[0001] La présente invention est relative à un appareillage électrique de puissance, soit
une inductance variable du type comprenant un noyau magnétique à trois jambes, un
bobinage d'entrée ou primaire alimenté en courant alternatif, et un circuit de contrôle
à courant continu.
[0002] Conventionnellement, le bobinage primaire d'une telle inductance variable comprend
au moins un enroulement dans lequel circule un courant alternatif qui induit un flux
magnétique alternatif de même intensité à l'intérieur de deux des trois jambes du
noyau magnétique. De son côté, le circuit de contrôle est soumis à un courant continu
qui induit un flux magnétique continu de même intensité dans ces deux jambes. Les
flux alternatif et continu s'additionnent dans l'une des deux jambes et s'opposent
dans l'autre, et vice versa selon les alternances positives ou négatives du courant
alternatif. La fonction du flux magnétique continu induit dans chacune des deux jambes
est de saturer plus ou moins profondément le noyau magnétique pour ainsi déterminer
la perméabilité de celui-ci au flux alternatif et par le fait même l'impédance du
bobinage primaire. Cette impédance peut donc être variée en modifiant l'intensité
du courant continu du circuit de contrôle de manière à modifier l'intensité du flux
magnétique continu induit dans les deux jambes. Plusieurs systèmes ont été proposés
pour ajuster l'intensité de ce courant continu de manière à obtenir une caractéristique
de fonctionnement désirée de l'inductance variable, certains redressant le courant
alternatif du bobinage primaire pour alimenter le circuit de contrôle avec ce courant
redressé.
[0003] Ces inductances variables connues ont le désavantage d'avoir une caractéristique
de fonctionnement qui est très sensible à toute variation dans les propriétés intrinsèques
du matériau constituant le noyau magnétique et dans la construction de ce noyau, à
l'échauffement ou au moindre déplacement dans le noyau magnétique et aussi à l'effet
lié à la fréquence. De plus, de telles inductances de l'art antérieur ne permettent
pas d'obtenir une caractéristique de fonctionnement pour laquelle serait possible
une plage de variation optimale du courant alternatif dans le bobinage primaire et
donc de la puissance réactive de l'inductance variable en réponse à une faible variation
de la tension aux bornes de ce bobinage primaire à un niveau de tension donné, ce
qui serait très utile pour une application de l'inductance variable par exemple à
la régulation de tension alternative.
[0004] Le but principal de la présente invention est donc d'éliminer les différents inconvénients
énumérés ci-dessus en introduisant un entrefer dans chacune des deux jambes du noyau
magnétique où les flux magnétiques alternatif et continu s'additionnent ou s'opposent.
[0005] Plus particulièrement, la présente invention propose une inductance variable comprenant:
un noyau magnétique muni de trois jambes ayant chacune une première et une seconde
extrémité, ces premières extrémités étant reliées en un premier point commun du noyau
magnétique, et ces secondes extrémités étant reliées en un second point commun de
ce noyau magnétique;
un bobinage primaire alimenté par un courant alternatif;
un bobinage de contrôle; et
des moyens pour alimenter le bobinage de contrôle avec un courant continu ayant une
intensité qui varie en fonction d'un paramètre électrique relié au fonctionnement
de l'inductance variable;
[0006] le bobinage primaire et le bobinage de contrôle étant disposés par rapport au noyau
magnétique de manière à ce que les courants alternatif et continu induisent dans une
première desdites trois jambes un flux magnétique alternatif et un flux magnétique
continu qui s'additionnent ou qui s'opposent selon que le courant alternatif passe
par une alternance positive ou négative, respectivement, et dans une seconde desdites
trois jambes un flux magnétique alternatif et un flux magnétique continu qui s'opposent
au qui s'additionnent selon que le courant alternatif passe par une alternance positive
ou négative, respectivement, le flux magnétique continu induit dans chacune des première
et seconde jambes ayant une intensité qui varie avec l'intensité du courant continu
pour ainsi varier l'impédance du bobinage primaire;
[0007] la première jambe comportant un entrefer traversé par le flux magnétique résultant
induit dans cette première jambe, et la seconde jambe comportant un entrefer traversé
par le flux magnétique résultant induit dans cette seconde jambe.
[0008] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le paramètre électrique est
l'intensité du courant alternatif alimentant le bobinage primaire, et les moyens d'alimentation
en courant continu comportent un pont de diodes reliant en série le bobinage primaire
et le bobinage de contrôle, pour ainsi redresser le courant alternatif alimentant
le bobinage primaire et alimenter le bobinage de contrôle avec ce courant redressé
(opération en autocontrôle).
[0009] Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le bobinage primaire comporte
un premier enroulement et un second enroulement connectés en série, enroulés autour
des première et seconde jambes, respectivement, et alimentés par le courant alternatif
de telle sorte que ce courant alternatif induise dans la première jambe un premier
flux magnétique alternatif et dans la seconde jambe un second flux magnétique alternatif,
ces premier et second flux magna- tiques alternatifs s'additionnant dans la troisième
desdites trois jambes, et le bobinage de contrôle comprend un troisième enroulement
superposé au premier enroulement, et un quatrième enroulement superposé au second
enroulement, ces troisième et quatrième enroulements étant connectés en série, enroulés
autour des première et seconde jambes, respectivement, et alimentés par le courant
continu de telle sorte que ce courant continu induise un flux magnétique continu circulant
dans un circuit magnétique fermé défini par les première et seconde jambes.
[0010] De préférence, les premier et troisième enroulements sont disposés autour de la première
jambe de manière à ce que l'entrefer de cette première jambe se retrouve au centre
de ces premier et troisième enroulements, et les second et quatrième enroulements
sont également disposés autour de la seconde jambe de manière à ce que l'entrefer
de cette seconde jambe se retrouve au centre de ces second et quatrième enroulements.
[0011] L'inductance variable peut également comprendre un bobinage de polarisation monté
sur le noyau magnétique et alimenté en courant continu, ainsi qu'une inductance de
valeur fixe reliée en série avec le bobinage de contrôle.
