FR2498024A1 - Regulated inverter circuit for standby power supply - uses four-arm bridge inverter to generate AC with adjustment of frequency or pulse width to regulate output - Google Patents

Regulated inverter circuit for standby power supply - uses four-arm bridge inverter to generate AC with adjustment of frequency or pulse width to regulate output Download PDF

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Abstract

The emergency lighting supply circuit is switched into the normal electricity distribution network in a building when the mains supply fails. Storage batteries provide the energy to maintain essential services for a period after the mains failure. The battery supplies a DC to AC inverter (2) circuit using a four arm bridge configuration with power transistor switches in each arm. The inverter (2) produces an alternating square wave voltage, which is stepped up to the mains voltage by a transformer (3). An inductor-capacitor low pass filter (4) removes transient disturbances from the current passes to the distribution network, reducing radio frequency interference. A thermal relay (5) provides overload protection. Feedback (8) is taken off immediately before to the contactor (6) coupling the standby supply to the network. A control circuit (7) uses the feedback data to adjust either frequency or pulse width puoutput voltage regulation.

Description

INTERFACE CONVERTISSEUR POUR ECLAIRAGE
DE SECURITE A PARTIR D'UNE ALIMENTATION
CONTINUE AVEC BATTERIE D'ACCUMULATEURS
La présente invention se rapporte à une conception nouvelle d'équipements électriques destinés à l'éclairage de sécurité des locaux recevant du public.LIGHTING CONVERTER INTERFACE
SAFETY FROM A POWER SUPPLY
CONTINUOUS WITH ACCUMULATOR BATTERY
The present invention relates to a new design of electrical equipment intended for the emergency lighting of premises receiving the public.

Actuellement, ces éclairages sont fréquemment réalisés par un ensemble chargeur batterie en floating, constituant une source continue centrale, qui lors d'une coupure réseau, dispose d'une autonomie fonction de la capacité de la batterie d'accumulateurs. Currently, these lights are frequently produced by a floating battery charger assembly, constituting a central continuous source, which during a power outage, has autonomy depending on the capacity of the storage battery.

Cette source alimente alors des lampes à incandescence à travers un coffret de distribution adapté. This source then supplies incandescent lamps through a suitable distribution box.

Cette conception de la fonction éclairage de sécurité présente plusieurs inconvénients. This design of the emergency lighting function has several drawbacks.

Il est nécessaire d'utiliser soit des lampes à incandescence usuelles, dont les tensions sont peu adaptées au nombre d'éléments de la batterie, soit des lampes de tensions différentes, mais spécifiques à ce genre d'application, et donc plus coûteuses. Ce principe exclut donc l'utilisation des dispositifs d'éclairage industriels de grande série tels les tubes ou ampoules fluorescents conçus exclusivement pour des reseaux alternatifs 220V 50 Hz alors que ce type d'éclairage a un rendement lumineux bien supérieur aux ampoules à incandescence. It is necessary to use either conventional incandescent lamps, the voltages of which are poorly suited to the number of elements of the battery, or lamps of different voltages, but specific to this kind of application, and therefore more expensive. This principle therefore excludes the use of industrial lighting devices of large series such as fluorescent tubes or bulbs designed exclusively for 220V 50 Hz alternative networks while this type of lighting has a light output much higher than incandescent bulbs.

Par ailleurs, ces lampes quelle que soit leur tension nominale doivent subir sans régulation possible les variations de tension batterie d'accumulateurs entre le régime de charge et le régime d'autonomie. Réseau présent ces lampes sont suralimentées ce pui entraine des durées de vie faibles. Furthermore, these lamps, whatever their nominal voltage, must undergo, without possible regulation, variations in the battery voltage between the charging regime and the autonomy regime. Network present these lamps are supercharged and this leads to short lifetimes.

Un nauvais rendement de ces luminaires, un éventail de choix restreint sur du matériel de faible diffusion, une impossibilité de contrôler un point de fonctionnement optimal entre I'efficacité lumineuse et la durée de vie, toutes ces diverses insuffisances cumulées constituent une charge pour l'exploitant de ces systèmes. A poor yield of these luminaires, a limited range of choice on low-diffusion material, an impossibility of controlling an optimal operating point between the luminous efficiency and the lifespan, all these various accumulated inadequacies constitute a burden for the operator of these systems.

