FR3119716A1 - Systeme de transfert direct d’energie entre plusieurs ports par l’intermediaire d’un coupleur - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système de transfert d’énergie (1) comprenant un ensemble de ports (10, 20, 30, 40) et un ensemble de convertisseurs (11, 21, 31, 41), chaque convertisseur étant relié à l’un des ports et étant agencé pour que l’énergie transmise par un port (10) soit reçue par un autre port (20) par l’intermédiaire d’au moins certains des convertisseurs. Selon l’invention, le système comprend également un coupleur (2) relié à chacun des convertisseurs de manière que l’énergie transmise par un port circule dans le coupleur (2) entre au moins certains des convertisseurs avant d’être reçue par un autre port, ainsi qu’une commande (3) reliée à chacun des convertisseurs de manière à aiguiller l’énergie d’au moins un port vers au moins un autre port. Fig. 1.

Description

Système de transfert direct d’énergie entre plusieurs ports par l’intermédiaire d’un coupleur

La présente invention concerne le domaine de l’électronique de puissance et de la conversion d’énergie, en particulier le transfert d’énergie entre un ensemble de ports aptes à remplir différentes fonctions, en tant que sources ou charges. Dans le contexte de la présente invention, l’énergie lors du transfert peut avoir différentes formes, par exemple électrique, électromagnétique ou mécanique, ou sous forme de rayonnement.

Etat de la technique

De nos jours, la conversion d’énergie (ou de puissance) devient de plus en plus déterminante dans le domaine électrique et électronique. Par exemple, dans un système ferroviaire, l’énergie doit être transférée et convertie entre la caténaire et les moteurs, mais aussi vers la ventilation, la restauration, l’éclairage, la climatisation, l’air comprimé et la charge des batteries. Pour permettre un transfert d’énergie entre ces différents éléments, il est nécessaire d’utiliser une pluralité de convertisseurs, plus particulièrement un convertisseur traction et des convertisseurs auxiliaires (comme des chargeurs et des onduleurs).

Des contraintes similaires de transfert d’énergie existent aussi dans d’autres domaines, par exemple la distribution d’énergie, la domotique, etc. Ainsi, dans un véhicule électrique, la circulation d’énergie se fait entre au moins trois points, à savoir un générateur, une batterie et un moteur. Dans cet exemple, il est nécessaire de faire circuler l’énergie du générateur vers le moteur (traction), de la batterie vers le moteur (traction), du générateur vers la batterie (charge) et du moteur vers la batterie (frein). Certains de ces modes peuvent devoir être activés en même temps. De plus, les caractéristiques de l’énergie doivent être converties, par exemple une conversion DC/AC (vers le moteur) ou AC/DC (vers la batterie).

Dans une maison, la circulation d’énergie se fait en au moins quatre points, à savoir le réseau de distribution, l’habitation proprement dite, les panneaux solaires et la batterie (voire, éventuellement, la batterie du véhicule électrique). Dans ce cas, l’énergie doit pouvoir circuler du réseau vers l’habitation, des panneaux solaires vers l’habitation, des panneaux solaires vers la batterie, du réseau vers la batterie, de la batterie vers l’habitation, ou encore de la batterie vers le réseau. L’énergie doit pouvoir également être transférée directement des panneaux photovoltaïques vers le réseau de distribution d’électricité (pour revendre l’électricité produite). A nouveau, certains de ces modes peuvent devoir être activés simultanément.

Dans ces différentes situations, il importe de permettre un transfert d’énergie d’au moins un port vers au moins un autre port, voire simultanément depuis ou vers plusieurs ports, avec un rendement satisfaisant.

Différentes techniques sont déjà connues pour réaliser un transfert d’énergie entre une pluralité de ports, mais toutes présentent des inconvénients.

Une première configuration connue consiste à adjoindre un convertisseur à chaque port et à disposer les convertisseurs en série. Une source d’énergie alimente les ports en transférant l’énergie vers le premier convertisseur, de sorte que l’énergie traverse un à un les convertisseurs, jusqu’à celui dont l’interrupteur est actionné. Ce type de configuration est utilisé couramment dans le domaine ferroviaire.

Comme cela est décrit dans la demande internationale n° WO 2012/134748 A2, il peut être prévu de connecter en série et de synchroniser des convertisseurs. La connexion entre deux convertisseurs adjacents peut se faire par fibres optiques. Un convertisseur « maître » peut ainsi commander des convertisseurs « esclaves ».

Toutefois, dans cette configuration, pour alimenter un convertisseur donné, il est nécessaire que les signaux traversent successivement tous les convertisseurs. Cela engendre nécessairement une perte de rendement. Ainsi, dans le domaine ferroviaire, les infrastructures sont généralement unilatérales et figées, sans aucune interconnexion entre les ports. Les ports étant connectés en série, les convertisseurs étant disposés successivement, le rendement d’un transfert d’énergie entre les ports peut être faible. De plus, en raison des nombreux convertisseurs utilisés, le système peut être coûteux et volumineux.

Une deuxième configuration connue consiste à connecter les ports à un bus commun intermédiaire, afin de les relier indirectement les uns aux autres. Le bus fait alors office de nœud électrique intermédiaire.

Le bus intermédiaire permet de profiter de l’utilisation d’une source présente dans le système, tout en générant peu de pertes et en utilisant peu de matériel, ce qui permet une réalisation simple avec peu de pièces. Toutefois, le bus intermédiaire présente l’inconvénient d’être limité en tension.