[0012] Les avantages et autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré
de celle-ci, donné à titre d'exemple non-limitatif seulement avec référence aux dessins
annexés dans lesquels:
La Figure la) représente une inductance variable autocontr6lée à entrefers selon l'invention,
munie d'un noyau magnétique à trois jambes;
La Figure lb) illustre une section possible pour les trois jambes du noyau magnétique
de l'inductance de la Figure la);
La Figure lc) est le circuit équivalent de l'inductance variable autocontrôlée à entrefers
de la Figure la);
Les Figures 2, 3, 4 et 5 montrent différentes courbes de fonctionnement, réelles ou
idéales, de l'inductance variable de la Figure la);
Les Figures 6a) et 6b) illustrent sous forme de circuits équivalents, l'addition de
composants permettant un ajustement des caractéristiques de fonctionnement de l'inductance
variable de la Figure la);
La Figure 7 représente une superposition d'enroulements autour de deux jambes du noyau
magnétique de l'inductance selon l'invention;
[0013] Les Figures 8a), 8b) et 8c) montrent pour une application à la régulation de tension
des façons de modifier les caractéristiques d'opération de l'inductance variable;
et
[0014] La Figure 9 illustre une application de l'inductance variable à la régulation de
tension alternative dans le cas d'une alimentation par couplage capacitif, par exemple
par fil de garde.
[0015] L'inductance variable comporte, tel qu'illustré à la Figure la) des dessins, un noyau
magnétique identifié de façon générale par la référence 1 et formé d'une jambe centrale
2 et de deux jambes externes 3 et 4, toutes trois disposées substantiellement dans
un même plan de façon à faciliter la construction du noyau magnétique 1. Les trois
jambes ont leurs premières extrémités reliées en un premier point commun 34 et leurs
secondes extrémités en un second point commun 35. Le noyau magnétique est avantageusement
constitué de tôles superposées les unes aux autres et parallèles au plan dans lequel
sont situées les trois jambes. Ces tôles sont identifiées par la référence 20 sur
la Figure lb) qui représente la section des jambes 2 à 4 prise pour fins d'exemple
selon l'axe A-A de la Figure la). Le nombre et l'épaisseur des tôles 20 formant les
différentes jambes du noyau magnétique 1 peuvent bien entendu être choisis selon les
critères habituels de conception de tels noyaux magnétiques.
[0016] Tel que représenté à la Figure lb), la jambe centrale 2 et les jambes externes 3
et 4 ont une section de même surface et cruciforme quasi circulaire.
[0017] Cependant, bien qu'il importe que la section des jambes externes 3 et 4 soit de même
surface, la section de la jambe centrale 2 peut avoir une surface égale ou plus grande
que celle de la section des jambes 3 et 4. Ces trois jambes 2 à 4 peuvent également
avoir une section carrée ou rectangulaire.
[0018] Pour des raisons qui deviendront évidentes à la lecture de la description qui suit,
il est important que les tôles 20 du noyau magnétique soient réalisées en un acier
magnétique ou en tout autre matériau magnétique ayant une courbe de magnétisation
avec un genou prononcé. Pour éviter les phénomènes de saturation partielle dans la
région des jonctions de ces tôles 20, qui ont pour effet d'allonger le genou de la
courbe de magnétisation, il faut réunir les tôles par des jonctions à 45° et en au
moins trois paliers, tel qu'illustré par exemple en 5 et 6 sur la Figure la).
[0019] Se référant de nouveau à cette Figure la), la jambe externe 3 du noyau comporte en
son centre un entrefer 7 tandis que la jambe externe 4 a en son centre un entrefer
8, ces deux entrefers 7 et 8 ayant une longueur identique.
[0020] Un premier bobinage qu'il convient ici d'appeler bobinage primaire est alimenté en
courant alternatif par une source électrique alternative 9 et comporte un premier
enroulement 10a disposé autour de la jambe externe 3 et un second enroulement 10b
disposé autour de la jambe externe 4. Un bobinage de contrôle comprend un premier
enroulement lla superposé à l'enroulement 10a et un second enroulement llb superposé
à l'enroulement lOb. Les enroulements 10a et 10b ayant un même nombre de tours sont
reliés en série, ainsi que les enroulements lIa et llb ayant aussi un même nombre
de tours. D'une manière avantageuse, les enroulements 10a et lla sont positionnés
autour de la jambe externe 3 pour que l'entrefer 7 se retrouve en leur centre. De
la même façon, les enroulements 10b et llb sont positionnés autour de la jambe externe
4 de façon à ce que l'entrefer 8 se retrouve en leur centre. Cette disposition des
enroulements est avantageuse en ce qu'elle diminue considérablement les flux de fuite
autour des entrefers.
[0021] Un pont de redressement 12 à double alternance formé de quatre diodes redresse le
courant alternatif circulant dans le bobinage primaire afin d'alimenter le bobinage
de contrôle avec ce courant redressé qu'il convient d'appeler courant continu, pour
ainsi obtenir un fonctionnement en autocontr6le de l'inductance variable.
[0022] En fait, ce pont de redressement 12 relie directement en série les bobinages primaire
et de contrôle entre les bornes de la source 9 de sorte que le courant alternatif
du bobinage primaire puisse être redressé pour alimenter le bobinage de contrôle.
L'amplitude du courant continu circulant dans les enroulements lla et llb connectés
en série est donc fonction de l'amplitude du courant alternatif circulant dans les
enroulements 10a et 10b aussi reliés en série.
[0023] Le sens des enroulements lla et llb ainsi que leur interconnexion en série sont choisis
de sorte que le courant continu du bobinage à contrôle induise un flux magnétique
continu qui circule dans un circuit magnétique fermé défini par les jambes externes
3 et 4. Donc, aucun flux magnétique continu ne résulte dans la jambe centrale. Le
flux magnétique continu généré par les enroulements lla et llb dans les deux jambes
externes 3 et 4 est identifié par les flèches 13 et 14, respectivement. La fonction
de ce flux magnétique induit est de saturer plus ou moins profondément le noyau magnétique
1, entraînant en conséquence une diminution de l'impédance du bobinage primaire et
une augmentation du courant alternatif de ce bobinage, et ce jusqu'à un point stable.
[0024] Durant chaque alternance positive du courant alternatif circulant dans le bobinage
primaire, les enroulements 10a et 10b génèrent respectivement des flux magnétiques
alternatifs identifiés par les flèches 15 et 16. Ces flux alternatifs 15 et 16 s'additionnent
dans la jambe centrale 2 tel qu'illustré en 17.
