Brevet FR2581488A1 — publié le 19861107

"PERFECTIONNEMENT AUX ALIMENTATIONS EN COURANT ALTERNATIF NON SUSCEPTIBLES D'ETRE INTERROMPUES". La présente invention concerne une alimentation en courant alternatif non susceptible d'être interrompue. On connaît déjà de telles alimentations. Elles comportent un circuit redres- seur de la source électrique alternative normale d'énergie, une batterie d'accumulateurs constituant une source d'énergie électrique, de secours, un circuit onduleur transformant le courant continu issu soit du redresseur précité, soit de la batterie d'accumulateurs, en courant alternatif stabilisé et ininterrompu utilisé par une charge. Ces alimentations donnent générale- ment satisfaction, mais leur rendement est rarement supérieur à 85 %, leur prix est élevé et elles sont trop volumineuses, par rapport à la puis- sance fournie. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et propose une alimen- tation d'une charge en courant alternatif non susceptible d'être interrom- pue comportant un circuit onduleur, une source d'énergie électrique de secours constituée d'une batterie d'accumulateurs suppléant aux défail- lances d'une source électrique alternative normale, un transformateur, un circuit chargeur de la batterie d'accumulateurs, un dispositif de commuta- tion permettant de passer de l'état normal o l'alimentation est connectée à la source électrique alternative normale, à l'état de secours, o l'alimenta- tion est connectée à la batterie, un dispositif de détection des défaillances de la source commandant le dispositif de commutation, dans laquelle le circuit onduleur et le circuit chargeur de la batterie sont constitués d'un seul et même circuit chargeur/onduleur, fonctionnant en chargeur 258 1 488 lorsque l'alimentation est à l'état normal, et en onduleur lorsque l'alimenta- tion est à l'état de secours et que la source électrique alternative normale est défaillante;. un dispositif de commande du circuit chargeur/onduleur, lui-même commandé par le dispositif de détection, commande le fonction- nement en onduleur respectivement en chargeur du circuit chargeur/onduleur selon que l'alimentation et le dispositif de commutation sont à l'état de secours, respectivement à l'état normal; la source électrique alternative normale, c'est-à-dire le réseau électrique est directement connecté à la charge via le dispositif de commutation et le transformateur lorsque l'alimen- tation est à l'état normal, le circuit chargeur/onduleur fournissant de l'éner- gie électrique alternative à la charge exclusivement lorsque l'alimentation est à l'état de secours, la source noramle ou réseau électrique étant décon- nectée; comportant un transformateur de puissance qui a un enroulement secondaire connecté à la charge et au moins deux enroulements primaires, l'un étant connecté à la source électrique alternative normale, et l'autre étant connecté au circuit chargeur/onduleur; le circuit chargeur/onduleur comporte un circuit hacheur à découpage à haute fréquence, notamment à 25 kHz par modulateur de largeur d'impulsions, qui lui-même comporte des transistors de puissance du type MOS; le dispositif de commutation comporte un contacteur statique ultra-rapide commandé par le dispositif de détection des défaillances de la source électrique alternative normale. Cette disposition rend l'alimentation selon l'invention peu volumineuse et compacte, et peu coûteuse à fabriquer par rapport àa ses performances. En effet, une alimentation, selon l'invention, comporte moins de composants que celles de l'art antérieur et est de conception et de réalisation moins sophistiquée. De plus, cette disposition procure un rendement à l'état normal bien supérieur à celui des alimentations connues puisque les seules pertes à l'état normal sont celles dues au transformateur qui est le seul intermé- diaire avec le dispositif de commutation entre la charge et la source élec- trique alternative normale. Un mode particulier de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures annexées dans lesquelles 2 5 8 1 4 8 8 - la figure 1 est un schéma de principe illustrant la disposition générale de divers éléments de l'alimentation selon l'invention, - la figure 2 est un schéma illustrant la logique et le