FR3130099A1 - Dispositif électrique de conversion d’une tension et système d’alimentation associé - Google Patents

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Abstract

Dispositif électrique de conversion d’une tension et système d’alimentation associé La présente invention concerne un dispositif électrique de conversion (15) d’une tension depuis un circuit d’alimentation (5), vers une sortie de distribution électrique (10). Le dispositif comprend un transformateur (30) comportant un enroulement primaire (55) et un enroulement secondaire (60). L’enroulement primaire est configuré pour être connecté au circuit d’alimentation. Le dispositif comprend en outre un premier interrupteur aval (35) configuré pour connecter électriquement l’enroulement secondaire du transformateur et la sortie de distribution électrique, et une unité de filtrage (40) connectée entre l’enroulement secondaire et le premier interrupteur aval. Le dispositif comprend en outre une résistance (45) entre l’unité de filtrage et le premier interrupteur aval, et un deuxième interrupteur aval (50) connecté aux bornes de la résistance, le deuxième interrupteur aval étant configuré pour, lorsqu’il est fermé, court-circuiter la résistance. Un ensemble formé par la résistance et l’unité de filtrage est connecté en parallèle de l’enroulement secondaire. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Dispositif électrique de conversion d’une tension et système d’alimentation associé
La présente invention concerne un dispositif électrique de conversion d’une tension depuis un circuit d’alimentation, vers une sortie de distribution électrique.
L’invention concerne également un système d’alimentation électrique d’un véhicule ferroviaire comprenant un tel dispositif électrique de conversion.
Dans un véhicule ferroviaire, il est connu de proposer aux passagers une sortie de distribution électrique, notamment pour le rechargement d’appareils nomades. Pour cela, la sortie de distribution électrique est connectée à un circuit d’alimentation parcourant au moins partiellement le véhicule ferroviaire, et connectée à des infrastructures dudit véhicule.
Toutefois, les caractéristiques de la tension et/ou du courant dans le circuit d’alimentation ne respectent pas toujours les standards d’une sortie de distribution.
Ainsi, il est connu de placer un dispositif de conversion électrique d’une tension entre le circuit d’alimentation et la sortie de distribution. Le dispositif de conversion comprend un transformateur, une unité de filtrage entre le transformateur et la sortie de distribution, et un interrupteur pilotable entre l’unité de filtrage et la sortie de distribution. L’unité de filtrage est alors configurée pour adapter la forme du courant au standard d’une sortie de distribution. L’interrupteur pilotable est quant à lui, configuré pour permettre une connexion entre l’unité de filtrage et la sortie de distribution après une temporisation prédéfinie. L’interrupteur comprend une chaîne de commandes connectée aux bornes de l’unité de filtrage, et configurée pour déclencher la fermeture dudit interrupteur après une temporisation prédéfinie.
Lorsque le transformateur est alimenté en énergie électrique, une surtension est présente à ses bornes, ladite surtension étant propre à endommager l’appareil nomade du passager. Ainsi, la sortie de distribution n’est alimentée, par le circuit d’alimentation, qu’après la fermeture de l’interrupteur.
Toutefois, la surtension endommage la chaîne de commande de l’interrupteur, conduisant, après de multiples utilisations, à rendre l’interrupteur non-fonctionnel. Ainsi, ledit interrupteur est alors une pièce consommable et le dispositif de conversion subit régulièrement des opérations de maintenance.
Il existe donc un besoin pour rendre le dispositif de conversion plus robuste afin de limiter les opérations de maintenance.
À cet effet, l’invention a pour objet un dispositif électrique de conversion d’une tension depuis un circuit d’alimentation, vers une sortie de distribution électrique, le dispositif comprenant :
  • un transformateur comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, l’enroulement primaire étant configuré pour être connecté au circuit d’alimentation ;
  • un premier interrupteur aval configuré pour connecter électriquement l’enroulement secondaire du transformateur et la sortie de distribution électrique ; et
  • une unité de filtrage connectée à l’enroulement secondaire, entre l’enroulement secondaire et le premier interrupteur aval,
dans lequel le dispositif électronique de conversion comprend en outre :
  • une résistance en série de l’unité de filtrage et entre l’unité de filtrage et le premier interrupteur aval, un ensemble formé par la résistance et l’unité de filtrage étant connecté en parallèle de l’enroulement secondaire ; et
  • un deuxième interrupteur aval connecté aux bornes de la résistance, le deuxième interrupteur aval étant configuré pour, lorsqu’il est fermé, court-circuiter la résistance.