[0025] A l'intérieur de la jambe magnétique externe 3, le flux magnétique continu 13 s'oppose
au flux magnétique alternatif 15 pour donner la résultante de flux magnétique identifié
par la flèche 18. Au contraire, à l'intérieur de la jambe externe 4, les flux magnétiques
continu 14 et alternatif 16 s'additionnent. Cette addition de flux magnétique est
illustrée par les flèches 19.
[0026] Bien entendu, la superposition de flux magnétiques alternatif et continu décrite
ci-dessus se produit lors de chaque alternance positive du courant alternatif délivré
par la source 9. Il peut être facilement déduit qu'un phénomène inverse se produit
lors de chaque alternance négative du courant alternatif circulant dans les enroulements
10a et lOb puisque dans ce cas, les flux magnétiques alternatifs induits par ces enroulements
10a et 10b dans les jambes externes 3 et 4, sont en sens contraire.
[0027] Il est à noter que même dans le cas où la jambe centrale 2 du noyau magnétique 1
a une section de même surface que chacune des deux jambes externes 3 et 4, elle ne
peut se saturer dû à la répartition du flux magnétique décrite ci- haut, au flux rémanent
et au fait que les autres jambes du noyau magnétique en se saturant autoriseront des
flux de fuite qui ne parviendront pas à la jambe centrale 2.
[0028] La Figure lc) représente le circuit équivalent de l'inductance variable autocontrôlée
à entrefers de la Figure la). L'impédance du circuit primaire(comportant les enroulements
10a et 10b reliés en série) peut être représentée par une résistance R
P en série avec une impédance réactive ωL
P tandis que l'impédance du bobinage de contrôle (enroulements lla et llb en série)
peut être représentée par une résistance R en série.avec une impédance réactive ωL
s, où L
p représente la valeur d'inductance du circuit primaire comportant les enroulements
10a et 10b reliés en série, L la valeur d'inductance des enroulements lla et llb en
série, et w la fréquence angulaire 2πf à la fréquence f du courant alternatif du bobinage
primaire. Le courant i
p est le courant alternatif qui circule dans le bobinage primaire et le courant i
s représente le courant continu circulant dans le bobinage de contrôle et provenant
du redressement du courant ippar le pont de redressement 12. Il est à noter que le
courant i circule toujours dans la même direction puisqu'il correspond au courant
redresse délivré par le pont de redressement 12. Ici, l'indice p est associé au bobinage
primaire tandis que l'indice s est associé au bobinage de contrôle.
[0029] Tel qu'illustré à la Figure lc), l'enroulement lla du bobinage de contrôle a un nombre
de tours égal à n fois le nombre de tours de l'enroulement 10a du bobinage primaire,
n étant légèrement supérieur à 1. De la même façon, l'enroulement llb a un nombre
de tours égal à n fois le nombre de tours de l'enroulement 10b.
[0030] Comme le rapport n du nombre de tours des enroulements lla et llb du bobinage de
contrôle et du nombre de tours des enroulements 10a et 10b du bobinage primaire est
légèrement plus grand que 1, et que le courant continu de contrôle i redressé circulant
dans les enroulements lla et llb est toujours égal ou plus grand en module que le
courant alternatif i
p, le flux magnétique résultant dans chaque jambe externe 3 ou 4 est toujours de même
polarité, soit de la polarité imposée par le courant continu i
s en induisant un flux magnétique correspondant (voir les flèches 18 et 19 de la Figure
la), en l'absence d'enroulements de polarisation qui peuvent être ajoutés comme on
le verra plus loin.
[0031] Le circuit magnétique de la jambe externe 3 étant identique à celui de la jambe externe
4, les flux magnétiques se comportent de la même façon dans l'une et l'autre de ces
deux jambes, mais avec un décalage angulaire de 180°. Puisque le flux magnétique évolue
dans chaque jambe suivant un cycle mineur d'hystérésis, la courbe du flux magnétique
en fonction du courant i effectif dans l'inductance variable n'est pas la même au
cours de la descente et au cours de la montée de ce courant. La Figure 2 illustre
un tel cycle mineur d'hystérésis.
[0032] Si l'on part de i
s =i
p =i
max, i
max étant la valeur crête dn courant alternatif i
p, le flux magnétique f
l(ni
s+ i ) dans l'une des jambes externes 3 et 4 diminuera à mesure que le courant alternatif
ip s'approchera de la valeur -i
max. Pendant ce temps, le flux magnétique f
2 (ni
s- i ) dans l'autre des jambes externes augmentera selon une portion de courbe différente
vers la valeur de flux magnétique f
2 [(n+1)i
max]. Le cycle mineur d'hystérésis de la Figure 2 évolue donc pour des valeurs de courant
i situées entre (n-1)i
max et (n+1)i
max. i
c représente le courant coercitif et f le flux rémanent.
[0033] Dans les explications qui suivent, nous utiliserons des courbes modèles idéales sectionnellement
linéaires. Il sera aussi brièvement discuté de quelle manière corriger les résultats
ainsi obtenus pour tenir compte des courbes réelles, c'est-à-dire du cycle mineur
d'hystérésis et de l'arrondi du genou de la courbe de magnétisation.
[0034] La Figure 3 illustre une courbe de magnétisation sectionnellement linéaire représentant
la tension f(i) en fonction du courant i, f(i) étant la tension crête à la fréquence
f du courant alternatif i
p requise pour atteindre un niveau d'induction B, selon la relation f(i) = NωBA, où
w a déjà été défini, N est le nombre de tours du bobinage portant le courant alternatif
et A la section de noyau magnétique efficace qui porte le flux magnétique. Il est
évidemment désirable d'obtenir une courbe se rapprochant le plus possible de celle
de la Figure 3 pour le fonctionnement de l'inductance variable autocontrôlée à entrefers.
La première section linéaire de la demi-courbe supérieure de la Figure 3 évolue de
i = 0 jusqu'à i = i
o selon une pente ωL
1 tandis que la seconde section linéaire a une pente ωL
2 pour des courants i plus grands que i
o, le courant au genou de la demi-courbe de la Figure 3.
