Brevet FR2761564A1 — publié le 19981002

Les lampes à décharge utilisées trés généralement pour l'éclairage public sont alimentées classiquement par le réseau d'énergie au travers d'inductances appelées ballasts. L'éclairement et la puissance de ces lampes sont fortement influencés par la tension du réseau d'énergie. De plus. on observe une corrélation défavorable entre les besoins en éclairement culminant dans la soirée lorsque la circulation est la plus forte, et la consommation d'énergie dont la pointe est coïncidente. La tension du réseau est alors la plus faible et le niveau d'éclairement est le plus bas. Au cours de la nuit, pendant les "heures creuses", la tension du réseau rejoint sa limite supérieure, il lui correspond donc avec, les dispositifs classiques utilisés en Éclairage Public un niveau d'éclairement maximal, alors que le trafic, le confort des riverains, et les économies d'énergie impliquent un niveau d'éclairement réduit. Il en résulte un important gaspillage de l'énergie électrique. Sur un autre plan, il est maintenant reconnu que la fréquence de 50 Hz du réseau électrique est trop faible pour assurer le maintien de l'ionisation de l'arc qui est alors interrompu et réamorcé deux fois par période, soit 100 fois par seconde. Le réamorçage est obtenu par une pointe de tension qui provoque le vieillissement principal des lampes alors que les oscillations d'éclairement engendrent un effet stroboscopique, source de fatigue visuelle. En alimentant l'arc par un courant de moyenne fréquence, ces inconvénients sont supprimés et la durée de vie de la lampe est fortement accrue. Dans l'état actuel de l'art, des constructeurs apportent des solutions à ces divers inconvénients. Certains constructeurs proposent de réguler la tension d'alimentation d'un groupe de candélabres en interposant à la sortie du réseau de distribution d'électricité un autotransformateur piloté par un dispositif électromécanique et délivrant une tension égale à la consigne affichée. Cette disposition rend le fonctionnement du groupe de candélabres alimentés par des ballasts classiques indépendant des variations du réseau, et permet donc une économie d'énergie significative. Cependant les transitoires rapides et les ondes de surtension sont transmises. L'alimentation des lampes s'effectue sous 50 Hz. La stroboscopie subsiste. Les perturbations émises par les ballasts sont transmises au réseau de distribution d'électricité. D'autres constructeurs préconisent de remplacer les ballasts classiques par des appareils électroniques alimentant la lampe en courant de moyenne fréquence sous une tension réglée et indépendante des fluctuations du réseau. La consigne est donnée aux régulateurs par un signal d'ordre sur porteuse transmise par le réseau d'énergie du groupe de candélabres équipés de ces appareils. Cette solution a l'avantage d'accroître la longévité des lampes et de réaliser des économies d'énergie. Cependant chaque appareil doit répondre aux normes européennes notamment prélever au réseau un courant à taux d'harmonique limité et résister aux ondes de choc suivant la classe normative. L'objet de la présente invention est d'alimenter m groupe de lampes situées à l'aval d'un point de raccordement au réseau d'énergie par une Unité Centrale qui l'isole galvaniquement du réseau et transmet aux générateurs associés aux lampes une tension continue d'alimentation indépendante des fluctuations du réseau et variable suivant une consigne de puissance. Unité Centrale prélevée au réseau avec un faible taux d'harmonique un courant sinusoïdal en phase. Les générateurs fournissent aux lampes un signal électrique périodique de fréquence hypersonique qui accroît de façon significative la durée de vie des lampes. Les figures 1, 2 et 3 représentent des systèmes utilisant les procédés décrits ci-dessus, dans l'ordre de la description. La figure 1 représente un systéme réalisé suivant un procédé utilisant une régulation électromécanique 1 1 est l'armoire de commande, 12 le régulateur électromécanique comprenant: 121 le transformateur variable, 122 le servomoteur, 124 le dispositif horaire, 123 le dispositif d'asservissement. 