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Circuit électrique du B737-800

B737 avec GPU

Poursuivons notre étude du B737-800 et de ses composants en nous intéressant, cette fois-ci, à l’un des circuits qui, s’il ne participe pas directement au vol de l’avion sur le B737-800, n’en est pas moins indispensable en permettant le contrôle, les communications, la navigation, etc… C’est, bien sûr, le circuit électrique.

Un peu de théorie

Le courant électrique

Pour commencer, rappelons à l’attention notamment des plus jeunes qui n’ont peut-être pas encore étudié cette matière, ou des plus âgés qui ont oublié…que, dans la vie courante, le courant électrique est distribué principalement sous deux formes différentes : le courant continu et le courant alternatif.

Le courant continu, (DC = Direct Current), se caractérise par une polarité fixe, et donc une tension qui reste constante dans le temps. Dans la vie courante, les piles et les batteries  fournissent du courant continu.

Facile à mettre en œuvre, les sources de courant continu sont très lourdes dès que l’on veut disposer d’une grosse puissance. De plus, il n’est pas simple de changer de tension pour satisfaire différents besoins.

Le courant continu sera réservé aux faibles puissances et aux alimentations de secours car c’est le seul qu’il soit possible de stocker.

 

Le courant alternatif, (AC = Alternative Current), se caractérise par une polarité variable et donc une tension qui varie en permanence dans le temps. La période est le temps, en secondes, que met la tension pour effectuer un cycle complet de variation. L’inverse, la fréquence, est le nombre de fois par seconde que cette variation est effectuée.

Pour une variation sinusoïdale, la valeur nominale de la tension, dite valeur efficace, est égale à la valeur maximale divisée par √2. Le courant distribué par EDF est de ce type : 315 V / 1,414 = 220 V

Le courant AC est produit par un alternateur qui nécessite une source mécanique pour être mis en rotation. La fréquence du courant est liée à la vitesse de rotation de l’alternateur. Le courant alternatif permet plus facilement la production de forte puissance et on peut changer sa tension très simplement grâce à un transformateur. Par contre, il est impossible de le stocker.

Dans les avions

Dans les avions, et particulièrement celui qui nous intéresse, on utilise les deux formes AC et DC.

En utilisation courante, l’énergie électrique est produite par un alternateur entraîné en rotation par le boîtier d’accessoires de chaque réacteur. Celui-ci est régulé en tension et fréquence pour produire du courant alternatif AC de 115 Volts et 400 Hertz.

Au sol avec les réacteurs à l’arrêt, c’est l’alternateur de l’APU qui sera utilisé, à moins qu’un groupe de parc électrique GPU ne soit disponible.

Pourquoi 115 volts et 400 Hz ? C’est essentiellement parce que c’est le meilleur compromis pour disposer d’une forte puissance pour un minimum de poids… La régulation en fréquence à 400 Hz semble même maintenant en voie d’abandon, comme sur l’A380 par exemple.

 

Le courant continu DC est normalement produit à partir du courant alternatif, grâce à des transformateurs redresseurs TR. En cas de perte de la génération AC, il existe également un convertisseur statique (STATIC INVERTER) qui transforme du courant continu en courant alternatif, pour alimenter les servitudes essentielles qui en ont besoin.

La ou les batteries ne sont là que pour une utilisation en secours, lorsque la génération alternative est indisponible. Leur capacité, et donc leur poids, sont alors peu importants.

Integrated Drive Generator IDG

Voici un schéma de principe d’un Integrated Drive Generator IDG, c’est à dire un ensemble composé d’un alternateur et d’un Constant Speed Drive CSD qui va maintenir constante la vitesse de rotation de l’alternateur et donc la fréquence à 400 Hz dans toute la plage de fonctionnement du réacteur, du ralenti à la poussée maxi.

On voit également que l’alternateur est à deux étages : un premier petit alternateur, à aimant permanent PMG, produit un courant d’excitation FIELD alimentant l’électroaimant du deuxième, l’étage de puissance, qui fournit le courant AC au circuit de l’avion. L’ensemble est contrôlé par un Generator Control Unit GCU.

Pour sa part, l’alternateur de l’APU n’est pas équipé de CSD : la régulation en fréquence est obtenue en maintenant la vitesse de rotation de l’APU lui-même à une valeur fixe. Par ailleurs, cet alternateur sert également de démarreur pour l’APU.

