Brevet FR2762456A1 — publié le 19981023

Système et procédé d'alimentation en énergie électrique d'équipements électroniques. Le domaine de l'invention est celui de l'alimentation en énergie électrique d'équipements électroniques. Plus précisément, l'invention concerne les systèmes d'alimentation de type secourus, qui comprennent des moyens permettant d'assurer la continuité de la distribution d'énergie électrique, même en cas de défaillance de la source d'énergie principale. L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, aux systèmes de télécommunication et/ou de traitement de l'information, qui regroupent sur un même site une pluralité d'équipements distincts. Dans les systèmes de télécommunication actuels, la distribution de l'énergie est assurée selon la technique illustrée en figure 1. Un redresseur 11 en ligne ("on-line") est alimenté par le secteur basse tension 12, ou un groupe électrogène 13. Il délivre une tension continue, par exemple 48 volts aux équipements de télécommunication 141 à 143. Selon les besoins des équipements, on prévoit: - un convertisseur continu/continu 15, délivrant par exemple des tensions continues de 5 volts et 12 volts; - un survolteur 152, délivrant par exemple une tension continue de 54 volts; - un onduleur d'appel 153, délivrant par exemple une tension alternative de volts. Si des périphériques informatiques 16 nécessitant une tension alternative (par exemple 230 V) sont présents, on utilise un onduleur 17. Enfin, une ou plusieurs batteries 18, chargées par l'énergie délivrée par le redresseur 11, prend automatiquement le relais de l'alimentation, en cas de problème. Cette technique présente de nombreux inconvénients. Notamment, elle suppose l'utilisation d'un redresseur de forte puissance et entraîne une importante dissipation d'énergie, comme cela apparaîtra plus clairement à la lecture de la table I. Par ailleurs, les moyens nécessaires sont coûteux et encombrants. Enfin, cette technique impose l'utilisation de câbles électriques de forte section. On connaît par ailleurs des systèmes d'alimentation alternative sans interruption (ASI), qui sont utilisées pour les équipements alimentés en alternatif, tels que les équipements informatiques. On distingue deux types d'architectures pour les ASI, illustrées respectivement en figures 2A et 2B, à savoir l'architecture en ligne, ou "on line" (figure 2A) et hors ligne ou "off line" (figure 2B). Ces alimentations comprennent: - un convertisseur altemrnatif/continu 21; - un dispositif de stockage d'énergie 22; - un convertisseur continu/altemrnatif 23. L'inconvénient de ces techniques est qu'elles exigent la présence d'un onduleur 23 capable de délivrer la pleine puissance demandée par les équipements 251 et 25N à alimenter. Cet onduleur 23 constitue la partie la plus coûteuse de l'ASI. De plus, ces techniques exigent l'utilisation de câbles électriques de distribution de forte section. Dans le cas de l'alimentation "off line", un permutateur 24 permet de passer de l'alimentation principale à l'alimentation de secours. En revanche, dans le cas de l'alimentation "on line", l'énergie électrique reçue du secteur 12 ou d'un groupe électrogène 13 traverse systématiquement les deux convertisseurs 21 et 23, ce qui entraîne bien sûr des pertes importantes. De plus, cette technique nécessite un premier étage de conversion altemative/continue 21 fonctionnant à pleine puissance. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de l'art. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un système de distribution d'énergie à des équipements électroniques, qui soit moins coûteux que les systèmes actuels, en ce qui concerne: - les matériels à mettre en oeuvre; - les conducteurs électriques utilisés; et /ou - la consommation en énergie électrique. En d'autres termes, l'invention a notamment pour objectif de fournir un tel système qui permette d'obtenir une forte diminution du coût du Watt d'alimentation. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel système de distribution d'énergie qui soit aisément évolutif et universel, permettant notamment l'alimentation d'équipements de télécommunication et de traitement de l'information. L'invention a également pour objectif de fournir un tel système de distribution d'énergie, qui minimise les pertes électriques, par rapport aux systèmes connus. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel système de distribution d'énergie, qui permette d'obtenir une réduction de l'encombrement, par rapport aux systèmes actuels. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un système d'alimentation en énergie électrique d'au moins un équipement électronique, du type comprenant: une source d'alimentation principale en énergie électrique alternative, utilisée en régime normal; - une unité de stockage d'énergie, utilisée comme source d'alimentation secondaire en énergie électrique continue, en régime de secours; et - des moyens de détection d'une défaillance de ladite source d'alimentation principale, commandant le passage en régime de secours; dans lequel on associe à chacun desdits équipements électroniques un convertisseur d'énergie distinct, délivrant l'alimentation électrique interne nécessaire audit équipement, et alimenté: - directement par ladite source d'alimentation principale, en régime normal; - directement par ladite source d'alimentation secondaire, en régime de secours. Par le terme "associer" on entend bien sûr aussi bien le ca o le convertisseur est externe (placé à proximité de l'équipement) ou interne (c'est-à-dire intégré à l'intérieur de l'équipement); Ainsi, les pertes d'énergie sont fortement réduites: chaque équipement reçoit directement, c'est-à-dire sans l'intermédiaire d'un convertisseur centralisé, l'énergie dont il a besoin, dans un convertisseur qui lui est propre, et qui est adapté à ses besoins. Cette technique permet la suppression des onduleurs pleine puissance des systèmes d'alimentation classiques, qui sont les éléments les plus coûteux. Par ailleurs, elle permet de réaliser des ateliers d'énergie alternatifs (UPS) à faible coût, qui conviennent à l'ensemble des matériels informatiques. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, lesdits convertisseurs d'énergie sont alimentés par l'intermédiaire d'un bus d'alimentation unique, connecté sélectivement à ladite source d'alimentation principale ou à ladite source d'alimentation secondaire. Cette approche permet d'obtenir une architecture particulièrement simple, et donc peu coûteuse. Selon un second mode de réalisation de l'invention, lesdits convertisseurs d'énergie peuvent être alimentés par l'intermédiaire de deux bus d'alimentation distincts, à savoir un bus d'alimentation principale connecté à ladite source d'alimentation principale et un bus d'alimentation secondaire connecté à ladite source d'alimentation secondaire. De façon avantageuse, ladite source d'alimentation secondaire délivre une tension continue de l'ordre de la tension de crète de ladite source d'alimentation principale. Le choix d'une telle tension permet d'une part d'atteindre de très bons rendements, de l'ordre de 95 % à 97 %, et d'autre part d'utiliser des câbles électriques de section réduite. Préférentiellement, ladite unité de stockage d'énergie est chargée, en régime normal, par l'intermédiaire de ladite alimentation principale. On peut donc utiliser un chargeur de batteries, à la place des redresseurs en ligne utilisés dans les systèmes connus. Le gain en puissance d'énergie secondaire à installer, et par voie de conséquence en matériel, peut être ainsi réduit d'un facteur 5 à 10 (en fonction de la durée d'autonomie des batteries et du temps de recharge exigé. Ladite source d'alimentation principale peut notamment appartenir au groupe comprenant le secteur et les groupes électrogènes, et plus généralement toutes les sources d'alimentation alternative. Par ailleurs, lesdits équipements électroniques peuvent appartenir en particulier au groupe comprenant les équipements de télécommunication et les appareils de traitement de l'information (ou équipements informatiques). De façon avantageuse, au moins certains desdits convertisseurs comprennent des moyens (PFC) pour conserver en phase la tension et l'intensité de l'énergie électrique interne délivrée à l'équipement auquel ils sont associés. De tels moyens s'avèrent notamment utiles dans le cas o l'alimentation s'effectue sur un bus unique. Ils permettent de réduire, voire de supprimer, les harmoniques. L'invention concerne également un procédé d'alimentation en énergie électrique, correspondant au système décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîltront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1, déjà commentée en préambule, présente schématiquement l'architecture