Transformateur à rapport variable et compensateur statique à bascule

Abstract

 Le présente invention concerne un transformateur à rapport de transformation variable. L'élément essentiel de ce transformateur à rapport variable est un transformateur de contrôle (11) qui lui-même comprend deux circuits magnétiques fermés, formés chacun d'un noyau ferromagnétique (3, 7). Un champ magnétique alternatiftraverse le premier noyau (3), tandis qu'un champ magnétique continu circule dans le second noyau (7). Les deux circuits sont disposés de façon à définir au moins deux espaces magnétiques communs dans lesquels les champs se superposent orthogonalement. Le premier noyau (3) est entouré d'un enroulement primaire (n₁ ), d'un enroulement secondaire (n₂) et, dans certaines applications avec un circuit triphasé, d'un enroulement tertiaire (19). Un transformateur (31 ) traditionnel peut être associé au transformateur de contrôle (11) pour réduire la charge que doit supporter ce même transformateur de contrôle (11 ). Le transformateur à rapport variable selon l'invention peut être appliqué à un compensateur statique à bascule.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un transformateur de contrôle qui peut être notamment utilisé comme ou pour la réalisation d'un transformateur à rapport de transformation variable ainsi que pour la réalisation d'un compensateur statique à bascule.

[0002] Plus précisément, la présente invention a pour objet un transformateur de contrôle appliquant le principe général de l'inductance variable pour circuits monophasés et triphasés déjà décrite dans la demande européenne de brevet No. 79400766.6 déposée le 19 octobre 1979 au nom de la demanderesse et publiée le 30 avril 1980.

[0003] Il a maintenant été découvert qu'en dotant le noyau principal de l'inductance variable décrite dans cette demande d'un enroulement supplémentaire, il était possible d'étendre considérablement la gamme d'application de cette invention en particulier pour les circuits triphasés.

[0004] La présente invention concerne donc un transformateur de contrôle qui peut avantageusement être utilisé tel quel comme transformateur à rapport variable ou qui peut être le cas échéant couplé à un transformateur traditionnel pour former un transformateur à rapport variable où la charge que doit supporter le transformateur de contrôle est diminuée.

[0005] Le transformateur de contrôle selon l'invention comporte :

- un premier circuit magnétique fermé, formé d'un premier noyau ferromagnétique à travers lequel circule un champ magnétique alternatif, ce premier noyau ferromagnétique supportant un enroulement primaire de n₁ tours et un enroulement secondaire de n₂ tours, et

- un second circuit magnétique fermé, formé d'un second noyau ferromagnétique, à travers lequel circule un champ magnétique à courant continu réglable.

[0006] Selon l'invention, les premier et second circuits magnétiques sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon à définir au moins deux espaces magnétiques communs dans lesquels les champs magnétiques alternatif et continu respectifs se superposent orthogonalement pour orienter les dipôles magnétiques des espaces communs suivant une direction prédéterminée par l'intensité du champ magnétique à courant continu du second circuit et ainsi contrôler la perméabilité du premier circuit magnétique à champ alternatif.

[0007] Selon un premier mode de réalisation particulière de l'invention, ce transformateur de contrôle peut être couplé à un transformateur traditionnel comportant N tours au primaire et N₂ tours au secondaire, N₁ et N₂ étant choisis de façon à respecter l'inéquation

[0008] Les primaires et secondaires respectifs sont reliés en série, formant ainsi les primaire et secondaire d'un transformateur à rapport variable capable de supporter de fortes charges.

[0009] Ce type de transformateur à rapport variable peut être utilisé dans un circuit triphasé. Dans ce cas, un transformateur à rapport variable est employé pour chaque phase. Des enroulements tertiaires peuvent être ajoutés aux transformateurs de contrôle. Ces enroulements ont pour effet de filtrer le flux de 3ème harmonique si le transformateur est utilisé dans sa zone de saturation.

[0010] On peut également monter les trois transformateurs de contrôle ou les trois transformateurs traditionnels en une seule unité.

[0011] Selon un second mode de réalisation particulière de l'invention, en ajoutant une prise au secondaire du transformateur à rapport variable précédemment décrit, on peut constituer un compensateur statique ayant un temps de réponse très court.

