Brevet FR2970124A1 — publié le 20120706

DISPOSITIF DE RACCORDEMENT D'UN APPAREIL ÉLECTRIQUE MONOPHASÉ SUR UNE INSTALLATION ÉLECTRIQUE TRIPHASÉE ET SYSTEME COMPORTANT DE TELS DISPOSITIFS Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de raccordement d'un appareil électrique monophasé sur une installation électrique triphasée qui permet un équilibrage des phases de l'installation électrique. L'invention concerne également un système de branchement de plusieurs appareils électriques monophasés sur une même installation triphasée. L'invention trouve des applications dans le domaine des branchements électriques et, en particulier, celui des installations électriques à forte puissance telles que les installations électriques des industries et autres bâtiments professionnels ou logements particuliers. Elle trouve également des applications dans le domaine des réseaux de distribution d'électricité intelligents pour optimiser la production et la distribution d'électricité. Etat de la technique Les installations électriques à forte puissance sont généralement des installations triphasées, c'est-à-dire des installations alimentées en courant triphasé qui offre l'avantage de générer moins de pertes, lors du transport de l'électricité, que le courant monophasé. Il est donc intéressant, dans les installations à forte puissance électrique, d'utiliser un tel courant triphasé. De plus, la plupart des moteurs et des grosses machines électriques sont conçus pour être alimentés en courant triphasé. Les installations électriques comportant de tels moteurs ou machines électriques sont donc alimentées en courant triphasé. Toutefois, la plupart des appareils électriques du marché, notamment les appareils de bureautique, sont conçus pour être alimentés en courant monophasé. Or, le raccordement de tels appareils monophasés sur une installation triphasée est délicat : la puissance des appareils monophasés doit être répartie de façon équilibrée sur les trois phases de l'installation triphasée. En effet, un déséquilibre des charges sur les trois phases entraînerait différents problèmes, tels qu'une utilisation inefficace des ressources, une baisse de la qualité de l'alimentation électrique, un surdimensionnement de la section des câbles d'alimentation et/ou des pertes thermiques. Par exemple, si l'on considère un premier appareil de 10 ampères, appelé appareil A, un deuxième appareil de 2 ampères, appelé appareil B, un troisième appareil de 3 ampères, appelé appareil C, un quatrième appareil de 10 ampères, appelé appareil D, et un cinquième appareil de 5 ampères, appelé appareil E. Une répartition équilibrée des charges, c'est-à- dire de la puissance totale sur chaque phase, consisterait à installer les appareils B, C et E sur une première phase de l'installation triphasée, l'appareil A sur une deuxième phase et l'appareil D sur une troisième phase. De cette façon, la charge serait identique sur chaque phase de l'installation. Pour obtenir un tel raccordement équilibré, il est nécessaire qu'un électricien ou un opérateur électrique étudie la puissance des appareils à raccorder pour répartir leurs charges sur les trois phases de l'installation. Si cette répartition est réalisée de façon aléatoire ou peu rigoureuse avec, par exemple, l'appareil A sur la première phase, l'appareil B et l'appareil C sur la deuxième phase, l'appareil D et l'appareil E sur la troisième phase, alors l'installation est déséquilibrée. Or, un tel déséquilibre entraîne les problèmes suivants : - une utilisation inefficace des ressources : la charge la plus élevée (sur la troisième phase) étant de 15 ampères, l'utilisateur de l'installation doit veiller à ce que son installation puisse fonctionner pour un courant de 15 ampères. Pour cela, l'utilisateur doit avoir souscrit, auprès de son fournisseur d'électricité, un abonnement pour un courant d'au moins 45 ampères (15 ampères sur chaque phase). Or, les première et deuxième phases n'étant jamais chargées à plus, respectivement, de 10 et 5 ampères, l'installation n'utilise pas toute l'énergie fournie, ce qui entraine une perte financière. Dans le cas où l'utilisateur n'aurait pas souscrit un abonnement de 45 ampères (15 ampères par phase), alors son installation ne pourrait fonctionner avec tous les appareils raccordés ; l'installation disjoncterait. Pour fonctionner, l'utilisateur serait obligé de débrancher au moins un des appareils monophasés de la troisième phase. - une baisse de la qualité de l'alimentation due à des pointes de consommation sur une des phases, ce qui peut entrainer des chutes de tension