Une troisième configuration connue consiste à stocker de l’énergie dans un élément intermédiaire, avant de la diriger vers l’un des ports. Une telle configuration est décrite dans la demande internationale n° WO 2008/008143 A2. Cette demande propose un convertisseur de puissance universel dit « Buck-Boost », comportant une réactance de transfert d'énergie des ports comprenant une entrée et une sortie, et des dispositifs de commutation bidirectionnels. Un premier dispositif de commutation est agencé pour connecter au moins une borne de la réactance à une entrée, avec une polarité de connexion réversible. Un deuxième dispositif de commutation est agencé pour connecter au moins une borne de la réactance à une sortie, là encore avec une polarité de connexion réversible. La réactance permet de stocker l’énergie grâce à une inductance et un condensateur. Le premier dispositif de commutation pilote la réactance avec une forme d'onde de tension non sinusoïdale. Lorsque le premier dispositif de commutation est fermé et que le deuxième est ouvert, l’énergie stockée augmente dans la réactance. Par la suite, lorsque le premier dispositif de commutation est ouvert et le deuxième est fermé, l’énergie stockée dans l’inductance peut être transférée vers la charge.

Si une telle solution permet de transférer de l’énergie entre plusieurs ports, elle nécessite toutefois une inductance et un condensateur, ce qui rend le système à la fois lent et volumineux, mais aussi limité en quantité d’énergie.

Il existe donc un besoin pour un système de transfert d’énergie qui permette de réaliser un transfert direct et simultané d’énergie entre une multitude de ports, en entrée et en sortie, acceptant différentes formes de courant et de tension, sans être limité en niveau de courant ou de tension, tout en étant léger et peu encombrant.

Il existe également un besoin pour une alternative aux systèmes de transfert d’énergie connus, c’est-à-dire un système qui ne nécessiterait pas une succession de convertisseurs, un bus intermédiaire ou un élément de stockage intermédiaire tel qu’un convertisseur « Buck-Boost ».

Il existe encore un besoin pour un système de transfert d’énergie qui permette un dosage de l’énergie distribuée vers différents éléments avec une possibilité de bidirectionnalité, et qui permette une conversion des différentes formes d’énergie, et ce d’autant plus que les réalisations actuelles diversifient de plus en plus les formes de d’énergie. Un tel dosage (ou contrôle) de l’énergie permet de limiter les risques de surcharge ou de court-circuit.

Objet de l’invention

L’objet de l’invention est donc de fournir un système de transfert d’énergie qui permette un transfert direct d’énergie entre différents points d’un réseau (ou ports), depuis tout type d’entrée (courant ou tension, continu ou alternatif), vers tout type de sortie (courant ou tension, continu ou alternatif), alors même que des sources et des charges multiples opèrent simultanément.

A cette fin, la présente invention a pour objet un système de transfert d’énergie comprenant un ensemble de ports et un ensemble de convertisseurs, au moins l’un des ports étant agencé pour transmettre de l’énergie et au moins un autre des ports étant agencé pour recevoir de l’énergie, chaque convertisseur étant relié à l’un des ports et étant agencé pour que l’énergie transmise par un port soit reçue par un autre port par l’intermédiaire d’au moins certains des convertisseurs. Le système comprend également un coupleur relié à chacun des convertisseurs de manière que l’énergie transmise par un port circule à l’intérieur du coupleur entre au moins certains des convertisseurs avant d’être reçue par un autre port, ainsi qu’une commande reliée à chacun des convertisseurs de manière à aiguiller l’énergie d’au moins un port vers au moins un autre port.

Grâce à cette structure particulière, le système de transfert d’énergie selon l’invention permet un transfert direct d’énergie entre les ports.

En effet, lors de son transfert d’un port vers un autre par l’intermédiaire du coupleur, l’énergie n’est donc convertie qu’une seule fois, au niveau du convertisseur du port d’entrée et de celui du port de sortie. Le chemin vu par l’énergie s’apparente donc à la traversée d’un seul convertisseur avec isolation galvanique. Le rendement du système est donc meilleur que celui d’une chaîne de convertisseurs. Le système selon l’invention peut donc être plus léger et moins encombrant (à puissance identique) ou bien plus puissant (à caractéristiques physiques identiques) que les systèmes déjà connus de l’art antérieur.

De plus, contrairement aux solutions déjà connues, dans le système selon l’invention, l’énergie se contente de circuler dans l’élément intermédiaire, sans y être stockée. En conséquence, le système selon l’invention n’est pas limité en niveau de tension ou de courant et peut donc recevoir tout niveau de tension ou de courant, sans être limité par l’impédance d’un élément intermédiaire de stockage. Le système selon l’invention peut donc recevoir et transférer des tensions plus élevées. De façon similaire, l’invention permet de s’affranchir d’un bus intermédiaire.

De plus, en faisant circuler directement l’énergie dans un coupleur commun, l’invention permet potentiellement de transférer de l’énergie simultanément vers plusieurs ports, ce qui constitue une amélioration significative. A cet égard, la commande du système permet à la fois de synchroniser les convertisseurs, d’aiguiller l’énergie vers les ports (via les convertisseurs) et de contrôler la quantité d’énergie transférée, ce qui assure une gestion améliorée de l’énergie qui circule.

