Brevet FR2764134A1 — publié le 19981204

DESCRIPTION UNITE D'ALIMENTATION EN COURANT POUR LE TRANSFERT D'ENERGIE PAR COMMUTATION ALTERNATIVE DES ENROULEMENTS D'UN TRANSFORMATEUR, A GRANDE VITESSE. La présente invention concerne généralement des unités d'alimentation en courant pour le transfert depuis un premier enroulement jusqu a un deuxième et un troisième enroulements d'un transformateur pour charger une batterie lorsque le courant alternatif est normal et pour le transfert d'énergie de la batterie depuis le deuxième enroulement jusqu'au troisième enroulement lorsque le courant alternatif est défaillant. Dans une unité d'alimentation en courant ininterrompue de la technique antérieure décrite dans la description de brevet japonais non examinée Hei-398431, un premier condensateur qui est normalement chargé en courant continu est déchargé, de manière répétée, à une haute fréquence dans le premier enroulement d'un transformateur afin d'induire un courant de haute fréquence dans un enroulement secondaire, où il est redressé pour charger un deuxième condensateur ainsi que dans un enroulement de secours. Une batterie connectée à l'enroulement de secours est chargée avec un courant rectifié provenant de l'enroulement de secours. Lorsque l'alimentation en courant du secteur est défaillante, la batterie est déchargée de manière répétitive dans l'enroulement de secours pour induire un courant de haute fréquence dans l'enroulement secondaire. Pour effectuer la commutation du mode normal en mode de déchargement de batterie, un détecteur de panne de courant et un circuit de commutation mécanique sont prévus. Lorsque le courant est défaillant, le détecteur actionne le circuit de commutation pour désactiver le premier enroulement et activer l'enroulement de secours pour produire des oscillations de haute fréquence. Toutefois, l'utilisation d'un commutateur mécanique n'est pas favorable d'un point de vue fabrication, à cause de la tendance récente qui veut que l'on utilise des circuits tout électroniques. En outre, le détecteur de panne de courant représente des frais supplémentaires et une complexité accrue. Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir une solution simple et pourtant efficace aux problèmes liés aux unités d'alimentation en courant. Selon un premier aspect de la présente invention, on fournit une unité d'alimentation en courant comprenant un redresseur permettant de convertir une énergie de courant alternatif en énergie de courant continu, un transformateur présentant un premier enroulement enroulé dans un premier sens, un deuxième enroulement enroulé dans un deuxième sens opposé au premier sens, et un troisième enroulement enroulé dans le premier sens. Un premier circuit de boucle est formé par le premier enroulement, un premier condensateur et un circuit anti-parallèle ou circuit tête-bêche d'un premier transistor de commutation et une première diode, le premier condensateur étant connecté en parallèle avec le redresseur. Un deuxième circuit de boucle est formé par le deuxième enroulement, un deuxième condensateur et un circuit tête-bêche d'un deuxième transistor de commutation et une deuxième diode, le deuxième condensateur étant connecté à une batterie. Un circuit d'alimentation en courant connecté au troisième enroulement pour recevoir un courant induit dans le troisième enroulement lorsqu'un courant est produit dans le premier enroulement, dans un sens particulier, ou lorsque l'énergie stockée dans le deuxième enroulement est libérée dans le troisième enroulement, et pour charger un troisième condensateur avec le courant reçu. Un circuit de génération d'impulsion est prévu pour entraîner, en alternance, les premier et deuxième transistors de commutation de sorte que l'énergie est transférée du premier condensateur aux deuxième et troisième condensateurs lorsque le premier condensateur est chargé par le redresseur et l'énergie est transférée de la batterie au troisième condensateur lorsque le premier condensateur n'est pas chargé par le redresseur. Selon un deuxième aspect, la présente invention fournit un procédé de transfert d'énergie utilisant un transformateur ayant des premier, deuxième et troisième enroulements, et des premier, deuxième et troisième condensateurs, respectivement associés aux premier, deuxième et troisième enroulements. Une énergie de courant alternatif est convertie en énergie de courant