ponctuelles sur les autres phases. Ces chutes de tension se traduisent par une baisse de puissance de certains appareils ou moteurs, monophasés ou triphasés, raccordés à l'installation. - un surdimensionnement de la section des câbles électriques. On sait, en effet, que les câbles électriques sont dimensionnés en fonction de l'intensité maximale qui doit les traverser. Dans le cas d'une installation déséquilibrée, les câbles devront avoir une section plus grande sur la phase la plus chargée (la troisième phase dans l'exemple précédent), ce qui les rendra plus difficiles à installer. La section des câbles associée à l'installation plus difficile de ces câbles a pour effet d'augmenter le coût de l'installation. - une augmentation des pertes thermiques : la puissance thermique dissipée par une charge est calculée par la formule P = R x 12, où P est la puissance en Watts (W), R la résistance en Ohms (0) et 1 l'intensité en Ampères (A). Dans l'exemple précédent, les pertes thermiques de l'installation seraient de 35 000 x R lorsqu'elle est déséquilibrée, au lieu de 30 000 x R, dans le cas où elle serait équilibrée (à 10 A par phase). Dans l'exemple précédent, les charges des appareils sont faciles à équilibrer. Toutefois, dans la réalité, le nombre d'appareils à raccorder sur une installation étant souvent élevé, leurs charges sont difficiles à équilibrer. En outre, une étude doit être faite, en amont, pour identifier et définir les appareils susceptibles de fonctionner en même temps. Un opérateur électrique doit donc intervenir pour réaliser cette étude et répartir les charges de façon équilibrée sur chaque phase de l'installation. On comprend bien que l'étude et l'intervention de l'opérateur électrique ont un coût non négligeable. Il est à noter, en outre, qu'une installation équilibrée au moment du raccordement à l'installation peut se déséquilibrer par la suite, notamment en cas d'ajout, de suppression ou de modification d'un ou plusieurs appareils, en cas de réaménagement des locaux ou de modification du fonctionnement des appareils. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un dispositif de raccordement d'un appareil électrique monophasé sur une installation triphasée permettant d'équilibrer la charge sur chaque phase de l'installation. Ce dispositif de raccordement est monté sur les trois phases de l'installation triphasée et il comprend des moyens pour faire commuter l'appareil monophasé d'une phase à une autre de l'installation, en fonction de la puissance consommée de l'appareil. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de raccordement d'un appareil électrique monophasé sur une installation électrique triphasée, caractérisé en ce qu'il comporte : - un module de mesure apte à mesurer une puissance électrique consommée par l'appareil monophasé ; - un module de commutation apte à connecter l'appareil monophasé sur une des phases de l'installation triphasée, et - un module de commande apte à sélectionner une des phases de l'installation triphasée en fonction de la puissance mesurée de l'appareil monophasé et à commander le module de commutation. Ce dispositif permet de moduler le branchement des appareils sur l'installation au moment de la mise en place de l'installation ou ultérieurement, au fur et à mesure des modifications de l'installation. L'invention concerne également un système de branchement d'appareils électriques monophasés sur une installation électrique triphasée. Ce système se caractérise par le fait qu'il comporte au moins deux dispositifs de raccordement tels que décrits précédemment, chaque dispositif étant relié, d'une part, à un appareil monophasé et, d'autre part, à l'installation triphasée. Ce système a l'avantage d'assurer un équilibre des phases de l'installation en tenant compte de tous les appareils branchés sur ladite installation. Ce système peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il comporte une unité de mesure montée en tête de l'installation triphasée pour mesurer une puissance totale supportée par chaque phase de l'installation triphasée. - il comporte au moins deux unités de mesure montées chacune en sortie de l'installation triphasée sur les phases P1, P2, P3 de l'installation triphasée. - l'unité de mesure est reliée au module de commande de chaque dispositif de raccordement. Brève description des dessins La figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif de raccordement selon l'invention. La figure 2 représente un schéma de principe d'un système de branchement selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention concerne un dispositif de raccordement permettant de brancher un appareil électrique monophasé sur une installation électrique triphasée en équilibrant la charge sur chaque phase de ladite installation triphasée. Ce dispositif de raccordement est conçu pour être branché sur les trois phases de l'installation triphasée et commuter l'appareil monophasé sur l'une ou l'autre des trois phases en fonction de la charge totale mesurée sur chaque phase. On a représenté, sur la figure 1, un exemple d'un dispositif de raccordement selon l'invention. Ce dispositif de raccordement 1 est branché entre l'installation triphasée 2 et l'appareil monophasé 3. Il comporte : - cinq entrées : trois entrées reliées aux trois phases P1, P2, P3 de l'installation triphasée, une entrée reliée au neutre N (potentiel de références des trois phases) de l'installation et une entrée reliée à la terre T (potentiel zéro) de l'installation. - trois sorties : une sortie S reliée à l'appareil monophasé, une sortie N reliée au neutre de l'appareil et une sortie T reliée directement à la terre de l'installation triphasée via l'entrée T. La figure 1 montre que le dispositif de raccordement comporte un module de commutation 10, un module de mesure 20 de la puissance consommée par l'appareil monophasé 3 et un module de commande 30 pour commander le module de commutation 10. Le module de commutation 10 est branché, via ses entrées, sur les trois phases P1, P2 et P3 de l'installation triphasée. Ce module de commutation 10 a pour rôle de faire basculer la connexion électrique entre l'appareil monophasé 3 et l'une ou l'autre des trois phases de l'installation triphasée 2. Le choix de la phase P1, P2, P3 sur laquelle doit être connecté l'appareil monophasé 3 est fonction de la puissance consommée par l'appareil monophasé. Pour cela, le dispositif de raccordement comporte un module de mesure 20 qui détermine en temps réel la puissance consommée par l'appareil monophasé 3. Ce module de mesure est branché sur la sortie S et la sortie N de l'appareil monophasé. Dans un mode de réalisation de l'invention, le module de mesure 20 est un wattmètre apte à mesurer une puissance en Watts. Ce wattmètre peut être intégré au module de commande 30. Il peut également être un élément indépendant, relié à l'entrée du module de commande 30. Le module de commande 30 est connecté entre le module de mesure 20 et le module de commutation 10. Il peut aussi être intégré dans le module de commutation 10. Le rôle de ce module de commande 30 est de sélectionner une des phases de l'installation triphasée en fonction de la mesure de puissance fournie par le module de mesure 20 et de commander le module de commutation 10. La sélection de la phase est réalisée en fonction également d'une information de puissance totale de chaque phase de l'installation triphasée fournie par l'installation triphasée, comme expliqué ultérieurement. A réception de la valeur mesurée de la puissance consommée par l'appareil monophasé et de l'information de puissance totale des phases de l'installation triphasée, le module de commande 30 détermine sur quelle phase l'appareil monophasé doit être branché. Il commande alors la commutation du module de commutation 10 afin d'assurer la connexion de l'appareil monophasé sur la phase choisie. De cette façon, l'appareil monophasé est branché sur la phase la moins chargée de l'installation triphasée. Le dispositif de raccordement peut être physiquement situé dans un boîtier qui remplace alors un simple domino électrique. Il peut également être inséré dans une prise électrique. Dans ces deux variantes, le dispositif de raccordement est situé sur l'installation triphasée. C'est alors à l'utilisateur chargé du câblage du bâtiment d'installer les différents dispositifs de raccordement, l'équilibrage des phases de l'installation étant obtenu automatiquement. Dans une troisième variante, le dispositif de raccordement est monté à demeure sur l'appareil électrique monophasé : il est alors installé dans la fiche de secteur de l'appareil monophasé à raccorder. Dans cette variante, c'est au fabricant d'appareils monophasés (appareils électroménagers, appareils d'éclairage, ordinateurs, etc.) d'intégrer le dispositif de raccordement à la fiche de secteur, l'équilibrage des phases de l'installation étant obtenu automatiquement au branchement de l'appareil. Un dispositif de raccordement tel que décrit précédemment peut être associé à un ou plusieurs autres dispositifs identiques, au sein d'un système de branchement d'appareils électriques monophasés sur une installation électrique