Grâce à ses avantages, tout en préservant une structure simple, l’invention convient pour de nombreuses applications nécessitant un transfert direct d’énergie, particulièrement dans le domaine ferroviaire, où elle offre une meilleure disponibilité du matériel roulant et des infrastructures, mais également dans tout autre secteur utilisant des réseaux (« grids » en anglais, tels que l’énergie, la domotique, etc.) ou des véhicules électriques.

De préférence, le coupleur est un noyau ferromagnétique. En outre, chaque convertisseur comprend au moins un solénoïde. Le choix d’un noyau ferromagnétique permet de réaliser un système selon l’invention de manière simple, peu encombrante et peu coûteuse, en tirant profit de la capacité de l’élément ferromagnétique à faire circuler l’énergie sous forme de flux magnétique.

De préférence, chaque convertisseur comprend un module de commutation actionnable par la commande pour aiguiller l’énergie d’un port vers un autre. Grâce à ces modules de commutation actionnés par la commande, des ports sont activés (en fermant les modules de commutation des convertisseurs lié à ces ports) pour que de l’énergie soit injectée dans le coupleur par certains de ces ports et pour que cette énergie soit ensuite reçue par certains autres de ces ports. Les autres ports, qui ne participent pas à ce transfert d’énergie à cet instant, sont désactivés (en ouvrant les modules de commutation des convertisseurs liés à ces ports).

De préférence également, le coupleur comprend une pluralité de modules de couplage dont au moins certains sont reliés à l’un des convertisseurs, chacun des convertisseurs étant relié à l’un des modules de couplage. Ainsi, si une partie du coupleur est défectueuse, cela n’affecte tout au plus que l’un des modules et il suffit de remplacer ce module pour corriger le problème. Le reste du coupleur, en parfait état, peut donc être préservé. La maintenance et la réparation d’un tel coupleur peut donc être réalisé de façon plus simple et moins coûteuse.

Dans un mode de réalisation avantageux, au moins l’un des convertisseurs est agencé pour recevoir et/ou pour délivrer une variété de formes de tension et de courant. Un tel convertisseur peut être qualifié d’universel. Il convient pour la présente invention en cas d’entrée ou de sortie variable. Le convertisseur peut ainsi recevoir un courant continu ou alternatif, monophasé ou triphasé, à une ou plusieurs fréquences. Il peut aussi recevoir une tension pouvant aller par exemple jusqu’à 10 kV et une puissance pouvant aller par exemple jusqu’au 10 MW.

De préférence encore, au moins l’un des convertisseurs est bidirectionnel. Il peut donc être une entrée, une sortie, ou les deux alternativement. Un tel convertisseur peut être connecté soit à une alimentation, soit à une charge, et ce même de manière alternante. Dans le cadre de l’invention, où l’énergie peut circuler par l’intermédiaire du coupleur entre différents ports, autant en alimentation qu’en charge, cela rend le convertisseur en cause plus versatile.

De préférence encore, la commande comprend une commande générale reliée à des sous-commandes dont chacune est reliée à l’un des convertisseurs. Dans cette configuration, les convertisseurs peuvent être synchronisés.

De préférence, plusieurs coupleurs sont reliés les uns aux autres et sont reliés aux convertisseurs de manière que l’énergie transmise par au moins un port circule à l’intérieur d’au moins certains des coupleurs et entre au moins certains des convertisseurs avant d’être reçue par au moins un autre port. Cela permet de réaliser plusieurs étages de coupleurs, ce qui rend le système encore plus modulable.

La présente invention concerne également un procédé de transfert d’énergie, dans le système de transfert d’énergie tel que décrit ci-dessus, comprenant une étape de commande des convertisseurs de manière à injecter une quantité d’énergie vers le coupleur depuis au moins l’un des ports, ainsi qu’une étape de commande des convertisseurs de manière à doser la quantité d’énergie sortant du coupleur vers au moins l’un des ports.

De préférence, chaque convertisseur comprenant un module de commutation actionnable par la commande pour aiguiller l’énergie d’un port vers un autre, les étapes de commande des convertisseurs consistent à actionner au moins certains des modules de commutation pour faire entrer et sortir de l’énergie sous la forme idoine dans le coupleur.

La présente iinvention concerne aussi l’utilisation d’un système de transfert d’énergie tel que décrit ci-dessus pour l’alimentation d’un réseau ferroviaire et de son matériel roulant, ainsi que tout type de réseau électrique (interconnexions de réseaux industriels ou domestiques) ou de véhicule électrique.

Plus largement, ’invention concerne également une infrastructure comprenant un ensemble d’alimentations et de charges, et un système de transfert d’énergie tel que décrit ci-dessus, agencé de manière que chaque port soit relié à au moins une alimentation ou à une charge et que de l’énergie soit transférée d’au moins une alimentation vers au moins une charge par l’intermédiaire des ports, des convertisseurs et du coupleur.

Liste des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés.
est un schéma représentant de façon générale un système de transfert d’énergie selon la présente invention.
est un schéma électronique détaillé d’un système selon un exemple de mise en œuvre de l’invention.
est une vue en perspective d’un exemple de coupleur selon l’invention.
et sont des schémas électroniques de deux exemples de convertisseurs avec leurs sous-commandes respectives (à rattacher au coupleur avec une bobine selon la présente invention).
est un schéma illustrant le transfert d’énergie dans une locomotive ferroviaire électrique selon l’art antérieur.
est un schéma illustrant le transfert d’énergie dans une locomotive ferroviaire électrique selon la présente invention.
est un schéma illustrant le transfert d’énergie dans un réseau électrique selon la présente invention.