[0012] Le compensateur statique à bascule selon l'invention ainsi comprend :

- un transformateur à rapport variable présentant une première prise à N₂ tours et une seconde prise à un nombre de tours N₄ inférieur à N₂ sur l'enroulement secondaire du transformateur traditionnel, n₁, n₂, N , N₂ et N₄ étant choisis de façon à ce que

- un condensateur relié d'un côté à l'une des prises et de l'autre côté à l'entrée du secondaire du transformateur de contrôle; et

- une inductance reliée d'un côté à l'autre des prises et de l'autre côté à l'entrée de secondaire du transformateur de contrôle.

[0013] La présente invention sera mieux comprise au moyen de la description d'exemples de réalisation donnés à titre non limitatif. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés, où

la figure 1 représente une vue développée de la circonférence d'un transformateur de contrôle pour circuit triphasé; la figure 2 représente une phase d'un transformateur à rapport variable; la figure 3 représente un graphique donnant les résultats d'une application du transformateur à rapport variable illustré à la figure 2; la figure 4 représente une phase d'un compensateur statique à bascule; la figure 5 représente les connections à une phase du compensateur statique illustré à la figure 4; et la figure 6 représente un oscillogramme montrant les résultats d'une application du compensateur.

[0014] Le transformateur de contrôle illustré à la figure 1 présente un noyau cylindrique 1 dont la circonférence est une vue développée dans un but de simplification. Ce noyau 1 comprend trois jambes 3, deux bagues 5 et un noyau de contrôle 7 perpendiculaire aux jambes 3. Du point de vue mécanique, le noyau 1 peut être séparé en plusieurs blocs afin d'en faciliter la construction, tel que décrit en détail dans la demande de brevet No. 79400766.6 ci-dessus mentionnée.

[0015] La forme exacte du noyau peut être variée. Toutefois, certaines caractéristiques particulières peuvent améliorer les performances du transformateur. Les tôles seront préférablement tangentes aux anneaux formant le noyau, par superposition concentrique des tôles, par exemple. Les noyaux portant le champ continu couperont préférablement les noyaux portant le champ alternatif (en fabriquant les noyaux de l'alternatif en deux parties fixées aux noyaux du continu, par exemple) ou les deux types de noyaux s'entrecouperont mutuellement (en alternant les deux séries de tôles dans la région commune). La section droite des noyaux du continu sera égale ou plus grande que celle des noyaux de l'alternatif.

[0016] La présence d'une ouverture dans la région contenant les espaces magnétiques communs améliorera également les performances.

[0017] Evidemment, l'absence de ces caractéristiques réduira seulement l'efficacité du transformateur, sans en annuler les performances.

[0018] Le transformateur de contrôle comprend trois enroulements primaires A-A', B-B' et C-C' et trois enroulements secondaires a-a', b-b' et c-c'. Chaque ensemble d'enroulements primaire et secondaire est situé sur une jambe particulière 3 du noyau. Chaque jambe porte également un enroulement tertiaire 4. Ces trois enroulements tertiaires 4, reliés en delta, peuvent être employés pour filtrer le flux de troisième harmonique, si le transformateur doit travailler en zone de saturation.

[0019] Un enroulement de contrôle 9 entoure le noyau de contrôle 7. Ce transformateur de contrôle fonctionne de façon semblable à l'inductance variable décrite dans la demande No. 79400766.6 en co-instance. On peut ainsi faire varier l'inductance du circuit alternatif et par conséquent le rapport de transformation du transformateur en variant le courant circulant dans l'enroulement de contrôle 9.

[0020] Le transformateur de contrôle illustré sur la figure 1 peut être utilisé pour la réalisation d'un transformateur à rapport variable capable de supporter de fortes charges. Ce transformateur à rapport variable 10 comprend un transformateur de contrôle 11 tel que précédemment décrit et un transformateur traditionnel 13. Une seule phase de réalisation avec circuit triphasé est présentée à la figure 2, dans un but de simplification.

[0021] Le primaire 15 du transformateur de contrôle 11, comprenant n₁ tours, est connecté en série avec le primaire 21 du transformateur traditionnel 13 comprenant N₁ tours. Une source de tension alternative 25 est connectée aux bornes des primaires 15 et 21. On y mesure la tension Vp.

[0022] Le secondaire 17 du transformateur de contrôle 11, comprenant n₂ tours, est connecté en série avec le secondaire 23 du transformateur traditionnel 13, comprenant N₂ tours. Une charge 27 est connectée aux bornes des secondaires 17 et 23. On y mesure la tension Vs.

