Brevet FR2554991A1 — publié le 19850517

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour alimenter de façon secourue un système à partir du secteur. Elle trouve son application chaque fois qu'il y a lieu d'alimenter un système (système informatique par exemple, ou encore un automate programmé) de façon secourue c'est-à-dire qu'une perturbation ou une coupure de la tension secteur délivrée par le réseau de distribution électrique, en entrée du dispositif, laisse inchangées les tensions alternatives et continues d'alimentation du système, en sortie du dispositif. La capacité du dispositif de secours en cas de panne prolongée doit être au moins telle que le système alimenté puisse mettre en oeuvre des procédures de sauvegarde des informations ou d'arrêt progressif des organes périphériques, dans le cas d'un système informatique. Les dispositifs d'alimentation réalisés jusqu'à présent pour remplir cette fonction sont du type représenté sur la figure 1 : le dispositif d'alimentation 10 est intercalé entre le réseau de distribution électrique (par exemple 220 V/5OHz) et la prise de tension secteur du système alimenté 20. Il comprend un chargeur 11 pour une batterie tampon 12, qui elle-même alimente un onduleur 13 susceptible de produire une tension alternative de même valeur efficace et de même fréquence que le secteur. Pour dimensionner ce dispositif d'alimentation, c'est-à-dire pour calculer la puissance qu'il doit pouvoir délivrer, il y a lieu de considérer non l'intensité efficace à fournir au système alimenté, mais l'intensité maximale de crête que l'on peut observer sur la ligne d'alimentation. Il est en effet nécessaire de pouvoir répondre à tout appel de courant important du système. En particulier, si l'on utilise pour produire les tensions continues une alimentation 21 à découpage ou une alimentation à régulation ballast, on constate des courants crête très élevés, inhérents à l'emploi de ce type même de circuit. Ainsi, si l'on prend l'exemple d'un système nécessitant 125 VA de puissance moyenne en courant alternatif 220 V (pour l'alimentation de ventilateurs et d'un moteur de lecteur de disquettes par exemple) et 80 W de puissance moyenne en courant continu, il y a lieu de prévoir en pratique un onduleur de puissance voisine de 1 kVA pour conserver une réserve suffisante de puissance. Dans cet exemple, on observe en particulier avec une alimentation à découpage une intensité maximale de crête de 5,5 A sur la ligne d'alimentation, correspondant donc à une puissance instantanée très supérieure aux besoins en puissance efficace effectivement consommée. Or les onduleurs sont des dispositifs dont le rendement est de l'ordre de 55 à 60 % en raison des pertes de conduction et de commutation ; ceci amène à des dimensions importantes pour assurer un refroidissement correct des semi-conducteurs, inconvénient qui s'ajoute à celui du surdimensionnement électrique. L'invention propose de pallier ces inconvénients elle part de la constatation que, dans la plus grande majorité des cas, les besoins en puissance sont essentiellement des besoins de puissance en courant continu. On a vu en effet plus haute, dans la technique classique, le surdimensionnement de l'onduleur résulte principalement des crêtes d'intensité produites par les alimentations à découpage, les sous-ensembles alimentés en alternatif (essentiellement des moteurs) étant peu sujets à ce genre de phénomène Selon un premier aspect de l'invention, pour alimenter le système d'une part en tension alternative de valeur efficace et de fréquence correspondant à celles d'une tension secteur, et d'autre part en au moins une basse tension continue, on met en oeuvre les étapes consistant à produire directement à partir du secteur une haute tension continue, produire d'autre part, à partir de la basse tension d'une batterie tampon, une haute tension continue de même valeur que la précédente, délivrer les deux hautes tensions continues ainsi pro duites à une ligne commune de puissance secourue, produire simultanément, à partir de la haute tension continue présente sur cette ligne de puissance, la tension alternative et la (les) tension(s) continue(s) d'alimentation du système. Selon un second aspect de l'invention, le dispositif comprend des moyens redresseurs pour produire, directement à partir du secteur, une haute tension continue et délivrer celle-ci à une ligne commune de puissance secourue, un convertisseur continu-continu pour produire, à partir de la basse tension continue d'une batterie tampon, une haute tension continue, et délivrer celle-ci également à la ligne de puissance, les hautes tensions continues délivrées respectivement par les moyens redresseurs et par le convertisseur continu-continu, ayant sensiblement les mêmes valeurs, des moyens chargeurs de la batterie tampon, alimentés par le secteur, un onduleur à découpage direct, alimenté par la ligne de puissance, pour délivrer en sortie la tension alternative d'alimentation du système, un circuit d'alimentation et de régulation, alimenté par la ligne de puissance, pour délivrer en sortie la (les) basse(s) tension(s) continue(s) d'alimentation du système. Ici et dans la suite, on utilisera les définitions suivantes - "tension secteur" : tension alternative délivrée par les réseaux dé distribution électrique. Il s'agit généralement en Europe d'une tension de 220 V efficace à 50 Hz, mais ces valeurs ne sont pas