L'invention se propose d'adjoindre à l'ensemble chargeur batterie un équipement pouvant être désigné comme un interface convertisseur et permettant de réduire les inconvénients ci-dessus. Ce système s'intercale directement sans autre dispcsitif de protection entre les lignes d'éclairage et l'ensemble chargeur batterie. La figure 1 représente un exemple d'installation, comprenant un ensemble cE.argeur bGt- terie conventionnel 1, puis ce système 2, raccordé à 4 lignes d'eclai- rage 3. The invention proposes to add to the battery charger assembly equipment which can be designated as a converter interface and which makes it possible to reduce the above drawbacks. This system is inserted directly without any other protection device between the lighting lines and the battery charger assembly. FIG. 1 represents an example of installation, comprising a conventional cE.argeur bGtterie assembly 1, then this system 2, connected to 4 lighting lines 3.

Pour cela l'invention incorpore dans un équipement unique, cinq fonctions essentielles et caractéristiques de l'invention : une fonction conversion continue alternative non sinusoïdale, une fonction commande et régulation, une fonction filtre pour reducvicn des perturbations radio-électriques, une fonction protection au court-circuit sur chaque départ, une fonction protection au surcharge lente pour visualisation et alarme en cas de risque de cette nature.La figure 2 donne un exemple d'organisation d'un tel système, on y trouve depuis l'arrivée batterie 1, la fonction conversion continue alternative 2, puis un transformateur ou auto-transformateur 3, nécessaire selon la tension continue utilisée, et la nécessité d'un isolement galvanique entre continu et alternatif, cet élément n'est pas caractéristique de l'invention, un filtre 4, une fonction 5 pour contrôle des surcharges lentes pouvant affecter le système, puis les protections divisionnaires 6, enfin un bloc de régulation et de commande 7, celui-ci reçoit comme mesure la tension de sortie 8, puis une consigne 9 par potentiomètre, et agit à partir de ces deux informations sur le bloc de puissance 2, il permet accessoirement de visualiser la grandeur caractéristique du fonctionnement lumineux. For this, the invention incorporates into a single piece of equipment, five essential functions and characteristics of the invention: a non-sinusoidal alternative continuous conversion function, a command and regulation function, a filter function for reducing radioelectric disturbances, a protection function at short circuit on each start, a slow overload protection function for visualization and alarm in the event of a risk of this nature. Figure 2 gives an example of the organization of such a system, and since the arrival of battery 1, the alternating continuous conversion function 2, then a transformer or auto-transformer 3, necessary depending on the DC voltage used, and the need for galvanic isolation between DC and AC, this element is not characteristic of the invention, a filter 4, a function 5 for controlling slow overloads that can affect the system, then the divisional protections 6, finally a regulation and communication block command 7, this receives the output voltage 8 as a measurement, then a setpoint 9 by potentiometer, and acts on the basis of these two pieces of information on the power block 2, it incidentally makes it possible to display the characteristic quantity of the light operation.

La fonction conversion continue alternative utilise un montage en pont, constitué de quatre commutateurs statiques dont deux sont réunis à la source continue borne pcsitive, deux à la borne négative, ces commutateurs positifs et négatifs sont associés en série, la charge est connectée au point de réunion de chacune de ces associations.Chacun de ces commutateurs statiques est réalisé par un thyristor de puissance, ou par plusieurs transistors bipolaires, ou encore par des transistors de technologie mos de puissance, en parallèle avec cet élément se trouve une diode montée en inverse, dite de récupération, les éléments de puissance peuvent etre déclenchées et corwandés a fréquence élevée, ce qui justifie le terme de commutateurs statiques, ils sont reliés à un circuit de commande soit par un transformateur d'ir.pulsion ou encore par un photo-coupleur, à travers un ou plusieurs éléments d'amplification. The alternative continuous conversion function uses a bridge arrangement, consisting of four static switches, two of which are connected to the DC source, positive terminal, two to the negative terminal, these positive and negative switches are associated in series, the load is connected to the point of meeting of each of these associations. Each of these static switches is produced by a power thyristor, or by several bipolar transistors, or by transistors of power mos technology, in parallel with this element is a diode mounted in reverse, so-called recovery, the power elements can be triggered and corwanded at high frequency, which justifies the term of static switches, they are connected to a control circuit either by an ir.pulsion transformer or by a photo-coupler , through one or more amplification elements.

