FR3131472A1 - Système d’alimentation en tensions continue et polyphasée et procédé d’alimentation associé - Google Patents

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Leandro Cassarino
Ghislain Despesse
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Abstract

Système d’alimentation en tensions continue et polyphasée et procédé d’alimentation associé La présente invention concerne un système d’alimentation (10) adapté pour fournir une tension polyphasée et une tension continue et comprenant au moins trois modules, chaque module comportant : - un ensemble de cellules, chaque cellule comportant au moins une source d’énergie élémentaire, l’ensemble de cellules comportant une première cellule et une deuxième cellule, - un circuit de basculement de polarité (14) du module (M1, M2, M3) une sortie permettant de générer une phase du système d’alimentation (10), le circuit de basculement de polarité (14) étant relié respectivement à deux poles opposés des deux cellules, - un circuit de sélection (12) sélectionnant des cellules à connecter au circuit de basculement de polarité (14), et - des circuit de contrôle (16, 18) connectant deux poles opposés des deux cellules respectivement à une sortie de tension continue positive et négative. Figure pour l'abrégé : figure 1

Description

Système d’alimentation en tensions continue et polyphasée et procédé d’alimentation associé
La présente invention concerne un système d’alimentation en tensions continue et polyphasée. Elle se rapporte aussi à un procédé d’alimentation correspondant.
L’optimisation énergétique dans les systèmes autonomes sur batterie est très importante du fait que l’énergie embarquée est limitée pour des raisons de coût, de poids et de volume.
Dans un système autonome, la batterie fournit l’énergie nécessaire à l’alimentation de plusieurs éléments ou périphériques du système. Par exemple, dans les systèmes de transport électriques tels que les vélos électriques, voitures électriques, scooters électriques entre autres, la batterie peut alimenter en même temps notamment un moteur électrique triphasé, un dispositif d’éclairage ou une interface homme machine.
Ainsi, pour le cas d’un système comportant un moteur électrique triphasé et un ou plusieurs dispositifs à alimenter en continu, un pack batterie est utilisé pour alimenter le moteur d’une part et les autres dispositifs d’autre part.
Plus précisément, pour l’alimentation du moteur électrique, l’énergie des trois phases est prise sur un même pack batterie par un onduleur. L’onduleur sert à convertir la tension continue sortante du pack batterie vers les trois tensions alternatives, formant les trois phases du dispositif à alimenter.
Pour les autres dispositifs à alimenter, la tension en sortie de la batterie est également utilisée pour générer les différentes tensions d’alimentations à travers d’au moins un convertisseur continu/continu ou DC/DC selon la dénomination anglaise correspondante.
Cela signifie qu’en plus du ou des pack batterie, il est utilisé un onduleur et au moins un convertisseur DC/DC, ce qui implique des pertes en consommations d’énergie.
Il existe donc un besoin pour un système d’alimentation capable de fournir à la fois une tension continue et une tension polyphasée présentant des pertes en consommations d’énergie réduite.
A cet effet, la description décrit un système d’alimentation adapté pour fournir une tension polyphasée et une tension continue, le système d’alimentation comprenant au moins trois module, chaque module comportant :
- un ensemble de cellules, chaque cellule comportant au moins une source d’énergie élémentaire, l’ensemble de cellules comportant une première cellule d’extrémité et une deuxième cellule d’extrémité présentant chacune un pole négatif et un pole positif,
- un circuit de basculement de polarité du module, le circuit de basculement présentant une sortie permettant de générer une phase du système d’alimentation (10), le pole négatif de la première cellule d’extrémité étant relié au circuit de basculement de polarité et le pole positif de la deuxième cellule d’extrémité étant relié au circuit de basculement de polarité,
- un circuit de sélection propre à sélectionner des cellules parmi l’ensemble de cellules pour obtenir une ensemble de cellules sélectionnées à connecter au circuit de basculement de polarité pour permettre de générer la phase du système d’alimentation de la sortie,
- un premier circuit de contrôle propre à connecter le pôle positif de la première cellule d’extrémité à une sortie de tension continue positive du système d’alimentation, et
- un deuxième circuit de contrôle propre à connecter le pôle négatif de la deuxième cellule d’extrémité à une sortie de tension continue négative du système d’alimentation.
Il convient de comprendre ici que la présente invention se propose d’utiliser comme pack batterie une batterie à accumulateurs commutés. Une batterie à accumulateurs commutés est une batterie comprenant une pluralité de modules généralement identiques connectés en série et/ou en parallèle dont le nombre dépend de la tension voulue aux bornes de la batterie. Chaque module comprend une pluralité d'accumulateurs électriques. Des interrupteurs connectés en série et en parallèle avec les accumulateurs permettent de relier, ou non, en série et/ou en parallèle chaque accumulateur ou ensemble d’accumulateurs entre des nœuds de sortie du module, de manière à choisir la tension de sortie parmi les différentes combinaisons des tensions fournies par les accumulateurs.
