Brevet FR2684250A1 — publié le 19930528

i SYSTEME DE DISTRIBUTION D' ENERGIE ELECTRIQUE DE HAUTE QUALITE L'invention concerne un système de distribution d'énergie électrique de haute qualité à une pluralité d'utilisateurs à partir d'un réseau de distribution d'énergie électrique en courant alternatif. Un nombre de plus en plus grand d'appareils, notamment dans les domaines informatique et électronique nécessite une alimentation en énergie électrique de haute qualité, c'est à dire essentiellement une alimentation toujours disponible, adaptée à l'appareil et insensible aux perturbations. Actuellement le problème de la disponibilité est généralement résolu au moyen d'une alimentation sans coupure ou onduleur, interposée entre le réseau alternatif ( 50 Hz ou 60 Hz) et l'appareil concerné L'énergie est distribuée à l'appareil par l'onduleur sous forme de courant alternatif de fréquence et d'amplitude prédéterminées, généralement du même ordre que celles du réseau initial L'onduleur comporte une batterie, normalement chargée par le réseau, qui pallie aux défaillances du réseau pendant une durée limitée, quelques dizaines de minutes par exemple Pour pallier aux défaillances de longue durée du réseau, un groupe électrogène ou un second réseau peuvent, en configuration de secours, être connectés à l'entrée de l'onduleur à la place du réseau devenu indisponible. Pour éviter l'emploi, coûteux et encombrant, d'un onduleur par appareil, il est souvent prévu un seul onduleur, de puissance adaptée, associe a une pluralité d'appareils, ou charges, connectés en parallèle à la sortie de l'onduleur Si l'énergie fournie est bien disponible, sa qualité n'est pas toujours satisfaisante En effet, dans cette configuration certaines charges peuvent créer des perturbations affectant les charges connectées en parallèle Ces perturbations réciproques peuvent être limitées par l'utilisation, en amont de chacun des appareils, de filtres anti-harmoniques et/ou de transformateurs d'isolement, ce qui rend de nouveau l'installation coûteuse et complexe. L'invention a pour but un système de distribution d'énergie électrique de haute qualité ne présentant pas ces inconvénients. Ce but est atteint par le fait que le système de distribution selon l'invention comporte un module central convertissant le courant alternatif du réseau en courant continu et comportant au moins une source d'énergie continue autonome de secours de manière à constituer une source d'énergie continue permanente, un bus de distribution de courant continu connecté au module central, une pluralité de module terminaux connectés au bus, disposés à proximité des utilisateurs et convertissant le courant continu du bus en courant alternatif ou continu, et des moyens de communication permettant la communication d'informations représentatives de l'état du système au moins entre chaque module terminal et le module central. Ce système est plus particulièrement adapté à la distribution d'énergie électrique de haute qualité dans un immeuble ou sur un site industriel ou tertiaire Le système comporte un module central pour l'immeuble ou pour le site, et le bus de distribution de courant continu met cette énergie à la disposition de chaque utilisateur Un ou plusieurs modules terminaux, de moindre puissance que le module central, donc peu encombrants, peuvent être prévus dans chaque bureau, chaque module terminal étant adapté aux besoins particuliers de l'utilisateur, notamment en terme de fréquence module central du système selon la figure 1. Les figures 3 et 4 représentent deux modes de réalisation particuliers de modules terminaux du système selon la figure 1. La figure 5 représente un coffret de raccordement d'un module terminal au bus de distribution. La figure 6 illustre un système de distribution redondant. La figure 7 représente un module central redondant. Le système de distribution illustré a la figure 1 comporte un module central 1 alimentant un bus de distribution de courant continu schématisé par deux conducteurs, respectivement positif ( 2) et négatif ( 3) Des modules terminaux, dont trois ( 4,5,6) sont représentés sur la figure 1, sont connectés au bus de distribution. Le module central 1 est alimenté en énergie électrique à partir d'un réseau 7 de distribution en courant alternatif Une source de secours, par exemple un groupe électrogène 8, peut être connecté par l'intermédiaire d'un commutateur 9, à l'entrée du module central en cas de défaillance prolongée du réseau 7. Le module central 1 comporte essentiellement un convertisseur alternatif continu 10 et une source d'énergie continue autonome, sous forme d'une