Description détaillée de l’invention

Un système de transfert d’énergie 1 selon l’invention est représenté sur la . Ce système de transfert 1 est destiné à permettre le transfert d’énergie entre plusieurs ports 10, 20, 30, 40, etc. Dans cet exemple, quatre ports sont envisagés, mais l’invention peut s’appliquer indifféremment à un nombre différent de ports – un objet de l’invention est précisément d’assurer un transfert d’énergie entre un nombre élevé de ports, qui peuvent être de différents types. Certains des ports peuvent être des alimentations, tandis que d’autres peuvent être des charges. Alternativement, ils peuvent être des alimentations puis des charges.

Pour opérer un transfert d’énergie conformément à la présente invention, le système 1 comprend un élément intermédiaire 2, une commande 3 et un ensemble de convertisseurs 11, 21, 31, 41, etc.

Les ports peuvent être connectés à une alimentation ou à une charge, afin que l’énergie puisse être transférée d’une alimentation vers une charge, via l’élément intermédiaire 2. De façon classique, chaque port est connecté à un convertisseur. Sur l’exemple de la , les ports 10, 20, 30 et 40 sont connectés respectivement aux convertisseurs 11, 21, 31 et 41. Les ports sont reliés à l’élément intermédiaire 2 via les convertisseurs, ce qui permet de convertir le type d’énergie de l’alimentation ou de la charge de chaque port vers le type d’énergie que l’élément intermédiaire 2 est apte à recevoir et à faire circuler. Les ports et les convertisseurs peuvent ainsi faire le lien entre l’alimentation ou la charge (connectée à un port) et l’élément intermédiaire 2 (connecté à un convertisseur).

Dans le cadre de l’invention, les convertisseurs ont vocation à être universels, avec la possibilité de recevoir une large gamme de tension, de courant, de fréquence et de puissance. Des versions plus spécialisées peuvent être réalisées pour effectuer des opérations spéciales (par exemple, la commande de moteurs et d’autres dispositifs) afin d’améliorer encore le coût et le rendement.

Les convertisseurs peuvent fonctionner avec différentes formes électriques, par exemple un courant continu ou alternatif, un courant monophasé ou polyphasé, une large gamme de fréquence (par exemple jusqu’à 10 kHz), de tension (par exemple jusqu’à 25 kV) ou de courant (par exemple jusqu’à 10000 A).

Les convertisseurs peuvent également avoir un caractère universel en ce qu’il peut être reliés soit à une source d’alimentation, soit à une charge, soit aux deux alternativement. Un convertisseur peut ainsi être connecté à un élément/port variable.

Chaque convertisseur possède un régulateur interne de premier niveau, apte à gérer le transfert d’énergie et la sécurité au niveau du convertisseur. Chaque convertisseur dispose également d’une interface de communication, qui permet des échanges avec d’autres systèmes et en particulier la commande 3.

Le coupleur 2 est connecté à chacun des convertisseurs 11, 21, 31 et 41 de manière que l’énergie transmise par un port (par exemple le port d’alimentation 10) circule à l’intérieur du coupleur 2 entre deux convertisseurs (par exemple le 11 et le 21) avant d’être reçue par un autre port (par exemple le porte de charge 20). Ainsi, l’énergie injectée dans le coupleur peut circuler dans celui-ci et atteindre n’importe quel convertisseur.

Le coupleur selon l’invention peut prendre différentes formes, dès lors qu’il est apte à permettre la circulation d’un type d’énergie donné. A titre d’exemple, l’énergie peut être électromagnétique (guide d’onde), lumineuse, mécanique, piézoélectrique ou encore thermique. Lorsque l’énergie est magnétique, l’élément intermédiaire 2 peut être un noyau ferromagnétique. Dans ce cas, les ports peuvent recevoir ou transmettre de l’énergie électrique qui transite dans le coupleur sous forme de flux magnétique. Les convertisseurs comprennent alors des solénoïdes enroulés directement autour du noyau ferromagnétique.

Dans le cas où le coupleur est un noyau ferromagnétique, comme c’est le cas sur la , chaque convertisseur 11, 21, 31, 41 comprend un solénoïde tel que le solénoïde 12 (également nommé Magint, MagInt1, MagInt2, MagInt3) enroulé autour du noyau ferromagnétique, ainsi qu’au moins un module de commutation 13. Le noyau 2 permet l’interaction multidirectionnelle entre les ports, par l’intermédiaire de son flux magnétique. Le noyau est conçu pour fonctionner jusqu’à des fréquences élevées. Il peut être réalisé par exemple en ferrites ou en tôles nanocristallines. Les dimensions, la forme (anneau, carré, etc.) et les spécificités du noyau peuvent être déterminées selon l’application. Il peut être ainsi dimensionné pour recevoir un nombre donné de convertisseurs.

Le coupleur 2 peut être divisé en une pluralité de modules de couplage, ainsi que cela est représenté sur la , avec par exemple un total de douze modules 2.1, 2.2, …., 2.12. Ces modules sont connectés en série et peuvent s’emboîter les uns dans les autres, pour former une boucle. Ils forment ainsi un ensemble remplissant la fonction de coupleur. Ainsi, si une partie du coupleur est défectueuse, il suffit de ne changer que l’un des modules pour réparer celui-ci. Sur la , on voit que certains modules (2.1, 2.2, 2.4, 2.5, 2.7 et 2.10) ne sont reliés à aucun convertisseur (ou solénoïde). Certains modules (2.3, 2.6, 2.8, 2.9 et 2.11) sont reliés à des convertisseurs (dont on voit les solénoïdes 12, 22, 32, 42, 52 et 62).

