FR2707055A1 - Static AC voltage converter or inverter, with high overload capacity and high efficiency - Google Patents

Static AC voltage converter or inverter, with high overload capacity and high efficiency Download PDF

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Abstract

The current-control electronics prevent magnetic saturation of the transformer in the event of overloads. Upon an overload occurring, the inverter reacts by increasing its frequency so as to increase the power of the transformer and to avoid the magnetic circuit saturating. The inverter according to the invention is particularly intended for computing, for emergency lighting by neon or incandescent lamps, for television sets, domestic electrical apparatuses with a universal motor (vacuum cleaner, etc.). By virtue of its high efficiency, it can be used in energy-conversion equipment in general.

Description

La présente invention concerne un générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge et à haut rendement, destiné l'informatique, à l'éclairage de secours ,aux applications domestiques et à la conversion de l'énergie électrique.The present invention relates to a static alternating voltage generator or inverter, with high overload capacity and high efficiency, intended for data processing, emergency lighting, domestic applications and the conversion of electrical energy.

Dans des appareils analogues du commerce, on trouve des onduleurs pour informatique dont la puissance électrique est limitée à celle de leur transformateur. Or un équipement informatique ou un automate industriel a de nombreux condensateurs ou capacité de filtrage pour leur alimentation interne.In similar commercial devices, there are computer inverters whose electrical power is limited to that of their transformer. However, IT equipment or an industrial automat has numerous capacitors or filtering capacity for their internal supply.

Il se crée à leur mise sous tension, un courant d'appel pouvant attendre plusieurs fois leur courant nominal, et il en résulte une baisse de la tension alternative de l'onduleur pendant un temps non négligeable. Ceci crée une perturbation pour d'autres appareils déjà
alimentés par le même onduleur.When they are energized, an inrush current can wait several times their nominal current, and this results in a drop in the AC voltage of the inverter for a significant time. This creates a disturbance for other devices already
powered by the same inverter.

Dans le cas de l'éclairage par lampes à incandescence, la résistance du filament à froid est
très faible par rapport à sa valeur nominale, à chaud. I1 en résulte un appel très important
de courant à la mise sous tension de ces lampes et une baisse de la tension de l'onduleur.In the case of incandescent lamp lighting, the resistance of the cold filament is
very low compared to its nominal value, hot. I1 results in a very important call
current when these lamps are energized and the inverter voltage drops.

L'utilisateur est obligé d'utiliser leur onduleur nettement en dessous de sa puissance
nominale.The user is obliged to use their inverter clearly below its power
nominal.

L'appareil selon l'invention permet de rémédier à cet inconvénient en fournissant une
puissance instantanée qui dépasse largement la puissance nominale du transformateur.The apparatus according to the invention overcomes this drawback by providing a
instantaneous power which greatly exceeds the nominal power of the transformer.

Il empêche la saturation du fer du transformateur quand il y a une surcharge. It prevents the saturation of the transformer iron when there is an overload.

L'électronique de puissance de l'onduleur mesure en permanence le courant dans le
primaire du transformateur et dès qu'il atteint une valeur considérée comme le courant de
saturation, l'électronique réagit pour inverser le sens du champ magnétique dans le fer du transformateur. ll en résulte que le fer ne sera pas saturé.The power electronics of the inverter continuously measure the current in the
primary of the transformer and as soon as it reaches a value considered as the current of
saturation, the electronics react to reverse the direction of the magnetic field in the transformer iron. As a result, the iron will not be saturated.

Ainsi pendant la surcharge, l'action de l'électronique se traduit par une augmentation de la fréquence du flux magnétique alternatif dans le transformateur. Cette opération dure
jusqu'à la disparition de la surcharge.Thus during the overload, the action of the electronics results in an increase in the frequency of the alternating magnetic flux in the transformer. This operation lasts
until the overload disappears.

