WO2022171633A1 - System for direct energy transfer between a plurality of ports by means of a coupler - Google Patents

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WO2022171633A1
WO2022171633A1 PCT/EP2022/053028 EP2022053028W WO2022171633A1 WO 2022171633 A1 WO2022171633 A1 WO 2022171633A1 EP 2022053028 W EP2022053028 W EP 2022053028W WO 2022171633 A1 WO2022171633 A1 WO 2022171633A1
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WO
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energy
converters
port
energy transfer
transfer system
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/053028
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French (fr)
Inventor
Jeanne-Marie DALBAVIE
Patrice GOMEZ
Original Assignee
Ikos Consulting
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Filing date
Publication date
Application filed by Ikos Consulting filed Critical Ikos Consulting
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24Magnetic cores
    • HELECTRICITY
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    • H01F27/24Magnetic cores
    • H01F27/26Fastening parts of the core together; Fastening or mounting the core on casing or support
    • HELECTRICITY
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    • H01F27/28Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/30Fastening or clamping coils, windings, or parts thereof together; Fastening or mounting coils or windings on core, casing, or other support
    • H01F27/306Fastening or mounting coils or windings on core, casing or other support
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14Inductive couplings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/40Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices

Definitions

  • the present invention relates to the field of power electronics and energy conversion, in particular the transfer of energy between a set of ports capable of performing different functions, as sources or loads.
  • the energy during the transfer can have different forms, for example electrical, electromagnetic or mechanical, or in the form of radiation.
  • a first known configuration consists of adding a converter to each port and placing the converters in series.
  • a source of energy supplies the ports by transferring the energy to the first converter, so that the energy passes through the converters one by one, until the one whose switch is activated.
  • This type of configuration is commonly used in the railway field.
  • a second known configuration consists in connecting the ports to an intermediate common bus, in order to connect them indirectly to each other. The bus then acts as an intermediate electrical node.
  • a third known configuration consists of storing energy in an intermediate element, before directing it to one of the ports.
  • Such a configuration is described in international application No. WO 2008/008143 A2.
  • This application proposes a universal so-called “Buck-Boost” power converter, comprising a reactor for transferring energy from the ports comprising an input and an output, and bidirectional switching devices.
  • a first switching device is arranged to connect at least one terminal of the reactance to an input, with a reversible connection polarity.
  • a second switching device is arranged to connect at least one terminal of the reactance to an output, again with a reversible connection polarity.
  • the reactance stores energy through an inductor and a capacitor.
  • the first switching device drives the reactance with a non-sinusoidal voltage waveform.
  • the stored energy increases in the reactance. Subsequently, when the first switching device is opened and the second is closed, the energy stored in the inductor can be transferred to the load.
  • the present invention relates to an energy transfer system comprising a set of ports and a set of converters, at least one of the ports being arranged to transmit energy and at least one another of the ports being arranged to receive energy, each converter being connected to one of the ports and being arranged so that the energy transmitted by one port is received by another port via at least some of the converters.
  • the system also comprises a coupler connected to each of the converters so that the energy transmitted by a port circulates inside the coupler between at least some of the converters before being received by another port, as well as a command connected to each of the converters so as to route the energy from at least one port to at least one other port.
  • the energy is content to circulate in the intermediate element, without being stored there. Consequently, the system according to the invention is not limited in voltage or current level and can therefore receive any voltage or current level, without being limited by the impedance of an intermediate storage element. The system according to the invention can therefore receive and transfer higher voltages. Similarly, the invention makes it possible to dispense with an intermediate bus.
  • the invention potentially makes it possible to transfer energy simultaneously to several ports, which constitutes a significant improvement.
  • the control of the system makes it possible both to synchronize the converters, to direct the energy to the ports (via the converters) and to control the quantity of energy transferred, which ensures improved management of the energy that flows.
  • the coupler is a ferromagnetic core.
  • each converter includes at least one solenoid.
  • the choice of a ferromagnetic core makes it possible to produce a system according to the invention in a simple, compact and inexpensive manner, by taking advantage of the capacity of the ferromagnetic element to circulate energy in the form of magnetic flux.
  • each converter comprises a switching module operable by the control to direct the energy from one port to another.
  • ports are activated (by closing the switch modules of the converters linked to these ports) so that energy is injected into the coupler by some of these ports and for this energy to then be received by some other of these ports.
  • the other ports which are not participating in this energy transfer at this moment, are deactivated (by opening the switching modules of the converters linked to these ports).
  • the coupler comprises a plurality of coupling modules, at least some of which are connected to one of the converters, each of the converters being connected to one of the coupling modules.
  • the coupler comprises a plurality of coupling modules, at least some of which are connected to one of the converters, each of the converters being connected to one of the coupling modules.
  • At least one of the converters is arranged to receive and/or to deliver a variety of forms of voltage and current.
  • a converter can be called universal. The same could be true for the set of converters. It is suitable for the present invention in the event of variable input or output, and/or in the event of modification of the energy transfer system (for example by the addition and/or removal of a converter, source and/or load, and/or by changing a source to load or vice versa).
  • the converter can thus receive and/or deliver a direct or alternating current, single-phase or three-phase, at one or more frequencies.
  • a converter is able to receive and deliver voltage and current, it is called “bidirectional”.
  • a bi-directional converter receives one form of voltage and current, and outputs the same or another. It can also receive and/or deliver a voltage of up to 10 kV, for example, and a power of up to 10 MW, for example.
  • the presence of one or more universal converter(s) makes it possible to orient the circulation of energy in the various ports in any direction, and to carry out any dosage of energy at any any time, and makes the system compatible with many power technologies.
  • At least one of the converters is bidirectional. It can therefore be an input, an output, or both alternatively.
  • Such a converter can be connected either to a power supply or to a load, even in an alternating manner. In the context of the invention, where the energy can circulating via the coupler between different ports, both in supply and in load, this makes the converter in question more versatile.
  • the command comprises a general command linked to sub-commands, each of which is linked to one of the converters.
  • the converters can be synchronized.
  • the present invention also relates to an energy transfer method, in the energy transfer system as described above, comprising a step of controlling the converters so as to inject a quantity of energy towards the coupler from at least one of the ports, as well as a step for controlling the converters so as to meter the quantity of energy leaving the coupler to at least one of the ports.
  • each converter comprising a switching module operable by the command to direct the energy from one port to another
  • the steps for controlling the converters consist in actuating at least some of the switching modules to bring and output energy in the appropriate form in the coupler.
  • the present invention also relates to the use of an energy transfer system as described above for supplying a railway network and its rolling stock, as well as any type of electrical network (intercon connections of industrial or domestic networks) or electric vehicles.
  • FIG. 1 is a diagram generally representing an energy transfer system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a detailed electronic diagram of a system according to an exemplary implementation of the invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of an example of a coupler according to the invention.
  • FIG. 4 and [Fig. 5] are electronic diagrams of two examples of converters with their respective sub-commands (to be attached to the coupler with a coil according to the present invention).
  • FIG. 7A is a diagram illustrating the transfer of energy in an electric railway locomotive according to the present invention.
  • FIG. 7B], [Fig. 7C] and [Fig. 7D] are diagrams illustrating the variability of direction and/or rate of energy transfer over time for a given port, and from one port to another at a given instant.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the networking of several energy transfer systems according to the invention.
  • the system 1 comprises an intermediate element 2, a control 3 and a set of converters 11, 21, 31, 41, etc.
  • the ports can be connected to a power supply or to a load, so that the energy can be transferred from a power supply to a load, via the intermediate element 2.
  • each port is connected to a converter.
  • the ports 10, 20, 30 and 40 are respectively connected to the converters 11, 21, 31 and 41.
  • the ports are connected to the intermediate element 2 via the converters, which makes it possible to converting the type of energy of the power supply or of the load of each port to the type of energy that the intermediate element 2 is capable of receiving and circulating.
  • the ports and the converters can thus make the link between the power supply or the load (connected to a port) and the intermediate element 2 (connected to a converter).
  • the converters are intended to be universal, with the possibility of receiving a wide range of voltage, current, frequency and power. More specialized versions can be made to perform special operations (e.g. controlling motors and other devices) to further improve cost and performance.
  • the converters can operate with different electrical forms, for example direct or alternating current, single-phase or polyphase current, a wide frequency range (for example up to 10 kHz), voltage (for example up to 25 kV) or current (for example up to 10000 A).
  • a wide frequency range for example up to 10 kHz
  • voltage for example up to 25 kV
  • current for example up to 10000 A.
  • the coupler 2 is connected to each of the converters 11, 21, 31 and 41 so that the energy transmitted by a port (for example the supply port 10) circulates inside the coupler 2 between two converters (eg 11 and 21) before being received by another port (eg charging port 20).
  • a port for example the supply port
  • the energy injected into the coupler can circulate in it and reach any converter.
  • each converter 11, 21, 31, 41 comprises a solenoid such as the solenoid 12 (also called Maglnt, Maglntl, Maglnt2 , Maglnt3) wrapped around the ferromagnetic core, as well as at least one switching module 13.
  • the core 2 allows the multidirectional interaction between the ports, via its magnetic flux.
  • the core is designed to operate up to high frequencies. It can be made, for example, of ferrites or of nanocrystalline sheets. The dimensions, shape (ring, square, etc.) and specifics of the core can be determined according to the application. It can thus be dimensioned to receive a given number of converters.
  • the coupler 2 can be divided into a plurality of coupling modules, as shown in Figure 3, with for example a total of twelve modules 2.1, 2.2, ...., 2.12. However, it is also contemplated to divide the coupler into fewer coupler modules (e.g., two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten, or eleven coupler modules), or more than coupling modules (thirteen, see more coupling modules).
  • the invention becomes particularly advantageous when at least three of said coupling modules are each connected to a converter. These modules are connected in series and can fit into each other to form a loop. They thus form an assembly fulfilling the coupler function. Thus, if a part of the coupler is defective, it suffices to change only one of the modules to repair it.
  • command 3 allows the converters to be synchronized and the ports to interact.
  • the command 3 comprises a general command 3.0 connected to a communication bus 3A, via which synchronization signals can be sent to the switches. It also features a 3B command script (although the command is not necessarily a computer program), a 3C probe and a 3D pulse generator.
  • the 3A communication bus is linked to the switching modules of each converter.
  • the general command 3.0 can thus send a command signal Cmd_1, Cmd_2, Cmd_3, Cmd_4 to each sub-command associated with a switching module.
  • the sub-commands are not visible in Figure 2. They will be described with reference to Figures 4 and 5. Thanks to the general command and the sub-commands, command 3 can control the system according to the invention synchronously.
  • Command 3 also allows the system to interact with the outside, via communication channels (AC N, Ethernet, etc.) and/or discrete signals.
  • Command 3 is used to change or adjust the port control law, which allows the ports to be activated during precise and synchronous time intervals. The ports can thus be activated during a specific transfer window. Several transfers can therefore be made successively.
  • the command 3 thus makes it possible to dose and direct the quantity of energy to be transferred, to protect the ports against overvoltages, overheating, etc., as well as to synchronize and stabilize their operation.
  • command 3 can operate independently and / or send operating information, and receive instructions from the upper level.
  • each converter 11, 21, 31, 41 therefore comprises a solenoid and a switching module.
  • Each converter thus constitutes the input of the port, which is itself connected to a power supply or to a load (represented by “V or R” in figure 2, V designating a power supply and R a load).
  • Each power supply can deliver (or each load can receive) a direct current ("de” connected to the converter 11), a native single-phase alternating current ("ac” and “ac1" connected to the converters 31 and 41) or even an alternating current three-phase (“3ph” connected to converter 21).
  • Each converter can therefore receive (from a power supply) or deliver (to a load) these types of current, at one or more frequencies.