Selon la séquence de commande de chacun de ces étages, en particulier pour une commande en diagonale, on obtient aux bornes de la charge un générateur de tension alternative non sinusoidale. A partir d'une tension continue d'amplitude déterminée, il est possible de réaliser un convertisseur de tension alternative dont la fréquence et la valeur efficace peuvent être contrôlées à partir des signaux de commande issus de la fonction régulation.According to the control sequence of each of these stages, in particular for a diagonal control, a non-sinusoidal alternating voltage generator is obtained at the terminals of the load. From a DC voltage of determined amplitude, it is possible to produce an AC voltage converter whose frequency and rms value can be controlled from control signals from the regulation function.

La figure 3 donne un exemple de montage en pont, qui réunit une source continue 5 à une charge 6 à travers quatre commutateurs stati ques représentés de 1 à
La figure 4, représente le montage de la diode 1 par rapport à un transistor de puissance 2, ces deux composants constituent les deux éléments de puissance d'un commutateur statique avec transistor bipolaire ces transistors peuvent être groupés en parallèle selon la puissance.FIG. 3 gives an example of bridging, which brings together a continuous source 5 with a load 6 through four static switches represented from 1 to
FIG. 4 represents the mounting of the diode 1 with respect to a power transistor 2, these two components constitute the two power elements of a static switch with bipolar transistor these transistors can be grouped in parallel according to the power.

La figure 5, représente le signal tension 9, obtenu aux bornes d'une charge résistive, lorsque les commutateurs 1 et 4 de la figure 2 sont commandés suivant le diagramme 7, et les commutateurs 2 et 3 suivant le diagramme 8. FIG. 5 represents the voltage signal 9, obtained at the terminals of a resistive load, when the switches 1 and 4 of FIG. 2 are controlled according to diagram 7, and the switches 2 and 3 according to diagram 8.

La figure 6, représente le signal de tension 10, obtenu aux bornes d'une charge résistive lorsque les commutateurs 1 et 4 de la figure 2 sont commandés suivant le diagramme 11 et les commutateurs 2 et 3 suivant le diagramme 12, la période est représentée en 13. FIG. 6 represents the voltage signal 10, obtained at the terminals of a resistive load when the switches 1 and 4 of FIG. 2 are controlled according to diagram 11 and the switches 2 and 3 according to diagram 12, the period is represented in 13.

La fonction commande et régulation doit permettre de commander chacun des commutateurs du bloc de puissance. Elle impose donc la fréquence de sortie, et le cas échéant la valeur efficace de la tension de sortie. The control and regulation function must make it possible to control each of the switches of the power block. It therefore imposes the output frequency, and if necessary the effective value of the output voltage.

Pour des applications d'éclairage pour laquelle l'invention s'applique, on dispose d'une source de tension continue susceptible de varier suivant les régimes de charge ou de décharge de la batterie d'accumulateur utilisée comme source d'énergie. Par la fonction commande et régulation, et à travers la fonction conversion continue, il est possible de réguler l'efficacité lumineuse des luminaires mis en oeuvre, et d'optimiser le compromis, efficacité alumineuse, rendement énergétique et durée de vie des ampoules et tubes malgré les fluctuations de la source continue.For lighting applications for which the invention applies, there is a DC voltage source capable of varying according to the charging or discharging regimes of the accumulator battery used as an energy source. By the command and control function, and through the continuous conversion function, it is possible to regulate the light efficiency of the luminaires used, and to optimize the compromise, aluminous efficiency, energy efficiency and lifetime of bulbs and tubes despite fluctuations in the continuous source.

Pour la plupart des tubes et ampoules fluorescents la grandeur significative de I'efficacité lumineuse est le courant, il peut être contrôlé par la fréquence pour une commande sans modulation de largeur d'impulsion, ou encore à fréquence fixe, avec une telle modulation. La figure 5 représente le signal de tension obtenue dans le premier cas, la figure 6 est un exemple de modulation de largeur d'impulsion.For most fluorescent tubes and bulbs the significant magnitude of the luminous efficacy is the current, it can be controlled by the frequency for control without modulation of pulse width, or again at fixed frequency, with such modulation. FIG. 5 represents the voltage signal obtained in the first case, FIG. 6 is an example of pulse width modulation.