Pendant la durée de la surcharge, l'électronique augmente la fréquence de travail du transformateur, mais ne modifie pas sensiblement la tension du secondaire parce que la tension du primaire est restée la même et que le fer n'est pas saturé. il en résulte une
augmentation de la puissance du transformateur grâce à une fréquence d'inversion de flux magnétique plus grande.During the duration of the overload, the electronics increase the working frequency of the transformer, but do not appreciably modify the voltage of the secondary because the voltage of the primary has remained the same and the iron is not saturated. this results in a
increase in transformer power thanks to a higher magnetic flux reversal frequency.

Après la surcharge l'onduleur retrouve alors sa fréquence nominale qui est voisine de la fréquence du secteur: 50 ou 60 Hertz suivant le pays.After the overload the inverter then finds its nominal frequency which is close to the mains frequency: 50 or 60 Hertz depending on the country.

La figure 1 représente un cas de réalisation d'un onduleur selon l'invention
La source d'énergie est une batterie ou un générateur de tension continue à faible résistance interne.FIG. 1 represents an embodiment of an inverter according to the invention
The energy source is a battery or a DC voltage generator with low internal resistance.

La tension alternative est obtenue en commandant alternativement les transistors MOS de sortie Ta et Tb par l'horloge ou l'oscillateur de l'onduleur à travers des portes logiques. Le signal de l'horloge est un signal carré symétrique, c'est à dire son niveau haut a la même
durée que son niveau bas. Ce signal commande le transistor Ta à travers des portes
logiques et son signal complémentaire le transistor Tb . La fréquence de l'horloge est la
même que la fréquence de la tension alternative fournie par l'onduleur
L'horloge a une fréquence nominale voisine de la fréquence du secteur et définie par la
constante de temps RlxC, soit 50 (ou 60 Hertz pour certains pays). En cas de surcharge détectée par le transistor Tc et le bascule bascule de type RS, une résistance R2 est
branchée automatiquement en parallèle avec la résistance R1 grâce à 1' optocoupleur OPT.The alternating voltage is obtained by alternately controlling the MOS output transistors Ta and Tb by the clock or the oscillator of the inverter through logic gates. The clock signal is a symmetrical square signal, i.e. its high level has the same
duration than its low level. This signal controls the transistor Ta through gates
logic and its complementary signal the transistor Tb. The clock frequency is
same as the frequency of the alternating voltage supplied by the inverter
The clock has a nominal frequency close to the mains frequency and defined by the
RlxC time constant, i.e. 50 (or 60 Hertz for some countries). In the event of an overload detected by the transistor Tc and the flip-flop flip-flop of type RS, a resistor R2 is
automatically connected in parallel with the resistor R1 thanks to the optocoupler OPT.

Si la résistance R2 est huit fois plus petite que la résistance R1, la constante de temps de l'horloge qui définit la période est divisée environ par huit; il en résulte la fréquence de l'oscillateur est multipliée par huit et devient 400 Hz. Nous obtenons ainsi une puissance en cas de surcharge huit fois plus importante que la puissance nominale du transformateur. If the resistance R2 is eight times smaller than the resistance R1, the time constant of the clock which defines the period is divided approximately by eight; it results from it the frequency of the oscillator is multiplied by eight and becomes 400 Hz. We thus obtain a power in the event of overload eight times greater than the nominal power of the transformer.

L'électronique comprend essentiellement trois parties: -le générateur de tension constante ou une batterie.The electronics essentially consist of three parts: -the constant voltage generator or a battery.

-le contrôleur du courant dans le primaire du transformateur.-the current controller in the transformer primary.

