Brevet FR2508736A1 — publié le 19821231

"Système dealimentation". La présente invention concerne un système d'alimentation dans lequel une tension ou une inten- sité alternative d'entrée est convertie en une tension ou une intensité continue, la sortie d'un circuit re- dresseur étant connectée par l'intermédiaire d'un filtre d'écrêtage à la sortie du système d'alimenta- tion. Dans des systèmes d'alimentation de ce type, on se heurte à la difficulté que du côté d'entrée ou côté primaire, à la suite du fonctionnement du circuit redresseur en coopération avec le filtre d'écrêtage qui le suit, l'intensité ou la tension subit une déformation importante. La nature de la déformation dépend du type de redresseur (mono ou polyphasé), ainsi que de la configuration choisie du filtre d'écrêtage Ceci a pour conséquence que dans le circuit à courant al- ternatif duquel le système d'alimentation tire son énergie, des harmoniques supérieures sont produites (encrassement du réseau). Plus particulièrement, lorsque la source de courant alternatif se trouve à une grande distance de l'utilisateur, par exemple dans le cas d'une ali- mentation à distance d'amplificateurs ou de régénéra- teurs intermédiaires dans des systèmes de trans- mission d'information, cette déformation peut mener à une-forme de tension ou d'intensité inutilisable à l'endroit de l'utilisateur. L'invention a pour but d'éviter l'inconvénient qui précède et est caractérisée en ce que le filtre d'écrêtage présente une impédance d'entrée égale et réelle pour toutes les composantes de fréquence pré- sentées à l'entrée du filtre. L'invention sera décrite ci-après avec réfé- rence aux dessins annexés qui montrent,à titre d'exem- ple,un transformateur à l'entrée du circuit suivi d'un redresseur biphasé à prise médiane, et dans lesquels: la Fig 1 illustre une première forme d'exécu- tion d'un système d'alimentation conforme à l'inven- tion; la Fig 2 illustre un diagramme expliquant les déformations restantes aux entrées des systèmes d'alimentation selon les Fig 1 et 3; la Fig 3 illustre une deuxième forme d'exécu- tion du système d'alimentation conforme à l'invention; la Fig 4 illustre un diagramme destiné à expliquer l'amélioration du rendement du système d'alimentation représenté sur la Fig 3; la Fig 5 illustre plusieurs circuits associés à la Fig 4; la Fig 6 illustre plusieurs variantes de, filtres d'écrêtage à utiliser, et la Fig 7 illustre une troisième forme d'exé- cution du système d'alimentation conforme à l'inven- tion. Dans le système d'alimentation représenté sur la Fig 1, I est le transformateur d'entrée dont le primaire 20 peut être connecté à une source d'inten- sité ou de tension alternative Le secondaire 21 du transformateur d'entrée I est connecté aux bornes d'entrée 1 et 2 du circuit redresseur II Un élément redresseur,par exemple la diode 4,est connecté entre la borne d'entrée 1 et la borne de sortie 14 du cir- cuit redresseur Il La diode 5 est connectée entre la borne d'entrée 2 et la borne de sortie 14 du circuit redresseur II La prise médiane 3 du secondaire 21 du transformateur d'entrée I est connectée à la borne de sortie 15 du circuit redresseur II Le filtre III comporte la bobine de self 6 à'laquelle la résistance 11 et le condensateur 7 sont connectés en parallèle. La bobine de self 6 ainsi que la résistance 11 sont montées entre la borne de sortie 14 du circuit redres- seur II et la borne de sortie 12 du système d'alimen- tation Le condensateur 7 est connecté entre les bornes de sortie 12 et 13 du système d'alimentation. La résistance de charge 8 est également con- nectée aux bornes de sortie 12 et 13 du système d'ali- mentation Les résistances 11 et 8 ont une-valeur de R ohms Les autres éléments du