La fonction commande et régulation comprend un circuit d'alimentation auxiliaire obtenue depuis la source continue, un circuit pour obtenir une référence stabilisée, pouvant etre ajustée par un potentiomètre ou résistance variable, un circuit conversion à partir du signal tension délivré par le système, cette conversion permet d'obtenir la grandeur caractéristique et significative de l'efficacité lumineuse selon les principes de commande mis en oeuvre, on choisit le rapport tension sur fréquence lorsque la fréquence est variable, ou seulement la tension efficace lorsque la fréquence est fixe.Cette grandeur peut être visualisée, puis elle intervient dans une boucle de régulation avec la référence, le signal d'erreur, issue de cette boucle qui incorpore les circuits de stabilité et d'amortissement du système, module et contrôle une base de temps. Le signal de cette base de temps est ensuite mis en forme, ampbifié et adapté pour la commande des commutateurs statiques de la fonction conversion continue alternative. The control and regulation function includes an auxiliary supply circuit obtained from the DC source, a circuit for obtaining a stabilized reference, which can be adjusted by a potentiometer or variable resistance, a conversion circuit from the voltage signal delivered by the system, this conversion makes it possible to obtain the characteristic and significant quantity of the luminous efficiency according to the control principles implemented, the voltage to frequency ratio is chosen when the frequency is variable, or only the effective voltage when the frequency is fixed. can be visualized, then it intervenes in a regulation loop with the reference, the error signal, resulting from this loop which incorporates the stability and damping circuits of the system, modulates and controls a time base. The signal from this time base is then shaped, amplified and adapted for the control of the static switches of the alternative continuous conversion function.

La figure 7 représente un circuit permettant d'obtenir une telle fonction de commande, ce circuit reçoit la tension continue batterie en 23, le signal de sortie en 22, et distribue les ordres de commande aux commutateurs statiques en 24, à l'intérieur il est élaboré à partir du signal continu une alimentation (25), une référence (26), une consigne ajustable par potentiomètre 27; cette consigne agit sur un amplificateur comparateur 30, celui-ci reçoit également le signal mesure après conversion 28, cet étage conversion permet à partir du signal de sortie d'obtenir une tension continue proportionnelle au rapport tension/fréquence significative de I'efficacité lumineuse dans une application avec tube fluorescent, cette information peut être visualisée en 29. FIG. 7 represents a circuit making it possible to obtain such a control function, this circuit receives the DC battery voltage at 23, the output signal at 22, and distributes the control orders to the static switches at 24, inside it a supply (25), a reference (26), an adjustable setpoint by potentiometer 27 is produced from the continuous signal; this setpoint acts on a comparator amplifier 30, this also receives the measurement signal after conversion 28, this conversion stage makes it possible, from the output signal, to obtain a DC voltage proportional to the significant voltage / frequency ratio of the light efficiency in an application with fluorescent tube, this information can be viewed at 29.

Le comparateur 30 est constitué par un amplificateur opérationnel avec différents réseaux de stabilité, la sortie de cet étage permet de moduler une base de temps en 31, les sorties de cette base de temps vont commander le pont de puissance après amplification et séparation galvanique par transformateur ou photocoupleur. The comparator 30 is constituted by an operational amplifier with different stability networks, the output of this stage makes it possible to modulate a time base at 31, the outputs of this time base will control the power bridge after amplification and galvanic separation by transformer or photocoupler.

La fonction filtre permet d'éliminer les composantes haute fréquence générées par le système de puissance, et d'éviter que les lignes éclairage soient susceptibles de transsettre par rayonnement au voisi nage de celles-ci des champs radio-electriques. Cette fonction filtre est essentielle, car elle permet d'exploiter un signal non sinusoidal, permettant un bon rendement énergétique lors de la conversion continue alternative. L'atténuation est obtenue par un filtre passe bas du premier ordre. The filter function makes it possible to eliminate the high frequency components generated by the power system, and to avoid that the lighting lines are likely to transmit by radiation in the vicinity of these radio fields. This filter function is essential, because it makes it possible to use a non-sinusoidal signal, allowing good energy efficiency during the continuous alternative conversion. The attenuation is obtained by a first order low pass filter.