d'alimentation classiquement utilisée dans le domaine des télécommunications; - les figures 2A et 2B, également commentées en préambule, illustrent deux modes de réalisation connus d'alimentation alternative sans interruption; - la figure 3 présente un système de distribution d'énergie électrique selon l'invention. D'une façon générale, l'invention repose sur la mise en oeuvre des étapes suivantes: - association à chacun des équipements électroniques un convertisseur d'énergie distinct, délivrant l'alimentation électrique interne nécessaire à cet équipement; - dans un régime normal, alimentation de chacun des convertisseurs d'énergie directement par une source d'alimentation principale en énergie électrique alternative; - passage en un régime de secours, en cas de détection d'une défaillance de la source d'alimentation principale; - dans le régime de secours, alimentation de chacun des convertisseurs d'énergie directement par une unité de stockage d'énergie, utilisée comme source d'alimentation secondaire en énergie électrique continue. La figure 3 présente un système d'alimentation en énergie électrique selon l'invention, mettant en oeuvre ce procédé. La source d'alimentation principale, qui est soit le secteur basse tension 31, soit un groupe électrogène 32 alimente directement, un mode normal, un bus de distribution 33, qui alimente lui-même divers équipements de télécommunication 341 à 343, par l'intermédiaire de convertisseurs spécifiques distincts 351 à 353 dédiés à l'équipement correspondant. Un mode de secours, c'est-à-dire en cas de défaillance des moyens d'alimentation principale 31 et/ou 32, le permutateur 36 bascule sur la batterie 37, qui alimente alors le bus de distribution 33. Les convertisseurs 351 à 353 sont donc capables de convertir aussi une tension alternative (régime normal) qu'une tension continue (régime de secours). Ils délivrent en sortie les tensions continues et/ou alternatives internes requises par l'équipement 341 à 343. Ces convertisseurs intègrent préférentiellement des PFC (correcteur de facteur de puissance). Cela permet notamment de respecter les lois et les normes sur les taux d'harmoniques, sans adjonction de coût. La batterie 37 délivre une tension continue relativement élevée, de 400 V (c'est-à- dire voisine de la tension de crête de la tension alternative délivrée en régime normal), qui permet d'obtenir un rendement supérieur à 95 %, et de réduire le coût des conducteurs de distribution. En effet, la tension de sauvegarde (ou de secours) étant multipliée par un facteur 7 par rapport aux techniques classiques, et les courants divisés dans le même rapport, les sections des câbles peuvent être diminuées dans un rapport de 20 à 50, selon que l'on est limité par le courant ou la chute de tension. Du fait de cette tension élevée, on prévoit divers éléments pour assurer la sécurité des personnes, et notamment: - protection sur les convertisseurs et/ou les équipements (mise en place de capot par exemple); - protection sur la distribution, par l'utilisation de câbles à isolation renforcée (câbles grand public); - protection sur l'accès aux batteries (capots, baies,...). La batterie 37 est chargée par le chargeur 38, qui est alimentée par l'alimentation principale 31 et/ou 32, en régime normal. Le système de l'invention pennrmet également l'alimentation d'appareils 39 de traitement de l'information, qui exigent une tension alternative de type secteur. En régime normal, un second permutateur 310 connecte l'appareil 39 directement sur le secteur. En régime de secours, ce permutateur 310 connecte l'appareil 39 à un onduleur 311 de puissance réduite, car spécifiquement dédié à l'appareil 39. Cet onduleur 311 est alimenté par la batterie 37. On se propose de comparer le système classique de la figure 1 avec celui de l'invention (figure 3). En ce qui concerne le système classique, on pose: - k = Trecharge/Tautonomie, le coefficient de recharge de la batterie, généralement de l'ordre de 5 à 10; - Tic le rendement du redresseur 11; To0 le rendement de l'onduleur 17; - PT la puissance nécessaire aux équipements de télécommunication (puissance de l'onduleur); - PI puissance nécessaire pour les équipements informatiques Les pertes en énergie secondaire en phase de recharge sont: 1-T7c 1-7o pI+PTl l+k c L no J k La puissance à installer est donc: - en onduleur: PI - en atelier 48 V: -PI + PT 1- %o k Dans