Brevet FR2801164A1 — publié le 20010518

" Dispositif de fourniture d'énergie électrique pour un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage " DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de fourniture d'énergie électrique pour un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage. Les dépenses en énergie électrique consommée pour l'éclairage public représentent une part suffisamment importante des budgets des collectivités locales pour inciter les gestionnaires de ces réseaux à chercher des solutions techniques d'économie d'énergie dans ce domaine. Le document W09844764 divulgue un procédé et un système d'alimentation électrique d'un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage met en ceuvre liaison à courant continu entre une unité centrale raccordée à un réseau d'énergie électrique et un ensemble de lampes à décharge équipées chacune d'un dispositif générateur prévu pour alimenter une lampe à décharge avec une tension à fréquence hypersonore. Un système S d'alimentation électrique de ce type comprend, en référence à la figure 1, une unité centrale UC disposée en aval d'un équipement DE d'alimentation d' réseau d'éclairage comportant un ensemble de lampadaires LP, LP1, LP2 équipés chacun d'une lampe à décharge L, L2 alimentée par un générateur moyenne fréquence G, G1, G2. Ce réseau d'éclairage est relié à l'équipement d'alimentation par un câble d'alimentation contenant d'une part un conducteur de neutre et un conducteur de phase prévus pour l'alimentation électrique de mobiliers urbains MU, et d'autre part deux conducteurs constituant une liaison LC à courant continu entre la sortie de l'unité centrale UC et les entrées respectives des générateurs moyenne fréquence G, G1,G2. L'équipement d'alimentation DE est pourvu d'une unité de commande CM recevant les ordres et consignes de commande du réseau d'éclairage, tandis que l'unité centrale UC est pourvue d'une unité de contrôle pour gérer le réglage de la puissance d'alimentation par variation (diming). L'unité centrale UC convertit ainsi le réseau alternatif RA en un réseau d'alimentation à courant continu RC dont le niveau de puissance choisi est fonction de l'éclairage désiré. Chaque générateur G transforme la tension continue délivrée par l'unité centrale UC en un signal périodique de fréquence d'environ 25 kHz. I1 autorise l'allumage en douceur de la lampe à décharge L lors de la mise sous tension en injectant la puissance minimum requise. Il améliore le rendement du flux lumineux en assurant la stabilité thermique de l'arc. L'unité centrale UC, qui est chargée de générer et contrôler l'énergie nécessaire à l'alimentation des lampes à décharge, met en #uvre une technique classique dite de Fly-Back. Ce procédé de conversion d'énergie présente cependant l'inconvénient de générer des fuites qu'il est nécessaire de récupérer si l'on veut maintenir un rendement suffisant. Par ailleurs, la nécessité de récupérer l'énergie de fuite dans les transformateurs des convertisseurs de puissance tels que les convertisseurs Fly-Back constitue un obstacle pour réaliser une structure modulaire dans laquelle plusieurs cartes de puissance unitaires pourraient être mises en parallèle en fonction de la puissance nominale requise. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un dispositif de fourniture d'énergie électrique sous forme continue, qui présente une structure modulaire permettant une adaptation simple la puissance nominale des unités centrales aux besoins variables des réseaux d'éclairage public. Cet objectif est atteint avec un dispositif pour fournir à un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage, de l'énergie électrique sous forme courant continu à partir d'une source de courant alternatif, comprenant - des moyens pour délivrer une tension redressée à partir de la source de courant alternatif, - des moyens de filtre pour prélever de ladite source de courant alternatif un courant sinusoïdal et phase, - plusieurs modules convertisseurs connectés en parallèle, chaque module convertisseur comprenant : - des moyens pour convertir la tension redressée en une tension continue délivrée sur une ligne d'alimentation dudit ensemble de lampes à décharge, ces moyens de conversion, de type fly- back , étant agencés pour opérer selon un mode de commutation à courant nul et comportant un transformateur procurant un isolement galvanique de la sortie desdits moyens de conversion par rapport audit réseau d'énergie, et - des moyens pour commander lesdits modules