Brevet FR2624281A1 — publié le 19890609

AUGMENTATION DES PERFORMANCES ET DE LA CAPACITE DES ALIMENTATIONS STABILISEES PAR APPORT DE PUISSANCE DIFFERENTIELLE ASSERVIE APPLICATION AUX ALIMENTATIONS STABILISEES PAR REGULATION SERIE A DECOUPAGE L'invention concerne un dispositif de régulation de processus. Dans le cas d'une alimentation de tension stabilisée, par exemple, elle s'applique à l'obtention et à la régulation de la tension de sortie. Lorsqu'on désire garantir des caractéristiques constantes sur un équipement électronique complexe représenté par une charge variable, il est impératif de maintenir la tension d'alimentation parfaitement constante, continue et indépendante des variations de la source et du courant d'utilisation. Ceci est d'autant plus difficile à obtenir que les variations de la source et la puissance d'utilisation sont importantes. Les régulateurs mécaniques qui procèdent par déplacements de curseurs, les régulateurs férromagnétiques qui utilisent des amplificateurs magnétiques sont progressivement remplacés par des dispositifs électroniques. Ces derniers ont des caractéristiques notablement plus élevées au plan fiabilité et performances. Leurs limitations proviennent de deux ordres Premièrement d'ordre économique: le coût du watt régulé Deuxièmement d'ordre dynamique: le niveau de puissance maximal possible. Le système faisant l'objet de l'invention contribue notablement à repousser ces limites tout en améliorant sensiblement les rendements. Il existe deux types d'alimentations stabilisées: les alimentations dites à régulateur série ballast et les alimentations à découpage secteur. L'invention est décrite ci-après avec référence aux dessins annexés sur lesquels on peut voir Figure 1 un schéma électrique simplifié d'une régulation série par transistor ballast. Figure 2 un schéma électrique simplifié d'une régulation par apport différentiel suivant l'invention. Figure 3 une courbe d'évolution du gain du système suivant l'invention en fonction de l'efficacité de régulation. Tableau 1 un tableau de comparaison donnant une analyse comparative des différents types de régulation. Figure 4 un exemple de réalisation de régulateur série à découpage monophasé placé en tête. Figure 5 le détail du régulateur à découpage série. Figure 6 un exemple de réalisation de régulateur série à découpage monophasé placé en pied. Figure 7 un exemple de réalisation de régulateurs série à découpage multisources indépendantes. (Généralisation). L'analyse comparative ci-après précise l'état de la technique. Les systèmes de régulation à transistor ballast sont très vite limités en puissance du fait de la dissipation maximale admissible sur l'élément semiconducteur qui absorbe les tensions différentielles. Ils possèdent un rendement faible qui varie avec la tension primaire secteur (inférieur à %). Cependant, au plan sécurité de fonctionnement, ils ont plusieurs avantages - les semiconducteurs sont utilisés sous une basse tension - il y a isolement galvanique entre le système de régulation et la source secteur, ce qui 13 protège les éléments actifs. Les éléments les plus fiables sont par ordre décroissants - les circuits passifs: le transformateur, les diodes de redressement - les circuits actifs à faible dissipation: les circuits comparateurs, amplificateurs opérationnels - le circuit actif à forte dissipation: le transistor ballast. Ce dernier est de très loin la principale cause de défaut. Lors d'un court circuit du transistor, la tension redressée est transmise à la chage. Cette tension, étant plus importante que la tension de sortie nominale, peut être destructrice pour le circuit d'utilisation. Lors d'une coupure du transistor, la charge ne reçoit plus aucune tension. Les systèmes d'alimentation à découpage secteur ont des caractéristiques très supérieures au système précédent au plan du rendement. Ils sont cependant limités, pour une technologie donnée, au plan de la puissance de sortie disponible La puissance maximale transférée est en effet fonction de la puissance collecteur maximale des transistors de découpage. Ils sont limités au plan tension amont, puisque sla tension secteur redressée est directement appliquée au transistors de découpage. La tension maximale d'entrée est en effet fonction de la tension maximale admissible sur les transistors de découpage. Les systèmes à découpage secteur direct ont d'autres inconvénients absence d'isolement galvanique des semiconducteurs de découpage par rapport à la source secteur. - lors d'une rupture au niveau des transistors de découpage ou de l'électronique associée la tension de sortie de l'alimentation est nulle. Il n'y a donc pas continuité de la fonction réalisée par la charge. Le