-l'horloge interne de l'onduleur pour contrôler la fréquence d'inversion du flux magnétique permettant d'obtenir une surpuissance en cas de surcharge.
Le générateur de tension constante est basé sur la technique de régularisation par hachage haute fréquence (de l'ordre de 30 KHz) du courant dans une self inductance. La stabilité de la tension est de l'ordre de 1%.. La tension de sortie est de 13 Volts. Ce générateur de tension électronique peut être remplacé par une batterie de 13 Volts et pouvant fournir un courant de pointe d'environ 100 Ampères.
La mesure du courant dans le primaire du transformateur se fait en mesurant la tension au bornes de la résistance de puissance R de 10 milliohm. Le transistor Tc sert de comparateur de tension car il a une tension de seuil de 0,6 volts entre sa base B et son émetteur E. Ce transistor ne devient conducteur quand la tension aux bornes de la résistance R dépasse 0,6 volts, ceci correspond à un courant Imax de 60 ampères dans le primaire du transformateur.
Le dépassement de ce courant entraîne automatiquement l'inversion du champ magnétique; ainsi le fer ne peut pas se saturer.- the internal clock of the inverter to control the frequency of inversion of the magnetic flux, making it possible to obtain an overpower in the event of overload.
The constant voltage generator is based on the regularization technique by high frequency chopping (of the order of 30 KHz) of the current in an inductor. The stability of the voltage is around 1%. The output voltage is 13 Volts. This electronic voltage generator can be replaced by a 13 Volt battery which can provide a peak current of around 100 Amps.
The current in the transformer primary is measured by measuring the voltage across the power resistance R of 10 milliohm. The transistor Tc serves as a voltage comparator because it has a threshold voltage of 0.6 volts between its base B and its emitter E. This transistor only becomes conductive when the voltage across the resistor R exceeds 0.6 volts, this corresponds to an Imax current of 60 amps in the primary of the transformer.
Exceeding this current automatically causes the magnetic field to reverse; thus the iron cannot be saturated.

Dans un cas particulier de réalisation le transistor Tc est remplacé par un circuit intégré comparateur de tensions . Le seuil du transitor de 0,6 est remplacé par une tension de référence thermiquement plus stable, donnée par une Zener suivi d'un diviseur potentiométrique.In a particular embodiment, the transistor Tc is replaced by an integrated voltage comparator circuit. The transitor threshold of 0.6 is replaced by a thermally more stable reference voltage, given by a Zener followed by a potentiometric divider.

On peut admettre que le transformateur commence à se saturer si le courant dépasse de 10% le courant nominal donné par le contructeur. Le transformateur Test réalisé avec des tôle de la qualité 0,6 watts.We can admit that the transformer begins to saturate if the current exceeds by 10% the nominal current given by the constructor. The Test transformer made with 0.6 watt quality sheet metal.

Dans le cas particulier de réalisation de la figure 1, au début de chaque transition de l'horloge le bascule RS est réarmé pour autoriser le passage du courant dans les transistors de de puissance qui alimente le primaire du transformateur. Ce bascule ne change pas d'état si le courant ne dépasse pas Imax. En cas de surcharge entraînant le dépassement de la valeur
Imax, l'électronique coupe alors le courant et augmente en même temps la fréquence de l'horloge interne jusqu'à environ 400 Hz pour accélérer l'inversion du flux magnétique. In the particular case of embodiment of FIG. 1, at the beginning of each transition of the clock the flip-flop RS is reset to authorize the passage of current in the power transistors which feeds the primary of the transformer. This rocker does not change state if the current does not exceed Imax. In the event of an overload causing the value to be exceeded
Imax, the electronics then cut the current and at the same time increase the frequency of the internal clock up to around 400 Hz to accelerate the reversal of the magnetic flux.

Selon la figure 1 , l'électronique coupe la courant dans le sens de la saturation du fer quand ce dernier atteint la valeur du courant de saturation, grâce au bascule RS .I1 en résulte une amélioration du rendement en cas de surcharge par rapport aux onduleurs traditionnels. According to FIG. 1, the electronics cut the current in the direction of saturation of the iron when the latter reaches the value of the saturation current, thanks to the RS flip-flop .I1 results in an improvement in the efficiency in the event of overload compared to the inverters traditional.

Dans le cas de la figure 1 le primaire P est une bobine à point milieu : il est partagé en deux bobines électriquement identiques. Le point millieu est relié à la source de tension, les extrémités du primaire sont reliées aux transistors Mos de commutation Ta et Tb, qui sont commandés alternativement.In the case of FIG. 1, the primary P is a mid-point coil: it is divided into two electrically identical coils. The middle point is connected to the voltage source, the ends of the primary are connected to the switching transistors Mos Ta and Tb, which are controlled alternately.

