Brevet FR2601202A1 — publié le 19880108

L'invention concerne les disposl-tifs ae protection des installations contre des perturbations du réseau et plus particuliérement, une source tampon a condensateur de stockage connectée aux bornes de l'installation qu'elle doit alimenter. Les installations alimentées par le réseau électrique comprennent, souvent. des appareils et/ou des équipements qui sont tres sensibles aux baisses ou creux de tension ou aux coupures bréves de cette der niére. Ce type de perturbations qui se manifestent sous la forme d'une baisse de tension ou de sa disparition ne sont pas sans inconvénients pour certains de ces appareils et équipements qu'elles peuvent définitivement et irrémédiablement dégrader ou bien simplement mettre hors d'usage certains de leurs constituants par la perte d'informations par exemple lorsqu'il s'agit de mémoires volatiles. Pour pallier ce type d inconvénie ts , il est habituel d'utiliser des équipements de sécurité tels que des groupes électrogenes qui entrainent des alternateurs ou des génératrices ou bien des batteries tampons Dans le cas d' appareils ou d'équipements qui sont alimentés en tension continue on a dézà proposé d'utiliser les condensateurs de filtrage de la tension alternative redressée dont on augmente les dimensions pour obtenir une certaine immunité.Toutefois, on observera que le dimensionnement d'un condensateur stockant une énergie suffisante pour immuniser des appareils de quelques dizaines de watts contre des coupures breves usuelles telles qu'elles se manifestent sur le réseau, par exemple des interruptions de quelques centaines de millisecondes, crée un courant de charge. lors de la remise sous tension, qui n'est pas acceptable, en pratique, pour les appareils de protection normalement associés. Ces perturbations du réseau ne sont pas sans présenter de graves inconvénients même en dehors du domaine technique de l'informatique. Par exemple, en matière d'éclairage public, urbain ou autoroutier, des coupures ou baisses de tension peuvent nuires grandement à la sécurité des usagers du fait d'une extinction soudaine du dispositif d'éclairage. Ceci est très important en particulier dans le cas ou l'éclairage public est assuré a l'aide de lampes a décharge à vapeur de mercure ou à vapeur de sodium haute pression. Comme on le sait, lorsqu'une telle lampe s'éteint, elle ne peut se réamorcer qu'après une durée de plusieurs minutes nécessaires pour lui laisser le temps de se refroidir et ensuite. â la reprise de l'alimentation, d'atteindre sa luminosité maximale après une période d'allumage d'une vingtaine de minutes. Ce type d'inconvénbients a aussi des répercussions pour le producteur et le distributeur d' éner- gle car au moment de la remise sous tension du réseau, l'appel de courant provoqué par la remise en marche simultanée de tous les appareils couplés au réseau est tel que les disjoncteurs peuvent avoir du mal a supporter l'intensité demandée. L'invention a pour but de remédier a ces inconvénients, que ce soit pour l'usager ou le producteur-distributeur. L'invention a pour objet une source tampon a condensateur de stockage pour dispositif de protection d'une installation contre les coupures brèves et les creux de tension. Cette source tampon comprend un pont redresseur alimenté par le réseau, au moins un condensateur de stockage aux bornes de 1 installation connecté a l'une des sorties du pont redresseur. un circuit limiteur du courant de charge du condensateur de stockage constitué d'une self-inductance et d'un commutateur montés en série et connectés de manière que la selfinductance soit reliée, au condensateur de stockage et le commutateur â l'autre sortie du pont redresseur,une diode de retournement connectée d'une part à la borne du condensateur de stockage reliée à l'une des sorties du pont redresseur et d'autre part au point commun à la self-inductance et au commutateur et un circuit pilote commandant périodiquement le commutateur de manière que pendant une première durée brève la selfinductance soit connectée à l'autre des sorties du pont par l'intermédiaire du commutateur, pendant une deuxième durée la self-inductance soit déconnectée do cette sortie et connectée en parLîléle sur le conden- sateur de stockage par 1 intermédiaire de la diode et pendant une troisième durée s'établit une période de repos. Grâce à l'invention, la croissance du courant de charge est limitée par la self-inductance Selon une autre particularité de l'invention, le circuit pilote comprend un circuit d'asser- vissement d'un paramètre électrique caractérisant l'installation. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit et de l'examen du dessin, donné seulement à titre d'exemple, ou - la Fig.1 est un schéma de principe lilus- trant la source tampon selon l'invention - la Fig.2 est un graphique montrant la manière dont le circuit pilote commande périodiquement le commutateur - la Fig.3 est une vue analogue à celle de la Fig.l sur laquelle est figurée la manière dont le circuit pilote assure l'asservissement d un paramètre de l'installation ; - la Fiv 4 est un diagramme illustrant un mode de réalisation particulier du circuit pilote de la source tampon selon l'invention ; et - la Fig.5 est un schéma électrique détaillé d'un mode de réalisation de la source tampon selon l'invention La source tampon selon l'invention, representée sur la Fig. 1 comprend un pont redresseur P constitué de quatre diodes D D2, D3, D 4 dont l'entrée est connectée au réseau qui délivre une tension alternative UR Aux bornes de sortie de ce pont sont connectés outre un condensateur CE de filtrage ou écrêtage de tout type classique approprié, les composants qui suivent constituant l'essentiel de l'invention. Ces composants comprennent un condensateur C1 de stockage aux bornes duquel est connectée l'installation I à alimenter en cas de défaillance du réseau Le circuit limiteur du courant de charge du condensateur de stockage selon l'invention est cons titué d'une self L1 et d'un commutateur T1 montés en série et connectés de manière que la self-inductance soit reliée au condensateur de stockage C1 et le commutateur T1 à l'autre sortie du pont redresseur, comme dessiné. Comme on le voit, une résistance R1 est intercalée entre le commutateur T et la sortie du pont redresseur P. Une diode D5 de retournement est connectée en paralléle sur le condensateur C1 et la self-inductance L1 montés en série. En outre, la source tampon selon l'invention comprend un circuit pilote 100 que l'on décrira plus en détail par la suite. Ce circuit pilote commande périodiquement le commutateur T1, ici un transistor, de manière que pendant une première durée t brève, le transistor étant rendu passant, la self-inductance L1 soit connectee à la sortie du pont P par l'intermédiaire du commutateur et pendant une deuxième durée t2 Hlus longue, le transistor étant bloqué. la self-inductance soit déconnectée du pont et connectée en parallèle sur le condensateur de stockage C1 par l'intermédiaire de la diode D5. La tension de retournement de la self inductance L1 débloque la diode D5 lorsque le transis- tor T1 est bloqué. La résistance R1, de petite valeur, permet de saisir un signal proportionnel à la valeur du courant qui est utilisé par le circuit pilote 100 qui contrôle la variation du courant de charge suivant des instructions déterminées par un signal de consigne CO On reviendra par la suite sur cet aspect de l inven- tion. La Fig.2 illustre la variation du courant dans la self-inductance L1 qui sert à assurer la charge du condensateur de stockage 'C1. Pendant la durée t au cours de laquelle le transistor T1 est rendu passant par le circuit pilote 100, la self-inductance est traversée par un courant croissant, alors que pendant la durée t 2 le courant dans la self dé- croit. On charge ainsi le condensateur. On reviendra par la suite sur la manière dont les durées t 1 et t2 sont obtenues. On observera que ces deux urées sont suivies par une durée t3 de repos a la suite de laquelle le processus se reproduit.La durée T du cycle de fonctionnement est de l'ordre de quelques dizaines de microsecondes ; cette fréquence de quelques dizaines de kilohertz est choisie de manière a ce que la self-inductance L1 soit relativement réduite. Grâce à l'invention, il est possible de dimensionner le condensateur de stockage C1 à une valeur convenant à l'immunité tout en limitant le courant de charge à une valeur acceptable. Sur la Fiv.3, est représenté un circuit analogue à celui de la Fig.1, dont il ne diffère que par une liaison reliant l'installation I au circuit pilote 100. Grâce à cette liaison supplémentaire il est possible d'utiliser le circuit pilote pour assurer la régulation d'un paramètre électrique caractérisant l'installation I, tel que par exemple sa tension d'a limentation. le courant qui y circule ou la puissance Dans la suite de l'exposé on supposera que le circuit pilote assure la régulation de la tension d'entrée de l'installation On se reportera à la Fig.4, qui représente un diagramme du circuit pilote de la source tampon selon l'invention.Ce circuit pilote perfectionné 100 comprend un oscillateur 110 avec une alimentation 111, un circuit régleur de pente 112 et un circuit de d-- marrage 112. Ce circuit pilote comprend aussi un générateur 120 de tension de consigne CO, un généra- teur de rampe 130, un circuit comparateur 1s0 et un circuit additionneur 150. Comme schématisé par les liaisons le circuit générateur de rampe 130 est asservi au circuit régulateur de pente 112 et le circuit comparateur assure la comparaison de la tension de consigne CO à un tension proportionnelle à celle existant à l'entrée de l'installation.Les références A, B, C et E, F correspondent aux bornes du circuit schématisé sur la Fig.1 et sur la Fig.3 ainsi que sur le circuit de détail de la Fig.5. On se reportera maintenant à la Fig.5 ou un schéma détaillé de la source tampon est représenté. Le circuit