Chapitre 4 : Systèmes électriques — Génératrices, alternateurs, batteries, bus

Chapitre : Systèmes Électriques — Génératrices, Alternateurs, Batteries, Bus

1. Aperçu du Chapitre

Ce chapitre couvre les principes fondamentaux de la production, du stockage, de la distribution et de la protection de l'énergie électrique à bord d'un aéronef. Il détaille les composants clés, leur fonctionnement, leurs interactions et les procédures de maintenance et de dépannage associées. La maîtrise de ces concepts est essentielle pour tout Technicien d'Entretien d'Aéronefs (TEA), car elle garantit la sécurité et la fiabilité des systèmes critiques de l'appareil.

2. Concepts Clés Expliqués en Détail

2.1. Production d'Énergie : Génératrices et Alternateurs

Les génératrices et alternateurs sont les sources principales d'énergie électrique en vol. Ils convertissent l'énergie mécanique du moteur en énergie électrique.

• Génératrice (DC Generator) : Produit un courant continu. Elle utilise un collecteur et des balais pour redresser le courant induit dans le rotor.
• Alternateur (AC Generator) : Produit un courant alternatif. Il est plus efficace et plus fiable que la génératrice DC. La fréquence de sortie (généralement 400 Hz) dépend de la vitesse de rotation.
• Génératrice Triphasée (3-Phase AC Generator) : Produit trois tensions alternatives décalées de 120 degrés l'une par rapport à l'autre. Cela permet une transmission de puissance plus efficace et un fonctionnement plus fluide des moteurs AC.

• Moteur d'Entraînement à Vitesse Constante (CSD - Constant Speed Drive) : Un dispositif hydromécanique qui maintient la vitesse de rotation de l'alternateur constante, même si la vitesse du moteur de l'avion varie. Ceci est crucial pour garantir une fréquence de sortie stable (400 Hz).

• Génératrice d'Entraînement Intégrée (IDG - Integrated Drive Generator) : Combine le CSD et l'alternateur en une seule unité scellée, améliorant la fiabilité et la maintenabilité.
• Groupe Auxiliaire de Puissance (APU - Auxiliary Power Unit) : Une petite turbine à gaz qui entraîne une génératrice pour fournir de l'énergie électrique (et pneumatique) au sol ou en vol de secours.
• Éolienne de Secours (RAT - Ram Air Turbine) : Une petite hélice déployée dans le flux d'air pour générer de l'énergie hydraulique et/ou électrique d'urgence en cas de panne des génératrices principales.

2.2. Stockage d'Énergie : Batteries

Les batteries fournissent l'énergie de démarrage et une alimentation de secours pour les systèmes critiques.

• Batterie au Plomb-Acide (Lead-Acid) :

• Tension nominale par élément : 2,0 V.
• Une batterie 24 V est composée de 12 éléments en série.
• Phénomène : Sulfatation. Se produit si la batterie est laissée déchargée trop longtemps, formant des cristaux de sulfate de plomb qui réduisent la capacité.
• Maintenance : Nécessite des charges d'égalisation périodiques pour prévenir la sulfatation et équilibrer les éléments.
• Batterie Nickel-Cadmium (Ni-Cd) :
• Tension nominale par élément : 1,2 V.
• Une batterie 24 V est composée de 20 éléments en série.
• Phénomènes :
• Emballement Thermique (Thermal Runaway) : Surchauffe dangereuse causée par une surcharge, où l'augmentation de température réduit la résistance interne, augmentant le courant de charge, ce qui génère plus de chaleur.

• Effet Mémoire (Memory Effect) : Perte de capacité due à des cycles de décharge peu profonds répétés.
• Maintenance : Nécessite des décharges profondes périodiques pour prévenir l'effet mémoire.
• Sécurité des Batteries :
• Surcharge : Provoque un dégagement gazeux excessif (hydrogène) dans les batteries au plomb et un risque d'emballement thermique dans les Ni-Cd.
• Décharge Profonde : Peut causer une inversion de polarité des éléments, endommageant la batterie.
• Ventilation : Un système de ventilation est obligatoire pour évacuer l'hydrogène gazeux produit lors de la charge, évitant ainsi les risques d'explosion.
• Capteur de Température : Le système de charge utilise un capteur de température pour ajuster la tension de charge en fonction de la température de la batterie, optimisant la charge et prévenant les dommages.

2.3. Distribution d'Énergie : Bus et Systèmes de Distribution

Le système de bus distribue l'énergie électrique des sources (génératrices, batteries) aux charges (équipements).

• Bus Électrique : Un point de connexion commun où plusieurs circuits reçoivent de l'énergie. C'est l'épine dorsale du système de distribution.