De fait, un intérêt d’une batterie à accumulateurs commutés est d’éviter l’emploi d’un onduleur.
Cela permet ainsi de présenter des pertes en consommations d’énergie réduite par rapport à l’état de la technique connue.
Toutefois, la présente invention vient résoudre un problème supplémentaire.
En effet, utiliser une batterie à accumulateurs commutés pour une alimentation triphasée, utilisée par exemple pour alimenter une machine électrique, suppose de séparer la batterie en trois sous-ensembles, chacun rattaché à une phase. Chaque sous-ensemble présente deux pôles de sortie, un pôle est connecté à la machine triphasée pour former une phase et l’autre pôle est utilisé pour réaliser le point neutre de l’alimentation. Plus précisément, les pôles dits « neutre » de chaque sous-ensemble sont connectés entre eux pour former le point neutre.
On pourrait aussi envisager, pour alimenter les dispositifs à courant continu supplémentaires à partir de la batterie à accumulateurs commutés, d’utiliser au moins une alimentation à découpage pour prélever une tension continue d’un des sous-ensembles.
Mais, l’énergie est à prélever des trois sous-ensembles de manière équilibrée, afin de ne pas déséquilibrer les sous-ensembles entre eux. En effet, si l’un des sous-ensembles s’est déchargé, ce sous-ensemble ne fournit plus de courant pour le moteur triphasé. Le moteur triphasé n’est alors plus alimenté alors que les deux autres sous-ensembles ont encore de l’énergie disponible. On pourrait alors utiliser des alimentations à découpage pour tous les sous-ensemble, mais le système aurait un encombrement et un coût important.
Par le biais du circuit proposé, la présente invention vient apporter une solution à ce problème technique d’équilibrage en permettant la génération à la fois d’une tension continue et d’une tension polyphasée pour tous les cas d’utilisation.
Selon des modes de réalisation particuliers, le système d’alimentation présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le circuit de basculement de polarité est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du H un interrupteur.
- le pont en H comporte deux points de sorties, un premier point de sortie étant connecté au point neutre du système d’alimentation et un deuxième point de sortie étant une phase du système d’alimentation.
- le système d’alimentation comporte une unité de commande propre à commander simultanément au moins un circuit de contrôle parmi le premier circuit de contrôle et le deuxième circuit de contrôle et un interrupteur du pont en H.
- au moins un circuit de contrôle parmi le premier circuit de contrôle et le deuxième circuit de contrôle est un interrupteur.
- chaque interrupteur est un transistor.
- chaque source d’énergie élémentaire est un élément de stockage de charges ou un générateur.
- le circuit de sélection est propre à mettre en parallèle, mettre en série et/ou contourner les cellules pour former l’ensemble de cellules sélectionnées.
- les modules sont identiques.
A cet effet, la description décrit un procédé de fourniture d’une alimentation mis en œuvre par un système d’alimentation tel que précédemment décrit, dans lequel le procédé comporte la commande des circuits du système d’alimentation pour que le système d’alimentation (1fournisse une tension continue souhaitée et une tension polyphasée souhaitée, notamment une tension triphasée. .
Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé d’alimentation présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le circuit de basculement présentant également une sortie connectée au point neutre du système d’alimentation, le procédé comporte une étape :
- connexion des deuxièmes cellules d’extrémités d’au moins un module en commandant, pour chacun du au moins un module concerné :
- le deuxième circuit de contrôle pour connecter le pôle négatif de la deuxième cellule d’extrémité à une sortie de tension continue négative, et
- le circuit de basculement de polarité pour connecter le pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité au point neutre système d’alimentation, et
- connexion de la première cellule d’extrémité d’au moins un autre module en commandant, pour chacun du au moins un autre module concerné :
- le premier circuit de contrôle pour connecter le pôle positif de la première cellule d’extrémité à une sortie de tension continue positive, et
- le circuit de basculement de polarité pour connecter le pôle négatif de la première cellule d’extrémité au point neutre du système d’alimentation.
- chacun du premier circuit de contrôle et du deuxième circuit de contrôle est un interrupteur présentant une position ouverte et une position fermée, les étapes de commande de connexion de chacun des circuits de contrôle sont réalisées en commandant à l’interrupteur respectif de se mettre dans la position fermée.
- le circuit de basculement de polarité de chaque module est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du pont un interrupteur, chaque interrupteur présentant une position ouverte et une position fermée, la commande du circuit de basculement de polarité pour connecter le pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité d’un module au point neutre du système d’alimentation est réalisée en commandant sur ledit module :
- l’interrupteur relié au pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité et au point neutre de se mettre dans la position fermée, et
- l’interrupteur relié au point neutre et au pôle négatif de la première cellule d’extrémité de se mettre dans la position ouverte.