Dans le cas de la figurel l'horloge de l'onduleur qui inverse le sens du champ magnétique dans le fer est une horloge à deux fréquences. La petite est la fréquence nominale, dont la valeur
est réglée voisine de 50 Hertz ou 60 dans certains pays. La grande ne sert qu'en cas de
surcharge, sa valeur est d'environ 400 Hertz .Cette dernière fréquence peut être différente, elle est à fixer par le contructeur de l'onduleur, en tenant compte des caractéristiques et des possibilités du transformateur utilisé.In the case of the figurel the clock of the inverter which reverses the direction of the magnetic field in the iron is a clock with two frequencies. The small one is the nominal frequency, whose value
is set close to 50 Hertz or 60 in some countries. The large one is only used in case of
overload, its value is approximately 400 Hertz. This last frequency can be different, it is to be fixed by the constructor of the inverter, taking into account the characteristics and possibilities of the transformer used.

Dans un cas particulier de réalisation non représenté, le primaire du transformateur est une
bobine unique commandée en mode bipolaire grâce à quatre commutateurs.In a particular embodiment not shown, the primary of the transformer is a
single coil controlled in bipolar mode thanks to four switches.

Dans un cas particulier de réalisation le courant débité par la source de tension est mesuré grâce à un élément à effet Hall placé dans le champ magnétique créé par ce courant. La résistance R est supprimée.In a particular embodiment, the current delivered by the voltage source is measured using a Hall effect element placed in the magnetic field created by this current. Resistor R is deleted.

Ceci permet de supprimer la perte ohmique de tension sur la résistance R et d'améliorer ainsi
le rendement de l'onduleur.This eliminates the ohmic loss of voltage on the resistor R and thus improves
the efficiency of the inverter.

Dans un cas particulier de réalisation, un temporisateur, non représenté, couplé au bascule RS commande la mise en marche d'une ventilation si la surcharge se prolonge. En effet si la puissance du transformateur a augmentée grâce à une augmentation de fréquence de travail en cas de surcharge, la puissance perdue dans le fer par hystérésis augmente également avec la fréquence.In a particular embodiment, a timer, not shown, coupled to the flip-flop RS controls the starting of a ventilation if the overload is prolonged. In fact, if the power of the transformer has increased thanks to an increase in the working frequency in the event of overload, the power lost in the iron by hysteresis also increases with frequency.

Dans un cas particulier de réalisation le transformateur de l'onduleur possède une bobine qui permet de mesurer la tension alternative donnée par le transformateur au secondaire. Si cette tension baisse en dessous d'une certaine valeur malgré l'augmentation de fréquence de l'onduleur, un signal d'alarme est émis . Ce signal peut être utilisé pour couper l'alimentation
de l'onduleur ou faire un délestage de certains utilisateurs non prioritaires.In a particular embodiment the transformer of the inverter has a coil which makes it possible to measure the alternating voltage given by the transformer to the secondary. If this voltage drops below a certain value despite the increase in frequency of the inverter, an alarm signal is emitted. This signal can be used to cut off the power
the UPS or offload certain non-priority users.

La presente Invention est partlcullerement destmee aux equlpements mtormatlques ou bureautiques, aux appareils d'éclairage par incandescence ou par tube à gaz, à la télévision et appareils annexes, appareils électroménagers à moteur universel (aspirateurs,...) et aux applications de convertion d'énergie.The present invention is particularly intended for computer or office equipment, incandescent or gas tube lighting devices, television and related devices, household appliances with universal motors (vacuum cleaners, ...) and conversion applications. 'energy.

La mesure du courant dans le circuit primaire du transformateur se fait en mesurant la chute de tension aux bornes d'une résistance, insérée dans le circuit du primaire.The current in the primary circuit of the transformer is measured by measuring the voltage drop across a resistor, inserted in the primary circuit.

Le primaire du transformateur est une bobine à point milieu commandée alternativement par des transistors bipolaires ou MOS : Ta et Tb.The transformer primary is a mid-point coil controlled alternately by bipolar or MOS transistors: Ta and Tb.