batterie 11, connectée en parallèle sur la sortie du convertisseur 10 Il constitue ainsi une source d'énergie continue permanente L'autonomie de la batterie est adaptée aux conditions d'utilisation du système Cette autonomie est typiquement variable entre 1 et 120 minutes environ, le groupe électrogène 8 prenant le relais en cas de défaillance prolongée du réseau 7. Le module terminal 4 est un convertisseur continu-continu fournissant à l'utilisateur associé une énergie électrique continue, qui peut être régulée pour avoir une amplitude prédéterminée Les modules terminaux 5 et 6 sont des convertisseurs continu-alternatif fournissant respectivement des tensions alternatives monophasée et triphasée, de fréquence et d'amplitude prédéterminées. Selon leur puissance et la topologie du bâtiment, les modules terminaux sont installés dans un coffret ou directement dans des prises de courant Un module terminal disposé dans un coffret de branchement peut alimenter, par un réseau local de distribution d'énergie de haute qualité, un certain nombre d'appareils disposés à proximité Pour éviter une dégradation de la qualité de l'énergie fournie à l'utilisateur, ce réseau local doit être limité en longueur, en nombre de départs et en nombre d'organes de protection. Les modules terminaux de faible puissance, par exemple de puissance inférieure à 500 VA peuvent éventuellement être intégrés dans des prises et peuvent être alimentés à partir d'un bus de distribution répartie, connecté au bus de distribution par un coffret de raccordement et dissimulé dans les plinthes, les faux planchers ou les cloisons du local à alimenter Dans certains cas, un module terminal peut être intégré directement dans un appareil à alimenter. Dans tous les cas, il faudra prévoir la mise en place de prises spéciales incompatibles avec les prises ordinaires pour éviter l'alimentation involontaire de charges non sensibles par le système de distribution de haute qualité. Dans un mode de réalisation préférentiel la tension continue appliquée au bus de distribution par le module central 1 est une tension continue non régulée supérieure au double de la tension alternative maximale devant être disponible en sortie d'un module terminal Dans le cas o cette tension alternative maximale est de 220 V, soit de même ordre que la tension normalement fournie par le réseau de distribution alternatif, la tension continue appliquée au bus est de +/-350 V entre les conducteurs 2 et 3 Si la tension continue est plus faible, il est nécessaire d'utiliser dans les convertisseurs continu- alternatif des modules terminaux 4,5, des autotransformateurs, volumineux et coûteux Par contre, si la tension continue est d'amplitude suffisante, les modules terminaux peuvent comporter des convertisseurs sans transformateur. Sur la figure 1 un bus de communication, représenté schématiquement en 12, relie le module central 1 à chacun des modules terminaux 4,5 et 6 Le bus 12 peut être constitué par tout bus de communication bidirectionnel de type connu, notamment par les bus de terrain commercialisés sous les marques BATIBUS et J-BUS Il est ainsi possible de transférer toutes les informations nécessaires entre les modules Une liaison 13 permet la transmission d'informations entre le module central 1 et un organe de surveillance 14, extérieur au système L'organe de surveillance 14 peut, alternativement, être connecté au bus de communication 12 sans passer par l'intermédiaire du module central, éventuellement par l'intermédiaire d'une interface entre le bus de communication 12 interne au système et un bus de communication externe qui peut être plus élaboré Des liaisons , par exemple constituées par des bus de communication série, permettent la transmission d'informations entre chacun des modules terminaux et les utilisateurs associés Les modules terminaux sont de plus équipés de divers moyens de communication tels que voyants, contacts, Le bus de communication peut être remplacé par tout autre moyen de communication, notamment par l'utilisation de la technique des courants porteurs, les informations à transmettre étant alors superposées au courant continu dans le bus de distribution 2,3. L'organe de de surveillance 14 peut comporter un pupitre situé à proximité du module central, pour permettre notamment les opérations de routine ou de vérification Il peut également comporter des dispositifs de surveillance disposés à distance, notamment chez l'exploitant du système pour avertir celui-ci en cas de problème dans le système La communication entre le module central, le pupitre local et les dispositifs de surveillance à distance peut