontré que les versions hybrides augmentaient la durée de vie de commutation à chaud du contacteur CCHT de quelques centaines de cycles à plusieurs milliers d'opérations. Naturellement, les contacteurs hybrides sont plus complexes et souvent plus cher que les contacteurs électromagnétiques conventionnels, mais pour les applications nécessitant de nombreux cycles de commutation à chaud, il s'agit d'une solution attrayante.

Les SSPC combinent les capacités d'un commutateur d'alimentation à semi-conducteurs complet avec diverses fonctionnalités de surveillance et de communication. Au minimum, un SSPC dispose d'une courbe de déclenchement de surintensité intégrée pour protéger le câblage/les interconnexions ainsi que la charge en cas de consommation de courant excessive ou de court-circuit. Les SSPC peuvent également communiquer des commandes et des états par l'intermédiaire d'un bus de données du véhicule afin d'améliorer la fiabilité et la disponibilité du système. Les SSPC peuvent être configurés à distance pour réagir dans des conditions particulières ou pour des charges spécifiques Les SSPC haute tension proposés par TE Connectivity peuvent également être équipés d'une fonction de précharge intégrée. Ces produits alimentent souvent des charges non linéaires et des contrôleurs de moteur avec des entrées largement capacitives. Les SSPC peuvent gérer les précharges en temps utile à tout moment, tout en réduisant les courants de surtension lors de la mise sous tension. 

Le contrôle effectué par un microcontrôleur permet de recueillir et d'analyser davantage d'informations sur l'état du contacteur ou du SSPC . Ces informations peuvent être utilisées pour aller au-delà des circuits de déclenchement de base en réponse à des défauts. Détecter un défaut et arrêter un composant représentent certes une solution, mais il est plus intéressant de surveiller son fonctionnement au fil du temps afin d'identifier les tendances et les changements. Cela permet de prédire intelligemment les problèmes et de pouvoir y remédier plus aisément.

Les niveaux de courant et de tension peuvent fournir des informations en temps réel sur l'état du contacteur et de l'ensemble du système électrique de l'avion. Les informations sur les courants de fonctionnement, la température et le nombre de cycles peuvent être utilisées pour prédire la durée de vie du contacteur. Le fonctionnement du contacteur à des niveaux de courant et/ou de tension inférieurs peut augmenter considérablement le nombre de cycles de commutation.

Les données collectées peuvent également être utilisées pour surveiller le système. Par exemple, la consommation de courant après la mise sous tension initiale reflète les courants d'appel vers les moteurs ou les pompes, ce qui donne un aperçu de l'usure des roulements. Ces mêmes informations peuvent indiquer le besoin de lubrifier ou d'effectuer d'autres opérations de maintenance. Les variations dans le temps des données des capteurs peuvent également indiquer des défauts dans le système de câblage.

Il est fondamental de comparer les opérations initiales aux changements au fil du temps pour comprendre et anticiper les problèmes. Les données fournies par un seul appareil peuvent être utiles, mais les informations provenant de plusieurs appareils et d'autres capteurs du système de câblage peuvent être combinées pour obtenir une analyse et une prévision « globales », car elles permettent de comparer les conditions dans l'ensemble du système.

À mesure que les contacteurs deviennent plus sophistiqués, ils gagnent également en complexité. De nombreux utilisateurs optent pour des panneaux d'alimentation conçus sur mesure et  spécifiques à l'application. Un exemple d'un panneau conçu et construit par TE est illustré sur la figure 7, en tant que solution prête à l'emploi pour la gestion et la distribution de la puissance. Ces panneaux contiennent non seulement des relais et des contacteurs, mais également l'électronique de commande pour fournir des capacités de surveillance et de commande avancées. La conception des contacteurs a évolué. Les contacteurs intelligents , les hybrides et les SSPC peuvent désormais fournir une surveillance améliorée et de plus en plus intelligente des conditions. Dans la mesure où les capteurs jouent un rôle central dans la distribution et la gestion de la puissance, les informations qu'ils fournissent peuvent être utilisées non seulement pour la gestion des défaillances, mais également pour surveiller et analyser l'état du système d'alimentation. Dans les avions modernes, Il est crucial d'analyser les tendances afin de garantir la fiabilité à long terme et la capacité d'entretenir les systèmes rapidement et de manière efficace.