Le générateur statique possède un dispositif économiseur d'énergie qui coupe le courant des transistors de puissance qui aliment le primaire, jusqu'à la prochaine alternance de la tension alternative si le courant Imax autorisé est dépassé.The static generator has an energy saving device which cuts the current of the power transistors which supply the primary, until the next alternation of the alternating voltage if the authorized Imax current is exceeded.

Les fonctions logiques décrites sont générées par microprocesseur ou par des composants programmables. The described logic functions are generated by microprocessor or by programmable components.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1) Générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge 1) Static generator of alternating voltage or inverter, with large overload capacity et à haut rendement caractérisé en ce qu'il empêche la saturation du fer du transformateur and high efficiency characterized in that it prevents the saturation of the transformer iron dans un sens donné du champ magnétique en inversant ce sens quand le courant dans le in a given direction of the magnetic field by reversing this direction when the current in the primaire du transformateur dépasse une valeur fixée à l'avance. transformer primary exceeds a value set in advance. 2) Générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge, selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mesure du courant dans le primaire du transformateur se fait en mesurant la chute de tension aux bormes d'une résistance ,insérée2) Static generator of alternating voltage or inverter, with large overload capacity, according to claim 1 characterized in that the measurement of the current in the primary of the transformer is done by measuring the voltage drop across a resistor, inserted dans le circuit du primaire. in the primary circuit. 3) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du courant injecté dans le primaire du transformateur, se fait grâce à un élément à effet Hall sensible au champ magnétique créé par ce courant 3) Static generator of alternating voltage or inverter according to claim 1, characterized in that the measurement of the current injected into the primary of the transformer, is done thanks to a Hall effect element sensitive to the magnetic field created by this current 4) Générateur statique de tension alternative ou onduleur, à grande capacité de surcharge, 4) Static generator of alternating voltage or inverter, with large overload capacity, selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'en cas de surcharge la fréquence according to one of claims 1 to 3 characterized in that in the event of an overload the frequency de la tension alternative de l'onduleur augmente à partir de sa valeur nominale qui est de of the AC voltage of the inverter increases from its nominal value which is voisine de 50 Hertz (ou 60 Hertz pour certains pays). Lorsque la surcharge a disparu cette fréquence reprend sa valeur nominale. close to 50 Hertz (or 60 Hertz for some countries). When the overload has disappeared, this frequency returns to its nominal value. 5)Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 45) Static generator of alternating voltage or inverter according to one of claims 1 to 4 caractérisé en ce que le primaire du transformateur est une bobine à point milieu commandée characterized in that the transformer primary is a controlled mid-point coil alternativement par des transistors bipolaires ou MOS: Ta et Tb. alternately by bipolar or MOS transistors: Ta and Tb. 6) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 56) Static generator of alternating voltage or inverter according to one of claims 1 to 5 caractérisé en ce qu'il possède un dispositif économiseur d'énergie qui coupe le courant des characterized in that it has an energy saving device which cuts the current of transistors de puissance qui alimentent le primaire, jusqu'à la prochaine alternance de la power transistors which supply the primary, until the next half-cycle tension alternative si le courant Imax autorisé est dépassé. alternating voltage if the authorized Imax current is exceeded. 7) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 6 7) Static generator of alternating voltage or inverter according to one of claims 1 to 6 caractérisé en ce qu'il possède un dispositif qui met en marche une ventilation lorsqu'il y a une characterized in that it has a device which turns on ventilation when there is a surcharge prolongée. prolonged overload. 8) Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 7 8) Static generator of alternating voltage or inverter according to one of claims 1 to 7 caractérisé en ce qu'un signal d'alarme est émis si malgré l'augmentation de fréquence en cas de characterized in that an alarm signal is emitted if despite the frequency increase in the event of surcharge la tension au secondaire du transformateur reste en dessous d'une certaine valeur overload the secondary voltage of the transformer remains below a certain value fixée à l'avance. fixed in advance. 9)Générateur statique de tension alternative ou onduleur selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les fonctions logiques décrites sont générées par microprocesseur ou par des composants programmables. 9) Static generator of alternating voltage or inverter according to one of claims 1 to 8 characterized in that the described logic functions are generated by microprocessor or by programmable components.
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