13 la ligne d'alimentation du groupe d'appareil, 14 un appareil alimentant une lampe, comprenant: 141 un ballast, 142 un amorceur, des connecteurs et protections. Le fonctionnement est le suivant: le dispositif d'asservissement 123 agit sur le servomoteur 122 de telle sorte que la tension de la ligne 13 soit voisine de la valeur de consigne fixée par le dispositif horaire 124. La figure 2 représente un système réalisé avec des appareils électroniques alimentés par le réseau et fournissant à la lampe un courant moyenne fréquence: 21 est l'armoire de commande, 22 un émetteur de signaux sur porteuse comprenant: 221 les circuits d'émission, 222 le dispositif horaire, 23 est la ligne d'alimentation du groupe d'appareils, 24 est un appareil électronique alimentant une lampe comprenant les blocs fonctionnels suivants: 241 protection contre les ondes de choc, 242 récepteur de porteuse, 243 filtre de fréquence de travail, 244 redresseur, 245 filtre actif (compensation des harmoniques de courant), 246 régulateur de puissance, 247 oscillateur, 248 amorceur, Le fonctionnement est le suivant : la ligne 23 est la continuation de la ligne d'énergie. En l'absence de signal provenant de l'émetteur 21, les lampes fonctionnent à leur puissance nominale, indépendamment des variations de tension du réseau. Suivant programme horaire fixé par le dispositif horaire 222, l'émetteur 22 émet un signal, les lampes fonctionnent suivant une puissance réduite préprogrammée dans le régulateur 246. La figure 3 représente un système suivant l'invention: 31 est l'armoire de commande, 32 I'unité centrale comprenant les blocs fonctionnels suivants: 321 protection contre les ondes de choc, 322 filtre de fréquence de travail, 323 redresseur, 324 filtre actif pour prélèvement de courant sinusoïdal et en phase, 325 démarrage donc 326 isolement galvanique du circuit de sortie, 327 stockage et régulation de puissance, 328 protection coupure de ligne et court circuit, 329 dispositif horaire, 33 la ligne d'alimentation du groupe des générateurs. 34 générateur alimentant une lampe comprenant: 341 oscillateur, 342 amorceur. Le fonctionnement est le suivant : la ligne 13 est alimentée en tension continue par une source galvaniquement isolée du réseau. Le régime de terre peut être librement fixé pour assurer la meilleure sécurité. Suivant programme horaire fixé par le dispositif horaire 329 les lampes fonctionnent suivant l'une des 3 puissances préprogrammées dans le régulateur 327. D'aprés le schéma de la figure 3, on voit que les courants rejectés par les générateurs 34 dans la ligne 33 sont internes au système. Ils n'ont à répondre aux normes que pour les perturbations rayonnées. Les oscillateurs de relaxation à rampe du type utilisé dans les générateurs sont naturellement très peu rayonnants et des précautions connues permettent d'assurer une conformité aux nDrmes. La réalisation des générateurs est donc particulièrement simple et fiable. La figure 4 donne à titre d'exemple, un schéma simplifié d'un générateur 34. I et 2 sont des condensateurs, 3 un transformateur de primaire 31 et secondaires 32 et 33, 4 un condensateur de rampe, 5 une self inductance à enroulement auxiliaire, 6 et 7 sont des commutateurs, 8 et 9 des résistances de mesure de l'intensité, 10 et 11 des circuits à seuils de courant, 2 un multiplicateur de tension, 13 un condensateur haute tension, 14 un thyristor, 13 une base de temps. Le fonctionnement de l'oscillateur est celui d'un oscillateur de relaxation push- pull série fournissant un signal symétrique trapézoïdal. Les circuits à seuils de courant 10 et 11 bloquent alternativement les commutateurs 6 et 7, décidant ainsi de la fréquence d'oscillation. Alimenté par un signal de fréquence hypersonique, le circuit de l'arc se comporte, en régime établi, comme une résistance dont la valeur est fonction de la puissance. L'état de l'arc est thermiquement instable. La stabilité du circuit est rétablie par l'impédance de l'inductance. D'autre part, I'efficacité lumineuse de la lampe dépend de la forme du signal tension appliqué à l'arc. Il existe donc un algorithme optimum reliant la tension d'alimentation de l'oscillateur et la valeur des seuils de courant. Cet algorithme est obtenu en déterminant les valeurs d'un pont d'impédance situé dans chaque circuit seuil de courant 10 et 11, de manière à obtenir la stabilité de fonctionnement et la meilleure efficacité lumineuse dans la gamme de puissances utilisées. Grâce à ce