  • the switching module has several inputs and outputs.
  • module 13 includes two inputs In1, In2 and two outputs Out1, Out2.
  • these inputs and outputs are connected to switches controlled by the sub- controls (which receive control signals from the general control). These inputs and outputs can be reversible, in order to adapt to the type of port (power supply or load).
  • Figure 4 shows a sub-command 3.1 connected to the module 23.
  • Six switches being provided, the communication bus 3A of the sub-command 3.1 is connected to the six switches of the module 23.
  • Figure 5 shows a sub-command 3.2 connected to module 33.
  • the communication bus 3A of this sub-command is connected to the four switches of module 33.
  • the sub-command makes it possible to synchronously control the switches of the converter block corresponding.
  • sub-commands 3.1 and 3.2 also include a 3B sub-command script, a 3C probe, a 3D pulse generator, as well as a 3E input intended to receive the command signal Cmd_3 emitted by the general command 3.0. All modules are thus controlled synchronously.
  • the energy transfer system has many advantages over the prior art. First of all, it allows to make a direct transfer of energy between the different ports of the system. All you have to do is activate the switches connecting one port to another, via the coupler. This particular advantage is linked to the configuration of the intermediate element as a coupler, which allows energy to circulate without several successive conversions, and therefore without multiple losses in efficiency. For example, when energy from port 20 needs to reach port 40, the energy is converted only at the outgoing converter 21 (to enter coupler 2), then at destination converter 41 (to exit from coupler 2). In this case, the energy is not converted at the level of the converters 11 and 31. The overall efficiency of the system is therefore improved and the energy transfer system can be simpler (at identical power) or more powerful (at identical physical configurations).
  • the coupler 2 circulates the energy without storing it. It follows that the level of voltage or current is not limited and the system can receive any level of voltage or current.
  • coupler 2 combined with the particular configuration of system 1 makes it possible to transfer energy simultaneously to several ports. Since command 3 synchronizes and controls the various switches, it directs the energy to the ports precisely. The transfer of energy can therefore be measured.
  • the architecture 200 comprises two energy sources 201 and 209 in the form of 25 kV and 1500 V catenaries.
  • the energy from the catenaries can be transferred to the elements via the pantos graphs 202 and 210.
  • the elements are grouped by blocks, according to the type of current that they can receive.
  • the architecture 200 comprises a block 203 of comfort auxiliaries, a block 204 of compressed air, a motor fan block 205, a battery charging block 206 and an engine block 207.
  • a core ferromagnetic 208 acts as a coupler. This core is arranged in such a way as to be connected to the catenary 201 and to the elements 203 to 207.
  • the ferromagnetic core 208 can have several AC inputs to adapt to the different voltages of the networks (for example 1500 Vdc and 25000 Vac) without the need for additional elements. It can also be connected to other energy sources in the infrastructure, for example the thermal generator (diesel type), the batteries, the hydrogen fuel cell, supercapacitors, etc.
  • the thermal generator diesel type
  • the batteries the hydrogen fuel cell
  • supercapacitors etc.
  • the energy transfer system can be supplied by several sources at the same time: at the moment illustrated, port 1 is connected to a first object, which serves as a source, and the port 2 is connected to a second object, which serves as a source. Furthermore, we see that the energy transfer rate from the sources to the energy transfer system can vary from one port to another: at the instant shown, the energy transfer system receives more power through port 1 than through port 2 (however, the reverse - or alternatively equal repair - is also contemplated).
  • the energy transfer system delivers power to the sixth object via port 6.
  • a port which serves neither to deliver power from the energy transfer system nor to receive power for the energy transfer system then proceeds directly to receiving power for the energy transfer system.
  • a port which is used to receive power for the energy transfer system, and/or which is used to deliver it from the energy transfer system then goes directly to neither receive nor deliver power to/from the energy transfer system.
  • the sum of the powers received by the energy transfer system (in this case, received by port 1 and port 2) is equal to the sum of the powers delivered by the energy transfer system ( in this case via port 3, port 4, port 5, and port 6).
  • each network 300 is managed independently of one another, or that the networks are managed collectively, or partially independently and partially collectively (in this case, each energy transfer system is subject to at least one layer of collective control at the network level, and/or individual, as described above, as well as a control layer to coordinate the networks).

Abstract

Energy transfer system (1) comprising an assembly of ports (10, 20, 30, 40) and an assembly of converters (11, 21, 31, 41), each converter being connected to one of the ports and being arranged so that the energy transmitted by a port (10) is received by another port (20) by means of at least some of the converters. According to the invention, the system also comprises a coupler (2) which is connected to each of the converters in such a manner that the energy transmitted by a port flows in the coupler (2) between at least some of the converters before being received by another port, and a control unit (3) which is connected to each of the converters so as to direct the energy from at least one port to at least one other port. The invention also relates to a method for energy transfer in such a system, uses of such a system and infrastructure comprising an assembly of power supplies and loads and such a system.

Description

Description Description
Titre de l’invention : Système de transfert direct d’énergie entre plusieurs ports par l’intermédiaire d’un coupleur Title of the invention: System for the direct transfer of energy between several ports via a coupler
Domaine technique Technical area
[0001] 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 en semble 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. The present invention relates to the field of power electronics and energy conversion, in particular the transfer of energy between a set of ports capable of performing different functions, as sources or loads. In the context of the present invention, the energy during the transfer can have different forms, for example electrical, electromagnetic or mechanical, or in the form of radiation.
Etat de la technique State of the art
[0002] 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 cli matisation, 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 con vertisseurs auxiliaires (comme des chargeurs et des onduleurs). [0002] Nowadays, the conversion of energy (or power) is becoming more and more decisive in the electrical and electronic field. For example, in a railway system, energy must be transferred and converted between the catenary and the motors, but also towards ventilation, catering, lighting, air conditioning, compressed air and battery charging. To allow a transfer of energy between these different elements, it is necessary to use a plurality of converters, more particularly a traction converter and auxiliary converters (such as chargers and inverters).
[0003] 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 né cessaire 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 acti vés en même temps. De plus, les caractéristiques de l’énergie doivent être con verties, par exemple une conversion DC/AC (vers le moteur) ou AC/DC (vers la batterie). [0003] Similar energy transfer constraints also exist in other fields, for example energy distribution, home automation, etc. Thus, in an electric vehicle, the circulation of energy takes place between at least three points, namely a generator, a battery and a motor. In this example, it is necessary to circulate the energy from the generator to the motor (traction), from the battery to the motor (traction), from the generator to the battery (load) and from the motor to the battery (brake) . Some of these modes may need to be enabled at the same time. In addition, the characteristics of the energy must be converted, for example a DC/AC conversion (to the motor) or AC/DC (to the battery).
[0004] 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 so laires et la batterie (voire, éventuellement, la batterie du véhicule électrique). Dans ce cas, l’énergie doit pouvoir circuler du réseau vers l’habitation, des pan neaux solaires vers l’habitation, des panneaux solaires vers la batterie, du ré seau 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 de voir être activés simultanément. [0004] In a house, the circulation of energy takes place at at least four points, namely the distribution network, the dwelling itself, the solar panels and the battery (even, possibly, the battery of the electric vehicle). In this case, the energy must be able to flow from the network to the house, from the solar panels to the house, from the solar panels to the battery, from the network to the battery, from the battery to the house, or even from the battery to the network. The energy must also be able to be transferred directly from the photovoltaic panels to the electricity distribution network (to resell the electricity produced). Again, some of these modes may need to be activated simultaneously.
[0005] 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. [0005] In these different situations, it is important to allow a transfer of energy from at least one port to at least one other port, or even simultaneously from or to several ports, with satisfactory efficiency.
[0006] Différentes techniques sont déjà connues pour réaliser un transfert d’énergie entre une pluralité de ports, mais toutes présentent des inconvénients. [0006] Various techniques are already known for carrying out a transfer of energy between a plurality of ports, but all have drawbacks.
[0007] 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’in terrupteur est actionné. Ce type de configuration est utilisé couramment dans le domaine ferroviaire. [0007] A first known configuration consists of adding a converter to each port and placing the converters in series. A source of energy supplies the ports by transferring the energy to the first converter, so that the energy passes through the converters one by one, until the one whose switch is activated. This type of configuration is commonly used in the railway field.
[0008] 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 op tiques. Un convertisseur « maître » peut ainsi commander des convertisseurs « esclaves ». [0008] As described in international application No. WO 2012/134748 A2, it may be provided to connect in series and to synchronize converters. The connection between two adjacent converters can be made by fiber optics. A “master” converter can thus control “slave” converters.
[0009] Toutefois, dans cette configuration, pour alimenter un convertisseur donné, il est nécessaire que les signaux traversent successivement tous les convertis seurs. 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 con vertisseurs utilisés, le système peut être coûteux et volumineux. [0010] 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. [0009] However, in this configuration, to supply a given converter, it is necessary for the signals to successively pass through all the converters. This necessarily leads to a loss of performance. Thus, in the rail sector, the infrastructures are generally unilateral and fixed, without any interconnection between the ports. The ports being connected in series, the converters being arranged successively, the efficiency of an energy transfer between the ports can be low. Also, due to the many converters used, the system can be expensive and bulky. [0010] A second known configuration consists in connecting the ports to an intermediate common bus, in order to connect them indirectly to each other. The bus then acts as an intermediate electrical node.
[0011] 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 in termédiaire présente l’inconvénient d’être limité en tension. [0011] The intermediate bus makes it possible to take advantage of the use of a source present in the system, while generating little loss and using little material, which allows simple implementation with few parts. However, the intermediate bus has the disadvantage of being voltage limited.
[0012] Une troisième configuration connue consiste à stocker de l’énergie dans un élé ment intermédiaire, avant de la diriger vers l’un des ports. Une telle configura tion 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 en trée 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 deu xième dispositif de commutation est agencé pour connecter au moins une borne de la réactance à une sortie, là encore avec une polarité de connexion réver sible. 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 aug mente dans la réactance. Par la suite, lorsque le premier dispositif de commu tation est ouvert et le deuxième est fermé, l’énergie stockée dans l’inductance peut être transférée vers la charge. [0012] A third known configuration consists of storing energy in an intermediate element, before directing it to one of the ports. Such a configuration is described in international application No. WO 2008/008143 A2. This application proposes a universal so-called “Buck-Boost” power converter, comprising a reactor for transferring energy from the ports comprising an input and an output, and bidirectional switching devices. A first switching device is arranged to connect at least one terminal of the reactance to an input, with a reversible connection polarity. A second switching device is arranged to connect at least one terminal of the reactance to an output, again with a reversible connection polarity. The reactance stores energy through an inductor and a capacitor. The first switching device drives the reactance with a non-sinusoidal voltage waveform. When the first switching device is closed and the second is open, the stored energy increases in the reactance. Subsequently, when the first switching device is opened and the second is closed, the energy stored in the inductor can be transferred to the load.
[0013] 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. [0013] Although such a solution makes it possible to transfer energy between several ports, it nevertheless requires an inductor and a capacitor, which makes the system both slow and bulky, but also limited in terms of the amount of energy.
[0014] 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. [0014] There is therefore a need for an energy transfer system which makes it possible to carry out a direct and simultaneous transfer of energy between a multitude of ports, at the input and at the output, accepting different forms of current and voltage, without be limited in current or voltage level, while being light and compact.
[0015] 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 succes sion de convertisseurs, un bus intermédiaire ou un élément de stockage inter médiaire tel qu’un convertisseur « Buck-Boost ». [0015] There is also a need for an alternative to transfer systems known energy sources, that is to say a system which would not require a succession of converters, an intermediate bus or an intermediate storage element such as a “Buck-Boost” converter.
