Brevet FR2982114A1 — publié le 20130503

Dispositif d'alimentation en courant continu d'un ensemble de dispositifs d'éclairage à leds utilisés dans l'éclairage industriel et l'éclairage tertiaire Le domaine de l'invention est celui de l'alimentation centralisée en courant continu d'un ensemble de dispositifs d'éclairage utilisés dans l'éclairage industriel et l'éclairage tertiaire utilisant la technologie des leds, ceci sans générer d'harmoniques, ni de rayonnement électromagnétique, avec un facteur de puissance égal à 1 et en diminuant les consommations. L'éclairage est une des dernières technologies à être encore largement contrôlée analogiquement. Notamment chez les particuliers où le ON/OFF est le comble de la 10 sophistication alors que chaque membre du foyer possède du matériel électronique ultrasophistiqué. Les leds sont à replacer dans leur famille : se sont des composants optoélectroniques de puissance dont l'évolution est logiquement semblable à celle des microprocesseurs qui suivent la loi de Moore. En effet, les leds doublent leur flux 15 lumineux, tous les 18-24 mois. Par conséquent, il est aisé de conjecturer quant aux performances futures des leds. L'éclairage, lui aussi, doit être replacé dans un contexte plus large. Eclairer est une fonction qui répond à un besoin : celui de voir dans des lieux privés de lumière. Les concepteurs des produits dont la fonction est « éclairer » utilisant les 20 technologies qui sont à leur disposition, il est tout à fait logique que les produits d'éclairage adoptent les évolutions technologiques qui sont disponibles au moment de leur conception. Depuis plusieurs décennies, un mouvement de fond entraine la technologie en avant : le passage de l'analogique au numérique. Ce passage a été amorcé par les transistors dans les années 40-50 et s'est poursuivi par l'évolution des 25 formats de stockage de contenus. Les technologies des produits de l'éclairage suivent donc le mouvement et utilisent de plus en plus les composants discrets devenus disponibles, montés en surface ou intégrés. L'éclairage à leds est donc une solution d'avenir, prometteuse d'importantes économies d'énergies, mais pouvant aussi générer des nuisances produites par une 30 alimentation mal adaptée. A l'heure du développement durable, la consommation électrique et le respect de l'environnement sont les vocables qui caractérisent les diodes électroluminescentes (LED : Light Emitting Diode). D'une technologie datant des années 60, les leds constituent actuellement un ensemble vaste et éclectique dont les applications 35 dépendent à la fois de la puissance lumineuse et de la couleur d'émission. Les LEDs blanches de forte puissance, apparues grâce notamment aux recherches de S. Nakamura dans les années 90, sont actuellement en plein essor pour une utilisation notamment dans l'éclairage. Les critères qui doivent être appréhendés pour la mise en oeuvre de ces leds sont : le flux lumineux, l'efficacité lumineuse, la durée de vie, la qualité de la lumière, les conditions d'alimentation électrique, les conditions de dissipation thermique. Un des avantages majeurs de la mise en oeuvre des leds de puissance concerne leur efficacité lumineuse. Alors que l'efficacité lumineuse typique des lampes à incandescence est de 15 ImNV, celle des leds est de l'ordre de 95 à 100 Im/W ce qui les rapproche des sources à fluorescences dont l'efficacité typique est proche de 100 lm/W. de plus, cette efficacité ne cesse d'augmenter. Depuis l'apparition des leds de puissance (>0,25W) à la fin des années 90 et Io notamment les leds blanches, l'optique dans différents domaines à connu une évolution spectaculaire. Ainsi, l'efficacité de ces composants, leurs dimensions et leurs modes de d'alimentation ont permis de développer et/ou d'améliorer les applications d'éclairage utilisant jusque là d'anciennes technologies (incandescence, décharges haute pression mercure). 15 Cependant, le réseau électrique disponible est un réseau alternatif de fréquence variable suivant les pays, mais de 50 Hz en Europe. Par ailleurs, le courant est distribué en France sous une tension nominale de 230 V, avec une tolérance de +/- 10%, soit de 207 à 253 V. L'électronique associée à ces nouveaux composants (les leds) a elle aussi du 20 s'adapter et proposer de nouvelles solutions, afin de suivre cette forte croissance, de permettre le développement de nouvelles solutions optiques et surtout, de préserver les performances optiques des leds par un mode d'alimentation optimisé. Les alimentations et autres régulateurs stabilisés délivrent soit une tension de sortie fixe soit un courant de sortie constant. 25 Les leds doivent être pilotées en courant, c'est-à-dire que l'électronique de pilotage des leds doit pouvoir fixer le courant qui les traverse, indépendamment du nombre de leds que l'on met en série. Les fabricants de lampes et de tubes à leds ont développé divers types d'alimentation pour transformer ce courant alternatif en courant continu et ainsi pouvoir 30 utiliser leurs produits directement dans les installations existantes. Ces dispositifs ont fait par ailleurs l'objet de multiples dépôts de brevets, tels que par exemple : - FR 2919457: Dispositif d'alimentation de Diodes Electroluminescentes principalement RVB (LED) ; 35 - EP 1411750 : Ce brevet décrit un système d'alimentation en puissance ; - EP 1555860: Ce brevet concerne des modules d'alimentation à courant continu pour dispositif d'éclairage pilotant des équipements électriques à redresseur, avec un module d'équipement électrique, raccordé mécaniquement et électriquement de façon amovible à l'unité centrale : - EP 2110937: Ce brevet concerne la fabrication d'un convertisseur du type ACDC d'isolation dans lequel le courant d'entrée provenant du réseau est converti pour obtenir un courant continu ; - EP 2107859: Ce brevet se rapporte à la commande d'un éclairage pour lequel on emploie des diodes lumineuses (LED) comme moyen d'éclairage. Selon l'invention, on convertit le courant de transformation du réseau d'alimentation en un courant continu sur un transformateur à blocage à oscillation libre ; - EP 2079156: Ce brevet concerne un dispositif d'alimentation en courant continu ; - EP 2079157: Dispositif à courant continu d'alimentation d'énergie ; - EP 2278861 : Ce brevet concerne un système permettant de commander des appareils d'alimentation pour des moyens d'éclairage ; - WO 2011001369: Ce brevet porte sur un circuit d'alimentation électrique qui comprend un étage convertisseur LLC pour convertir une entrée en tension continue en une sortie en tension continue ; - WO 2010002199: Ce brevet concerne un circuit d'éclairage à LED dans lequel une alimentation en courant alternatif qui varie périodiquement est appliquée et convertie en alimentation en courant continu et l'alimentation en courant continu convertie ; - WO 9750168: Ce brevet concerne un appareil (10) délivrant à un réseau de diodes électroluminescentes (12) un courant continu en tension régulée ; - WO 2010134721: Ce brevet concerne un circuit de correction de facteur de puissance (PFC) multicouche. Ce dernier brevet montre bien le problème généré par tous les précédents dispositifs cités dont la fonction est de miniaturiser la transformation d'une alimentation de courant alternatif en courant continu. Les dispositifs électroniques adoptés ont l'inconvénient, outre la multiplication des coûts et des composants utilisés, d'être des générateurs d'harmoniques, de 3o rayonnement électromagnétique et d'avoir un mauvais facteur de puissance qu'il faut donc compenser par des condensateurs (comme d'ailleurs pour les tubes néons, qu'ils soient à ballasts ferromagnétiques ou électroniques). La présente invention propose d'adapter le dispositif faisant l'objet des brevets cités ci après, pour alimenter en courant continu un ensemble de dispositifs à leds : 35 - Procédé et dispositif d'alimentation de lampes à décharge Publication EP 0970593 (A1) - 2000-01-12 Date de priorité : 1997-03-27 - Système et appareil d'alimentation des lampes à décharge d'un réseau d'éclairage 2 9 8 2 1 1 4 4 Publication FR 2761564 (A1) - 1998-10-02 Publication FR 2761564 (B1) - 2001-07-27 Date de priorité : 1997-03-27 - Dispositif de protection contre les surcharges et les cours circuits d'une alimentation à courant continu 5 Publication FR 2941825 (A1) - 2010-08-06 Date de priorité : 2009-01-30 - Appareil concourant à la sécurité des personnes et la conservation du patrimoine dans un réseau d'energie alimente en courant continu et galvaniquement isolé notamment en éclairage public - Publication FR 2908242 (A1) - 2008-05-09 Date de priorité : 2006-11-03 10 L'objet de ce procédé évoqué dans les brevets précédemment cités est d'alimenter un groupe de lampes à décharge de l'éclairage public, situé à l'aval d'un point de raccordement au réseau d'énergie 50 Hz, par une Unité Centrale qui l'isole galvaniquement du 50 Hz et qui transmet aux générateurs associés