Les convertisseurs 11, 21, 31 et 41 sont reliés respectivement aux ports 10, 20, 30 et 40, de façon électrique. Ils sont également reliés au coupleur 2, pour assurer la liaison entre le coupleur et les ports. Les convertisseurs sont réversibles, c’est-à-dire qu’ils permettent de faire circuler l’énergie dans un sens ou dans l’autre, à la fois dans le sens d’une alimentation vers le coupleur, et dans le sens du coupleur vers une charge. A cette fin, vis-à-vis des ports, les convertisseurs peuvent être une entrée, une sortie, ou les deux à la fois.

De plus, selon l’invention, les ports sont également synchrones, c’est-à-dire qu’ils peuvent être synchronisés par le biais de la commande 3. Les convertisseurs peuvent donc fonctionner de façon conjointe. Ils peuvent être ouverts ou fermés (via les modules de commutation 13, 23, 33 et 43 commandés de façon synchrone par la commande 3) pour faire circuler ou non l’énergie. Ces modules peuvent comprendre un ensemble de commutateurs. Pour assurer un transfert d’énergie dans les deux sens, les modules de commutation peuvent être bidirectionnels selon leur propre commande.

Dans le mode de réalisation à noyau ferromagnétique, les convertisseurs et le coupleur forment des convertisseurs électromagnétiques réversibles. Pour chaque transfert d’énergie, l’entrée et la sortie sont galvaniquement isolées grâce au coupleur.

Par exemple, les convertisseurs peuvent être de type résonant, DAB (« Dual Active Bridge), ZVS (« Zero Voltage Switching ») ou encore ZCS (« Zero Current Switching »). Ils peuvent être simplifiés (par exemple, un simple enroulement avec un transformateur) ou être plus complexes (par exemple, des structures de type ISOP, IPOS, FC ou MMC), selon les caractéristiques de tension et de courant souhaitées. De plus, ils possèdent un système de régulation individuel, qui peut utiliser une régulation par modulation de largeur d’impulsion (PWM) ou par déphasage.

Chaque convertisseur peut être choisi individuellement selon les besoins. Le type, la forme et les dimensions peuvent donc varier d’un convertisseur à un autre, par exemple selon le niveau de puissance et selon la forme de tension ou de courant souhaité.

La commande 3 est l’élément qui assure la commande et la supervision du système de transfert d’énergie. Elle communique aussi avec les éléments extérieurs du système pour assurer un bon fonctionnement dans l’infrastructure. La commande 3 est connectée aux convertisseurs 11, 21, 31 et 41. Elle est agencée de manière à synchroniser les convertisseurs et à actionner au moins certains d’entre eux dans le but d’aiguiller l’énergie vers au moins certains des ports correspondants, c’est-à-dire vers les ports par lesquels l’énergie doit passer (soit en alimentation, soit en charge).

Dans le système, la commande 3 permet de synchroniser les convertisseurs et de faire interagir les ports. Pour cela, comme on peut le voir sur la , la commande 3 comporte une commande générale 3.0 reliée à un bus de communication 3A, par l’intermédiaire duquel des signaux de synchronisation peuvent être adressés aux commutateurs. Elle comporte également un script de commande 3B (même si la commande n’est pas nécessairement un programme informatique), une sonde 3C et un générateur d’impulsions 3D. Le bus de communication 3A est relié aux modules de commutation de chaque convertisseur. La commande générale 3.0 peut ainsi envoyer un signal de commande Cmd_1, Cmd_2, Cmd_3, Cmd_4 à chaque sous-commande associée à un module de commutation. Les sous-commandes ne sont pas visibles sur la . Elles seront décrites en référence aux figures 4 et 5. Grâce à la commande générale et aux sous-commande, la commande 3 peut commander le système selon l’invention de façon synchrone.

La commande 3 permet aussi de faire interagir le système avec l’extérieur, par des canaux de communication (CAN, Ethernet, etc.) et/ou des signaux discrets.

La commande 3 permet de changer ou d’ajuster la loi de commande des ports, ce qui permet d’activer les ports durant des intervalles de temps précis et synchrones. Les ports peuvent ainsi être activés durant un créneau de transfert précis. Plusieurs transferts peuvent donc être faits successivement.

La commande 3 permet ainsi de doser et d’aiguiller la quantité d’énergie à transférer, de protéger les ports contre les surtensions, surchauffe, etc., ainsi que de synchroniser et de stabiliser leur fonctionnement.

De préférence, la commande 3 peut effectuer des opérations spécifiques telles que la commande vectorielle d’un moteur polyphasé (synchrone/asynchrone), le contrôle d’un moteur à courant continu, l’activation et le contrôle de différents dispositifs, etc. Elle peut également gérer la défaillance d’un port ou convertisseur et sélectionner une source alternative, changer la répartition de la puissance, délester certaines charges ou aiguiller les ressources vers des chemins alternatifs. Elle peut aussi communiquer avec un système de niveau supérieur qui supervise plusieurs dispositifs selon l’invention. Les informations d’état et de fonctionnement peuvent aussi être envoyées.

En outre, la commande 3 peut fonctionner de façon autonome et/ou envoyer des informations de fonctionnement, et recevoir des consignes du niveau supérieur.

