Brevet FR2028023A1 — publié le 19701009

L'invention se rapporte d'une manière générale aux dispositifs d'alimentation délivrant un courant de charge régule a une batterie et un débit variable à une utilisation et particulièrement aux chargeurs destinés à assurer à partir de l'énergie électrique fournie par un réseau de distribution la charge et 11 entretien de la charge d'une batterie d'accumulateurs et l'alimentation dans les limites du calibre du chargeur d'un circuit d'utilisation d'impédance variabie, ladite batterie servant d'une -part à fournir l'appoint de courant lorsque le débit dans l'utilisation dépasse le calibre du chargeur et, d'autre part, à alimenter l'utilisation en l'absence de courant réseau. D'une façon encore plus particulière, ladite batterie sert à encaisser les courants accidentels qui peuvent apparattre dans le circuit. Les chargeurs habituellement utilisés dans cette application sont du type à intensité constant; l'emploi de tels chargeurs a pour inconvénient évident d'entraîner des risques de décharges exagérées, et surtout de surcharges de la batterie, dont le courant est à tout moment égal à la différence entre le courant constant fourni par le chargeur et le courant variable appelé par l'utilisation. I1 convient donc d'associer au chargeur un regula- teur destiné à maintenir le courant de charge de la batterie dans des limites raisonnables; pour ce faire, il est bien entendu nécessaire de pouvoir mesurer le courant de charge de la batterie, par exemple au moyen d'un shunt.Or, dans certaines applications, la présence d'un shunt en série avec la batterie est inacceptable, d'une part parce que sa résistance scoute à celle de la batterie et diminue considérablement les performances d'une batterie à très faible résistance interne, et d'autre part, parce que la résistance du shunt peut accidentellement devenir le siège de très fortes surtensions lorsqu'un courant d'intensité très élevée parcourt la partie correspondante du circuit. L'invention a précisément pour objet la réalisation d'un chargeur capable de fournir un courant de charge sensiblement constant à une batterie, ledit chargeur comportant un rél-teur associé pouvant être incorporg,dont l'organe de mesure du courant de la batterie n'introduit pratiquement aucune résistance anSré- ciable dans le circuit de charge et de décharge de ladite batterie. A cet effet, un dispositif d'alimentation conforme à l'inven- tion est caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un régulateur compre- nant un organe de réglage du courant total délivre par l'alimentation, ledit organe de réglage étant commandé par un transducteur de mesure du type parallèle et-à auto-excitation, corlportant un enroulement de commande de très faible impédance, monté en série avec la batterie aux bornes du circuit de charge et ayant un effet rnsgnstisant ou démagnétisant selon que a batterie débite ou se charge L'organe de réglage peut être placé soit dans le circuit alternatif soit dans le circuit du courant redressé, soit encore dans le redresseur lui-même. flans le premier cas, il peut être constitué par un transducteux de puissance ou par un triac (deux thyristors placés tête-bèche). Dans le second cas, il peut être constitué par un transistor ou de préférence par au moins un thyristor. Dans le dernier cas, il peut être constitué par des thyristors. L'emploi d'un régulateur selon l'invention présente de nombreux avantages : en premier lieu, l'emploi d'un thyristor pour moduler le courant fourni par le chargeur a, de manière connue en soi, l'avantage de permettre un contrôle précis de l'intensité débitée, sans entraîner de pertes d'énergie notables; par ailleurs, la commande de ce thyristor au moyen d'un transducteur du type spécifié a pour avantage d'une part, de s'accomoder, grâce au montage en parallèle des enroulements de travail, du caractère alternatif du courant traversant la batterie, selon qu'elle se charge ou se décharge, et d'autre part, de permettre, grâce au gain élevé assuré par l'auto-excitation, l'emploi d'un enroulement de commande à très petit nombre de tours, pouvant à la limite être constitué par une simple barre de forte section traversant les -tores du transducteur Selon une autre caractéristique de l'invention, et afin d'éviter que le transducteur puisse fonctionner sur sa caractéristique inverse, les