Selon des modes de mise en œuvre particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
  • au moins l’une de la fermeture et de l’ouverture des premier et deuxième interrupteurs avals est synchrone ;
  • le dispositif comprend un relais à retard temporisé comportant une chaine de commande et les premier et deuxième interrupteurs avals, la chaîne de commande étant connectée en parallèle de l’ensemble formé par la résistance et l’unité de filtrage,
le relais à retard temporisé étant configuré pour, suite à un retard prédéfini après la circulation d’un courant dans la chaine de commande, fermer les premier et deuxième interrupteurs avals ;
  • le retard prédéfini est compris en 500 millisecondes et 2 secondes.
  • le circuit d’alimentation est un circuit triphasé et la sortie de distribution électrique est une sortie électrique monophasée ;
  • l’enroulement primaire du transformateur est propre à être connecté à deux phases du circuit d’alimentation ;
  • le dispositif comprend en outre un micro-disjoncteur connecté entre le premier interrupteur aval et la sortie de distribution électrique, le micro-disjoncteur étant configuré pour, si un courant circulant entre le premier interrupteur aval et la sortie de distribution électrique dépasse un seuil prédéfini, interrompre la circulation dudit courant ;
  • l’unité de filtrage est un condensateur.
La présente invention se rapporte également à un système d’alimentation électrique d’un véhicule ferroviaire comprenant un circuit d’alimentation, une sortie de distribution électrique et un tel dispositif électronique de conversion.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, le système d’alimentation comprend la caractéristique suivante : le circuit d’alimentation comprend trois phases et, pour chaque phase, un interrupteur amont destiné à autoriser ou inhiber une circulation de courant depuis le circuit d’alimentation, vers le dispositif électronique de conversion.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, de modes de réalisation de l’invention, donnés à titre d’exemple uniquement et en référence au dessin annexé sur lequel :
- la est une représentation schématique d’un système d’alimentation électrique d’un véhicule ferroviaire.
Dans la description qui va suivre, la formulation « sensiblement égale » est entendue au sens d’une égalité à plus ou moins 10 %, et préférentiellement à plus ou moins 5 %.
En référence à la , un système d’alimentation électrique 1 est intégré au sein d’un véhicule ferroviaire non représenté.
Le système d’alimentation 1, aussi appelé par la suite système 1, comprend un circuit d’alimentation 5, une sortie de distribution électrique 10 et un dispositif électrique de conversion 15.
Le circuit d’alimentation 5 est par exemple un circuit d’alimentation triphasé comprenant trois phases 20. La tension entre deux phases 20 est optionnellement sensiblement égale à 400 V. Le circuit d’alimentation 5 comprend optionnellement, pour chaque phase 20, un interrupteur amont 25 destiné à autoriser ou inhiber une circulation de courant depuis le circuit d’alimentation 5, vers le dispositif électrique de conversion 15. Le circuit d’alimentation 5 est par exemple connecté à une source d’énergie non représentée et à une ou plusieurs infrastructures du véhicule ferroviaire. Une infrastructure du véhicule ferroviaire est par exemple un chauffage ou une climatisation.
Les interrupteurs amont 25 tirent leur dénomination « amont » du fait qu’ils soient placés en amont du dispositif de conversion 15 par rapport à la sortie de distribution 10, i.e. du côté du circuit d’alimentation 5. Les interrupteurs amonts 25 sont par exemple des interrupteurs pilotables, reliés à un même contacteur non représenté, lui-même configuré pour fermer ou ouvrir, de manière synchrone, chacun des interrupteurs amonts 25. Ainsi, lorsque les interrupteurs amonts 25 sont ouverts, aucune énergie électrique n’est transmise, depuis le circuit d’alimentation 5, vers le dispositif de conversion 15. Lors de la fermeture des interrupteurs amonts 25, le dispositif de conversion 15 est alors subitement alimenté en énergie électrique, provoquant à son entrée, un pic de tension, également appelé surtension.
La sortie de distribution 10 est par exemple une prise secteur propre à délivrer une tension sensiblement égale à 230 V, à une fréquence sensiblement égale 50 Hz. La sortie de distribution 10 est préférentiellement connectée en sortie du dispositif de conversion 15 et est monophasée.
Le dispositif électrique de conversion 15, également appelé dispositif de conversion 15, ou encore dispositif 15, comprend un transformateur 30, un premier interrupteur aval 35, une unité de filtrage 40, une résistance 45 et un deuxième interrupteur aval 50.