fonction- nement du dispositif de détection. - la figure 3 est un schéma illustrant la logique et le fonction- nement du dispositif de commande du circuit chargeur/onduleur. - la figure 4 est un schéma de principe du circuit chargeur/ onduleur. Une alimentation en courant alternatif non susceptible d'être interrompue selon l'invention comporte une connexion à une source électrique alterna- tiver normale, et une connexion à une charge 2. La source 1 est générale- ment le réseau électrique national ou secteur, délivrant généralement un courant alternatif de 50 Hz sous une tension de 220 V. La charge 2 est quelconque, mais une alimentation selon l'invention est particulièrement adaptée à une charge 2 du type mini ou micro-informatique, dispositif de sécurité, appareils médicaux, télématique, automation..., ou à toute autre installation pour laquelle il est nécessaire d'avoir une source de courant non susceptible d'être interrompue et d'être à l'abri des défaillances du secteur, par exemple susceptibles d'engendrer des pertes d'information. Le réseau 1 est relié à la charge 2 par un dispositif 3 de commutation et un transformateur 4. A l'état normal, quand le courant délivré par le secteur est correct, la source 1 est électriquement connectée au transfor- mateur 4 par lequel elle alimente la source 2. Par contre, lorsque la source 1 est défaillante, le dispositif 3 de commutation isole le transformateur 4 de la source 1. L'alimentation comporte également un dispositif de détection 5 des défail- lances de la source I commandant le dispositif 3 de commutation, un circuit chargeur/onduleur 6 relié à au moins un enroulement primaire 7 du transfor- mateur 4, un dispositif de commande 8 de ce circuit chargeur/onduleur 6, et une source 9 d'énergie électrique de secours, constituée par une batterie d'accumulateurs, par exemple étanche, au plomb, sans entretien En fonctionnement, le dispositif détecteur 5 détecte le courant délivré par la source 1. Si ce courant est normal, c'est-à-dire satisfaisant à des normes de tension et/ou phase, et/ou fréquence prédéterminées, le dispositif de détection 5 commande d'une part, le dispositif de commutation 3, de façon qu'il relie électriquement la source I et la transformateur 4, et d'autre part, le dispositif de commande 8 qui lui commande le circuit chargeur/onduleur 6 pour un fonctionnement en chargeur de la batterie 9. Dans cet état, dit normal, le circuit chargeur/onduleur 6 transforme le courant en provenance du transformateur 4, via l'enroulement 7, en un courant de charge de la batterie 9. Par contre, lorsque le courant alterna- tif détecté présente des défaillances, c'est-à-dire est en dehors des tolé- rances prédéterminées, le dispositif de détection 5 commande le dispositif de commutation 3, de façon à isoler la source 1 du transformateur 4, et le dispositif de commande 8 qui déclenche le fonctionnement en onduleur du circuit chargeur/onduleur &6. Dans ce cas, la charge 2 est alimentée par la batterie 9 dont le courant est ondulé par le circuit 6 et transmis à la charge 2 via le transformateur 4. Bien entendu, le mode de fonctionnement le plus courant est le mode à l'état normal o la source 1 alimente la charge 2. D'ailleurs, le mode de fonctionnement à l'état de secours ne peut durer indéfiniment sans retour à la normale, puisque la batterie 9 fournissant l'énergie électrique à la charge 2 se décharge. Cette batterie 9 est dimensionnée, en fonction de l'autonomie que l'on désire obtenir. Par exemple, pour le cas d'une alimentation de 750 VA (puissance crête en régime permanent), la batterie 9 sera avantageusement constituée de quatre éléments de 12 V et 6 Ah en série, ce qui procurera une autonomie de l'ordre de 10 minutes à l'état de secours. Ainsi, dans une telle alimentation, le circuit onduleur et le circuit chargeur de la batterie 9 sont constitués d'un seul et même circuit chargeur/ onduleur 6 fonctionnant en chargeur lorsque l'alimentation est à l'état normal, et en onduleur lorsque l'alimentation est à l'état de secours et 258 1 488 que la source I électrique alternative normale est défaillante. Le dispositif de commande 8 du circuit chargeur/onduleur 6 est lui-même commandé par le dispositif de détection 5. La fonction du dispositif de