Brevet FR2707055A1 — publié le 19941230

La présente invention concerne un générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge et à haut rendement, destiné l'informatique, à l'éclairage de secours ,aux applications domestiques et à la conversion de l'énergie électrique. Dans des appareils analogues du commerce, on trouve des onduleurs pour informatique dont la puissance électrique est limitée à celle de leur transformateur. Or un équipement informatique ou un automate industriel a de nombreux condensateurs ou capacité de filtrage pour leur alimentation interne. Il se crée à leur mise sous tension, un courant d'appel pouvant attendre plusieurs fois leur courant nominal, et il en résulte une baisse de la tension alternative de l'onduleur pendant un temps non négligeable. Ceci crée une perturbation pour d'autres appareils déjà alimentés par le même onduleur. Dans le cas de l'éclairage par lampes à incandescence, la résistance du filament à froid est très faible par rapport à sa valeur nominale, à chaud. I1 en résulte un appel très important de courant à la mise sous tension de ces lampes et une baisse de la tension de l'onduleur. L'utilisateur est obligé d'utiliser leur onduleur nettement en dessous de sa puissance nominale. L'appareil selon l'invention permet de rémédier à cet inconvénient en fournissant une puissance instantanée qui dépasse largement la puissance nominale du transformateur. Il empêche la saturation du fer du transformateur quand il y a une surcharge. L'électronique de puissance de l'onduleur mesure en permanence le courant dans le primaire du transformateur et dès qu'il atteint une valeur considérée comme le courant de saturation, l'électronique réagit pour inverser le sens du champ magnétique dans le fer du transformateur. ll en résulte que le fer ne sera pas saturé. Ainsi pendant la surcharge, l'action de l'électronique se traduit par une augmentation de la fréquence du flux magnétique alternatif dans le transformateur. Cette opération dure jusqu'à la disparition de la surcharge. Pendant la durée de la surcharge, l'électronique augmente la fréquence de travail du transformateur, mais ne modifie pas sensiblement la tension du secondaire parce que la tension du primaire est restée la même et que le fer n'est pas saturé. il en résulte une augmentation de la puissance du transformateur grâce à une fréquence d'inversion de flux magnétique plus grande. Après la surcharge l'onduleur retrouve alors sa fréquence nominale qui est voisine de la fréquence du secteur: 50 ou 60 Hertz suivant le pays. La figure 1 représente un cas de réalisation d'un onduleur selon l'invention La source d'énergie est une batterie ou un générateur de tension continue à faible résistance interne. La tension alternative est obtenue en commandant alternativement les transistors MOS de sortie Ta et Tb par l'horloge ou l'oscillateur de l'onduleur à travers des portes logiques. Le signal de l'horloge est un signal carré symétrique, c'est à dire son niveau haut a la même durée que son niveau bas. Ce signal commande le transistor Ta à travers des portes logiques et son signal complémentaire le transistor Tb . La fréquence de l'horloge est la même que la fréquence de la tension alternative fournie par l'onduleur L'horloge a une fréquence nominale voisine de la fréquence du secteur et définie par la constante de temps RlxC, soit 50 (ou 60 Hertz pour certains pays). En cas de surcharge détectée par le transistor Tc et le bascule bascule de type RS, une résistance R2 est branchée automatiquement en parallèle avec la résistance R1 grâce à 1' optocoupleur OPT. Si la résistance R2 est huit fois plus petite que la résistance R1, la constante de temps de l'horloge qui définit la période est divisée environ par huit; il en résulte la fréquence de l'oscillateur est multipliée par huit et devient 400 Hz. Nous obtenons ainsi une puissance en cas de surcharge huit fois plus importante que la puissance nominale du transformateur. L'électronique comprend essentiellement trois parties: -le générateur de tension constante ou une batterie. -le contrôleur du courant dans le primaire du transformateur. -l'horloge interne de l'onduleur pour contrôler la fréquence d'inversion du flux magnétique permettant d'obtenir une surpuissance en cas de surcharge. Le générateur de tension constante est basé sur la technique de régularisation par hachage haute fréquence (de l'ordre de 30 KHz) du courant dans une self inductance. La stabilité de la tension est de l'ordre de 1%.. La tension de sortie est de 13 Volts. Ce générateur de tension électronique peut être remplacé par une batterie de 13 Volts et pouvant fournir un courant de pointe d'environ 100 Ampères. La mesure du courant dans le primaire du transformateur se fait en mesurant la tension au bornes de la résistance de puissance R de 10 milliohm. Le transistor Tc sert de comparateur de tension car il a une tension de seuil de 0,6 volts entre sa base B et son émetteur E. Ce transistor ne devient conducteur quand la tension aux bornes de la résistance R dépasse 0,6 volts, ceci correspond à un courant Imax de 60 ampères dans le primaire du transformateur. Le dépassement de ce courant entraîne automatiquement l'inversion du champ magnétique; ainsi le fer ne peut pas se saturer. Dans un cas particulier de réalisation le transistor Tc est remplacé par un circuit intégré comparateur de tensions . Le seuil du transitor de 0,6 est remplacé par une tension de référence thermiquement plus stable, donnée par une Zener suivi d'un diviseur potentiométrique. On peut admettre que le transformateur commence à se saturer si le courant dépasse de 10% le courant nominal donné par le contructeur. Le transformateur Test réalisé avec des tôle de la qualité 0,6 watts. Dans le cas particulier de réalisation de la figure 1, au début de chaque transition de l'horloge le bascule RS est réarmé pour autoriser le passage du courant dans les