Brevet FR2592242A1 — publié le 19870626

Dispositif de réctulation de nuissance à commutation sésuentielle et installation en comportant application. ta présente invention concerne les dispositifs de régulation de la puissance fournie à une charge par une batterie comportant plusieurs sources de courant indépendantes, habituellement identiques, alimentant en parallèle une même charge. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les installations ayant une puissance de l'ordre de un à quelques kilowatts montées sur satellites et comportant des panneaux solaires en tant que sources d'energle. On connaît déjà des dispositifs de régulation comprenant un générateur de signal d'erreur fouznissant un signal qui augmente avec la différence entre la tension de référence et la tension fournie à la charge et des moyens de commande séquentielle d'interrupteurs, associés chacun à une source, dans un ordre déterminé (de l'interrupteur d'ordre 1 au dernier interrupteur, d'ordres n), en fonction du signal d'erreur. De tels dispositifs de régulation présentent l'avantage d'une puissance spécifique élevée et d'une faible dissipation thermique lorsque l'on utilise des interrupteurs appropriés, tels que des transistors. Pour pallier les effets d'une panne affectant un interrupteur ou sa commande, on a depuis longtemps proposé de constituer chacun d'eux par deux organes placés en parallèle. Dans le cas par exemple où la panne à craindre est la mise en court-circuit de l'interrupteur, on constitue ce dernier par un interrupteur principal en série avec un interrupteur auxiliaire. Initialement l'interrupteur auxiliaire peut rester fermé en permanence, la régulation s'effectuant par commande de l'interrupteur principal. En cas de mise en court- circuit permanent de ce dernier, la commande s'effectue par action sur l'interrupteur auxiliaire. L'invention vise notamment à réduire le niveau de redondance requis et donc à simplifier le schéma du régulateur, à réduire son poids et son volume et éventuellement à réduire la dissipation d'énergie. Dans ce but l'invention propose notamment un dispositif du genre défini ci-dessus, caractérisé par des éléments à conductivité unidirectionnelle interposés chacun entre deux des sources, dans l'ordre de commutation séquentielle de mise en oeuvre de ces dernières, et polarisés de façon à autoriser le passage du courant uniquement depuis une source d'ordre i dont l'interrupteur est dans un mode de panne interdisant le transfert d'énergie de ladite source vers la charge vers un interrupteur adjacent, l'interrupteur associé à la source d'ordre 1 au moins étant non redondant tandis que l'interrupteur d'ordre n au moins est redondant. Dans le cas où chaque interrupteur est monté en série dans la liaison entre la source correspondante et la charge, les interrupteurs sont commandés de façon à être fermés en réponse à une augmentation du signal d'erreur et le courant de toute source d'ordre i associé à un interrupteur qui reste en circuit ouvert du fait d'une panne sera dérivé vers l'interrupteur d'ordre i + 1. Avantageusement, seul l'interrupteur d'ordre n est rendu redondant en le constituant par mise en paraallèle d'un interrupteur auxiliaire sur un interrupteur principal. Etant donné que la défaillance de l'interrupteur non redondant d'ordre 1, puis de l'interrupteur d'ordre 2 provoquera le passage, à travers l'interrupteur d'ordre 3, d'un courant déjà double de la valeur nominale, il est prudent de ne pas aller au delà et de se limiter dans ce cas à n = 3. Dans le cas ou chaque interrupteur est monté en shunt sur une source correspondante, chacun de ces interrupteurs sera placé en série avec un organe de coupure par excès de courant, tel qu'un fusible. Les interrupteurs seront séquentiellement ouverts depuis l'interrupteur d'ordre 1 jusqu'à l'interrupteur d'ordre fl en réponse à une augmentation du signal d'erreur. Dans ce cas ce sera l'interrupteur d'ordre n au moins qui sera redondant en le constituant d'un interrupteur principal en série avec un interrupteur auxiliaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un premier dispositif suivant l'invention, à montage série de chaque source avec un interrupteur, - la figure 2 est un schéma montrant une constitution possible d'un générateur de signal d'erreur et de moyens de commande utilisables dans le dispositif de régulation de la figure 1, - la figure 3 montre une variante de réalisation de la figure 1, permettant de palier également une panne du circuit de commande, - la figure 4, similaire à la figure 1, montre un second régulateur suivant l'invention, dont les interrupteurs sont montés en shunt sur les sources. Le régulateur montré en figure 1 est notamment utilisable dans l'installation électrique d'un satellite, utilisant comme sources 10 les différents modules d'un générateur solaire. Chaque source est reliée individuellement par une branche