CH675661A5 - - Google Patents
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Description
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CH 675 661 A5
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Description
La présente invention concerne un générateur in-ductif de fluides chauds dans lequel de l'énergie électrique est consommée pour produire le chauffage d'un fluide caloporteur quelconque, tel que de l'eau ou de l'air, par exemple.
Les générateurs à considérer ici sont du type «transformateurs électrique» comportant un enroulement primaire alimenté en courant électrique par le réseau et couplé par un circuit magnétique à un enroulement secondaire qui a la double particularité d'être tubulaire et en court-circuit.
L'enroulement secondaire est parcouru intérieurement par un fluide caloporteur, qui s'échauffe au contact de la paroi du tube, lui même étant porté en température par les courants induits qu'y développe le flux magnétique variable produit dans le circuit magnétique par le courant électrique de l'enroulement primaire.
Des générateurs inductifs connus de ce type sont décrits par exemple dans les documents FR-B 527 697 ou EP-A 0 193 843.
En comparaison avec les autres appareils de chauffage électrique connus, ces générateurs à thermo-induction présentent, notamment au plan de la sécurité pour l'usager, l'avantage de dissocier totalement le circuit électrique proprement-dit (l'enroulement primaire) du circuit de chauffage représenté par l'enroulement secondaire.
Par ailleurs, le rapport de transformation, propre aux transformateurs électriques, peut être mis à profit pour laisser l'enroulement secondaire à la basse tension tout en assurant une puissance élevée transmise par le primaire, si on le souhaite.
Un aspect essentiel, non encore parfaitement résolu semble-t'ii, reste cependant la régulation qui doit permettre de doser le chauffage du fluide selon les besoins.
Le premier document cité çi-avant (FR-A 527 697) suggère, à cette fin, de se servir d'un rhéostat placé en série avec l'enroulement secondaire.
Le second document mentionné (EP-A 0 193 843) propose une solution plus soucieuse du rendement énergetique de l'appareil consistant à doter l'enroulement secondaire de thyristors en cascade permettant de faire varier le nombre de spires en court-circuit. Un thyristor par spire agit comme une vanne en «tout ou rien» à l'égard de cette spire. L'ensemble relativement complexe ainsi constitué s'apparente donc a une multitude d'interrupteurs commandés électroniquement, qui n'autorisent qu'une régulation discrète (non-continue) du chauffage par sauts élémentaires correspondant à la puissance de chauffe d'une spire de l'enroulement secondaire.
Dans ce document, il est également fait référence à un appareil analogue, connu par le document GB-A 2105 159, dans lequel la régulation s'opère au moyen de thyristors placés au primaire. Une telle réalisation impose que la tension au primaire soit suffisamment faible pour être compatible avec la charge acceptable par les thyristors, ce qui limite la puissance de ces appareils.
Le but de la présente invention est de proposer une solution simple et fiable pour une régulation continue du chauffage ne présentant pas les inconvénients des solutions connues évoquées çi-avant.
A cet effet, l'invention a pour objet un générateur de fluide chaud à thermo-induction du type «transformateur électrique» comportant un enroulement primaire destiné à être relié au réseau et couplé, par un circuit magnétique, à un enroulement secondaire constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit dans lequel circule un fluide caloporteur à chauffer, générateur caractérisé en ce que des moyens de régulation continue de la puissance de chauffage sont prévus au primaire qui sont constitués par une inductance saturable montée en série avec l'enroulement primaire et par un générateur de courant électrique continu - ou redressé -pilotant ladite inductance de manière à modifier l'état de son circuit magnétique.
Avantageusement, le circuit magnétique saturable est fermé. Avantageusement encore, l'inductance saturable comporte un circuit magnétique comprenant trois jambes, les jambes extérieures étant pourvues chacune d'un enroulement de puissance, ces deux enroulements sont montés en parallèle en-tre-eux dans le circuit primaire et la jambe médiane est pourvue d'un enroulement de commande relié au générateur de courant continu. Les enroulements de puissance sont bobinés en sens opposé de façon à créer dans la jambe médiane des forces ma-gnétomotrices symétriques qui s'opposent à chaque instant.
Ainsi qu'on l'aura compris, la régulation selon l'invention est basée sur le principe suivant: pour une tension donnée aux bornes du serpentin de chauffe, le courant du secondaire est fonction de la tension de court-circuit de l'appareil. Or, la puissance instantanée de chauffage est directement liée à l'intensité du courant dans le secondaire. Si l'on fait varier la tension aux bornes de l'enroulement primaire, on fait varier en rapport le courant dans le secondaire et, par voie de conséquence, la puissance de chauffe également.