filtre III ont une va- leur telle que la relation suivante est satisfaite L R 2 LC = 1 ( 1) o o L est la grandeur de la self-induction de la bobine 6 et C est la grandeur de la capacité du condensateur 7,tandis que f est la fréquence de résonance du filtre o III- Par le fait que le circuit redresseur II est chargé à ses sorties 14 et 15 par un réseau R dit constant, la seule déformation qui apparaîtra à pré- sent à l'entrée du système d'alimentation sera celle qui est due à la connexion d'une manière non idéale du circuit redresseur II,ce qui est expliqué avec plus de détails avec référence à la Fig 2 Pour pouvoir évaluer la déformation de l'intensité d'entrée ou de la tension d'entrée, on représente, pour plus de sim- plicité; l'impédance d'entrée comme étant formée du montage en série de deux diodes 4 et 5 connectées en opposition et d'une résistance R selon la relation ( 1). Dans le cas d'une connexion à une source de courant sinusoïdal, la tension présentera au passage de cette impédance Une forme telle que représentée sur la Fig 2 Dans cette figure, o est égal à la tension de délai des deux diodes 4 et 5 et E est égal à la valeur de crête de la tension parement sinusoiïdale qui apparaît sur la dite résistance R La déformation est à présent provoquée par la partie crénelée hachurée de la forme d'onde de tension Les amplitudes ain) de l 'onde fondamentale et des harmoniques supérieures satisfont à la relation a(n) = 4 sin N 2 N = pair a(n) = O ( 2) n 7 r ' 2 Pour une tension de délaio volt Un calcul simple indique que la suppression har- monique de la tension présente sur l'impédance satis- fait à la relation: (V) = 20 log(E+ 0,64) + 20 log d B ( 3) Si la dite impédance est connectée à une sour- ce d'e tension sinusoïdale, le courant qui passe par l'impédance aura alors la forme indiquée en b sur la Fig 2 o E-a/R est le courant de crête qui passe par cette impédance On peut imaginer que le courant illustré en b sur la Fig 5 est formé d'un courant purement sinusoïdal, diminué d'un cou- rant à peu près trapézoïdal, comme indiqué en c sur la Fig 2 La déformation qui apparaît est à présent provoquée par la partie trapézoïdale du courant repré- sentée hachurée en c sur la Fig 2 Les amplitudes a(n) de l'onde fondamentale et des harmoniques supé- rieures satisfont à la relation: 4 oc N sin 2 n R a(n) sin N t 2 np ( 4) 17 Tn R 2 n o p = arc sino /E Un calcul simple montre que la suppression harmonique du courant passant par l'impé- dance satisfait à la relation: Ir N I I (i) = 20 log (E-0,64) + 20 log 2 + 20 log i p 1 d B ( 5) Le dernier terme de la relation ( 5) est de peu d'impor- tance,pour autant que E " Oe et que N ne soit pas trop élevé Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig 3, la bobine 6 de la forme d'exécution représen- tée sur la Fig 1 est remplacée par un transformateur Le primaire 10 du transformateur 50 est connecté entre la borne de sortie 14 du circuit redresseur II et la borne de sortie 12 du système d'alimentation. Les points 31 et 32 du secondaire 30 du transforma- teur 50 sont connectés,par l'intermédiaire des diodes 33 et 34 respectives, à la borne de sortie 39 d'un deuxième circuit redresseur IV La prise médiane 36 du se- condaire 30 est connectée à une troisième borne de sortie 16 du système d'alimentation Une résistance 38 est connectée en parallèle à une bobine 35 entre la borne de sortie 39 du redresseur IV et la quatrième borne de sortie 17 du système d'alimentation Un con- densateur 9 est connecté entre les bornes de sortie 16 et 17 du système d'alimentation Une deuxième ré- sistance de charge 11 est connectée aux bornes de sortie 16 et 17 Les résistances 11 et 38 sont de même valeur R' et les autres éléments du filtre V ont une valeur