Dans l’exemple de la , chaque convertisseur 11, 21, 31, 41 comprend donc un solénoïde et un module de commutation. Chaque convertisseur constitue ainsi l’entrée du port, qui est lui-même relié à une alimentation ou à une charge (représentée par « V ou R » sur la , V désignant une alimentation et R une charge). Chaque alimentation peut délivrer (ou chaque charge peut recevoir) un courant continu (« dc » relié au convertisseur 11), un courant alternatif monophasé (« ac » et « ac1 » reliés aux convertisseurs 31 et 41) ou encore un courant alternatif triphasé (« 3ph » relié au convertisseur 21). Chaque convertisseur peut donc recevoir (d’une alimentation) ou délivrer (vers une charge) ces types de courant, à une ou plusieurs fréquences.

Pour transmettre ces courants entre l’alimentation ou la charge, d’un côté, et le solénoïde, de l’autre côté, le module de commutation comporte plusieurs entrées et sorties. Par exemple, le module 13 inclut deux entrées In1, In2 et deux sorties Out1, Out2. Comme on le verra plus en détails sur les figures 4 et 5, ces entrées et sorties sont reliées à des commutateurs commandés par les sous-commandes (qui reçoivent des signaux de commande de la commande générale). Ces entrées et sorties peuvent être réversibles, afin de s’adapter au type de port (alimentation ou charge).

Les figures 4 et 5 représentent des exemples de convertisseurs (qu’il faut encore relier à un solénoïde se rattachant au coupleur) avec leurs sous-commandes intégrées 21 et 31. Sur la , le convertisseur 21 étant prévu pour recevoir ou délivrer du courant triphasé, le module de commutation 23 est un bloc comprenant trois entrées (ou sorties) In1, In2 et In3 vers un port triphasé et deux sorties (ou entrées) Out1 et Out2 vers le coupleur. Six commutateurs S5, S6, S7, S8, S9 et S10 sont prévus pour permettre le passage du courant de chaque entrée vers chaque sortie. Sur la , le convertisseur 31 étant prévu pour recevoir ou délivrer du courant monophasé alternatif, le convertisseur 31 est un bloc comprenant cette fois deux entrées (ou sorties) vers le port et deux sorties (en entrées) vers le coupleur. Quatre interrupteurs sont prévus.

La représente une sous-commande 3.1 connectée au module 23. Six commutateurs étant prévus, le bus de communication 3A de la sous-commande 3.1 est connecté aux six commutateurs du module 23. La représente une sous-commande 3.2 connectée au module 33. Quatre commutateurs étant prévus, le bus de communication 3A de cette sous-commande est relié aux quatre commutateurs du module 33. Pour chacun de ces éléments, la sous-commande permet de commander de façon synchronisée les commutateurs du bloc convertisseur correspondant. Dans les deux cas, les sous-commandes 3.1 et 3.2 comprennent également un script de sous-commande 3B, une sonde 3C, un générateur d’impulsions 3D, ainsi qu’une entrée 3E destinée à recevoir le signal de commande Cmd_3 émis par la commande générale 3.0. Tous les modules sont ainsi commandés de façon synchronisée.

Le système de transfert d’énergie selon l’invention présente de nombreux avantages par rapport à l’art antérieur. En premier lieu, il permet de faire un transfert direct d’énergie entre les différents ports du système. Il suffit pour cela d’actionner les commutateurs reliant un port à un autre, via le coupleur. Cet avantage particulier est lié à la configuration de l’élément intermédiaire en coupleur, qui permet une circulation de l’énergie sans plusieurs conversions successives, et donc sans de multiples pertes de rendement. Par exemple, lorsque de l’énergie provenant du port 20 doit atteindre le port 40, l’énergie est convertie seulement au niveau du convertisseur de départ 21 (pour entrer dans le coupleur 2), puis au niveau du convertisseur de destination 41 (pour sortir du coupleur 2). Dans ce cas, l’énergie n’est pas convertie au niveau des convertisseurs 11 et 31. Le rendement global du système est donc amélioré et le système de transfert d’énergie peut être plus simple (à puissance identique) ou plus puissant (à configuration physiques identiques).

En deuxième lieu, le coupleur 2 fait circuler l’énergie sans la stocker. Il s’ensuit que le niveau de tension ou de courant n’est pas limité et le système peut recevoir tout niveau de tension ou de courant.

En troisième lieu, le coupleur 2 combiné avec la configuration particulière du système 1 permet de transférer l’énergie simultanément vers plusieurs ports. Puisque la commande 3 synchronise et commande les différents commutateurs, elle aiguille l’énergie vers les ports de façon précise. Le transfert d’énergie peut donc être dosé.

La présente invention peut être utilisée pour le transfert d’énergie dans une pluralité d’applications, en particulier dans une infrastructure ferroviaire (au niveau des réseaux ferroviaires, dans les sous-stations) ou locomotive. A cet égard, la illustre une architecture électrique ferroviaire embarquée 100 selon l’art antérieur, tandis que la illustre une architecture électrique ferroviaire embarquée 200 selon l’invention.