- le circuit de basculement de polarité de chaque module est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du pont un interrupteur, chaque interrupteur présentant une position ouverte et une position fermée, la commande du circuit de basculement de polarité pour connecter le pôle négatif de la première cellule d’extrémité d’un module au point neutre du système d’alimentation est réalisée en commandant sur ledit module :
- l’interrupteur relié au pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité et au point neutre de se mettre dans la position ouverte, et
- l’interrupteur relié au point neutre et au pôle négatif de la première cellule d’extrémité de se mettre dans la position fermée.
- le circuit de basculement de polarité de chaque module est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du pont un interrupteur, chaque interrupteur présentant une position ouverte et une position fermée, le procédé fournissant une tension polyphasée nulle en commandant les circuits de basculement de polarité pour qu’à tout instant :
- pour un des modules, les interrupteurs du circuit de basculement de polarité connectés au pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité soient dans une position fermée, les autres interrupteurs du circuit de basculement de polarité étant dans une position ouverte, et
- pour un autre des modules, les interrupteurs du circuit de basculement de polarité connectés au pôle négatif de la première cellule d’extrémité soient dans une position fermée, les autres interrupteurs du circuit de basculement de polarité étant dans une position ouverte.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la est une vue schématique d’un exemple de système d’alimentation,
- la est une vue schématique d’une partie du système d’alimentation de la ,
- la est une vue schématique d’un exemple de module à quatre cellules,
- la est une vue schématique d’un exemple de module à cinq cellules,
- la est une vue schématique du module de la dans une première configuration,
- la est une vue schématique du module de la dans une deuxième configuration,
- la est une vue schématique du système d’alimentation de la dans une première configuration,
- la est une vue schématique du système d’alimentation de la dans une deuxième configuration, et
- [Fg 9] la est une vue schématique du système d’alimentation de la dans une troisième configuration.
Un système d’alimentation 10 est illustré sur la .
Ce système d’alimentation 10 est un système assurant la génération d’une tension continue en sortie ainsi qu’un fonctionnement en tension polyphasée, que ce soit pour l’alimentation d’une charge en tension polyphasée ou la recharge sur une source polyphasée et d’une tension continue en sortie. Le système d’alimentation 10 est donc un système d’alimentation en tensions continue et polyphasée.
Dans l’exemple décrit, le système d’alimentation 10 est propre à générer trois phases mais il est aisé d’adapter le système d’alimentation 10 pour qu’il puisse générer un nombre de phases supérieur ou égal à 3.
Le système d’alimentation 10 comporte un point « neutre » PN, une sortie pour chaque phase P1, P2 et P3, un pôle positif correspondant à une sortie de tension continue positive DC+ et un pôle négative correspondant à une sortie de tension négative DC-.
Comme visible à la , le système d’alimentation 10 comprend trois sous-systèmes M1, M2 et M3.
Chaque sous-système M1, M2 et M3 correspond à un module d’une batterie à cellules commutées qui est représenté plus précisément sur la .
Chaque module M comporte plusieurs cellules C1… Cnoù n est un entier strictement supérieur à 1.
Dans l’exemple schématique de la , uniquement deux cellules C1et Cnde chaque module M1, M2 et M3 sont représentés, étant entendu que d’autres cellules (qui auraient alors pour signe de référence C2à Cn-1) peuvent également être présentes.
A titre d’illustration, la propose un module M à quatre cellules C1, C2, C3et C4et la présente un autre exemple de module M à cinq cellules C1, C2, C3, C4et C5.
Une cellule C peut comprendre entre ses pôles positif et négatif une ou plusieurs sources d’énergie élémentaire placées en série et/ou parallèle. Le pas de tension d’une cellule C est souvent de l’ordre de 3,6 V, de 12 V, de 24 V ou de 48 V mais toute autre valeur est possible.
Par exemple, la source d’énergie élémentaire est un élément de stockage de charges électrique, comme un élément électrochimique ou une capacité électrique.
Selon un autre exemple, la source d’énergie élémentaire est un générateur électrique, par exemple une pile à combustible, une pile zinc-air, une cellule photovoltaïque.
Selon encore un autre exemple, la source d’énergie élémentaire est un système récupérateur d’énergie, notamment une mini-éolienne ou une mini-turbine.
Les sources d’énergie élémentaire de la cellule C peuvent présenter une nature mixte, par exemple une combinaison entre un générateur électrique et un élément de stockage.
Chaque module M comporte également un circuit de sélection 12 et un circuit de basculement de polarité 14 permettant d’obtenir en sortie du module la ou les tensions souhaitées.
Le circuit de sélection 12 est un ensemble d’interrupteurs connectés aux cellules C pour permettre par changement de l’état (ouverture ou fermeture) des interrupteurs de connecter en série/en parallèle ou de contourner (by-passer) certaines cellules.
Plus précisément, le circuit de sélection 12 est propre à sélectionner des cellules C pour obtenir un ensemble de cellules sélectionnées, qui participeront à la génération de la phase.