Pour celà, on crée dans le circuit primaire une force électromotrice induite par celle de la source d'alimentation elle-même, qui s'oppose à cette dernière et qui soit variable de sorte que, pour une tension d'alimentation constante, la tension aux bornes de l'enroulement primaire varie corrélativement.
Cette force contre-électromotrice variable est produite par une inductance saturable, dont la perméabilité magnétique du noyau «à vide» (c'est-à-dire en l'absence de courant au primaire) dépend d'un champ magnétique appliqué, créé à cet effet par un courant continu - ou redressé - dont on règle l'intensité.
Ainsi, le réglage de la puissance de chauffage s'opère entièrement en statique, c'est-à-dire sans qu'aucune pièce de l'appareil ne soit mis en mouvement. En outre, l'intensité du courant continu (ou redressé) destiné à piloter l'inductance saturable peut avantageusement être asservie à un paramètre de règfage du chauffage, par exemple la température de l'eau après chauffage, ou celle du local à chauffer, grâce à un régulateur auquel une valeur de consigne est donnée.
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L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit d'un mode de réalisation en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquels:
- la figure 1 est une représentation schématique d'un générateur conforme à l'invention;
- la figure 2 est une vue aggrandie montrant en détails la partie de la figure 1 représentant les moyens de régulation du chauffage;
- la figure 3 est un schéma illustrant le regroupement de trois générateurs selon la figure 1 en un appareil unique alimenté en courant triphasé.
On reconnaît sur la figure 1 une structure classique de transformateur électrique comprenant un enroulement primaire 1 couplé à un enroulement secondaire 2 par un circuit magnétique 3 sur lequel ils sont tous deux bobinés.
L'enroulement primaire 1, en cuivre (ou en aluminium) est noyé dans une masse de résine époxydi-que 4, selon une disposition non obligatoire ici, mais typique des transformateurs, dits «secs», dont les moyens de refroidissement par circulation d'air n'ont pas été représentés pour ne pas surcharger inutilement la figure.
L'enroulement secondaire 2 est formé par un tube, métallique de préférence, puisqu'on désire lui conférer de bonnes propriétés électro- et thermoconductrices. Ce tube 2 est relié par ses extrémités à un circuit de chauffage (ou plus généralement à un circuit d'utilisation) parcouru par un fluide caloporteur, que l'on admettra être de l'eau.
Le tube 2 est mis en court-circuit sur lui-même par la liaison électrique 5 qui relie ses deux extrémités. Une mise à la terre 6 du circuit secondaire est prévue au delà du pontage 5 pour des raisons de sécurité.
L'enroulement primaire 1, est, quant à lui, relié aux bornes sous tension d'une alimentation électrique alternative 7 pouvant avantageusement être celle du réseau.
Comme on le voit, une inductance saturable 8, pilotée par un générateur 9 à courant continu le, est montée en série avec l'enroulement 1 entre les points A et B du circuit primaire ainsi réalisé. Une capacité 19 a été avantageusement prévue en parallèle avec l'inductance 8 et l'enroulement primaire 1 pour améliorer le cos. <t> de l'installation. Un interrupteur 10 est également prévu pour permettre l'ouverture rapide de ce circuit en cas de besoin.
Un exemple de réalisation de l'inductance saturable 8 est montré en détails sur la figure 2, à laquelle on se reporte à présent.
Cette inductance comprend un circuit magnétique fermé 11, formé de trois jambes parallèles 12a, 12b, 12c, reliées entre-elles à leurs extrémités par deux culasses rectilignes, respectivement supérieure 13a et inférieure 13b.
Les jambes extérieures 12a et 12b servent de support à des enroulements électriques de puissance 14a et 14b constituant deux branches en parallèle placées entre les points A et B du circuit primaire. Ces enroulements ont un même nombre de spires et sont bobinés en sens opposés de sorte que les forces magnétomotrices qu'ils créent chacun dans leur jambe .respective soient, au même instant, d'intensité égale, mais orientées en sens contraire afin que leur somme soit nulle dans la jambe médiane pour des raisons de symétrie.
La jambe médiane 12c comporte, elle, un enroulement de commande 15 relié au générateur 9 à courant continu le. Elle est pourvue également de quelques spires en court-circuit 16. Ces spires permettent, par un effet de self pûre, d'éviter le retour vers le générateur à courant continu 9 du flux magnétique alternatif résiduel résultant de la dissymétrie des forces magnétomotrices alternatives opposées dans la jambe médiane quand le n'est pas nul.