aux lampes, une puissance constante en courant continu dont la valeur est indépendante des 15 fluctuations de la tension du réseau 50 Hz, cette valeur étant variable suivant une consigne. L'Unité Centrale prélève au réseau avec un faible taux d'harmoniques un courant sinusoïdal en phase (brevet FR 2761564). Le but de l'invention est de proposer une solution évitant les contraintes électriques induites par les solutions habituellement utilisées en alimentant directement 20 en 50 Hz les ensembles de tubes à leds prévus pour remplacer les tubes fluorescents en réalisant les objectifs suivants : - Diminuer les coûts d'installation, - Diminuer les coûts de fonctionnement, - Supprimer les harmoniques, 25 - Eviter le rayonnement électromagnétique - Obtenir un facteur de puissance voisin de 1. - Diminuer le nombre des composants électroniques mis en oeuvre en mutualisant les fonctions de production du courant continu naturellement prévu pour circuler dans les leds et nécessaire pour réaliser les fonctions électroniques de commande et de contrôle. - Réaliser une alimentation stabilisant le fonctionnement d'un ensemble de leds mises en série dans un tube à leds, puis en parallèle entre eux et ayant au final une caractéristique [U-I] compatible avec celle délivrée par l'unité centrale. En effet l'hyperbole est certainement la caractéristique [U-I] la plus adaptée pour un fonctionnement stable et contrôlé d'un ensemble de leds mises en série puis en parallèle et ayant des caractéristiques [U-I] statistiquement différentes et dont la variance dépend du procédé de fabrication utilisé. - Utiliser le niveau de puissance ajustable de l'unité centrale pour régler de façon 2 9 82 1 14 5 simple le niveau d'éclairement de l'ensemble des tubes à leds en conformité avec les besoins sachant le flux lumineux a pour image une puissance. Le marché de l'éclairage des dispositifs à leds constitué par les magasins de la grande distribution et leurs entrepôts associés se divise en deux parties : 5 - Les installations neuves, - Le remplacement des dispositifs d'éclairage existants (relamping). Pour les installations neuves, le procédé permet de réaliser des économies sur la fabrication des dispositifs à leds en supprimant le convertisseur AC-DC incorporé. Pour le relamping, le procédé peut permettre d'éviter le démontage des réglettes io pour la suppression des ballasts et des condensateurs de compensation. Cependant, avec les ballasts électromagnétiques dont la durée de vie est notablement inférieure à celle des leds, cela peut générer des interventions ultérieures afin d'éliminer la source de panne, le ballast pouvant provoquer une coupure du-circuit. Pour illustrer l'intérêt du procédé, voici les résultats de mesures que nous avons 15 effectuées sur des tubes T8 de longueur 120 cm, respectivement néons, puis leds en alimentation avec le réseau alternatif 50 Hz, puis avec notre procédé : - El : 1 tube fluo 120 cm alimentation AC 50 Hz (avec condensateur de compensation et ballast électromagnétique) - E2 : 1 T8 120 cm alimentation AC 50 Hz leds 20 - E3 1 T8 120 cm alimentation DC leds El E2 E3 V 220,300 219,900 220,000 I (mA) 185,000 92,000 24,000 P (W) 38,350 17,230 5,280 VA 40,710 20,300 5,280 VAR 2,738 1,921 0 PF 0,940 0,850 1 PHI 176,000 174,000 180 THD I 35,000 59,400 2,500 (%) On constate : - Que le passage de néons en leds génère une économie de 50 % de la puissance apparente ; - Que l'alimentation en courant continu (utilisant une puissance constante) du 25 tube à leds génère une économie supplémentaire de 80 %, soit une économie de 87 % par rapport aux tubes néons ; - Que le facteur de puissance est de 1 ; - Qu'il n'y a quasiment plus d'harmoniques (ils sont provoqués par le dispositif central de transformation AC / DC et inférieurs à 5%. 30 De plus, nous avons tous les avantages développés dans les brevets déposés : 2 9 82 1 14 6 - Protection de court-circuit ; - Isolement galvanique ; - Sécurité des biens et des personnes ; - Possibilité de dimming. 5 - COS p voisin de 1 Dans le cadre d'une installation neuve, la puissance étant réduite, cela permet de réaliser d'importantes économies de dimensionnement de câbles, et plus généralement de tout le matériel de l'installation depuis le transformateur. La disparition des harmoniques évite également de sur dimensionner le fil de Io neutre. Le dispositif est prévu pour l'éclairage par des tubes à leds des magasins, généralement classés ERP, il prévoit donc un inverseur permettant en cas de défaillance électronique une alimentation directe en 50 Hz de l'ensemble des tubes leds concernés : il élimine l'unité centrale des circuits d'alimentation. 