continu, et le premier condensateur est chargé en énergie de courant continu. Dans une première étape, le premier condensateur est déchargé à travers le premier enroulement et un courant est induit dans le troisième enroulement pour charger le troisième condensateur et l'énergie est stockée dans le premier enroulement. Dans une deuxième étape, l'énergie stockée est libérée dans le deuxième enroulement pour charger le deuxième condensateur. Les première et deuxième étapes sont répétées jusqu'à ce que l'énergie libérée par le premier enroulement devienne insuffisante pour charger le deuxième condensateur. Dans une troisième étape, le deuxième condensateur est déchargé à travers l'enroulement secondaire et l'énergie est stockée dans le deuxième enroulement si l'énergie libérée par le premier enroulement devient insuffisante pour charger le deuxième condensateur. Dans une quatrième étape, l'énergie stockée du deuxième enroulement est libérée dans le troisième enroulement pour charger le troisième condensateur. Les troisième et quatrième étapes sont répétées jusqu'à ce que l'énergie stockée dans le premier condensateur devienne suffisante pour entraîner la libération, par le premier enroulement, d'une énergie suffisante pour charger le deuxième condensateur. La présente invention va être décrite en plus amples détails en référence aux dessins joints, dans lesquels la figure 1 est un schéma de circuit d'une unité d'alimentation en courant ininterrompue, selon la présente invention ; et la figure 2 est un chronogramme pour expliquer le fonctionnement de la présente invention. En référence à la figure 1, on montre une unité d'alimentation en courant ininterrompue selon la présente invention. La tension d'alimentation en courant alternatif du secteur provenant d'une prise de courant du commerce 1 est redressée grâce à un redresseur pleine onde 2 et charge un condensateur d'égalisation C1 pour développer une tension continue. Un transformateur 3 est prévu, qui présente un enroulement primaire W1 connecté en série à un transistor de commutation Q1 et avec le condensateur C1. Une diode D1 est connectée en relation tête-bêche avec le transistor Q1. Le transformateur 3 présente deux enroulements secondaires W2 et W3 qui sont enroulés dans des sens opposés l'un par rapport à l'autre, le sens de l'enroulement W2 étant opposé au sens de l'enroulement W1 et le sens de l'enroulement W3 étant le même que le sens de l'enroulement W1. L'enroulement secondaire W2 est connecté en série à un transistor de commutation Q2 et à un condensateur d'égalisation C2. Une diode D2 est connectée en une relation tête-bêche avec le transistor Q2. Une batterie rechargeable 4 est connectée en parallèle avec le condensateur d'égalisation C2. L'enroulement secondaire W3 est connecté en série à une diode D3, une bobine d'inductance L et un condensateur d'égalisation C3. La diode D3 est connectée en un sens tel que le condensateur C3 est chargé avec un courant induit dans l'enroulement W3. Une diode-volant ( flywheel diode ) D4 est connectée en parallèle avec la bobine d'inductance L et le condensateur C3 pour permettre au courant dans la bobine d'inductance L de circuler dans le sens de la charge du condensateur C3 grâce à l'effet de volant de la bobine d'inductance. Un circuit de charge 5 est connecté en parallèle avec le condensateur C3. Un générateur d'impulsions 6 est prévu pour produire des impulsions de haute fréquence. Le transistor Q1 reçoit directement la sortie du générateur d'impulsions 6 et le transistor Q2 la reçoit par l'intermédiaire d'un inverseur ( inverter ) 7. Par conséquent, les transistors Q1 et Q2 sont mis en circuit, en alternance, en réponse aux impulsions de haute fréquence. Le fonctionnement du circuit de la figure 1 procède comme illustré sur la figure 2. Lorsque le courant alternatif du secteur est normal, le condensateur C1 est chargé en totalité par le courant redressé grâce au redresseur de pleine onde 2. L'activation du transistor Q1 au cours de la période tl provoque la décharge de l'énergie du condensateur C1, ce qui produit un courant 20 à travers le transistor Q1 dans l'enroulement primaire W1. Ce courant augmente linéairement avec le temps, jusqu'à ce que le transistor Q1 soit désactivé. La diode D3 est polarisée en sens direct pour induire un courant 21a, dans l'enroulement W3, qui passe à travers la bobine d'inductance L dans le