[0016] 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. [0016] There is still a need for an energy transfer system which allows metering of the energy distributed to different elements with the possibility of bidirectionality, and which allows conversion of the different forms of energy, and this all the more so as current achievements increasingly diversify the forms of energy. Such metering (or control) of energy makes it possible to limit the risks of overloading or short-circuiting.
Objet de l’invention Object of the invention
[0017] 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. The object of the invention is therefore to provide an energy transfer system which allows direct transfer of energy between different points of a network (or ports), from any type of input (current or voltage, direct or alternating), to any type of output (current or voltage, direct or alternating), even when multiple sources and loads are operating simultaneously.
[0018] 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 conver tisseurs. Le système comprend également un coupleur relié à chacun des con vertisseurs 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. To this end, the present invention relates to an energy transfer system comprising a set of ports and a set of converters, at least one of the ports being arranged to transmit energy and at least one another of the ports being arranged to receive energy, each converter being connected to one of the ports and being arranged so that the energy transmitted by one port is received by another port via at least some of the converters. The system also comprises a coupler connected to each of the converters so that the energy transmitted by a port circulates inside the coupler between at least some of the converters before being received by another port, as well as a command connected to each of the converters so as to route the energy from at least one port to at least one other port.
[0019] Grâce à cette structure particulière, le système de transfert d’énergie selon l’in vention permet un transfert direct d’énergie entre les ports. [0019] Thanks to this particular structure, the energy transfer system according to the invention allows a direct transfer of energy between the ports.
[0020] En effet, lors de son transfert d’un port vers un autre par l’intermédiaire du cou pleur, l’énergie n’est donc convertie qu’une seule fois, au niveau du convertis seur 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 galva nique. 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. [0020] Indeed, during its transfer from one port to another via the neck, the energy is therefore converted only once, at the level of the converter of the input port and from that of the output port. The path seen by the energy is therefore similar to the crossing of a single converter with galvanic isolation. The efficiency of the system is therefore better than that of a chain of converters. The system according to the invention can therefore be lighter and less bulky (with identical power) or even more powerful (with identical physical characteristics) than the systems already known from the prior art.
[0021] De plus, contrairement aux solutions déjà connues, dans le système selon l’in vention, 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 ten sions plus élevées. De façon similaire, l’invention permet de s’affranchir d’un bus intermédiaire. Moreover, unlike the solutions already known, in the system according to the invention, the energy is content to circulate in the intermediate element, without being stored there. Consequently, the system according to the invention is not limited in voltage or current level and can therefore receive any voltage or current level, without being limited by the impedance of an intermediate storage element. The system according to the invention can therefore receive and transfer higher voltages. Similarly, the invention makes it possible to dispense with an intermediate bus.
[0022] 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 quan tité d’énergie transférée, ce qui assure une gestion améliorée de l’énergie qui circule. [0022] Moreover, by circulating the energy directly in a common coupler, the invention potentially makes it possible to transfer energy simultaneously to several ports, which constitutes a significant improvement. In this respect, the control of the system makes it possible both to synchronize the converters, to direct the energy to the ports (via the converters) and to control the quantity of energy transferred, which ensures improved management of the energy that flows.
[0023] Grâce à ses avantages, tout en préservant une structure simple, l’invention con vient pour de nombreuses applications nécessitant un transfert direct d’énergie, particulièrement dans le domaine ferroviaire, où elle offre une meilleure dispo nibilité 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. [0023] Thanks to its advantages, while preserving a simple structure, the invention is suitable for many applications requiring a direct transfer of energy, particularly in the railway field, where it offers better availability of rolling stock and infrastructures, but also in any other sector using networks (“grids” in English, such as energy, home automation, etc.) or electric vehicles.
[0024] De préférence, le coupleur est un noyau ferromagnétique. En outre, chaque convertisseur comprend au moins un solénoïde. Le choix d’un noyau ferroma gnétique 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. [0024] Preferably, the coupler is a ferromagnetic core. Further, each converter includes at least one solenoid. The choice of a ferromagnetic core makes it possible to produce a system according to the invention in a simple, compact and inexpensive manner, by taking advantage of the capacity of the ferromagnetic element to circulate energy in the form of magnetic flux.
[0025] De préférence, chaque convertisseur comprend un module de commutation ac- tionnable 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 ins tant, sont désactivés (en ouvrant les modules de commutation des convertis seurs liés à ces ports). [0025] Preferably, each converter comprises a switching module operable by the control to direct the energy from one port to another. Thanks to these control-operated switch modules, ports are activated (by closing the switch modules of the converters linked to these ports) so that energy is injected into the coupler by some of these ports and for this energy to then be received by some other of these ports. The other ports, which are not participating in this energy transfer at this moment, are deactivated (by opening the switching modules of the converters linked to these ports).
[0026] 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 mo dules 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 répara tion d’un tel coupleur peut donc être réalisé de façon plus simple et moins coû teuse. Preferably also, the coupler comprises a plurality of coupling modules, at least some of which are connected to one of the converters, each of the converters being connected to one of the coupling modules. Thus, if a part of the coupler is defective, this only affects at most one of the modules and it suffices to replace this module to correct the problem. The rest of the coupler, in perfect condition, can therefore be preserved. The maintenance and repair of such a coupler can therefore be carried out in a simpler and less costly manner.
[0027] 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 pourrait en aller de même pour l’ensemble de convertisseurs. Il convient pour la présente invention en cas d’entrée ou de sortie variable, et/ou en cas de modification du système de transfert d’énergie (par exemple par l’ajout et/ou retrait d’un convertisseur, source et/ou charge, et/ou par le changement d’une source en charge ou inver sement). Le convertisseur peut ainsi recevoir et/ou délivrer un courant continu ou alternatif, monophasé ou triphasé, à une ou plusieurs fréquences. Lorsqu’un convertisseur est apte à recevoir et à délivrer de tension et de courant, il est qualifié de « bidirectionnel ». Il est envisagé qu’un convertisseur bidirectionnel reçoive une forme de tension et de courant, et en délivre la même ou bien une autre. Il peut aussi recevoir et/ou délivrer une tension pouvant aller par exemple jusqu’à 10 kV et une puissance pouvant aller par exemple jusqu’au 10 MW. La présence d’un ou plusieurs convertisseur(s) universel(s) permet d’orienter la circulation d’énergie dans les différents ports dans n’importe quelle direction, et d’effectuer n’importe quel dosage d’énergie à n’importe quel moment, et rend le système compatible avec beaucoup de technologies de puissance. [0027] In an advantageous embodiment, at least one of the converters is arranged to receive and/or to deliver a variety of forms of voltage and current. Such a converter can be called universal. The same could be true for the set of converters. It is suitable for the present invention in the event of variable input or output, and/or in the event of modification of the energy transfer system (for example by the addition and/or removal of a converter, source and/or load, and/or by changing a source to load or vice versa). The converter can thus receive and/or deliver a direct or alternating current, single-phase or three-phase, at one or more frequencies. When a converter is able to receive and deliver voltage and current, it is called “bidirectional”. It is envisioned that a bi-directional converter receives one form of voltage and current, and outputs the same or another. It can also receive and/or deliver a voltage of up to 10 kV, for example, and a power of up to 10 MW, for example. The presence of one or more universal converter(s) makes it possible to orient the circulation of energy in the various ports in any direction, and to carry out any dosage of energy at any any time, and makes the system compatible with many power technologies.
[0028] 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 con vertisseur 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 alimen tation qu’en charge, cela rend le convertisseur en cause plus versatile. [0028] More preferably, at least one of the converters is bidirectional. It can therefore be an input, an output, or both alternatively. Such a converter can be connected either to a power supply or to a load, even in an alternating manner. In the context of the invention, where the energy can circulating via the coupler between different ports, both in supply and in load, this makes the converter in question more versatile.
[0029] 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. Preferably again, the command comprises a general command linked to sub-commands, each of which is linked to one of the converters. In this configuration, the converters can be synchronized.
[0030] 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 plus robuste car confère de la redondance au sein du système de transfert d’énergie en cas de panne touchant l’un des coupleurs. [0030] Preferably, several couplers are connected to each other and are connected to the converters so that the energy transmitted by at least one port flows inside at least some of the couplers and between at least some of the converters before being received by at least one other port. This makes it possible to produce several stages of couplers, which makes the system more robust because it provides redundancy within the energy transfer system in the event of a failure affecting one of the couplers.
[0031] 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 sor tant du coupleur vers au moins l’un des ports. The present invention also relates to an energy transfer method, in the energy transfer system as described above, comprising a step of controlling the converters so as to inject a quantity of energy towards the coupler from at least one of the ports, as well as a step for controlling the converters so as to meter the quantity of energy leaving the coupler to at least one of the ports.
[0032] 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 cer tains des modules de commutation pour faire entrer et sortir de l’énergie sous la forme idoine dans le coupleur. [0032] Preferably, each converter comprising a switching module operable by the command to direct the energy from one port to another, the steps for controlling the converters consist in actuating at least some of the switching modules to bring and output energy in the appropriate form in the coupler.
[0033] La présente invention 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 (intercon nexions de réseaux industriels ou domestiques) ou de véhicule électrique. The present invention also relates to the use of an energy transfer system as described above for supplying a railway network and its rolling stock, as well as any type of electrical network (intercon connections of industrial or domestic networks) or electric vehicles.
[0034] Plus largement, l’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. [0035] Elle concerne aussi un réseau comprenant au moins deux systèmes de trans fert d’énergie, agencés de manière qu’un port d’un premier des deux systèmes de transfert d’énergie soit relié à un port d’un deuxième des deux systèmes de transfert d’énergie et de manière que de l’énergie soit transférable entre lesdits ports. Un tel réseau permet de relier une source à une charge par l’intermédiaire d’un ou plusieurs systèmes de transfert d’énergie. L’énergie de la source peut atteindre la charge en passant par le premier système de transfert d’énergie et par le deuxième système de transfert d’énergie en série, ou bien en passant par les deux en parallèle. More broadly, the invention also relates to an infrastructure comprising a set of power supplies and loads, and an energy transfer system as described above, arranged so that each port is connected to at least one power supply or to a load and that energy is transferred from at least one power supply to at least one load via the ports, the converters and the coupler. It also relates to a network comprising at least two energy transfer systems, arranged so that a port of a first of the two energy transfer systems is connected to a port of a second of the two power transfer systems and so that power is transferable between said ports. Such a network makes it possible to connect a source to a load via one or more energy transfer systems. The energy from the source can reach the load by passing through the first energy transfer system and through the second energy transfer system in series, or else by passing through both in parallel.
Liste des dessins List of drawings
[0036] 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, don nés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description of several embodiments of the invention, given by way of example and with reference to the accompanying drawings.
[Fig. 1] est un schéma représentant de façon générale un système de transfert d’énergie selon la présente invention. [Fig. 1] is a diagram generally representing an energy transfer system according to the present invention.
[Fig. 2] est un schéma électronique détaillé d’un système selon un exemple de mise en œuvre de l’invention. [Fig. 2] is a detailed electronic diagram of a system according to an exemplary implementation of the invention.
[Fig. 3] est une vue en perspective d’un exemple de coupleur selon l’invention. [Fig. 4] et [Fig. 5] sont des schémas électroniques de deux exemples de con vertisseurs avec leurs sous-commandes respectives (à rattacher au coupleur avec une bobine selon la présente invention). [Fig. 3] is a perspective view of an example of a coupler according to the invention. [Fig. 4] and [Fig. 5] are electronic diagrams of two examples of converters with their respective sub-commands (to be attached to the coupler with a coil according to the present invention).
