Brevet FR2916583A1 — publié le 20081128

La présente invention a pour objet un montage électrique comportant un conditionneur d'énergie, tel qu'une alimentation sans interruption. Une alimentation sans interruption appelée système UPS (Uninterruptible Power Supply), est un dispositif permettant de protéger un matériel électronique, par exemple un ordinateur, un équipement médical, un dispositif de secours, un dispositif de télécommunication, un dispositif de traitement industriel contre les aléas électriques. Un système UPS comporte généralement une batterie apte à être utilisée pour alimenter le matériel électronique en cas de problème électrique sur le réseau électrique. La batterie est notamment utilisée en cas de micro-coupure de courant (c'est-à-dire de coupure électrique de quelques millièmes de seconde), en cas de coupure électrique, en cas de surtension (c'est-àdire lorsque la tension fournie par le réseau électrique présente une valeur nominale supérieure à la valeur maximale prévue pour le fonctionnement normal du matériel électronique), en cas de sous-tension (c'est-à-dire lorsque la tension fournie par le réseau électrique présente une valeur nominale inférieure à la valeur maximale prévue pour le fonctionnement normal du matériel électronique) et en cas de pics de tension (c'est-à-dire de surtensions instantanées de forte amplitude). D'autre part, les matériels électroniques sont généralement des charges non linéaires qui induisent des perturbations de courant et/ou de tension et sont donc une source considérable de perturbations dans le réseau électrique. Différents conditionneurs d'énergie ont été proposés avec compensation d'harmoniques et de puissance réactive. Cependant, dans ces conditionneurs, la tension de sortie et les courants d'entrée ne peuvent pas être commandés simultanément. La présente invention a pour but de proposer un montage électrique comportant un conditionneur d'énergie multi-fonctions qui réalise simultanément une alimentation sans coupure et un conditionnement en ligne avec un rendement élevé. Ce montage permet de compenser les perturbations harmoniques en courant et en tension, d'améliorer le facteur de puissance, de compenser les creux de tension et de régler efficacement la tension de sortie. A cet effet, l'invention a pour objet un montage électrique comportant une charge apte à être alimentée par un réseau électrique, ledit montage électrique comportant un conditionneur d'énergie disposé entre ledit réseau électrique et ladite charge, ledit conditionneur d'énergie comprenant une source d'alimentation continue ou batterie, caractérisé en ce que ledit conditionneur d'énergie comporte un premier convertisseur, dit convertisseur série, apte à générer une tension d'injection permettant de compenser les perturbations de la tension d'alimentation fournie à ladite charge par ledit réseau électrique, ledit conditionneur d'énergie comportant un deuxième convertisseur, dit convertisseur parallèle, apte à fournir un courant permettant de compenser les harmoniques de courant dus à ladite charge. Le deuxième convertisseur peut également permettre de compenser le facteur de puissance. Le but est que le courant réseau obtenu après compensation soit sinusoïdal et en phase avec la tension réseau. De préférence, ledit premier convertisseur comprend deux interrupteurs et un premier filtre formé par une inductance et un condensateur. De préférence, ledit deuxième convertisseur comprend deux interrupteurs et un deuxième filtre formé par une inductance. De préférence, le premier interrupteur, respectivement le deuxième interrupteur, du premier convertisseur, et le premier interrupteur, respectivement le deuxième interrupteur, du deuxième convertisseur étant reliés par un bus, un ensemble de deux condensateurs à point milieu étant connecté audit bus, le condensateur du filtre du premier convertisseur étant relié au réseau électrique, ledit condensateur du filtre du premier convertisseur et ladite charge sont reliés à un point de même potentiel que le point milieu des deux condensateurs. Selon un mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement 10 normal: tant que la tension d'alimentation fournie par ledit réseau électrique a une valeur comprise dans une plage de tolérance prédéterminée, la tension en sortie dudit premier convertisseur est sensiblement nulle, la tension aux bornes de ladite charge étant sensiblement égale à la tension 15 d'alimentation fournie par ledit réseau électrique, et, - en présence de perturbations de la tension d'alimentation fournie par ledit réseau électrique, ledit premier convertisseur fournit une tension d'injection permettant de compenser lesdites perturbations. Selon un mode de réalisation de l'invention, en mode de fonctionnement 20 normal, ledit deuxième convertisseur : fournit un courant destiné à compenser les harmoniques de courant dus à la ladite charge. - assure la charge de ladite batterie à partir de la puissance fournie par ledit réseau électrique. 