cglpères-tours engendrés par le courant de charge dans ltenroulement de commande sont limités à une valeur en tous cas notablement inférieure à celle des amuères-tours de l'enroulement d'auto-excitation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparal- tront Dlus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre illustrés par les dessins annexés, sur lesquels - la figure i est un schéma général d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention dans lequel le dispositif d'alimenté tation comprend l'organe de réglage; - la figure 2 est un schéma général d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention dans lequel l'organe de réglage est un thyristor; - la figure 3 est un schéma détaillé correspondant au dispositif de la figure 2; - la figure 4 est le schéma d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 2. Le dispositif d'alimentation à régulateur incorporé représenté sur la figure 1 comprend un ensemble transformateur-redresseur E dans lequel est incorporé l'organe de réglage, ledit ensemble étant alimenté en courant alternatif monophasé ou triphasé par un réseau de distribution. Aux borne positive(+) et négative (-)de cet ensemble est branchée une batterie B en série avec un transducteur de mesure qui réagit sur ledit ensemble par l'intermédiaire de l'organe de réglage en fonction du courant de la batterie. Les organes d'utilisation sont reliés aux bornes positive et négative précitées. Le dispositif d'alimentation régulée dont le schéma de principe est donné sur la figure 2 comprend essentiellement un transformateur 2 dont l'enroulement primaire P est alimenté en courant alternatif, par exemple fourni par le réseau de distribution, et dont les enroulements secondaires séparés S1, S2 alimentez respectivement un redresseur Rèd et un transducteur de mesure Tr, ce dernier commandant un organe de réglage tel qu'un thyristor Th dans lequel le courant de sortie du redresseur Red est haché de manière que sa valeur moyenne permette de maintenir sensiblement constante la charge d'une batterie 3 , indépendamment des variations de I'intensité du courant appelé par un circuit d'utilisation branché aux bornes (+ , -). A cet effet le courant travers sant la batterie B est mesuré par le transducteur Tr dont le signal de sortie coimnde l'amorçage du-thyristor The Comme il a été déjà indiqué, il importe dans de nombreuses apnlic2tions que la résistance de î'or?ane -de- mesure monté en série avec la batterie B soit aussi faible que possible. s cet effet, et c'on'forr-l-oment à l'invention, cet organe de mesure - est constitué par l'enroulement de commande à basse impédance d'un--amp1ificateur mage tique ou transducteur, l'organe de réglage étant avantageuse ment constitué par un élément de eommut-ation å semi-conducteur, tel qu'un thyristor dont l'amorçage est commandé par ledit transducteur. Le dispositif d'alimentation dont 1 schéma détaillé est donné sur la figure 3 comporte les différents éléments qui viennent d'être mentionnés Ce dispositif comporte en effet-un transformateur d'alimenta- tion T dont l'enroulement primaire bitènsion P ~est relié au réseau par l'intermédiaire d'une part, d'un fusible S et d'un interrupteur J et d'autre part, d'un commutateur de tension K , et dont l'enroulement secondaire X1 alimente le circuit de charge par l'intermédiaire d'un pont redresseur Edl et dont l'-enroulement auxiliaire S2 alimente un transducteur Tr assurant l'amorçage d'un thyristor Th monté en série dans le circuit de charge, représenté en traits forts. Le transducteur Tr, du type parallèle à auto-excitation, comporte deux enroulements alternatifs EA1, EA2 et trois enroulements continus EC1, EC2, EC3. 'les enroulements alternatif EA1, EA2, montés en parallèle, sont alimentés par ltenroulement auxiliaire 52 du transformateur T , un pont redresseur auxiliaire Rd2 monté en série permettant d'pimenter en particulier l'enroule- ment continu EC1, qui constitue l'enroulement dit d'auto-excitation ou de réaction du transducteuro L'enroulement continu EC2, monté en série avec la batterie B aux bornes du circuit de charge, constitue l'enroulement de commande du transducteur Tr, dont l'enroulement continu EC3 constitue un enroulement de contrôle ou de référence permettant de modifier la valeur normale du courant de charge de la batterie B suivant son état de charge; à cet