• Types de Bus :
• Bus Génératrice (Generator Bus) : Alimenté directement par la sortie d'une génératrice.
• Bus Batterie (Battery Bus) : Connecté directement à la batterie, fournissant de l'énergie lorsque les génératrices ne fonctionnent pas.
• Bus Non-Essentiel (Non-Essential Bus) : Alimente des charges non critiques (éclairage cabine, cuisine) qui peuvent être délestées en cas d'urgence.
• Bus de Liaison (Tie Bus) : Permet de connecter plusieurs génératrices entre elles pour partager la charge.
• Configuration de Bus :
• Système à Bus Scindé (Split Bus System) : Divise le bus électrique en plusieurs sections pour assurer la redondance et l'isolation en cas de défaut. Une panne sur un bus n'affecte pas les autres.
• Dispositifs de Distribution :
• Unité de Distribution de Puissance (PDU - Power Distribution Unit) : Un boîtier centralisé contenant des disjoncteurs, des relais, des contacteurs et autres dispositifs de protection et de commutation.
• Contrôleur de Puissance à Semi-Conducteurs (SSPC - Solid-State Power Controller) : Un dispositif électronique qui combine les fonctions d'un disjoncteur et d'un relais, offrant une protection contre les surintensités et une commutation sans pièces mobiles.

2.4. Conversion de Puissance : Redresseurs, Onduleurs et Convertisseurs

Ces dispositifs adaptent l'énergie électrique à la forme requise par les différents systèmes.

• Unité Transformateur-Redresseur (TRU - Transformer-Rectifier Unit) : Convertit le courant alternatif (AC) en courant continu (DC). Elle abaisse d'abord la tension AC via un transformateur, puis la redresse en DC via des diodes.

• Redresseur Six-Pulses (Six-Pulse Rectifier) : Utilisé dans les systèmes triphasés pour convertir l'AC en DC avec une ondulation plus faible qu'un redresseur monophasé.
• Onduleur (Inverter) : Convertit le courant continu (DC) en courant alternatif (AC).
• Onduleur Statique (Static Inverter) : Utilise des composants à semi-conducteurs (transistors) pour la conversion, sans pièces mobiles.
• Onduleur Rotatif (Rotary Inverter) : Un dispositif électromécanique composé d'un moteur DC entraînant un alternateur AC.
• Onduleur Demi-Pont (Half-Bridge Inverter) : Utilise deux dispositifs de commutation.
• Onduleur Pont Complet (Full-Bridge Inverter) : Utilise quatre dispositifs de commutation.
• Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM - Pulse Width Modulation) : Technique utilisée dans les onduleurs pour contrôler la tension de sortie moyenne et la fréquence en faisant varier le rapport cyclique (duty cycle) des signaux de commutation.
• Convertisseurs DC-DC :
• Convertisseur Abaisseur (Buck Converter) : Abaisse une tension DC à une tension DC plus basse.
• Convertisseur Élévateur (Boost Converter) : Élève une tension DC à une tension DC plus haute.
• Convertisseur Abaisseur-Élévateur (Buck-Boost Converter) : Peut soit abaisser, soit élever la tension d'entrée.
• Convertisseur Cuk (Cuk Converter) : Un type de convertisseur DC-DC qui peut produire une tension de sortie de polarité opposée à l'entrée.

2.5. Protection et Régulation du Système Électrique

Des dispositifs de protection et de régulation sont essentiels pour garantir un fonctionnement sûr et fiable.

• Régulateur de Tension (Voltage Regulator) : Maintient une tension de sortie constante en contrôlant le courant de champ de la génératrice ou de l'alternateur.
• Régulateur Série (Series Regulator) : Utilise une résistance variable (transistor) en série avec la charge pour chuter l'excès de tension.
• Régulateur Shunt (Shunt Regulator) : Détourne (shunte) le courant excédentaire de la charge pour contrôler la tension.
• Unité de Contrôle de Génératrice (GCU - Generator Control Unit) : Un système de contrôle électronique qui régule la tension de sortie de la génératrice et fournit des fonctions de protection (surtension, sous-tension, surintensité).
• Relais de Protection :
• Relais de Sous-Tension (UVR - Undervoltage Relay) : Surveille la tension de sortie de la génératrice et la déconnecte si la tension chute en dessous d'une limite de sécurité.
• Relais de Surtension (OVR - Overvoltage Relay) : Surveille la tension de sortie de la génératrice et la déconnecte si la tension dépasse une limite de sécurité.
• Relais de Courant Inverse (Reverse Current Relay/Cutout) : Empêche la batterie de se décharger à travers la génératrice lorsque la tension de la génératrice est inférieure à celle de la batterie.
• Dispositifs de Protection des Circuits :