le cas du système de l'invention, on a les pertes en énergie secondaire: 1 1- [7c 1- 1o pI + PTl k i L %7 Et la puissance à installer en atelier secondaire est: P.ch = i[ 1- 7 /o PI+ P k[]o Si on considère l'exemple de l'alimentation d'un autocommutateur de 10 kW avec 3 heures d'autonomie et 15 heures de temps de recharge des batteries, on obtient les valeurs approximatives présentées dans la table I ci-dessous. système classique invention puissance consommée en 13,5 kW 12,1 kW recharge puissance de recharge 2 kW 2 kW puissance redresseur à 12 kW 2 kW installer puissance dissipée par 1,3 kW en permanence 0 en permanence l'énergie secondaire 1,5 kW en recharge TABLE I Bien que ces valeurs soient indicatives, il apparaît clairement que la solution de l'invention est très avantageuse, notamment sur les aspects suivants: - puissances consommée et dissipée; - coût de revient; - taille des conducteurs; - encombrement. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en énergie électrique d'au moins un équipement électronique (341, 342, 343), du type comprenant: - une source d'alimentation principale (31, 32) en énergie électrique alternative, utilisée en régime normal; - une unité de stockage d'énergie (37), utilisée comme source d'alimentation secondaire en énergie électrique continue, en régime de secours; et - des moyens de détection d'une défaillance de ladite source d'alimentation principale, commandant le passage (36) en régime de secours; caractérisé en ce qu'on associe à chacun desdits équipements électroniques (341, 342, 343, 39) un convertisseur d'énergie distinct (351, 352, 353, 311), délivrant l'alimentation électrique interne nécessaire audit équipement, et alimenté: - directement par ladite source d'alimentation principale (31, 32), en régime normal; - directement par ladite source d'alimentation secondaire (37), en régime de secours. 2. Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce lesdits convertisseurs d'énergie (351, 352, 353, 311) sont alimentés par l'intermédiaire d'un bus d'alimentation unique (33), connecté sélectivement à ladite source d'alimentation principale (31, 32) ou à ladite source d'alimentation secondaire (37). 3. Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce lesdits convertisseurs d'énergie sont alimentés par l'intermédiaire de deux bus d'alimentation distincts, un bus d'alimentation principale connecté à ladite source d'alimentation principale et un bus d'alimentation secondaire connecté à ladite source d'alimentation secondaire. 4. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite source d'alimentation secondaire (37) délivre une tension continue de l'ordre de la tension de crète de ladite source d'alimentation principale. 5. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite unité de stockage d'énergie (37) est chargée, en régime 1l normal, par l'intermédiaire de ladite alimentation principale (31, 32). 6. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite source d'alimentation principale appartient au groupe comprenant le secteur (31) et les groupes électrogènes (32). 7. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits équipements électroniques appartiennent au groupe comprenant les équipements de télécommunication (341, 342, 343) et les appareils de traitement de l'information (39). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que qu'au moins certains desdits convertisseurs (351, 352, 353, 311) comprennent des moyens pour conserver en phase la tension et l'intensité de l'énergie électrique interne délivrée à l'équipement auquel ils sont associés. 9. Procédé d'alimentation en énergie électrique d'au moins un équipement électronique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: association à chacun desdits équipements électroniques un convertisseur d'énergie distinct, délivrant l'alimentation électrique interne nécessaire audit équipement; - dans un régime normal, alimentation de chacun desdits convertisseurs d'énergie directement par une source d'alimentation principale en énergie électrique alternative; - passage en un régime de secours, en cas de détection d'une défaillance de ladite source d'alimentation principale; - dans ledit régime de secours, alimentation de chacun desdits convertisseurs d'énergie directement par une unité de stockage d'énergie, utilisée comme source d'alimentation secondaire en énergie électrique continue.