dispositif, la valeur de la tension de la ligne 33 détermine la puissance absorbée par la lampe et assure la répartition de la puissance fournie par l'Unité Centrale entre les différents générateurs du Groupe. Le fonctionnement de l'amorceur est le suivant : lors du démarrage, le multiplicateur 12 charge le condensateur 13. Le thyristor 14 décharge le condensateur 13 à travers l'enroulement auxiliaire de la self inductance, provoquant une impulsion de haute tension aux bornes de la lampe. Dans le cadre de l'invention, nous décrivons une Unité Centrale répondant aux caractéristiques définies précédemment: - isolement galvanique entre le réseau d'énergie et la ligne 33 des lampes. - fourniture d'une tension continue indépendante de la tension du réseau, variable suivant une consigne de puissance. Les montages décrits permettent d'obtenir d'une manière simple et sure un prélèvement de courant sinusoïdal en phase avec la tension, répondant aux conditions normatives concernant les harmoniques de courant. Ces avantages sont obtenus en tenant compte des caractères spécifiques de l'utilisation puissance nominale définie lors de l'installation - démarrage à vide - montée progressive en puissance - transitions lentes entre les régimes. La figure 5 fournit un schéma simplifié des circuits principaux de unité Centrale: I est un filtre de protection contre les ondes de choc d'un type connu, 2 un filtre passe-bas arrêtant la rejection des courants de moyenne fréquence vers le réseau, 3 un pont redresseur, 4 le circuit principal est un circuit de type connu sous le nom de fly-back, 41 le primaire d'un transformateur à entrefer qui a pour secondaire 42, 45 un commutateur de puissance, 46 une diode rapide de puissance, 47 un condensateur de stockage, 48 une diode rapide, 49 un condensateur, 410 un bloc fonctionnel commandant le commutateur 45, 411 un bloc fonctionnel fixant la consigne de puissance, 5 un circuit auxiliaire appelé récupérateur de fuite du même type que le circuit 4, 51 le primaire d'un transformateur à entrefer qui a pour secondaire 52, 53 un commutateur de puissance, 54 et 55 sont des diodes rapides, 56 un condensateur de stockage, 57 une résistance de dissipation, 58 un bloc fonctionnel commandant le commutateur 53. Le fonctionnement est le suivant . la self inductance du primaire 41 et le rapport de transformation des enroulements 41 et 42 sont calculés de telle sorte que dans toute la gamme de puissance utilisée, le commutateur 45 passe en conduction à courant nul. A cette condition, dite "de commutation à courant nul", le courant moyen ih sur une période, à la fréquence de travail du montage, voisine de 15 kHz est donné par la formule: 1)ih = 1 utc tc 2 L T Dans cette formule: est le courant moyen sur la période d'horloge T. u est la valeur instantanée de la tension du réseau. L est la self inductance du primaire 41. t0 est le temps de conduction du commutateur 45. T est la période d'horloge du bloc fonctionnel 410. L'action du filtre passe-bas 2 assure un courant instantané i prélevé au réseau pratiquement égal à la valeur moyenne ih du courant pendant la période d'horloge. La formule 1) montre que, si les durées des temps t0 et T sont constantes, le courant instantané du réseau est proportionnel à la tension instantanée. 2) i = R avec 3) 2LT toc 2 Vu du réseau, le régulateur se comporte comme une résistance, ne générant pas d'harmoniques de courant et assurant un facteur de puissance égal à l'unité. D'autre part, L'énergie prélevée pendant le temps de conduction est transmise aux pertes près au circuit secondaire. Le dispositif impose donc une puissance instantanée indépendamment des conditions aval, tant que la condition de commutation à courant nul est respectee. La puissance instantanée est donnée par la formule: 1 utc 4) 1 U2 f,2 - 2L T si la tension du réseau est sinusoïdale, la puissance moyenne est: 5) W= I VZ t,2 2L T V étant la tension efficace du réseau. Dans le cadre de l'invention nous décrivons un montage appelé "compensateur de tensions compris dans le bloc fonctionnel 410, qui assure une puissance moyenne indépendante des variations de la tension du réseau en établissant la relation 6) V2 tw = KZ K étant une constante La figure 6 décrit une réalisation simplifiée du montage compensateur de tension. Dans la figure 