La figure 8 et 9 donne deux exemples ae filtre, en 30 on a le signal d'entrée en 31 la sortie après atténuation, 32 et 33 représentent un filtre LC, la figure 9 est une variante qui comprend deux selfs, et en 34 deux condensateurs de très faibles valeurs reliés à la terre, les selfs peuvent être linaires ou saturables. La solution de la figure 9 permet de garantir une atténuation sur les composantes asymétriques du signal de perturbation. Figure 8 and 9 give two examples of a filter, at 30 we have the input signal at 31 the output after attenuation, 32 and 33 represent an LC filter, Figure 9 is a variant which includes two inductors, and at 34 two capacitors with very low values connected to earth, the inductors can be linear or saturable. The solution of FIG. 9 makes it possible to guarantee an attenuation on the asymmetrical components of the disturbance signal.

La fonction protection aux courts-circuits est réalisée soit par des fusibies type distribution, soit par des disjoncteurs divisionnaires avec déclencheur thermique et magnétique. Ces circuits sont sélec tonnés de telle sorte qu'un court-circuit sur l'un quelconque des départs permet au dispositif de protection divisionnaire de fonctionner sans destruction et sans déclenchement du convertisseur lui-même qui après disjonction d'un départ doit permettre d'assurer l'alimentation des autres circuits. The short circuit protection function is carried out either by distribution type fuses or by divisional circuit breakers with thermal and magnetic trip. These circuits are selected in such a way that a short circuit on any of the feeders allows the divisional protection device to operate without destruction and without tripping of the converter itself which after disjunction of a feeder must allow supply the other circuits.

La fonction protection au surcharge lente est constituée par un relais thermique, type bilame, de calibre en rapport avec l'intensité nominale du convertisseur. Cette protection peut être réalisée par un relais électronique à seuil de courant, l'information surcharge est visualisée localement ou à distance comme alarme. La protection peut être limitée à la seule visualisation du courant fourni, avec marquage très apparent de l'intensité nominale. The slow overload protection function is constituted by a thermal relay, bimetallic strip type, of caliber in relation to the nominal current of the converter. This protection can be achieved by an electronic relay with current threshold, the overload information is displayed locally or remotely as an alarm. Protection can be limited to only viewing the current supplied, with very visible marking of the nominal current.

Ces trois dernières fonctions sont caractéristiques de l'invention car elles permettent à un convertisseur continu-alternatif non sinusoi- dal d'être opérationnel pour des applications d'éclairage de sécurité.  These last three functions are characteristic of the invention because they allow a non-sinusoidal DC-AC converter to be operational for emergency lighting applications.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1. Dispositif interface unique permettant le raccordement re^t sans au- 1. Unique interface device allowing re ^ t connection without tre protection entre des luminaires et uispositifs a'éclairage conçus  protection between luminaires and lighting fixtures designed pour une alimentation 220 V 50 Hz et une alimentation continue cu re for a 220 V 50 Hz power supply and a continuous power supply dressée de tension variable. erect variable tension. 2. Système selon la revendication 1 qui incorpore un filtre self et capa- 2. System according to claim 1 which incorporates a self and capacitive filter. cité pour limiter les perturbations rayonnées par les lignes d'éclaira-  cited to limit the disturbances radiated by the light lines ge. ge. 3. Système selon la revendication 1 qui incorpore une protection au court3. The system of claim 1 which incorporates short protection circuit sur chacun des départs. circuit on each of the departures. 4. Système selon la revendication 1 qui permet de cortrôler et réguler une4. The system of claim 1 which allows to control and regulate a grandeur caractéristique de l'efficacité lumineuse malgré les variations  characteristic quantity of luminous efficacy despite variations de tension d'alimentation, en modulant soit la fréquence du signal de supply voltage, by modulating either the frequency of the signal sortie, à forme constante, soit la forme du signal de sortie à freQaence  output, constant form, i.e. the form of the output signal at freQaence constante. constant. 5. Système selon les revendications 1 et 4 oui permet de réguler l'efficaci- 5. System according to claims 1 and 4 yes allows to regulate the efficiency té lumineuse malgré une tension d'entrée variable, et devient suscepti bright tee despite variable input voltage, and becomes susceptible ble d'améliorer la durée de vie de chaque ampoule et tube. ble to improve the lifespan of each bulb and tube. 6. Système qui selon les revendications 1, L, et 5 permet de visualiser une 6. System which according to claims 1, L, and 5 makes it possible to display a grandeur significative du fonctionnement lumineux et donc d'optimiser le significant magnitude of the light operation and therefore optimize the point de fonctionnement.  Working point.
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