L’ensemble des cellules C comprend également une première cellule d’extrémité C1dont le pole négatif est relié au circuit de basculement de polarité 14, et une deuxième cellule d’extrémité Cn, dont le pole positif est relié au circuit de basculement de polarité 14. Ces première et deuxième cellules d’extrémité C1et Cnfont partie de l’ensemble des cellules C, et à ce titre peuvent faire partie d’un ensemble de cellules sélectionnées mais sans que cela soit impératif.
Pour le cas de la , la première cellule d’extrémité est la première cellule C1et la deuxième cellule d’extrémité est la 5-ième cellule C5.
Dans le cas de la , le circuit de sélection 12 n’est pas représenté mais il est visible pour les cas des figures 3 et 4.
En particulier, le module M de la comporte huit interrupteurs, quatre premiers interrupteurs SW1,1, SW1,2,SW1,3et SW1,4permettant de mettre en série les cellules C1, C2, C3et C4et quatre deuxièmes interrupteurs SW2,1, SW2,2,SW2,3et SW2,4permettant de contourner les cellules C1, C2, C3et C4. Le module M de la correspond à un autre montage impliquant douze interrupteurs SW1 à SW12.
Les interrupteurs SW sont, par exemple, des transistors présentant un état passant et un état bloqué. Typiquement, il pourra être utilisé des transistors à effet de champ à grille isolée plus couramment dénommée MOSFET. MOSFET est un acronyme renvoyant à la dénomination anglaise de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » qui se traduit littéralement par « transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur ».
Le circuit de basculement de polarité 14 permet de faire basculer la polarité de l’ensemble de cellules sélectionnées, c’est-à-dire que le circuit de basculement de polarité 14 permet d’inverser ou non la polarité des cellules connectées.
Dans l’exemple proposé, le circuit de basculement de polarité 14 est un pont en H.
Le pont en H comporte quatre interrupteurs SWH1, SWH 2, SWH 3, et SWH 4.
Le pont en H comprend deux branches B1 et B2 en parallèle, à savoir une première branche B1 comportant en série le premier interrupteur SWH1et le troisième interrupteur SWH 3et une deuxième branche B2 comportant en série le deuxième interrupteur SWH2et le quatrième interrupteur SWH 4.
Chaque branche B1 et B2 comporte un point milieu respectif permettant d’extraire une tension, le point milieu de la première branche B1 correspondant à une sortie négative OUT- et le point milieu de la deuxième branche B2 correspondant à une sortie positive OUT+. La tension de sortie du pont en H correspond à la différence de potentiel entre la sortie positive OUT+ et la sortie négative OUT-.
Dans l’exemple décrit, les branches B1 et B2 sont connectées entre la borne négative de la première cellule C1et la borne positive de la n-ième cellule Cn. Plus précisément, la borne négative de la première cellule C1est connectée au premier interrupteur SWH1et au deuxième interrupteur SWH2tandis que la borne positive de la n-ième cellule Cnest connectée au troisième interrupteur SWH 3et au quatrième interrupteur SWH 4.
Conformément à la représentation choisie dans la où la première cellule C1et la n-ième cellule Cnest en haut, le premier interrupteur SWH1et le deuxième interrupteur SWH2correspondent au bas du pont en H alors que le troisième interrupteur SWH 3et le quatrième interrupteur SWH 4correspondent au haut du pont en H.
Le pont en H permet de générer des tensions de signe positif et négatif, selon la configuration des interrupteurs du pont en H, comme cela va être décrit en référence aux figures 5 et 6.
Dans l’exemple de la , pour générer une tension positive, il faut fermer les interrupteurs SWH1et SWH 4du pont en H.
La montre un exemple d’une telle connexion, avec les première, deuxième et troisième cellules C1, C2et C3 connectées en série (à travers la fermeture des interrupteurs SW2, SW5, et SW7) et reliées à la sortie par le pont en H.
Dans le cas de la , le pont en H est dans sa configuration « positive », c’est-à-dire une configuration dans laquelle les premier et quatrième interrupteurs SWH1et SWH 4sont fermés. La tension de sortie du pont en H est positive et correspond en amplitude à la tension de trois cellules C1, C2et C3 en série. Les quatrième et cinquième cellules C4et C5sont écartées puisque non connectées à la sortie du pont en H.
Dans le cas de la , le pont en H est dans sa configuration « négative », c’est-à-dire une configuration dans laquelle les deuxième et troisième interrupteurs SWH 2et SWH 3sont fermés. La tension de sortie du pont en H est négative et correspond en amplitude à la tension de trois cellules C1, C2et C3 en série.
Chaque module M comporte, en outre, deux circuits de contrôle 16 et 18.
Le premier circuit de contrôle 16 est propre à connecter le pôle positif de la première cellule C1 au pôle positif DC+ du système d’alimentation 10 tandis que le deuxième circuit de contrôle 18 est propre à connecter le pôle négatif de la n-ième cellule Cnau pôle négatif DC+ du système d’alimentation 10.
