Brevet FR2472296A1 — publié le 19810626

la présente invention concerne le domaine des alimentations electriques de systèmes électroniques elle a plus particulièrement pour objet une alimenta- tion modulaire pressentant une grande adaptabilité à des sources énergie différentes et des systèmes électroniques utilisateurs diSterents. Une alimentation électrique dtun système électronique constitue l'interface entre une source d'énergies qui peut eatre un réseau fournissant une tension continue ou alternative, de caractéristiques variables) et un système électronique utilisant des tensions conti- nues dont les valeurs peuvent être très variables avec les systèmes, ainsi que les puissances globales requises. Du fait de la diversité des sources énergie ét des systèmes utilisateurs, il est géneralement réalisé un dispositif d'alimentation adapté à chaque couple source-système utilisateur. De plus viennent dans certains cas des contraintes de presen- tation des matériels,qui peuvent nécessiter la réali- sation de plusieurs dispositifs d'alimentation pour un meme couple source-système . Ces contraintes -conduisent à la multiplication des modèles et par suite à un coût industriel élevé. La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation permettant d'eviter les inconvénients mentionnés ci-dessus : il est en effet susceptible, grâce à une structure modulaire, d'entre adapté à un plus grand nombre de sources d'énergie ou de systèmes électroniques utilisateurs différents : cette structure modulaire permet de réaliser des dispositifs d'alimentation à l'aide du plus petit nombre possible de types différents de modules standardisés. Plus précisément, le système selon l'invention comporte trois ensembles de circuits - un premier ensemble, relié à la source d'énergie, qui comporte au moins un module de filtrage, un module de transposition et de régulation et un réservoir d'énergie, cet ensemble fournissant une tension de valeur pré-définie, régulée, sensiblement continue, et ce, quelles que soient les caractéristiques de la source d'énergie - un deuxième ensemble qui reçoit la tension précé dente, qui comporte au moins un module onduleur et un ou plusieurs modules générateurs, et qui fournit les tensions spécifiques aux systèmes utilisateurs considérés - - un troisième ensemble qui comporte notamment un oscillateur et des circuits auxiliaires de comparai son et de commande, cet ensemble recevant des signaux prélevés en différents points du système précédent et contrôlant notamment le module de transposition et le module onduleur. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, le schéma général du dispositif selon l'invention invention - la figure 2, un schéma partiel illustrant la mise en parallèle d'un certain nombre de modules de la figure précédente - la figure 5, a à c, des schémas du module de filtrage du dispositif de la figure I - la figure 4, a et b, des schémas du module de transposition du dispositif de la figure 1 - la figure 5, le schémades modules onduleur et générateur utilisés dans le dispositif selon l'invention - la figure 6, le circuit de commande du module de transposition utilisé dans le dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux memes éléments. La figure 1 représente donc le schéma général du dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte trois ensembles de circuits - un premier ensemble, repéré 1, qui reçoit une tension VE ,fournie par une source d'énergie extérieure et qui peut être continue (et égale à 24,28 ou 48 volts par exemple) ou alternative (de 50 à 400 Hertz par exemple), monophasée ou triphasée, dont l'amplitude nominale peut varier de 115 volts à 220 volts.Cet ensemble fournit en un point Â une tension VA d'une valeur prédéfinie, sensiblement continue et régulée, indépendante de - un deuxième ensemble (2) qui assure la conversion de cette tension VA en un signal U présentant les caractéristiques requises par le système électronique utilisateur - un troisième ensemble (3) qui comporte des circuits auxiliaires de commande et de comparaison, qui reçoit des signaux prélevés en différents points du système, ctest-à-dire le signal VE, le signal U, le signal