convertisseurs de façon à procurer un réglage de la puissance fournie audit ensemble de lampes à décharge, Suivant l'invention, le dispositif de fourniture d'énergie électrique comprend en outre des moyens passifs pour dissiper l'énergie de fuite accumulée dans la self- inductance de fuite des transformateurs lors chaque commutation desdits moyens convertisseurs ces transformateurs étant en outre conçus pour minimiser la dite énergie de fuite. Ainsi, grâce à la mise en ceuvre de moyens passifs de dissipation en substitution de circuits actifs plus encombrants et bien plus complexes, qui est rendue possible par une réduction sensible des fuites dans transformateurs des convertisseurs Fly-back, on peut désormais proposer, dans le domaine spécifique de la fourniture d'énergie électrique sous forme continue des solutions modulaires de mise en #uvre simple au sein de coffrets. Dans une forme préférée de réalisation, le dispositif de fourniture d'énergie électrique est structure en plusieurs cartes de puissance comprenant chacune au moins un module convertisseur pourvu de moyens passifs de dissipation. Chaque module convertisseur comprend avantageusement un transistor de puissance pourvu d'un élément dissipateur de chaleur, caractérisé en ce que les moyens passifs de dissipation sont en contact thermique avec au moins un desdits éléments dissipateurs de chaleur. De préférence, les carte de puissance comportent des moyens autonomes d'alimentation électrique bipolaire à partir de la source de courant alternatif. Ces moyens autonomes d'alimentation électrique bipolaire comprennent - des moyens transformateurs comportant un enroulement primaire relié à la source de courant alternatif; - des moyens pour délivrer une tension redressée à partir de la source de courant alternatif, reliés à au moins un enroulement secondaire desdits moyens transformateurs. Les cartes de puissance peuvent en outre avantageusement comporter des moyens autonomes pour alimenter des moyens pour ventiler chaque carte. Ces moyens autonomes pour alimenter les moyens ventilateurs sont par exemple reliés à un enroulement secondaire des moyens transformateurs. Par ailleurs, les moyens de commande des modules convertisseurs sont de préférence agencés pour délivrer des ordres de commande décalés pour chaque module convertisseur ou pour des groupes de modules convertisseurs. On peut également avantageusement prévoir que pour un dispositif selon l'invention dans lequel les moyens de commande comprennent des moyens pour générer des signaux de commutation appliqués aux composants commandés des modules convertisseurs, que les moyens de commande comprennent des moyens pour contrôler les tensions d'alimentation desdits moyens générateurs de signaux commutation. On dispose ainsi d'une unité centrale de structure modulaire, avec des implications avantageuses en matière d'aéraulique. L'unité comporte une carte générale et un ensemble cartes de puissance qui sont mises en parallèle. Une nouvelle définition de l'inductance permet d'améliorer les performances du convertisseur Fly-Back. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 illustre un système d'alimentation par liaison continue d'un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage, représentatif de l'état de technique illustré par le document W09844764; - la figure 2A est un schéma fonctionnel d'un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention , la figure 2B illustre une structure modulaire pour un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention ; la figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un étage convertisseur fly-back au sein de la partie puissance d'un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention; - la figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un étage de commande au sein de la partie puissance d'un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention ; la figure 5 illustre un exemple de réalisation d'une carte de puissance d'un dispositi de fourniture d'énergie électrique selon l'invention ; la figure 6 illustre un exemple de réalisation d'un bloc d'alimentation isolé au sein de la partie puissance d'un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention ; et - la figure 7 illustre un exemple de réalisation d'un bloc d'alimentation isolé au sein de la partie contrôle/commande d'un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention On va tout d'abord décrire, en référence aux schémas fonctionnels des figures 2A et 2B, la structure générale d'un