[0035] Une caractéristique intéressante du fonctionnement de l'inductance variable est en
régime permanent sa tension crête d'opération V
o en fonction du courant crête i
max' En considérant les résistances R p et R
s négligeables devant les impédances réactives ωL
p + 2wL
2 et ωL
s + 2n ωL
2, les tensions en conduction aux bornes des diodes négligeables devant la tension
crête d'opération V de l'inductance variable, l'angle de phase nul au temps d'enclenchement,
et le flux magnétique à la descente f
1(ni
s + i
p) identique à celui à la montée f
2(ni
s- i
p), c'est-à-dire sans cycle d'hystérésis, il peut être démontré mathématiquement qu'en
régime permanent et dans le cas où la demi-courbe de magnétisation est formée de deux
segments linéaires, comme à la Figure 3, la courbe de la tension crête V en fonction
du courant crête i
max évolue sur trois segments linéaires de pentes différentes. La Figure 4 illustre cette
courbe de V en fonction de i
max.
[0036] La première section linéaire de la demi-courbe supérieure de la Figure 4 pour 0 <
i
max ≤i
o/(n+1) a une pente (ωL
p + 2ωL
1). La tension V
o évolue donc en fonction de cette pente de zéro jusqu'à (ωL
p + 2ωL
1)i
o/(n+1).
[0037] La seconde section linéaire de la demi-courbe de la Figure
4 pour i
o/(n+1)≤ i
max≤i
o/(n-1) a une pente:

[0038] La valeur de la tension crête d'opération V
o évolue donc linéairement de V
o = (ωL
p + 2ωL
1)i
o/(n+1) jusqu'à V
o= (ωL
p+ 2ωL
2) i
o/(n-1), lorsque le courant i
max varie de i
o/(n+1) à i
o/(n-1), selon cette pente m.
[0039] Dans la région où le courant i
max≥i
Q/(n-1), une troisième section de la demi-courbe de la Figure 4 a une pente (ωL
p + 2ωL
2) selon laquelle évolue V
o en fonction de i
max.
[0040] Les différentes pentes des sections linéaires de la demi-courbe de la Figure 4 démontrent
que la tension crête d'opération de l'inductance V dépend de l'impédance réactive
d'entrée du bobinage primaire (ωL
p)et non de l'impédance réactive du bobinage de contrôle ωL
s. Cette conclusion est tout à fait générale et s'applique aussi bien à une courbe
de magnétisation modèle telle qu'illustrée à la Figure 3, qu'à un cycle mineur d'hystérésis
tel qu'illustré à la Figure 2.
[0041] A partir de l'expression de la pente m, on peut déduire qu'un choix judicieux du
rapport de tours n permet de modifier comme on le désire la pente de la tension V
en fonction du courant pour les valeurs de i
max situées entre i
o/(n+1) et i
o/(n-1).
[0042] En effet, pour

la pente m est nulle et on obtiendra une valeur de la tension constante en fonction
du courant i
max pour la section linéaire centrale de la demi-courbe de la Figure 4, soit Vo = (ωL
1- ωL
2)i
o.
[0043] Il est à noter que la valeur de la tension V
o =(ωL
1- ωL
2)i
o correspond sur la courbe de la Figure 3 au point d'intersection de l'axe vertical
f(i) avec le prolongement de la section de pente ωL
2.
[0044] Lorsque l'on désire obtenir une pente m positive ou négative, il suffit de modifier
de façon appropriée le rapport de nombre de tours n. La pente m est d'autant plus
sensible à la valeur de n, que (ωL
P + 2ωL
2) / (ωL
P + 2ωL
1) est petit. Même en modifiant la pente m, l'on constate que le point d'intersection
21 entre l'axe vertical V et le prolongement de la section linéaire centrale de la
demi-courbe de la Figure 4 est toujours le même. Il est à noter que le même phénomène
se produit sur la demi-courbe inférieure de la Figure 4.
[0045] En utilisant le modèle de la Figure 3 et en procédant au développement en séries
de Fourier d'expressions obtenues mathématiquement pour représenter le courant alternatif
i
p dans le bobinage primaire de l'inductance variable, il est possible de retrouver
le contenu harmonique de ce courant i . Aux deux extrémités de la plage de courant
i
p, soit pour 0 ≤ i
max < i
o/(n+1), et i
max ≥ i
o/(n-1), i
p est sinusoidal et ne contient donc que la fondamentale. C'est donc dans l'intervalle
entre ces deux extrêmes qu'il y a lieu de procéder à l'analyse harmonique du courant
i . Une telle analyse nous démontre que le courant i
p a un fort contenu harmonique sauf lorsque sa crête atteint une valeur donnée par
l'expression:

Il est alors parfaitement sinusoïdal. Ces résultats sont importants. En effet, alors
que pour un courant crête i
max donné, l'amplitude de la tension V
o est indépendante de wL
s tel que vu précédemment, il est possible de modifier la forme du courant pour la
rendre sinusoïdale en ajustant précisément cette valeur de ωL
s. Ceci peut s'avérer parti- culièrement utile quand on ne veut pas avoir trop d'harmoniques
à un courant i
max et à une tension V
0 pré-établis, par exemple en régime normal ou nominal. Cette valeur de l'impédance
réactive wL
s peut être ajustée en introduisant une inductance 22 de valeur fixe dans le circuit
de contrôle, c'est-à-dire en série avec les enroulements lla et llb, tel que représenté
à la Figure 6a). Si ceci n'est pas suffisant, on peut utiliser de la filtration. Dans
un système triphasé, on pourra bénéficier de l'avantage de certains types de raccordement,
par exemple un raccordement en triangle de trois inductances variables autocontrôlées
à entrefers selon l'invention.
[0046] Comme il ne sera jamais possible de réaliser précisément la courbe de magnétisation
utilisée comme modèle et illustrée en Figure 3, ainsi que la courbe de la tension
V en fonction du courant i
max de la Figure 4, il y a lieu de discuter brièvement des corrections à apporter à la
théorie pour qu'elle s'adapte mieux à la réalité.
