Brevet FR2939248A1 — publié le 20100604

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE, ET INSTALLATION DE COMMANDE D'UN SECTIONNEUR INCLUANT UN TEL DISPOSITIF Domaine technique L'invention se rattache au domaine des dispositifs d'alimentation électrique autonomes, destinés à alimenter en énergie divers appareils électriques. Elle trouve une application particulière pour l'alimentation d'appareillages électromécaniques, et en particulier des sectionneurs et autres organes de coupure ou de reconfiguration de circuits électriques. Ainsi, dans la suite de la description, l'invention sera décrite plus en détail dans l'application de la commande de sectionneur, mais elle couvre d'autres applications fonctionnant sur le même principe. Techniques antérieures De façon générale, les sectionneurs peuvent être implantés dans des zones où l'alimentation électrique en basse tension peut être interrompue, ou inexistante. Il est toutefois indispensable pour manoeuvrer un sectionneur qu'une source d'énergie soit disponible pour pouvoir assurer le mouvement des pièces mobiles, lorsque la reconfiguration d'un circuit est nécessaire. Diverses solutions peuvent être envisagées pour bénéficier d'une source d'énergie autonome, et ce avec des degrés de souplesse d'utilisation variable. Ainsi, l'emploi de groupes électrogènes peut être envisagé, pour produire une énergie électrique à partir d'un moteur thermique. Toutefois, l'alimentation en carburant et la gestion de ce dernier pose des problèmes de logistique évidents. En outre, de telles solutions ne sont pas envisageables dans certaines conditions climatiques. Une autre solution consiste à utiliser un dispositif de génération d'énergie électrique fonctionnant à partir de panneaux photovoltaïques. Ainsi, de façon classique, il existe des sources d'alimentation qui comportent un panneau de 2939248 -2- cellules photovoltaïques convertissant l'énergie solaire en une tension électrique, elle-même appliquée aux bornes d'une batterie d'accumulateurs. Un convertisseur statique continu/continu permet de délivrer une tension 5 régulée à partir de la tension présente aux bornes de la batterie d'accumulateurs. Cette solution présente toutefois des inconvénients dans la mesure où les batteries d'accumulateurs sont fortement sollicitées dans les cas de consommation importante. Or, dans le cas de commande de sectionneurs, les courants prélevés sur 10 la batterie sont importants pendant de très courtes durées correspondant aux phases de mouvement des organes mobiles. Le reste du temps, les batteries ne sont pas sollicitées. Par conséquent, les solutions envisageables ce jour nécessitent un 15 surdimensionnement des batteries qui est préjudiciable économiquement. A l'inverse, un sous-dimensionnement des batteries conduit inévitablement à une usure prématurée de celles-ci, qui provoque des coûts de maintenance importants. L'objectif de l'invention est de fournir une solution qui soit facile à mettre en 20 oeuvre, qui présente une grande fiabilité, et qui permette un dimensionnement raisonnable de la batterie d'accumulateurs, afin de ne pas augmenter de façon déraisonnable le coût d'une installation. Exposé de l'invention 25 L'invention concerne donc un dispositif d'alimentation destiné à délivrer une tension continue à une charge électrique. De façon classique, ce dispositif comporte : ^ une source d'énergie photovoltaïque, 30 ^ une batterie d'accumulateurs connectés aux bornes de la source d'énergie, 2939248 -3- ^ un convertisseur continu/continu, dont les bornes d'entrée sont connectées aux bornes de la batterie d'accumulateurs et les bornes de sortie sont connectés à la charge. 5 Conformément à l'invention, ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte également un super-condensateur, dont les bornes sont connectées aux bornes de sortie dudit convertisseur, de sorte que le super-condensateur se trouve en parallèle de la charge. 10 Autrement dit, l'invention consiste à utiliser un super-condensateur qui permet de stocker de l'énergie pendant les phases où les éléments photovoltaïques sont actifs et produisent de l'énergie. Ainsi, ce super-condensateur permet de délivrer l'énergie, et en particulier les forts courants qui sont prélevés lors des phases de consommation de la charge. De la sorte, l'énergie est fournie, de façon 15 privilégiée, par le super-condensateur et non par la batterie d'accumulateurs, ce qui permet de limiter l'usure de cette dernière dans le temps. En outre, le nombre de cycles de charge et de décharge d'un super-condensateur peut être très élevé, de l'ordre de plusieurs centaines de milliers de 20 cycles, sans réelle incidence sur la fiabilité de l'installation. Les supers condensateurs présentent l'avantage de pouvoir être déchargés de façon quasi complète sans modification de leurs caractéristiques électriques, alors qu' à l'inverse, des décharges profondes imposées aux batteries d'accumulateurs 25 provoquent inexorablement la dégradation de leurs propriétés électriques. Ainsi, grâce à l'invention, la batterie d'accumulateurs peut-être dimensionnée de façon particulièrement réduite et optimisée. 