[Fig. 6] est un schéma illustrant le transfert d’énergie dans une locomotive fer roviaire électrique selon l’art antérieur. [Fig. 6] is a diagram illustrating the transfer of energy in an electric railway locomotive according to the prior art.
[Fig. 7A] est un schéma illustrant le transfert d’énergie dans une locomotive ferroviaire électrique selon la présente invention. [Fig. 7A] is a diagram illustrating the transfer of energy in an electric railway locomotive according to the present invention.
[Fig. 7B], [Fig. 7C] et [Fig. 7D] sont des schémas illustrant la variabilité de di rection et/ou de débit du transfert d’énergie dans le temps pour un port donné, et d’un port à un autre à un instant donné. [Fig. 7B], [Fig. 7C] and [Fig. 7D] are diagrams illustrating the variability of direction and/or rate of energy transfer over time for a given port, and from one port to another at a given instant.
[Fig. 8] est un schéma illustrant le transfert d’énergie dans un réseau électrique selon la présente invention. [Fig. 8] is a diagram illustrating the transfer of energy in an electrical network according to the present invention.
[Fig. 9] est un schéma illustrant le réseautage de plusieurs systèmes de trans fert d’énergie selon l’invention. [Fig. 9] is a diagram illustrating the networking of several energy transfer systems according to the invention.
Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention
[0037] Un système de transfert d’énergie 1 selon l’invention est représenté sur la figure 1. 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 envisa gés, 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. An energy transfer system 1 according to the invention is shown in Figure 1. This transfer system 1 is intended to allow the transfer of energy between multiple ports 10, 20, 30, 40, etc. In this example, four ports are envisaged, but the invention can be applied equally to a different number of ports - one object of the invention is precisely to ensure a transfer of energy between a high number of ports, which can be of different types. Some of the ports can be power supplies, while others can be loads. Alternatively, they can be power supplies and then loads.
[0038] Pour opérer un transfert d’énergie conformément à la présente invention, le système 1 comprend un élément intermédiaire 2, une commande 3 et un en semble de convertisseurs 11, 21, 31, 41, etc. To operate a transfer of energy in accordance with the present invention, the system 1 comprises an intermediate element 2, a control 3 and a set of converters 11, 21, 31, 41, etc.
[0039] 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’élé ment intermédiaire 2. De façon classique, chaque port est connecté à un con vertisseur. Sur l’exemple de la figure 1, les ports 10, 20, 30 et 40 sont connectés respectivement aux convertisseurs 11, 21, 31 et 41. Les ports sont reliés à l’élé ment 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). The ports can be connected to a power supply or to a load, so that the energy can be transferred from a power supply to a load, via the intermediate element 2. Conventionally, each port is connected to a converter. In the example of FIG. 1, the ports 10, 20, 30 and 40 are respectively connected to the converters 11, 21, 31 and 41. The ports are connected to the intermediate element 2 via the converters, which makes it possible to converting the type of energy of the power supply or of the load of each port to the type of energy that the intermediate element 2 is capable of receiving and circulating. The ports and the converters can thus make the link between the power supply or the load (connected to a port) and the intermediate element 2 (connected to a converter).
[0040] 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 fré quence 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. In the context of the invention, the converters are intended to be universal, with the possibility of receiving a wide range of voltage, current, frequency and power. More specialized versions can be made to perform special operations (e.g. controlling motors and other devices) to further improve cost and performance.
[0041 ] 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). [0041] The converters can operate with different electrical forms, for example direct or alternating current, single-phase or polyphase current, a wide frequency range (for example up to 10 kHz), voltage (for example up to 25 kV) or current (for example up to 10000 A).
[0042] 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. [0042] Converters can also be universal in that they can be connected either to a power source, or to a load, or to both alternately. A converter can thus be connected to a variable element/port.
[0043] 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. [0043] Each converter has a first-level internal regulator, capable of manage energy transfer and safety at the converter level. Each converter also has a communication interface, which allows exchanges with other systems and in particular the command 3.
[0044] 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 at teindre n’importe quel convertisseur. The coupler 2 is connected to each of the converters 11, 21, 31 and 41 so that the energy transmitted by a port (for example the supply port 10) circulates inside the coupler 2 between two converters (eg 11 and 21) before being received by another port (eg charging port 20). Thus, the energy injected into the coupler can circulate in it and reach any converter.
[0045] 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’élé ment 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. The coupler according to the invention can take different forms, provided that it is able to allow the circulation of a given type of energy. For example, the energy can be electromagnetic (waveguide), light, mechanical, piezoelectric or even thermal. When the energy is magnetic, the intermediate element 2 can be a ferromagnetic core. In this case, the ports can receive or transmit electrical energy which passes through the coupler in the form of magnetic flux. The converters then include solenoids wound directly around the ferromagnetic core.
[0046] Dans le cas où le coupleur est un noyau ferromagnétique, comme c’est le cas sur la figure 2, chaque convertisseur 11, 21, 31, 41 comprend un solénoïde tel que le solénoïde 12 (également nommé Maglnt, Maglntl, Maglnt2, Maglnt3) enroulé autour du noyau ferromagnétique, ainsi qu’au moins un module de com mutation 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. In the case where the coupler is a ferromagnetic core, as is the case in Figure 2, each converter 11, 21, 31, 41 comprises a solenoid such as the solenoid 12 (also called Maglnt, Maglntl, Maglnt2 , Maglnt3) wrapped around the ferromagnetic core, as well as at least one switching module 13. The core 2 allows the multidirectional interaction between the ports, via its magnetic flux. The core is designed to operate up to high frequencies. It can be made, for example, of ferrites or of nanocrystalline sheets. The dimensions, shape (ring, square, etc.) and specifics of the core can be determined according to the application. It can thus be dimensioned to receive a given number of converters.
[0047] Le coupleur 2 peut être divisé en une pluralité de modules de couplage, ainsi que cela est représenté sur la figure 3, avec par exemple un total de douze modules 2.1, 2.2, ...., 2.12. Toutefois, il est également envisagé de diviser le coupleur en moins de modules de couplage (p. ex. deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf, dix, ou onze modules de couplage), ou en plus de modules de couplage (treize, voir plus de modules de couplage). L’invention devient parti culièrement avantageuse lorsqu’au moins trois desdits modules de couplage sont chacun reliés à un convertisseur. 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 figure 3, 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 mo dules (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). Il en va de même pour réaliser des améliorations ou modifications d’un système de transfert d’énergie après sa mise en place initiale : il suffit de remplacer un/des élément(s) inactif(s) par des élément(s) actifs et/ou inversement pour faire adapter le système aux évolutions de besoin. The coupler 2 can be divided into a plurality of coupling modules, as shown in Figure 3, with for example a total of twelve modules 2.1, 2.2, ...., 2.12. However, it is also contemplated to divide the coupler into fewer coupler modules (e.g., two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten, or eleven coupler modules), or more than coupling modules (thirteen, see more coupling modules). The invention becomes particularly advantageous when at least three of said coupling modules are each connected to a converter. These modules are connected in series and can fit into each other to form a loop. They thus form an assembly fulfilling the coupler function. Thus, if a part of the coupler is defective, it suffices to change only one of the modules to repair it. In Figure 3, we see that some modules (2.1, 2.2, 2.4, 2.5, 2.7 and 2.10) are not connected to any converter (or solenoid). Certain modules (2.3, 2.6, 2.8, 2.9 and 2.11) are connected to converters (of which we see the solenoids 12, 22, 32, 42, 52 and 62). The same goes for making improvements or modifications to an energy transfer system after its initial installation: it suffices to replace one or more inactive element(s) with active element(s) and /or vice versa to adapt the system to changing needs.
[0048] Les convertisseurs 11, 21, 31 et41 sont reliés respectivement aux ports 10, 20, 30 et 40, de façon électrique. Ils sont également reliés au coupleur 2, pour as surer 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. The converters 11, 21, 31 et41 are connected respectively to the ports 10, 20, 30 and 40, electrically. They are also connected to coupler 2, to ensure the connection between the coupler and the ports. The converters are reversible, that is to say that they allow the energy to circulate in one direction or the other, both in the direction of a supply to the coupler, and in the direction of the coupler to a load. To this end, with respect to the ports, the converters can be an input, an output, or both at the same time.
[0049] 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 convertis seurs 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 bidi rectionnels selon leur propre commande. Furthermore, according to the invention, the ports are also synchronous, that is to say they can be synchronized by means of command 3. The converters can therefore operate jointly. They can be opened or closed (via switching modules 13, 23, 33 and 43 controlled synchronously by command 3) to make the energy flow or not. These modules may include a set of switches. To ensure energy transfer in both directions, the switching modules can be bidirectional according to their own control.
[0050] 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. In the ferromagnetic core embodiment, the converters and the coupler form reversible electromagnetic converters. For each energy transfer, the input and the output are galvanically isolated thanks to the coupler.
[0051] Par exemple, les convertisseurs peuvent être de type résonant, DAB (« Dual Active Bridge), ZVS (« Zéro Voltage Switching ») ou encore ZCS (« Zéro Cur- rent Switching »). Ils peuvent être simplifiés (par exemple, un simple enroule ment avec un transformateur) ou être plus complexes (par exemple, des struc tures de type ISO P, IPOS, FC ou MMC), selon les caractéristiques de tension et de courant souhaitées. De plus, ils possèdent un système de régulation indi viduel, qui peut utiliser une régulation par modulation de largeur d’impulsion (PWM) ou par déphasage. Toutefois, d’autres types de régulation sont égale ment envisagés, par exemple par variation de fréquence... For example, the converters can be of the resonant, DAB (“Dual Active Bridge”), ZVS (“Zero Voltage Switching”) or even ZCS (“Zero Current Switching”) type. They can be simplified (for example, a simple winding with a transformer) or be more complex (for example, ISO P, IPOS, FC or MMC type structures), depending on the voltage characteristics and current desired. In addition, they have an individual regulation system, which can use pulse width modulation (PWM) or phase shift regulation. However, other types of regulation are also envisaged, for example by frequency variation...
[0052] 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. [0052] Each converter can be chosen individually as required. The type, shape and dimensions can therefore vary from one converter to another, for example according to the power level and according to the form of voltage or current desired.
[0053] La commande 3 est l’élément qui assure la commande et la supervision du sys tème de transfert d’énergie. Elle communique aussi avec les éléments exté rieurs du système pour assurer un bon fonctionnement dans l’infrastructure. La commande 3 est connectée aux convertisseurs 11, 21, 31 et 41. Elle est agen cée de manière à synchroniser les convertisseurs et à actionner au moins cer tains 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 pas ser (soit en alimentation, soit en charge). [0053] Command 3 is the element which controls and supervises the energy transfer system. It also communicates with the external elements of the system to ensure proper operation in the infrastructure. Control 3 is connected to converters 11, 21, 31 and 41. It is arranged so as to synchronize the converters and to actuate at least some of them with the aim of directing the energy to at least some of the corresponding ports, i.e. to the ports through which the energy must not be used (either in supply or in load).
[0054] 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 figure 2, la commande 3 comporte une commande générale 3.0 reliée à un bus de com munication 3A, par l’intermédiaire duquel des signaux de synchronisation peu vent être adressés aux commutateurs. Elle comporte également un script de commande 3B (même si la commande n’est pas nécessairement un pro gramme informatique), une sonde 3C et un générateur d’impulsions 3D. Le bus de communication 3A est relié aux modules de commutation de chaque conver tisseur. 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 mo dule de commutation. Les sous-commandes ne sont pas visibles sur la figure 2. 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. In the system, command 3 allows the converters to be synchronized and the ports to interact. For this, as can be seen in Figure 2, the command 3 comprises a general command 3.0 connected to a communication bus 3A, via which synchronization signals can be sent to the switches. It also features a 3B command script (although the command is not necessarily a computer program), a 3C probe and a 3D pulse generator. The 3A communication bus is linked to the switching modules of each converter. The general command 3.0 can thus send a command signal Cmd_1, Cmd_2, Cmd_3, Cmd_4 to each sub-command associated with a switching module. The sub-commands are not visible in Figure 2. They will be described with reference to Figures 4 and 5. Thanks to the general command and the sub-commands, command 3 can control the system according to the invention synchronously.