commande 8 est de commander le fonctionnement en onduleur, respectivement en chargeur du circuit 6 selon que l'alimentation et le dispositif de commuta- tion 3 sont à l'état de secours, respectivement à l'état normal. Lorsque l'alimentation est à l'état normal, la source 1 est directement connectée à la charge 2 via le dispositif de commutation 3 et le transformateur 4. Le circuit chargeur/onduleur 6 fournit de l'énergie électrique alternative à la charge 2 exclusivement lorsque l'alimentation est en état de secours, la source 1 étant déconnectée. Le transformateur 4 de puissance comporte un enroulement 10 secondaire connecté électriquement à la charge 2 et au moins deux enroulements primaires 7 et 11, l'un 11 étant connecté à la source 1 électrique alterna- tive normale via le dispositif de commutation 3 et l'autre 7 étant connecté au circuit chargeur/onduleur 6. Le transformateur 4 de puissance comporte avantageusement, un troisième enroulement primaire 12 de mesure du cou- rant alternatif, qui passe dans l'enroulement primaire 7. Le dispositif de commutation 3 est principalement constitué d'un contac- teur statique ultra-rapide 13 commandé par le dispositif de détection 5 des défaillances de la source 1. Ce contacteur statique 13 est commandé au démarrage par l'intermédiaire d'un relais de démarrage 20 du dispositif de détection 5. Par la suite, il est commandé par le dispositif de détection 5. On va maintenant décrire le fonctionnement logique du dispositif de détec- tion illustré par la figure 2. Les bornes de la batterie 9 sont associées en 14 à une alimentation 15 au courant continu des circuits logiques et analogiques. Cette alimentation comporte une borne OV 16, une borne 7,5 V, 17, une borne 15V, 18, pour les circuits logiques et analogiques, et une borne 19 à 48V. Le secteur 1 est connecté en 21 à un dispositif d'isolation du secteur et d'atténuation 258 1488 6 6 22. Ce dispositif 22 fournit le courant du secteur à un circuit 23 qui génère la sinusoïde du secteur, puis à un circuit 24 qui en tire un signal carré. Le circuit 23 est connecté à trois dispositifs de détection 25, 26, 27. Le dispositif 25 est un dispositif de détection de défaillances de la tension du secteur, le dispositif 26 est un dispositif de détection rapide de la présence du secteur 1, qui génère un signal en 28 lorsque ce secteur 1 est c,.rect au dispositif 27 de détection de la phase et/ou de la fréquence du secteur. Après détection en 25 de la tension secteur, le dispositif 25 envoie un signal au dispositif 27 qui détecte la phase et/ou la fréquence, voire éga- lement les défaillances de la phase et/ou de la fréquence du secteur 1. Le dispositif 27 est enfin relié à un dispositif 29 de commande de fonction- nement sur secteur ou sur batterie, qui est connecté d'une part au dispositif de commutation 3 via le relais de démarrage 20 et au dispositif de com- mande 8 du circuit chargeur/onduleur 6 pour ordonner un fonctionnement en chargeur ou en onduleur. Par conséquent, le dispositif de détection déclenche par le circuit 29 la commutation du contacteur statique 13 et le fonctionnement en chargeur ou en onduleur selon que le courant délivré par la source 1 est présent ou non et a ou n'a pas une tension com- prise entre des valeurs de référence données, par exemple une tension nominale plus ou moins 15 %, et/ou a ou n'a pas sa phase comprise entre des valeurs de référence données, et/ou a ou n'a pas sa fréquence comprise entre des valeurs de référence données. Le circuit 27 de détection de phase est relié, ainsi que le circuit 24 gé- nérant le signal carré du secteur I à un circuit 30 de mise en phase et de synchronisation en fréquence, qui est lui-même relié à un circuit 31 de génération de la sinusoïde de référence, qui est de préférence à 50 Hz. Un signal retour est envoyé du circuit 31 au circuit 30 via un circuit 32 de génération d'un signal carré de référence à partir de la sinusoïde de référence, afin de générer un signal de référence de phase correcte et synchronisé en fréquence. Ce signal alternatif sert de référence aux circuits 26 et 27 de détection auxquels il est envoyé, et au circuit char- geur/onduleur 6 lorsqu'il fonctionne en onduleur. Le circuit 27 de détection de phase, lorsque tous