condensateur d'égalisation C3. Etant donné que le transistor Q2 est en état d'ARRET et que la diode D2 est polarisée en sens inverse, l'enroulement W2 est mis en circuit ouvert de sorte que l'énergie magnétique est stockée dans l'enroulement primaire W1 lorsque le transistor Q1 est désactivé. Lorsque le transistor Q1 est activé, au début de la période t2, l'énergie stockée dans l'enroulement W1 est libérée. Etant donné que les enroulements W1 et W3 sont enroulés dans le même sens l'un par rapport à l'autre, mais dans le sens opposé de l'enroulement W2, la diode D2 est polarisée en sens direct et la diode D3 est polarisée en sens inverse à ce moment là. L'énergie stockée dans l'enroulement primaire W1 est, par conséquent, totalement libérée dans l'enroulement secondaire W2 et convertie en un courant 22 qui circule à travers la diode D2 et qui charge le condensateur C2. Etant donné que cette énergie est suffisante pour charger la batterie, aucun courant ne circule à travers le transistor Q2 au cours de la période t2. D'autre part, la diode D4 est polarisée en sens direct grâce à l'effet de volant de la bobine d'inductance L de sorte que le courant 21b continue à circuler dans le condensateur C3. Le condensateur C3 est ainsi chargé avec des courants 21a et 21b pour développer une tension continue. Des événements semblables se produisent dans les périodes suivantes t3 et t4 lorsque l'alimentation en courant alternatif du secteur est normale et que l'unité d'alimentation ininterrompue fonctionne en mode charge. De cette manière, l'énergie de courant continu est transférée du condensateur C1 aux condensateurs C2 et C3 et l'énergie est soutirée par le circuit de charge 5, du condensateur C3. Au cours de ce mode charge, le transistor Q2 ne transporte aucun courant et ne joue aucun rôle particulier. I1 entre en jeu lorsque la quantité d'énergie libérée par l'enroulement primaire W1 n'est pas suffisante pour libérer l'énergie dans l'enroulement W2 pour charger la batterie 4. Lorsque le courant alternatif du secteur est coupé ou tombe en dessous d'un niveau critique, la tension dans le condensateur C1 commence à chuter et l'énergie stockée sur l'enroulement primaire W1 devient insuffisante pour libérer l'énergie dans l'enroulement W2 pour charger la batterie 4. Lorsque ceci se produit, l'unité d'alimentation en courant entre en mode décharge. Au cours de la période tS, l'activation du transistor Q2 provoque le soutirage d'un courant 30 du condensateur C2 (c'est-à-dire la batterie 4) dans l'enroulement secondaire W2. Etant donné que le transistor Q1 est en état d'ARRET et que les diodes D1 et D3 sont polarisées en sens inverse, l'énergie est stockée dans l'enroulement W2 lorsque le transistor Q2 est coupé à la fin de la période t5. Le transistor Q1 est mis en MARCHE au début de la période t6. Etant donné que les enroulements W2 et W3 sont enroulés dans des sens opposés l'un par rapport à l'autre, les diodes D1 et D3 sont polarisées en sens direct de sorte que l'énergie stockée dans l'enroulement W2 est libérée dans les enroulements W1 et W3. Les rapports de tour des enroulements W1, W2 et W3 sont tels qu'une quantité plus importante de l'énergie stockée dans l'enroulement W2 est libérée dans l'enroulement W3 et convertie en un courant 31a qui circule à travers la diode D3, que la quantité d'énergie libérée dans l'enroulement primaire W1, qui est convertie en un courant 32a qui circule à travers la diode D1. L'énergie induite dans l'enroulement primaire W1 provoque un courant opposé 32b dans le transistor Q1 qui conduit. Au cours de la période t7, l'arrêt du transistor Q1 fait que le courant 31a continue à circuler à travers la bobine d'inductance L, produisant un courant 31b à travers la diode D4, et le courant 30 est déchargé de la batterie 4 dans l'enroulement W2 à travers la diode D2. il en résulte que le condensateur C3 est chargé avec les courants 31a et 31b au cours du mode décharge. Des événements semblables se produisent dans les périodes suivantes t7 et t8 lorsque l'alimentation en courant alternatif du secteur est anormale et que l'unité d'alimentation ininterrompue fonctionne en mode décharge. De cette manière, l'énergie de courant continu est transférée de la batterie 4 au condensateur C3. Le fonctionnement de la présente invention est décrite en termes quantitatifs, comme suit. Soient VL et V8 représentant les tensions en courant continu développées sur le circuit de charge 5 et la batterie 4, respectivement. Ces tensions sont données par les équations suivantes VL = E.D.Nsi/Np(l) VB = E.