limitatives ; on peut en particulier envisager un secteur de 127 V/60Hz correspondant aux normes Nord-Américaines. - "Basse tension continue d'alimentation" tension dont la valeur, positive ou négative, correspond aux besoins en alimentation des circuits électroniques logiques (généralement 5 V et 12 V) et des dispositifs électriques ou électromécaniques qui les accompagnent (généralement 12, 24 ou 48 V). - "Haute tension continue" : tension dont l'ordre de grandeur est celui d'une tension obtenue par simple redressement et filtrage d'une tension alternative secteur, sans utilisation de convertisseur continu-continu ou autre moyen élévateur ou abaisseur de tension. Il s'agit par exemple d'une tension de l'ordre de 260 à 350 V pour une tension secteur de 220 V efficaces. - "Basse tension continue de batterie tampon" tension dont l'ordre de grandeur est celui des tensions des batteries de grande capacité couramment utilisées comme batteriestampon (généralement 12, 24 ou 48 V). - "Onduleur à découpage direct" : onduleur permettant de produire une tension alternative de valeur efficace et de fréquence correspondant à celles d'une tension secteur, directement à partir d'une haute tension continue et donc sans utilisation de moyens élévateurs de tension. Un tel onduleur s'oppose à l'onduleur classique alimenté en basse tension, c' est-à-dire une tension dont l'ordre de grandeur est celui des tensions des batteries tampon. Ainsi, selon l'invention, on dissocie les fonctions d'une part d'alimentation secourue en tension alternative - réalisée par un onduleur de faible puissance alimenté en permanence mais dimensionné en fonction des seuls besoins en courant alternatif (donc sans réserve de puissance importante) - et d'autre part d'alimentation secourue en tension continue - réalisée par une alimentation à découpage classique, mais alimentée en haute tension continue. La haute tension continue (secourue) est quant à elle produite à partir de la batterie tampon par un convertisseur continu-continu élévateur de tension, également de type classique. L'intérêt est de n'utiliser que des sousensembles à très haut rendement et de faible encombrement, à savoir un onduleur à découpage direct (car alimenté en haute tension continue) : outre son rendement plus élevé (85 %) que celui des onduleurs alimentés en basse tension, il n'estdimensionné qu'en fonction des seuls besoins en courant alternatif du système alimenté, n'ayant plus à supporter les courants maximaux de crête des alimentations à décou page . une alimentation à découpage direct, tgalestent alittentée en courant continu, un convertisseur continu-continu qui, avantageusement, opère à une fréquence au moins égale à 20 kHz, ce qui permet une miniaturisation importante et un rendement élevé. Un avantage subsidiaire de 11 invention est de permettre le débranchement du chargeur et de la batterie (par exemple pour un échange de cette dernière) en cours de fonctionnement : la ligne de puissance reste en effet alimentée en haute tension continue (bien que non secourue) par les moyens redresseurs. Au contraire, dans les dispositifs de la technique antérieure, il est nécessaire de prévoir une commutation supplémentaire pour court-circuiter l'ensemble chargeur-batterie-onduleur en cas d'intervention. En outre, avantageusement, le dispositif comprend des moyens détecteurs de perturbation ou de coupure du secteur, coopérant avec le convertisseur continu-continu de manière à n'alimenter celui-ci qu'à partir du moment où une perturbation ou une coupure est détectée, le temps de réserve de l'onduleur et du circuit d'alimentation et de filtrage étant supérieur au temps de mise en fonctionnement du onvertisseur contin-continu. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels . la figure 1; déjà citée, est une représentation schématique d'un ensemble de la technique antérieure, la figure 2 est une représentation schématique d'un ensemble selon l'invention. Le dispositif 100 selon l'invention alimente le système 200 en tension alternative (par exemple 220 V alternatifs pour une puissance de 125 VA) et en une plura lité de tensions continues (par exemple 5 V/10 A, 12 V/2 A et -12 Vil A, correspondant à une puissance totale moyenne d'environ 80 W). Le dispositif 100 comprend un redresseur 110 permettant d'obtenir directement à partir du secteur 220V une tension continue de l'ordre de 260 à 350 V. Cette haute tension continue alimente une ligne de puissance commune 150. Par ailleurs, un chargeur 120, également alimenté par le secteur, alimente une batterie tampon 130 sous une tension de 48 V par exemple. Cette batterie tampon est utilisée pour alimenter un convertisseur continu-continu 140 délivrant en sortie une haute tension continue de même valeur (260-350 V) que celle produite par le redresseur 110. Cette haute tension est également appliquée à la ligne commune 150, de sorte que celle-ci peut être indifféremment alimentée par letredresseur (fonctionnement normal) ou par la batterie tampon et le convertisseur (fonctionnement de secours). La ligne 150 alimente en premier lieu un onduleur 160 à découpage direct, c'est-à-dire qui peut transformer directement la haute tension continue présente sur la ligne en une tension alternative 220 V/50 Hz correspondant à celle du secteur et servant exclusivement à alimenter les organes du système 200 nécessitant un courant alternatif d'alimentation. La