Circuit électrique du B737-800

Après ces quelques généralités, revenons-en à notre B737-800 et à son circuit électrique :

Ce schéma général de l’ensemble du circuit électrique peut sembler un peu chargé. C’est normal car l’électricité à bord d’un avion de ligne est une ressource vitale, et le circuit est donc conçu pour minimiser les conséquences d’une panne éventuelle et sauvegarder un réseau de secours minimum en cas de défaillance grave.

En fait, la distribution du courant se fait à partir de Bus qui regroupent les différents points de consommation en fonction d’un certain niveau de priorité à accorder en cas de panne d’alimentation. Les moins prioritaires seront les bus qui alimentent les galleys, les plus prioritaires, les bus Stand By, qui alimentent les éléments essentiels comme la planche de bord du CDB.

 

Dans le haut du schéma on trouve l’alimentation en courant alternatif avec les 4 sources possibles que sont les 2 IDG, l’alternateur APU, et le GPU lorsque l’on est au sol.

Juste en dessous se trouve la distribution du courant AC, puis on aperçoit les 3 TR qui vont alimenter en courant DC les bus concernées.

Dans le bas, enfin, c’est le circuit de secours qui est représenté.

Circuit alternatif AC

Examinons de plus près le circuit AC.

Les deux IDG et l’alternateur APU on une puissance nominale de 90 KVA. Un seul peut alimenter l’ensemble du circuit. L’alternateur de l’APU sert également de démarreur pour celui-ci.

Chaque IDG alimente sa propre Bus de Transfert. L’alternateur APU ou le GPU peuvent se connecter sur l’une et/ou l’autre transfert bus au travers des Bus Tie Breaker BTB.

Sur le B737-800, il n’est pas possible de connecter deux sources AC en parallèle.

La connexion d’une source AC sur une bus de transfert déconnecte celle qui y était auparavant.

Chaque bus de transfert alimente une bus principale, une bus galley et un bus de service. La bus de transfert 1 alimente en plus la bus de secours AC STANDBY.

Les bus de service peuvent être alimentées, au sol, directement à partir du GPU.

Circuit continu DC

Le courant continu DC est normalement fourni par les 3 TR. Leur capacité maximum est de 75 A chacun. Le TR1 est alimenté par la bus de transfert AC N°1, le TR2 par la bus de transfert AC N°2. Le TR3 est normalement alimenté également par la bus de transfert AC N°2 mais, en cas de défaut, il peut aussi l’être par la N°1.

Le TR1 alimente en courant continu la bus DC1 et la bus de secours DC STANDBY. Le TR2 alimente la bus DC2 et le TR3 la bus Batterie au travers du contrôleur de secours. Il peut aussi alimenter la DC2 en cas de panne du TR2.

Les 3 TR ont normalement leurs sorties mises en parallèle. Mais si le Transfert Switch est sur OFF, le circuit continu est coupé en deux, séparant ainsi le TR1 des TR2 et TR3. Cette séparation se fait également automatiquement lors d’une approche ILS avec FD ou AP, pour éviter de perturber les deux récepteurs en cas de défaut sur un côté.

 

Le B737-800 est équipé d’une batterie de 48 Ah sous une tension nominale de 24 V. Certains avions sont équipés d’une batterie auxiliaire de même capacité qui ne sert qu’à doubler le temps d’utilisation lorsque les bus secours sont alimentées par batterie.

La batterie principale peut servir à démarrer l’APU. Elle est connectée à la HOT BATT BUS, la SW HOT BATT BUS et à la BATT BUS si celle-ci n’est pas alimentée par le TR3.

Les chargeurs de batteries sont alimentés par les GROUND SERVICE BUS. En fonctionnement normal, c’est le chargeur de la batterie principale qui alimente les HOT BATT BUS et la BATT BUS en cas de défaut du TR3. Il se comporte donc comme un quatrième TR.

 

Ça commence à se compliquer pas mal : il y a toujours au moins une solution d’alimentation de remplacement en cas de panne. On s’aperçoit donc que le circuit continu DC est largement impliqué dans les fonctions de secours…

Circuit de secours

Les équipements nécessaires à la gestion du vol, en cas de perte de la génération alternative, sont connectés à des bus spécifiques qui pourront être alimentées par les sources de secours.

