Brevet FR2679078A1 — publié le 19930115

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique à caractéristique programmable, et s'applique notamment à la simulation de circuits électriques et à l'alimentation de montages électriques nécessitant une haute sécurité de fonctionnement. On sait qu'une d'une alimentation se caractérise par la courbe de l'intensité électrique débitée en fonction de la tension de sortie. Les alimentations de puissance actuellement connues se partagent en plusieurs types: les alimentations de laboratoire à tension fixe ou variable, les convertisseurs et les alimentations de puissance continues. Les commandes numériques de ces alimentations restent limitées à la commande de leur tension de sortie ou de l'intensité limite acceptée, leur caractéristique interne n'étant ni programmable ni commandable. La présente invention a pour but de remédier à cette carence en proposant une alimentation de puissance à caractéristique programmable mettant en oeuvre une alimentation classique et un convertisseur continu-continu, une telle alimentation permettant de simuler la caractéristique interne de tout type d'alimentation, par exemple des générateurs solaires, et de prévoir les paramètres de fonctionnement d'une installation électrique. Le dispositif objet de la présente invention est un dispositif d'alimentation à caractéristique programmable comportant une source d'énergie, un moyen de commande de la tension ou de l'intensité de sortie de cette source d'énergie, un capteur d'intensité ou de tension de sortie de la source, un convertisseur analogique-numérique relié audit capteur, une table de conversion reliée en entrée au convertisseur analogique-numérique et en sortie à la commande et conservant les données de la caractéristique programmée. Le dispositif selon l'invention se présente selon deux modes de réalisation, l'un à commande de tension, l'autre à commande d'intensité Dans les deux cas, il inclut une boucle d'asservissement. La description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé dans un but explicatif et nullement limitatif, permettra de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de l'invention. Dans le dessin annexé la figure 1 représente un schéma de fonctionnement d'un premier mode de réalisation, à tension commandée, du dispositif selon l'invention. la figure 2 représente un schéma électronique de réalisation de ce premier mode de réalisation. la figure 3 représente un schéma de fonctionnement d'un second mode de réalisation, à intensité commandée, du dispositif selon l'invention. la figure 4 représente un schéma électronique de réalisation de ce second mode de réalisation. Si on se réfère à la figure 1, on y voit représentés une source d'énergie 1, une charge électrique 2, une source de tension commandée 3 comportant une entrée de commande de tension 4, une entrée d'énergie 5 reliée à la source d'énergie 1 et une sortie reliée à la charge électrique 2 par des liaisons électriques 6 et 7, un moyen de mesure numérique d'intensité de courant 8 placé sur la liaison électrique 6, une table de conversion 9 dont l'entrée est reliée au capteur d'intensité 8 et dont la sortie est reliée à l'entrée de commande 4 de la source de tension commandée 3. La source d'énergie 1 est quelconque et peut être constituée d'un générateur autonome, d'une batterie d'accumulateurs, d'un groupe électrogène ou encore d'une association transformateur-redresseur couplée sur le réseau de distribution, ou d'une alimentation de type connu Elle fournit un courant continu La charge électrique 2 est, elle aussi, quelconque et correspond à un appareil électrique ou à une installation électrique. La source de tension commandée 3 est adaptée à délivrer l'énergie qu'elle reçoit de la source d'énergie 1 selon une tension dont la valeur est fixée sur son entrée de commande de tension 4. Le moyen de mesure d'intensité de courant 8 mesure l'intensité du courant traversant la liaison 6 et transmet des valeurs numériques à la table de conversion 9 La table de conversion 9, communément nommée par son appellation anglaise "look-up table" ou LUT, est une mémoire dont les entrées d'adresses sont reliées à des données, ici les valeurs numériques sortant du moyen de mesure 8 Pour chaque valeur en entrée est mémorisée une valeur de sortie La fonction de transfert d'une table de conversion est pré-programmée et peut prendre toute forme, continue ou discontinue. Selon l'invention, la fonction de transfert conservée dans la table de conversion correspond à la caractéristique programmée de l'alimentation programmable, la mémorisation des informations étant effectuée soit sur une mémoire morte, soit sur une mémoire vive sauvegardée. On comprend qu'à chaque niveau d'intensité mesuré par le moyen de mesure 8 correspond un niveau de tension donné par la table de conversion 9, et donc un niveau