schématisé sur la Fla 5 a été specialement conçu pour servir de source tampon à une lampe à vapeur de mercure de 125 W pour la préserver des coupures brèves tout en limitant le courant de charge du condensateur de stockage à une valeur acceptable. Les composants qui figurent sur les schémas des Fig.1 et 3 sont repérés par les mêmes numéros de référence. Dans ce mode de réalisation, le condensateur de stockage C1 a une valeur d'environ 5 mF, la selfinductance L1 une valeur d'environ 1 mH et la résis- tance R1 une valeur d'environ 2 #. Le circuit pilote comprend un circuit oscil lateur du type push-pull série constitué par les tran sistors de puissance T3A et T38 ainsi que par les transis tors pilotes T2A et T 26' Cet oscillateur comprend aussi le primaire T d'un transformateur de moyenne fréquence (environ 25 kHz) et des enroulements de polarisation des transistors T 2A et T26. Les résis tance s d'émetteur R SA et R et les diodes D SA et D66 permettent de régler le courant dans l'enroulement primaire T du transformateur. Les diodes D 7A et D76 permettent le retournement.Ce circuit oscillateur permet d'engendrer un signal trapezoidal dont on peut régler la pente grâce aux condensateurs C 8A et C83, Cet oscillateur est pourvu d'une alimenta tion constituée par les condensateurs C2, C3 et C4 qui forment un diviseur de potentiel lors de la mise sous tension. Le condensateur C2 a une valeur d'environ 0,2 mF et les condensateurs C3 et C4 or une valeur double, chacun. Cette alimentation, comme on le voit sur le schéma de la Fig.5, constitue une source à point milieu forme'e des condensateurs C2 et C3, comme ce type d oscillateur le requiert. La diode D SA connecte l'armature négative du condensateur C3 à l'armature négative du condensateur C1 lorsque la valeur de la tension aux bornes de ce dernier devient un peu plus élevée que celle du montage série formé par les condensateurs C2 et C3. Le fonctionnement de l'oscillateur est dé clenché par un circuit de démarrage constitué par la résistance R7, condensateur C7, la diode de décharge D6, le diac DI et la résistance R3. On observera que le secondaire T1S alimente la lampe à décharge, qui constitue ici l'installation, à travers une self de limitation L2. Le circuit pilote comprend aussi un circuit générateur de tension de consigne. Ce circuit comprend l'enroulement secondaire t qui fournit, après re dressement, une tension positive proportionnelle à la tension d'alimentation de l'oscillateur qui, pour la commodité de l'expose sera appelée ici tension image. On observera aussi que l'enroulement secondaire Tic donne, après redressement, une tension négative. La résitance R15 et la diode Zenner Z créent à partir de cette tension négative la tension de consigne CO Comme on le constatera en examinant ce circuit, le transistor T1 est pilote par le transistor Tq lui-même commandé par le transistor T5, de telle manitre que le transistor T 1 soit conducteur ou passant lorsque le transistor T5 est lui-meme conducteur. Le circuit pilote comprend aussi un générateur de rampe qui est synchronise par le signal alternatif trapézoldal issu du secondaire du transformateur T1C Ce générateur de rampe est constitué par la transistor T7 la résistance R16 et le condensateur C10. Le circuit comparateur du circuit pilote est constitué par le transistor T6, la résistance R12 et le condensateur de filtrage C9. Ce comparateur assure la comparaison de la tension de consigne Co avec la tension image dont il a été question précédemment. L'additionneur du circuit pilote est cons titué par les résistances R9 connectée à l'alimentation négative, R 10 connectée au comparateur, et R11 connectée au générateur de rampe. Ce circuit additionneur modifie la durée de conduction du transistor T5 en fonction de l'écart qui existe entre les tensions de consigne et image. Enfin, le transistor T8 et les résistances R18, R 19 et R20 associées à la diode D 10 forment un étage série asservi à la tension aux bornes de la résistance R1, donc au courant de charge. Après avoir décrit la structure de la source tampon selon l'invention on en expliquera le fonction nement. Lors de la mise sous tension initiale. les condensateurs C2, C3 C & en série se chargent à la valeur de crête du réseau en moins de deux périodes L'énergie d'appel est faible. Après environ une demi seconde, le circuit de démarrage fait fonctionner 1 oscillateur. La tension crête à crête du signal trapézoidal est alors égale à la moitie de la tension de crête du réseau grâce au diviseur de potentiel ; la tension secondaire est suffisante pour provoquer l'a- morçage de la lampe. La tension dissipée est faible. La tension issue du comparateur, au collecteur du transistor T6 croit à partir de zéro augmentant le temps de conduction, et par 7nséqusnt le courant de charge. jusqu'à ce que ce dernier atteigne, en quelques millisecondes, la valeur fixée qui est d environ deux fois la valeur de courant de fonctionnement. La tension du condensateur de