[0055] La commande 3 permet aussi de faire interagir le système avec l’extérieur, par des canaux de communication (CA N, Ethernet, etc.) et/ou des signaux discrets. [0055] Command 3 also allows the system to interact with the outside, via communication channels (AC N, Ethernet, etc.) and/or discrete signals.
[0056] 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 syn chrones. Les ports peuvent ainsi être activés durant un créneau de transfert précis. Plusieurs transferts peuvent donc être faits successivement. [0056] Command 3 is used to change or adjust the port control law, which allows the ports to be activated during precise and synchronous time intervals. The ports can thus be activated during a specific transfer window. Several transfers can therefore be made successively.
[0057] La commande 3 permet ainsi de doser et d’aiguiller la quantité d’énergie à trans férer, de protéger les ports contre les surtensions, surchauffe, etc., ainsi que de synchroniser et de stabiliser leur fonctionnement. The command 3 thus makes it possible to dose and direct the quantity of energy to be transferred, to protect the ports against overvoltages, overheating, etc., as well as to synchronize and stabilize their operation.
[0058] 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 convertis seur et sélectionner une source alternative, changer la répartition de la puis sance, 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. [0058] Preferably, the control 3 can perform specific operations such as the vector control of a polyphase motor (synchronous/asynchronous), the control of a DC motor, the activation and control of various devices, etc It can also manage the failure of a port or converter and select an alternative source, change the distribution of power, offload certain loads or direct resources to alternative paths. It can also communicate with a higher level system which supervises several devices according to the invention. Status and operating information can also be sent.
[0059] En outre, la commande 3 peut fonctionner de façon autonome et/ou envoyer des informations de fonctionnement, et recevoir des consignes du niveau supé rieur. In addition, the command 3 can operate independently and / or send operating information, and receive instructions from the upper level.
[0060] Dans l’exemple de la figure 2, chaque convertisseur 11 , 21, 31, 41 comprend donc un solénoïde et un module de commutation. Chaque convertisseur cons titue ainsi l’entrée du port, qui est lui-même relié à une alimentation ou à une charge (représentée par « V ou R » sur la figure 2, V désignant une alimentation et R une charge). Chaque alimentation peut délivrer (ou chaque charge peut recevoir) un courant continu (« de » relié au convertisseur 11), un courant alter natif monophasé (« ac » et « ac1 » reliés aux convertisseurs 31 et 41) ou en core 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. In the example of Figure 2, each converter 11, 21, 31, 41 therefore comprises a solenoid and a switching module. Each converter thus constitutes the input of the port, which is itself connected to a power supply or to a load (represented by “V or R” in figure 2, V designating a power supply and R a load). Each power supply can deliver (or each load can receive) a direct current ("de" connected to the converter 11), a native single-phase alternating current ("ac" and "ac1" connected to the converters 31 and 41) or even an alternating current three-phase ("3ph" connected to converter 21). Each converter can therefore receive (from a power supply) or deliver (to a load) these types of current, at one or more frequencies.
[0061] 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 en trées 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 géné rale). Ces entrées et sorties peuvent être réversibles, afin de s’adapter au type de port (alimentation ou charge). To transmit these currents between the power supply or the load, on one side, and the solenoid, on the other side, the switching module has several inputs and outputs. For example, module 13 includes two inputs In1, In2 and two outputs Out1, Out2. As will be seen in more detail in Figures 4 and 5, these inputs and outputs are connected to switches controlled by the sub- controls (which receive control signals from the general control). These inputs and outputs can be reversible, in order to adapt to the type of port (power supply or load).
[0062] Les figures 4 et 5 représentent des exemples de convertisseurs (qu’il faut en core relier à un solénoïde se rattachant au coupleur) avec leurs sous-com- mandes intégrées 21 et 31. Sur la figure 4, 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 figure 5, le convertisseur 31 étant prévu pour recevoir ou délivrer du courant monophasé alternatif, le convertis seur 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. [0062] FIGS. 4 and 5 represent examples of converters (which must also be connected to a solenoid attached to the coupler) with their integrated sub-commands 21 and 31. In FIG. 4, the converter 21 being intended to receive or deliver three-phase current, the switching module 23 is a block comprising three inputs (or outputs) In1, In2 and In3 to a three-phase port and two outputs (or inputs) Out1 and Out2 to the coupler. Six switches S5, S6, S7, S8, S9 and S10 are provided to allow current to flow from each input to each output. In FIG. 5, the converter 31 being designed to receive or deliver alternating single-phase current, the converter 31 is a block this time comprising two inputs (or outputs) to the port and two outputs (inputs) to the coupler. Four switches are provided.
[0063] La figure 4 représente une sous-commande 3.1 connectée au module 23. Six commutateurs étant prévus, le bus de communication 3Ade la sous-commande 3.1 est connecté aux six commutateurs du module 23. La figure 5 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 mo dules sont ainsi commandés de façon synchronisée. Figure 4 shows a sub-command 3.1 connected to the module 23. Six switches being provided, the communication bus 3A of the sub-command 3.1 is connected to the six switches of the module 23. Figure 5 shows a sub-command 3.2 connected to module 33. Four switches being provided, the communication bus 3A of this sub-command is connected to the four switches of module 33. For each of these elements, the sub-command makes it possible to synchronously control the switches of the converter block corresponding. In both cases, sub-commands 3.1 and 3.2 also include a 3B sub-command script, a 3C probe, a 3D pulse generator, as well as a 3E input intended to receive the command signal Cmd_3 emitted by the general command 3.0. All modules are thus controlled synchronously.
[0064] Le système de transfert d’énergie selon l’invention présente de nombreux avan tages 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’action ner 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 con figuration physiques identiques). The energy transfer system according to the invention has many advantages over the prior art. First of all, it allows to make a direct transfer of energy between the different ports of the system. All you have to do is activate the switches connecting one port to another, via the coupler. This particular advantage is linked to the configuration of the intermediate element as a coupler, which allows energy to circulate without several successive conversions, and therefore without multiple losses in efficiency. For example, when energy from port 20 needs to reach port 40, the energy is converted only at the outgoing converter 21 (to enter coupler 2), then at destination converter 41 (to exit from coupler 2). In this case, the energy is not converted at the level of the converters 11 and 31. The overall efficiency of the system is therefore improved and the energy transfer system can be simpler (at identical power) or more powerful (at identical physical configurations).
[0065] 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 rece voir tout niveau de tension ou de courant. [0065] Secondly, the coupler 2 circulates the energy without storing it. It follows that the level of voltage or current is not limited and the system can receive any level of voltage or current.
[0066] 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. Thirdly, coupler 2 combined with the particular configuration of system 1 makes it possible to transfer energy simultaneously to several ports. Since command 3 synchronizes and controls the various switches, it directs the energy to the ports precisely. The transfer of energy can therefore be measured.
[0067] La présente invention peut être utilisée pour le transfert d’énergie dans une plu ralité d’applications, en particulier dans une infrastructure ferroviaire (au niveau des réseaux ferroviaires, dans les sous-stations) ou locomotive. A cet égard, la figure 6 illustre une architecture électrique ferroviaire embarquée 100 selon l’art antérieur, tandis que la figure 7 A illustre une architecture électrique ferroviaire embarquée 200 selon l’invention. The present invention can be used for the transfer of energy in a plurality of applications, in particular in a railway infrastructure (at the level of the railway networks, in the substations) or locomotive. In this respect, FIG. 6 illustrates an onboard railway electrical architecture 100 according to the prior art, while FIG. 7A illustrates an onboard railway electrical architecture 200 according to the invention.
[0068] Sur la figure 6, 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 figure 6). Les élé ments incluent par exemple les moteurs 103 de l’élément roulant (traction), la ventilation 104, la restauration 105, l’éclairage 106 et la climatisation 107 (auxi liaires de confort), le moto ventilateur 108, l’air comprimé 109, et la charge de batteries 110 (auxiliaires de traction). De nombreux convertisseurs sont néces saires 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’embranche ment. Pour que l’énergie puisse atteindre les éléments auxiliaires, elle doit tra verser une multitude de convertisseurs après le convertisseur à l’embranche ment (au moins un convertisseur par élément, au moins deux dans le cas d’une batterie, ils ne sont pas tous représentés sur la figure 6), pour atteindre l’élé ment 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 chaînes de conversion. Du fait de ces nombreux con vertisseurs, l’architecture s’avère volumineuse et présente un faible rendement. In FIG. 6, the architecture 100 comprises two energy sources 101 and 113 in the form of 25 kV and 1500 V catenaries. The energy from the catenaries can be transferred to the various elements via the pantographs 102 and 114 and several converters (designated by the reference C in FIG. 6). The elements include, for example, the rolling element motors 103 (traction), the ventilation 104, the catering 105, the lighting 106 and the air conditioning 107 (comfort auxiliaries), the fan motor 108, the compressed air 109, and battery charging 110 (traction auxiliaries). Many converters are required to convert the energy from the catenaries to these different elements. For example, for the energy from the catenary 101 to reach the motors 103, a traction converter C is required, in addition to the first converter at the branch line. For the energy to be able to reach the auxiliary elements, it must pass through a multitude of converters after the converter at the junction (at least one converter per element, at least two in the case of a battery, they are not all shown in Figure 6), to reach the relevant item. In addition, at battery level 110, it is necessary to add a charger 111 (to receive the charging current) and an inverter 112 (to return the current). Moreover, the system comprising two pantographs, it is necessary to use two conversion chains. Because of these numerous converters, the architecture turns out to be bulky and has low efficiency.
[0069] Sur la figure 7A, 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 panto graphes 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 figure 6) 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 commu tateur. 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’élé ments) pertinent. In FIG. 7A, according to the present invention, the architecture 200 comprises two energy sources 201 and 209 in the form of 25 kV and 1500 V catenaries. The energy from the catenaries can be transferred to the elements via the pantos graphs 202 and 210. The elements are grouped by blocks, according to the type of current that they can receive. Thus, the architecture 200 comprises a block 203 of comfort auxiliaries, a block 204 of compressed air, a motor fan block 205, a battery charging block 206 and an engine block 207. According to the invention, a core ferromagnetic 208 acts as a coupler. This core is arranged in such a way as to be connected to the catenary 201 and to the elements 203 to 207. Switches, converters and a control (not visible in the diagram of figure 6) complete the infrastructure. Elements 201, 203, 204, 205, 206 and 207 are ports according to the invention. The energy of the catenaries 201 and 209 can be injected into the core 208 in order to circulate there. Then the energy is directed to one of the elements 203 to 207 by operating the switches appropriately (via the control). The energy is therefore effectively transferred during the short time the switch is closed. During this transfer phase, the energy is only converted by the catenary converter and by the converter of the relevant element (or block of elements).
[0070] L’invention permet donc de remplacer tous les convertisseurs, les onduleurs, les chargeurs et les systèmes de commande des moteurs par un système com pact unique. Il permet également de commander directement les moteurs de traction et de récupérer l’énergie lors du freinage. De plus, lorsque deux panto graphes sont utilisés dans le système, un seul coupleur suffit toujours. The invention therefore makes it possible to replace all the converters, inverters, chargers and motor control systems with a single compact system. It also makes it possible to directly control the traction motors and recover energy during braking. Moreover, when two pantographs are used in the system, a single coupler is always sufficient.