VA notamment, et qui commande chacun des deux ensembles précédents. L'ensemble 1 comporte trois circuits modulaires, qui sont des quadripoles connectés en cascade. Le premier d'entre eux est un circuit de filtrage Il ayant pour objet l'isolation de la tension VE par le filtrage d'un certain nombre de signaux parasites, notamment de signaux transitoires. lie signal de sortie du filtre il est disponible en un point H où est connecté un circuit 12 assurant le redressement de ce signal, sa transposition à une certaine tension prédéfinie, par élévation ou abaissement de la tension VE, et enfin la régulation de cette tension. Le signal ainsi obtenu, en un point repéré I, est transmis à un réservoir d'énergie 13 qui permet une stabilisation de la tension au point A. La tension au point A (VA) est choisie de telle sorte qu'elle puisse être obtenue quelle que soit la tension d'entrée VE par seulement deux types de transposeurs 12 interchangeables : un circuittranspo- seur élévateur de tension et un circuit transposeur abaisseur de tension, décrits plus loin. Le choix de cette tension résulte d'un compromis entre les tensions extrêmes couramment rencontrées pour la tension d'entrée VE, pour faciliter la normalisation, ainsi que pour faciliter le filtrage et la distribution de énergie, compte tenu également de considérations d'encombrement et de coût. Une valeur préférée pour la tension VA est d'environ 75 volts. Te module réservoir d'énergie 13 peut avantageusement être constitué par un condensateur de forte valeur connecté entre le point F et la masse. il a pour but de suppléer à la source d'énergie extérieure lorsque la tension VE n'a plus une valeur suffisante pour garantir la régulation de la tension intermédiaire VA l'ensemble convertisseur 2 comporte deux circuits modulaires, également constitués par des quadripoles connectés en cascade : un onduleur 21 et un générateur 22. li'onduleur 21, connecté au point A, a pour fonction de-transformer la tension VA en une tension périodique. Le générateur 22, connecté à la sortie B de l'onduleur 21, a pour fonction de délivrer à partir d'une tension d'entrée normalisée (Vg) une tension d'utilisation U adaptée aux besoins. Les circuits auxiliaires 3 comportent notamment un oscillateur, des circuits comparateurs et des circuits de commande ; ils reçoivent notamment la tension d'entrée VB, la tension délivrée par l'ondu- leur 21, la tension U, la tension VA et un certain nombre de commandes extérieures (flèche 30 sur la figure) telles que asservissement en température, controle du démarrage du dispositif, commande à distance, etc. Ces circuits commandent le circuit de transposition 12 et assurent une synchronisation de l'onduleur 21, ainsi qu'il est décrit plus loin. La figure 2 est un schéma partiel du dispositif selon l'invention, illustrant la mise en parallèle des circuits de la figure 1, permettant d'obtenir des puissances variables grace à la modularité du dispositif. Sur cette figure, on retrouve la tension VE qui est reçue par exemple par deux filtres 11a et 11b connectés en parallèle entre les points E et H la tension filtrée est traitée par exemple par trois transposeurs, 12a, 12b et 12c, également connectés en parallèle, entre les points H et J ; ceux-ci alimentent le réservoir d'énergie 13. Au point A sont par exemple connectés toujours en parallèle un certain nombre d'onduleurs,repérés 21a ... 21i. Au point B, il est possible soit de connecter un seul générateur 22 fournissant un signal d'utilisation U de grande puissance, ou plusieurs générateurs, deux dans 11 exemple de la figure, repérés 22a et 22b, fournissant chacun un signal différent (Ua, Ub), spécifiques aux systèmes électroniques utilisateurs. En ce qui concerne le module réservoir d'énergie 13, dans une variante de réalisation non représentée, il comporte de plus un module analogue aux modules transposeurs 12, une résistance et une capacité, connectés de la façon suivante : la capacité est reliée aux bornes d'entrée du module (H1 et H2 sur la figure 4), l'une de celles-ci (H1) étant reliée par l'intermédiaire d'une résistance au point A (repéré A1 sur la figure 5) où est prélevée la tension VA ; les bornes de sortie du module sont reliées au point J, comme celles des autres modules 12. Cette structure très modulaire permet donc d'augmenter très aisément la puissance des signaux U de sortie, tout en facilitant la maintenabilité du système. La figure 3, a à c, représente différents schémas du module de filtrage utilisé dans le dispositif de la figure 1. La figure 3a représente un module élémentaire, noté F, ayant une entrée 41 et une sortie 42 ; entre les bornes 41 et 42 est connectée une inductance 1F entre la borne 41 et la terre est connectée une capacité CF1 et entre la borne 42 et la terre une seconde capacité CF2 Lorsque la source d'énergie est un réseau triphasé comportant quatre voies, c'est-à-dire une pour chaque phase et un neutre, on dispose un module élé mentaire F sur chacune des voies. Lorsque la source d'énergie est constituée par un réseau monophasé, on dispose quatre modules tels que F, deux à deux en série comme représenté sur le schéma de la figure 3b : comme décrit précédemment, le module de filtrage est un quadripole dont les bornes d'entrée, recevant la tension VE, sont repérés E1 et E2 et les bornes de sortie, fournissant la tension VH, sont repérés H1 et H2. Deux modules élémentaires F1 et F2, sont connectés en série entre E1 et H1 et deux autres modules élémentaires, F3 et F4, sont connectés en série entre E2 et H2. Le diagramme de la figure 3c représente le quadripole de filtrage dans le cas où la source d'énergie est constituée par un réseau continu. Comme précédemment, les bornes d'entrée sont repérées Et et E2 et les bornes de sortie de ce module H1 et H2. On utilise ici également quatre modules élémentaires, deux d'entre eux (F5 et F6) étant connectés en parallèle entre les bornes E1 et H1, et les deux autres modules (F7 et F8) étant connectés également en parallèle mais entre les bornes E2 et H2. Sur la figure 4, a et b, est représenté le module de transposition 12 utilisé dans le dispositif de la figure 1, dans le cas d'un circuit élévateur de tension (schéma a) et dans le cas d'un circuit abaisseur de tension (schéma b). Le module transposeur est un quadripole dont les deux bornes d'entrée sont repérées H1 et H2 et les deux bornes de sortie J1 et J2. Entre H1 et J1 sont connectées une inductance T1 et une diode D1 en série, leur point commun étant noté K1. Entre les bornes H1 et H2 est connectée une capacité d'entrée C1 ; entre les bornes de sortie J1 et J2 est connectée une capacité de sortie C2. Entre les points K1 et H2 sont connectés en série un transistor ?1 du type NPN, par son émetteur et son collecteur et une résistance R1, le transistor T1 recevant sur sa base un signal de commande venant de l'ensemble de contrôle 3, celui-ci recevant l'indication du courant circulant entre le transistor T et la résistance R1. En fonction des valeurs les plus fréquentes données plus haut pour la source d'énergie extérieure, il apparait que cet adaptateur-élévateur est destiné à recevoir une tension VH continue. Ce module permet d'avoir les mêmes caractéristiques de tension en J, quelles que soient les caractéristiques du réseau source, en dehors des considérations de coupure ou d'affaiblissement de la source, mentionnées plus haut. Pour cela, l'ensemble 3 assure l'élévation de tension quelles que soient la variation du réseau d'une part et celle de la charge d'utilisation d'autre part, par la variation du rapport de conduction T; du transistor T1, l étant To la largeur de conduction du transistor et T0 la période du signal S1 reçu sur la base du transistor T1 en provenance de l'ensemble 7. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant pendant la durée H où le transistor 21 est saturé, l'inductance lî stocke de l'énergie ; lorsque le transistor se bloque, cette énergie est transmise au condensateur C2 par l'intermédiaire de la diode de récupération d'énergie D1, connectée dans le sens passant de l'inductance lî vers la borne J1. Le circuit illustré figure 4 correspond au cas où le module de transposition réalise un abaissement de tension. Dans les cas habituels de sources d'énergie mentionnés plus haut, ce cas correspond à une tension V alternative redressée, ce redressement étant alors effectué dans le module de filtrage légèrement modifié par rapport au schéma de la figure 3a, par exemple par l'addition d'une diode connectée en série à l'entrée du module F. Dans ce cas, on trouve connectés entre le point d'entrée H1 et la borne de sortie J1 successivement le collecteur et l'émetteur d'un transistor NPN T2, une résistance R2 et une inductance B2 deux capacités C3 et C4 sont connectées respectivement entre les bornes d'entrée H1 et H2 et entre les bornes de sortie J1 et J2 ; une diode D2 est connectée entre la borne H2 et le point K2 commun à la résistance R2 et à l'inductance Lui2. De façon analogue au schéma de la figure 4a, le transistor T2 est commandé par 11 ensemble 3, par l'intermédiaire du signal S1 reçu sur sa base, et l'ensemble 3 reçoit l'indication du courant entre le transistor T2 et la résistance R2, la commande de la régulation steffec- tuant de façon analogue. La figure 5 représente le schéma de l'onduleur et du genérateur utilisés dans le dispositif selon l'invention. Le module onduleur comporte deux bornes d'entrée A1 et A2 entre lesquelles est connectée une capacité C5 ; le point A1 est par ailleurs connecté au point commun de deux enroulements B3 et B4, constituant le primaire d'un transformateur T. les deux autres bornes de ces enroulements sont reliées à respectivement deux transistors T3 et T montés en 4 opposition, ceux-ci étant par ailleurs reliés à la borne A2 ; les transistors T3 et T4 sont commandés par l'intermédiaire de leur base par un signal périodique fourni par l'ensemble de commande 3. Le secondaire du transformateur T est constitué par au moins deux autres enroulements 15 et L6 montés en série avec deux diodes reliées à un même point M et montées en opposition ; au point M est connectée une inductance B9 et un condensateur C6, connecté par ailleurs au point N, commun aux deux enroulements L5 et L6 ; la tension d'utilisation est disponible aux bornes du condensateur C6, le courant passant au point commun aux éléments 19 et C6 étant prélevé à destination de ensemble de contrôle 3. Entre les points M et N, on obtient une tension pseudo continue, c'est-à-dire présentant des zéros de courte durée par rapport à sa valeur non nulle, qui est par ailleurs constante et fonction du rapport de transformation du transformateur T. Cette tension est donc filtrée par un circuit par exemple de type 10 comme représenté sur la figure (éléments L9 et C6), pour constituer la tension continue U1 désirée. Comme représenté sur la figure, le secondaire du transformateur T peut comporter d'autres enroule ment s tels que B7 et B8 reliés en série, leur point commun étant repéré N1, T7 et 18 étant connectés également, comme précédemment L5 et B6 l'étaient aux diodes D3 et D4, à deux diodes D5 et D6 reliées à un point commun M1 et montées en opposition, une seconde tension d'utilisation U2 étant disponible aux bornes d'un condensateur C7 branché entre le point N1 et une borne d'une inductance T10 dont l'autre borne est reliée à M1. Ce montage présente un certain nombre d'avantages parmi lesquels on peut citer - une impédance statique et dynamique faible ; - un filtrage réduit de la tension de sortie U - l'obtention d'une alimentation multisources (u1, U2 ...) peu encombrante par simple multiplica tion des enroulements secondaires du transforma teur. La figure 6 représente le circuit de commande du module de transposition (12 sur la figure 1), ce circuit faisant partie de ensemble 3 de Ja figure 1. Ce circuit comporte principalement un oscillateur 31 fournissant un signal S en dents de scie, un comparateur 32 et un additionneur 33. L'additionneur 33 reçoit d'une part un courant représentant le signal de sortie (U) du générateur 22 et d'autre part un courant prélevé dans le module transposeur 12, au niveau du transistor T1 (fig. 4a) ou T2 (fig. 4b) selon le circuit concerné, et éventuellement par l'intermédiaire d'un amplificateur de courant (non représenté). Le signal SE résultant de la somme des deux signaux précédents, constituant un signal d'erreur, est soustrait au signal S par le comparateur 32 afin de constituer le signal S1 de commande des transistors