être réalisée par tout moyen, par exemple par l'intermédiaire d'un bus comme représenté sur la figure 1, ou par téléphone, radio, minitel,etc La figure 2 illustre plus en détail un mode de réalisation particulier du module central 1 Le réseau connecté à l'entrée du module est un réseau triphasé L 1,L 2,L 3, avec neutre N Le convertisseur alternatif-continu 10 est connecté au réseau par l'intermédiaire d'un interrupteur ou d'un disjoncteur 16 pouvant être commandé manuellement ou automatiquement par un circuit de contrôle 17 du module central Le circuit de contrôle 17 reçoit en entrée des signaux Vi à V 4 représentatifs des tensions appliquées à l'entrée du module (en Ll L 2,L 3 et N) et applique sur des bornes Ai à A 8 de commande du convertisseur 1 i O des signaux de commande appropriés pour fournir les tensions continues désirées au bus de distribution Le bus de distribution comporte un conducteur positif 2, un conducteur négatif 3, et un conducteur de neutre N connecté directement au neutre du réseau triphasé amont Le convertisseur 10 est conçu de manière à fournir sur les conducteurs 2 et 3 une tension + 1- 350 V symétrique par rapport au neutre N Cette symétrie permet de réduire la complexité des modules terminaux. Le convertisseur peut être commandé par le circuit de contrôle 17 de manière à maintenir un courant sinusoïdal dans le réseau amont Dans ce but, le circuit 17 est connecté à des capteurs de courant (non représentés) mesurant le courant dans les conducteurs du réseau amont et compenser les perturbations éventuelles de la forme de la sinusoïde. La batterie 11 est connectée au bus de distribution 2,3,N, par l'intermédiaire d'un circuit chargeur-régulateur 18 dont les bornes de commande B 1-B 2 reçoivent des signaux de commande du circuit de contrôle 17 En l'absence de défaillance de réseau, la batterie 11 se charge si nécessaire Le circuit de contrôle 17 contrôle la charge de la batterie en tenant compte de la tension aux bornes de la batterie (entrée Vb du circuit 17) et du courant de charge de la batterie (entrée Ib du circuit 17), de manière à limiter ce courant pendant la charge Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, la batterie est chargée à partir de la tension continue, mais bien entendu il est possible d'effectuer la charge directement à partir du réseau. Lorsqu'une défaillance du réseau est détectée par le circuit de contrôle 17 à partir des signaux appliqués sur ses entrées Vl -V 4, il provoque l'arrêt des signaux de commande appliqués aux bornes Ai à A 6 du convertisseur 10 La batterie 11 alimente alors le bus de distribution par l'intermédiaire du chargeur-régulateur 18, sous le contrôle du circuit 17, en fonction des tensions de sortie du module central (entrées V 4,V 5,V 6 du circuit 17) Les signaux de commande des bornes A 7 et A 8 sont maintenus pour continuer de disposer d'une tension de neutre. Le circuit de contrôle 17 élabore également des informations représentatives de 1 'état du réseau (comparaison des tensions du réseau à des seuils programmables), du groupe électrogène, du module central et, plus particulièrement du fonctionnement sur source d'énergie autonome Il surveille notamment l'autonomie de la batterie à partir des mesures de Ib,Vb et de la température de la batterie, qui lui est fournie par un capteur de température sur une entrée Tb Il élabore un signal de préalarme de fin d'autonomie destiné à informer les utilisateurs de la fin proche de la réserve d'énergie autonome du système Ces informations peuvent être transmises aux modules terminaux par le bus de communication 12 et à un organe de surveillance 14 par la liaison -13, le circuit de contrôle 17 comportant les interfaces de communication nécessaires. De plus, le circuit de contrôle 17 reçoit des informations des modules terminaux par le bus de communication 12 et de l'organe de surveillance 14 par la liaison 13 et peut traiter et transmettre ces informations. Un module terminal continu-alternatif triphasé est représenté plus en détail sur la figure 3 Il comporte un circuit de contrôle 19 recevant en entrée des signaux représentatifs des tensions continues d'entrée (V 8 à V 10) qui lui sont appliquées par le bus de distribution à trois fils ( 2,3,N) dans le mode de réalisation particulier représenté, des signaux représentatif S des tensions alternatives de sortie (Vi 11 à Vi 3 et Vl O pour le neutre commun à l'entrée et à la sortie), des signaux représentatifs des courants de sortie (Il à I 3) ainsi que des informations qui lui sont transmises par le bus 12 et éventuellement par la liaison Le circuit de contrôle 19 élabore à partir