les tests établis par les circuits de détection 25, 26, 27 assurent un secteur 1 normal, détecte la phase et/ou la fréquence 258 1 488 de la sinusoïde de référence en fonction des valeurs détectées, de façon notamment que la commutation se fasse dans des conditions de phrase et fréquence correctes. On va maintenant décrire la logique du dispositif de commande 8. La batterie 9 est connectée en 33 à un circuit d'alimentation 38 qui comporte quatre bornes; OV; 7,5 V; 15 V; et une référence continue en 34. La tension alternative de sortie mesurée par l'enroulement 12 est envoyée à un amplificateur d'erreur 35. Le signal de référence alternatif précité provenant du circuit 31 est envoyé sur cet amplificateur d'erreur 35. Le dispositif 8 comporte un autre amplificateur d'erreur 36 sur lequel sont connectées la tension de la batterie prise en 33 et la référence continue 37 prise en 34. La tension de la batterie 9 prise en 33 est aussi envoyée à des dispositifs de détection de surtension 39 et sous tension 40. Le dispositif comporte également un circuit 41 générateur de signaux carrés dont la tension crête est de l'ordre de 15 V, et un dispositif interrupteur 42 inhibant le circuit 41 lorsque le circuit 29 du dispositif 5 commande un fonctionnement en onduleur. Un circuit d'équilibrage 43 magnétisant supprime toute composante continue à la sortie de l'amplificateur d'er- reur 35. L'amplificateur d'erreur 35 est relié à la première partie 44 d'un circuit de modulation de largeur d'impulsions à découpage haute fréquence. l'amplificateur d'erreur 36 est relié à un dispositif interrupteur 43 inhibant cet amplificateur d'erreur 36 dans les mêmes conditions que le dispositif interrupteur 42, lors du fonctionnement en onduleur. L'amplifica- teur 36 est relié via le dispositif 43 à la deuxième partie 45 du circuit de modulation de largeur d'impulsions à découpage haute fréquence. -Un dispositif 46 générateur d'un signal en dents de scie à haute fréquence, notamment 25 kHz, et dont la tension crête est faible, notamment de l'ordre de I V,, est connecté aux circuits 44, 45 pour autoriser le découpage à haute fréquence. Lorsque le circuit 29 impose un fonctionnement en onduleur, l'amplificateur d'erreur 35 compare la tension alternative de sortie mesurée par l'enroule- ment 12 et la tension sinusoïdale de référence générée par le circuit 31. 258 1 488 Le circuit 41 et l'amplificateur 36 sont inhibés. La fréquence du fondamental à 50 Hz est fournie par le circuit 31, la modulation de largeur d'impul- sions est obtenue par le circuit 44. Lorsque le circuit 29 impose un fonctionnement en chargeur, la tension mesurée par l'enroulement 12 correspond au secteur 1. Ce courant sinu- soldal 50 Hz est envoyé au circuit 41 qui génére des signaux carrés sous V au circuit 44 qui induit le fonctionnement des commandes 50a, 50b des transistors MOS alternativement pendant une demi-période du 50 Hz. La modulation de largeur d'impulsions à haute fréquence est générée par le circuit 45 à partir de l'amplificateur d'erreur 36 et du circuit 46. En effet, dans ce cas, le signal généré directement du circuit 46 en dents de scie sous 1 V est écrasé par le signal carre sous 15 V du circuit 41. Le circuit 44 est connecté symétriquement aux circuits 47a, 47b de com- mande des transistors MOS de puissance, via des circuits 48a, 48b de généra- tion de trous d'interdiction et 49a, 49b d'auto-protection. Les circuits 48a, b, servent à éviter des conductions simultanées lors de la commutation d'une voie à l'autre, en apportant en retard, notamment de l'ordre de l.ps à la commande 47a ou 47b de la voie mise en conduction. Les circuits 47a et 47b sont connectés aux commandes 50a, 50b des transistors MOS. Chaque transistor est ainsi commandé pendant 10 ms, demi période du Hz, à une fréquence de hachage de 25 kHz due aux circuits 44, 45, 46, môdulateurs de largeurs drimpulsions. Le signalten soFtie 51a, 51b des transistors est envoyé en retour aux circuits d'auto-protection 49a, 49b. On prévoit également un circuit 52 de commande d'un dispositif interrupteur 53, notamment un relais, branché en série sur la batterie 9 et qui est commandé lors d'un défaut détecté par les circuits 39 ou 40, ou juste après le démarrage de l'alimentation. Un