(D/(i-D)lNs2/Np (2) où E = la tension entre les bornes du condensateur C1, D = le rapport d'utilisation ou rapport cyclique ( duty ratio ) des impulsions produites par le générateur d'impulsions 6, Np = le rapport de tours de l'enroulement primaire W1, Nsl = le rapport de tours de l'enroulement secondaire W3, Ns2 = le rapport de tours de l'enroulement secondaire W2. Les équations (1) et (2) peuvent être réaménagées pour donner la relation suivante entre VL et VB. VL = VB-(NS1/NS2)(1-D) (3) Lorsque l'alimentation en courant alternatif du secteur est défaillante, la tension E régénérée par la batterie 4 entre les bornes du condensateur C1 est donnée par l'équation suivante E = VB. (Np/Ns2) (i-D)/D (4) En portant l'équation (4) dans l'équation (1), on obtient la relation suivante VL = VB. (NS1/NSZ) (l-D) (5) Etant donné que l'équation (5) est identique à l'équation (3), la même énergie de courant continu peut être transférée au circuit de charge 5 au cours d'une panne de courant que lorsque l'alimentation du secteur est normale. REVENDICATIONS 1. Unité d'alimentation en courant caractérisée en ce qu'elle comprend un redresseur (2) permettant de convertir une énergie de courant alternatif en énergie de courant continu, un transformateur présentant un premier enroulement (W1) enroulé dans un premier sens, un deuxième enroulement (W2) enroulé dans un deuxième sens opposé au premier sens, et un troisième enroulement (W3) enroulé dans le premier sens, un premier circuit de boucle comprenant ledit premier enroulement, un premier condensateur (C1) et un circuit tête-bêche d'un premier transistor de commutation (Q1) et une première diode (D1), ledit premier condensateur étant connecté en parallèle avec le redresseur, un deuxième circuit de boucle comprenant ledit deuxième enroulement, un deuxième condensateur (C2) et un circuit tête-bêche d'un deuxième transistor de commutation (Q2) et une deuxième diode (D2), ledit deuxième condensateur étant connecté à une batterie (4), un circuit d'alimentation en courant (D3, D4, L) connecté audit troisième enroulement pour recevoir un courant induit dans le troisième enroulement lorsqu'un courant est produit dans le premier enroulement, dans un sens particulier ou lorsque l'énergie stockée dans le deuxième enroulement est libérée dans le troisième enroulement, et pour charger un troisième condensateur (C3) avec le courant reçu ; et un circuit de génération d'impulsions (6) pour entraîner, en alternance, lesdits premier et deuxième transistors de commutation de sorte que l'énergie est transférée du premier condensateur aux deuxième et troisième condensateurs lorsque le premier condensateur est chargé par le redresseur et que l'énergie est transférée de la batterie au troisième condensateur lorsque le premier condensateur n' est pas chargé par le redresseur. 2. Unité d'alimentation selon la revendication 1, dans laquelle ledit circuit d'alimentation en courant comprend une troisième diode (D3) connectée à une borne dudit troisième enroulement de sorte que la troisième diode est polarisée en sens direct lorsque le premier transistor est mis en marche pour produire un courant une bobine d'inductance (L) connectée à la troisième diode pour permettre audit courant de circuler dans le troisième condensateur ; et une quatrième diode (D4) connectée entre ladite troisième diode et une borne opposée du troisième enroulement, ledit troisième condensateur étant connecté entre la bobine d'inductance et une borne opposée dudit troisième enroulement, grâce à quoi la quatrième diode entraîne que ladite bobine d'inductance continue à faire circuler ledit courant dans le troisième condensateur lorsque ledit deuxième transistor est mis en marche. 