Brevet FR2693851A1 — publié le 19940121

PROCEDE- DE PROTECTION C0fTRE LES SURINTENSITES D'UN TRANSFORMATEUR D'ALIMENTATIEN SECTE ET DISPOSITIF POUR LA MISE- EN OEUVRE DUDIT PROCEDE. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un procédé pour la protection d'un transformateur d'alimentation secteur contre les surintensités. Les transformateurs d'alimentation secteur permettent de connecter au réseau de distribution d'énergie électrique des appareils qui utilisent des tensions d'alimentation différentes de la tension secteur alternative nominale du réseau ou qui nécessitent, pour des raisons de securité, un isolement électrique du secteur. Ces transformateurs sont b-ien connus de l'homme de l'art et même du grand public: on peut citer les transformateurs dévolteurs permettant d'alimenter les lampes à halogènes des lampadaires ou lampes de bureau, les compresseurs des réfrigérateurs ou les réseaux de trains électriques jouets, les transformateurs survolteurs permettant de générer les hautes tensions nécessaires au fonctionnement des tubes cathodiques des postes de télévision ou des magnétrons des fours à micro-ondes. Sur un plan technique général, ces transformateurs sont utilisés dans des dispositifs appelés "alimentations secteur" qui fournissent à partir de la tension alternative du secteur des tensions alternatives ou continues adaptées aux besoins de l'utilisateur. L'alimentation peut etre dite "externe" (par exemple boîtier d'alimentation de calculette) ou dite "interne" ou "intégrable", s'il s'agit d'un module électrique et/ou électronique placé ou pouvant être placé à l'intérieur du boîtier recevant l'ensemble des modules qu'elle alimente (par exemple, le bloc d'alimentation d'un amplificateur HI-FI). Du fait de leur emploi généralisé, ces alimentations secteurs doivent satisfaire à des impératifs de conception, afin de ne pas perturber le réseau de distribution d'énergie électrique auquel elles sont-connectées, de ne pas risquer d'endommager les charges qu'elles alimentent, d'avoir un fonctionnement fiable et d'être peu onéreuses. Le secteur peut en effet etre perturbé par 1' impulsion de courant crie par la connexion d ' une charge largement selfique comme le primaire d'un transformateur. Ces impulsions de courant peuvent se propager sur le réseau et perturber le fonctionnement d'autres appareils électroniques qui y seraient connectés. C'est la raison pour laquelle les appareils connectés sur le réseau public doivent satisfaire à certaines normes quant à la production de ces perturbations. Dans certains cas (transformateurs ferro-résonnants ou transformateurs à noyau torique de forte puissance), le courant de crête produit lors de la connexion peut avoir une intensité supérieure à l'intensité nominale correspondant à la puissance nominale nécessaire en régime permanent et donc nécessiter une augmentation du calibre de puissance nominale souscrite au disjoncteur ainsi que du calibre des fusibles de protection. Si le réseau peut être endommagé (échauffement des fils, incendie) en cas de court-circuit de la charge, la charge peut réciproquement être endommagée par des conditions anormales de fonctionnement du réseau, surtension ou sous-tension. Pour pallier ces inconvénients,plusieurs solutions sont connues de l'état de la technique. La solution la plus simple assurant une protection contre les surintensités et indirectement contre les surtensions est le fusible. Cependant, son action peut être trop lente pour éviter des dommages et il doit être remplacé manuellement. Il en est de même pour le disjoncteur. Le brevet allemand DE 2941339 , délivré le 7 septembre 1989, décrit un dispositif électromécanique destiné à limiter le courant d'appel lors de la mise sous tension du transformateur dlalimentation d'un four à micro-ondes. Une résistance en série avec le transformateur est court-circuitée par un relais temporisé à la fin de la phase de démarrage. Mais seuls les dispositifs purement électriques et/ou électroniques peuvent être rapides et fiables. L'emploi de thermistances de type CTN est une bonne solution lors des démarrages, mais la constante de temps thermique de ces composants ne permet pas de garantir un fonctionnement correct lors des microcoupures (la thermistance ne reprend pas