principe de l'apport différentiel à haut rendement peut être explicité par deux exemples simples figures 1 et 2. Dans les système de régulation série ballast, la tension de sortie (Us) est obtenue par différence entre la tension d'entrée variable (Ue) et la tension développée aux bornes du ballast (U ballast). La totalité de la puissance de sortie est contrôlée par l'élément de régulation. Pour une tension d'entrée maximale Uemax, la tension aux bornes du transistor ballast est maximale et par conséquent le rendement est minimal: par exemple pour Ue + 20% le rendement est très inférieur à 60 %. Sur la figure 1 la variable (Ue) représente la tension d'entrée du système de régulation. C'est par exemple la tension redressée filtrée fournie par un transformateur secteur, des redresseurs et une cellule de filtrage associée. Le transistor ballast I se comporte comme une résistance variable dont la valeur est asservie pour maintenir la tension aux bornes de la charge 2 constante quelque soient les valeurs prises par les variables (Ue) et (Is). Dans le système objet du brevet la tension de sortie (Us) est obtenue par sommation entre la tension d'entrée (Ue) et la tension différentielle produite par l'élément générateur placé en série 3 (Udiff) Fig.2. Seule la puissance différentielle doit être contrôlée (Udiff x Is). Par exemple, pour Ue + 6 le générateur Udiff fournit seulement 0,4 Ue x Is, et ce avec un rendement excellent supérieur à 80 %. Plus généralement pour une plage de régulation Ue + E le générateur fournit une puissance de 2 E x Ue Is. La majeure.partie de la puissance est fournie directement par le redresseur avec un rendement supérieur à 90 %. Le générateur série (Udiff) est obtenu par une source à découpage donc avec un rendement supérieur à 80 %. Il est clair que la puissance de sortie globale est très supérieure à la puissance contrôlée par la source différentielle. Ainsi, pour un coût de revient identique, le coéficient multiplicateur K (rapport entre la puissance de sortie et la puissance nominale différentielle) peut atteindre une valeur supérieure à 7. N.B.: Pour une régulation de +. 20,6 il est sensiblement de 3, pour une régulation de + 7 96 il peut atteindre une valeur supérieure à 7. (Voir la courbe Fig. 3). Intérêt de la régulation par apport de puissance différentielle asservie à très haut rendement Le système faisant l'objet de l'invention présente une grande partie des avantages des systèmes de régulation connus, sans en présenter les inconvénient. 4 2624281 ANALYSI' COMIPAIlATIVE DES DIF'FEIENTS TYPES DE RGULATION n&gtllation par apport do pui s- Tlt [lallast | écoupage s ance di féren- secteur tielle Puissance r&tul'. Prs " 50O ' 5S00w " 3 Kw Rendement 50 à 60, 80fO > 90;: Tension do sortie r6sul&e Un 10O v Flottnnto Isolement salvanique oui non oui Tension de sortie en cas de 0 nu aIin tenue rupture destructive 166rement Tn.sion d'entr6e lu r6Sula- tour DT U secteur quelconn"qu }Juissanco volumique faibloe Moyetlte PFurte Courant secteur sinusoidnL imputntionnel.sinusoidant Il conduit à une amélioration considérable du rendement des alimentations stabilisées et à technologie égale permet de décupler la puissance de sortie disponible, donc, minimise le coût du watt régulé. Au plan fiabilité, les éléments actifs sont utilisés dans les meilleures conditions - - Rendement élevé, donc échauffement faible. - Isolement galvanique des semiconducteurs par rapport au secteur (protection contre les décharges athmosphériques.) - Continuité d'alimentation vis-à-vis de l'utilisation, même dans le cas d'une rupture des éléments régulateurs. Cette dernière caractéristique est un avantage majeur car la fonction réalisée par la charge est maintenue. La tension de sortie est alors légèrement inférieure à la tension d'alimentation nominale, ce qui ne présente donc aucun risque de rupture pour l'utilisation. Description de systèmes mettant en oeuvre l'invention. - Dans la forme de réalisation suivant la Figure 4 le transformateur monophasé ou polyphasé fournit une tension alternative au pont de redressement 6. La tension redressée filtrée (Ud) sera d'autant plus stable que le nombre de phases sera grand. La tension différentielle (Udiff) est nulle lorsque UI est maximale. Cette tension est maximale lorsque Ul est minimale. Le régulateur à découpage 8 est asservi par la boucle de réaction 7. Il neutralise à la fois les variations lentes et l'ondulation résiduelle du redressement. Le régulateur série à découpage fournit donc une tension variable qui est le complément à (Us) de (Ud). Il n'agit que sur la différentielle. 