stockage croit progressivement entraînant, par l'intermédiaire de la diode D5 l'augmentation de la tension de la source de 1 oscillateur. La lampe atteint sa valeur d'amorçage en une demi-seconde environ. La valeur de seuil du courant dépassant la valeur du courant de fonctionnement, la tension du condensateur de stockage continue à croitre pendant environ une demi-seconde jusqu'à atteindre la valeur de consigne. Le courant est alors limité à la valeur nécessaire pour fournir la puissance actuelle c'està-dire celle nécessitée par la lampe froide. Ce courant croitra ensuite au fur et à mesure de la montée en puissance de la lampe. situation qui durera environ un quart d'heure. L'alimentation de la lampe a alors atteint son régime stable indépendant des fluctuations du réseau dans la plage des variations normales de plus ou moins lOX. Supposons maintenant qu'une perturbation survienne dans le réseau alors que la lampe fonctionne à son régme stable. A la survenance d'une coupure brève, le stock constitué par le condensateur C2 se décharge en quelques millisecondes et le condensateur de stockage C1 n'est plus alimenté. La tension de l'oscillateur décroit modifiant le signal de courant dans la lampe et abaissant la puissance. Toutefois, la lampe reste amorcée tant que la tension au secondaire du trans formateur n'atteint pas une valeur voisine de la tension d'arc. Le stock d'énergie utilisable dépend donc du rapport de transformation. En choississant ce rapport pour que la tension au secondaire soit double de la tension d'arc en régime stable, la lampe fonc tionne jusqu'à ce que la tension stock soit égale à la moitié de la valeur de consigne. L'énergie utilisable est alors égale aux trois quarts de l'énergie stockée. Ce rapport minimise le dimensionnement du condensateur de stockage et permet d'assurer une durée d'immunisation supérieure à la durée des coupures brèves, généralement inférieures à la seconde. Il est remarquable que l'immunisation est indépendante de la valeur de la tension du réseau au moment de la minicoupure contrairement à ce qui se passe lorsque l'immunité est recherchée à l'aide d'une -simple augmentation du condensateur de filtrage. La lampe dont il est question peut être isolée ou bien faire partie de lampes réunies en grappe, chaque grappe étant alors équipée d'une telle source tampon com mune. REVENDICATIONS Source tampon à condensateur de stockage pour dispositif de protection d'une installation con tre des coupures brèves et des creux de tension, ca ractérisée en ce qu'elle comprend un pont redresseur (P) alimenté par le réseau, au moins un condensateur de stockage (C1l aux bornes de l'installation (I) con necté à l'une des sorties du pont redresseur, un cir cuit limiteur du courant de charge du condensateur de stockage constitué d'une self-inductance (L (L1) et d'un commutateur (T1) montés en série et connectés de manière que la self-inductance soit reliée au condensateur de stockage et le commutateur à l'autre sortie du pont redresseur, une diode (D5) connectée d'une part à la borne du condensateur de stockage reliée à l'une des sorties du pont redresseur, e-t d'autre part au point commun à la self-inductance et au commutateur et un circuit pilote (100) commandant pér odiquement le commutateur de manière que pendant une première durée brève la self-inductance soit connectée à l'autre des sorties du pont par l'intermédiaire du commutateur, pendant une deuxième durée la self-inductance soit déconnectée de cette sortie et connectée en pa rallèle sur le condensateur de stockage par l inter- mèdiaire de la diode et pendant une troisième durée s'établisse une période de repos. 2. Source tampon selon la revendication 1, caractèrisée en ce que le commutateur est un composant statique. 3. Source tampon selon la revendication ' ou 2, caractérisée en ce que le circuit pilote fait basculer le commutateur à une fréquence de quelques dizaines de kilohertz. 4. Source tampon conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le commutateur est un transistor et en ce que le circuit pilote comprend un générateur de rampe contribuant à commander à l'aide d'impulsions la base du transistor pour le bloquer ou le rendre passant. 5. Source tampon conforme à l'une quelconque des revendications 1 à X, caractérisée en ce que le circuit pilote comprend un circuit d'asservissement d'un paramètre électrique caractérisant l'installation. 6. Source tampon conforme à la revendication 5, caractérisée en ce que ce paramètre est la tension d'alimentation de l'installation. 7. Application de la source tampon suivant l'une quelconque des revendications 1 å 6 å l'ali- mentation d'une lampe à décharge haute presion. 8 Application selon la revendication 7 où la lampe est une lampe à vapeur de mercure ou à vapour de sodium haute pression pour éclairage public. 9. Application selon la revendication 7 ou 8, où les lampes sont réunies en grappe, chaque grappe étant équipée d'une telle source tampon commune.