instantanément sa résistance froide). La demande de brevet européen EP-A2-0432459 par la firme ASEA BROWN BOVERI AG, publiée le 19 juin 1991, décrit un circuit limiteur du courant d'appel lors de la connexion d'une charge au secteur, par exemple un transformateur de forte puissance ( 300 VA et plus) destiné à l'alimentation de lampes basse tension à halogènes. Le principe est le même que celui utilisé par le brevet DE 2941339, mais la réalisation peut être entièrement électronique. La demande de brevet européen EP-A2-0339598 par la firme BICC-VERO ELECTRONICS GmbH, publiée le 2 novembre 1989, décrit un disposif limiteur de courant pour une charge capacitive pouvant être connectée au secteur de façon à satisfaire à la norme DIN VDE 160/01.86. Un dispositif de lecture du courant passant dans la charge génère un premier signal quand ce courant est supérieur à une valeur déterminée et un dispositif de lecture de la tension secteur génère un deuxième signal quand cette tension est supérieure à une valeur donnée. L'un ou l'autre de ces signaux commute à l'état bloqué un transistor placé en série avec la charge capacitive. La demande de brevet allemand DT-A1-2525393, publiée le 16 décembre 1976, décrit un dispositif électronique destiné à protéger des appareils branchés sur le secteur contre les surtensions et les sous-tensions. La valeur efficace de la tension secteur est comparée par deux circuits comparateurs à deux valeurs de référence haute et basse. En dehors de cette plage, l'alimentation de la charge est bloquée par un TRIAC commandé par les comparateurs. Les dispositifs précédents permettent de protéger le réseau des perturbations créées par la charge et la charge des anomalies du réseau, mais uniquement par tout ou rien: la charge est connectée ou déconnectée (ou connectée avec une impédance fixe en série). En cas de petites variations de la tension secteur dans la plage d'utilisation , ces variations se répercutent au niveau de la tension appliquée sur la charge. Ce problème est connu de l'état de la technique. Il est possible de limiter les variations de la tension~appliquée à la charge soit en stabilisant la tension de sortie de l'alimentation, soit en régulant la tension d'entrée. La première solution est une solution complexe pour les puissances importantes, tandis que la régulation de la tension d'entrée peut être obtenue de façon simple en utilisant un transformateur ferro-résonnant. L'utilisation de transformateurs ferro-résonnants dans les alimentations secteur présente de nombreux avantages: la régulation de la tension demeure excellente pendant les variations statiques ou dynamiques de la tension du réseau, bonne fiabilité, coût modéré, conception simple et petite taille. Cependant un transformateur ferro-résonnant doit fonctionner dans une plage d'utilisation bien précise. Il est également sensible aux transitoires du réseau qui peuvent faire entrer l'alimentation en oscillations. Ceci est connu de l'état de la technique: le brevet américain US 4439722 du 27 mars 1984 décrit un dispositif destiné à stabiliser le fonctionnement d'une alimentation secteur utilisant un transformateur ferro-résonnant. Mais les autres inconvénients liés à l'utilisation d'un transformateur ne sont pas résolus. I1 ressort donc de l'état de la technique tel que décrit dans les documents de brevets cités ci-dessus que tous les inconvénients liés à l'utilisation d'une alimentation secteur sont connus, mais qu'il n'existe aucun procédé connu pour les éviter tous simultanément. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION La présente invention vise à pallier tous les inconvénients liés à l'utilisation d'une alimentation secteur et connus de l'état de la technique antérieur. Elle a précisément pour objet un procédé de protection contre les surintensités d'un transformateur d'alimentation secteur. Ce transformateur comporte un circuit primaire pouvant être connecté à un réseau de distribution d'énergie électrique et un circuit secondaire pouvant être connecté sur une charge électrique. Le réseau est normalement capable d' alimenter en permanence un dispositif électrique d'un utilisateur sous une première tension secteur alternative nominale avec un courant secteur alternatif ayant une intensité de crête inférieure