Dans l’exemple décrit, chaque circuit de contrôle 16 ou 18 correspond à un interrupteur, respectivement un premier interrupteur de contrôle SWDC1pour le premier circuit de contrôle 16 et un deuxième interrupteur de contrôle SWDC 2pour le deuxième circuit de contrôle 18.
Ainsi, la première cellule C1est connectée entre le bas du pont en H et le premier interrupteur de contrôle SWDC1.
La n-ième cellule Cnest connectée entre le haut du pont en H et le deuxième interrupteur de contrôle SWDC2.
La fermeture des interrupteurs de contrôle SWDC1et SWDC2 connecte le potentiel DCOUT1et DCOUT2respectivement au pôle positif de la première cellule C1et au pôle négatif de la n-ième cellule Cn.
Du point de vue des sorties continues DC+ et DC- du système d’alimentation 10, il convient d’assurer une bonne synchronisation entre les interrupteurs SWH1, SWH 2, SWH 3et SWH 4du pont en H et les interrupteurs de contrôle SWDC1et SWDC2.
En particulier, quand le pont H est dans sa configuration positive (avec les interrupteurs SWH1et SWH 4fermés), il convient de fermer en même temps le premier interrupteur de contrôle SWDC1et quand le pont H est dans sa configuration négative (avec les interrupteurs SWH 2et SWH 3fermés), il convient de fermer en même temps le deuxième interrupteur de contrôle SWDC2, comme visible dans les figures 5 et 6.
A titre d’exemple, pour assurer une bonne synchronisation, il peut être envisagé de commander simultanément un interrupteur de contrôle SWDC1et SWDC2avec un des interrupteurs SWH1, SWH 2, SWH 3et SWH 4du pont en H. Ainsi, les interrupteurs de contrôle SWDC1et SWH1peuvent être commandés par le même signal et similairement, les interrupteurs SWDC 2et SWH3peuvent être commandés par le même signal.
A cette fin, les modules M sont équipés d’une unité de commande qui est adaptée pour envoyer des lois de commandes adaptées au circuit de sélection 12 et au circuit de basculement de polarité 14 et ainsi pour commander l’ensemble des interrupteurs SW.
Chaque module M comporte, en plus de la sortie positive OUT+ et de la sortie négative OUT-, deux sorties continues, qui seront dénommé dans la suite pôle positif DCOUT_1et pôle négatif DCOUT_2.
En référence à la , il apparaît que la sortie négative OUT- correspond à la sortie « neutre » et la sortie positive OUT+ à une phase.
De fait, les trois sorties négatives OUT- des trois modules M1, M2 et M3 sont connectées ensemble pour former le point neutre PN du système d’alimentation 10.
Les trois phases P1, P2 et P3 forment la sortie triphasée du système d’alimentation 10.
Les trois pôles positifs DCOUT_1des trois modules M1, M2 et M3 sont connectés entre eux pour former le pôle positif DC+ du système d’alimentation 10.
Les trois pôles négatifs DCOUT_2des trois modules M1, M2 et M3 sont également connectés entre eux pour former la pôle négatif DC- du système d’alimentation 10.
Il est ainsi obtenu une tension continue entre les deux pôles DC+ et DC- de la sortie continue du système d’alimentation 10 à partir des trois sorties continues DCOUT_1et DCOUT_2des trois modules M1, M2 et M3.
Il va maintenant être expliqué pourquoi un tel agencement permet de garantir que le système d’alimentation 10 est capable de fournir à la fois une tension continue et une tension polyphasée dans tous les cas d’utilisation.
Il peut être noté que, dans un système triphasé, les tensions de sorties sont centrées à 0V et à chaque instant, au moins 2 des 3 phases sont de signe opposé. Quand une phase change de signe (en passant d’une tension positive à négative, ou l’inverse), les deux autres phases ont un signe opposé, donc il y aura toujours deux phases de signe opposé, parmi les trois.
Cela reste vrai même avec des signaux discrétisés et même si une harmonique (par exemple de rang 3 c’est-à-dire un signal de la forme A.Sin(ꙍt)+B.Sin(3ꙍt)) est ajoutée.
De ce fait, le pont en H voit toujours deux phases de signe opposé et ce dans toute configuration (positive et négative). Cela va permettre de générer une tension DC en sortie du système d’alimentation 10 (en plus de la tension triphasée).
La montre le système d’alimentation 10 de la dans une configuration assurant une tension triphasée à la sortie du pont en H et en même temps une tension DC à sa sortie continue.
Dans cet exemple, les deux modules M1 et M2 positionnés en haut (premier et deuxième modules dans la suite) génèrent une tension négative à la sortie de leur pont en H (entre P1 et PN et entre P2 et PN) et le module M3 positionné en bas (troisième module dans la suite) génère une tension positive à la sortie du pont en H (entre P3 et PN).
Les pôles négatifs des deux n-ième cellules Cn,1et Cn,2des premier et deuxième modules M1 et M2 sont connectés au pôle négatif DC- du système d’alimentation 10, les interrupteurs de contrôle SWDC2,1et SWDC2,2étant dans l’état fermé.