Il s’agit de :

L’interrupteur STANDBY POWER permet éventuellement de couper l’alimentation des bus STANDBY ou de la forcer sur la batterie.

Voyons, sur des schémas, les différents cas de fonctionnement du circuit secours : tout d’abord, le cas normal, sans aucune panne.

La bus de secours AC STANDBY est alimentée par la bus de transfert AC1. Les bus secours DC et bus batterie le sont par les TR 1, 2 et 3 mis en parallèle. Les deux HOT BATTERY BUS sont alimentées par le chargeur de la batterie principale.

Deuxième cas : aucune alimentation AC n’est disponible ou on a placé le sélecteur STANDBY POWER sur BAT.

Dans ce cas, toutes les bus de secours sont alimentées à partir de la ou des deux batteries mises en parallèle (comme sur le schéma). L’autonomie dans cette configuration est évaluée à 30 mn avec une seule batterie et 60 mn avec deux.

Troisième cas : même situation que le cas précédent mais on a placé le commutateur de batterie sur OFF

Même chose que pour le cas précédent mais la SWITCHED HOT BAT BUS n’est pas alimentée.

Distribution bus secours

Voyons maintenant quels sont les équipements qui sont alimentés par les différentes bus de secours.

Sans commenter l’ensemble de cette liste, notons tout de même que la HOT BAT BUS permet de faire les pleins de carburant, d’éteindre un éventuel incendie moteur ou APU, ou d’arrêter les moteurs.

Pour démarrer l’APU, il faudra en plus que la SWITCHED HOT BAT BUS soit alimentée.

Les STANBY BUS AC et DC alimentent, en priorité, la planche de bord gauche, celle du CDB.

Voici, sous forme graphique cette fois, ce qui sera alimenté, en bleu, sur le tableau de bord en cas de panne totale de génération AC, pour une durée de 30 mn avec une seule batterie, et 60 mn avec deux.

La planche gauche, celle du CDB, est clairement la priorité. Elle permet de gérer la trajectoire tout en préservant l’autonomie des batteries…

Commandes et contrôles

L’ensemble des commandes et contrôle du circuit électrique se trouve sur la gauche du panneau supérieur avant.

Certaines des alarmes déclenchent le MASTER CAUTION.

La partie contrôle est essentiellement assurée par un multimètre AC/DC avec le sélecteur gauche dédié aux sources continues et le droit aux sources alternatives.

 

Les trois voyants situés sous l’écran signalent :

Ce schéma nous rappelle que l’huile de l’IDG est refroidie par l’air du fan et le carburant allant aux injecteurs du réacteur.

Il est possible de désaccoupler (on dit décraboter) le CSD de l’alternateur, à l’intérieur de l’IDG, par l’intermédiaire du switch DISCONNECT. L’alternateur, qui n’est donc plus entraîné, s’arrête et il n’est pas possible de faire la manœuvre inverse depuis le cockpit.

Un voyant DRIVE s’allume en cas de basse pression d’huile dans le CSD : elle peut être due à un décrabotage, un défaut de l’IDG ou bien en cas de  température d’huile trop élevée occasionnant un décrabotage automatique.

Trois voyants surplombent le commutateur d’alternateur GEN :

Le BUS TRANSFER switch sur AUTO permet d’assurer automatiquement l’alimentation des bus de transfert par les sources disponibles. Sur OFF, les bus sont isolées et aucun transfert n’est possible.

Circuit Breakers

Pour éviter de propager les effets d’un court circuit à l’ensemble du circuit électrique, l’alimentation de chaque équipement utilisateur d’électricité est protégée par un disjoncteur, circuit breaker en anglais, CB ou breaker en abrégé.

Les breakers sont regroupés sur des panneaux assez impressionnants vu le grand nombre de breakers ! Sur B737, ils sont situés sur la cloison arrière du cockpit, de chaque côté de la porte.

Les breakers sont regroupés par circuit, et un système de coordonnées alphanumérique, comme à la bataille navale, permet de les localiser.

La valeur indiquée sur le breaker correspond à l’intensité en ampères qui déclenche l’ouverture du breaker.

Les breakers qui sont susceptibles d’être utilisés dans des check-lists de secours sont munis d’une bague de couleur.

Voici, par exemple, un extrait d’une check-list secours où il est demandé de vérifier si un breaker a sauté et, si c’est le cas, de le réenclencher.