effet, l'enroulement continu EC3 est branché aux bornes du circuit de charge en série avec deux résistances réglables R5, R6, dont la premibre peut etre shuntée par un contait commandé par un dispositif automatique (non représenté) mesurant directement ou indirectement la charge de la batterie B . Une régulation de tension peut être ajoutée à ce circuit de charge pour mesurer la tension batterie, et limiter cette tension, notamment en cas de fonction- nement à froid. Comme il a déjà-été indiqué, le circuit de charge (réprésenté en traits forts) est alimenté par le pont redresseur R di', auquel sont associées une inductance limitatrice ou de stabilisation L et une résistance Ri, l'intensité moyenne du courant fourni par ledit pont redresseur étant contrôlée par le thyristor Th de manière que le courant de charge de la batterie B reste sensiblement constant, malgré les variations de ltintensité du courant appelé par le circuit dtutilisation. (non représenté) branché aux bornes (+, -). amorçage du thyristor Th à l'instant approprié de chaque alternance du courant redressé est assuré par le transduc- teur Tr; à cet effet, la tension apparaissant aux bornes d'une résistance R2 montée en série avec le pont redresseur auxiliaire Rd2 et l'enroulement continu 301 est appliquée entre la gâchette G et la cathode du thyristor Th par l'intermédiaire d'une diode I > utilisée comme élément à seuil, des résistances.R3 et R4 respectivement montées en série et en dérivation assurant de manière connue en soi la protection du circuit de la gâchette du thyristor. Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant En l'absence de tout courant de charge ou de décharge de la batterie B , le transducteur Tr est polarisé légèrement au-delà de la saturation par les ampères-tours de l'enroulement d'autoexcitation 301. L'enroulement de commande EC2 est couplé aux tores du transducteur de manière que les ampères-tours créés par les courants de charge et de décharge de la batterie 3 se retranchent et s'ajoutent respectivement aux ampères-tours de l'enroulement d'auto-excitatioh, et par suite aient des effets respectivement démagnétisant et magnétisant.En fonctionnement normal, lorsque le dispositif d'alimentation débite sur un circuit d'utilisation branché aux bornes (+, -) la batterie est traversée par un courant essentiellement de caractère alternatif, puisqu'elle se charge et se charge successivement durant chaque alternance du courant redressé, c'est-à-dire à un rythme double de la fréquence du réseau d'alimentation; ; toutefois, l'agencement en parallèle des enroulements de travail EA1, BA2 du transducteur Tr a pour résultat d'annuler complètement les effets de la composante alternative induite, de sorte que le transducteur n'est sensible qu'à la valeur moyenne du courant traversant la batterie B Compte tenu du sens de couplage mutuel des enroulements EC1, SC2, un état d'équilibre est atteint pour un courant de batterie constant; toute awrmel1tation du courant de charge dé la batterie tend à augmenter l'impédance de sor'uie du transducteur, et par suite à retarder l'instant cttamorçae du thyristor Th durant chaque alternance; en conséquence, le courant total fourni par le dispo sitif d'alimentation tend à dbaiirner, et donc à ramener le courant de charge de la batterie à sa v > leur initiale, l'intensité du courant appelé par le circuit d'utilisation étant supposée constante.Inversement, toute diminution du courant de charge de la batterie, et a fortiori sa décharge, provoque une augmentation de l'angle de passage du thyrist-or Th, et par suit-e une augmentation corollaire de la valeur moyenne du courant fourni par le dispositif d'alimentation; de la sorte, le courant-de charge de la batterie est de mflme ramene à sa valeur initiale constante. Bien entendu, toute variation du courant appelé par le circuit d'utilisation branché aux bornes (+, -) se traduit immédiatement sur l'intensité du courant de charge de la batterie 3 , et donc provoque une réaction du régulateur propre à compenser ladite variation de courant. Afin d'éviter que la régulation ainsi assurée ne soit perturbée par l'éventuel fonctionnement du transducteur Tr sur sa caractéristique inverse, une précaution particulière consiste à limiter la valeur maximale des ampères-tours pouvant 8tre fournie par le chargeur débitant dans la batterie à