[0071] 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 (com presseurs), et ce à partir d’une ou plusieurs sources d’alimentation. [0071] In the case of railway use, the core 208 can supply all the electrical elements, for example the traction, the batteries, the comfort auxiliaries (lighting, air conditioning, ventilation), the technical auxiliaries (compressors), and this from one or more power sources.
[0072] De préférence, le noyau ferromagnétique 208 peut avoir plusieurs entrées ca ténaires pour s’adapter aux différentes tensions des réseaux (par exemple 1500 Vdc et 25000 Vac) sans avoir besoin d’éléments supplémentaires. Il peut éga lement 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 supercondensateurs (« supercapacitors » en anglais), etc. [0072] Preferably, the ferromagnetic core 208 can have several AC inputs to adapt to the different voltages of the networks (for example 1500 Vdc and 25000 Vac) without the need for additional elements. It can also be connected to other energy sources in the infrastructure, for example the thermal generator (diesel type), the batteries, the hydrogen fuel cell, supercapacitors, etc.
[0073] L’invention peut être utilisée dans d’autres domaines, en particulier dans le sec teur industriel, la distribution d’énergie, la domotique et les véhicules électriques. The invention can be used in other fields, in particular in the industrial sector, energy distribution, home automation and electric vehicles.
[0074] Dans chaque cas, le système de transfert d’énergie selon l’invention peut ali menter plusieurs dispositifs (moteurs, fours, batterie, etc.) en fournissant à cha cun 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. In each case, the energy transfer system according to the invention can power several devices (motors, ovens, battery, etc.) by providing each with the form of energy required. It can also ensure the transfer of energy between these different elements and ensure the optimization of energy management.
[0075] L’application ferroviaire illustrée en figure 7 A démontre une fonctionnalité de tout mode de réalisation de l’invention (c’est-à-dire même en dehors de l’appli cation ferroviaire), car la direction et/ou le débit du transfert d’énergie par rap port à un port donné peut varier dans le temps, et la direction et/ou le débit du transfert d’énergie peut varier d’un port à un autre à un instant donné. [0075] The railway application illustrated in FIG. 7 A demonstrates a functionality of any embodiment of the invention (that is to say even outside the railway application), because the direction and/or the The rate of power transfer relative to a given port may vary over time, and the direction and/or rate of power transfer may vary from port to port at any given time.
[0076] Cette fonctionnalité est illustrée plus clairement dans la figure 7B, la figure 7C et la figure 7D. Le coupleur est représenté par un anneau, et des ports sont représentés par des boites chevauchant l’anneau. This functionality is illustrated more clearly in Figure 7B, Figure 7C and Figure 7D. The coupler is represented by a ring, and ports are represented by boxes overlapping the ring.
[0077] En figure 7B, on voit un système de transfert d’énergie à un premier instant. En figure 7C on voit le système de transfert d’énergie de la figure 7B à un deuxième instant, ultérieur au premier instant. En figure 7D, on voit le système de transfert d’énergie de la figure 7C à un troisième instant, ultérieur au deuxième instant. Une flèche orientée vers le système de transfert d’énergie signifie l’alimentation du système de transfert d’énergie. Une flèche s’étendant depuis le système de transfert d’énergie signifie la livraison d’énergie par le système de transfert d’énergie. Un port sans flèche signifie qu’il soit apte à transférer de l’énergie vers ou depuis le système de transfert d’énergie, mais actuellement non-sollicité pour le transfert d’énergie. In FIG. 7B, we see an energy transfer system at a first instant. In FIG. 7C we see the energy transfer system of FIG. 7B at a second instant, subsequent to the first instant. In FIG. 7D, the energy transfer system of FIG. 7C is seen at a third instant, subsequent to the second instant. An arrow pointing towards the energy transfer system signifies the supply of the energy transfer system. An arrow extending from the energy transfer system signifies the delivery of energy by the energy transfer system. A port without an arrow means that it is able to transfer energy to or from the energy transfer system, but is currently unsolicited for energy transfer.
[0078] En figure 7B, on voit que le système de transfert d’énergie peut être alimenté par plusieurs sources à la fois : à l’instant illustré, le port 1 est relié à un premier objet, qui sert de source, et le port 2 est relié à un deuxième objet, qui sert de source. Par ailleurs, on voit que le débit de transfert d’énergie depuis les sources vers le système de transfert d’énergie peut varier d’un port à un autre : à l’instant illustré, le système de transfert d’énergie reçoit plus de puissance via le port 1 que via le port 2 (toutefois, l’inverse - ou bien une réparation égale - sont également envisagés). In FIG. 7B, it can be seen that the energy transfer system can be supplied by several sources at the same time: at the moment illustrated, port 1 is connected to a first object, which serves as a source, and the port 2 is connected to a second object, which serves as a source. Furthermore, we see that the energy transfer rate from the sources to the energy transfer system can vary from one port to another: at the instant shown, the energy transfer system receives more power through port 1 than through port 2 (however, the reverse - or alternatively equal repair - is also contemplated).
[0079] Indépendamment du nombre de sources alimentant le système de transfert d’énergie à la fois, ou de l’éventuelle répartition de l’alimentation entre elles, on voit également que le système de transfert d’énergie peut alimenter plusieurs charges à la fois : le port 3 est relié à un troisième objet, qui sert de charge à l’instant, le port 4 est relié à un quatrième objet, qui sert de charge à l’instant, et le port 5 est relié à un cinquième objet, qui sert de charge à l’instant. Par ailleurs, on voit que le débit de transfert d’énergie depuis le système de transfert d’énergie vers les charges peut varier d’un port à un autre : à l’instant illustré, le système de transfert d’énergie livre plus de puissance via le port 3 que via le port 4 et que via le port 5 (toutefois, toute répartition est envisagée). Independently of the number of sources supplying the energy transfer system at the same time, or of the possible distribution of the supply between them, it is also seen that the energy transfer system can supply several loads at the same time. times: port 3 is connected to a third object, which serves as a load at the moment, port 4 is connected to a fourth object, which serves as a load at the moment, and port 5 is connected to a fifth object , which serves as the load at the moment. Furthermore, it can be seen that the energy transfer rate from the energy transfer system to the loads can vary from one port to another: at the instant illustrated, the energy transfer system delivers more than power via port 3 than via port 4 and than via port 5 (however, any distribution is envisaged).
[0080] En Figure 7B, le port 6 est éventuellement relié à un sixième objet qui ne sert ni de source ni de charge à l’instant, Cela signifie la possibilité pour un port donné de ne transférer aucune énergie à un instant donné à l’objet auquel il peut être relié. Par exemple, le port 6 ni ne livre ni ne reçoit d’énergie, parce que la somme des débits reçus par le système de transfert d’énergie via le port 1 et le port 2 est égale à la somme des débits livrés par le système de transfert d’énergie via le port 3, le port 4 et le port 5. Toutefois, cette possibilité ne né cessite pas plusieurs sources et plusieurs charges. In Figure 7B, port 6 is optionally connected to a sixth object which serves neither as a source nor as a load at the moment. This means the possibility for a given port of not transferring any energy at a given moment to the object to which it can be linked. For example, port 6 neither delivers nor receives power, because the sum of the rates received by the power transfer system via port 1 and port 2 is equal to the sum of the rates delivered by the system transfer of energy via port 3, port 4 and port 5. However, this possibility does not require several sources and several loads.
[0081] En Figure 7C, on voit que la répartition de puissance en alimentation du sys tème de transfert d’énergie est différente dans le deuxième instant que dans le premier instant. En l’occurrence, la répartition est inversée par rapport au pre mier instant. Toutefois, des changements de répartition tendant à réduire ou à exagérer des inégalités entre les puissances reçues depuis les sources sont également envisagés. In Figure 7C, we see that the distribution of power in the supply of the energy transfer system is different in the second instant than in the first instant. In this case, the distribution is reversed compared to the first moment. However, changes in distribution tending to reduce or exaggerate inequalities between the powers received from the sources are also considered.
[0082] Indépendamment de l’éventuel changement intervenant au niveau de l’alimen tation du système de transfert d’énergie, on voit également que la répartition de puissance livrée par le système du transfert d’énergie est différente dans le deuxième instant que dans le premier instant. Là encore, tout changement en répartition est envisagé. [0082] Independently of the possible change occurring at the level of the power supply of the energy transfer system, it is also seen that the distribution of power delivered by the energy transfer system is different in the second instant than in the first moment. Again, any change in distribution is considered.
[0083] On voit aussi que le système de transfert d’énergie livre de la puissance au sixième objet via le port 6. Toutefois, il est également envisagé qu’un port qui ne sert, ni à livrer de puissance depuis le système de transfert d’énergie, ni à recevoir de puissance pour le système de transfert d’énergie, se mette ensuite directement à recevoir de puissance pour le système de transfert d’énergie. Par ailleurs, il est également envisagé qu’un port qui sert à recevoir de la puissance pour le système de transfert d’énergie, et/ou qui sert à en livrer depuis le sys tème de transfert d’énergie, se mette ensuite directement à ne recevoir ni ne livrer de puissance pour/depuis le système de transfert d’énergie. [0083] It is also seen that the energy transfer system delivers power to the sixth object via port 6. However, it is also envisaged that a port which serves neither to deliver power from the energy transfer system nor to receive power for the energy transfer system, then proceeds directly to receiving power for the energy transfer system. Furthermore, it is also envisaged that a port which is used to receive power for the energy transfer system, and/or which is used to deliver it from the energy transfer system, then goes directly to neither receive nor deliver power to/from the energy transfer system.
[0084] La somme des puissances reçues par le système de transfert d’énergie (en l’occurrence, reçues par le port 1 et le port 2) est égale à la somme des puis sances livrées par le système de transfert d’énergie (en l’occurrence via le port 3, le port 4, le port 5, et le port 6). The sum of the powers received by the energy transfer system (in this case, received by port 1 and port 2) is equal to the sum of the powers delivered by the energy transfer system ( in this case via port 3, port 4, port 5, and port 6).
[0085] En Figure 7D, on voit que le système de transfert d’énergie ne reçoit plus de puissance via le port 1. Cela signifie le fait que le système de transfert d’énergie peut arrêter de recevoir de la puissance via un port qui servait à en recevoir auparavant. In Figure 7D, we see that the energy transfer system no longer receives power via port 1. This means that the energy transfer system can stop receiving power via a port that used to receive it before.
[0086] Par ailleurs, on voit que le port 6 sert maintenant à recevoir de la puissance pour alimenter le système de transfert d’énergie. Cela signifie que le système de transfert d’énergie peut éventuellement recevoir de la puissance via un port qui est également apte à en livrer depuis le système. Furthermore, we see that port 6 is now used to receive power to supply the energy transfer system. This means that the energy transfer system can optionally receive power via a port that is also able to deliver it from the system.
[0087] A grande échelle, le système selon l’invention peut interconnecter plusieurs ré seaux 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 vé hicules électriques, ou encore la revente (vers le réseau de distribution) de l’énergie des panneaux photovoltaïques ou de l’énergie stockée dans les bat teries des véhicules électriques. On a large scale, the system according to the invention can interconnect several power distribution networks with each other. These networks can include sources of different voltages (22 kVac or 400Vac), which come for example from solar panels (2000 Vdc), from a wind farm (400 Vac three-phase) or from a production unit. It can also make it possible to carry out energy transfers between networks which are not in phase (for example, out of phase). It can still transfer energy between the energy network, solar panels, homes, electric vehicles, battery systems, optimizing the transfers between these elements. In this context, the system allows the rapid recharging of the batteries of electric vehicles, or the resale (to the distribution network) of the energy from the photovoltaic panels or the energy stored in the batteries of electric vehicles.