dispositif de fourniture d'énergie électrique selon l'invention, qui sera désigné dans la suite de la description sous le terme d'unité centrale. L'unité centrale UC, disposée au sein d'un coffret pourvu d'un équipement de ventilation et conçu pour être conformité avec les normes en vigueur en matière de compatibilité électromagnétique, comporte une carte générale CG et un ensemble de cartes de puissance CP, CPi. Elle comporte un premier bornier de puissance BPe pour la connexion à l'armoire DE d'alimentation du réseau d'éclairage, un second bornier Bi de connexion à une unité de commande extérieure CI, et un second bornier de puissance BPs pour la connexion à la ligne d'alimentation continue LC. carte générale comprend - bloc d'alimentation CC conçu pour délivrer à partir de la source d'alimentation secteur un ensemble de tensions continues d'alimentation, +24V, +45V, +20V et générer un signal de contrôle de tension T, - bloc de consigne CS prévu pour traiter les ordres et consignes de réglage provenant de l'unité de commande et délivrer des signaux de consignes CS, CT, - bloc horloge HO prévu pour générer un signal d'horloge H, - un bloc de commande CN conçu pour générer des signaux de commande et pour traiter des signaux extérieurs, notamment des signaux générés par des capteurs, et - un bloc de sécurité SC conçu pour traiter des signaux représentatifs de l'état de fonctionnement des cartes de puissance. Chaque carte de puissance CP comprend - un bloc d'alimentation autonome CR pour délivrer d' part une tension redressée UR destinée à être convertie, - un convertisseur de puissance FB de type Fly-back délivrant en sortie une tension de sortie US isolee galvaniquement, et - un bloc CO générateur de signaux de commande des transistors de puissance du convertisseur de puissance FB, ce bloc générateur CO recevant du module de commande CN de la carte générale CG des ordres de commande B3 et délivrant des ordres de commande décalés B4 à destination d'une autre carte de puissance. Le convertisseur de puissance FB comprend par exemple, en référence à la figure 3, deux modules de conversion comprenant chacun un transistor de puissance T1, T2 tel qu'un transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor : transistor bipolaire à grille isolée), dont l'électrode de drain est reliée à une borne d'un enroulement primaire d'un transformateur TRI, TR2 dont l'autre borne est reliée à une borne d'alimentation sous la tension redressée UR. Chaque transformateur TRI, TR2 du convertisseur Fly- back a été conçu spécifiquement dans le but de ne pas chauffer, en réduisant sensiblement les pertes liées au montage Fly-back. On a pu ainsi passer d'un niveau relatif de fuite d'environ 20% observé sur des convertisseurs Fly- back conventionnels utilisés antérieurement pour cette application spécifique à un niveau relatif de fuite de l'ordre de 1 à 2%, permettant ainsi la simplification du dispositif de dissipation. Pour cela, le couplage entre enroulements de chaque transformateur a été amélioré, notamment en adaptant le nombre de spires, choisi par exemple à 26 spires, en ajustant les rapports des spires primaires et secondaires, choisi par exemple égal à un, et en adoptant une technique de bobinage spécifique aboutissant par exemple à une disposition de l'enroulement primaire entre deux demi- enroulements secondaires. Par ailleurs, la section du fil utilisé dans les enroulements de chaque transformateur a été specifiquement adaptée pour tenir compte de la densité de courant transitant dans les enroulements, en choisissant par exemple des fils ayant une section de 7/10 mm L'entrefer du circuit magnétique de chaque transformateur a été ajusté et réparti sur toute la surface. A titre d'exemple non limitatif, l'entrefer a été choisi égal ' environ 3 MM . De plus, pour éviter tout échauffement, les enroulements primaire et secondaire de chaque transformateur ont été réalisés en veillant à obtenir un coefficient maximal de remplissage en cuivre. Chaque transistor T1, T2 reçoit sur son électrode de grille un signal de commande Gl, G2 délivré par le module de commande C0. Ce module de commande CO comprend, en reférence à la figure 4, un circuit de décalage recevant entrée un signal de commande 0 et délivrant, via un circuit RC, un signal de commande S retardé, et deux circuits amplificateurs 41, 42 associés respectivement aux deux transistors de puissance du convertisseur -Back FB et délivrant des signaux de commande de grille G1, G2. On va maintenant décrire, en référence