distincte à une barre 12 de distribution d'énergie électrique à une charge 14 par une branche distincte. A titre d'exemple, on peut indiquer que les modules utilisés actuellement fournissent souvent, dans des conditions nominales de fonctionnement, un courant maximum d'environ 4 A, une tension maximale de 100 V, et une puissance maximale d'environ 200 W. Le régulateur proprement dit comporte, un interrupteur 16 placé sur chaque branche en série avec la source correspondante et une unité de commande 18. Cette unité est prévue pour fermer successivement les interrupteurs des n branches 1, ... n lorsque la puissance appelée augmente. Cette unité de commande 18 peut avoir la constitution montrée en figure 2. Elle comporte alors un amplificateur différentiel 20 qui reçoit sur ses entrées d'une part la tension fournie à la charge 14, prélevée sur la barre 12, d'autre part une tension de consigne Vr. Cet amplificateur différentiel constitue un générateur de signal d'erreur e. Le signal e modifié si besoin par une fonction de tansfert f (e) destinée à optimiser le fonctionnemnt dynamique du système, ou alimenté par unesourcede courant constant. est comparé à une série de tensions de référence échelonnées, fournies par un pont de résistance classique 22 monté entre une tension stabilisée Vo (fournie par une diode Zener) et la masse. Les comparateurs à hystérisis successifs 24 d'ordre 1 à n ferment successessivement les interrupteurs 16 de 1 à n lorsque la tension d'erreur augmente. On voit que, dans cette disposition, les sources 10 sont alternativement mises en circuit ouvert et branchées sur la barre 12. Lorsque par exemple la puissance appelée par la source 14 est faible, seule la source 10 de la branche 1 sera utilisée et le comparateur 24 correspondant ouvrira et fermera alternativement l'interrupteur 16 de façon à assurer une régulation par variation du rapport cyclique. Pour stabiliser la tension fournie à la charge 18, un condensateur 26 de forte capacité est mis en paral vièle avec elle. Les interrupteurs utilisent souvent, notamment dans le cas d'une installation électrique de satellite, des transistors à effet de champ en tant qu'éléments de commutation. Le type de panne le plus gènant susceptible d'affecter cet élément est la mise en circuit ouvert permanente. Une solution évidente pour pallier les effets d'une telle panne consiste à prévoir, dans chaque interrupteur, deux éléments de commutation tels que des transistors à effet de champ ou FET montés en parallèle afin d'assurer une redondance. Dans le cas illustré en figure 1, un premier FET 28 1 constitue l'élément de commutation principal, normalement seul utilisé.Le second FET 28 2 reste au repos (non conducteur) aussi 2 longtemps qu'il n'y a pas de panne du premier FET. il est mis en circuit et commandé par 1' unité de commande 18 en cas de défaillance du premier. Cette substitution peut être réalisée par un commutateur 30, qui peut être un composant à état solide ou un relais électro mécani.que commandé, soit automatiquement, soit, plus fréquemment dans le cas d'une installation de satellite, par une télécommande depuis la terre à la suite de la constatation d'une panne. On peut notamment utiliser un relai bistable en boîtier TO-5 (Télédyne). Dans le cas fréquent où les éléments de commutation sont constitués par des FETs de puissance, on ne peut pratiquement pas se dispenser du commutateur 30 et laisser les deux FETs travailler en parallèle en permanence, car on doublerait ainsi la capacité vue par le cuircuit de commande. L'emploi, sur chaque branche, de deux éléments de commutation au lieu d'un seul et d'un commutateur 30 se traduit par une augmentation de la masse, de la surface de montage requise et du coût de l'installation. L'invention permet de limiter, dans des proportions variables suivant le risque accepté, mais jamais inférieur à 25 %, le nombre total des composants requis. Pour cela, seuls certains des interrupteurs 16, à partir de 1 branche d'ordre n, sont redondants. Sur la figure 1, les interrupteurs des branches 1 et 2 comportent un seul élément de commutation 28. Si l'un d'eux se trouve en court-circuit, la source correspondante 10 sera branchée sur la charge en permanence, ce qui en général ne constitue pas un inconvénient grave. Pour pallier les effets de la mise en circuit ouvert, toutes les sources 10 sont reliées, dans l'ordre de la séquence de mise en oeuvre, par des éléments à conductivité unidirectionnelle. Dans le cas montré en figure 1, chacun de ces éléments est constitué par deux diodes 32 placées en cascade.Ce montage en cascade de deux éléments (ou davantage) permet d'éviter que la mise en court-circuit d'une diode ne fasse supporter le courant provenant de deux sources à un élément de commutation sain, ce qui pourrait provoquer sa dégradation lorsque les sources sont en début de vie et ont donc un rendement maximal. Ce montage en série