à une première intensité secteur de crête nominale. Le transformateur est protégé contre les surintensités par déconnexion du circuit primaire du réseau de distribution d'énergie électrique quand l'intensité de crête du courant circulant dans le circuit primaire devient supérieure à une seconde intensité secteur de crete nominale, le procédé étant caractérisé en ce que - le circuit primaire est déconnecté du réseau de distribution d'énergie électrique quand, une seconde tension secteur alternative nominale étant supérieure à une troisième tension secteur alternative nominale, la première tension secteur alternative nominale est supérieure à la seconde tension secteur alternative nominale ou inférieure à la troisième tension secteur alternative nominale. - le transformateur est un transformateur ferro-résonnant. Le procédé est également caractérisé en ce que, une quatrième tension secteur alternative nominale étant supérieure à la troisième tension secteur alternative nominale et une cinquième tension secteur alternative nominale étant inférieure à la seconde tension secteur alternative nominale, la quatrième tension secteur alternative nominale étant inférieure à la cinquième tension secteur alternative nominale, le circuit primaire est connecté au réseau de distribution d'énergie électrique quand la première tension secteur alternative nominale est supérieure à la quatrième tension secteur alternative nominale ou inférieure à la cinquième tension secteur alternative nominale. La seconde intensité secteur de crête nominale et les seconde, troisième, quatrième et cinquième tensions secteur alternatives nominales sont réglables par 1' utilisateur. Ces grandeurs constituent des grandeurs de consigne , élaborées de façon à être indépendantes de la tension du réseau et de la température. Un autre aspect dè l'invention est un dispositif adapté à la mise en oeuvre du procédé. Ce dispositif électronique comprend trois modules: - un module interrupteur permettant de déconnecter le circuit primaire du transformateur d'alimentation du réseau de distribution d'énergie électrique. - un module de gestion du courant transmis par le réseau de distribution d'énergie électrique au circuit primaire du transformateur d'alimentation secteur, commandant le module interrupteur en fonction du courant transmis et de la seconde intensité secteur de crête nominale. - un module de gestion de la première tension secteur alternative nominale, commandant le module interrupteur en fonction de la première tension secteur alternative nominale et des deuxième, troisième, quatrième, et cinquième tensions secteur alternatives nominales. Le module interrupteur constitue une impédance variable, entre une valeur pratiquement nulle et une valeur pratiquement infinie, commandée par le module de gestion du courant transmis. Ceci permet, lors de la mise sous tension, de limiter le courant d'appel tout en permettant l'établissement du régime permanent. Les caractéristiques précédentes du procédé et du dispositif adapté à sa mise en oeuvre assurent à l'alimentation secteur qui l'utilise des avantages inconnus de l'état de la technique: - tous les avantages liés à l'usage d'un transformateur ferro-résonnant : régulation inhérente de la tension de sortie, fiabilité, faible coût. - maintien du transformateur ferro-résonnant dans un domaine tension-courant de fonctionnement optimal, ce qui contribue à augmenter sa fiabilité. - absence de perturbation transmise au réseau et utilisation du calibre de puissance strictement nécessaire au régime permanent. Ces caractéristiques satisfont aux contraintes imposées par les utilisateurs de téléalimentations, domaine où l'invention trouvera donc des applications industrielles privilégiées. L'invention sera 2 mieux comprise à l'aide de la description qui suit en référence aux dessins schématiques annexés, représentant une forme d'exécution préférée mais non limitative d'un dispositif adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et de son utilisation. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La Figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de protection d'un transformateur d'alimentation secteur contre les surintensités adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La Figure 2 montre le principe de la gestion tension-courant du procédé selon l'invention. La Figure 3 est un schéma de principe d'un dispositif adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La Figure 4 est un schéma électrique de téléalimentation utilisant un dispositif de protection du transformateur selon le procédé de l'invention. DESCRIPTION DES FORMES D'EXECUTION PREFEREES DE L'INVENTION Les références à la Figure 1 serviront à expliquer comment s'articulent les différent éléments de l'invention. Un transformateur ferro-résonnant (1) dont le circuit primaire (2) constitue l'impédance essentielle, vue du réseau de distribution d'énergie électrique (3) EDF (Monophasé 230 V 50Hz), d'un dispositif électrique (4) d'un utilisateur, délivre au secondaire (5) une tension alternative régulée de 48 volts pouvant alimenter une charge (6). La puissance nominale du transformateur étant importante ( 600 VA), le dispositif électrique (4) présente une forte impédance inductive produisant des appels de courant très importants lors de la mise sous tension et des microcoupures du réseau. Lors de transitoires lents du réseau, vers les hautes tensions, on peut approcher des points de saturation des éléments inductifs. De plus, le dispositif électrique (4) ne peut pas, en géneral, être considéré comme un composant passif mais comme un appareil complexe consommant une puissance constante et le courant augmente donc quand la tension diminue. La tension appliquée au primaire (2) et le courant sont donc contrôlés par le procédé de protection faisant l'objet de l'invention tel qu'il va maintenant être décrit en se référant à la Figure 2. Le réseau de distribution d'énergie électrique (3) est normalement capable d'alimenter un dispositif électrique (4) d'un utilisateur sous une tension secteur alternative nominale V1 (230 V ac) avec une intensité secteur de crête nominale I1 dépendant de la puissance souscrite au compteur et contrôlée par les disjoncteurs magnétothermiques placés en aval. Pour une raison d'économie liée aux méthodes de tarification de la distribution de l'électricité, la puissance souscrite doit être juste adaptée aux besoins en régime permanent. L'un des buts du procédé est donc de limiter l'intensité secteur de crête circulant dans le primaire (2) à une valeur I2 inférieure à Il de façon à ne pas provoquer le déclenchement des disjoncteurs pendant les démarrages de l'installation, les microcoupures et les transitoires lentes du réseau. Comme on peut le comprendre en se reportant à la Figure 2, où la courbe en gras représente le courant total absorbé par le primaire (2) (somme du courant de puissance et du courant magnétisant) en fonction de la tension appliquée, des anomalies de fonctionnement du réseau peuvent conduire la tension V1 à dépasser une valeur V2 (surtension) ou à devenir inférieure à une valeur V3 (surintensité) et donc entraîner le transformateur (1) dans un domaine tension-courant non-nominal susceptible de diminuer son rendement et sa fiabilité. Le procédé consiste donc à déconnecter automatiquement le primaire du transformateur (1) dès que l'intensité primaire est superieure à 12 ou dès que la tension secteur est inférieure à V3 ou supérieure à V2. La seconde intensité secteur de crête nominale I2 est préférentiellement de il A dans le cas d'un transformateur de 600 VA alimenté par le réseau EDF. Pour éviter les instabilités de fonctionnement du dispositif de protection, le transformateur ne peut être connecté automatiquement aprés déconnexion que si la tension secteur est supérieure à une tension V4, légèrement supérieure à V3, et inférieure à une tension V5, légèrement inférieure à V2. Cela assure aussi l'enclenchement du transformateur ferro-résonnant dans des conditions de tension optimales, propres à éviter les auto-oscillations. La tension V4 est préférentiellement sensiblement égale à V1 moins 20 % et la tension V5 sensiblement égale à V1 plus 15 %. Dans le cas du transformateur faisant l'objet de cette description, les valeurs suivantes donnent de bons résultats: ( tension secteur V1 = 230 V ac) V2 = 270 V ac V3 = 170 V ac V4 = 180 V ac V5 = 266 V ac La connexion/déconnexion automatique en fonction du courant et de la tension secteur est réalisée par un dispositif électronique