[0088] Dans l’exemple de la figure 8, l’architecture 300 d’un réseau électrique inclut différentes sources et charges, telles qu’un réseau domestique 302, un site in dustriel 303, une centrale nucléaire 304, une centrale thermique 305, une cen trale 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 aisé ment 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. In the example of Figure 8, the architecture 300 of an electrical network includes various sources and loads, such as a domestic network 302, an industrial site 303, a nuclear power station 304, a thermal power station 305, a hydraulic power station 306, a photovoltaic power station 307, a wind power station 308, an electric vehicle load 309 and an urban electrical network 310. According to the invention, all these elements are interconnected by means of the coupler 301 according to the invention in order to ensure high-efficiency energy transfer. The energy generated by one of these elements (for example, the solar panels of the domestic network) can therefore be easily conveyed, in a dosed manner, to at least one other of these elements. It is possible to provide several stages of couplers for large-scale infrastructures.
[0089] Dans le contexte d’un véhicule électrique, le système selon l’invention - en par ticulier 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 con trôlée, pour un rendement amélioré. In the context of an electric vehicle, the system according to the invention - in particular its coupler and its control - makes it possible to control the traction motor and to recover energy during braking. Simultaneously, it also makes it possible to manage a thermal source, a battery, a hydrogen fuel cell and supercapacitors. One of the ports connected to the coupler can supply all on-board equipment. The circulation of energy between these elements is controlled, for improved efficiency.
[0090] En figure 9, on voit l’architecture 300’ d’un réseau électrique qui diffère de l’ar chitecture 300 visible en figure 8 en ce que l’architecture 300’ de la figure 9 comprend plusieurs systèmes de transfert d’énergie 1 A, 1B, 1 C, 1D, 1 E, 1F, 1G, 1H. Par souci de simplicité, chaque système de transfert d’énergie du réseau est représenté comme ayant un seul coupleur 301’, mais il est également envi sagé que l’un ou plusieurs des systèmes de transfert d’énergie du réseau com prennent plusieurs coupleurs 301’, et que le nombre de coupleurs 301’ puisse varier d’un système de transfert d’énergie à un autre au sein du même réseau. Chaque coupleur 301’ visible en figure 9 peut être identique au coupleur 301 visible en figure 8. In Figure 9, we see the architecture 300 'of an electrical network which differs from the architecture 300 visible in Figure 8 in that the architecture 300' of Figure 9 includes several power transfer systems. energy 1 A, 1B, 1 C, 1D, 1 E, 1F, 1G, 1H. For simplicity, each grid power transfer system is shown as having a single coupler 301', but it is also contemplated that one or more of the grid power transfer systems will include multiple couplers 301 ', and that the number of couplers 301' can vary from one energy transfer system to another within the same network. Each coupler 301′ visible in figure 9 can be identical to coupler 301 visible in figure 8.
[0091] Les cercles symbolisent les coupleurs des systèmes de transfert d’énergie du réseau, et les traits droits s’étendant entre/vers/depuis les cercles symbolisent des liaisons des ports des systèmes de transfert d’énergie. Lorsque le trait porte une ou des pointes de flèche, celle(s)-ci désignent le(s) sens de(s) transfert(s) d’énergie depuis/vers/entre le(s) système(s) de transfert d’énergie. The circles symbolize the couplers of the energy transfer systems of the network, and the straight lines extending between/to/from the circles symbolize the connections of the ports of the energy transfer systems. When the line bears one or more arrowheads, these designate the direction(s) of the transfer(s) of energy from/to/between the transfer system(s). 'energy.
[0092] Comme dans l’architecture 300 visible en figure 8, le réseau de l’architecture 300’ visible en figure 9 peut être raccordé à de nombreuses charges, sources, ou objets qui servent parfois de charge et parfois de source. Les numéros de référence communs aux figures 8 et 9 désignent les mêmes objets dans les deux figures. On voit également que le réseau de l’architecture 300’ visible en figure 9 peut être raccordé à un architecture ferroviaire (qu’il soit un architecture 100 selon la figure 6, ou un architecture 200 selon la figure 7A, ou autre archi tecture ferroviaire). Il en va de même, d’ailleurs, pour l’architecture 300 visible en figure 8. As in the architecture 300 visible in FIG. 8, the network of the architecture 300′ visible in FIG. 9 can be connected to numerous loads, sources, or objects that sometimes serve as a load and sometimes as a source. The common reference numerals in Figures 8 and 9 denote the same objects in both figures. We also see that the network of the architecture 300′ visible in FIG. 9 can be connected to a railway architecture (whether it is an architecture 100 according to FIG. 6, or an architecture 200 according to FIG. 7A, or another railway architecture ). The same is true, moreover, for the architecture 300 visible in Figure 8.
[0093] L’architecture 300’ visible en figure 9, comme l’architecture 300 visible en figure 8, peut aussi assurer la liaison entre des différents réseaux de distribution 320A, 320E conventionnels. Toutefois, l’architecture 300’ visible en figure 9 assure une liaison plus élaborée, grâce à la présence de plusieurs systèmes de transfert d’énergie 1A, 1B, 1 C, 1D, 1 E, 1F, 1G, 1H, qui assurent à la fois plusieurs che mins de raccordement entre les réseaux de distribution 320A, 320E, et qui peu vent servir de « hubs », à la manière des télécommunications. [0093] The architecture 300′ visible in FIG. 9, like the architecture 300 visible in FIG. 8, can also provide the connection between different conventional distribution networks 320A, 320E. However, the architecture 300' visible in FIG. 9 provides a more elaborate connection, thanks to the presence of several energy transfer systems 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, which ensure at the same time several connection paths between the distribution networks 320A, 320E, and which can serve as "hubs", in the manner of telecommunications.
[0094] Il est envisagé, à titre facultatif, de raccorder un ou plusieurs dispositifs ou sys tèmes de stockage d’énergie 330C, 330E aux coupleurs 30T. Il en va de même pour le coupleur 301 visible en figure 8. Bien que le dispositif de stockage d’énergie 330C, 330E est représenté en figure 9 comme étant une pile ou autre dispositif de stockage d’énergie électrique, des dispositifs de stockage méca nique (p. ex. un volant d’inertie ou batterie d’inertie), hydraulique (p. ex. une centrale de pompage-turbinage), ou tout autre dispositif de stockage d’énergie. It is envisaged, on an optional basis, to connect one or more energy storage devices or systems 330C, 330E to the couplers 30T. The same goes for the coupler 301 visible in Figure 8. Although the energy storage device 330C, 330E is shown in Figure 9 as being a battery or other electrical energy storage device, mechanical storage devices electronics (eg a flywheel or flywheel battery), hydraulics (eg a pumped storage plant), or any other energy storage device.
[0095] Il est envisagé, à titre facultatif, de raccorder une pile à combustible 340, éven tuellement de type régénératif (c’est-à-dire, qu’il est possible de consommer le combustible pour générer de l’électricité, et d’alimenter la pile à combustible en électricité pour générer du combustible - on peut ainsi la qualifier de dispositif de stockage d’énergie de type chimique), à un ou plusieurs coupleurs 30T du réseau. Il en va de même pour le coupleur 301 visible en figure 8. It is envisaged, as an option, to connect a fuel cell 340, possibly of the regenerative type (that is to say, it is possible to consume the fuel to generate electricity, and to supply the fuel cell with electricity to generate fuel - it can thus be qualified as a chemical-type energy storage device), to one or more 30T couplers of the network. The same goes for the coupler 301 visible in Figure 8.
[0096] Il est envisagé, à titre facultatif, de raccorder une centrale de biomasse 350 (ou de toute autre type de centrale) à un ou plusieurs coupleurs 30T du réseau. Il en va de même pour le coupleur 301 visible en figure 8. It is envisaged, on an optional basis, to connect a biomass plant 350 (or any other type of plant) to one or more 30T couplers of the network. The same goes for the coupler 301 visible in Figure 8.
[0097] Bien que l’exemple illustré en figure 9 comprenne neuf systèmes de transfert d’énergie, un réseau au sens de la figure 9 existe dès qu’il y a un premier sys tème de transfert d’énergie 1 A et un deuxième système de transfert d’énergie 1 B qui sont agencés de manière à permettre un transfert d’énergie entre un premier port du premier système de transfert d’énergie 1 A et un premier port du deuxième système de transfert d’énergie 1B. Lesdits premiers ports peuvent être reliés l’un à l’autre, éventuellement directement. Although the example illustrated in FIG. 9 comprises nine energy transfer systems, a network within the meaning of FIG. 9 exists as soon as there is a first energy transfer system 1 A and a second energy transfer system 1 B which are arranged in such a way as to allow a transfer of energy between a first port of the first energy transfer system 1A and a first port of the second energy transfer system 1B. Said first ports can be connected to each other, possibly directly.
[0098] Un deuxième port du premier système de transfert d’énergie 1A est relié à un objet qui peut au moins parfois servir de source, et un deuxième port du deu xième système de transfert d’énergie 1B est relié à un objet qui peut au moins parfois servir de charge, ou inversement. On entend par « objet qui peut au moins parfois servir de source » une source, un dispositif de stockage d’énergie, ou un autre système de transfert d’énergie qui peut au moins parfois livrer de puissance au premier système de transfert d’énergie 1A (ou système de trans fert d’énergie donné). On entend par « objet qui peut au moins parfois servir de charge » une charge, un dispositif de stockage d’énergie, ou un autre système de transfert d’énergie qui peut au moins parfois recevoir de puissance depuis le deuxième système de transfert d’énergie 1B (ou système de transfert d’éner gie donné). A second port of the first energy transfer system 1A is connected to an object which can at least sometimes serve as a source, and a second port of the second energy transfer system 1B is connected to an object which can at least sometimes serve as a filler, or vice versa. The term "object which can at least sometimes serve as a source" means a source, an energy storage device, or another energy transfer system which can at least sometimes deliver power to the first energy transfer system 1A (or given energy transfer system). The term “object which can at least sometimes serve as a load” means a load, an energy storage device, or another energy transfer system which can at least sometimes receive power from the second energy transfer system. energy 1B (or given energy transfer system).
[0099] Ainsi, le réseau peut livrer de l’énergie depuis le premier système de transfert d’énergie 1 A, qui a été reçue par le deuxième autre système de transfert d’éner gie 1B, et/ou éventuellement inversement. En fait, pour un tel fonctionnement, il suffit en principe pour le réseau d’avoir au moins deux systèmes de transfert d’énergie, mais la figure en montre neuf, à titre non-limitatif. Thus, the network can deliver energy from the first energy transfer system 1A, which has been received by the second other energy transfer system 1B, and/or possibly vice versa. In fact, for such operation, it is sufficient in principle for the network to have at least two energy transfer systems, but the figure shows nine, without limitation.
[0100] Les systèmes de transfert d’énergie du réseau 300’ peuvent être contrôlés indi viduellement, collectivement, ou bien partiellement collectivement et partielle ment individuellement (dans ce cas, un système de transfert d’énergie donné est soumis à une couche de contrôle individuelle - il s’agit d’une contrôle indi viduelle présente même pour le système de transfert d’énergie visible en figure 1 - pour gérer les flux d’énergie au sein de chaque système, et une couche de contrôle collective pour coordonner les systèmes de transfert d’énergie entre eux au sein du réseau). Ainsi, une continuité de service peut être assurée en cas de passage hors service d’une ou plusieurs liaisons et/ou système(s) de transfert d’énergie au sein du réseau 300’. [0100] The energy transfer systems of the network 300' can be controlled individually, collectively, or else partially collectively and partially individually (in this case, a given energy transfer system is subject to a control layer individual - this is an individual control present even for the energy transfer system visible in figure 1 - to manage the energy flows within each system, and a collective control layer to coordinate the systems of energy transfer between them within the network). Thus, continuity of service can be ensured in the event that one or more links and/or energy transfer system(s) go out of service within the 300' network.