25. Dans le schéma de la Figure 4 le régulateur à découpage est insérré dans la sortie entre les points A et B. ' Il fournit une tension (Udiff) dont la valeur moyenne est fonction de (Ud) donc de la tension secteur (UI). La tension (Udiff) compense aussi les résidus de filtrage de manière à maintenir la - tension aux bornes de la charge 13 parfaitement continue et constante. La Figure 5 montre le détail du régulateur à découpage 8. Celui-ci comprend un pont de redressement secteur 9 suivi par un intégrateur 14, les transistors de découpage 10, suivis par le transformateur HF 11 et par un pont de redressement 12. On voit clairement sur la Figure 4 qu'en cas de rupture d'un élément de 8 il y a continuité entre A et B. Le schéma de la Figure 6 montre le régulateur série 15 placé entre C et M en pied. Il est asservi sur la variable (Us) par le circuit. de contre-réaction 16. Il peut être alimenté par une source indépendante. ou par un enroulement secondaire du transformateur. La forme de réalisation suivant la Figure 7 représente une généralisation de l'invention. A partir d'un même transformateur et redresseur monophasé ou polyphasé 23 et 24, plusieurs charges indépendantes 18, 20, 22 sont alimentées en tensions régulées par les régulateurs à découpage 17, 19, 21. Ces dernières peuvent être soit identiques, soit complètement différentes. La synthèse des principaux avantages d'une réalisation suivant l'invention montre: - il y séparation galvanique entre les transistors de découpage et la source secteur ce qui est un avantage considérable au plan fiabilité. - L'ensemble peut être protégé, avec un surcoût modique, grace à un transformateur à écran électrostatique (transformateur d'isolement), et grâce à des protections foudre primaires. - Les tensions qui doivent être régulées peuvent avoir une valeur absolue aussi élevée qu'on le désire: le principe est applicable à la régulation des hautes tensions et des très hautes tensions. - Le rendement est amélioré de plus de 10 %, ce qui conduit à une dissipation thermique notablement plus faible. - le courant primaire de l'alimentation est pratiquement sinusoidal, ce qui permet par conséquent une annulation du courant dans le conducteur du neutre dans le cas d'une disposition triphasée. - A technologie égale, le principe permet une augmentation considérable des puissances continues régulées disponibles. - Le coût du watt régulé est diminué dans un rapport supérieur à 4 dans l'état de la technique actuelle. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de régulation de processus à haut rendement caractérisé en ce que la variable de sortie à réguler est décomposée en deux variables, une première dite source qui est transférée intégralement en sortie après addition algébrique avec une deuxième dite différentielle, asservie à une consigne et ou/ à la variable de sortie, et qui procède par génération propre du constituant du processus à haut rendement. 2 - Dispositif de régulation de tension suivant la revendication 1 par apport différentiel à haut rendement, du type transformateur secteur et redresseur associés à un générateur de tension différentielle variable caractérisé en ce que le générateur continu est placé en série avec le générateur de tension différentielle. - 3 Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le générateur de tension différentielle est asservi à la tension d'utilisation. - 4 Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le générateur de tension différentielle est flottant et placé en tête du redressement. - 5 Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le générateur de tension différentielle est référencé sur la masse et placé en pied de redressement. - 6 Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le générateur de tension différentiel est alimenté par une source indépendante. - 7 Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le générateur de tension différentielle est alimenté par une source indépendante. - 8 Dispositif suivant les renvendications 4 et 5 caractérisé en ce que le générateur de tension différentielle est alimenté par un enroulement secondaire du transformateur. - 9 Dispositif suivant les revendications 2 à 8 caractérisé en ce que le transformateur est polyphasé et associé à des redresseurs polyphasés. - 10 Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que le transformateur et les redresseurs sont associés à plusieurs générateurs de tension différentielle asservis. - 11 Dispositifs suivant la revendication 10 caractérisé en ce que les générateurs fournissent des tensions identiques. - 12 Dispositifs suivant la revendication 10 caractérisé en ce que les générateurs fournissent des tensions différentes. - 13 Dispositifs suivant les revendications 2 à 12 caractérisés en ce que le transformateur est un tranformateur d'isolement.