[0047] Tel que précisé auparavant, le flux magnétique n'évolue pas selon la courbe de magnétisation
utilisée comme modèle, mais plutôt selon des cycles mineurs d'hystérésis ayant leur
sommet à (n+1) i
max et leur limite inférieure à (n-1) i
max. Le flux magnétique dans une jambe externe après être allé vers un maximum qui peut
correspondre à une saturation très profonde, à (n+1)i
max, revient vers une valeur beaucoup plus petite, celle où le courant a la valeur (n-1)i
max. Pendant ce temps, le flux magnétique dans l'autre jambe externe remonte en passant
de sa valeur à (n-1)i
max à sa valeur à (n+1)i
max. De cette façon, même si on peut considérer sans grande erreur que le flux magnétique
à (n+1)i
max appartient à la courbe de magnétisation modèle, il n'en est pas du tout de même pour
le flux à (n-1)i
max qui, lui, appartient plutôt à la courbe de descente du flux magnétique sur le cycle
d'hystérésis à la fréquence du courant alternatif i
p ayant son sommet à (n+1)i
max. La prévision du flux magnétique à (n-1)i
max devient de ce fait très difficile, puisque très sensible à l'arrangement des tôles
20 du noyau 1, à la qualité du matériau magnétique, à tout déplacement même produit
par l'échauffement des bobinages et au flux atteint à (n+1)i
max, en plus de l'effet lié à la fréquence. Comme i1 sera discuté plus en détail ci-après,
c'est pour réduire ces différents inconvénients et pour augmenter la plage de régulation
en tension à un niveau de tension déterminé que les entrefers 7 et 8 ont.été introduits
dans les deux jambes externes 3 et 4 du noyau magnétique. En réduisant la pente ωL
1, par l'introduction d'un entrefer, on fait sinon disparaître du moins diminuer considérablement
l'influence des phénomènes énumérés ci-dessus. Il reste à tenir compte du courant
coercitif i , à la fréquence du courant i , pour un certain degré de saturation atteint,
et du flux rémanent qui en résulte sous la pente ωwL
1, quand il y a un entrefer. Sous une forme simplifiée, la Figure 5 illustre la nouvelle
courbe de magnétisation modifiée qui tient compte du flux rémanent et du champ coercitif.
Nous négligeons ici l'effet dû au flux rémanent qui a tendance à continuer à augmenter
en fonction de la saturation, augmentant ainsi la pente ωL
1.
[0048] Un développement mathématique approprié démontre que la tension d'opération crête
V
o de l'inductance variable à entrefers fonction de i
max est réduite de (ωL
1- ωL
2)i
c en raison du champ coercitif. Il en est de même de la plage intermédiaire de courant
de la demi-courbe supérieure de la Figure 4 qui devient (i
o- i
c)/(n +1) ≤ i
max ≤ (i
o- i
c)/(n- 1), ainsi que pour toutes les autres expressions dans lesquelles i est remplacé
par (i - i
c). On ne tient pas compte ici de la modification apportée à la forme du courant par
le fait que la machine opère suivant des cycles mineurs d'hystérésis.
[0049] Les Figures 6a) et 6b) montrent un bobinage de polarisation comprenant des enroulements
23a et 23b disposés autour des jambes externes 3 et 4, respectivement. Ces enroulements
23a et 23b sont raccordés en série et enroulés autour des jambes 3 et 4 de la même
façon que les enroulements de contrôle lla et llb pour générer un flux magnétique
continu dans le circuit magnétique fermé défini par les jambes externes 3 et 4 en
réponse à un courant continu de polarisation i
pol, et ce dans le même sens ou dans un sens contraire par rapport au flux magnétique
continu généré par les enroulements lla et llb, selon le sens du courant ip
ol. Ces enroulements 23a et 23b peuvent être alimentés comme à la Figure 6a) par une
source de courant continu réglable 24 ou une source de tension continue réglable à
travers une résistance 25. Il y a intérêt à ajouter dans ce circuit une inductance
de lissage. Une autre possibilité illustrée à la Figure 6b) consiste à disposer sur
le noyau magnétique 1 un bobinage supplémentaire comprenant deux enroulements 26a
et 26b enroulés autour des jambes 3 et 4 respectivement et qui produisent un courant
redressé par les diodes 27 et 28 et appliqué aux enroulements 23a et 23b à travers
une résistance ajustable 29 prévue pour régler l'intensité de ce courant redressé
pour ainsi fournir à ces enroulements 23a et 23b leur courant continu ip
ol. Une inductance de lissage 30 peut aussi être ajoutée pour fournir un courant continu
i
pol plus constant. Ce courant de polarisation i
pol joue dans les équations exactement le même rôle que le courant coercitif i . Comme
il peut être de l'une ou l'autre polarité, il peut servir à niveler les effets du
courant coercitif i , ou de façon générale à ajuster la tension crête d'opération
V
o au niveau requis.
[0050] Pour améliorer la forme d'onde, les différents enroulements sont avantageusement
superposés comme à la Figure 7 sur les jambes 3 et 4 afin que les entrefers soient
en leur centre. L'enroulement de polarisation 23a est bobiné en premier lieu sur la
jambe 3 et, s'il y a lieu, l'enroulement 26a et par la suite par ordre l'enroulement
primaire 10a, et l'enroulement de contrôle lla. De la même façon, l'enroulement de
polarisation 23b est bobiné en premier lieu sur la jambe 4,puis l'enroulement 26b,
s'il y a lieu, et par la suite par ordre l'enroulement primaire lOb, et l'enroulement
de contrôle llb.
[0051] Dans le modèle utilisé de la Figure 3, la demi-courbe de magnétisation est représentée
par deux segments de droite de pente ωL
1 et ωL
2, ce qui entraine des changements brusques dans la représentation de la tension V
o fonction du courant i
max lorsque (n + 1)i
max traverse le courant i
o et par la suite quand (n - 1) i
max traverse la même valeur du courant. En réalité, le genou de la courbe de magnétisation
est toujours arrondi. Il en résulte un arrondi similaire quand (n + 1) i
max passe de la pente ωL
1 à la pente wL
2. Lorsque (n-1) i
max arrive à son tour dans cette région, il se produit un arrondi de courbure inverse.