T1 ou 22. il est à noter que, lorsqu'on utilise la mise en parallèle des modules 12 comme illustré figure 2, l'additionneur 33 est commun à tous les modules. De ce fait, le signal d'erreur SE étant commun à plusieurs modules 12, il se produit un auto-équilibrage des courants sans condition de phase entre les modules. Par ailleurs, la limitation de courant dans le transistor T1 (ou T2) est assurée lorsque le signal SE atteint le niveau de la dent de scie du signal S. Toujours pour le cas où sont connectés plusieurs (n) modules transposeurs (12) en parallèle, il est connecté un oscillateur 31 et un comparateur 32 à chaque module 12, seul l'additionneur 33 restant commun aux différents modules ; ce dernier comporte alors de plus une entrée 34 de synchronisation, permettant de retarder le signal S d'une durée égale à To, égale pour tous les modules. il est alors possin ble de déphaser les modules 12 de 2Y l'un par rapport n à l'autre, ce qui présente un certain nombre d'avantages. Ce déphasage de 2 d'un module par rapport à l'autre peut être réalisé par un circuit supplémentaire, non représenté, recevant le signal S (sortie 35 sur la figure 6), le retardant d'une durée To n et le transmettant à l'entrée 34 du module suivant. il est à noter que ce processus de déphasage des modules 12 les uns par rapport aux autres peut être mis en oeuvre de la même manière pour les modules onduleurs et générateurs, à l'aide d'un oscillateur et d'un élément à retard, lorsque ces modules sont mis en parallèle. Ceci présente l'avantage de ne pas cumuler aux mêmes instants les appels au module réservoir d'énergie (13) provenant des différents onduleurs, et permet notamment la quasi-constance de l'encombrement du module de filtrage, quelle que soit sa puissance. En ce qui concerne la commande du module ondu leur (21) par le circuit 3, comme représenté sur la figure 5 pour les transistors T3 et T4, elle est réalisée par des circuits analogues à ceux représentés figure 6, les signaux provenant du module 12 et dirigés vers lui étant remplacés par ceux relatifs au module 21. Enfin, le dispositif selon l'invention comporte encore un certain nombre de contrôles et d'asservissements habituels dans les systèmes d'alimentation, qui sont globalement regroupés, avec les autres circuits de commande du dispositif, dans le bloc 3 de la figure 1 mais ne sont pas décrits en détails ici parce que réalisés de façon classique. il s'agit notamment du contrôle de la surcharge de courant au point B, pendant la mise sous tension ou pendant des courts-circuits accidentels dans le système utilisateur par exemple ; du contrôle de la surtension au point A ; du contrôle de la tension (sur - ou soustension ou coupure) de la source d'énergie du point E ; des asservissements en température, notamment des oscillateurs ; du contrôle du fonctionnement du dispositif au démarrage. Le dispositif d'alimentation décrit ci-dessus présente donc de nombreux avantages, parmi lesquels on peut citer - la neutralisation des coupures accidentelles de la source d'énergie, grâce au module réservoir d'énergie qui est d'ailleurs susceptible d'extension par capacité ou batterie extérieure au module, ce qui est particulièrement utile dans le cas où cette source est un réseau industriel 50 ou 60 Hz et que le système utilisateur comporte des mémoires volatiles - l'applicabilité à de nombreux types de sources d'énergie comme de systèmes utilisateurs - la diversité des présentations réalisables à partir de modules connectables simplement, en série et en parallèle. REVENDiCATiONS 1. Dispositif d'alimentation électrique modulaire pour un système électronique, caractérisé par le fait qu'il comporte - un premier ensemble (1), recevant une tension (vue) délivrée par une source d'énergie extérieure, comportant au moins un module de filtrage (11), un module de transposition (12) et un module réservoir d'énergie (13), ce premier ensemble (1) fournissant une tension (VA) de valeur prédéfinie, indépendante des caractéristiques de la ténsion d'entrée (VE) - un deuxième ensemble (2), recevant la tension prédéfinie (VA), comportant au moins un module onduleur (21) et un module générateur (22), fournissant une tension d'utilisation (U) au système électronique utilisateur - un troisième ensemble (3), comportant au moins un oscillateur (31) et des circuits auxiliaires de comparaisons (32) et de commande, assurant la commande du module de transposition (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le module de transposition (12) est un quadripole comportant une capacité d'entrée (C1), une capacité de sortie (C2), une inductance (L1) et une diode (D1) reliées en série entre une borne d'entrée (H1) et une borne de sortie (J1)' et un transistor (T1) connecté entre l'autre borne d'entrée (H2) et le point commun (K1) de l'inductance (L1) et de la diode (D1), ce transistor (21) recevant sur sa base un signal de commande (S1) périodique fourni par le troisième ensemble (3), assurant une élévation régulée de la tention d'entrée (VH). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le module de transposition (12) est un quadripole comportant une capacité d'entrée (C3), une capacité de sortie (C4), une inductance (L2) et une diode (D2) reliées en série aux bornes de la capacité de sortie (C4) > et un transistor (ru ) connecté entre une borne d'entrée (H1) et le point commun (K2) de l'inductance (L2) ) et de la diode (D2), ce transistor (T2) recevant sur sa base un signal de commande (s,) périodique fourni par le troisième ensemble (3), assurant un abaissement régulé de la tension d'entrée (VH). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le module réservoir d'énergie (13) comporte une capacité. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le module réservoir d'énergie (13) comporte en outre un module supplémentaire analogue à un module de transposition (12) les bornes de sortie (J1, J2) de ce module supplémentaire étant reliées aux bornes de sortie du module de transposition (12), et ses bornes d'entrée (H1, H2) étant connectées aux deux bornes d'une capacité supplémentaire, et reliées par l'intermédiaire d'une résistance supplémentaire au point (A1) où est prélevée ladite tension pré-définie (VA). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la tension prédéfinie (VA) est sensiblement continue et a une valeur comprise entre 50 et 100 volts. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le deuxième ensemble (2) comporte un transformateur (T) compor tant au moins deux enroulements primaires (L3, L4) et deux enroulements secondaires (X5 B6) deux transistors (T3, T) montés en opposition aux bornes des enroulements primaires, deux diodes (D3, D4) montées en opposition aux bornes des enroulements secondaires, ure capacité (C5) connectée entre les deux bornes d'entrée (A1, A2) de l'ensemble (2), constituées par les points communs respectivement aux deux enroulements primaires (L3, L4) et aux deux transistors (T3 et 4), un circuit de filtrage (L9, C6) connecté aux points communs respectivement aux deux enroulements secondaires (N) et aux deux diodes (M), qui constituent les deux bornes de sortie de l'ensemble (2). 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que le troisième ensemble (3) comporte au moins un oscillateur (31), un comparateur (32) et un additionneur (33), l'oscillateur fournissant un signal (S) périodique (période To) au comparateur (32), l'additionneur (33) réalisant la somme d'une part d'un signal représentant la tension d'utilisation (U) et d'autre part d'un signal représentant le courant passant dans le transistor (X1 T2) ) du module de transposition (12), et fournissant le signal résultant au comparateur (32), ce dernier fournissant un signal (S1) qui constitue le signal de commande de ce même transistor (T1, T2). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'un au moins des différents modules est décomposé en une pluralité de modules assurant la même fonction, les modules formant cette pluralité étant connectés en parallèle. 10. Dispositif selon les revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de n modules de transposition (12) connectés en parallèle, n oscillateurs (34) fonctionnant avec un déphasage égal à 2#/n, n comparateurs (32) connectés respectivement à chacun des modules de transposition, et un seul additionneur (33).