L'enroulement à courant continu 15 sur la jambe médiane permet de créer un champ magnétique sta-tionnaire qui modifie l'état magnétique des jambes extérieures 12a et 12b et, partant, rend le courant de puissance plus rapidement saturant dans l'une des jambes dans une alternance et plus rapidement saturant, de façon symétrique, dans l'autre jambe à l'alternance suivante. Pour ne pas nuire à cette plus grande rapidité d'atteinte du seuil de saturation du circuit magnétique 11, ce dernier est de structure de type «fermé».
De la sorte, lorsqu'aucun courant continu circule (le = 0), l'effet de self de l'inductance 8 est maximum («self à fer») et, donc, la tension efficace aux bornes de l'enroulement primaire 1 est minimale. Par contre, lorsque l'intensité du courant continu le est suffisamment élevée pour saturer à elle seule le circuit magnétique, l'effet de self devient minimum («self dans Pair»), et la tension efficace aux bornes de l'enroulement primaire 1 devient donc maximale. Entre ces deux points limites de fonctionnement, le choix de l'intensité du courant continu le permet un réglage fin de l'intensité du courant dans le circuit primaire et donc de l'amplitude de la tension alternative aux bornes de l'enroulement primaire 1.
On se reporte à présent à nouveau à la figure 1 pour compléter la description du principe de fonctionnement du générateur thermo-inductif selon l'invention.
Du fait que le serpentin 2 du circuit secondaire est en court-circuit par construction, un courant électrique alternatif y circule et provoque un dégagement de chaleur par effet Joule qui, pour l'essentiel, est évacué par le fluide caloporteur, lors de son passage au contact de ia paroi interne du serpentin. Ce dégagement de chaleur dépend directement de l'intensité efficace du courant dans le secondaire (du carré de cette intensité exactement).
Or, cette intensité est déterminée par la tension induite aux bornes du serpentin 2, laquelle dépend de la tension entretenue aux bornes de l'enroulement primaire 1 et dont on vient de voir comment on peut la réguler par le courant continu le. Ainsi, la régulation en puissance de l'appareil est obtenue par la modification de la tension aux bornes de l'enroulement primaire 1 à l'aide de l'inductance saturable 8 commandée par le générateur à courant continu 9.
La régulation peut être aisément automatisée, si on le souhaite, par exemple à l'aide d'un régulateur 18 pilotant le générateur 9 de manière à garder en
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deçà d'un certain seuil voulu l'écart de température entre une valeur de consigne Vc et celle qu'il reçoit d'un capteur 17 repérant la température de l'eau à la sortie de l'enroulement secondaire.
Bien entendu, la tension induite aux bornes de l'enroulement secondaire 2 dépend du rapport de transformation, à savoir le rapport entre les nombres des spires constitutives du serpentin de chauffe 2 et de l'enroulement inductif 1 respectivement. On aura donc avantage, pour obtenir des puissances de chauffage élevées, de faire travailler l'appareil en abaisseur de tension en prévoyant un nombre de spires supérieur au primaire 1 et en connectant ce dernier à une source d'alimentation 7 à haute ou moyenne tension.
On peut ainsi réaliser des générateurs de chauffage dans une gamme très large de puissances, allant de 100 Kw à 10 Mw environ à partir d'une alimentation triphasée du réseau moyenne tension, chaque phase alimentant une unité de chauffage, telle que l'appareil illustré par la figure 1.
La régulation selon l'invention est possible entre 100% de la puissance nominale de l'appareil et environ 10% de cette puissance. En fonction du point de régulation, le cos. <s évolue entre 0.85 «avant» et 0.85 «arrière» grâce à la présence des capacités 19.
Le métal dont est formé l'enroulement secondaire 2 peut avantageusement être de l'acier inoxydable, ou tout autre métal ayant une résistivité élevée, ce qui permet de travailler avec une densité de courant faible (de l'ordre de 6 A/mm2). En outre, dans le cas de l'inox. la tenue contre la corrosion à chaud est tout-à-fait satisfaisante. Les dispositions habituelles sont également avantageusement prises pour améliorer le rendement de chauffage, tel que le calorifugeage du serpentin 2 notamment.
Quant à l'inductance saturable 8, de nombreuses variantes de réalisation, autres que celle décrite en référence à la figure 2, peuvent être retenues. Toutefois, quelle que soit la structure retenue pour le circuit magnétique saturable 11, il importe qu'il puisse être saturé par le champ statique créé par le courant continu le, lorsque celui çi est réglé à sa valeur maximale. On prévoira à cet effet un nombre de spires suffisant pour l'enroulement 15, de manière à ne pas devoir faire appel à des intensités trop élevées, par exemple supérieures à 10 A.