puissance de cet onduleur est donc du même ordre que celui de la puissance effectivement consommée par ces organes (125 VA dans l'exemple). La ligne 150 alimente en second lieu une alimentation 170, avantageusement une cimpntation à découpage direct, qui permet la transformation directe de la haute tension continue en une basse tension pour l'alimentation des circuits électroniques. Il est également possible de prévoir un prolongement 180 due cette ligne d'alimentation 150 de manière à alimenter d'autres circuits en haute tension continue secourue. Enfin, pour éviter de faire fonctionner en permanence le convertisseur 140, on peut prévoir de ne faire fonctionner celui-ci qu'en cas de coupure effective. Dans ce cas, le temps de réponse de la boucle de régulation qui met en route le convertisseur doit être inférieur au temps de réserve de l'onduleur 160 et de l'alimentation à découpage 170, par exemple un temps de réponse de 1 ms pour une réserve de 20 ms. Les différents sous-ensembles utilisés peuvent par exemple être des types suivants, commercialisés par la Demanderesse : - pour le redresseur 110 : type RHDS, - pour le chargeur 120 : type CBS, - pour le convertisseur continu-continu 140 type CCS, - pour l'onduleur 160 : type ODDS, - pour l'alimentation à découpage 170 ADFE ou ADMS, REVENDICATIONS 1. Un procédé pour alimenter de façon secourue un système à partir du secteur, d'une part en tension alternative de valeur efficace et de fréquence correspondant à celles d'une tension secteur, et d'autre part en au moins une basse tension continue, caractérisé en ce qu'il consiste à . produire directement à partir du secteur une haute tension continue, . produire d'autre part, à partir de la basse tension d'une batterie tampon, une haute tension continue de même valeur que la précédente, . délivrer les deux hautes tensions continues ainsi pro duites à une ligne commune de puissance secourue, . produire simultanément, à partir de la haute tension con tinue présente sur cette ligne de puissance, la tension alternative et la (les) tension(s) continue(s) d'alimen tation du système. 2. Un dispositif (100) pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend . des moyens (110) pour produire directement à partir du secteur une haute tension continue, des moyens (140) pour produire d'autre part, à partir de la basse tension d'une batterie tampon (130), une haute tension continue de même valeur que la précédente, . une ligne commune (150) de puissance secourue recevant les deux hautes tensions continues ainsi produites, . des moyens (160, 170) pour produire simultanément, à partir de la haute tension continue présente sur cette ligne commune, la tension alternative et la (les) tension(s) continue(s) d'alimentation du système. 3. Un dispositif (100) pour alimenter de façon secourue un système (200) à partir du secteur, d'une part en tension alternative de valeur efficace et de fréquence correspondant à celles d'une tension secteur, et d'autre part en au moins une basse tension continue, caractérisé en ce qu'il comprend . des moyens redresseurs (110) pour produire, directement à partir du secteur, une haute tension continue et délivrer celle-ci à une ligne commune (150) de puissance secourue, . un convertisseur continu-continu (140) pour produire, à partir de la basse tension continue d'une batterie tampon (130), une haute tension continue, et délivrer celle-ci également à la ligne de puissance (150), les hautes tensions continues délivrées respectivement par les moyens redresseurs et par le convertisseur continu continu, ayant sensiblement les mêmes valeurs, . des moyens chargeurs (120) de la batterie tampon, alimen tés par le secteur, . un onduleur (160) à découpage direct, alimenté par la ligne de puissance, pour délivrer en sortie la tension alternative d'alimentation du système, un circuit (170) d'alimentation et de régulation, ali menté par la ligne de puissance, pour délivrer en sortie la (les) basse(s) tension(s) continue(s) d'alimentation du système. 4. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit (170) d'alimentation et de régulation est une alimentation à découpage direct. 5. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu(140) opère à une fréquence au moins égale à 20 kHz. 6. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens détecteurs de perturbation ou de coupure du secteur, coopérant avec le convertisseur continu-continu de manière à ntali- menter celui-ci qu'à partir du moment où une perturbation ou une coupure est détectée, le temps de réserve de l'onduleur et du circuit d'alimentation et de filtrage étant supérieur au temps de mise en fonctionnement du convertisseur continu-continu. 7. Un sous-ensemble pour un dispositif secouru selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend . des moyens redresseurs (110) pour produire, directement à partir du secteur, une haute tension continue et délivrer celle-ci à une ligne commune (150) de puissance secourue, un convertisseur continu-continu (140) pour produire, à partir de la basse tension continue d'une batterie tampon (130), une haute tension continue, et délivrer celle-ci également à la ligne de puissance (150), les hautes tensions continues délivrées respectivement par les moyens redresseurs et par le convertisseur continu-continu, ayant sensiblement les mêmes valeurs, des moyens chargeurs (120) de la batterie tampon, alimentés par le secteur.