6: 1 est le pont redresseur représenté en 3 sur la figure 5, 2 une porte de crête, 3 un condensateur de stockage, 4 une résistance de forte valeur, par exemple 50 kQ, 5 un condensateur de faible valeur, par exemple 20 nF, 6 un circuit de décharge du condensateur 3 activé pendant la deuxième phase de l'horloge, 7 un transistor de décharge, 8 une référence de tension de quelques volts, 9 un circuit comparateur interdisant la conduction quand la tension du condensateur 3 atteint la référence 8, 10 un circuit autorisant la conduction du commutateur 45 de la figure 5. Le fonctionnement est le suivant: la porte de crête 2 d'un type connu charge le condensateur 3 à la valeur de crête du signal de tension du réseau, qui est une image satisfaisante de la valeur efficace V de la tension du réseau dans les limites pratiques de la distorsion du signal de tension du réseau. Le condensateur 5 est déchargé à chaque période d'horloge. Le temps de chargement tch du condensateur 5 à la valeur définie par la référence 8 est inversement proportionnel à la tension du condensateur 3, donc à la valeur V de la tension efficace du réseau K 7) tca = V V Le commutateur 45 est commandé pendant le temps de chargement du condensateur, 8) tc = tch Nous avons donc: 9) tc V relation équivalente à la relation 6. La relation 5 montre que la puissance moyenne fournie par le montage est une fonction inverse de la période d'horloge T. Dans le cadre de l'invention, nous décrivons un procédé permettant à Unité Centrale de fournir d'une manière simple et fiable une puissance fixée par une consigne. La période d'horloge comporte deux phases représentées sur le diagramme de la figure 7. Dans la figure 7: - tu est un temps de durée constante au cours duquel est autorisé le fonctionnement du commutateur 45 de la figure 5. - td est un temps variable. La période T est la somme de ces deux durées. 10) T=tu +td La durée tu est la limite maximum de la valeur du temps de commutation tc. Elle impose une valeur minimum U de la tension efficace du réseau pour laquelle la relation 6) est assurée. Cette tension correspond par exemple à la tension du réseau moins 12 %. En dessous de cette valeur de tension la puissance transmise décrit. Un seuil de tension, situé dans le bloc fonctionnel 410 interdit le fonctionnement en dessous d'un seuil de tension, par exemple 180V. Lorsque la tension du réseau est au dessus de ut ,., I'Unité Centrale doit pouvoir fournir la puissance correspondante à la consigne maximum. Grâce au montage compensateur de tension décrit ci-dessus, l'énergie prélevée à chaque période au réseau sera constante. Le temps tv de vidange de cette énergie dans le circuit secondaire est donné par la formule: Dans cette formule: tv est le temps de vidange, tc est le temps de conduction, nl est le nombre de spires du primaire 51, n2 est le nombre de spires du secondaire 52, u est la valeur instantanée de la tension du réseau, U5 est la tension de sortie de l'Unité Centrale. La valeur maximum de tv est obtenue lorsque u atteint sa valeur de crête. Pour obtenir le rendement maximum des composants technologiques du montage, nous conviendrons d'établir la relation: 12) tv,,,,, = te Nous obtenons en partant dans la relation 11 V étant la valeur efficace de la tension nominale du réseau. La relation 12) devant être respectée dans toute la gamme de tension fixée, il apparaît que, pour respecter la condition de commutation à courant nul, la période minimum de l'horloge doit être: 14) TM N = 2t5 Dans le cadre de l'invention, la figure 8 décrit un dispositif simple et sûr constituant l'horloge du bloc fonctionnel 410 permettant d'introduire la consigne de puissance. Dans la figure 8: Sest une source de tension continue d'environ 40 V, lest un montage fournissant plusieurs tensions stabilisées de l'ordre de 4 à 12 V représentant la consigne de puissance, 2 une constante de temps temporisant la variation de tension sur plusieurs minutes, 3 un montage transformant la tension en courant de quelques milliampères, 4un montage source d'un courant ic fonction linaire de la consigne, de valeur nominale environ 20 mA, 5un condensateur de faible valeur par exemple 20 nF, 6 un diac, ayant un seuil d'avalanche d'environ 30 V, 7une temporisation de durée constante tu de, par exemple, 30 microsecondes, 8 un