De même, en raison du fait que le courant continu de réglage le a pour effet de modifier, sur la courbe d'aimantation donnant l'induction magnétique en fonction du champ, la position en hauteur du palier de saturation ainsi que l'emplacement du début de ce palier sur l'axe des abscisses, on pourra trouver avantage à dimensionner le circuit magnétique 11 de façon que, pour une puissance nominale donnée disponible au primaire, on se situe déjà au voisinage du début du palier quand le = 0.
Au delà, le circuit serait sous-dimensionné, car une fraction du champ magnétique alternatif créé par les bobines 14a et 14b se propagerait dans l'air et on perdrait alors de la largeur de la plage de régulation de la puissance transmise au secondaire, plage qui peut aller (comme déjà indiqué) de 10% à 100% de la puissance nominale de l'appareil. En deçà le circuit serait sur-dimensionné, ce qui, en soi, serait un facteur de surcoût qui, en outre, contribue à res-sérer cette fois la plage 10-100%, et impose de ce fait un réglage précis plus difficile de la puissance dans cette plage.
On pourrait, bien entendu, parvenir à un résultat analogue en adaptant à un circuit 11 de taille donnée le nombre d'ampère-tours du, ou des enroulements 12a, 12b.
L'invention est tout-à-fait utilisable avec une alimentation triphasée habituelle du réseau moyenne ou haute tensions de distribution de l'électricité. Dans ce cas, l'appareil représenté sur la figure 1 devient une unité d'un ensemble plus complexe qui en contient trois.
Un tel ensemble est schématisé électriquement par la figuren3. Chaque phase, notée U, V, W, du réseau moyenne tension à 20 000 volts entre phases, alimente, via une inductance saturable 8, 8', 8", un enroulement primaire 1,1', 1".
Ces trois enroulements sont montés ici en étoile et chacun d'entre-eux induit, par l'intermédiaire d'un circuit magnétique non représenté, dans un enroulement secondaire en court-circuit constitué par le serpentin 2, 2', 2". Chaque serpentin est monté sur une branche d'un circuit hydraulique de chauffage qui en contient trois en parallèle. Plus généralement, ce type d'appareil peut être polyphasé et comporter, par conséquent, un nombre d'unités élémentaires de chauffage, conformes au générateur ther-mo-inductif décrit, égal au nombre de phases de l'alimentation.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents, dans la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications ci-après.
On notera que le domaine d'application de l'invention englobe la fabrication d'eau chaude pour le chauffage d'immeubles, ou l'intégration à des processus industriels. De même, l'invention s'applique au chauffage de fluides caloporteurs autres que de l'eau, par exemple de l'huile ou même du souffre ou du sodium liquides, destinés à être utilisés tels quels, ou à générer de la vapeur haute température dans des échangeurs.
Claims (8)
1. Générateur de fluide chaud à thermo-induction du type «transformateur électrique», comportant un enroulement primaire (1) destiné à être relié au réseau de distribution de l'électricité (7) et étant couplé, par un circuit magnétique (3), à un enroulement secondaire (2) constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit (5) dans lequel circule un fluide caloporteur à chauffer, générateur caractérisé en ce que des moyens de régulation de la puissance de chauffage sont prévus au primaire, qui sont constitués par une inductance saturable (8,11) montée en série avec l'enroulement primaire et par un générateur (9) de courant continu - ou redressé - pilotant ladite inductance de manière à modifier l'état magnétique de son circuit magnétique saturable (11).
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2. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit magnétique saturable (11) est un circuit fermé.
3. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique saturable (11) comprend trois jambes (12a, 12b, 12c), en ce que les jambes extérieures (12a, 12b) comportent chacune un enroulement de puissance (14a, 14b), ces enroulements étant montés en parallèle dans le circuit électrique reliant l'enroulement primaire (1) au réseau (7), en ce que la jambe médiane (12c) comporte un enroulement de commande (15) relié au générateur de courant continu - ou redressé - (9), et en ce que lesdits enroulements de puissance sont bobinés en sens opposés de façon que les flux magnétiques alternatifs qu'ils créent dans le circuit magnétique saturable (11) s'opposent à chaque instant dans la jambe médiane (12c).
4. Générateur de fluide chaud selon la revendication 3, caractérisé en ce que la jambe médiane (12c) comporte également des spires en court-circuit (16).
5. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est équipé de moyens (17,18) de régulation automatique de la puissance de chauffage.
6. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin tubulaire (2) est en acier inoxydable.
7. Générateur de fluide chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une capacité (19) est montée en parallèle sur le circuit primaire.
8. Appareil de chauffage électrique polyphasé constitué par autant d'unités élémentaires de chauffage que de phases de l'alimentation électrique à laquelle ii est destiné à être relié, chaque unité élémentaire de chauffage étant conforme au générateur de fluide chaud à thermo-induction selon la revendication 1.
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