30 En pratique, le convertisseur continu/continu peut être le convertisseur élévateur de tension, permettant par exemple d'utiliser une batterie standard de 12 Volts, compatibles avec les panneaux photovoltaïques les plus répandus, afin de 2939248 -4- générer une tension globalement de l'ordre de 48 Volts, fréquemment employée dans les dispositifs de commande électrique, de sectionneurs en particulier. Avantageusement en pratique, le dispositif comporte une unité de commande 5 électronique, assurant la gestion du fonctionnement du convertisseur. Cette unité permet en particulier d'activer le convertisseur lorsque la tension aux bornes du super-condensateur passe en dessous d'un seuil prédéterminé. Autrement dit, lorsque la charge a consommé une énergie qui fait que la 10 tension aux bornes du super-condensateur a diminuée substantiellement, le convertisseur se met en fonctionnement pour assurer la recharge du super-condensateur. Cette recharge se fait prioritairement directement à partir du panneau 15 photovoltaïque lorsque celui-ci est opérationnel. En pratique, l'invention permet d'utiliser des batteries d'accumulateurs de faible capacité par rapport aux solutions traditionnelles. Cette faible capacité s'évalue par rapport à une capacité du super-condensateur. 20 Ainsi, en pratique, on privilégie les dimensionnements dans lesquels le rapport C x U / K est supérieur à 40 pour lesquels : ^ C est la capacité du super-condensateur exprimé en Farads, ^ U est la tension nominale de sortie du convertisseur continu, exprimé 25 en Volts ; ^ K est la capacité de la batterie d'accumulateurs, exprimé en Ampère : heure. Avantageusement en pratique, le dispositif d'alimentation peut comporter 30 également un organe assurant la régulation de la charge de la batterie à partir de l'énergie photoélectrique délivrée par la source d'énergie photovoltaïque. Un tel 2939248 -5- système permet en particulier d'éviter la surcharge de la batterie d'accumulateurs lorsque le panneau photovoltaïque continue à produire de l'énergie. En pratique, la capacité du super-condensateur est typiquement supérieure à 5 la dizaine de Farads, pour une tension nominale de 48 Volts plus ou moins 5 %. Comme déjà évoqué, l'invention concerne une installation de commande d'un sectionneur électrique incluant un moteur électrique actionnant les organes mobiles du sectionneur, et une unité de commande électrique assurant la 10 commande dudit moteur. Cette installation se caractérise en ce que le moteur et l'unité de commande électrique sont alimentés par un dispositif d'alimentation tel que décrit ci-avant. 15 Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui de l'unique figure annexée qui est un schéma électrique simplifié montrant les différents organes principaux intervenant dans l'invention. 20 Manière de réaliser l'invention Comme on le peut le voir sur la figure, le dispositif d'alimentation 1 comprend un panneau photovoltaïque 2, délivrant typiquement une tension de 12 Volts avec une puissance nominale de 20 Watts. Ce panneau photovoltaïque 2 25 est relié à un dispositif de régulation de charge 3 ou chargeur, dont les bornes de sortie 4, 5 sont connectées aux bornes 6 et 7 d'une batterie d'accumulateur 8. Cette batterie présente une tension nominale de l'ordre de 12 Volts, et une capacité de l'ordre de 12 Ampère/heure. Aux bornes 6, 7 de la batterie 8, est connecté un convertisseur statique continu/continu 10. Les bornes d'entrée 11, 12 du convertisseur sont donc 30 2939248 -6- directement reliées aux bornes de sortie 4, 5 du chargeur 3, de sorte que le convertisseur 10 est alimenté directement par le panneau photovoltaïque 2, lorsque ce dernier est opérationnel. 5 Les bornes de sortie 13, 14 du convertisseur statique 10 sont reliées aux bornes 20, 21 de la charge 22.Cette charge est, dans le cas d'une installation de commande de sectionneur, constituée du moteur électrique assurant le mouvement des pièces mobiles du sectionneur, et l'unité de commande électronique assurant la commande de ce moteur. 10 De façon classique, les moteurs classiquement utilisés pour la commande des sectionneurs fonctionnent sous les tensions nominales de 48 Volts, mais l'invention n'est en aucun cas limitée à ces valeurs, ni même aux valeurs nominales de 12 Volts énoncés pour le panneau photovoltaïque et la batterie 15 d'accumulateurs. Conformément à l'invention, un super-condensateur 30 est disposé en parallèle de la charge 1, entre les bornes de sortie 13, 14 du convertisseur 10. 20 Une unité de commande électronique 38 assure la supervision et la gestion de l'ensemble du dispositif d'alimentation. Ainsi, cette unité de commande assure la gestion du convertisseur de tension 10, et ainsi que la gestion du dispositif régulateur de charge 3. 