3. Unité d'alimentation en courant selon la revendication 2, dans laquelle l'agencement est tel que lorsque le premier transistor de commutation (Q1) est mis en marche, un courant est produit dans le premier enroulement, de l'énergie est stockée dans celui-ci et ladite troisième diode (D3) est polarisée en sens direct pour induire un courant dans le troisième enroulement en réponse au courant dans le premier enroulement lorsque le premier transistor de commutation est arrêté, ladite troisième diode est polarisée en sens inverse et ladite deuxième diode est polarisée en sens direct pour libérer l'énergie stockée dans le premier enroulement dans le deuxième enroulement, lorsque le deuxième transistor de commutation (Q2) est mis en marche au cours de la période pendant laquelle le premier condensateur n'est pas chargé par le redresseur, un courant est soutiré de la batterie vers le deuxième enroulement, et lesdites première et troisième diodes sont polarisées en sens inverse pour stocker de l'énergie dans le deuxième enroulement, et lorsque le deuxième transistor de commutation (Q2) est arrêté, ladite troisième diode est polarisée en sens direct pour libérer l'énergie stockée dans le deuxième enroulement vers le troisième enroulement. 4. Procédé de transfert d'énergie utilisant un transformateur ayant un premier (W1), un deuxième (W2) et un troisième (W3) enroulements, et un premier (C1), un deuxième (C2) et un troisième (C3) condensateurs, respectivement associés aux premier, deuxième et troisième enroulements, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à a) convertir une énergie de courant alternatif en énergie de courant continu b) charger le premier condensateur avec ladite énergie de courant continu c) décharger le premier condensateur à travers le premier enroulement et induire un courant dans le troisième enroulement pour charger le troisième condensateur et stocker l'énergie dans le premier enroulement d) libérer l'énergie stockée dans le premier enroulement, dans le deuxième enroulement, et charger le deuxième condensateur avec l'énergie libérée e) répéter les étapes (c) et (d) jusqu'à ce que l'énergie libérée par le premier enroulement devienne insuffisante pour charger ledit deuxième condensateur f) décharger le deuxième condensateur à travers l'enroulement secondaire et stocker l'énergie dans le deuxième enroulement g) libérer l'énergie stockée du deuxième enroulement dans le troisième enroulement et charger le troisième condensateur h) répéter les étapes (f) et (g) jusqu'à ce que énergie stockée dans le premier condensateur devienne suffisante pour entraîner la libération, par le premier enroulement, d'une énergie suffisante dans le deuxième enroulement pour charger ledit deuxième condensateur et (i) répéter les étapes (c) à (h). 5. Procédé de transfert d'énergie, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans une unité d'alimentation en courant comprenant un redresseur (2) permettant de convertir une énergie de courant alternatif en énergie de courant continu, un transformateur ayant un premier enroulement (W1) enroulé dans un premier sens, un deuxième enroulement (W2) enroulé dans un deuxième sens opposé au premier sens, et un troisième enroulement (W3) enroulé dans le premier sens, des première (Dl), deuxième (D2) et troisième (D3) diodes connectées auxdits premier, deuxième et troisième enroulements, respectivement, et un premier (C1), un deuxième (C2) et un troisième (C3) condensateurs connectés auxdites première, deuxième et troisième diodes, respectivement, ledit premier condensateur étant chargé avec l'énergie de courant continu, et en ce qu'il comprend les étapes consistant à a) produire un courant à partir du premier condensateur, vers le premier enroulement, en polarisant en sens direct la troisième diode pour induire un courant dans le troisième enroulement pour charger le troisième condensateur et en polarisant en sens inverse la deuxième diode b) polariser en sens direct la deuxième diode pour libérer l'énergie stockée dans le premier enroulement, dans le deuxième enroulement, pour charger le deuxième condensateur c) répéter les étapes (a) et (b) jusqu'à ce que l'énergie libérée dans le deuxième enroulement devienne insuffisante pour charger le deuxième condensateur d) produire un courant à partir du deuxième condensateur vers le deuxième enroulement et polariser en sens inverse les première et troisième diodes pour stocker l'énergie dans le deuxième enroulement e) polariser en sens direct la troisième diode pour libérer l'énergie stockée du deuxième enroulement dans le troisième enroulement pour charger le troisième condensateur ; et f) répéter les étapes (d) et (e) jusqu'à ce que l'énergie stockée dans le premier condensateur devienne suffisante pour entraîner la libération, par le premier enroulement, d'une énergie suffisante dans le deuxième enroulement pour charger ledit deuxième condensateur.