telle que l'on satisfait à nouveau à la relation ( 1) dans laquelle R' est valable en lieu et place de R, L est la valeur de la self-induction de la bobine 35, C est la valeur de la capacité du con- densateur 9 et f O est la fréquence de résonance du filtre V Par l'utilisation d'un transformateur 50 en combinaison avec un deuxième étage redresseur IV comportant un second filtre d'écrêtage V, après une combinaison souhaitée des sorties 16 et 17 avec les sorties 12 et 13, on obtient un rendement supérieur à celui que l'on obtient dans le cas du système d'ali- mentation représenté sur la Fig 1 Ceci sera expli- qué avec plus de détails avec référence à la Fig 4 et avec référence à la Fig 5 (de a à c inclus). Sur la Fig 4, la ligne en traits pleins indique la forme de la tension à l'entrée d'un filtre d'écrêtage à Rconstant au cas o le redresseur bipha- sé est piloté à partir d'une source de courant à sig- nal sinusoïdal On sait que la tension continue est de VDC = 2/77 x la tension maximum Dans le diagramme, la tension maximum est normalisée sur une valeur 1 La puissance d'entrée totale du filtre en a sur la Fig 5 est de: Pi()x 1 O x (= 100 %) i =R Ro La puissance en courant continu est dissipée dans la résistance de charge Ro à la sortie du filtre et est de: VDC 2 4 1 1 PDC Ro = 47 x Ro 0,4053 1/Ro (= 81,06 %) La puissance en courant alternatif est de: A 4 0,0947 1/Ro (= 18,94 %) AC Ro Z 2 Ro Cette puissance en courant alternatif est dissipée dans la résistance R 1 qui est connectée au secondaire du transformateur ( 50) Si le rapport de transfert du transformateur 50 est égal à 1, la ten sion alternative au passage de cette résistance R 1 est à peu près égale en grandeur et en forme à la tension alternative présentée à l'entrée du filtre, tandis que cette résistance R 1 a une valeur égale à celle de la résistance Ro Le diagramme de la Fig 4 indique la forme d'onde de cette tension alternative par la dite ligne en traits pleins, la ligne du O étant la ligne parallèle à l'axe X du diagramme à un niveau y = 2/r La surface O dans le diagramme peut être calculée par: 0 = sin x d x 2/i T ( 7 T-2 arcsin 2/fl) = 0,42103 arcsin 2/F 1 Le redressement tel qu'indiqué en b sur la Fig 5 de cette tension alternative fournit une tension au pas- sage de la résistance Ri comme indiqué sur la Fig 4 par les surfaces hachurées O. La valeur de tension continue est calculée selon -2 O V' 2 = 0,26803 DC T En plaçant à présent entre le redresseur et la résis- tance R 1 à nouveau un filtre d'écrêtage à R constant, comme indiqué par exemple sur la Fig 1, on dissipe la puissance en courant continu dans la résistance de terminaison RI indiquée en c sur la Fig 5 et la puis- sance en courant alternatif (indiquée par une forme d'onde de tension dans le diagramme de la Fig 4 par les surfaces pointillées), dans la résistance R 2 R 2 a une valeur égale à RI, tandis que les valeurs de la bobine et du condensateur sont à nouveau données par la relation: L = R 1 R 2 = R 12 c 2 O Si le rapport de transfert du transformateur en c sur la Fig 5 est égal à n=l, dans ce cas, RI = R 2 = Ro et la puissance dissipée dans RI est alors de: 2 2 p (V'DC) 40 1 12 PD O Dc = 0,177 P IDC 5 Ro = 2 x R = PDC o Si on ajoute cette puissance à la puissance en courant continu obtenue au premier redressement, 3 la puissance encourant continu totale obtenue est de: PDC + P'DC = 1,177 PDC (r) Le rendement du circuit redresseur est alors porté à 1,177 x 81,06 % = 95,43 % (s) Afin de pouvoir réaliser cette combinaison, il faut que la tension continue au passage de la résistance R 1 en c sur la Fig 5 soit rendue égale à la tension au passage de la résistance Ro. La tension au passage de Ro est VDC = 2/l La tension au passage de R 1 est V'DC = pour le cas o N = 1. Si l'on choisit à présent un rapport de transfert de transformateur de n = 1/0 = 2,3751 la tension au passage de Ri deviendra égale à la tension au passage de Ro, de sorte que les résistan- ces Ri et R 2 acquièrent toutes deux une valeur R 1 = R 2 = 1/02 x Ro = 5, 6413 Ro Sur la Fig 3, la valeur de chacune des ré- sistances 38 et 11 aura donc une grandeur de ,6413 x R lorsqu'on choisit la connexion en parallèle des paires de bornes 16, 17 et 13, 12. La résistance de charge résultante du système d'alimentation a alors une valeur ,6413 x 1 ,6413 + 1 R = 0,08494 R On peut aussi combiner les deux puissances en courant continu PDC et P'DC précitées d'une autre manière,par exemple en rendant le courant passant par la résistance R 1 en c sur la Fig 5 égal au courant passant par la résistance Ro. Le courant passant par Ro est de: VDC IDC Ro Le courant passant par Ri est de: OV Dc DC R 1 pour le cas o N = 1. Par-le choix à présent d'un rapport de trans- formateur n = O on donnera aux résistances Ri et R 2 une valeur Rl R 2 = O Ro = 0,1773 Ro Le courant passant par Ri est dans ce cas de: 02 DC DC DC= 2 Ro = IDC La connexion en série de RI et de Ro donne à présent la configuration de la Fig 3 lorsque, sur cette figure, la borne 16 est connectée à la borne 12. Sur la Fig 3, les résistances 38 et 11 auront donc chacune une valeur de 0,1772 x R et la résistance de charge du système; d'alimentation à bornes de sortie 17 et 13 est alors de Rs = 1,1773 R Jusqu'à présent, il n'a pas été tenu compte des pertes de puissance pouvant se produire dans le transformateur 50, les éléments redresseurs 33 et 34 et la bobine 35 Ensemble, ces pertes peuvent être considérées comme une résistance r non utilisable de manière avantageuse en série avec, par exemple, la prise médiane du secondaire du transformateur 50 La déviation du rapport de transformateur théorique donné qui est ainsi nécessaire et la modification du gain de rendement peuvent être calculées d'une manière sim- ple par un bon spécialiste. L'impédance d'entrée du filtre III de la Fig 3 est dans ces deux cas toujours restée égale à l'impé- dance d'entrée du filtre III de la Fig l Pour des puissances d'entrée égales, la puissance de sortie du système d'alimentation représenté sur la Fig 3 accusera toutefois, par rapport à la puissance de sortie du système d'alimentation représenté sur la Fig 1, une augmentation telle qu'indiquée dans les relations (r) et (s). Plusieurs filtres du type à R constant sont indiqués sur la Fig 6 et peuvent être utilisés dans le système d'alimentation conforme à l'invention Le filtre III du système d'alimentation représenté sur la Fig 1 ou le filtre V du système d'alimentation de la Fig 3 peuvent être remplacés par un des filtres indi- S qués en a, b, c ou d sur la Fig 6 En a et b sur la Fig 6 sont représentés des réseaux à R constant purs, tandis que ceux représentés en c et d en sont dérivés par des simplifications admissibles Dans ce cas, il convient de noter qu'un comportement à R constant pur n'est le plus souvent pas exigé,parce qu'une en- trée à résistance R n'est souhaitée que pour les fréquences qui sont produites par le redres- seur. En règle générale il s'agit de f = 0, f >, 2 x étant la fréquence fondamentale du signal de courant alternatif à l'entrée du système d'alimentation. En principe, il est possible d'utiliser des filtres d'ordre encore plus élevé comme filtres d'écrêtage après le redresseur Il ressort toutefois de considérations pratiques que ceci est coûteux à cause des composants supplémentaires à prévoir. Le filtre 3 du système d'alimentation de la Fig 3 ou le filtre V du système d'alimentation de la Fig 3 peuvent être remplacés par un des filtres III indiqués en e ou