Le transformateur comporte un enroulement primaire 55 et un enroulement secondaire 60. L’enroulement primaire 55 est configuré pour être connecté au circuit d’alimentation 5. L’enroulement primaire 55 est préférentiellement connecté à deux des trois phases 20 du circuit d’alimentation 5. L’enroulement primaire 55 est avantageusement connecté en aval des interrupteurs amont 25, de sorte que les interrupteurs amonts 25 soient entre la source d’énergie, non représentée, et l’enroulement primaire 55. Ainsi, lorsque les interrupteurs amont 25 sont ouverts, l’enroulement primaire 55 n’est pas alimenté en énergie électrique.
Le transformateur 30 est par exemple un transformateur de tension. Il est donc configuré pour convertir la tension d’alimentation de l’enroulement primaire 55 en une tension convertie de l’enroulement secondaire 60. À cet effet, le transformateur 30 comprend une puissance de transformation préférentiellement égale à 6 kVA. Il en résulte que lorsque l’enroulement primaire 55 est connecté au circuit d’alimentation 5, la tension d’alimentation à ses bornes étant alors sensiblement égale à 400 V, la tension convertie aux bornes de l’enroulement secondaire 60 est alors sensiblement égale à 230 V. La dernière assertion n’est vérifiée qu’en régime nominale, c’est-à-dire après le passage de la surtension.
Le premier interrupteur aval 35 est configuré pour connecter électriquement l’enroulement secondaire 60 du transformateur 30 et la sortie de distribution électrique 10. Le premier interrupteur aval 35 est par exemple configuré pour établir une connexion entre l’enroulement secondaire 60 et la sortie de distribution électrique 10 de sorte à alimenter la sortie de distribution 10. Au contraire, le premier interrupteur aval 35 est configuré pour être ouvert lorsqu’il n’est pas désiré d’alimenter la sortie de distribution 10. Des détails supplémentaires seront donnés sur le premier interrupteur aval 35 ci-après.
L’unité de filtrage 40 est connectée à l’enroulement secondaire 60, entre l’enroulement secondaire 60 et le premier interrupteur aval. L’unité de filtrage 40 est configurée pour effectuer un filtrage du type passe-haut à la tension transmise, depuis l’enroulement secondaire 60, vers la sortie de distribution 10. L’unité de filtrage 40 est préférentiellement une unité de filtrage passe-haut. À cet effet, l’unité de filtrage 40 est par exemple un condensateur, aussi appelé capacitance, ou élément capacitif, dont une capacité est par exemple comprise entre 120 et 180 microfarads (µF), et de préférence sensiblement égale à 157 µF. L’unité de filtrage 40 est alors avantageusement configurée pour modifier la forme de la tension en sortie de l’enroulement secondaire 60, afin qu’elle respecte le standard de la sortie de distribution 10, c’est-à-dire avoir une fréquence sensiblement égale à 50 Hz.
La résistance 45 est connectée en série de l’unité de filtrage 40 et entre l’unité de filtrage 40 et le premier interrupteur aval 35. La résistance 45 est également appelée résistor ou élément résistif. On entend par résistance un élément résistif dont l’impédance est sensiblement supérieure à 10 ohms, voire à 50 ohms. On distingue alors la résistance 45, d’un câble de connexion électrique.
La résistance 45 a par exemple une impédance comprise entre 50 et 150 ohms (Ω), de préférence sensiblement égale à 100 Ω.
Un ensemble formé de la résistance 45 et l’unité de filtrage 40 est en parallèle de l’enroulement secondaire 60. Autrement dit, la résistance 45 comprend deux bornes dont l’une est connectée à l’unité de filtrage 40 et l’autre à une des bornes de l’enroulement secondaire 60. Réciproquement, l’unité de filtrage 40 comprend deux bornes dont l’une est connectée à la résistance 45 et l’autre est connectée à une borne de l’enroulement secondaire 60 distincte de celle à laquelle la résistance 45 est connectée. On définit alors un premier point de connexion 65 correspondant au point de connexion entre la résistance 45 et l’unité de filtrage 40. On définit en outre un deuxième point de connexion 70 correspondant au point de connexion entre la résistance 45 et l’enroulement secondaire 60.
On entend par « point de connexion », une zone du dispositif de conversion 15 dans laquelle le potentiel électrique est le même. On comprend alors qu’un point de connexion n’est pas nécessairement réduit à un point physique. Plusieurs éléments ayant une borne connectée à un même point de connexion partagent donc un même potentiel électrique à ce point, indépendamment de câble(s) de connexion utilisé(s) pour connecter les éléments.