• Fusible (Fuse) : Dispositif de protection contre les surintensités à usage unique. Le remplacement doit avoir le même calibre de courant et de tension.
• Disjoncteur (Circuit Breaker) : Dispositif de protection contre les surintensités réarmable. Le remplacement doit avoir le même calibre de courant, de tension et les mêmes caractéristiques de déclenchement.
• Disjoncteur de Défaut à la Terre (GFI - Ground Fault Interrupter) : Détecte les fuites de courant vers la terre et ouvre le circuit pour prévenir les chocs électriques.
• Disjoncteur de Défaut d'Arc (AFCI - Arc Fault Circuit Interrupter) : Détecte les arcs électriques dangereux et ouvre le circuit pour prévenir les incendies.
• Varistance (MOV - Metal Oxide Varistor) : Une résistance dépendante de la tension qui écrête les surtensions transitoires.
• Protection des Génératrices :
• Relais de Protection de Câble d'Alimentation (Feeder Protection Relay) : Protège les câbles reliant la génératrice au bus contre les surintensités.
• Disjoncteur de Génératrice (GCB - Generator Circuit Breaker) : Connecte ou déconnecte la génératrice de son bus.
• Disjoncteur de Liaison de Bus (BTB - Bus Tie Breaker) : Connecte ou isole deux bus électriques.

3. Formules, Règlements et Procédures Importantes

• Loi d'Ohm : V = I R (Tension = Courant Résistance). Fondamentale pour le dépannage.
• Puissance Électrique : P = V I (Puissance en Watts = Tension en Volts Courant en Ampères).
• Exemple : Une génératrice de 200 A et 28 V produit une puissance maximale de 28 V * 200 A = 5600 W = 5,6 kW.
• Relation Tension Ligne-Phase (Connexion en Étoile) : V_ligne = √3 * V_phase. Essentiel pour les systèmes triphasés.
• Règlement de Maintenance : La norme 571 (ou équivalent) exige de suivre les recommandations du fabricant pour toutes les procédures de maintenance, de test et de dépannage.
• Procédure de Test de Batterie :
• Test de Charge (Load Test) : Applique un courant élevé pour vérifier la capacité de la batterie à fournir le courant requis pour le démarrage ou les opérations d'urgence.
• Test de Capacité (Capacity Test) : Décharge la batterie à un régime spécifié pour déterminer sa capacité réelle par rapport à sa capacité nominale.
• Procédure de Test d'Isolement (Insulation Resistance Test) : Utilise un mégohmmètre (megger) qui applique une haute tension DC (500 V ou 1000 V) pour mesurer la résistance d'isolement des câbles et des équipements.
• Procédure de Remplacement de Composants :
• Fusible : Doit avoir le même calibre de courant et de tension.
• Disjoncteur : Doit avoir le même calibre de courant, de tension et les mêmes caractéristiques de déclenchement.
• Batterie : La polarité correcte et un montage sécurisé sont essentiels.
• Procédure de Sécurité : Avant de travailler sur un système électrique, il est impératif de débrancher la batterie pour prévenir les chocs électriques et les courts-circuits.

4. Relations Entre les Concepts

• Génératrice → Régulateur de Tension → GCU : La génératrice produit une tension brute. Le régulateur de tension ajuste le courant de champ pour maintenir une tension stable. La GCU intègre la fonction de régulation et ajoute des protections (surtension, sous-tension).
• CSD/IDG → Alternateur → Fréquence : Le CSD maintient une vitesse constante pour l'alternateur, garantissant une fréquence de sortie stable (400 Hz). Une panne du CSD entraîne une variation de fréquence.
• Batterie → Bus Batterie → Contacteur : La batterie est connectée au bus batterie via un contacteur (relais lourd) commandé par un interrupteur. Cela permet d'isoler la batterie pour la maintenance ou en cas d'urgence.
• TRU/Onduleur → Bus : Les TRU convertissent l'AC en DC pour alimenter les bus DC. Les onduleurs convertissent le DC en AC pour alimenter les bus AC. Une panne de TRU ou d'onduleur prive les charges correspondantes de leur source d'alimentation.
• Disjoncteur/Fusible → Circuit → Charge : Un disjoncteur ou un fusible protège un circuit spécifique. Un court-circuit ou une surcharge provoque le déclenchement du disjoncteur ou la fusion du fusible, ouvrant le circuit et protégeant la charge et le câblage.
• Bus de Liaison → Bus Génératrices → BTB : Le bus de liaison permet de connecter plusieurs bus génératrices via des bus tie breakers (BTB). Cela permet le partage de charge et la redondance. Un BTB ouvert isole une génératrice défaillante.
• Batterie → Surcharge → Emballement Thermique (Ni-Cd) / Dégagement Gazeux (Plomb-Acide) : La surcharge est dangereuse pour tous les types de batteries. Pour les Ni-Cd, elle peut déclencher un emballement thermique. Pour les batteries au plomb, elle provoque un dégagement excessif d'hydrogène.
• Mesure → Multimètre → Série/Parallèle : Pour mesurer le courant, le multimètre doit être connecté en série dans le circuit. Pour mesurer la tension, il doit être connecté en parallèle avec la charge ou la source.