montage inverseur, 9 un transistor déchargeant le condensateur 5, H le signal de l'horloge de bloc fonctionnel 410. Le fonctionnement est le suivant : le condensateur 5 est chargé par le courant issu du montage 4 jusqu'à ce que sa tension atteigne le seuil du diac 6. L'impulsion du diac déclenche la temporisation 7. La durée constante tu de cette temporisation est un temps pendant lequel la commutation est autorisée. Pendant cette durée, le condensateur 5 est déchargé et maintenu dans cet état. Le temps de charge du condensateur 5 jusqu'au seuil du diac est un temps td inversement proportionnel au courant c issu de la source S. Dans le fonctionnement du système suivant l'invention décrit dans la figure 3, le dispositif 325 de démarrage doux et le dispositif horaire 329 modifient la période T pour fournir la puissance de consigne pendant les régimes transitoires et suivant les tranches horalres programmées. Nous remarquerons que la durée des régimes transitoires est très grande devant la période du réseau de telle sorte que l'hypothèse faite ci-dessus de la constance de tc et T est suffisamment respectée. Dans certaines circonstances, par exemple un accident sur une lampe du groupe, la puissance imposée ne peut être absorbée. La tension secondaire atteint un seuil de sécurité dont la valeur est acceptable. Un montage connu permet de modifier la consigne pour continuer l'exploitation jusqu'au rétablissement de la situation originelle. La figure 9 montre à titre d'exemple un tel montage: Dans la figure, 1 est le secondaire 42 de la figure 5, 2 la diode 46 de la figure 5, 3 le condensateur 47 de la figure 5, 5 une résistance d'environ 100 kR, 6 un coupleur opto-électronique, 71e montage 3 de la figure 8. Le fonctionnement est le suivant : lorsque la tension continue de sortie U, atteint une valeur programmée, le coupleur 6 transmet un signal de diminution de la consigne. Ce montage assure un fonctionnement stable et permet la marche à vide. Dans d'autres circonstances, notamment un court-circuit accidentel dans la ligne alimentant le groupe de lampes, la condition de "commutation à courant nul" n'est plus remplie. L'exploitation du système doit être interrompue jusqu'à disparition du défaut. Dans le cadre de l'invention, un montage assure la sécurité du système en n'autorisant la mise en commutation du commutateur 45 de la figure 5 que si la condition de "commutation à courant nul" est préalablement remplie. La figure 10 permet de comprendre le fonctionnement de ce montage. Dans la figure 10: 1 est le secondaire 42 de la figure 5, 2 la diode 46 de la figure 5, 3 le condensateur 47 de la figure 5, 4 une diode haute tension, 5une résistance d'environ 100 kQ, 6 un coupleur opto-électronique, 71e circuit 10 de la figure 6 autorisant la conduction au commutateur 45 de la figure 5 lorsque le coupleur 6 est conducteur, 8 un montage inverseur, 91e circuit 3 de la figure 8. Le fonctionnement est le suivant : tant que la condition de commutation à courant nul n'est pas remplie, le coupleur 6 ne donne pas au circuit 10 I'autorisation de conduction. Si la condition est remplie pendant la première phase de la période de l'horloge, la conduction a lieu jusqu'à l'ordre d'arrêt donné par le circuit comparateur 7 de la figure 6. En conséquence, le temps de conduction est réduit ainsi que la puissance injectée dans le circuit jusqu'à rétablissement de la condition de commutation à courant nul. Le montage permet donc d'assurer jusqu'à certaines limites un fonctionnement à puissance réduite lorsque la charge en sortie excède d'une manière temporaire ou permanente la puissance correspondant à la consigne. Pendant le temps de commutation, une petite partie de l'énergie s'accumule dans la self inductance de fuite du transformateur 41 et est ensuite stockée dans le condensateur 49 de la figure 5. Pour accroitre le rendement et éviter l'échauffement, il est intéressant de récupérer cette énergie par le circuit auxiliaire 5. Dans le cadre de l'invention, nous décrivons une réalisation simple du circuit auxiliaire 5 appelé "récupérateur de fuites" Le schéma de la figure 11 représente le bloc fonctionnel 58 : les éléments 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 sont les éléments 48, 49, 51, 53, 55, 56, 57 de la figure 5. 