de ces signaux d'entrée des signaux A 9 à A 14 de commande du convertisseur continualternatif et des informations représentatives de son état La transmission des informations se fait par l'intermédiaire d'interfaces de communication appropriées incluses dans le circuit de contrôle 19. Un module terminal continu-alternatif monophasé est représenté à la figure 4 De manière analogue au précédent, il comporte un circuit de contrôle 20 recevant en entrée des signaux représentatifs des tensions continues d'entrée (V 14,V 15,V 17), des tensions alternatives de sortie (V 16,V 17), et du courant de sortie (I 4), ainsi que des informations transmises par le bus 12 et la liaison 15 Le circuit de contrôle 20 élabore des signaux A 15 et A 16 de commande du convertisseur continu- alternatif et des informations représentatives de son état Comme précédemment, les interfaces de communication appropriées sont incluses dans le circuit de contrôle 20. Les principales informations élaborées par le circuit de contrôle d'un module terminal concernent: La présence et le bon fonctionnement du module terminal et de ses organes de communication appartenant au circuit de contrôle. Le module central, ou l'organe de surveillance externe, interroge périodiquement chaque module terminal à cet égard. La présence ou l'absence de surcharges en aval du module terminal, obtenues par la comparaison des signaux représentatifs des courants de sortie (Il à I 3; I 4) et de seuils prédéterminés, éventuellement programmables En cas de surcharge le circuit de contrôle du module terminal peut commander le délestage de certains dispositifs qu'il alimente. La présence, dans des tolérances prédéterminées, de la tension en aval du module terminal. La présence, dans des tolérances prédéterminées, de la tension continue en amont du module terminal. Les informations (tensions, courants ou puissance) permettant un comptage de l'énergie délivrée par le module terminal. L'utilisation de filtres en amont de chaque module terminal permet de réduire au minimum la pollution du réseau et les perturbations entre utilisateurs La figure 5 illustre un mode de réalisation préférentiel dans lequel chaque module terminal, dont un seul 4 est représenté, est raccordé au bus de distribution par l'intermédiaire d'un coffret de raccordement 21 Le coffret de raccordement 21 comporte un organe de coupure, interrupteur 22, permettant la mise en ou hors service du module terminal Cet organe de coupure peut être commandé manuellement ou par télécommande, par exemple dans le cas o un défaut a été détecté dans le fonctionnement du module terminal 4 de manière à isoler celui-ci du système Le coffret 21 comporte également un filtre passe-bas 23, par exemple de type LC, connecté entre chacun des conducteurs 2 et 3 du bus de distribution et l'entrée correspondante du module Un organe de protection, par exemple un fusible F, est connecté dans chaque conducteur reliant les conducteurs 2 et 3 du bus de distribution et l'entrée correspondante Cet organe de protection peut éventuellement être intégré dans le module terminal plutôt que dans le coffret de raccordement. Pour améliorer la disponibilité du système vu des utilisateurs, on peut utiliser la redondance de certains éléments. La figure 6 illustre un exemple de système de distribution redondant, comportant deux modules centraux 1 et 1 a Chaque module terminal est connecté en parallèle sur les bus de distribution 2,3,N et 2 a,3 a N connectés aux deux modules centraux par un coffret de raccordement 24 Un organe de coupure ou 25 a, constitué par un disjoncteur électromécanique ou statique ou par un fusible est disposé sur chacun des conducteurs 2,3,2 a,3 adesbusdedistribution enamont des premiers coffrets de raccordement 24 En cas de défaillance de l'un des modules centraux, l'organe de coupure correspondant est ouvert Dans le coffret de raccordement, l'entrée positive (+) du module terminal 5 est connectée, par l'intermédiaire d'un fusible F, à la cathode de deux diodes Dl et D 2 dont les anodes sont respectivement connectées aux conducteurs 2 et 2 a De même, l'entrée négative (-) du module terminal est connectée, par l'intermédiaire d'un fusible F, à l'anode de deux diodes D 3 et D 4 1 1 dont les cathodes respectives sont connectées aux conducteurs 3 et 3 a L'entrée neutre (N) du module terminal est connectée aux conducteurs de neutre des deux bus, tandis que son entrée de communication est connectée aux bus de communication 12 et 12 a associés aux deux modules centraux par l'intermédiaire d'une interface appropriée 26 Celle-ci peut éventuellement être intégrée dans le module