triphasée. Un exemple d'un tel système de branchement est représenté sur la figure 2. Ce système comporte une pluralité de sous-circuits scl, sc2, comportant chacun une pluralité de dispositifs de raccordement, respectivement 1 a, 1 b, 1c et 1d, 1 e, reliés chacun, respectivement, à un appareil monophasé 3a, 3b, 3c et 3d, 3e. Dans l'exemple de la figure 2, deux sous-circuits scl, sc2 ont été représenté, étant entendu que le nombre de sous-circuits peut varier d'une installation à une autre. De même, le nombre de dispositifs de raccordement de chaque sous-circuit peut varier en fonction du nombre d'appareils monophasés à brancher sur le sous-circuit.. Chacun de ces dispositifs de raccordement est identique au dispositif décrit précédemment. Chaque dispositif a cinq entrées reliées aux phases P1, P2 et P3, au neutre N et à la terre T de l'installation triphasée. Les dispositifs de raccordement 1 a, 1 b, l c d'un sous-circuit scl sont connectés en parallèle les uns avec les autres. Ce système comporte en outre au moins une unité de mesure 4. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, une seule unité de mesure 4 est montée en tête de l'installation triphasée 2, sur chaque phase de ladite installation triphasée. Comme montré sur la figure 2, dans ce mode de réalisation, l'unité de mesure 4 est montée entre l'alimentation générale 5 (elle-même reliée au réseau électrique général 6) et les sous-circuits scl, sc2 de l'installation triphasée 2 pour mesurer la charge sur la totalité des phases de l'installation 2. Dans un autre mode de réalisation, le système comporte au moins une unité de mesure 4 montée en tête d'un sous-circuit sc1. De préférence, le système comporte plusieurs unités de mesure 4 montées chacune en tête d'un sous-circuit sc1, sc2 de l'installation triphasée 2, chaque unité de mesure 4 mesurant la charge sur les trois phases P1, P2, P3 et le neutre N du sous-circuit en tête duquel elle est montée. Selon l'invention, l'unité de mesure 4 peut être un wattmètre. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'unité de mesure 4 est un wattmètre apte à mesurer la charge totale de chaque phase P de l'installation triphasée 2, c'est-à-dire la puissance totale, en Watt, supportée par chaque phase de l'installation triphasée. Cette unité de mesure 4 fournit l'information de puissance totale de chaque phase de l'installation triphasée à chaque dispositif de raccordement. Elle fournit ainsi, au système, une information sur un état d'équilibre ou de déséquilibre des phases de l'installation, l'état d'équilibre ou de déséquilibre étant obtenu par comparaison de la puissance totale mesurée sur chaque phase de l'installation triphasée : si la puissance mesurée est égale sur chacune des phases, alors l'installation est dans un état d'équilibre ; si la puissance mesurée est inégale sur au moins deux phases, alors l'installation est dans un état de déséquilibre. De préférence, cette unité de mesure 4 est reliée, par une liaison C, au module de commande de chaque dispositif de raccordement 1 a, 1 b, 1c afin de communiquer avec ledit module de commande. La liaison C peut être une liaison filaire ou une liaison sans fil. Par exemple, la communication entre l'unité de mesure 4 et les modules de commande des dispositifs 1 a, 1 b, 1c peut être réalisée par une liaison filaire, selon la technologie CPL des courants porteurs en ligne qui utilise le réseau électrique existant comme support de communication. Un exemple de communication par CPL est défini par les standards IEEE P1901. Elle peut aussi être réalisée par une liaison radio au moyen, par exemple, d'un réseau maillé à protocole Zigbee (tel que décrit dans la norme IEEE802.15.4). Cette communication entre les modules de commande 30 et l'unité de mesure 4 permet de gérer la commande des modules de commutation 10 en 35 fonction, non seulement, de l'appareil monophasé auquel le module de commande est relié, mais aussi de tous les appareils monophasés branchés sur la même installation. Ainsi, dans le système de l'invention, le module de commande 30 de chaque dispositif de raccordement commande le module de commutation 10 auquel il est relié, en temps réel, en fonction des informations suivantes : - l'information fournie par le module de mesure 20 sur la puissance consommée par l'appareil monophasé 3; - l'information fournie par l'unité de mesure 4 sur l'état d'équilibre ou de déséquilibre des trois phases de l'installation triphasée 2; et - éventuellement, les informations fournies par les autres modules de commande sur la puissance consommée par les autres appareils monophasés raccordés sur la même installation triphasée. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système de branchement est intelligent : il intègre une technologie d'intelligence artificielle. La technologie d'intelligence artificielle utilisée dans l'invention est une technologie multi-agents qui permet de concevoir un système autonome qui tend en permanence vers un équilibre des phases. Dans ce mode de réalisation, le module de commande de chaque dispositif de raccordement héberge un agent, c'est-à-dire un micro processeur apte à exécuter des codes instructions et à prendre des décisions en fonction des informations disponibles, à savoir : - la puissance consommée par l'appareil monophasé, - la puissance consommée par les autres appareils monophasés raccordés à l'installation triphasée, et - un état d'équilibre ou de déséquilibre des phases de l'installation. L'ensemble de ces agents forme un système multi-agents qui s'adapte, en temps réel, aux consommations électriques des différents appareils raccordés sur l'installation triphasée et qui équilibre en permanence les trois phases de l'installation. Dans un autre mode de réalisation, le module de commande 30 de chaque dispositif de raccordement est relié à une unité centrale, non représentée sur les figures, chargée d'analyser l'état d'équilibre ou de déséquilibre des trois phases de l'installation, et de piloter les différents modules de commutation. L'unité centrale a pour rôle de récolter les différentes informations de consommation de puissance et d'équilibre des phases de l'installation, traiter ces informations en temps réel et envoyer les ordres de commutation vers les modules de commutation. Dans ce mode de réalisation, les dispositifs de raccordement peuvent être dépourvus de leur module de commande, l'unité centrale assurant le travail d'analyse de l'état de l'installation ainsi que la commande des modules de commutation. On comprend, de ce qui précède, que le dispositif de raccordement et le système de branchement de l'invention permettent tous deux d'offrir une utilisation efficace des ressources électriques de l'installation, une augmentation de la qualité de l'alimentation, une optimisation de la section des câbles et une diminution des pertes thermique. Le système de l'invention a été décrit dans un exemple d'application locale d'équilibre d'une installation triphasée d'industrie. Ce système peut également trouver une application dans un contexte de réseau de distribution d'électricité intelligent (Smart grid) pour optimiser la production et la distribution d'électricité. Dans ce cas, il est possible de donner à l'opérateur électrique un accès aux modules de commande, par exemple via l'unité centrale, afin qu'il puisse ajuster lui-même l'équilibre entre les phases de l'installation et transférer la charge d'une phase à une autre, au niveau de chaque installation, d'un quartier ou même de toute une zone géographique.25 REVENDICATIONS1 - Dispositif de raccordement d'un appareil électrique monophasé (3) sur une installation électrique triphasée (2), caractérisé en ce qu'il comporte : - un module de mesure (20) apte à mesurer une puissance électrique consommée par l'appareil monophasé ; - un module de commutation (10) apte à connecter l'appareil monophasé sur une des phases de l'installation triphasée, et - un module de commande (30) apte à sélectionner une des phases (P1, P2, P3) de l'installation triphasée (2) en fonction de la puissance mesurée de l'appareil monophasé (3) et à commander le module de commutation (10). 2 - Système de branchement d'appareils électriques monophasés (3) sur une installation électrique triphasée (2), caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux dispositifs de raccordement (1 a, 1 b, l c) selon la revendication 1, chaque dispositif étant relié, d'une part, à un appareil monophasé (3) et, d'autre part, à l'installation triphasée (2). 3 - Système de branchement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de mesure (4) montée en tête de l'installation triphasée (2) pour mesurer une puissance totale supportée par chaque phase (P) de l'installation triphasée. 4 - Système de branchement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux unités de mesure (4) montées chacune en tête d'un sous-circuit de l'installation triphasée (2), sur les phases (P1, P2, P3) dudit sous-circuit. 5 - Système de branchement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'unité de mesure (4) est reliée au module de commande (30) de chaque dispositif de raccordement (1 a, 1 b, l c).35