Le deuxième interrupteur aval 50 est connecté aux bornes de la résistance 45, en parallèle de ladite résistance 45. Autrement dit, le deuxième interrupteur aval 50 comprend une borne connectée au premier point de connexion 65 et une deuxième borne connectée entre le deuxième point de connexion 70 et le premier interrupteur aval. Le deuxième interrupteur aval 50 est configuré pour, lorsqu’il est fermé, court-circuiter la résistance 45. Ainsi, lorsque le deuxième interrupteur aval 50 est fermé, le courant issu du transformateur 30, circule depuis l’enroulement secondaire 60, vers la sortie de distribution 10, à travers l’élément de filtrage 40, mais sans traverser la résistance 45.
Les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals tirent leur dénomination « aval » du fait qu’ils soient placés en aval du circuit d’alimentation 5, par rapport à la sortie de distribution 10.
Optionnellement, au moins l’une de la fermeture ou de l’ouverture des premier 35 et deuxième 50 interrupteurs aval est synchrone. Préférentiellement, la fermeture et l’ouverture des premier 35 et deuxième 50 interrupteurs aval sont respectivement synchrones, i.e. les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs aval ferment, respectivement ouvrent, le circuit en même temps. À titre d’exemple, le dispositif de conversion 15 comprend en outre un relais à retard temporisé 75 comportant une chaîne de commande 80 et les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals. La notion « temporisé » dans le nom « relais à retard temporisé » signifie que le retard est prédéfini et que le relais à retard temporisé 75 est configuré pour effectuer une action décrite ci-après, après l’expiration dudit retard prédéfini. La chaîne de commande 80 est connectée en parallèle de l’ensemble formé par la résistance 45 et l’unité de filtrage 40. Plus spécifiquement, la chaîne de commande 80 est connectée entre l’ensemble formé de la résistance 45 et de l’unité de filtrage 40 et la sortie de distribution 10. Le relais à retard 75 est configuré pour, suite à un retard prédéfini après la circulation d’un courant dans la chaîne de commande 80, fermer les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals. Le retard prédéfini est optionnellement compris entre 500 millisecondes (ms) et 2 secondes (s), afin de permettre aux premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals d’être fermés après la surtension.
En complément facultatif, le dispositif électronique de conversion 15 comprend en outre un micro disjoncteur 85 connecté entre le premier interrupteur aval 35 et la sortie de distribution électrique 10. Le micro disjoncteur 85 est configuré pour, si un courant circulant entre le premier interrupteur aval 35 et la sortie de distribution 10, dépasse un seuil prédéfini, interrompre la circulation dudit courant. Le seuil prédéfini est par exemple sensiblement égal à 10 Ampères (A). Ainsi, si le courant circulant dans le micro disjoncteur 85 dépasse 10 A, la circulation du courant est inhibée afin de protéger l’appareil nomade du passager.
Le fonctionnement du système d’alimentation 1 va maintenant être décrit.
Initialement, les trois phases 20 du circuit d’alimentation 5 sont alimentées par la source d’énergie non représentée et les interrupteurs amonts 25 sont ouverts. Ainsi, le dispositif de conversion 15 n’est pas alimenté par le circuit d’alimentation 5. En outre, initialement, les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals sont ouverts.
Lors de la fermeture des interrupteurs amonts 25, le transformateur 30 est alors alimenté par le courant en provenance du circuit d’alimentation 5. Par exemple, le transformateur 30 transforme la tension provenant du circuit d’alimentation 5 en une tension convertie via l’enroulement primaire 55 et l’enroulement secondaire 60. À cet instant, la surtension a lieu, à cause de la fermeture des interrupteurs amonts 25 ayant soudainement provoquée la circulation d’un courant dans le transformateur 30.
Le courant produit par l’enroulement secondaire 60 circule alors dans la résistance 45 et dans l’unité de filtrage 40, qui est préférentiellement un condensateur. Le courant ne circule pas jusqu’à la sortie de distribution 10 puisque le premier interrupteur aval 35 est ouvert.
Lorsque le courant circule dans la résistance 45, l’énergie électrique est partiellement dissipée sous forme de chaleur. L’intensité de ce phénomène est d’autant plus forte lors de la fermeture des interrupteurs amonts 25, à cause de la surtension produite à cet instant.
Lors de la fermeture du premier interrupteur aval 35, le courant circule alors jusqu’à la sortie de distribution 10.
En outre, lors de la fermeture du deuxième interrupteur aval 50, la résistance 45 est court-circuitée et le courant circule alors dans l’unité de filtrage 40 sans traverser la résistance 45. Ceci permet alors de limiter la dissipation d’énergie dans la résistance 45 une fois la surtension passée.