[0101 ] En cas de contrôle au moins partiellement collective, il est également envisagé de relier le réseau 300’ à un autre réseau comprenant un ou plusieurs systèmes de transfert d’énergie en dehors du réseau 300’. En figure 9, cette possibilité est représentée par des traits pointillés s’étendant non-raccordés en marge du réseau 300’. En cas de lien entre plusieurs réseaux, il est également envisagé que chaque réseau soit géré indépendamment l’un de l’autre, ou que les ré seaux soient gérés collectivement, ou partiellement indépendamment et partiel lement collectivement (dans ce cas, chaque système de transfert d’énergie est soumis à au moins une couche de contrôle collective au niveau du réseau, et/ou individuelle, comme décrite(s) plus haut, ainsi qu’une couche de contrôle pour coordonner les réseaux). [0101] In the case of at least partially collective control, it is also envisaged to connect the network 300' to another network comprising one or more energy transfer systems outside the network 300'. In FIG. 9, this possibility is represented by dotted lines extending unconnected at the margin of the network 300'. In the event of a link between several networks, it is also envisaged that each network is managed independently of one another, or that the networks are managed collectively, or partially independently and partially collectively (in this case, each energy transfer system is subject to at least one layer of collective control at the network level, and/or individual, as described above, as well as a control layer to coordinate the networks).
[0102] Bien que l’exemple en figure 9 montre un réseau comptant neuf systèmes de transfert d’énergie, il est également envisagé d’en compter davantage (dix ou plus) ou moins (huit, sept, six, cinq, ou moins). [0102] Although the example in Figure 9 shows a network with nine energy transfer systems, it is also envisaged to have more (ten or more) or less (eight, seven, six, five, or less). ).
[0103] Comme on le voit en figure 9, le réseau peut comprendre un troisième système de transfert d’énergie 1 C, qui est agencé de manière à permettre un transfert d’énergie depuis et/ou vers le premier système de transfert d’énergie 1A, et à permettre un transfert d’énergie depuis et/ou vers le deuxième système de transfert d’énergie 1 B. Il s’agit d’un premier port du troisième système de trans fert d’énergie 1 C, qui est relié au troisième port du premier système de transfert d’énergie, soit sans passer par un autre système de transfert d’énergie du ré seau, soit via le(s) port(s) d’un ou plusieurs autre(s) système(s) de transfert d’énergie du réseau. As seen in Figure 9, the network may include a third energy transfer system 1 C, which is arranged to allow a transfer of energy from and / or to the first transfer system energy 1A, and to allow a transfer of energy from and/or to the second energy transfer system 1B. This is a first port of the third energy transfer system 1C, which is connected to the third port of the first energy transfer system, either without going through another network energy transfer system, or via the port(s) of one or more other system(s) s) network energy transfer.
[0104] Ainsi, en cas d’impossibilité (temporaire ou permanente) de transférer de l’éner gie entre le premier système de transfert d’énergie 1A et le deuxième système de transfert d’énergie 1B, sans passer par le troisième système de transfert d’énergie, il reste néanmoins possible de réaliser le transfert en passant par le troisième système de transfert d’énergie 1C. Thus, in the event of (temporary or permanent) impossibility of transferring energy between the first energy transfer system 1A and the second energy transfer system 1B, without going through the third transfer of energy, it nevertheless remains possible to carry out the transfer via the third energy transfer system 1C.
[0105] En figure 9 cette fonctionnalité est illustré par le biais d’un quatrième système de transfert d’énergie 1D du réseau, qui est relié au premier système de trans fert d’énergie 1A du réseau via une liaison AD, et au deuxième système de transfert d’énergie 1B du réseau via une liaison BD, et au troisième système de transfert d’énergie 1C du réseau via une liaison CD. La liaison AD est représen tée comme un trait, sans pointe de flèche, pour indiquer qu’à l’instant illustré elle n’assure pas de transfert d’énergie. Elle est également accompagnée d’un symbole 490 signifiant qu’elle est hors service. Malgré tout, une transfert d’éner gie entre le premier système de transfert d’énergie 1A et le troisième système de transfert d’énergie 1C est assurée, entre autres, par la liaison AB et une liaison BC entre le deuxième système de transfert d’énergie 1 B et le troisième système de transfert d’énergie 1 D. [0106] C’est le même principe en cas de passage hors service d’un système de trans fert d’énergie entier (p. ex. le quatrième système de transfert d’énergie 1 D). Par ailleurs, le principe est applicable de manière générale lorsque le réseau compte au moins trois systèmes de transfert d’énergie. [0105] In FIG. 9, this functionality is illustrated by means of a fourth 1D energy transfer system of the network, which is connected to the first 1A energy transfer system of the network via an AD link, and to the second energy transfer system 1B of the network via a link BD, and to the third energy transfer system 1C of the network via a link CD. The AD bond is represented as a line, without an arrowhead, to indicate that at the instant illustrated it does not transfer energy. It is also accompanied by a 490 symbol signifying that it is out of service. Despite everything, a transfer of energy between the first energy transfer system 1A and the third energy transfer system 1C is ensured, inter alia, by the link AB and a link BC between the second transfer system energy 1 B and the third energy transfer system 1 D. [0106] This is the same principle in the event of an entire energy transfer system going out of service (eg the fourth 1D energy transfer system). Furthermore, the principle is generally applicable when the network has at least three energy transfer systems.
[0107] De nombreuses autres applications peuvent être envisagées, tout en restant dans le champ de portée de l’invention. Many other applications can be envisaged, while remaining within the scope of the invention.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1 ] Système de transfert d’énergie (1) comprenant : [Claim 1] Energy transfer system (1) comprising:
- 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- a set of ports (10, 20, 30, 40), at least one of the ports (10) being arranged to transmit energy and at least one other of the ports (20) being arranged to receive energy, and
- un ensemble de convertisseurs (11 , 21 , 31 , 41 ), chaque con vertisseur (11, 21, 31, 41) étant relié à l’un des ports (10, 20, 30,- a set of converters (11, 21, 31, 41), each converter (11, 21, 31, 41) being connected to one of the 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 : 40) and being arranged so that the energy transmitted by one port (10) is received by another port (20) via at least some of the converters (11, 21), characterized in that it comprises also :
- un coupleur (2) relié à chacun des convertisseurs (11 , 21 , 31 ,- a coupler (2) connected to each of the converters (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 convertis seurs (11 , 21, 31, 41) avant d’être reçue par un autre port (20), et 41) so that the energy transmitted by a port (10) circulates inside the coupler (2) between at least some of the converters (11, 21, 31, 41) before being received by another port (20), and
- 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), et pour délivrer une variété de formes de tension et de courant. - a control (3) connected to each of the converters (11, 21, 31, 41) so as to direct the energy from at least one port (10) to at least one other port (20), and to deliver a variety of voltage and current forms.
[Revendication 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). [Claim 2] Energy transfer system according to claim 1, in which the coupler (2) is a ferromagnetic core and in which each converter (11, 21, 31, 41) comprises at least one solenoid (12, 22, 32, 42).
[Revendication 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). [Claim 3] Energy transfer system according to claim 1 or 2, in which each converter (11, 21, 31, 41) comprises a switching module (13, 23, 33, 43) operable by the control (3 ) to route power from one port (10) to another (20).
[Revendication 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).[Claim 4] Energy transfer system according to one of the preceding claims, in which the coupler (2) comprises a plurality coupling modules (2.1, 2.2, 2.3, ..., 2.12), at least some of which are connected to one of the converters (11, 21, 31, 41).
[Revendication 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.[Claim 5] Energy transfer system according to one of the preceding claims, in which at least one of the converters (11, 21, 31, 41) is arranged to receive and/or to deliver a variety of voltage and current.
[Revendication 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. [Claim 6] Energy transfer system according to one of the preceding claims, in which at least one of the converters (11, 21, 31, 41) is bidirectional.
[Revendication 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). [Claim 7] Energy transfer system according to one of the preceding claims, in which the control (3) comprises a general control (3.0) connected to a plurality of sub-controls (3.1, 3.2) each of which is itself even connected to one of the converters (11, 21, 31, 41).
[Revendication 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 , 31, 41) de manière que l’énergie transmise par au moins un port (10, 30) 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, 40). [Claim 8] Energy transfer system according to one of the preceding claims, in which several couplers (2) are connected to each other and are connected to the converters (11, 21, 31, 41) in such a way that the energy transmitted by at least one port (10, 30) circulates inside at least some of the couplers (2) and between at least some of the converters (11, 21, 31, 41) before being received by at least least one other port (20, 40).
[Revendication 9] Procédé de transfert d’énergie, dans le système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant :[Claim 9] Method of transferring energy, in the energy transfer system (1) according to one of Claims 1 to 8, comprising:
- 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, 30), et - a step of controlling the converters (11, 21, 31, 41) so as to inject a quantity of energy towards the coupler (2) from at least one of the ports (10, 30), and
- 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, 40). - a step of controlling the converters (11, 21, 31, 41) so as to dose the quantity of energy leaving the coupler (2) to at least one of the ports (20, 40).
[Revendication 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). [Claim 10] Energy transfer method according to the preceding claim, in which each converter (11, 21, 31, 41) comprises a switching module (13, 23, 33, 43) operable by the control (3) for routing power from one port (10) to another (20), and wherein the steps of controlling the converters (11, 21, 31, 41) include operating at least some switching modules (13, 23, 33, 43) for bringing energy into and out of the coupler (2).
[Revendication 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. [Claim 11] Use of the energy transfer system (1) according to one of Claims 1 to 8 for supplying a railway network and its rolling stock.
[Revendication 12] Utilisation du système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8 pour l’alimentation d’un véhicule électrique. [Claim 12] Use of the energy transfer system (1) according to one of Claims 1 to 8 for supplying an electric vehicle.
[Revendication 13] Utilisation du système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendications 1 à 8 pour l’interconnexion entre plusieurs réseaux électriques. [Claim 13] Use of the energy transfer system (1) according to one of Claims 1 to 8 for the interconnection between several electrical networks.
[Revendication 14] Infrastructure (200, 300, 300’) comprenant : [Claim 14] Infrastructure (200, 300, 300') comprising:
- un ensemble d’alimentations et de charges (201, 203, 204, 205, 206, 207, 209, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 309, 310), et - a set of power supplies and loads (201, 203, 204, 205, 206, 207, 209, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 309, 310), and
- un système de transfert d’énergie (1) selon l’une des revendi cations 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 convertis seurs et du coupleur (208, 301). - an energy transfer system (1) according to one of Claims 1 to 8, arranged in such a way that each port is connected to at least one power supply or to a load and in such a way that energy is transferred from at least one power supply to at least one load via the ports, the converters and the coupler (208, 301).
[Revendication 15] Réseau (300’) comprenant deux systèmes de transfert d’énergie (1A, 1B, 1C, 1 D, 1 E, 1F, 1G, 1H, 11) selon l’une des revendications 1 à 8, agencés de manière qu’un port d’un premier des deux systèmes de transfert d’énergie (1A) soit relié à un port d’un deuxième des deux systèmes de transfert d’énergie (1 B) de manière que de l’énergie soit transférable entre lesdits ports. [Claim 15] Network (300') comprising two energy transfer systems (1A, 1B, 1C, 1 D, 1 E, 1F, 1G, 1H, 11) according to one of Claims 1 to 8, arranged such that a port of a first of the two energy transfer systems (1A) is connected to a port of a second of the two energy transfer systems (1B) so that energy is transferred between said ports.
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