dont le fonctionnement va être précisé en se référant de nouveau à la figure 1. Ce dispositif électronique comporte trois modules (7)(8)(9): -un module interrupteur (7). Celui-ci est composé de commutateurs électroniques dimensionnés pour tenir les crêtes de puissance lors des transitoires du réseau. Il présente trois états de fonctionnement : interrupteur ouvert, impédance variable, interrupteur fermé. Ces états sont commandés par le module de gestion (8) du courant transmis et par le module de gestion (9) de la tension secteur. Ils dépendent donc des conditions d'environnement. - un module de gestion (8) du courant transmis. Ce module est composé d'un système de lecture du courant traversant l'interrupteur (7). Cette lecture est appliquée à un système de comparaison avec une grandeur de consigne, représentant l'intensité de crête nominale I2, indépendante de la tension réseau et de la température. Ceci garantit toujours le même courant crête transmis à l'utilisation quelles que soient les conditions aval, amont, de température. La traduction de la lecture de ce courant vient moduler en impédance variable l'interrupteur (7). -Un module de gestion (9) de;la tension réseau. Une image de la tension réseau V1 est transmise à un ensemble de détection de niveau. Un ordre de blocage est transmis à l'interrupteur lorsque V1 sort de l'intervalle EV3,V2]. Un ordre de déblocage est transmis quand V1 revient dans l'intervalle EV4,V5]. Les modules (7)(8)(9) sont rassemblés dans un boîtier (10) intégrable dans un équipement existant (11), où il peut se fixer par vis autotaraudeuses. De façon plus détaillée, la Figure 3 montre que les trois modules (7)(8)(9) sont alimentés par un transformateur abaisseur de tension (12) dont le primaire (13) est relié au secteur (3). La tension issue du secondaire (14) est classiquement redressée par des diodes et filtrée par un condensateur (15), puis stabilisée par un régulateur de tension (16). Deux circuits comparateurs (17)(18) comparent la tension aux bornes du condensateur (15), qui n'est pas stabilisée et est donc sensiblement proportionnelle à la tension secteur, à la tension présente aux bornes d'une diode de référence de tension (19). Le module interrupteur (7) comportent trois transistors MOS-FET (20)(21)(22) de puissance, en série chacun avec une résistance (23)(24)(25), connectés en parallèle. Cette disposition permet de commuter la forte intensité du courant secteur circulant entre l'entrée (3) du limiteur et sa sortie (26). De façon à respecter la polarité des transistors, les diodes (27)(28)(29)(30) commutent chacune des alternances de manière appropriée. Les tensions aux bornes des résistances (23)(24)(25) sont sommées par les résistances (31)(32)(33) pour constituer une lecture de l'intensité transmise et appliquées au module de gestion du courant (8). Le signal de sortie (34) du module de gestion de courant transmis et le signal de sortie (35) des circuits comparateurs sont appliqués par l'intermédiaire d'un OU logique à résistances aux grilles de commande des transistors MOS-FET (20)(21)(22). Ce dispositif a été choisi pour équiper ,en particulier, une téléalimentation à régulation magnétique pour réseaux de vidéocommunications qui sera maintenant décrite en se référant à la Figure 4. Le dispositif limiteur de courant (10) se place en aval du fusible (36) de protection secteur et du disjoncteur (37), et en amont du transformateur ferro-résonnant (1). La charge (6) se connecte au secondaire (5) du transformateur par l'intermédiaire de fusibles de protection supplementaires (38)(39)(40)(41) grâce à des borniers ou connecteurs coaxiaux (42)(43)(44)(45). L'ensemble est complété par une prise de maintenance (46), pourvue d'un fusible (47). La téléalimentation est protégée contre la foudre par un parafoudre (48) et des écrêteurs (49). Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution du dispositif de protection d'un transformateur d'alimentation sécteur adapté à la mise en oeuvre du procédé , ni à sa seule application aux téléalimentations à régulation magnétique, décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisations. REVENDI CATI ONS 1) Procédé de protection contre les surintensités d'un transformateur (1) d'alimentation secteur comportant un circuit primaire (2), pouvant être connecté à un réseau de distribution d'énergie électrique (3) capable d' alimenter normalement en permanence un dispositif électrique (4) d'un utilisateur sous une première tension secteur alternative nominale avec un courant secteur alternatif ayant une intensité de crête inférieure à une première intensité secteur de crete nominale, et un circuit secondaire (5) pouvant être connecté sur une charge électrique (6), procédé consistant à déconnecter ledit circuit primaire (2) dudit réseau de distribution d'énergie électrique (3) quand l'intensité de crête du courant circulant dans ledit circuit primaire devient supérieure à une seconde intensité secteur de crête nominale, procédé caractérisé en ce que -ledit circuit primaire (2) est également déconnecté dudit réseau de distribution d'énergie électrique (3) quand, une seconde tension secteur alternative nominale étant supérieure à une troisième tension secteur alternative nominale, ladite première tension secteur alternative nominale est supérieure à ladite seconde tension secteur alternative nominale ou inférieure à ladite troisième tension secteur alternative nominale. -ledit transformateur (1) est un transformateur ferro-résonnant. 2) Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que, une quatrième tension secteur alternative nominale étant supérieure à ladite troisième tension secteur alternative nominale et une cinquième tension secteur alternative nominale étant inférieure à ladite seconde tension secteur alternative nominale, la quatrième tension secteur alternative nominale étant inférieure à la cinquième tension secteur alternative nominale, ledit circuit primaire (2) est connecté audit réseau de distribution d'énergie électrique (3) quand ladite première tension secteur alternative nominale est supérieure à ladite quatrième tension secteur alternative nominale ou inférieure à ladite cinquième tension secteur alternative nominale. 3) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite seconde intensité secteur de crête nominale et lesdites seconde, troisième, quatrième et cinquième tensions secteur alternatives nominales sont réglables par ledit utilisateur. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite seconde intensité secteur de crête nominale est inférieure à ladite première intensité secteur de crête nominale et est préférentiellement de 11 A. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite quatrième tension secteur alternative nominale est sensiblement égale à ladite première tension secteur alternative nominale moins 20% et ladite cinquième tension secteur alternative nominale sensiblement égale à ladite première tension secteur alternative nominale plus 15%. 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites première, seconde, troisième, quatrième et cinquième tensions secteur alternatives nominales sont sensiblement égales à respectivement 230 Vac, 270 Vac, 170 Vac, 180 Vac, 266 Vac. 7) Dispositif (10) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend trois modules électroniques (7)(8)(9): - un module interrupteur (7) permettant de déconnecter ledit circuit primaire (2) dudit transformateur (1) d'alimentation dudit réseau de distribution d'énergie électrique (3). - un module de gestion (8) -du courant transmis par ledit réseau de distribution d'énergie électrique (3) audit circuit primaire (2) dudit transformateur (1) d'alimentation secteur, commandant ledit module interrupteur en fonction dudit courant transmis et de ladite seconde intensité secteur de crête nominale. - un module de gestion (9) de ladite première tension secteur alternative nominale, commandant ledit module interrupteur en fonction de ladite première tension secteur alternative nominale et desdites deuxième, troisième, quatrième, et cinquième tensions secteur alternatives nominales. 8) Dispositif (10) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit module interrupteur constitue une impédance variable commandée par le module de gestion (8) du courant transmis. 9) Dispositif (10) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le module interrupteur (7) comprend un transistor MOS-FET de puissance. 10) Dispositif de téléalimentation (11) comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9.