transistors de de puissance qui alimente le primaire du transformateur. Ce bascule ne change pas d'état si le courant ne dépasse pas Imax. En cas de surcharge entraînant le dépassement de la valeur Imax, l'électronique coupe alors le courant et augmente en même temps la fréquence de l'horloge interne jusqu'à environ 400 Hz pour accélérer l'inversion du flux magnétique. Selon la figure 1 , l'électronique coupe la courant dans le sens de la saturation du fer quand ce dernier atteint la valeur du courant de saturation, grâce au bascule RS .I1 en résulte une amélioration du rendement en cas de surcharge par rapport aux onduleurs traditionnels. Dans le cas de la figure 1 le primaire P est une bobine à point milieu : il est partagé en deux bobines électriquement identiques. Le point millieu est relié à la source de tension, les extrémités du primaire sont reliées aux transistors Mos de commutation Ta et Tb, qui sont commandés alternativement. Dans le cas de la figurel l'horloge de l'onduleur qui inverse le sens du champ magnétique dans le fer est une horloge à deux fréquences. La petite est la fréquence nominale, dont la valeur est réglée voisine de 50 Hertz ou 60 dans certains pays. La grande ne sert qu'en cas de surcharge, sa valeur est d'environ 400 Hertz .Cette dernière fréquence peut être différente, elle est à fixer par le contructeur de l'onduleur, en tenant compte des caractéristiques et des possibilités du transformateur utilisé. Dans un cas particulier de réalisation non représenté, le primaire du transformateur est une bobine unique commandée en mode bipolaire grâce à quatre commutateurs. Dans un cas particulier de réalisation le courant débité par la source de tension est mesuré grâce à un élément à effet Hall placé dans le champ magnétique créé par ce courant. La résistance R est supprimée. Ceci permet de supprimer la perte ohmique de tension sur la résistance R et d'améliorer ainsi le rendement de l'onduleur. Dans un cas particulier de réalisation, un temporisateur, non représenté, couplé au bascule RS commande la mise en marche d'une ventilation si la surcharge se prolonge. En effet si la puissance du transformateur a augmentée grâce à une augmentation de fréquence de travail en cas de surcharge, la puissance perdue dans le fer par hystérésis augmente également avec la fréquence. Dans un cas particulier de réalisation le transformateur de l'onduleur possède une bobine qui permet de mesurer la tension alternative donnée par le transformateur au secondaire. Si cette tension baisse en dessous d'une certaine valeur malgré l'augmentation de fréquence de l'onduleur, un signal d'alarme est émis . Ce signal peut être utilisé pour couper l'alimentation de l'onduleur ou faire un délestage de certains utilisateurs non prioritaires. La presente Invention est partlcullerement destmee aux equlpements mtormatlques ou bureautiques, aux appareils d'éclairage par incandescence ou par tube à gaz, à la télévision et appareils annexes, appareils électroménagers à moteur universel (aspirateurs,...) et aux applications de convertion d'énergie. La mesure du courant dans le circuit primaire du transformateur se fait en mesurant la chute de tension aux bornes d'une résistance, insérée dans le circuit du primaire. Le primaire du transformateur est une bobine à point milieu commandée alternativement par des transistors bipolaires ou MOS : Ta et Tb. Le générateur statique possède un dispositif économiseur d'énergie qui coupe le courant des transistors de puissance qui aliment le primaire, jusqu'à la prochaine alternance de la tension alternative si le courant Imax autorisé est dépassé. Les fonctions logiques décrites sont générées par microprocesseur ou par des composants programmables. REVENDICATIONS 1) Générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge et à haut rendement caractérisé en ce qu'il empêche la saturation du fer du transformateur dans un sens donné du champ magnétique en inversant ce sens quand le courant dans le primaire du transformateur dépasse une valeur fixée à l'avance. 2) Générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge, selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mesure du courant dans le primaire du transformateur se fait en mesurant la chute de tension aux bormes d'une résistance ,insérée dans le circuit du primaire. 3) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du courant injecté dans le primaire du transformateur, se fait grâce à un élément à effet Hall sensible au champ magnétique créé par ce courant 4) Générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge, selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'en cas de surcharge la fréquence de la tension alternative de l'onduleur augmente à partir de sa valeur nominale qui est de voisine de 50 Hertz (ou 60 Hertz pour certains pays). Lorsque la surcharge a disparu cette fréquence reprend sa valeur nominale. 5)Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le primaire du transformateur est une bobine à point milieu commandée alternativement par des transistors bipolaires ou MOS: Ta et Tb. 6) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il possède un dispositif économiseur d'énergie qui coupe le courant des transistors de puissance qui alimentent le primaire, jusqu'à la prochaine alternance de la tension alternative si le courant Imax autorisé est dépassé. 7) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il possède un dispositif qui met en marche une ventilation lorsqu'il y a une surcharge prolongée. 8) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'un signal d'alarme est émis si malgré l'augmentation de fréquence en cas de surcharge la tension au secondaire du transformateur reste en dessous d'une certaine valeur fixée à l'avance. 9)Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les fonctions logiques décrites sont générées par microprocesseur ou par des composants programmables.