f sur la Fig 6, dans lesquels, par rapport aux dessins a et b de la Fig 6, la bobine 60 et la résistance Il sont remplacées par le transformateur 50 Le secondaire du transforma- teur 50 est dans ce cas à nouveau connecté au redres- seur IV Il est également possible ici d'utiliser des filtres d'ordre encore supérieur. L'énergie restante (indiquée sous forme d'onde de tension dans le diagramme de la Fig 4 par des surfaces pointillées) est dissipée dans le système d'alimentation de la Fig 3 dans la résistance 38. En remplaçant à nouveau la bobine 35, tout en suppri- mant la résistance 38, par un transformateur, on peut il également rendre ces 4,57 % restants de la puissance d'entrée du filtre III utiles,par exemple par éléva- tion de cette tension au moyen du transformateur et/ou par un circuit multiplicateur de tension redresseur par exemple jusqu'à la production de la haute tension qui est nécessaire pour alimenter des circuits à photodiodes dans des récepteurs dans des systèmes de transmission optique On a calculé plus haut la manière selon la- quelle l'énergie de courant continu disponible aux bornes de sortie 16 et 17 du système d'alimentation de la Fig 3 peut être couplée à l'énergie de courant continu qui est disponible aux bornes de sortie 12 et 13 de ce système d'alimentation et peut être combinée avec celle-ci afin de produire de cette façon un ren- dement plus élevé du système d'alimentation. Ce couplage n'est cependant pas nécessaire et ne doit notamment pas être utilisé lorsqu'on souhaite une deuxième source de courant continu présentant une autre tension que celle qui est mesurée entre les bornes de sortie 12 et 13 En principe, chaque ten- sion entre les bornes de sortie 16 et 17 est possible par un choix correct du rapport de transformation du transformateur 50 Il faut dans ce cas veiller à un fonctionnement inchangé du filtre III en rendant la valeur de la résistance introduite par le transformateur 50 dans le réseau du filtre III toujours égale à celle de la résistance 8 Un autre exemple de réalisation du système d'alimentation con- forme à l'invention est illustré sur la Fig 7 Dans ce cas, le transformateur 50 de la Fig 3 n'est pas connecté à un redresseur IV et à un filtre V, mais direc- tement à un utilisateur d'énergie de courant alternatif VI présentant une impédance d'entrée réelle constante, par exemple pour le chauffage ou l'éclairage. R E V E N D I C A T I O N S 1 Système d'alimentation à redressement d'une tension ou une intensité alternative d'entrée, dans lequel un circuit redresseur (II) est suivi d'un filtre d'écrêtage III, caractérisé en ce que l'impédance d'entrée du filtre d'écrêtage (III) pour tout le spectre de fréquence présenté à ce filtre (III) est à peu près réelle et de même valeur. 2 Système d'alimentation suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que le filtre (III) est un réseau à R constant. 3 Système d'alimentation suivant la reven- dication 2, caractérisé en ce que le filtre (III) comprend le montage en série d'une bobine ( 6) et d'un condensateur ( 7), le -condensateur ( 7) étant monté avec une résistance ( 8) entre les bornes de sortie ( 12, 13) du système d'alimentation et la bo- bine ( 6) étant pontée par une résistance ( 11) (Fig 1). 4 Système d'alimentation suivant la reven- dication 3, caractérisé en ce que la bobine ( 6)-du filtre (III) est formée par le primaire ( 10) d'un transformateur ( 50) dont le secondaire ( 30) est con- necté par l'intermédiaire du montage en série d'un circuit redresseur (IV) et d'un filtre (Il) à la sortie ( 16, 17) du système d'alimentation (Fig 3). Système d'alimentation suivant la reven- dication 2, caractérisé en ce que le filtre (III) est un filtre d'ordre supérieur (Fig 6).