terminal Des interrupteurs similaires aux interrupteurs 22 du coffret de raccordement 21 de la figure 5 peuvent être prévus dans le coffret 24 pour isoler le module terminal des deux bus de distribution De même des filtres sont de préférence disposés dans le bottier de raccordement ou intégrés dans le module terminal. Le principe de redondance peut être appliqué à d'autres éléments du système Il est ainsi possible de réaliser un système redondant ne comportant qu'un seul module central, mais dont le bus de distribution est dédoublé dès la sortie du module central pour fournir deux bus de distribution auxquels les modules terminaux sont connectés de la même manière que sur la figure 6. La redondance peut également être utilisée à l'intérieur du module central, comme représenté à la figure 7 Deux convertisseurs 10 et 1 Oa sont alimentés par le même réseau alternatif d'entrée Ll L 2,L 3,N Leurs sorties sont couplées en parallèle par l'intermédiaire de diodes D 5 à D 8 pour alimenter un même bus de distribution 2,3,N Le module central 27 représenté comporte une seule batterie 11 connectée par l'intermédiaire de deux circuits chargeur-régulateur 18 et 18 a respectivement aux sorties des deux convertisseurs 10 et 1 Oa, en amont de leur connexion au bus de distribution. La disponibilité du module central redondant de la figure 7 peut encore être améliorée par l'utilisation dans le module de deux batteries alimentées séparément, l'une par le convertisseur 10, l'autre par le convertisseur 10 a. REVENDICATIONS 1 Système de distribution d'énergie électrique de haute qualité à une pluralité d'utilisateurs à partir d'un réseau ( 7) de distribution d'énergie électrique en courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comporte un module central ( 1) convertissant le courant alternatif du réseau en courant continu et comportant au moins une source d' énergie continue autonome de secours ( 11) de manière à constituer une source d'énergie continue permanente, un bus ( 2,3,N) de distribution de courant continu connecté au module central ( 1), une pluralité de modules terminaux ( 4,5,6) connectés au bus, disposés à proximité des utilisateurs et convertissant le courant continu du bus en courant alternatif ( 5,6) ou continu ( 4), et des moyens de communication ( 12) permettant la communication d'informations représentatives de l'état du système au moins entre chaque module terminal ( 4,5,6) et le module central ( 1). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module central ( 1) fournit une tension continue symétrique par rapport à un neutre (N) du réseau, le bus de distribution comportant trois conducteurs ( 2,3,N) dont un conducteur de neutre (N) connecté directement au neutre du réseau. 3 Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque module terminal ( 4,5,6) est connecté au bus ( 2,3,N) par l'intermédiaire d'un coffret de raccordement associé ( 21) comportant des filtres passe-bas ( 23) et des moyens (F) de protection contre les courts-circuits. 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de communication comportent un bus de communication ( 12) distinct du bus ( 2,3,N) de distribution de courant continu. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la communication est réalisée au moyen de courants porteurs superposés au courant continu sur le bus ( 2,3,N) de distribution de courant continu. 6 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les informations représentatives de l'état du système comportent des informations indiquant le fonctionnement du module central ( 1) a partir de la source d'énergie autonome ( 11) et un signal de préalarme représentatif de la fin d'autonomie de la source autonome. 7 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les informations représentatives de l'état du système comportent des informations représentatives de la présence et du bon fonctionnement des modules terminaux ( 4,5,6). 8 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les informations représentatives de l'état du système comportent des informations représentatives de la présence, dans des tolérances prédéterminées, d'une tension en amont des modules terminaux ( 4,5,6) et de tension et de courant en aval des modules terminaux. 9 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les informations représentatives de l'état du système comportent des informations concernant le comptage de l'énergie délivrée par chaque module terminal ( 4,5,6) à l'utilisateur associé. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de communication sont connectés à un organe de surveillance ( 14) centralisé externe au système.