25 De préférence, en mode de fonctionnement de secours, c'est-à-dire en cas d'interruption de l'alimentation par ledit réseau électrique : - ledit premier convertisseur fournit à la charge la totalité de la puissance nécessaire à partir de la batterie, ledit deuxième convertisseur est inactif L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : la figure 1 est un schéma électrique synoptique général (par blocs) d'un conditionneur d'énergie; la figure 2 est un schéma électrique d'un deuxième montage électrique comportant un conditionneur d'énergie selon un 15 mode de réalisation de l'invention ; et la figure 3 est un schéma fonctionnel par blocs des moyens de commande du convertisseur parallèle du conditionneur de la figure 1 ou de la figure 2. En se référant à la figure 1, on voit un montage électrique comportant un 20 conditionneur 1 disposé entre un réseau électrique 2 et une charge à protéger 3. Le réseau électrique 2 est apte à alimenter la charge 3. Le conditionneur 1 comporte une ligne d'alimentation AC 4, une ligne d'alimentation DC 5, une borne d'entrée BE et une borne de sortie Bs. Le conditionneur 1 comporte une batterie E, un premier convertisseur 6, 25 dit convertisseur série, et un deuxième convertisseur 7, dit convertisseur parallèle. Un transformateur 8 est disposé entre la borne d'entrée BE et le convertisseur série 6. Le primaire du transformateur d'injection 8 est connecté en série entre le réseau électrique 2 et la charge 3. Le secondaire est connecté à la sortie du convertisseur série 6. Un filtre 9 est placé à l'entrée du conditionneur entre le réseau électrique 2 et la borne BE pour limiter les perturbations harmoniques de tension de hautes fréquences. De même, un filtre est placé entre le deuxième convertisseur et la borne de sortie Bs pour limiter les composantes hautes fréquences de courant issues du convertisseur parallèle. La figure 2 montre un deuxième montage électrique. Les éléments du montage identiques au premier montage électrique sont désignés par le même chiffre de référence et ne sont pas décrits à nouveau. Ici, le montage électrique ne comporte pas de transformateur. Le convertisseur série 6 comprend deux interrupteurs TI et T2 et un filtre formé par une inductance Ls et un condensateur Cs. La sortie du filtre est 15 connectée en série avec la charge 3 et le réseau 2. Le convertisseur parallèle 7 comprend deux interrupteurs T3 et T4 et un filtre formé par une inductance Lf. La sortie du filtre est connectée à la charge 3. On notera que le premier convertisseur 6 est appelé convertisseur série 20 car la tension V;oad aux bornes de la charge 3 est égale à la somme de la tension fournie par le convertisseur 6 et de la tension V1et fournie par le réseau électrique 2. Le deuxième convertisseur 7 est appelé convertisseur parallèle car il est connecté en parallèle avec la charge 3. On va maintenant décrire le fonctionnement du conditionneur 1 en 25 partant d'un mode de fonctionnement normal dans lequel l'interrupteur SW1 est fermé, c'est-à-dire que le réseau électrique 2 est apte à alimenter la charge 3. Dans ce mode de fonctionnement, tant que la tension Vnet fournie par le réseau électrique 2 a une valeur comprise dans une plage de tolérance prédéterminée, la tension en sortie du convertisseur série 6 est sensiblement nulle et la tension Vload aux bornes de la charge 3 est sensiblement égale à la tension Vnet. Le convertisseur parallèle 7 fournit un courant if, par le biais de l'inductance Lf, pour annuler les harmoniques du courant au point de couplage P entre la ligne AC 4 et la charge 3. En outre, le convertisseur parallèle 7 assure la charge de la batterie E à partir de la puissance fournie par le réseau électrique 2. En présence de perturbations de la tension Vnet, par exemple creux de tension, oscillations et/ ou perturbations harmoniques, le convertisseur série 6 fournit une tension permettant de compenser les perturbations de la tension Vnet. On notera que seule une faible portion de la