à la figure 5, un exemple pratique d'implantation d' carte de puissance CP, dans lequel on tire avantageusement parti de la simplification apportée par la suppression de circuits de récupération d'énergie, pour optimiser l'evacuation de l'énergie thermique dissipée dans les composants de puissance commandés ou non. Les deux transistors de puissance T1, T2 du convertisseur de puissance Fly-back FB sont fixés respectivement sur un premier élément dissipateur 11 disposé sur un bord latéral de la carte et sur un second élément dissipateur 12 disposé sensiblement au centre de ladite carte. Le premier élément dissipateur 11 reçoit également trois diodes de puissance D11, D12 et D13., tandis que le second élément dissipateur 12 reçoit une diode D2 et la résistance de dissipation d'énergie R. Les circuits de commande 21, 22 respectifs des transistors de puissance T1, T2 et les transformateurs de puissance TR1, TR2 qui leurs sont associés sont disposés respectivement entre les deux éléments dissipateurs 11 et 12 et entre le second élément dissipateur 12 et 1 autre bord latéral. La carte de puissance CP reçoit également trois condensateurs Cl, C2, CF1, une zone de redressement FA incluant le pont redresseur PD1, une zone d'alimentation CA incluant le pont redresseur PD2 et une zone d'alimentation de ventilateur incluant le pont redresseur PD3. Le module d'alimentation CR disposé au sein la carte de puissance comprend, en référence à la figure 6 - un étage de filtrage F relié en entrée à un bornier d'entrée alternative recevant une ligne de phase et une ligne de neutre, - un premier étage redresseur PDl prévu pour générer une tension redressée UR qui est appliquée en entrée du convertisseur Fly-Back FB, et muni d'un circuit VD d'indication de présence de tension, - un transformateur TR comportant un enroulement primaire PR relié à l'étage de filtrage F, deux premier et second enroulements secondaires S1, S2 reliés en entrée d'un second étage redresseur PD2 prévu pour générer deux niveaux de tension d'alimentation isolée +15V,0,+15V, et un troisième étage redresseur PD3 prévu pour générer une tension continue d'alimentation des équipements de ventilation AV, cette alimentation étant commandée par un relais RV contrôlé depuis la carte générale CG. Le module d'alimentation isolée CC installé au sein de la carte générale CG comprend, en référence à la figure 7 . - un transformateur TR' comportant un enroulement primaire relié à une source de tension alternative et à un condensateur de filtrage, un premier enroulement secondaire relié en entrée d'un premier étage redresseur PDa prévu pour delivrer une tension redressée isolée de niveau +24V, un second enroulement secondaire relié en entrée d'un second étage redresseur PDb prévu pour délivrer une tension redressée isolée de niveau +45V, et deux enroulements secondaires reliés avec point milieu en entrée un troisième étage redresseur PDc prévu pour générer deux niveaux de tension +20V et -20V, et - un circuit 7 pour contrôler l'établissement des tensions +20V et -20V. La carte générale CG comprend en outre, en référence à la figure 2A, un circuit horloge et un circuit de commande CN. Ces circuits, mettant #uvre des techniques conventionnelles dans le domaine de l'électronique de puissance à découpage, délivrent les signaux nécessaires à la génération des signaux de commande des transistors, des convertisseurs Fly-Back, des cartes puissance CP. Le module de consigne CS de la carte générale traite les consignes transmises depuis un circuit extérieur CI, telles que des consignes d'horloge, de variation (diming)et de commande des ventilateurs, et génère signaux de commande CT, CD appliqués respectivement au module horloge HO et au module de commande CN. Il traite ainsi des commandes de contacteur d'éclairage CE, de commande d'horloge CH et de commande de marche des ventilateurs Il est à noter que la fonction de variation (diming)est réalisée avec une seule horloge, deux niveaux de variation étant réalisés par une horloge extérieure. I1 est à noter qu'un circuit horloge 7 prévu au sein de ce module de consigne fonctionne à fréquence fixe, à la différence de montages conventionnels fonctionnant habituellement à fréquence variable. Ce fonctionnement à fréquence fixe a pour avantage d'éliminer les fréquences sonores et donc de limiter les nuisances acoustiques. Le module de sécurité SC équipant la carte générale CG reçoit de la carte de puissance CP, le signal de tension continue de sortie US, et un signal USA de tension aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur du convertisseur Fly-Back, ainsi que la référence masse MA en sortie de la carte de puissance. Il produit sortie, via un premier optocoupleur, un signal SD seuil de tension et, via un second optocoupleur, signal I indiquant la présence de tension aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur du convertisseur Fly-Back. I1 active également plusieurs indicateurs lumineux pour fournir des informations respectivement d'alarme de sous consommation, d'alarme de surcharge, et de présence de tension. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, bien d'autres modes de réalisation des modules de puissance et de commande constituant les cartes de puissance et la carte générale peuvent être envisagés. REVENDICATIONS 1.Dispositif (UC) pour fournir à un ensemble de lampes à décharge (L1, 12, L) d'un réseau d'éclairage, de l'énergie électrique sous forme de courant continu à partir d'une source de courant alternatif (AS), comprenant des moyens (CR) pour délivrer une tension redressée à partir de la source de courant alternatif (AS), des moyens filtre pour prélever de ladite source de courant alternatif (AS) un courant sinusoïdal et en phase, un ou plusieurs modules convertisseurs (CP, CPi) connectés en parallèle chaque module convertisseur comprenant - des moyens (FB) pour convertir la tension redressée (UR) en une tension continue (US) délivrée sur ligne d'alimentation (LC) dudit ensemble de lampes à décharge (L, L1, L2), ces moyens de conversion, de type fly- back , étant agencés pour opérer selon un mode de commutation à courant nul et comportant moyens transformateurs (TR1, TR2), et - des moyens (CG, CO) pour commander lesdits modules convertisseurs de façon à procurer un réglage de la puissance fournie audit ensemble de lampes à decharge (L, L1, L2), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens passifs (R, C) pour dissiper l'énergie de fuite accumulée dans la self-inductance de fuite des moyens transformateurs (TR1, TR2) lors de chaque commutation desdits moyens convertisseurs (FB), lesdits moyens transformateurs étant en outre conçus pour minimiser la dite énergie de fuite. 2. Dispositif (UC) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est structuré en plusieurs cartes de puissance (CP, CPi) comprenant chacune au moins un module convertisseur (FP) pourvu de moyens passifs de dissipation (R, C). 3. Dispositif (UC) selon la revendication dans lequel chaque module convertisseur comprend moins un transistor de puissance (Tl, T2) fixé à un élément dissipateur de chaleur (11, 12), caractérisé en ce que les moyens passifs de dissipation (R, C) sont en contact thermique avec au moins un desdits éléments dissipateurs de chaleur (11, 12). 4. Dispositif (UC) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins une carte de puissance (CP) comporte des moyens autonomes d'alimentation électrique (CR) à partir de la source de courant alternatif (AS). 5. Dispositif (UC) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens autonomes d'alimentation électrique (CR) comprennent - des moyens (PD1) pour délivrer une tension redressée à partir de la source de courant alternatif, et - des moyens de filtrage (F) disposés entre la source de courant alternatif et les moyens redresseurs (PDl). 6. Dispositif (UC) selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au moins une carte de puissance (CP) comporte en outre des moyens autonomes pour alimenter des moyens (AV) pour ventiler ladite carte. 7. Dispositif (UC) selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens autonomes pour alimenter les moyens ventilateurs (AV) sont reliés à un enroulement secondaire (S3) des moyens transformateurs (TR). 8. Dispositif (UC) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les moyens de commande (C0, CG) des modules convertisseurs sont agencés pour délivrer des ordres de commande (0, S) décalés pour chaque module convertisseur (FB) ou pour des groupes de modules convertisseurs. 9. Dispositif (UC) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de commande comprennent des moyens pour générer des signaux de commutation appliqués aux composants commandés (Tl, T2) des modules convertisseurs (FB), caractérisé en ce que les moyens de commande (CG) comprennent des moyens (T) pour contrôler les tensions d'alimentation desdits moyens générateurs de signaux de commutation. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (SC) pour neutraliser la commande des modules convertisseurs (FB).