de tension entre les liaisons 6 et 7 en sortie de la source de tension commandée 3 Le dispositif ainsi constitué réalise une alimentation à caractéristique programmable dont l'asservissement concerne l'intensité du courant et contrôle la tension. De cette manière la caractéristique interne du dispositif est programmable, la caractéristique mise en mémoire dans la table de conversion 9 étant ici la fonction qui attribue à une intensité de courant une tension. Il est à noter que les moyens de programmation de la table de conversion ne sont pas représentés dans les figures La table de conversion 9 étant une mémoire, tous les moyens connus pour y conserver les données de caractéristiques peuvent être mis en oeuvre En particulier, pour des tables de conversion de type mémoire morte programmable, aussi appelée PROM, la programmation est faite sur un programmateur de PROM. Un connecteur particulier peut aussi permettre d'introduire les données de la caractéristique au moyen d'un ordinateur extérieur. Si on se réfère maintenant à la figure 2, on y voit représentés le réseau électrique 13, une source de tension continue 14, la source de tension commandée 3, reliés entre eux successivement, la charge 2, reliée par les liaisons électriques 6 et 7 à la source de tension commandée 3, un moyen de mesure 8 de l'intensité du courant traversant la liaison 6 relié à un amplificateur 15 à gain règlable, un convertisseur analogique-numérique 16, la table de conversion 9, reliée par son bus adresse 17 à la sortie du convertisseur analogique numérique 16, un temporisateur programmable 18 et un convertisseur numérique-analogique 19 reliés au bus de sortie de données 21 de la table de conversion 19, un modulateur 20, relié à la sortie du convertisseur numérique-analogique 19, les sorties du temporisateur programmable 18 et du modulateur 20 étant reliées à l'entrée de commande 4 de la source de tension commandée 3. La source de tension commandée 3 comporte un hacheur 22, deux condensateurs 23, une diode 24, tous connectés aux liaisons électriques 6 et 7, et une inductance 25 sur la liaison 7 L'entrée de commande 4 est reliée au hacheur 22. En se référant aux figures 1 et 2, on constate que la source d'énergie 1 est constituée du réseau 13 et de la source de tension continue 14 La source de tension continue 14 est généralement constituée d'un redresseur et d'un filtre passe-bas. Dans la figure 2, dans un but explicatif, deux moyens de connexion entre le convertisseur analogique-numérique 9 et l'entrée de commande 4 sont présentés: le temporisateur programmable 18, d'une part, et le convertisseur numérique analogique 19 associé au modulateur 20, d'autre part Une seule de ces connexions est nécessaire et la seconde est préférentielle. Le moyen de mesure 8 de l'intensité du courant traversant la liaison 6 est ici à effet hall, et de type connu. Il délivre une tension proportionnelle au courant mesuré. Le temporisateur programmable 18 est constitué d'un circuit intégrant des compteurs binaires programmables dont l'association et la programmation permettent de générer un signal à rapport cyclique commandé directement par le nombre N fourni par la table de conversion 9 et représentant la consigne de commande pour le hacheur 22. En combinaison avec le modulateur 20, le convertisseur numérique-analogique 19 génère un rapport cyclique variable à partir d'un signal analogique reconstitué à partir du même nombre N fourni par la table de conversion 9 au convertisseur 19 La sortir du convertisseur 19 est comparée par le modulateur 20 à un signal en rampe, selon un fonctionnement connu en soi, et le modulateur 20 fournit un signal périodique discret à rapport cyclique variable, proportionnel au nombre de référence N. Le hacheur 22 est adapté à fonctionner à haute fréquence de manière à minimiser les dimensions des composants formant le filtre passe-bas: inductance 25 et capacité 23 Le hacheur 22 est un hacheur dévolteur Il est commandé par un signal binaire à rapport cyclique variable Celui-ci est produit par le temporisateur programmable 18. Si on se réfère maintenant à la figure 3, on y voit représentés une source d'énergie 1, une charge électrique 2, une source de courant réglable 10 comportant une entrée de commande de courant 11, une entrée d'énergie 5 reliée à la source d'énergie 1 et une sortie reliée à la charge électrique 2 par des liaisons électriques 6 et 7, un capteur de tension 12 placé entre les liaisons électriques 6 et 7, une table de conversion 9 dont l'entrée est reliée au capteur de tension 12 et dont la sortie est reliée à l'entrée de commande 11 de la source de courant réglable 10. Les éléments communs aux figures 3 et 1 ont les mêmes fonctions que celles présentées en regard de la figure 1. La source de courant règlable 10 est adaptée à délivrer l'énergie qu'elle reçoit de la source d'énergie 1 selon une