25 L'actionnement du dispositif d'alimentation est le suivant. En présence d'énergie lumineuse le panneau photovoltaïque 2 alimente la batterie d'accumulateurs 8, qui alimente à son tour le super-condensateur par l'intermédiaire du convertisseur 10. Plus précisément, le dispositif 3 de régulateur de charge assure la surveillance de la charge de la batterie 8 pour éviter toute surcharge et toute dégradation de 30 2939248 -7- cette dernière. Ainsi, dans le cadre de production d'énergie par le panneau photovoltaïque alors que la batterie 8 est déjà correctement chargée, le dispositif de régulation de charge 3 interrompt la charge de la batterie. 5 Par ailleurs, le convertisseur statique 10 permet d'augmenter la tension de sortie de la batterie afin de délivrer au super-condensateur une tension plus élevée, correspondant à la tension nominale de fonctionnement de la charge. Ce convertisseur 10 est géré par l'unité de commande 38 dont le rôle est de 10 maintenir correctement la charge du super-condensateur, et éviter sa dégradation, en particulier par une surcharge excessive. L'unité de commande 38 opère également une gestion du remplissage du super-condensateur. Ainsi, celui-ci ne peut se faire que si le niveau de charge de la batterie (ou le niveau de tension) est suffisant, ce qui permet de se prémunir d'une décharge éventuelle de la batterie ce 15 qui pourrait conduire, si le niveau de décharge était trop important, à endommager, voire détruire la batterie. Ce système permet donc aussi de protéger la batterie par la gestion via l'unité de contrôle 38 du remplissage ou non du super-condensateur en fonction du niveau de tension de la batterie. 20 Lorsque la charge 22 a consommé une énergie qui fait descendre la charge électrique du super-condensateur en dessous d'un seuil prédéterminé, et en l'absence de soleil, c'est la batterie d'accumulateur 8 qui alimente le super-condensateur par la gestion appropriée du convertisseur élévateur 10. Autrement dit, le super-condensateur assure l'alimentation de la charge, en particulier pour les 25 fortes demandes de courant. De la sorte, ce qui précède que le dispositif conforme à l'invention permet d'utiliser une batterie d'accumulateur de relativement faible capacité, présentant donc un poids moindre et un coût réduit. De même, puisque les forts courants sont 30 fournis par le super-condensateur, la batterie subit une moindre usure dans le temps, et voit donc sa durée de vie accrue, typiquement d'un facteur multiplicatif supérieur à 3. En outre, le nombre de charge et décharge subit par le super- -8- condensateur peut atteindre plusieurs centaines de milliers sans dégradation de ses propriétés électriques, et donc lui-même de consommation excessive sur la batterie d'accumulateur. REVENDICATIONS1/ Dispositif d'alimentation (1) destiné à délivrer une tension continue à une charge (22), comportant : ^ une source d'énergie photovoltaïque (2), ^ une batterie d'accumulateurs (8) reliée aux bornes de sortie (4,5) de la source photovoltaïque (2), ^ un convertisseur continu/continu (10) dont les bornes d'entrée (11, 42) sont connectées aux bornes (6, 7) de la batterie d'accumulateurs (8), et les bornes de sortie (13, 14) sont connectées à la charge (22), caractérisé en ce qu'il comprend également un super-condensateur (30) dont les bornes sont connectées aux bornes de sortie (13, 14) du convertisseur (10), en parallèle sur la charge (22). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur (10) continu/continu est élévateur de tension. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande électronique (28) assurant la gestion du fonctionnement du 20 convertisseur (10). 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur (10) est activé lorsque la tension aux bornes du super-condensateur (30) passe en dessous d'un seuil prédéterminé. 25 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport C.U/K est supérieure 40, où : ^ C a la capacité du super-condensateur (30), exprimé en Farad ; ^ U est la tension nominale de sortie du convertisseur (10), exprimé en Volt ; 30 ^ K est la capacité de la batterie d'accumulateurs (8), exprimée en Ampère.heure, 2939248 -10- 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (3) assurant la régulation de la charge de la batterie d'accumulateur (8) à partir de l'énergie électrique délivrée par la source d'énergie photovoltaïque (2). 5 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité du super-condensateur (30) est supérieure à 10 Farads, pour une tension nominale de 48 Volts, +1- 5%. 8/ Installation de commande d'un sectionneur, incluant un moteur électrique 10 actionnant les organes mobiles du sectionneur, et une unité de commande électrique assurant la commande dudit moteur, caractérisé en ce que ledit moteur et ladite unité de commande électronique sont alimentés par un dispositif selon les revendications 1 à 7.