un niveau qui soit toujours notablement inférieur à la valeur des ampères-tours du circuit d'auto-excitation, et ceci meme en régime transitoire, par exemple lorsque l'on débranche le circuit d'utilisation.Cette limitation est notsmrnent assurée par lrinduetance de stabilisation L montée en série dans le circuit alternatif du pont redresseur Rd1; à titre d'exemple, dans un chargeur d'intensité nominale 10 A, pouvant débiter en court-circuit 20 A, si l'enroulement de commande EC2 comporte dix spires en série, et donc fournit au maximum 200 At, l'enroulement d'auto-excitation ROI devra fournir au minimum 300 At, et par exemple devra être traversé par 0,75 A, stil comporte quatre cents spires, Le dispositif d'alimentation qui vient d'entre déerit peut faire l'objet de diverses modifications en vue de son adaptation à des applications particulières;;- ainsi, à titre d'exemple, on a représenté sur la figure 4, le schéma d'un chargeur rnodifié destiné à assurer l'alimentation en courant continu d'une installation de protection cathodique contre la corrosion pour un câble souterrain de transport d'énergie électrique. Dans une telle installation, la source maintient l'enveloppe métallique du câble a un faible potentiel continu par rapport à la terre, et en conséquence doit être capable non seulement de fournir le courant de protection, mais encore d'écouler à la terre sans chute de tension appréciable, le courant de court-circuit du câble, qui peut atteindre des valeurs très importantes, par exemple supérieures à 30.000 A. Les caractéristiques du dispositif d'alimentation confie à l'invention sont particulièrement propices à son utilisation comme source continue dans une installation du type précité : en effet, et comme il a été déjà indiqué, l'enroulement de commande du transducteur, constituant l'organe de mesure du courant traversant la batterie, peut être constitué par une simple barre de forte section enfilée à travers les tores du transducteur, la très faible impédance de ladite barre ne pouvant évidemment entraver ltécoule- ment à la terre du courant de court-circuit éventuel du câble protégé. Dans ce cas particulier,de l'application du dispositif selon l'invention à la protection cathodique, le pôle négatif du dispositif est relié au tube métallique à protéger, par- exemple la gaine métallique extérieure d'un câble de transport d'énergie ou de télécommunication,- et cn relie le pôle positif du dispositif à des anodes consommables enterrées, par exemple en zinc, Dans çe cas, la tension du chargeui doit être plus élevée que celle de la batterie, dont le pôle positif est-relié, comme cela apparaît sur la figure 4, à une prise de terre. Le dispositif dont le schéma est donné sur la figure 4 ne diffère de celui représenté sur la figure 3 que par l'insertion d'une inductance de protection S dans le circuit de charge et par la modification des circuits d'alimentation dé ltenrorlement de contrle EC3.En effet-, bien que le gain élevé du transducteur Tr permette de l'amener à son impédance maximum au moyen dé 2 At environ, les batteries généralement utilis-ées ne supportant que des intensités de surcharge de l'ordre de 1 A, l'enroulemént de commande 302 constitué par une simple barre ne saurait fournir en service normal la totalité de cette force magnétonotrice; le complément nécessaire, réglable en fonction-du-courant admissible dans la batterie, suivant le nombre d'éléments montés en parallèle, est fourni par l'enroulement de contrôle SC3, qui par exemple comporte deux cents spires.Cet enroulement de contrôle est branché d'une part aux bornes de 1 batterie B par l'intermédiaire d'une résistance rèIabIe R7, et d'autre part, aux bornes de l'inductance S par l'intermédiaire d'une résistance réglable R8. Ainsi, ltenroulement de contrôle -C3 est traversé par des courants de sens opposés respectivement proportion-lels à la tension aux bornes de la batterie B et à la chute de tension aux bornes de l'inductance S , qui elle-m8me dépend de la comme du courant de charge de la batterie et du courant appelé par le circuit d'utilisation. Un condensateur O -monté en dérivation dans le circuit de charge peut d'étouffer les surtensions dont l'inductance S pourrait être le siège en cas de court-circuit du crle protégé, et par ailleurs, permet le désamorçage du thyristor Th à l'issue de chaque alternance du