intensité dont la valeur est fixée sur son entrée de commande d'intensité 11. Le capteur de tension 12 est adapté à donner sous forme numérique une valeur de la tension entre les liaisons 6 et 7. En comparaison avec la figure 1, on comprend que ce dispositif réalise une alimentation à caractéristique programmable dont l'asservissement concerne la tension et contrôle l'intensité. La caractéristique conservée dans la table de conversion 9 est ici l'intensité du courant en fonction de la tension. Si on se réfère maintenant à la figure 4, on y voit représentés le réseau électrique 13, une source de tension continue 14, la source de tension commandée 10, reliés entre eux successivement, la charge 2, reliée par les liaisons électriques 6 et 7 à la source de tension commandée 10, un moyen de mesure de tension 12 relié aux liaisons 6 et 7 et à un amplificateur 15 à gain réglable, un convertisseur analogique- numérique 16, la table de conversion 9, reliée par son bus adresse 17 à la sortie du convertisseur analogique numérique 16, un oscillateur programmable 26 et un convertisseur numérique analogique 19 reliés au bus de sortie de données 21 de la table de conversion 9, un régulateur analogique 28 relié à la sortie du convertisseur numérique-analogique 19, un régulateur à boucle de verrouillage 27 relié à l'oscillateur programmable 26, les sorties du régulateur analogique 28 et du régulateur à boucle de verrouillage 27 étant reliées à l'entrée de commande 11 de la source de tension commandée 10. La source de tension commandée 10 comporte un hacheur 22, deux condensateurs 23, une diode 24, tous connectés aux liaisons électriques 6 et 7, et une inductance 25 sur la liaison 7 L'entrée de commande 11 est reliée au hacheur 22. En se référant aux figures 3 et 4, on constate que la source d'énergie 1 est constituée du réseau 13 et de la source de tension continue 14 La source de tension continue 14 est généralement constituée d'un redresseur et d'un filtre passe-bas. Dans la figure 4, dans un but explicatif, deux moyens de connexion entre le convertisseur analogique-numérique 9 et l'entrée de commande 11 sont présentés: l'oscillateur programmable 26 et le régulateur à boucle de verrouillage 27, d'une part, et le convertisseur numérique analogique 19 associé au régulateur analogique 28, d'autre part Une seule de ces connexions est nécessaire et la seconde est préférentielle car elle provoque peu d'oscillation d'asservissement. Il est à noter que le hacheur étant essentiellement un convertisseur qui impose la tension aux bornes de la charge, lorsque l'on réalise une source de courant commandée, il est nécessaire de réaliser une boucle interne d'asservissement constituée soit du régulateur analogique 28, soit de l'oscillateur programmable 26 et du régulateur 27. L'oscillateur programmable 26 est constitué soit d'un temporisateur programmable utilisé en mode astable soit d'un diviseur de fréquence programmable à base de compteurs binaires Cet oscillateur fournit une fréquence pilote associée au nombre N issu de la table de conversion 9. Le régulateur à boucle de verrouillage de phase 27, communément appelé selon les initiales de sa dénomination anglaise PLL, comporte un convertisseur tension-fréquence et un comparateur de phase Il égalise la fréquence provenant de l'oscillateur programmable 26 avec celle du convertisseur tension-fréquence, au moyen du comparateur de phase La tension en entrée du convertisseur est une image du courant réel mesuré Le signal sortant du comparateur de phase possède un rapport cyclique variable et compatible avec la commande du hacheur 22. Le régulateur analogique 28 est constitué d'un comparateur à effet d'hystérésis Il maintient le courant réel dans une bande de valeur étroite centrée sur la valeur de consigne. Le hacheur 22 est ici commandé par un signal binaire dont la fréquence est représentative du courant commandé Cette fréquence est réalisée par l'oscillateur programmable 26 et contrôlée par le régulateur à boucle de verrouillage 27. La réalisation d'une alimentation à caractéristique programmable fonctionnant aussi bien en source de courant commandée qu'en source de tension commandée, la combinaison des modes de réalisation présentés en regard des figures 2 et 4 est simple car de nombreux composants sont identiques Un simple commutateur permettrait de choisir le mode de commande du hacheur Par contre, les caractéristiques mémorisées dans la table de conversion 9 sont symétriques entre les deux modes de réalisation Le commutateur devrait donc commander aussi la zone de la mémoire dans laquelle fonctionne la table de conversion 9. Une des applications principales du dispositif objet de la présente invention concerne la simulation de fonctionnement d'installations électriques autonomes. Par exemple, pour simuler le fonctionnement d'une installation électrique dont l'alimentation