puissance d'alimentation, correspondant aux perturbations de la tension Vnet, est assurée par la batterie E via le convertisseur série 6, la majeur partie de la puissance d'alimentation provenant directement du réseau 2. Cela permet d'obtenir un rendement élevé comparé à une alimentation sans interruption conventionnelle. En cas d'interruption de l'alimentation en tension par le réseau 2, des moyens de commande (non représentés) commandent l'ouverture de l'interrupteur SW1 pour séparer le réseau électrique 2 et la charge 3. Les moyens de commande commandent simultanément la fermeture de l'interrupteur SW2. Dans ce mode de fonctionnement, dit de secours, le convertisseur série 6 agit en tant que convertisseur DC/AC et fournit à la charge 3 la totalité de la puissance nécessaire à partir de la batterie E. Dans le mode de fonctionnement de secours, le convertisseur parallèle 7 est inactif. On va maintenant décrire plus en détails le procédé de commande du conditionneur 1. La composante fondamentale du courant de charge iL est déterminée en utilisant une boucle à verrouillage de phase (non représentée). La figure 3 montre un schéma fonctionnel par blocs des moyens de commande 10 du convertisseur parallèle 7. Les moyens de commande 10 comprennent des moyens 11 de détermination des harmoniques destinés à recevoir en entrée la valeur instantanée du courant iL et à émettre en sortie la valeur instantanée du courant harmonique iharm correspondant. Les moyens de commande 10 comprennent des moyens 12 de détection des perturbations de la tension Vnet destinés à recevoir en entrée la valeur de la tension Vnet et à émettre en sortie, d'une part la valeur d'une tension de perturbation Vpert, et d'autre part un indicateur sin() synchronisé sur la tension fondamentale du réseau. Un soustracteur 13 permet de soustraire du courant iharm un courant io proportionnel à l'indicateur sin() pour obtenir un courant de référence iref. Un soustracteur 14 permet de soustraire le courant if du courant iref, le résultat obtenu étant transmis à un contrôleur de courant 15. Le contrôleur 15 commande les interrupteurs 16 du convertisseur parallèle, connectés à la batterie E, qui génère le courant if traversant l'inductance Lf. Les gains du contrôleur de courant 15 sont déterminés par exemple par la méthode du lieu des racines. Les moyens de commande (non représentés) du convertisseur série 6 utilisent le signal sinusoïdal synchronisé produit par la boucle à verrouillage de phase comme tension de référence pour alimenter la charge 3. En mode de fonctionnement de secours le signal sinusoïdal est généré pour maintenir la continuité de la tension de charge Vload. En mode de fonctionnement normal, la tension de référence est transmise à la boucle à verrouillage de phase et la tension injectée par le convertisseur série 6 est réglée par un contrôleur PID (Proportionnelle Intégrale Dérivée) présentant une bonne réponse en fréquence et une grande largeur de bande. De préférence, les convertisseurs 6, et 7 ont une largeur de bande 10 suffisante pour qu'ils puissent injecter les harmoniques jusqu'au 23ème sans déphasage significatif. Le conditionneur 1 combine ainsi les avantages d'un système UPS en ligne et d'un système UPS ligne-interactif. Le conditionneur 1 présente de bonnes caractéristiques transitoires, une bonne stabilité, une tension 15 de sortie de qualité, même lorsque la charge 3 est fortement non linéaire, un rendement plus élevé qu'un système UPS en ligne conventionnel, une très bonne capacité de réduction des harmoniques de tension et de courant et un facteur de puissance d'entrée proche de l'unité. Comme représenté sur la figure 2, le premier interrupteur T1 du premier 20 convertisseur 6 et le premier interrupteur T3 du deuxième convertisseur 7 sont reliés par un premier fil conducteur 17. De même le deuxième interrupteur T2 du premier convertisseur 6 et le deuxième interrupteur T4 du deuxième convertisseur 7 sont reliés par un deuxième fil conducteur 18. Ces deux fils conducteurs 17,18 forment un bus dit continu du fait de 25 la connection à ce bus de source d'énergie continue telle que la batterie E. En outre, il est prévu un ensemble de deux condensateurs Cdc1,Cdc2 à point milieu, qui est connecté au bus continu 17,18, c'est-à-dire que cet ensemble de deux condensateur Cdcl,Cdc2 est connecté d'une part au premier fil conducteur 17 et d'autre part au deuxième fil conducteur 18. On entend par point milieu le fait que les deux condensateurs Cdc 1 et Cdc2 