Les pôles positifs des deux n-ième cellules Cn,1et Cn,2des premier et deuxième modules M1 et M2 sont connectés au point neutre PN, les interrupteurs SWH3,1et SWH3,2étant dans l’état fermé.
Ainsi, les deux n-ième cellules Cn,1et Cn,2des premier et deuxième modules M1 et M2 sont connectées en parallèle entre elles.
Le pôle positif de la première cellule C1,3du troisième module M3 est connecté au pôle positif DC+ du système d’alimentation 10, l’interrupteur de contrôle SWDC 1 ,3étant dans l’état fermé.
Le pôle négatif de la première cellule C1,3du troisième module M3 est connecté au point neutre PN, l’interrupteur SWH1 , 3étant dans l’état fermé.
Ainsi, la première cellule C1,3du troisième module M3 est connectée en série aux deux n-ième cellules Cn,1et Cn,2des premier et deuxième modules M1 et M2 et sur les deux pôles DC- et DC+ du système d’alimentation 10, une tension équivalente à deux cellules connectées en série (C1+ Cn) est présente.
Une telle configuration permet d’obtenir en permanence une tension continue.
En effet, même si la configuration du signal triphasé change, avec par exemple un premier module avec une tension de sortie positive et les deux autres modules avec une tension de sortie négative, il y a toujours deux modules avec tension de sortie opposée et donc la première cellule C1d’un module en série avec la n-ième cellule Cnd’un autre module. La somme de leur tension est ainsi disponible en permanence sur les deux pôles DC- et DC+ du système d’alimentation 10.
En outre, lorsque les premières cellules C1des trois modules M1, M2 et M3 présentent la même tension et les n-ième cellules Cndes trois modules M1, M2 et M3 présentent la même tension, la tension continue en sortie du système d’alimentation 10 présente de très faibles variations lors d’un changement de configuration du signal triphasé. Il est ainsi favorable que chacun des trois modules M1, M2 et M3 soient identiques, ce qui est le cas pour la .
Le système d’alimentation 10 est également capable de délivrer une tension DC lorsque la sortie triphasée du système d’alimentation est nulle. Ce point va maintenant être explicité en référence à la .
Il convient de noter d’abord qu’une tension discrétisée, sortante d’un onduleur, est souvent modulée afin d’améliorer les performances et la qualité du courant échangé (par exemple avec un moteur électrique).
Quand la modulation est faite entre zéro et le premier (ou unique) palier de l’onduleur (avec une modulation entre zéro et une cellule, dans notre cas), la tension peut se trouver à zéro plusieurs fois dans la période électrique.
Pour le cas de la , cela signifie que les ponts en H peuvent générer une tension nulle avec deux différentes configurations : en fermant les interrupteurs du bas SWH1et SWH2ou en fermant les interrupteurs du haut SWH3et SWH4. Avec les deux configurations, les sorties du pont en H sont court-circuitées.
Afin d’assurer la génération de la tension continue même dans ce cas, il est utilisé une configuration du pont en H spécifique, selon qu’on se trouve dans la première ou dans la deuxième moitié de la période électrique de la tension modulée.
Afin d’assurer la génération de la tension continue, les zéros de la première moitié de la période de la tension seront générés en fermant les interrupteurs du bas SWH1, SWH2du pont en H et en même temps le premier interrupteur de contrôle SWDC1(qui était déjà fermé pendant la génération du palier positif précèdent au zéro). Cette configuration, appelée « zéro plus » permet de connecter la première cellule C1 entre le pôle positif DC+ et le point neutre PN du système d’alimentation 10, comme pour la génération d’une tension positive.
Similairement, les zéros de la deuxième moitié de la période de la tension seront générés en fermant les interrupteurs du haut SWH3, SWH4du pont en H et en même temps le deuxième interrupteur de contrôle SWDC2(qui était déjà fermé pendant la génération du palier négatif précèdent au zéro). Cette configuration, appelée « zéro moins » permet de connecter la n-ième cellule Cnentre le pôle négatif DC- et le neutre le point neutre PN du système d’alimentation 10, comme pour la génération d’une tension positive.
De cette manière, au moins une première cellule C1 d’un module M est toujours connectée entre le pôle positif DC+ et le point neutre PN du système d’alimentation 10 (avec la génération d’une tension positive ou d’un « zéro plus » à la sortie du pont en H du module M correspondant), et une n-ième cellule Cn, connectée entre le pôle négatif de la sortie DC+ et le point neutre PN du système d’alimentation 10 (avec la génération d’une tension négative ou d’un « zéro moins » à la sortie du pont en H du module correspondant). Ces deux cellules seront en série et la somme de leur tension (C1 + Cn) est présente sur la sortie continue du système d’alimentation 10.