est un générateur solaire, pour des applications dans le domaine spatial, il devient possible de reproduire au sol des conditions d'éclairement de l'espace à partir d'une base de données de mesures enregistrées sur une période définie On place dans la table de conversion 9 la caractéristique de ce générateur En réalisant le premier mode de réalisation du dispositif, représenté dans la figure 2, on simule la variation d'éclairement de la cellule solaire par variation du gain de l'amplificateur à gain réglable 15. Cette simulation permet l'identification du système par rapport à cette entrée "éclairement" et l'évaluation des performances par analyse de la réponse à des entrées standards, réponses indicielles ou harmoniques par rapport à l'éclairement. Cette simulation permet aussi de reproduire en quelques minutes des variations d'éclairement au cours de journées types, avec ou sans passage de nuages, pour le dimensionnement du système par rapport aux caractéristiques du "gisement" solaire Pour la maîtrise de ce réglage de gain, il est préférentiel d'utiliser un amplificateur à gain réglable 15 piloté par exemple par une tension issue d'un générateur de signaux. Une autre amplification de l'invention est la réalisation d'alimentations de laboratoire protégées par leur caractéristique interne des court-circuits et erreurs de manipulation. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'alimentation électrique à caractéristique programmable comportant une source d'énergie ( 1), un moyen de commande ( 3, 10) de la tension ou de l'intensité du courant électrique appliqué à une charge électrique ( 2), un moyen de mesure ( 8, 12) de l'intensité ou de la tension dudit courant, un convertisseur analogique numérique ( 16) relié audit moyen de mesure ( 8, 12), une table de conversion ( 9) dont l'entrée d'adresse ( 17) est reliée au convertisseur analogique-numérique ( 16) et dont la sortie est reliée au moyen de commande ( 3, 10), ladite table de conversion ( 9) conservant les données de la caractéristique programmée. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de commande ( 3) commande la tension du courant électrique appliqué à la charge électrique ( 2), le moyen de mesure ( 8) mesurant l'intensité du courant traversant ladite charge électrique ( 2). 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moyen de commande ( 3) est constitué d'un hacheur ( 22) et d'un filtre passe-bas ( 23, 25), ledit hacheur ( 22) étant commandé par un signal binaire sur son entrée de commande ( 4). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur numérique analogique ( 19) relié à la sortie de la table de conversion ( 9) et un modulateur ( 20) relié à la sortie du convertisseur numérique-analogique ( 19) et dont la sortie est reliée à l'entrée de commande ( 4) du hacheur ( 22) de telle manière que le signal reçu par l'entrée de commande ( 4) est un signal binaire dont le rapport cyclique est proportionnel à la valeur du signal sortant de la table de conversion ( 9). 5) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte un temporisateur programmable ( 18) relié à la sortie de la table de conversion ( 9) et à l'entrée ( 4) du hacheur ( 22), de telle manière que le signal reçu par l'entrée de commande ( 4) est un signal binaire dont le rapport cyclique est proportionnel à la valeur du signal sortant de la table de conversion ( 9). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de commande ( 10) commande l'intensité du courant traversant la charge électrique ( 2), le moyen de mesure ( 12) mesurant la tension appliquée à ladite charge électrique ( 2). 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le moyen de commande ( 10) est constitué d'un hacheur ( 22) et d'un filtre passe-bas ( 23, 25). 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur programmable ( 26) relié à la sortie de la table de conversion ( 9) et un régulateur à boucle de verrouillage ( 27) relié à la sortie de l'oscillateur programmable ( 26) et à l'entrée de commande ( 11) du hacheur ( 22) de telle manière que le signal reçu par l'entrée de commande ( 11) est un signal binaire dont la fréquence est proportionnelle à la valeur du signal sortant de la table de conversion ( 9). 9) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur numérique-analogique ( 19) relié à la sortie de la table de conversion ( 9) et un régulateur analogique ( 28) relié à la sortie du convertisseur numérique- analogique ( 19) et à l'entrée de commande ( 11) du hacheur ( 22) de telle manière que le signal reçu par l'entrée de commande ( 11) est un signal binaire dont la fréquence est proportionnelle à la valeur du signal sortant de la table de conversion ( 9). ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la table de conversion ( 9) est constituée d'une mémoire morte programmable ou d'une mémoire vive sauvegardée programmable.