En l’occurrence, il s’agit d’un RCCB, Remote Control Circuit Breaker, qui contrôle à distance un autre breaker de puissance généralement situé dans la soute électronique.

 

Utilisation

Mise sous tension

Passons maintenant à la pratique en mettant l’avion sous tension, alors qu’il est en « Cold and Dark », c’est-à-dire à l’arrêt complet, sans GPU ni APU.

C’est une situation que les équipages rencontrent très rarement car, la plupart du temps, quand ils arrivent à l’avion, les mécaniciens et les différents services chargés de mettre l’avion en ordre pour le départ sont déjà à pied d’œuvre, et ils ont besoin que l’avion soit alimenté en électricité…

C’est tellement rare que cette procédure ne fait pas partie des procédures normales mais plutôt des procédures complémentaires. Elle s’intitule « Electrical Power UP »

Elle s’étend sur pas moins de quatre pages ! Plutôt que de la commenter par écrit, je vous propose une petite vidéo qui sera beaucoup plus démonstrative.

A noter que l’alternateur/démarreur de l’APU utilise, pour son démarrage, le courant AC issu de la TRANSFER BUS 1 lorsqu’elle est alimentée. Par contre, et c’est le cas dans l’exemple présenté ici, il utilisera le courant issue de la SWITCHED HOT BAT BUS, du courant continu DC donc, lorsque les bus TRANSFER AC ne sont pas alimentées !

Exemple de traitement d’une panne

Jetons tout d’abord un petit coup d’œil à la liste des procédures et check-lists de secours prévue dans le QRH : on trouve, au-dessus du trait en pointillé, une seule procédure d’urgence qui est en fait une procédure de feu ou fumée. Dans ce cas, il faut donc se référer au chapitre 8 qui traite de ce sujet.

On trouve ensuite une liste de check-lsits de secours plutôt restreinte, concernant des pannes qui peuvent affecter le circuit électrique.

Prenons deux exemples en particulier.

Voyant DRIVE allumé

Voici un premier exemple de panne : le voyant MASTER CAUTION nous alerte sur un problème électrique.

La trajectoire n’est pas menacée dans l’immédiat mais, afin que les deux pilotes ne se focalisent pas en même temps sur le problème technique, le Commandant de Bord répartit les tâches : le copilote est chargé de s’occuper du Pilotage, de la Navigation et des Communications (PNC) tandis que le CDB va traiter la panne à l’aide du QRH.

Au panneau supérieur, le voyant DRIVE est allumé sur l’IDG droit. Il y a également les voyants SOURCE OFF et GEN OFF BUS qui sont allumés sur le même côté. L’alternateur droit s’est déconnecté de la TRANSFER BUS droite. Le transfert automatique a été actionné puisque que le voyant TRANSFER BUS OFF est éteint.

Donc pas de panique ! L’ensemble du circuit électrique de l’avion est alimenté mais la seule source est l’alternateur du moteur gauche…

Il y a donc un problème sur le CSD correspondant. Et on peut d’ailleurs constater sur le multimètre que l’alternateur droit affiche tension et fréquence à 0.

Dans le QRH, on trouve une check-list secours est intitulée « DRIVE ».

Le premier item de la check-list secours est assorti d’une mise en garde sur le côté irréversible de la manœuvre de décrabotage…! Et sur la ligne indiquant qu’il faut agir sur l’interrupteur DISCONNECT, lui-même protégé par un cache avec un fil à freiner qu’il faut casser avant de pouvoir le relever, il est indiqué « Confirm », ce qui indique que cette action, à haut risque, doit être faite avec l’accord du deuxième pilote.

Il est certain que si, par erreur, on décrabotait l’alternateur de gauche au lieu du droit, on aggraverait sérieusement la situation…!!!

Le deuxième item propose de démarrer l’APU et de connecter son alternateur sur la bus de transfert du côté affecté pour conserver deux sources AC distinctes sur le circuit. Dans le cas contraire, il faut atterrir sur le terrain accessible le plus proche.

On aurait pu, tout aussi bien, commencer par traiter l’allumage du voyant « SOURCE OFF », mais, comme on va le voir plus loin, on arriverait au même résultat, et il faudrait ensuite traiter le problème du voyant « DRIVE ».