La montre le cas d’une alimentation où la première phase correspond à une configuration « zéro moins », la deuxième phase correspond à une configuration « zéro plus » et la troisième phase correspond à une tension positive à la sortie de son pont en H. A la sortie DC, on retrouve la tension des premières cellules C1,2et C1,3en parallèle, en série avec la n-ième cellule Cn,1.
Il est ainsi possible de générer la tension continue pour le système d’alimentation 10, même quand la sortie triphasée du système d’alimentation 10 est nulle (par exemple si le moteur électrique est à l’arrêt). En effet, si chaque module M génère une série périodique de configurations (qui peut être enregistrée dans une mémoire), où la première moitié de la période est composée de configurations « zéro plus » et la deuxième moitié de la période est composée de configurations « zéro moins », et les séries générées par les 3 modules M1, M2 et M3 sont déphasées d’un tiers de la période ou de π/3 (comme pour la génération d’un tension triphasée), il y aura toujours au moins un module M qui génère un « zéro plus » et au moins un module M qui génère un « zéro moins ».
Il a ainsi été montré que le système d’alimentation 10 décrit est capable de fournir à la fois une tension continue et une tension polyphasée dans tous les cas d’utilisation.
De façon plus générale, la montre également que les modules M1, M2, M3 peuvent faire partie de plusieurs sous-packs distincts (respectivement SP1, SP2 et SP3), chaque sous-pack SP fournissant à la fois la tension DC et une phase du système polyphasé. Chaque sous-pack SP rassemble un ensemble de modules : le premier sous-pack SP1 rassemble le premier module M1 et des premiers modules additionnels notés M1,2, M1,3 … M1,n sur la , le deuxième sous-pack SP2 rassemble le deuxième module M2 et des deuxièmes modules additionnels notés M2,2, M2,3 … M2,n sur la et le troisième sous-pack SP3 rassemble le troisième module M3 et des deuxièmes modules additionnels notés M3,2, M3,3 … M3,n sur la .
Ainsi la génération d’une phase par les modules M1, M2, M3 doit s’entendre soit comme la fourniture d’une phase, soit comme une contribution à la fourniture d’une phase. Autrement formulé, les modules M1, M2 et M3 permettent la génération d’une phase au sens où chacun de ces modules permet la génération d’une phase seul ou en combinaison avec d’autres modules, par exemple dans le cadre d’un sous-pack SP comme visible sur la . Une autre manière de formuler cette notion relative à l’expression « permettre la génération d’une phase » est que chaque module M1, M2 ou M3 génère directement ou contribue à générer une phase.
En outre, le système d’alimentation 10 est de mise en œuvre aisée (moindre encombrement et coût relativement faible) par rapport à un système impliquant des alimentations à découpage.
Le système d’alimentation 10 peut correspondre à toute combinaison des modes de réalisation précédent, en particulier, chaque module peut être le module de la , 3 ou 4.

Claims (15)

  1. Système d’alimentation (10) adapté pour fournir une tension polyphasée et une tension continue, le système d’alimentation (10) comprenant au moins trois modules (M1, M2, M3), chaque module (M1, M2, M3) comportant :
    - un ensemble de cellules (C), chaque cellule (C) comportant au moins une source d’énergie élémentaire, l’ensemble de cellules (C) comportant une première cellule d’extrémité (C1) et une deuxième cellule d’extrémité (Cn) présentant chacune un pole négatif et un pole positif,
    - un circuit de basculement de polarité (14) du module (M1, M2, M3), le circuit de basculement (14) présentant une sortie permettant de générer une phase du système d’alimentation (10), le pole négatif de la première cellule d’extrémité (C1) étant relié au circuit de basculement de polarité (14) et le pole positif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) étant relié au circuit de basculement de polarité (14),
    - un circuit de sélection (12) propre à sélectionner des cellules (C) parmi l’ensemble de cellules (C) pour obtenir une ensemble de cellules (C) sélectionnées à connecter au circuit de basculement de polarité (14) pour permettre de générer la phase du système d’alimentation (10) de la sortie,
    - un premier circuit de contrôle (16) propre à connecter le pôle positif de la première cellule d’extrémité (C1) à une sortie de tension continue positive du système d’alimentation (10), et
    - un deuxième circuit de contrôle (18) propre à connecter le pôle négatif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) à une sortie de tension continue négative du système d’alimentation (10).
  2. Système d’alimentation selon la revendication 1, dans lequel le circuit de basculement de polarité (14) est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du H un interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4).
  3. Système d’alimentation selon la revendication 2, dans lequel le pont en H comporte deux points de sorties, un premier point de sortie étant connecté au point neutre (PN) du système d’alimentation (10) et un deuxième point de sortie étant une phase du système d’alimentation (10).
  4. Système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le système d’alimentation (10) comporte une unité de commande propre à commander simultanément au moins un circuit de contrôle (16, 18) parmi le premier circuit de contrôle (16) et le deuxième circuit de contrôle (18) et un interrupteur du pont en H (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4).
  5. Système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins un circuit de contrôle (16, 18) parmi le premier circuit de contrôle (16) et le deuxième circuit de contrôle (18) est un interrupteur (SWDC1, SWDC2).
  6. Système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque interrupteur (SW) est un transistor.
  7. Système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque source d’énergie élémentaire est un élément de stockage de charges ou un générateur.
  8. Système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de sélection (12) est propre à mettre en parallèle, mettre en série et/ou contourner les cellules (C) pour former l’ensemble de cellules (C) sélectionnées.
  9. Système d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les modules (M1, M2, M3) sont identiques.
  10. Procédé de fourniture d’une alimentation mis en œuvre par un système d’alimentation (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le procédé comporte la commande des circuits (12, 14, 16, 18) du système d’alimentation (10) pour que le système d’alimentation (10) fournisse une tension continue souhaitée et une tension polyphasée souhaitée, notamment une tension triphasée.
  11. Procédé de fourniture selon la revendication 10, dans lequel le circuit de basculement (14) présentant également une sortie connectée au point neutre (PN) du système d’alimentation (10), le procédé comporte une étape :
    - connexion des deuxièmes cellules d’extrémités (Cn) d’au moins un module (M1, M2, M3) en commandant, pour chacun du au moins un module (M1, M2, M3) concerné :
    - le deuxième circuit de contrôle (18) pour connecter le pôle négatif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) à une sortie de tension continue négative, et
    - le circuit de basculement de polarité (14) pour connecter le pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) au point neutre (PN) du système d’alimentation (10), et
    - connexion de la première cellule d’extrémité (C1) d’au moins un autre module (M1, M2, M3) en commandant, pour chacun du au moins un autre module (M1, M2, M3) concerné :
    - le premier circuit de contrôle (16) pour connecter le pôle positif de la première cellule d’extrémité (C1) à une sortie de tension continue positive, et
    - le circuit de basculement de polarité (14) pour connecter le pôle négatif de la première cellule d’extrémité (C1) au point neutre (PN) du système d’alimentation (10).
  12. Procédé de fourniture selon la revendication 11, dans lequel chacun du premier circuit de contrôle (16) et du deuxième circuit de contrôle (18) est un interrupteur (SWDC1, SWDC2) présentant une position ouverte et une position fermée, les étapes de commande de connexion de chacun des circuits de contrôle (16, 18) sont réalisées en commandant à l’interrupteur (SWDC1, SWDC2) respectif de se mettre dans la position fermée.
  13. Procédé de fourniture selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le circuit de basculement de polarité (14) de chaque module (M1, M2, M3) est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du pont un interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4), chaque interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4) présentant une position ouverte et une position fermée, la commande du circuit de basculement de polarité (14) pour connecter le pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) d’un module (M1, M2, M3) au point neutre (PN) du système d’alimentation (10) est réalisée en commandant sur ledit module (M1, M2, M3) :
    - l’interrupteur (SWH3) relié au pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) et au point neutre (PN) de se mettre dans la position fermée, et
    - l’interrupteur (SWH1) relié au point neutre (PN) et au pôle négatif de la première cellule d’extrémité (C1) de se mettre dans la position ouverte.
  14. Procédé de fourniture selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel le circuit de basculement de polarité (14) de chaque module (M1, M2, M3) est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du pont un interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4), chaque interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4) présentant une position ouverte et une position fermée, la commande du circuit de basculement de polarité (14) pour connecter le pôle négatif de la première cellule d’extrémité (C1) d’un module (M1, M2, M3) au point neutre (PN) du système d’alimentation (10) est réalisée en commandant sur ledit module (M1, M2, M3) :
    - l’interrupteur (SWH3) relié au pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) et au point neutre (PN) de se mettre dans la position ouverte, et
    - l’interrupteur (SWH1) relié au point neutre (PN) et au pôle négatif de la première cellule d’extrémité (C1) de se mettre dans la position fermée.
  15. Procédé de fourniture selon la revendication 11, dans lequel le circuit de basculement de polarité (14) de chaque module (M1, M2, M3) est un pont en H comportant dans chaque partie verticale du pont un interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4), chaque interrupteur (SWH1, SWH2, SWH3, SWH4) présentant une position ouverte et une position fermée, le procédé fournissant une tension polyphasée nulle en commandant les circuits de basculement de polarité (14) pour qu’à tout instant :
    - pour un des modules (M1, M2, M3), les interrupteurs (SWH3, SWH4) du circuit de basculement de polarité (14) connectés au pôle positif de la deuxième cellule d’extrémité (Cn) soient dans une position fermée, les autres interrupteurs (SWH1, SWH2) du circuit de basculement de polarité (14) étant dans une position ouverte, et
    - pour un autre des modules (M1, M2, M3), les interrupteurs (SWH1, SWH2) du circuit de basculement de polarité (14) connectés au pôle négatif de la première cellule d’extrémité (C1) soient dans une position fermée, les autres interrupteurs (SWH3, SWH4) du circuit de basculement de polarité (14) étant dans une position ouverte.
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