Optionnellement, la fermeture des premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals est synchrone, de sorte que la sortie de distribution 10 n’est alimentée que lorsque la résistance 45 est court-circuitée.
De manière préférentielle, les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals sont compris dans le relais à retard temporisé 75. Selon ce deuxième mode préférentiel, lorsque les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals sont ouverts, le courant circule dans la chaîne de commande 80, après être passé par la résistance 45 et l’unité de filtrage 40. Après le retard prédéfini suite à la circulation du courant dans la chaine de commande 80, le relais à retard temporisé 75 ferme les premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals.
Ainsi, avec le dispositif de conversion 15 selon l’invention, le premier interrupteur aval 35 est moins susceptible de subir une maintenance.
Optionnellement, la fermeture, et/ou l’ouverture, synchrone des premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals permet de lutter plus efficacement contre la surtension sans limiter l’énergie transmise à la sortie de distribution 10 suite à ladite surtension.
En outre, la présence optionnelle d’un relais à retard temporisé 75 permet d’automatiser la commande des premier 35 et deuxième 50 interrupteurs avals tout en assurant que lesdits interrupteurs ne soient fermées qu’après la surtension.

Claims (10)

  1. Dispositif électrique de conversion (15) d’une tension depuis un circuit d’alimentation (5), vers une sortie de distribution électrique (10), le dispositif (15) comprenant :
    • un transformateur (30) comportant un enroulement primaire (55) et un enroulement secondaire (60), l’enroulement primaire (55) étant configuré pour être connecté au circuit d’alimentation (5) ;
    • un premier interrupteur aval (35) configuré pour connecter électriquement l’enroulement secondaire (60) du transformateur (30) et la sortie de distribution électrique (10) ; et
    • une unité de filtrage (40) connectée à l’enroulement secondaire (60), entre l’enroulement secondaire (60) et le premier interrupteur aval (35),
    caractérisé en ce que le dispositif électronique de conversion (15) comprend en outre :
    • une résistance (45) en série de l’unité de filtrage (40) et entre l’unité de filtrage (40) et le premier interrupteur aval (35), un ensemble formé par la résistance (45) et l’unité de filtrage (40) étant connecté en parallèle de l’enroulement secondaire (60) ; et
    • un deuxième interrupteur aval (50) connecté aux bornes de la résistance (45), le deuxième interrupteur aval (50) étant configuré pour, lorsqu’il est fermé, court-circuiter la résistance (45).
  2. Dispositif (15) selon la revendication 1, dans lequel au moins l’une de la fermeture et de l’ouverture des premier (35) et deuxième (50) interrupteurs avals est synchrone.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif (15) comprend un relais à retard temporisé (75) comportant une chaine de commande (80) et les premier (35) et deuxième (50) interrupteurs avals, la chaîne de commande (80) étant connectée en parallèle de l’ensemble formé par la résistance (45) et l’unité de filtrage (40),
    le relais à retard temporisé (75) étant configuré pour, suite à un retard prédéfini après la circulation d’un courant dans la chaine de commande (80), fermer les premier (35) et deuxième (50) interrupteurs avals.
  4. Dispositif (15) selon la revendication 3, dans lequel le retard prédéfini est compris en 500 millisecondes et 2 secondes.
  5. Dispositif (15) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit d’alimentation (5) est un circuit triphasé et la sortie de distribution électrique (10) est une sortie électrique monophasée.
  6. Dispositif (15) selon la revendication 5, dans lequel l’enroulement primaire (55) du transformateur (30) est propre à être connecté à deux phases (20) du circuit d’alimentation (5).
  7. Dispositif (15) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif (15) comprend en outre un micro-disjoncteur (85) connecté entre le premier interrupteur aval (35) et la sortie de distribution électrique (10), le micro-disjoncteur (85) étant configuré pour, si un courant circulant entre le premier interrupteur aval (35) et la sortie de distribution électrique (10) dépasse un seuil prédéfini, interrompre la circulation dudit courant.
  8. Dispositif (15) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de filtrage (40) est un condensateur.
  9. Système (1) d’alimentation électrique d’un véhicule ferroviaire comprenant un circuit d’alimentation (5), une sortie de distribution électrique (10) et un dispositif électronique de conversion (15) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Système (1) selon la revendication 9, dans lequel le circuit d’alimentation (5) comprend trois phases (20) et, pour chaque phase, un interrupteur amont (25) destiné à autoriser ou inhiber une circulation de courant depuis le circuit d’alimentation (5), vers le dispositif électronique de conversion (15).
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