présente l'avantage supplémentaire de présenter un seuil en courant direct plus élevé, donc de mieux découpler deux sources adjacentes. La présence des éléments à conduction unidirectionnelle ne grêve pas notablement le dispositif du point de vue du coût ou de l'encombrement, car il s'agit d'éléments statiques. On peut notamment utiliser, dans une installation complète, plusieurs dispositifs du genre qui vient d'être décrit ayant chacun deux branches, dont une seule présente un interrupteur redondant : dans ce cas en effet, on a dans la majorité des cas le compromis optimal entre efficacité et risque, car le gain est d'un FET sur quatre et d'un relais 30 sur deux, l'élément de commutation de la branche n = 2 pouvant au plus avoir à supporter un courant double, ce qui est dans la plupart des cas acceptable. Dans d'autres cas, on pourra adopter n = 3, seule la branche d'ordre 3 étant munie d'un interrupteur 16 redondant. Le fonctionnement du dispositif apparait immédiatement. En fonctionnement normal, une augmentation de la puissance appelée sur la barre 12 a pour effet de faire passer successivement de l'état de circuit ouvert à l'état fermé, les interrupteurs 28 des branches 1 et 2, et ainsi de suite jusqu'à l'élément de commutation 281 de la branche n. Dans le cas où aucune panne n'affecte le circuit, les diodes 32 n'interviennent pas car elles sont polarisées en inverse ou soumises à une tension à peu près nulle. Si par contre l'un des éléments de commutation 28, par exemple celui de la branche 1, passe en circuit ouvert, la source 10 correspondante ne peut plus apporter la contribution demandée directement. C'est l'élément de commutation d'indice immédiatement supérieur qui va prendre la relève, en polarisant en direct la diode qui relie les deux sources. Si l'élément de commutation correspondant tombe à son tour en panne, l'élément d'ordre encore supérieur va transmettre le courant, ce qui augmente d'autant plus sa charge. Ce processus de défaillance en succession peut être interrompu en prévoyant, à partir de la branche i t un interrupteur redondant. Dans la variante de réalisation montrée en figure 3, l'élément de commutation auxiliaire 282 est prévu pour rester fermé en permanence une fois qu'il a été mis en oeuvre après mise en circuit ouvert de l'élément 281. Ce résultat peut être atteint, dans le cas où l'élément 282 est constitué par un FET, en reliant sa grille à une tension de polarisation Vc. Le mode de réalisation montré en figure 4 (où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) comporte des interrupteurs 16 montés en shunt sur les sources correspondantes 10. Un élément 34 à conductibilité unidirectionnelle est interposé entre chaque source et la barre 12. Une source 10 est cette fois mise hors circuit par fermeture de l'interrupteur 16, ce qui implique que les sources puissent supporter ce mode de fonctionnement. C'est notamment le cas des modules de panneaux solaires, dont le courant de court-circuit n'est que peu supérieur au courant nominal. La branche d'ordre n au moins (c'est-à-dire la branche qui est la dernière à contribuer à la fourniture de puissance) comporte un interrupteur rendu redondant par montage en série d'un élément de commutation principal 281 et d'un élément de commutation auxiliaire 282. L'élément de commutation principal est commandé par des impulsions de rapport cyclique variable -fournies par l'unité de commande 18. L'élément de commutation 282 est du type fermé au repos. il est ouvert de façon permanente par une commande non représentée en cas de mise en court-circuit interne de l'élément de commutation 28 de la branche. Un fusible 36 est monté en série avec chaque interrupteur 16. Un autre élément unidirectionnel, constitué de deux diodes en cascade 32, est monté entre chaque branche d'ordre i et la branche i - 1. Comme dans le cas précédent, le fait que les sources d'ordre 1, ... n ne sont mises en service que dans l'ordre de 1 à n permet d'éliminer l'élément de commutation 282 sur la branche 1 et éventuellement certaines des branches suivantes. Pour cela, le fusible 36 doit être calibré à un niveau tel qu'il est soufflé lorsqu'il est traversé par un courant dépassant deux fois le courant de court-circuit en début de vie des sources 10. Cette disposition est un peu moins favorable que celle de la figure 1, car il faut placer un élément unidirectionnel 34 dans chaque branche, ce qui représente une chute de tension dépassant 0,8 V donc une dissipation importante de puissance. il est pratiquement nécessaire d'utiliser des éléments de commutation 282 constitués par des relais afin d'éviter la dissipation thermique que donnerait un transistor. Enfin, il est pratiquement nécessaire de prévoir des interrupteurs redondants 16 sur au moins deux branches n et n - 1 du fait que le courant de soufflage des fusibles 36 n'est défini qu'avec peu de précision. Le fonctionnement du