De plus, la courbure de ce dernier arrondi sera beaucoup plus faible puisque (n-1)
i
max, pour n légèrement plus grand que 1 ne progresse que lentement par rapport au courant
i
max. Ces deux arrondis et particulièrement le dernier ont pour effet de réduire la plage
de variation du courant i
max en fonction de la tension V mise en évidence par la section intermédiaire de pente
m de la demi-courbe de la Figure 4. C'est justement pour cette raison qu'il y a intérêt,
tel que mentionné auparavant, à utiliser des matériaux magnétiques qui présentent
un genou de magnétisation abrupte. Il y a surtout intérêt à construire le noyau 1,
et à joindre ses tôles 20 de façon à ne pas allonger ce genou.
[0052] Examinons maintenant plus en détail les effets des entrefers 7 et 8. L'introduction
d'un entrefer identique dans chacune des deux jambes externes 3 et 4 a pour effet
de diminuer les pentes ωL
1 et wL
2 de la courbe de magnétisation de la Figure 3 et du cycle mineur d'hystérésis illustré
à la Figure 2, particulièrement celle de pente élevée rencontrée à bas niveau d'induction,
soit ωL
1. La formule approximative utilisable est la suivante:

où ωL est l'impédance de l'enroulement bobiné sur la jambe 3 ou 4 du noyau en ohms,
N est le nombre de tours de l'enroulement, A
f est la section utile de la jambe (3 ou 4), a est la longueur de l'entrefer en mètres,
ℓ
f est la longueur du circuit magnétique vu sur une jambe (3 ou 4) en mètres, ω est
la fréquence angulaire, µ
air est égal à 4πX10
-7, et µ
f/µ
air est la perméabilité relative du matériau formant le noyau magnétique.
[0053] En saturation très profonde, c'est plutôt l'impédance de la bobine dans l'air qui
est apparente. Cette impédance dans le cas d'un solénoide peut être évaluée par la
formule approximative:

où ωL est l'impédance de l'enroulement dans l'air en ohms, D est le diamètre moyen
de l'enroulement en mètres, ℓ est la longueur de l'enroulement (solénoide) en mètres,
et les autres paramètres sont tels que définis plus haut. Une formule de calcul plus
précise peut parfois s'avérer nécessaire.
[0054] C'est en fait cette dernière impédance qui sert- à calculer l'évolution de la tension
V en fonction de i
max pour i
max ≥ i
o/(n-1) alors que c'est la première expression qui servira dans la région i
max ≤ i
o/(n+1).
[0055] L'introduction d'un entrefer a l'avantage de réduire considérablement la sensibilité
de l'inductance à toute modification du cycle mineur d'hystérésis. En effet, à pente
très abrupte, le flux magnétique à (n-1)i
max peut changer grandement sous la moindre variation de courbe. Puisque l'impédance
ωL
1 est réduite de façon importante par les entrefers, ce phénomène est atténué. De même,
l'ajustement sur n pour obtenir un statisme donné deviendra moins critique comme on
peut le voir à partir des équations (1) et (2). L'introduction d'entrefers dans les
jambes extrêmes 3 et 4 permet donc de maîtriser les caractéristiques d'opération de
l'inductance autocontrôlée et par conséquent de construire des inductances à caractéristiques
similaires et les ajuster de façon à obtenir une plage de varistion beaucoup plus
importante du courant et donc de la puissance réactive que l'inductance peut absorber
pour une faible variation.de tension et ce, à un niveau de tension préétabli. Le principal
problème rencontré par le passé était justement le trop grand degré d'incertitude
quant à ce niveau d'opération en tension.
[0056] Des entrefers dont la dimension a été bien choisie permettront donc de masquer les
petites diversités dues à des variantes dans le montage du noyau magnétique i ou dans
la qualité des tôles 20.
[0057] L'inductance à entrefers a cependant l'inconvénient d'avoir un plus haut taux d'harmoniques
dans son courant i
p à la différence de machines connues. Cependant, l'inductance de valeur fixe 22 (Figure
6a) permet d'obtenir un point d'opération où le courant i
p est sinusoidal. Tel que déjâ mentionné, la filtration ou encore un raccordement en
triangle dans un système triphasé pourra diminuer ce taux d'harmoniques.
[0058] Il est à noter ici que les résistances demeurent faibles devant les impédances réactives,
même en saturation, et par conséquent l'influence des résistances sera négligeable
ainsi que celle de leur augmentation due à l'échauffement des bobinages.
[0059] Les conditions transitoires, c'est-à-dire le temps de réponse sera brièvement discuté
ci-après.
[0060] Pour la plage de courant i
max ≤ i
o/(n+1),il peut être démontré mathématiquement que si l'inductance opère à une tension
crête V et que son courant crête initial est alors i
max <i
o (n+1) et que soudainement il se produit une augmentation de tension ΔV, le courant
après un demi- cycle, si ωL
1 est grand et n légèrement plus grand que 1, ne sera pas éloigné de la valeur finale.
[0061] Concernant la plage de i
o/(n+1)≤i
max ≤ i
o/(n-1) le temps de réponse est d'autant plus rapide que (ωL
s + ωL
P + 4ωL
2) est petit. On constate également qu'une grande valeur de ωL
s ralentit la transition. Donc, l'introduction de l'inductance de valeur fixe 22 (voir
Figure 6a) augmentera le temps de réponse qui demeurera quand même rapide.
[0062] En dernier lieu, pour la plage de courant i
max ≥ i
o/(n-1), le temps de réponse sera d'autant plus rapide que (ωL
s + 2n wL
2) se rapproche de (ωL
p + 2ωL
2).
[0063] Dans tous les cas, le temps de réponse sera très rapide, de l'ordre de quelques demi-cycles.
[0064] Il convient ici de mentionner que dans certaines applications une inductance fixe
32, un condensateur 33, ou une inductance fixe 36 en série avec un condensateur 37
peuvent être reliés en parallèle avec l'inductance variable autocontrôlée à entrefers
selon l'invention 31 de manière à ce que l'ensemble donne une caractéristique de fonctionnement
désirée, tel qu'illustré aux Figures 8a) à 8c).
[0065] L'inductance variable autocontrôlée à entrefers selon l'invention constitue un élément
passif relativement simple de régulation de tension alternative par absorption autocontrôlée
de puissance réactive, à un niveau de tension V
o donné situé sur la section de courbe de pente m de la Figure 4.