En toute logique, il est donc plus judicieux de commencer à traiter l’alternateur lui-même puisque c’est lui qui est à l’origine du problème.

Voici ce que cela donne en vidéo, enregistrée lors d’un vol simulé avec le B737-800 de PMDG.

Voyant SOURCE OFF allumé

Ce n’est vraiment pas un bon jour car nous avons à nouveau le master caution qui s’allume nous indiquant un nouveau problème électrique : le voyant SOURCE est allumé à nouveau du côté droit, et si on vérifie les paramètres de l’alternateur APU, on voit qu’ils sont à zéro. L’alternateur APU nous a lâchés !

Même répartition des tâches dans l’équipage, le CDB prend le QRH à la page « SOURCE OFF ».

La check-list secours indique d’abord de vérifier si les deux voyants SOURCE OFF sont allumés car dans ce cas il faudrait effectuer la check-list secours prévue pour la perte des deux IDG.

Si ce n’est pas le cas, nous allons d’abord essayer de corriger le défaut en tentant de reconnecter les sources.

D’abord l’alternateur du moteur droit mais, comme à l’étape précédente on l’a décraboté, ce qui est irréversible en vol, on ne peut pas s’attendre à un miracle !

Ensuite, la reconnexion de l’alternateur APU a bien peu de chance d’être couronnée de succès puisque c’est précisément l’origine de la seconde panne : mais ça ne coûte rien d’essayer puisque la check-list le demande.

Sans succès, il faudra se résoudre à atterrir au plus tôt pour ne pas rester trop longtemps dans cette situation où l’ensemble du circuit électrique n’est alimenté que par le seul alternateur du moteur gauche…

Et voici la vidéo correspondante :


Perte des deux alternateurs moteur

Allons jusqu’au bout de notre exploration et voyons maintenant le cas, heureusement très improbable, où l’alternateur restant, celui du moteur gauche, viendrait à tomber en panne lui aussi.

L’alarme est donnée par le déclenchement du pilote automatique avec le klaxon et le voyant rouge associés. Il faut reprendre le pilotage à la main.

On voit sur cette vue 3D que tous les écrans côté copilote sont éteints. C’est donc le Commandant de Bord qui va devoir assurer le pilotage, la navigation et les communications et le copilote qui devra effectuer la checklist secours « LOSS OF BOTH ENGINE DRIVEN GENERATORS ».

Au niveau du panneau supérieur, c’est un peu l’arbre de Noël avec de nombreux voyants allumés.

Sur le panneau électrique, on voit bien que les deux voyants TRANSFER BUS OFF, les deux voyants SOURCE OFF ainsi que les deux voyants GEN OFF BUS sont allumés ce qui confirme que l’alimentation alternative du réseau électrique a été perdue.

On voit également que le voyant BAT DISCHARGE est allumé confirmant bien que la seule source de courant électrique à bord est celle provenant des deux batteries.

La checklist « LOSS OF BOTH ENGINE DRIVEN GENERATORS » est très longue, pas moins de 7 pages, car elle doit pouvoir s’adapter à tous les cas… Pour nous, sachant que les alternateurs du moteur droit et de l’APU sont définitivement perdus, seulement 5 de ces 7 pages vont être utiles.


A noter que la dernière partie, item 15, qui tente de restaurer une information d’attitude sur la planche droite est vouée à l’échec puisque les écrans eux-mêmes sont éteints !

Là aussi, une vidéo sera peut-être plus démonstrative.

A noter que le modèle PMDG utilisé comporte un certain nombre d’anomalies par rapport à ce qui est indiqué au FCOM. Par exemple, le DME 1 est sensé être alimenté par la Bus de secours AC STANDBY et devrait fonctionner. De même, la pressurisation se révèle impossible à contrôler alors que les vannes BLEED AIR devraient rester ouvertes ce qui conduit, au bout d’un certain temps, à une alarme CABIN ALTITUDE qui vient encore compliquer un peu plus l’exercice…!!!


Conclusion

Ainsi se termine cette petite étude du circuit électrique du B737-800. Il ne reste plus qu’à mettre en application ces connaissances dans l’utilisation normale de ce bel avion, et en essayant de traiter les autres pannes proposées par les différents addons en sachant exactement ce que l’on fait lorsque l’on manipule telle ou telle commande.

Bons vols.

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