8 est une diode zenner (ou un montage de diodes) de seuil environ 300 V, 9 est une résistance d'environ 10 kR, 10 un condensateur d'environ 0,1 uF, 11 est un diac ayant un seuil d'avalanche d'environ 30 V, 12 est une temporisation de durée constante tF de par exemple 30 us, 13 un montage inverseur, 14 un transistor déchargeant le condensateur 10. Le fonctionnement est le suivant: lorsque la tension du condensateur de stock dépasse 300 V, le condensateur 12 se charge, le diac 11 commande le transistor 13, le monostable 13/14 émet un créneau provoquant la conduction du commutateur 4 et le chargement en énergie de l'inductance 3. Lors du blocage, la plus grande part de l'énergie est transférée par le secondaire et la diode 54 de la figure 5 dans le condensateur 47. La plus petite rentrée de l'énergie accumulée dans la self de fuite vient charger le condensateur 6. L'énergie de fuite est dissipée dans la résistance 7. Lorsque la puissance de la fuite du circuit principal 4 s'accroît, la tension du condensateur croit et accroît par la base de temps 9/10, la fréquence des créneaux augmentant ainsi la puissance du circuit auxiliaire 5. Les éléments de la figure 7, notamment la self inductance 3, le monostable 13/14, la base de temps 9/10 sont calculés pour que la puissance du circuit auxiliaire 5 corresponde à la puissance de fuite maximum du circuit principal 4 lorsque la tension du condensateur 2 atteint environ 450 V. REVENDICATIONS 1 - Système d'alimentation d'un groupe de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage, caractérisé par le fait qu'il comporte les éléments suivants: un appareil appelé Unité Centrale situé au point de raccordement du réseau d'énergie, prélevant au réseau un courant sinusoïdal et en phase, alimentant la ligne d'alimentation du groupe de lampes par une source de tension continue, galvaniquement isolée du réseau, fournissant au groupe de lampes une puissance stabilisée, réglable suivant plusieurs consignes et des appareils appelés générateurs, situés à proximité de chaque lampe du groupe et fournissant aux lampes un courant de moyenne fréquence. 2 - Système suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'Unité centrale comporte un circuit principal constitué par le primaire 41 d'un transformateur à entrefer qui est connecté au pôle positif d'un pont redresseur et à un commutateur 45 rendu passant périodiquement pendant une durée constante tc, et un circuit secondaire constitué par le secondaire 42 connecté à un condensateur 47 à travers une diode 46, les éléments paramétriques du circuit étant calculés pour que le passage en conduction du commutateur 45 s'effectue à courant nul dans toute la gamme de puissance utilisée. 3 - Système suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, un compensateur des variations de tension, comportant une porte de crête et un condensateur fournissant une tension continue représentant la tension du réseau, un circuit RC dont le condensateur est périodiquement déchargé par l'horloge de l'Unité Centrale, une tension de référence et un comparateur interrompant la conduction du commutateur 45. 4 - Système suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la période de l'horloge de Unité Centrale est divisée en deux phases, une première phase de durée tu pendant laquelle la conduction est autorisée, une seconde phase td variable suivant la consigne de puissance, les éléments paramétriques étant calculés de telle sorte que la période minimum de l'horloge soit égale à 2tu. 5 - Système électronique suivant les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que 1' horloge de l'Unité Centrale, comporte une source de tension continue, plusieurs tensions de référence représentant des consignes de puissance, une source de courant proportionnelle à la tension obtenue par un moyen connu, un condensateur, un diac, une temporisation de durée constante. 6 - Système électronique suivant la revendication 2 à 5, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de commutation du commutateur 45 à courant nul, comporte une résistance et un opto-coupleur montés en série et connecté d'une part au pôle positif du condensateur de stockage en sortie et d'autre part à l'anode de la diode alimentant le condensateur, le fonctionnement de ce photo-coupleur autorisant la mise en conduction du commutateur 45.