[0066] L'inductance variable autocontrôlée à entrefers présente donc un intérêt marquant
pour la régulation de tension à un niveau donné par absorption autocontrôlée de puissance
réactive. Elle peut être utilisée comme inductance shunt variable, ou encore comme
compensateur statique.
[0067] Une application particulièrement intéressante est la régulation de la tension alternative
de charge dans l'alimentation par fil de garde, ou de façon plus générale dans l'alimentation
par source capacitive (couplage capacitif). La Figure 9 représente une telle source
capacitive ayant pour circuit équivalent une source 38 de tension V (qui, par exemple,
peut être une ligne de transport d'énergie électrique) et un ensemble de condensateurs
39 de valeur C. Cette source alimente une charge résistive R. Une inductance variable
autocontrôlée à entrefers selon l'invention 31 est reliée en parallèle avec la charge
R. Un courant i
c circule dans l'ensemble 39, un courant i
L dans l'inductance 31 et un courant i
R dans la charge R. Une tension V
c apparaît aux bornes de l'ensemble 39 et une tension V
L aux bornes de la charge R et de l'inductance 31.
[0068] La théorie démontre qu'en variant convenablement la valeur de l'inductance 31 en
fonction de la valeur de la charge R, il est possible de maintenir constante la tension
V
L aux bornes de la charge R dans une plage donnée. Avec l'inductance variable autocontrôlée
à entrefers décrite ci-dessus, il est possible de maintenir constante la valeur de
V
L en choisissant la pente m (voir Figure 4) nulle. Il est même possible, en modifiant
de façon appropriée la pente m (voir Figure 4) par un ajustement du nombre de tours
des enroulements de contrôle lla et llb (Figure 1a) ), de permettre une régulation
positive de la tension V
L en fonction de la charge (tension aux bornes de la charge R qui augmente avec cette
charge), pour ainsi obtenir un transfert de puissance active optimal de la source
38 à la charge R.
[0069] Bien que la présente invention ait été décrite par le biais d'un mode de réalisation
préféré de l'inductance variable, il doit être noté que toute modification à ce mode
de réalisation ainsi que toute autre application de l'inductance variable peuvent
être réalisées, à condition de respecter l'étendue.des revendications annexées, sans
sortir du cadre de la présente invention.
1. Inductance variable comprenant:
un noyau magnétique muni de trois jambes ayant chacune une première et une seconde
extrémité, lesdites premières extrémités étant reliées en un premier point commun
du noyau magnétique, et lesdites secondes extrémités étant reliées en un second point
commun de ce noyau magnétique;
un bobinage primaire alimenté par un courant alternatif;
un bobinage de contrôle; et
des moyens pour alimenter le bobinage de contrôle avec un courant continu ayant une
intensité qui varie en fonction d'un paramètre électrique relié au fonctionnement
de l'inductance variable;
ledit bobinage primaire et ledit bobinage de contrôle étant disposés par rapport au
noyau magnétique de manière à ce que lesdits courants alternatif et continu induisent
dans une première desdites trois jambes un flux magnétique alternatif et un flux magnétique
continu qui s'additionnent ou qui s'opposent selon que ledit courant alternatif passe
par une alternance positive ou négative, respectivement, et dans une seconde desdites
trois jambes un flux magnétique alternatif et un flux magnétique continu qui s'opposent
ou qui s'additionnent selon que ledit courant alternatif passe par une alternance
positive ou négative, respectivement, le flux magnétique continu induit dans chacune
desdites première et seconde jambes ayant une intensité qui varie avec l'intensité
dudit courant continu pour ainsi varier l'impédance du bobinage primaire;
ladite première jambe comportant un entrefer traversé par le flux magnétique résultant
induit dans cette première jambe, et ladite seconde jambe comportant un entrefer traversé
par le flux magnétique résultant induit dans cette seconde jambe.
2. Inductance variable selon la revendication 1. caractérisé en ce que lesdites trois
jambes sont situées substantiellement dans un même plan et incluent deux jambes externes
ainsi qu'une jambe centrale disposée entre les deux jambes externes.
3. Inductance variable selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites première
et seconde jambes du noyau magnétique sont constituées par lesdites deux jambes externes.
4. Inductance variable selon la revendication 2, caractérisée en ce que le noyau magnétique
est formé de tôles superposées parallèles audit plan et jointes les unes aux autres
par des jonctions à 45° et en au moins trois paliers pour ainsi éviter toute saturation
partielle du noyau magnétique.
5. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites trois
jambes du noyau magnétique ont chacune une section de même forme et de même surface.
6. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites première
et seconde jambes du noyau magnétique ont une même longueur, en ce que les première
et seconde jambes ont chacune une section de même surface, et en ce que les entrefers
de ces première et seconde jambes ont une même longueur.
7. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrefer
de ladite première jambe est situé sur cette première jambe à mi-chemin entre lesdits
premier et second points communs du noyau magnétique, et en ce que l'entrefer de ladite
seconde jambe est situé sur cette seconde jambe à mi-chemin entre lesdits premier
et second points communs du noyau magnétique.
8. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites jambes
ont toutes trois une section cruciforme et quasi circulaire.
9. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit noyau
magnétique est réalisé en un matériau magnétique ayant une courbe de magnétisation
avec un genou prononcé.
10. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit paramètre
électrique est l'intensité du courant alternatif alimentant le bobinage primaire.
11. Inductance variable selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits
moyens d'alimentation en courant continu comportent des moyens pour redresser le courant
alternatif alimentant le bobinage primaire et pour alimenter le bobinage de contrôle
avec ledit courant redressé.
12. Inductance variable selon la revendication 11, caractérisée en ce que les moyens
de redressement et d'alimentation comportent un pont de diodes reliant en série le
bobinage primaire et le bobinage de contrôle.
13. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bobinage
primaire comporte un premier enroulement et un second enroulement connectés en série,
enroulés autour desdites première et seconde jambes, respectivement, et alimentés
par ledit courant alternatif de telle sorte que ce courant alternatif induise dans
la première jambe un premier flux magnétique alternatif et dans la seconde jambe un
second flux magnétique alternatif, ces premier et second flux magnétiques alternatifs
s'additionnant dans la troisième desdites trois jambes.
14. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bobinage
de contrôle comprend un premier enroulement et un second enroulement connectés en
série, enroulés autour desdites première et seconde jambes, respectivement, et alimentés
par ledit courant continu de telle sorte que ce courant continu induise un flux magnétique
continu circulant dans un circuit magnétique fermé défini par lesdites première et
seconde jambes.
15. Inductance variable selon la revendication 13, caractérisée en ce que le bobinage
de contrôle comprend un troisième enroulement et un quatrième enroulement connectés
en série, enroulés autour des première et seconde jambes, respectivement, et alimentés
par ledit courant continu de telle sorte que ce courant continu induise un flux magnétique
continu circulant dans un circuit magnétique fermé défini par lesdites première et
seconde jambes.
16. Inductance variable selon la revendication 15, caractérisée en ce que ledit paramètre
électrique est l'intensité du courant alternatif alimentant lesdits premier et second
enroulements connectés en série, et en ce que lesdits moyens d'alimentation en courant
continu comprennent des moyens pour redresser ce courant alternatif, et pour alimenter
avec ledit courant redressé les troisième et quatrième enroulements connectés en série.
17. Inductance variable selon la revendication 15, caractérisée en ce que les premier
et troisième enroulements sont superposés, en ce que les second et quatrième enroulements
sont également superposés, en ce que les premier et troisième enroulements sont disposés
autour de ladite première jambe de manière à ce que l'entrefer de cette première jambe
se retrouve au centre de ces premier et troisième enroulements, et en ce que les second
et quatrième enroulements sont disposés autour de ladite seconde jambe de manière
à ce que l'entrefer de cette seconde jambe se retrouve au centre de ces second et
quatrième enroulements.
18. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte
une inductance de valeur fixe reliée en série avec ledit bobinage de contrôle.
19. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bobinage
de contrôle comporte un premier enroulement et un second enroulement reliés en série,
et en ce que ladite inductance variable comprend une inductance de valeur fixe reliée
en série avec lesdits premier et second enroulements du bobinage de contrôle.
20. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte
un bobinage de polarisation monté sur le noyau magnétique et alimenté en courant continu.
21. Inductance variable selon la revendication 20, caractérisée en ce que ledit bobinage
de polarisation est alimenté par une source de courant continu.
22. Inductance variable selon la revendication 20, caractérisée en ce que ledit bobinage
de polarisation est alimenté en courant continu par un bobinage supplémentaire monté
sur le noyau magnétique, ledit bobinage supplémentaire alimentant le bobinage de polarisation
à travers des moyens de redressement et des moyens d'ajustement de l'intensité du
courant continu alimentant ce bobinage de polarisation.
23. Inductance variable selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte
un cinquième enroulement et un sixième enroulement reliés en série, enroulés autour
desdites première et seconde jambes, respectivement, et alimentés en courant continu
de telle sorte que ces cinquième et sixième enroulements gênèrent un flux magnétique
de polarisation qui circule dans le circuit magnétique fermé défini par lesdites première
et seconde jambes.
24. Inductance variable selon la revendication 23, caractérisée en ce que lesdits
premier, troisième et cinquième enroulements sont superposés, en ce que lesdits second,
quatrième et sixième enroulements sont également superposés, en ce que lesdits premier,
troisième et cinquième enroulements sont disposés autour de ladite première jambe
de manière à ce que l'entrefer de cette première jambe se retrouve au centre de ces
premier, troisième et cinquième enroulements, et en ce que lesdits second, quatrième
et sixième enroulements sont disposés autour de ladite seconde jambe de manière à
ce que l'entrefer de cette seconde jambe se retrouve au centre de ces second, quatrième
et sixième enroulements.
25. Inductance variable selon la revendication 15 caractérisée en ce que le troisième
enroulement a un nombre de tours égal à n fois le nombre de tours du premier enroulement,
et le quatrième enroulement a un nombre de tours égal à n fois le nombre de tours
du second enroulement, n étant légèrement supérieur à 1.
26. Un système électrique comprenant une charge électrique, une source capacitive
pour appliquer une tension alternative à ladite charge, et une inductance variable
reliée en parallèle avec la charge électrique pour réaliser une régulation de la tension
alternative appliquée à cette charge, ladite inductance variable comprenant:
un noyau magnétique muni de trois jambes ayant chacune une première et une seconde
extrémité, lesdites premières extrémités étant reliées en un premier point commun
du noyau magnétique, et lesdites secondes extrémités étant reliées en un second point
commun de ce noyau magnétique;
un bobinage primaire alimenté par un courant alternatif fourni par ladite source capacitive;
un bobinage de contrôle; et
des moyens pour alimenter le bobinage de contrôle avec un courant continu ayant une
intensité qui varie en fonction d'un paramètre électrique relié au fonctionnement
de l'inductance variable;
ledit bobinage primaire et ledit bobinage de contrôle étant disposés par rapport au
noyau magnétique de manière à ce que lesdits courants alternatif et continu induisent
dans une première desdites trois jambes un flux magnétique alternatif et un flux magnétique
continu qui s'additionnent ou qui s'opposent selon que ledit courant alternatif passe
par une alternance positive ou négative, respectivement, et dans une seconde desdites
trois jambes un flux magnétique alternatif et un flux magnétique continu qui s'opposent
ou qui s'additionnent selon que ledit courant alternatif passe par une alternance
positive ou négative, respectivement, le flux magnétique continu induit dans chacune
desdites première et secondes jambes ayant une intensité qui varie avec l'intensité
dudit courant continu pour ainsi varier l'impédance du bobinage primaire;
ladite première jambe comportant un entrefer traversé par le flux magnétique résultant
induit dans cette première jambe, et ladite seconde jambe comportant un entrefer traversé
par le flux magnétique résultant induit dans cette seconde jambe.
27. Inductance variable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une impédance
réactive est reliée en parallèle avec ladite inductance variable pour obtenir une
caractéristique de fonctionnement désirée donnée par l'ensemble formé par l'impédance
réactive et ladite inductance variable.
28. Inductance variable selon la revendication 27, caractérisée en ce que l'impédance
réactive comporte un condensateur.
29. Inductance variable selon la revendication 27, caractérisée en ce que l'impédance
réactive comporte une inductance.
30. Inductance variable selon la revendication 27, caractérisée en ce que l'impédance
réactive comprend un condensateur relié en série avec une inductance.