Sur la , l’architecture 100 comprend deux sources d’énergie 101 et 113 sous la forme de caténaires de 25 kV et de 1500 V. L’énergie des caténaires peut être transférée aux différents éléments via les pantographes 102 et 114 et plusieurs convertisseurs (désignés par la référence C sur la ). Les éléments incluent par exemple les moteurs 103 de l’élément roulant (traction), la ventilation 104, la restauration 105, l’éclairage 106 et la climatisation 107 (auxiliaires de confort), le moto ventilateur 108, l’air comprimé 109, et la charge de batteries 110 (auxiliaires de traction). De nombreux convertisseurs sont nécessaires pour convertir l’énergie des caténaires vers ces différents éléments. Par exemple, pour que l’énergie du caténaire 101 atteigne les moteurs 103, il faut un convertisseur traction C, en plus du premier convertisseur à l’embranchement. Pour que l’énergie puisse atteindre les éléments auxiliaires, elle doit traverser une multitude de convertisseurs après le convertisseur à l’embranchement (au moins un convertisseur par élément, au moins deux dans le cas d’une batterie, ils ne sont pas tous représentés sur la ), pour atteindre l’élément pertinent. De plus, au niveau de la batterie 110, il est nécessaire d’ajouter un chargeur 111 (pour recevoir le courant de charge) et un onduleur 112 (pour renvoyer le courant). De plus, le système comportant deux pantographes, il est nécessaire d’utiliser deux chaines de conversion. Du fait de ces nombreux convertisseurs, l’architecture s’avère volumineuse et présente un faible rendement.

Sur la , selon la présente invention, l’architecture 200 comprend deux sources d’énergie 201 et 209 sous la forme de caténaires 25 kV et 1500 V. L’énergie des caténaires peut être transférée aux éléments via les pantographes 202 et 210. Les éléments sont regroupés par blocs, selon le type de courant qu’ils peuvent recevoir. Ainsi, l’architecture 200 comprend un bloc 203 des auxiliaires de confort, un bloc 204 d’air comprimé, un bloc 205 de moto ventilateur, un bloc 206 de charge de batteries et un bloc moteur 207. Selon l’invention, un noyau ferromagnétique 208 fait office de coupleur. Ce noyau est agencé de manière à être connecté au caténaire 201 et aux éléments 203 à 207. Des commutateurs, des convertisseurs et une commande (non visibles sur le schéma de la ) complètent l’infrastructure. Les éléments 201, 203, 204, 205, 206 et 207 sont des ports selon l’invention. L’énergie des caténaires 201 et 209 peut être injecté dans le noyau 208 afin d’y circuler. Puis l’énergie est aiguillée vers l’un des éléments 203 à 207 en actionnant les commutateurs de façon appropriée (par l’intermédiaire de la commande). L’énergie est donc effectivement transférée durant le bref laps de temps de fermeture du commutateur. Pendant cette phase de transfert, l’énergie n’est convertie que par le convertisseur du caténaire et par le convertisseur de l’élément (ou du bloc d’éléments) pertinent.

L’invention permet donc de remplacer tous les convertisseurs, les onduleurs, les chargeurs et les systèmes de commande des moteurs par un système compact unique. Il permet également de commander directement les moteurs de traction et de récupérer l’énergie lors du freinage. De plus, lorsque deux pantographes sont utilisés dans le système, un seul coupleur suffit toujours.

Dans le cas d’une utilisation ferroviaire, le noyau 208 peut alimenter tous les éléments électriques, par exemple la traction, les batteries, les auxiliaires de confort (éclairage, climatisation, ventilation), les auxiliaires techniques (compresseurs), et ce à partir d’une ou plusieurs sources d’alimentation.

De préférence, le noyau ferromagnétique 208 peut avoir plusieurs entrées caténaires pour s’adapter aux différentes tensions des réseaux (par exemple 1500 Vdc et 25 000 Vac) sans avoir besoin d’éléments supplémentaires. Il peut également être relié à d’autres sources d’énergie dans l’infrastructure, par exemple la génératrice thermique (type diesel), les batteries, la pile à hydrogène, des supercapacités, etc.

L’invention peut être utilisée dans d’autres domaines, en particulier dans le secteur industriel, la distribution d’énergie, la domotique et les véhicules électriques.

Dans chaque cas, le système de transfert d’énergie selon l’invention peut alimenter plusieurs dispositifs (moteurs, fours, batterie, etc.) en fournissant à chacun la forme d’énergie nécessaire. Il peut aussi assurer le transfert d’énergie entre ces différents éléments et assurer l’optimisation de la gestion d’énergie.

A grande échelle, le système selon l’invention peut interconnecter plusieurs réseaux de distribution d’énergie entre eux. Ces réseaux peuvent comprendre des sources de tensions différentes (22 kVac ou 400Vac), qui proviennent par exemple de panneaux solaires (2000 Vdc), d’un parc éolien (400 Vac triphasé) ou bien d’une unité de production. Il peut également permettre de réaliser des transferts d’énergie entre des réseaux qui ne sont pas en phase (par exemple, en décalage de phase). Il peut encore transférer l’énergie entre le réseau d’énergie, des panneaux solaires, des habitations, des véhicules électriques, des systèmes de batteries, en optimisant les transferts entre ces éléments. Dans ce contexte, le système permet la recharge rapide des batteries des véhicules électriques, ou encore la revente (vers le réseau de distribution) de l’énergie des panneaux photovoltaïques ou de l’énergie stockée dans les batteries des véhicules électriques.