sont reliés à un même point, à la manière d'un diviseur de tension. Le condensateur Cs du filtre du premier convertisseur 6 est relié au réseau électrique 2. Le condensateur Cs du filtre du premier convertisseur 6 et la charge 3 sont également reliés à un point de même potentiel que le point milieu des deux condensateurs Cdci,Cdc2• Il résulte d'un tel montage qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un transformateur pour pouvoir injecter une tension en série avec le réseau électrique. En outre, grâce un tel conditionneur représenté à la figure 2, le premier convertisseur 6 et le deuxième convertisseur 7 ne nécessitent chacun que deux interrupteurs T1,T2 et T3,T4. Ainsi, l'absence de transformateur et le nombre réduit d'interrupteur 15 permet de réduire la taille, le poids et le prix du conditionneur 1 par rapport à un système UPS en ligne conventionnel. Pour des creux de tension de courte durée, on peut également se passer de la batterie E, en modifiant en conséquence le procédé de commandes du deuxième convertisseur 7. 20 Bien que l'invention ait été décrite en relation avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Montage électrique comportant une charge (3) apte à être alimentée par un réseau électrique (2), ledit montage électrique comportant un conditionneur d'énergie (1) disposé entre ledit réseau électrique (2) et ladite charge (3), ledit conditionneur (1) comprenant une source d'alimentation continue ou batterie (E), caractérisé en ce que ledit conditionneur d'énergie (1) comporte un premier convertisseur (6), dit convertisseur série, apte à générer une tension d'injection (Vini) permettant de compenser des perturbations de la tension d'alimentation (Vnet) fournie à ladite charge (3) par ledit réseau électrique (2), ledit conditionneur (1) comportant un deuxième convertisseur (7), dit convertisseur parallèle, apte à fournir un courant (if) permettant de compenser les harmoniques de courant dus à ladite charge (3). 2. Montage électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier convertisseur (6) comprend deux interrupteurs (T1 et T2) et un premier filtre formé par une inductance (Lb) et un condensateur (Ce). 3. Montage électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit deuxième convertisseur (7) comprend deux interrupteurs (T3 et T4) et un deuxième filtre formé par une inductance (Lf). 10 4. Montage électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, le premier interrupteur (T1), respectivement le deuxième interrupteur (T2), du premier convertisseur (6), et le premier interrupteur (T3), respectivement le deuxième interrupteur (T4), du deuxième convertisseur (7) étant reliés par un bus (17,18), un ensemble de deux condensateurs (Cdcl,Cdc2) à point milieu étant connecté audit bus (17,18), le condensateur (Cg) du filtre du premier convertisseur (6) étant relié au réseau électrique (2), ledit condensateur (Cs) du filtre du premier convertisseur (6) et ladite charge (3) sont reliés à un point de même potentiel que le point milieu des deux condensateurs (Cdci,Cdc2)• 5. Montage électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, en mode de fonctionnement normal : tant que la tension d'alimentation (Vnet) fournie par ledit réseau électrique (2) a une valeur comprise dans une plage de tolérance prédéterminée, la tension (V;ni) en sortie dudit premier convertisseur (6) est sensiblement nulle, la tension (Vload) aux bornes de ladite charge (3) étant sensiblement égale à la tension d'alimentation (Vnet) fournie par ledit réseau électrique (2), et, en présence de perturbations de la tension d'alimentation (Vnet) fournie par ledit réseau électrique (2), ledit premier convertisseur (6) fournit une tension d'injection (V;ni) permettant de compenser lesdites perturbations. 6. Montage électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en mode de fonctionnement normal, ledit deuxième convertisseur (7) : -fournit un courant (if) destiné à annuler les harmoniques du courant traversant ladite charge (3), - assure la charge de ladite batterie (E) à partir de la puissance fournie par ledit réseau électrique (2). 7 Montage électrique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que, en mode de fonctionnement de secours, c'est-à- dire en cas d'interruption de l'alimentation par ledit réseau électrique (2) : ledit premier convertisseur (6) fournit à la charge (3) la totalité de la puissance nécessaire à partir de la batterie (E), ledit. deuxième convertisseur (7) est inactif.