circuit 54 de limitation du courant dans les transistors MOS 58a, 58b engendre un signal de blocage à haute fré- quence des commandes 50a, 50b. 258 1 488 Le courant passant dans les transistors MOS 58a, 58b est mesuré par l'in- termédiaire d'une résistance 59 et envoyé au circuit 54 de limitation de courant et à un circuit 55 de détection du courant. En fonction de la com- mande en provenance du circuit 29, et du courant détecté par le circuit , un circuit 56 commande le circuit 54 pour une détermination correcte du seuil de courant selon le fonctionnement en onduleur ou en chargeur. En effet, en fonctionnement en chargeur, le courant redressé ne doit pas dépasser un certain seuil de façon à protéger la batterie, et en onduleur le seuil est celui du courantdies transistors MOS. On va maintenant décrire plus précisément le circuit chargeur/onduleur 6 tel qu'illustré par la figure 4. Ce circuit 6 comporte essentiellement un enroulement 7 primaire du transfor- mateur 4. Le milieu 60 de cet enroulement 7 est connecté au pôle plus de la batterie 9. La tension crête aux bornes de l'enroulement 7 est de l'ordre de 70 V. Un condensateur 61 est connecté d'une part, au milieu de l'enroulement 7 en parallèle avec le pôle plus de la batterie, et d'autre part, au pôle moins de la batterie déterminant la masse. La batterie 9 est connectée au dispositif de détection 5, éventuellement via un ou plusieurs relais appropriés. Les deux transistors MOS 58a, 58b sont connectés à chaque extrémité de l'enroulement 7 via deux inductances 62a, 62b couplées entre elles comme représenté en figure 4, par les traits pointillés. Deux diodes 63a, 63b sont reliées d'une part à la masse (pôle moins de la batterie 9), et d'autre part entre les inductances 62a, 62b et les transistors 58a, 58b comme représenté en figure 4. Le circuit chargeur/onduleur est donc essentiellement constitué d'un circuit hacheur à découpage haute fréquence, notamment à 25 kHz par modulation de largeur d'impulsions, du type push-pull comportant deux transistors de puissance du type MOS. En onduleur, le courant sinusoïdal est synthé- tisé par modulation des durées de conduction d'un transistor par rapport à l'autre. Le signal de modulation est obtenu en comparant la sinusoïde de sortie à une sinusoïde de référence, le signal d'erreur est ensuite trans- mis à un modulateur de fréquence 25 kHz qui commande les transistors du hacheur. La limitation de courant est réalisée en limitant le courant crête dans les transistors MOS, elle se traduit par un écrêtage de la sinu- solde. Un tel principe de fonctionnement à découpage haute fréquence permet notamment de réduire le volume du filtre passe-bas de sortie pour la compo- sante haute fréquence, constitué de chacune des inductances 62a, 62b, et d'une capacité branchée par exemple entre les deux bornes de l'enroule- ment secondaire 10. Comme on l'a compris, le circuit est symétrique, c'est-à-dire que les deux transistors MOS, les deux inductances, les deux diodes... ont les mêmes caractéristiques. Mes diodes 65, 66, 67, 68 sont disposées de façon appropriée comme repré- senté en figure 4 pour écrêter les surtensions aux bornes des transistors 58a, 58b. En chargeur, alternativement, pendant une demi-période de 50 Hz, un tran- sistor est bloqué, l'autre est commandé en hachage à haute fréquence. Pendant la conduction du transistor 58a, l'inductance 62b récupère l'énergie de l'inductance 62a et la renvoie aux. bornes de la batterie via le demi- enroulement 7b et la diode 63b. Le fonctionnement est symétrique lors de l'autre demi-période avec l'inductance 62b qui emmagasine l'énergie, récupérée au blocage du transistor 58b par l'inductance 62a qui alimente la batterie via le demi-enroulement 7a et la diode 63a. Le condensateur 61 joue le rôle de filtre dans les deux cas de fonction- nement, en hacheur ou onduleur. De plus, lors du démarrage de l'alimenta- tion, le relais 53 étant ouvert, le condensateur 61 se charge à la valeur crête correspondant à un demi-enroulement, soit 35 V environ, via les diodes 63a, 63b. Il joue le rôle de réservoir d'énergie pour les dispositifs analogiques et logiques qui détectent la présence du secteur I correct, puis passent en mode normal. A partir de ce moment, le relais 53 est excité et connecte la batterie. De nombreuses variantes et améliorations de l'invention sont possibles, et l'homme du métier pourra de manière évidente et connue, mettre en oeuvre les composants adéquats permettant le fonctionnement correct Il d'un tel dispositif. Notamment, on pourra prévoir des varistances d'entrée et de sortie contre les surtensions en entrée (côté secteur 1) et en sortie (côté charge 2). REVENDICATIONS I.