Dans l’exemple de la , un réseau électrique inclut différentes sources et charges, telles qu’un réseau domestique 302, un site industriel 303, une centrale nucléaire 304, une centrale thermique 305, une centrale hydraulique 306, une centrale photovoltaïque 307, un centrale éolienne 308, une charge de véhicules électriques 309 et un réseau électrique urbain 310. Conformément à l’invention, tous ces éléments sont interconnectés par l’intermédiaire du coupleur 301 selon l’invention afin d’assurer un transfert d’énergie à haut rendement. L’énergie générée par l’un de ces éléments (par exemple, les panneaux solaires du réseau domestique) peut donc être aisément véhiculée, de façon dosée, vers au moins un autre de ces éléments. On peut prévoir plusieurs étages de coupleurs pour des infrastructures de grande ampleur.

Dans le contexte d’un véhicule électrique, le système selon l’invention – en particulier son coupleur et sa commande – permet de commander le moteur de traction et de récupérer l’énergie lors de freinage. Simultanément, il permet aussi de gérer une source thermique, une batterie, une pile à hydrogène et des super-capacités. Un des ports connectés au coupleur peut alimenter tous les équipements embarqués. La circulation de l’énergie entre ces éléments est contrôlée, pour un rendement amélioré.

De nombreuses autres applications peuvent être envisagées, tout en restant dans le champ de portée de l’invention.

Claims (14)

1. Système de transfert d’énergie (1) comprenant :
   – un ensemble de ports (10, 20, 30, 40), au moins l’un des ports (10) étant agencé pour transmettre de l’énergie et au moins un autre des ports (20) étant agencé pour recevoir de l’énergie, et
   – un ensemble de convertisseurs (11, 21, 31, 41), chaque convertisseur (11, 21, 31, 41) étant relié à l’un des ports (10, 20, 30, 40) et étant agencé pour que l’énergie transmise par un port (10) soit reçue par un autre port (20) par l’intermédiaire d’au moins certains des convertisseurs (11, 21),
   caractérisé en ce qu’il comprend également :
   – un coupleur (2) relié à chacun des convertisseurs (11, 21, 31, 41) de manière que l’énergie transmise par un port (10) circule à l’intérieur du coupleur (2) entre au moins certains des convertisseurs (11, 21, 31, 41) avant d’être reçue par un autre port (20), et
   – une commande (3) reliée à chacun des convertisseurs (11, 21, 31, 41) de manière à aiguiller l’énergie d’au moins un port (10) vers au moins un autre port (20).
2. Système de transfert d’énergie selon la revendication 1, dans lequel le coupleur (2) est un noyau ferromagnétique et dans lequel chaque convertisseur (11, 21, 31, 41) comprend au moins un solénoïde (12, 22, 32, 42).
3. Système de transfert d’énergie selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque convertisseur (11, 21, 31, 41) comprend un module de commutation (13, 23, 33, 43) actionnable par la commande (3) pour aiguiller l’énergie d’un port (10) vers un autre (20).
4. Système de transfert d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le coupleur (2) comprend une pluralité de modules de couplage (2.1, 2.2, 2.3, …, 2.12) dont au moins certains sont reliés à l’un des convertisseurs (11, 21, 31, 41).
5. Système de transfert d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins l’un des convertisseurs (11, 21, 31, 41) est agencé pour recevoir et/ou pour délivrer une variété de formes de tension et de courant.
6. Système de transfert d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins l’un des convertisseurs (11, 21, 31, 41) est bidirectionnel.
7. Système de transfert d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la commande (3) comprend une commande générale (3.0) reliée à une pluralité de sous-commandes (3.1, 3.2) dont chacune est elle-même reliée à l’un des convertisseurs (11, 21, 31, 41).
8. Système de transfert d’énergie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel plusieurs coupleurs (2) sont reliés les uns aux autres et sont reliés aux convertisseurs (11, 21, 22, 23) de manière que l’énergie transmise par au moins un port (10) circule à l’intérieur d’au moins certains des coupleurs (2) et entre au moins certains des convertisseurs (11, 21, 31, 41) avant d’être reçue par au moins un autre port (20).
9. Procédé de transfert d’énergie, dans le système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant :
   – une étape de commande des convertisseurs (11, 21, 31, 41) de manière à injecter une quantité d’énergie vers le coupleur (2) depuis au moins l’un des ports (10), et
   – une étape de commande des convertisseurs (11, 21, 31, 41) de manière à doser la quantité d’énergie sortant du coupleur (2) vers au moins l’un des ports (20).
10. Procédé de transfert d’énergie selon la revendication précédente, dans lequel chaque convertisseur (11, 21, 31, 41) comprend un module de commutation (13, 23, 33, 43) actionnable par la commande (3) pour aiguiller l’énergie d’un port (10) vers un autre (20), et dans lequel les étapes de commande des convertisseurs (11, 21, 31, 41) comprennent l’actionnement d’au moins certains des modules de commutation (13, 23, 33, 43) pour faire entrer et sortir de l’énergie dans le coupleur (2).
11. Utilisation du système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8 pour l’alimentation d’un réseau ferroviaire et de son matériel roulant.
12. Utilisation du système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8 pour l’alimentation d’un véhicule électrique.
13. Utilisation du système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8 pour l’interconnexion entre plusieurs réseaux électriques.
14. Infrastructure (200, 300) comprenant :
    – un ensemble d’alimentations et de charges (201, 203- 207, 209, 302-310), et
    – un système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8, agencé de manière que chaque port soit relié à au moins une alimentation ou à une charge et de manière que de l’énergie soit transférée d’au moins une alimentation vers au moins une charge par l’intermédiaire des ports, des convertisseurs et du coupleur (208, 301).