dispositif est le suivant Lors de la marche normale, les diodes 32 n'interviennent pas car l'interrupteur 16 de la branche 1 est ouvert le premier sur un transitoire d'appel de courant et inversement remet la source 10 en court-circuit en dernier lors d'un délestage. Par contre, en cas de court-circuit sur 1' élément de commutation 28 constituant à lui-seul l'interrupteur 16, l'unité de commande 18 va tenter, en cas de besoin de courant, de mettre en service la source 10 de la branche d'ordre 2, puis 3, ... mais, du fait de la présence des diodes 32, les sources vont rester court-circuitées. Les courants fournis par ces sources s'ajoutent et vont traverser le fusible 36 associé à l'interrupteur 16 hors d'usage, jusqu'à ce que ce fusible soit soufflé. A partir de ce moment, le courant fourni par la source correspondant à l'interrupteur défaillant (branche d'ordre 1 par exemple) va passer par la branche suivante (d'ordre 2 par exemple). Dans le cas de la figure 4, contrairement à celui de la figure 1, il est avantageux d'avoir un grand nombre de sections en cascade afin d'accroître le courant disponible et donc de diminuer la durée du soufflage d'un fusible. Mais, du fait que ces derniers doivent être sur-calibrés, il n'est pas certain que le fusible 36 de la branche d'ordre n - 1 sera soufflé cette branche doit, comme la branche n être munie d'un interrupteur 16 redondant A titre d'exemple, on voit que dans le cas courant d'un régulateur à 12-branches, on substitue, à dix relais et aux vingt télécommandes correspondantes, 2 x 11 diodes, ce qui se traduit par des gains de masse et de volume importants. L'invention est susceptible de nombreuses variantes, portant notamment sur la nature des éléments de commutation qui peuvent être des transistors bipolaires ou même des organes mécaniques, ainsi que sur la nature de l'unité de commande 18. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation de la puissance fournie à une charge par une batterie comportant plusieurs générateurs de courant indépendants alimentant la charge en parallèle, comprenant un générateur de signal d'erreur fournissant un signal qui augmente avec la différence entre la tension de référence et la tension fournie à la charge et des moyens de commande séquentielle d'interrupteurs, associés chacun à une source, dans un ordre déterminé (de l'interrupteur d'ordre 1 au dernier interrupteur, d'ordre n) en réponse à une augmentation du signal d'erreur, caractérisé par des éléments (32) à conductivité unidirectionnelle interposés chacun entre deux des sources, dans l'ordre de commutation séquentielle de mise en oeuvre de ces dernières, et polarisés de façon à autoriser le passage du courant uniquement depuis une source d'ordre i dont l'interrupteur est dans un mode de panne interdisant le transfert d'énergie de ladite source vers la charge vers un interrupteur adjacent, l'interrupteur associé à la source d'ordre 1 au moins étant non redondant tandis que l'interrupteur d'ordre n au moins est redondant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, chaque interrupteur (16) étant monté en série dans la liaison entre la source correspondante et la charge, les interrupteurs sont commandés de façon à être fermés en réponse à une augmentation du signal d'erreur et le courant de toute source d'ordre i associé à un interrupteur qui reste en circuit ouvert du fait d'une panne est dérivé vers l'interrupteur d'ordre i + 1. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'interrupteur (16) d'ordre n seul est rendu redondant en le constituant par mise en parallèle d'un interrupteur auxiliaire (282) avec sur un interrupteur principal (281). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le régulateur comporte n = 3 branches. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, chaque interrupteur (16) étant monté en shunt sur une source correspondante, chacun de ces interrupteurs est placé en série avec un organe de coupure par excès de courant, tel qu'un fusible(36). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les interrupteurs des branches d'ordre n et n - 1 sont rendus redondants par mise en série d'un élément de commutation principal (281) et d'un élément de commutation auxiliaire (282) 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque élément de commutation principal est constitué par un transistor tandis que chaque élément de commutation auxiliaire est constitué par un relai électro-mécanique. 8. Dispositif selon la revendication 5, 6,ou 7, caractérisé en ce que chaque fusible est calibré de façon à être soufflé lorsqu'il est traversé par un courant qui dépasse approximativement le double du courant de court-circuit de la source correspondante. 9. Installation de production d'énergie pour satellite, comportant des modules de panneaux solaires constituant sources de courant, et un régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes.