WO2006117488A2 - Circuit d'alimentation sans interruption - Google Patents

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    • Y02P90/40—Fuel cell technologies in production processes

Definitions

  • the present invention relates to an uninterrupted power supply circuit.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the field of supplying DC equipment from an AC power source.
  • a conventional architecture consists in using a low-voltage AC source 10 supplied by the local electrical network, that is to say downstream of a high-voltage / low-voltage transformer. .
  • AC / DC converters 21, 22 enable, on the one hand, the DC power supply of the electronic equipment 1, 2, and, on the other hand, the charging of batteries 31, 32 connected to the power bus.
  • some ancillary utilities 3 remain supplied with alternating current directly on the local network, while other equipment 4 are supplied with alternating current by means of DC / AC converters, such as the converter. 40 in series with AC / DC converter 22.
  • the technical problem to be solved by the object of the present invention is to provide an uninterruptible power supply circuit from an AC power source, which would make it possible to avoid or at least limit the use batteries for powering electrical equipment in case of interruption of the AC power supply, or even in nominal mode.
  • said circuit comprises a fuel cell backup system characterized in that the emergency system comprises:
  • a fuel cell starting battery connected to said alternating current source on an input terminal of the emergency system, said starter battery and the fuel cell being connected in parallel with an output terminal of the separate system of the input terminal.
  • a switch is disposed on said output terminal.
  • a switch is arranged between the fuel cell and said output terminal. It will also be seen later that this solution has the advantage of avoiding the use of any battery to power the electronic equipment, the DC power supply being in this case entirely provided by the circuit according to the invention whether in nominal mode or during an interruption of the AC power supply.
  • the starter battery is connected to the source (10) of alternating current via an AC / DC AC / DC converter,
  • the starter battery and the fuel cell are connected to the output terminal of the fuel cell backup system via respective DC / DC converters (512, 522),
  • a filtering capacity is placed at the output of the starter battery and the fuel cell
  • the circuit comprises a backup battery located downstream of the output terminal on a supply line of electronic equipment from the source,
  • the fuel cell backup system is kept energized by the AC power source
  • the starter battery is maintained by the AC power source when said source is running and by the fuel cell when the latter is turned on, especially in case of failure of the source.
  • Figure 1 is a diagram of a power plant according to the prior art.
  • Fig. 2 is a diagram showing an installation comprising an uninterruptible power supply circuit according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a diagram showing an installation comprising an uninterruptible power supply circuit according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is shown an installation for supplying electrical equipment, including electronic.
  • some electronic equipment 1, 2 must be supplied with power continuous, for example under 48 V for telecommunications equipment.
  • these electronic equipments are powered by means of an AC / DC converter 21 whose input terminal 211 is connected to the AC source and whose terminal 212 of output is connected to the power bus of the installation.
  • Other equipment 3, 4 are supplied with alternating current respectively by the local electrical network or via a DC / AC converter 40 connected to the output terminal 212 of the AC / DC converter 21.
  • the installation of Figure 2 further comprises an uninterrupted power supply circuit 50 which comprises, on the one hand, a battery 51 connected to the source 10 of alternating current on an input terminal 501 of the circuit 50 by the intermediate AC / DC 511 AC / DC converter and secondly a fuel cell 52.
  • the battery 51 of the fuel cell backup system 50 is provided in particular for starting the battery 52.
  • the battery 51 and the fuel cell 52 are respectively connected to the output terminal 502 of the circuit 50 via DC / DC converters DC / DC 512 and 522.
  • a filtering capacitor 504 at 100 Hz is placed at the output of the battery 51 and the fuel cell 52.
  • a switch 503 is disposed on the output terminal 502 of the circuit 50 which then operates in "charger" mode.
  • FIG. 2 uses only one backup battery 31 for powering the equipment, which represents a significant advantage over the installation of FIG. 1 for which a plurality of batteries was necessary.
  • the switch 503 In nominal mode, the switch 503 is open and the various equipment are powered from the AC source. In case of failure of the AC power supply, the switch 503 is closed and the DC power supply of the electronic equipment 1, 2 and AC of the electrical equipment 4 is provided by the circuit or system 50 emergency power supply without interruption.
  • the batteries 31 and 51 serve as a buffer at the start of the circuit 50 during the power switchover.
  • FIG. 3 represents a second embodiment in which a switch 503 'is arranged between the fuel cell 52 and the output terminal 502 of the uninterrupted supply circuit 50'.
  • the supply circuit 50 'of FIG. 3 provides only the supply of the equipment 2, 3, 4 either at rated speed or when the power supply is interrupted. alternating current. It is understood, with all the advantages that this represents, that in this case, no battery is necessary for the emergency power supply of the equipment 2, 3, 4 since these are permanently supplied by the circuit 50 'and that no interruption of power can therefore occur during a break of the AC power supply. In nominal mode, the switch 503 'is open and the circuit 50' uninterruptible power supply is still energized, but without the fuel cell is powered.
  • the battery 51 may be of low capacity since it only has to operate for a few seconds of the start of the circuit 50 ', which is still energized and whose conditions "ready state" are maintained by taking a part of the power that passes through the circuit 50 '.
  • the switch 506 of the short circuit being closed in nominal mode and open during an interruption.
  • the invention thus makes it possible to undersize the circuit backup batteries as well as the starter battery of the battery.
  • the invention even possibly to get rid of backup batteries or replace them with capacity.
  • the fuel cell 52 is advantageously a proton exchange membrane (PEM) cell fed, on the one hand, with air and, on the other hand, hydrogen stored under high pressure in tanks or bottles or under low pressure in storage containers. hydrides.
  • PEM proton exchange membrane

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Abstract

Circuit d'alimentation sans interruption à partir d'une source (10) de courant alternatif, comportant un système (50 ; 50') de secours à pile à combustible caractérisé en ce que le système de secours comprend : - une pile (52) à combustible, - une batterie (51) de démarrage de la pile (52) à combustible reliée à ladite source de courant alternatif sur une borne (501) d'entrée du système (50, 50') de secours, ladite batterie (51) de démarrage et la pile (52) à combustible étant reliées en parallèle à une borne (502) de sortie du système (50, 50') distincte de la borne d'entrée.

Description

CIRCUIT D'ALIMENTATION SANS INTERRUPTION
La présente invention concerne un circuit d'alimentation sans interruption. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'alimentation d'équipements en courant continu à partir d'une source de courant alternatif.
Dans de nombreuses installations industrielles, certaines applications, telles que des baies de télécommunications, sont alimentées par une tension continue permettant le fonctionnement des équipements électroniques, sous une tension continue de 48 V dans le cas précité des télécommunications.
Une architecture classique, dont un exemple est donné sur la figure 1 , consiste à utiliser une source 10 de courant alternatif basse tension fournie par le réseau électrique local, c'est-à-dire en aval d'un transformateur haute tension/basse tension. Des convertisseurs alternatif/continu (AC/DC) 21 , 22 permettent, d'une part, l'alimentation en courant continu des équipements électroniques 1 , 2, et, d'autre part, la charge de batteries 31 , 32 connectées sur le bus d'alimentation. En parallèle, certains équipements utilitaires annexes 3 restent alimentés en courant alternatif directement sur le réseau local, alors que d'autres équipements 4 sont alimentés en courant alternatif par l'intermédiaire de convertisseurs continu/alternatif (DC/AC), tel que le convertisseur 40 en série avec le convertisseur AC/DC 22.
Lorsque l'alimentation en courant alternatif par le réseau est interrompue, l'alimentation en courant continu des équipements de la baie de télécommunications, par exemple, est assurée par les batteries 31 , 32. La continuité d'alimentation en courant continu est ainsi garantie en cas d'interruption du réseau.
Cependant, cette solution connue présente l'inconvénient d'une autonomie limitée à celle que permettent les batteries. De plus, les batteries sont sensibles aux différentes conditions de température et le coût de leur entretien reste élevé. Les documents DE10243213 et US2004/053093 décrivent des circuits d'alimentation sans interruption à partir d'une source de courant alternatif utilisant une pile à combustible.
Ces systèmes connus nécessitent cependant l'utilisation d'une ou plusieurs batteries principales de secours destinées notamment à assurer le démarrage de la pile à combustible ou pour la maintenir en charge de cette dernière. Cette solution présente les inconvénients suivants : nécessité de prévoir une ou des batteries dimensionnées en conséquence.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un circuit d'alimentation sans interruption à partir d'une source de courant alternatif, qui permettrait d'éviter ou, du moins, de limiter l'utilisation de batteries pour alimenter des équipements électriques en cas d'interruption de l'alimentation en courant alternatif, voire même en régime nominal. Une solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit circuit comporte un système de secours à pile à combustible caractérisé en ce que le système de secours comprend :
- une pile à combustible,
- une batterie de démarrage de la pile à combustible reliée à ladite source de courant alternatif sur une borne d'entrée du système de secours, ladite batterie de démarrage et la pile à combustible étant reliées en parallèle à une borne de sortie du système distincte de la borne d'entrée.
Selon une première forme de réalisation de l'invention, un interrupteur est disposé sur ladite borne de sortie. Comme on le verra en détail plus loin, cette solution permet d'assurer l'alimentation des équipements électroniques avec une seule batterie en régime nominal, c'est à dire hors interruption de l'alimentation en courant alternatif, le circuit d'alimentation conforme à l'invention n'étant mis en oeuvre que lors d'une telle interruption.
Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, un interrupteur est disposé entre la pile à combustible et ladite borne de sortie. On verra également plus loin que cette solution présente l'avantage d'éviter l'utilisation de toute batterie pour alimenter les équipements électroniques, l'alimentation en courant continu étant dans ce cas entièrement fournie par le circuit conforme à l'invention que ce soit en régime nominal ou lors d'une interruption de l'alimentation en courant alternatif.
Selon d'autres particularités possibles :
- la batterie de démarrage est reliée à la source (10) de courant alternatif par l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif/continu AC / DC,
- la batterie de démarrage et la pile à combustible sont reliées à la borne de sortie du système de secours de pile à combustible par l'intermédiaire de convertisseurs continu/continu DC/DC respectif (512, 522),
- une capacité de filtrage est placée au niveau de la sortie de la batterie de démarrage et de la pile à combustible,
- le circuit comporte une batterie de secours située en aval de la borne de sortie sur une ligne d'alimentation d'un équipement électronique à partir de la source,
- le système de secours à pile à combustible est maintenu sous tension par la source de courant alternatif,
- la batterie de démarrage est maintenue en charge par la source de courant alternatif lorsque ladite source fonctionne et par la pile à combustible lorsque cette dernière est mise en marche, notamment en cas de défaillance de la source. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
La figure 1 est un schéma d'une installation d'alimentation selon l'art antérieur. La figure 2 est un schéma montrant une installation comprenant un circuit d'alimentation sans interruption conforme à un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 est un schéma montrant une installation comprenant un circuit d'alimentation sans interruption conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Sur la figure 2 est représentée une installation destinée à alimenter des équipements électriques, notamment électroniques. Comme sur la figure 1 , certains équipements électroniques 1 , 2 doivent être alimentés en courant continu, par exemple sous 48 V pour des équipements de télécommunications. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, ces équipements électroniques sont alimentés par l'intermédiaire d'un convertisseur AC/DC 21 dont la borne 211 d'entrée est reliée à la source 10 de courant alternatif et dont la borne 212 de sortie est connectée au bus d'alimentation de l'installation. D'autres équipements 3, 4 sont alimentés en courant alternatif respectivement par le réseau électrique local ou via un convertisseur DC/AC 40 relié à la borne 212 de sortie du convertisseur AC/DC 21. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'installation de la figure 2 comporte en outre un circuit 50 d'alimentation sans interruption qui comprend, d'une part, une batterie 51 reliée à la source 10 de courant alternatif sur une borne 501 d'entrée du circuit 50 par l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif/continu AC/DC 511 et, d'autre part, une pile 52 à combustible. La batterie 51 du système 50 de secours à pile à combustible 52 est prévue notamment pour le démarrage de la pile 52.
La batterie 51 et la pile 52 à combustible sont reliées respectivement à la borne 502 de sortie du circuit 50 par l'intermédiaire de convertisseurs continu/continu DC/DC 512 et 522. Une capacité 504 de filtrage à 100 Hz est placée en sortie de la batterie 51 et de la pile 52 à combustible.
Par ailleurs, on peut voir sur la figure 2 qu'un interrupteur 503 est disposé sur la borne 502 de sortie du circuit 50 qui fonctionne alors en mode « chargeur ».
Il convient de remarquer que la solution proposée à la figure 2 n'utilise qu'une seule batterie 31 de secours pour alimenter les équipements, ce qui représente un avantage appréciable par rapport à l'installation de la figure 1 pour laquelle une pluralité de batteries était nécessaire.
En régime nominal, l'interrupteur 503 est ouvert et les divers équipements sont alimentés depuis la source 10 de courant alternatif. En cas de coupure de l'alimentation alternative, l'interrupteur 503 est fermé et l'alimentation en courant continu des équipements électroniques 1 , 2 et en courant alternatif des équipements électriques 4 est assurée par le circuit ou système 50 de secours d'alimentation sans interruption. Les batteries 31 et 51 servent de tampon au démarrage du circuit 50 lors du basculement d'alimentation.
La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation dans lequel un interrupteur 503' est disposé entre la pile 52 à combustible et la borne 502 de sortie du circuit 50' d'alimentation sans interruption.
Contrairement au mode de réalisation de la figure 2, le circuit 50' d'alimentation de la figure 3 assure seul l'alimentation des équipements 2, 3, 4 que ce soit en régime nominal ou lors d'une interruption de l'alimentation en courant alternatif. On comprend, avec tous les avantages que cela représente, que, dans ce cas, aucune batterie ne soit nécessaire pour l'alimentation de secours des équipements 2, 3, 4 puisque ceux-ci sont alimentés en permanence par le circuit 50' et qu'aucune interruption d'alimentation ne peut donc se produire lors d'une coupure de l'alimentation en courant alternatif. En régime nominal, l'interrupteur 503' est ouvert et le circuit 50' d'alimentation sans interruption est toujours sous tension, mais sans que la pile à combustible soit alimentée.
La batterie 51 peut être de faible capacité puisqu'elle ne doit fonctionner que la durée de quelques secondes du démarrage du circuit 50', lequel est toujours sous tension et dont les conditions « état prêt à fonctionner » sont maintenues en prélevant une partie de la puissance qui transite dans le circuit 50'.
On peut observer sur la figure 3 la présence d'un convertisseur DC/AC 40 sur la borne 502 de sortie du circuit 50', destiné à alimenter en courant alternatif les équipements 4.
Afin d'alimenter ces équipements 4 avec un meilleur rendement, il est possible de placer un court-circuit 505 entre la borne 501 d'entrée du circuit
50' d'alimentation sans interruption et une borne 41 de sortie du convertisseur
DC/AC 40, l'interrupteur 506 du court-circuit étant fermé en régime nominal et ouvert lors d'une interruption.
L'invention permet ainsi de sous-dimensionner les batteries de secours du circuit ainsi que la batterie de démarrage de la pile. L'invention permet même éventuellement de s'affranchir des batteries de secours ou de les remplacer par des capacités.
Dans la variante de la figure 3, les batteries de secours sont remplacées (uniquement) par la batterie de démarrage de la pile qui reste faiblement dimensionnée.
Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. La pile à combustible 52 est avantageusement une pile à membrane échangeuse de protons (PEM) alimentée, d'une part, en air et d'autre part en hydrogène stocké sous haute pression dans des réservoirs ou bouteilles ou sous basse pression dans des conteneurs d'hydrures.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit d'alimentation sans interruption à partir d'une source (10) de courant alternatif, comportant un système (50 ; 50') de secours à pile à combustible caractérisé en ce que le système de secours comprend : - une pile (52) à combustible,
- une batterie (51 ) de démarrage de la pile (52) à combustible reliée à ladite source de courant alternatif sur une borne (501 ) d'entrée du système
(50, 50') de secours, ladite batterie (51 ) de démarrage et la pile (52) à combustible étant reliées en parallèle à une borne (502) de sortie du système (50, 50') distincte de la borne d'entrée.
2. Circuit selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'un interrupteur (503) est disposé sur ladite borne (502) de sortie.
3. Circuit selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'un interrupteur (503') est disposé entre la pile (52) à combustible et ladite borne (502) de sortie.
4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un convertisseur continu/alternatif (40) est disposé au niveau ou en aval de la borne de sortie dudit système de secours.
5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un court-circuit (505) est commutable entre la borne (501 ) d'entrée dudit circuit (50') et une borne (41 ) de sortie dudit convertisseur continu / alternatif (40).
6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la batterie (51 ) de démarrage est reliée à la source (10) de courant alternatif par l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif/continu AC/DC (511 ).
7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la batterie (51 ) de démarrage et la pile (52) à combustible sont reliées à la borne (502) de sortie du système (50, 50') de secours de pile à combustible par l'intermédiaire de convertisseurs continu/continu DC/DC respectif (512, 522).
8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une capacité de filtrage (504) est placée au niveau de la sortie de la batterie (51 ) de démarrage et de la pile (52) à combustible.
9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie (31 ) de secours située en aval de la borne (502) de sortie sur une ligne d'alimentation d'un équipement électronique à partir de la source (10).
10. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le système (50, 50') de secours à pile à combustible est maintenu sous tension par la source (10) de courant alternatif.
11. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la batterie (51 ) de démarrage est maintenue en charge par la source (10) de courant alternatif lorsque ladite source fonctionne et par la pile (52) à combustible lorsque cette dernière est mise en marche, notamment en cas de défaillance de la source (10).
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