- Alimentation d'une charge en courant alternatif non susceptible d'être inter- rompue comportant un circuit onduleur, une source (9) d'énergie électrique de secours constituée d'une batterie d'accumulateurs suppléant aux défaillances d'une source (1) électrique alternative normale, un transformateur (4), un circuit chargeur de la batterie (9) d'accumulateurs, un dispositif de commutation (3) permettant de passer de l'état normal l'alimentation est connectée à la source (1) électrique alternative normale, à l'état de secours, o l'alimentation est connectée à la batterie (9), un dispositif de détection (5) des défaillances de la source (1) commandant le dispositif de commutation (3) caractérisée en ce que le circuit onduleur et le circuit chargeur de la batterie (9) sont constituées d'un seul et même circuit chargeur/onduleur (6) fonctionnant en chargeur lorsque l'alimentation est à l'état normal, et en onduleur lorsque l'alimentation est à l'état de secours et que la source (1) électrique alternative normale est défail- lante. 2.- Alimentation selon la revendication I caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de commande (8) du circuit chargeur/onduleur (6), lui-même com- mandé par le dispositif de détection (5), dont la fonction est de commander le fonctionnement en onduleur respectivement en chargeur du circuit chargeur/ onduleur (6) selon que l'alimentation et le dispositif de commutation (3), sont à l'état de secours, respectivement à l'état normal. 3.- Alimentation selon l'une quelconque des revendications I et 2 caractérisée en ce que la source (1) électrique alternative normale est directement connectée à la charge (2) via le dispositif de commutation (3) et le transformateur (4) lorsque l'alimentation est à l'état normal et en ce que le circuit chargeur/ondu- leur (6) fournit l'énergie électrique alternative à la charge (2) exclusivement lorsque l'alimentation est en état de secours, la source (1) étant déconnectée. 4.- Alimentation selon l'une quelconque des revendications I à 3 caractérisée en ce qu'elle comporte un transformateur (4) de puissance comportant un enrou- lement (10) secondaire connecté électriquement à la charge (2) et au moins deux enroulements primaires, l'un (11) étant connecté à la source (1) électrique alternative normale via le dispositif de commutation (3) et l'autre (7) étant connecté au circuit chargeur/onduleur (6). 5.- Alimentation selon l'une quelconque des revendications I à 4 caractérisée en ce que le transormateur (4) de puissance comporte un troisième enroulement primaire (12) de mesure du courant alternatif qui passe dans l'enroulement pri- maire (7). 6.- Alimentation selon l'une quelconque des revendications I à 5 caractérisée en ce que le circuit chargeur/onduleur (6) est essentiellement constitué d'un circuit hacheur à découpage à haute fréquence, notamment à 25 khz, par modu- lation de largeur d'impulsions pusch-pull comportant des transistors de puissance du type MOS. 7.- Alimentation selon l'une quelconque des revendication I à 6 caractérisée en ce que le dispositif de commutation (3) est constitué d'un contacteur statique ultra-rapide (13) commandé par le dispositif de détection (5) des défaillances de la source (1). 8. Alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que le dispositif (5) de détection déclenche la commutation du dispositf de commutation (3) et le fonctionnement en chargeur ou en onduleur du circuit chargeur/onduleur (6) selon que le courant délivré par la source (1) est présent ou non, a ou n'a pas une tension comprise entre des valeurs de référence données, notamment une tension nominale plus ou moins 15%, et/ou a ou n'a pas sa phase comprise entre des valeurs de référence données, et/ou a ou n'a pas sa fréquence comprise entre des valeurs de référence données.