[0023] Il est à signaler que, dans le cas de ce transformateur à rapport variable, il faut que

soit différent de

En effet, si

est égal à

le courant de contrôle n'a pas d'effet sur la tension de la charge.

[0024] Le tertiaire 19 du transformateur de contrôle 11 peut être connecté en delta avec le tertiaire des autres phases (non représentées), selon la plage de fonctionnement du transformateur. Cette connexion permet de réduire le flux de troisième harmonique.

[0025] Le courant de contrôle Ic circulant dans l'enroulement de contrôle 9 est aussi mesuré.

[0026] Un graphique de la tension Vs en fonction du courant de contrôle Ic est présenté à la figure 3 pour diverses charges. Pour la réalisation de ce graphique, on a utilisé un transformateur à rapport variable dont les primaires étaient connectés en Y avec neutre à la masse et les secondaires en Y avec neutre flottant. Les tertiaires étaient ouverts et les conditions expérimentales les suivantes :

n₂ = 48

n₁ - 120

[0027] Tension de saturation sur N₁ = 500V (environ)

[0028] Tension de saturation sur n1 = 65V

Vp = 100 Volts

Vs mesuré en Volts

Ic mesuré en Amp-tours c.c.

[0029] On peut voir, sur les courbes, que la tension Vs mesurée au secondaire varie selon la grandeur du courant de contrôle Ic. Il est aussi à remarquer que la nature capacitive ou inductive de la charge a une influence sur le sens de la variation.

[0030] Tel qu'illustré à la figure 4, le transformateur à rapport variable précédemment décrit peut être appliqué à la réalisation d'un compensateur statique à bascule 29. Le compensateur 29 comprend un transformateur de contrôle 11 tel que précédemment décrit et un transformateur traditionnel 31 présentant une prise ₃₃ à _N2 tours, une prise ₃₅ à N₃ tours et une prise 37 à N₄ tours. Une prise de retour 39, à l'entrée du secondaire du transformateur de contrôle, est aussi prévue. n₁, n₂₉ N₁, N₂₉ N₃ et N₄ sont choisis de façon à respecter les conditions suivantes :

Il est à remarquer l'inversion des signes d'inégalité pour N₂ et N₄₉ de façon à inverser l'action de la partie capacitive par rapport à l'action de la partie inductive. L'égalité dans le cas de N₃ permet de mettre une charge qui ne subisse pas l'influence du courant de contrôle.

[0031] Un condensateur fixe C est relié à la prise 33 et une inductance fixe ou variable L à la prise 37, le retour étant commun (prise 39).

[0032] En variant l'intensité du courant de contrôle dans le transformateur de contrôle, on obtient une-augmentation du courant capacitif et une diminution du courant inductif ou vice-versa.

[0033] Vu du primaire, cet arrangement se comporte comme une charge pouvant prendre une valeur capacitive ou une valeur inductive selon la grandeur du courant de contrôle.

[0034] Selon la plage de régulation requise, l'enroulement tertiaire 19 peut être utilisé ou omis.

[0035] La prise à N₃ tours du compensateur statique permet la connexion d'une charge qui ne subirait pas l'influence du courant de contrôle. De cette façon, le compensateur peut aussi servir, et simultanément, de transformateur de puissance.

[0036] Un montage illustrant le comportement du compensateur statique à bascule est présenté à la figure 5 et un oscillogramme en illustrant les résultats apparaît à la figure 6.

[0037] Dans ce montage, le transformateur à rapport variable se présente comme une seule unité.

[0038] Une tension Vp est appliquée au primaire, et un courant Ip est mesuré.

[0039] Le courant continu Icc fourni par une source Vcc est appliqué à un enroulement de contrôle.

[0040] Du côté du secondaire, des prises V₁, V₂, V₃ et N correspondent aux prises 33, 35, 37 et 39 du circuit de la figure 4.

[0041] L'inductance est traversée par le courant I_L, la charge résistive R par Ir et le condensateur C par Ic.

[0042] Un échelon de tension est appliqué à la source Vcc, fournissant le courant de contrôle, durant 5 cycles environ. Les résultats suivants ont été enregistrés :

Modification de l'angle du facteur de puissance arrière : 0 à 35°

[0043] Comme on peut le constater, dès que l'échelon est appliqué, les courants inductif I_L et capacitif Ic changent immédiatement. Il en résulte une variation de l'angle du facteur de puissance. Ce compensateur est donc fonctionnel. De plus, on constate que le courant Ir de la charge résistive n'a pas changé. Il est donc possible d'utiliser le même appareil à la fois comme compensateur et comme transformateur de puissance.