15 Une réalisation particulière de l'invention est représentée dans les figures 1 et 2. La figure 1 représente une réalisation pour une alimentation alternative en monophasé. Elle se compose d'une unité de commande (2) appelée : module pilote et d'une unité de puissance (1) appelée module puissance. Il est ainsi possible suivant la configuration de l'installation, de commander 20 plusieurs modules de puissance (1) avec un seul module pilote (2). Le dispositif s'insère directement à la sortie de l'armoire de commande existante sur le départ de l'alimentation des circuits de lampes ou de tubes. L'application industrielle de l'invention est son utilisation pour l'alimentation des éclairages de moyennes et grandes surfaces, qu'elles soient industrielles ou 25 commerciales, destinées à être équipées d'un dispositif d'éclairage générant d'importantes économies d'énergie, et donc de CO2. La figure 2 représente le fonctionnement par l'intermédiaire d'un inverseur (4), permettant d'alimenter directement par le réseau 50 Hz l'ensemble des dispositifs à leds ceux-ci n'étant alors plus alimentés par l'unité centrale. 30 La présente invention concerne un dispositif situé au point de raccordement à la source d'énergie électrique distribuée par le réseau électrique 50 ou 60 Hz appelé « unité centrale » prélevant, au réseau 50 ou 60 Hz, un courant sinusoïdal en phase pour alimenter par une source en courant continu, un ensemble de dispositifs à leds galvaniquement isolés de la source d'énergie électrique 50 Hz, fournissant et injectant 35 une puissance constante en courant continu, indépendante de la tension efficace du réseau 50 Hz et réglable suivant une ou plusieurs consignes. Chaque unité centrale comprenant un module de commande appelé module pilote, associé à au moins un module de puissance correspondant à une puissance injectée dans l'ensemble des 2 982 114 7 dispositifs à leds, comprise et réglable entre une centaine de watts et au moins 2 000 W, les modules de puissance pouvant selon la puissance nominale à fournir être couplés en parallèle sur l'ensemble récepteur constitué par les dispositifs à leds, cet ensemble pouvant si nécessaire être raccordé directement sur le réseau 50 Hz. 5 Le module de puissance (1) comprend - Un pont de diode dans le cas d'un réseau d'énergie 50 ou 60 Hz. - Au moins un convertisseur de tension redressée ou tension continue vers une tension continue, utilisant un transformateur dont le primaire est connecté à la tension redressée ou continue pendant un temps T1 dépendant de la consigne 10 de fonctionnement C, la connexion étant établie par un interrupteur de puissance puis interrompue pendant un temps T2+ts pendant lequel l'énergie accumulée dans le primaire du transformateur est transmise au secondaire de celui-ci à travers une diode de redressement alimentant un condensateur de stockage puis l'ensemble des dispositifs à leds en courant continu. Le procédé de 15 conversion utilisé est celui du flyback dont le transformateur peut engendrer des fuites et des pertes lors de la commutation de l'interrupteur. - Des moyens connus pour récupérer le plus possible les fuites et les pertes de commutation. - Des moyens d'alimentation de l'électronique de la carte puissance comprenant 20 un étage de filtrage connecté à une ligne de phase et à une ligne de neutre. Le module pilote (2) voir figure 1 comprend : - Des moyens pour créer les ordres adressés aux gâchettes de commandes des interrupteurs électroniques de puissance correspondant aux cycles T1+(T2+ts), voir figure 3,T1 étant le temps de fermeture et de connexion du primaire sur le 25 réseau d'énergie, T2 la durée de décharge du secondaire et ts le temps de repos permettant une commutation à courant nul. - Un bloc consigne et de correction de celle ci en fonction de la tension du réseau d'énergie transmettant à chaque module puissance la consigne de fonctionnement et lui permettant d'élaborer la valeur de T1 commune à chaque 30 module puissance. Le module pilote reçoit l'état de la tension continue du secondaire : valeur de la tension supérieure à une valeur ajustable jusqu'à 250V ou celle correspondant à un court circuit, il déclenche dans ce cas des actions donnant à T1 la valeur 0 lorsque la sécurité des moyens utilisés l'impose (voir dispositif 3 figure 1).