courant redressé. Dans un exemple de realisation, un dispositif d'alimentation conforme au schéma de la figure 4 permettait d'obtenir un courant de protection cathodique variant entre 1 et 7,5 A, meme si la tension alternative d'alimentation variait de 10 @ ; de part et d'autre de sa valeur nominale, l'intensité du courant de charge de la batterie étant alors maintenue entre 270 et 400 mA pour une batterie formée de quatre éléments parallèles, ou bien 1,34 et 1,64 A pour une batterie formée de seize élements en parallèle, pour les valeurs limites indiquées du courant de protection et de la tension d'alimentation. Bien entendu, l'invention n'est limite ni aux modes de réalisation, ni aux applications susmentionnées, et comprend tous les moyens techniques équivalents à ceux indiqués, ainsi que leurs combinaisons, exécutées selon l'esprit des revendications. R 3 V E N D i O A T i O N S t.- Un dispositif d'alimentation délivrant un courant de charge régulé à une batterie et un débit variable à une utilisation, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un régulateur comprenant un organe de réglage du courant total délivré par l'alimentation, ledit organe de réglage étant commandé par un transducteur de mesure du type parallèle et à auto-excitation, comportant un enroulement de commande (EC2) de très faible impédance, monté en série avec la batterie (B) aux bornes du circuit de charge et ayant un effet magnétisant ou démagnétisant selon que la batterié débite ou se charge. 2.- Un dispositif d'alimentåtion selon la revendication t, caractérisé en ce l'organe de réglage est placé dans le circuit alternatif du redresseur et est constitué par un transducteur ou un ensemble du thyristors. 3.- Un dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que- l'organe de réglage est placé dans le pont redresseur et est constitué par au moins deux thyristors. 4.- Un dispositif d'alimentation selon la revendication i, caractérisé en ce que l'organe de réglage est placé dans le circuit du courant redressé, et est constitué par au moins un transistor ou thyristor. 5.- Un dispositif d'alimentation selon l'une des revendications pré-cédentes, caractérisé en ce que les ampères-tours de l'enroule- ment de commande (EC2) sont limités à une valeur en tous cas notablement inférieure à celle des ampères-tours de l'enroulement d'auto-excitation (EC1). 6.- Un dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une inductance limitatrice (T) montée en série dans le circuit alternatif du chargeur. 7. Un dispositif d'alimentation selon ltune des revendications A, 5 ou 6, caractérisé en ce que la porte et la cathode du thyristor (Th) sont respectivement reliées aux bornes d'une résistance (R2) montée en série avec l'enroulement continu (est) et le redresseur auxiliaire (Rd2) d'auto-excib2tion de transducteur (Tr). 8.- Un dispositif d'aliment-rtion selon la revendication 7, caractérisé -car une diode (D) monté en sens direct dans le circuit de porte du thyristor (Th). 9. Un dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur (Tr) comporte un second enroulement de contrôle (EC7) pour la régulation du courant de charge de la batterie fob). 10. Un dispositif-'d'alimentation selon le revendication 9, ca caractérisé en ce que le second enroulement de contrôle (EC3) est monté aux bornes du circuit de charge, en série avec deux résistances limitatrices (R5, R6), dont l'une peut être shuntée par un contact (K) commande' par un dispositif mesurant directement ou indirectement la charge de la batterie (B). 11. Un dispositif d'alimentation selon la revendication 9, ca ractérisé en ce que le second enroulement de contrôle (EC7) est branché, par l'intermédiaire d-e résistances respectives (R7, R8), aux bornes de la batterie (B) et d'une inductance (S) montée en serie dans le circuit de charge. 12. Un dispositif d'alimentation selon la revendication 11, caractérisé par un condensateur (C) monté en dérivation dans le circuit de charge entre l'inductance '(S) et le thyristor (Th). 13. Un dispositif d t alimentation selon la revendi-cation il ou 12, caractérisé en ce que, pour son application à la protection cathodique, on relie électriquement son pôle positif à des anodes consommables, enserrées, son pôle négatif à la pièce métallique à protéger et au-pôle négatif de la batterie, dont-le pôle positif est relié à la terre.