Revendications

1. Transformateur de contrôle comportant un premier circuit magnétique fermé, formé d'un premier noyau ferromagnétique (3) à travers lequel circule un champ magnétique alternatif, ledit premier noyau ferromagnétique (3) supportant un enroulement primaire de n₁ tours et un enroulement secondaire de n₂ tours, et un second circuit magnétique fermé, formé d'un second noyau ferromagnétique (7), à travers lequel circule un champ magnétique à courant continu réglable,
caractérisé en ce que lesdits premier et second circuits magnétiques sont disposés l'un par rapport à l'autre, de façon à définir au moins deux espaces magnétiques communs dans lesquels les champs magnétiques alternatif et continu respectifs se superposent orthogonalement pour orienter les dipôles magnétiques desdits espaces communs suivant une direction prédéterminée par l'intensité dudit champ magnétique à courant continu du second circuit et pour contrôler ainsi la perméabilité dudit premier circuit magnétique audit champ alternatif.

2. Transformateur à rapport variable,
caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur (13) de type traditionnel comportant un enroulement primaire de K1 tours et un enroulement secondaire de N₂ tours, et un transformateur de contrôle (11) tel que défini dans la revendication 1, dont l'enroulement primaire (n₁) est relié en série à l'enroulement primaire (N₁) du transformateur traditionnel et l'enroulement secondaire (n₂) est relié en série à l'enroulement secondaire (N₂) du transformateur traditionnel, lesdits enroulements primaire et secondaire des transformateurs traditionnel et de contrôle étant choisis de façon que le rapport

soit différent du rapport

, lesdits enroulements primaire et secondaire formant ensemble le primaire et le secondaire dudit transformateur (11) à rapport variable, ledit rapport étant contrôlé par le courant dudit champ magnétique continu.

3. Transformateur à rapport variable pour circuit triphasé,
caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur à rapport variable selon la revendication 2 pour chacune de ses phases, les transformateurs de contrôle comportant un enroulement tertiaire (19), lesdits enroulements tertiaires des trois transformateurs de contrôle étant reliés en delta.

4. Transformateur à rapport variable pour circuit triphasé selon la revendication 3,
caractérisé en ce que les transformateurs (11) de contrôle sont montés en une seule unité, l'enroulement (9) de contrôle étant unique.

5. Transformateur à rapport variable pour circuit triphasé selon la revendication 3 ou 4,
caractérisé en ce que les transformateurs traditionnels (13) sont montés en une seule unité.

6. Compensateur statique à bascule,
caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur à rapport variable tel que défini dans la revendication 2, ledit transformateur à rapport variable présentant une première prise à N₂ tours et une seconde prise à un nombre de tours N₄ inférieur à N₂ sur l'enroulement secondaire de transformateur traditionnel (31, fig.4), n_l, n₂, N₁, N₂ et N₄ étant choisis de façon que

un condensateur (C) relié d'un côté à l'une (33) des prises et de l'autre côté à l'entrée du secondaire (n₂) du transformateur de contrôle (11); et une inductance (L) reliée d'un côté à l'autre (37) des prises et de l'autre à l'entrée du secondaire (n₂) du transformateur de contrôle.

7. Compensateur statique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transformateur à rapport variable comporte une troisième prise (35) à un nombre de tours N3 compris entre N₂ et N4 sur l'enroulement secondaire de son transformateur traditionnel (31), N₃ étant choisi de façon à respecter l'équation

8. Compensateur statique pour circuit triphasé, caractérisé en ce qu'il comprend un compensateur statique selon la revendication 6 ou 7 pour chacune des phases, les transformateurs de contrôle comportant chacun un enroulement tertiaire (19), lesdits enroulements tertiaires (19) des trois transformateurs de contrôle étant reliés en delta.

9. Transformateur selon la revendication 1, où lesdits espaces magnétiques communs ont des ouvertures.

10. Transformateur selon la revendication 1, où les noyaux forment des anneaux et comprennent une série de feuilles de tôle concentriques et tangentes aux anneaux.

11. Transformateur selon la revendication 1, où la section droite du premier noyau est inférieure à celle du second noyau.

12. Transformateur selon la revendication 1, où le premier noyau est fait de deux demi anneaux fixés sur le second noyau.

13. Compensateur statique selon la revendication 6, où ladite inductance est variable.

Dessins