EP0339164A1

EP0339164A1 - Transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers

Info

Publication number: EP0339164A1
Application number: EP88420140A
Authority: EP
Inventors: Léonard Bolduc; Grégoire Pare
Original assignee: Hydro Quebec
Current assignee: Hydro Quebec
Priority date: 1987-04-15
Filing date: 1988-04-29
Publication date: 1989-11-02
Also published as: CA1258881A; AU1524588A; AU603437B2; US4766365A

Abstract

Le transformateur comporte un noyau magnétique (1) à trois jambes dont les deux jambes externes (3, 4) définissent chacune en leur centre un entrefer (8). Deux enroulements, un premier à courant alternatif (9a, 9b) et un second à courant continu (10a, 10b) sont bobinés sur chaque jambe externe. Des bobinages primaire (12) et secondaire (16) sont disposés sur la jambe centrale (2), le premier étant alimenté en courant alternatif par une source (13), et l'autre alimentant en courant alternatif une charge externe. Les deux premiers enroulements sont reliés en série et alimentés en courant alternatif par la source, éventuellement à travers un bobinage additionnel disposé sur la jambe centrale, tandis que les deux seconds enroulements sont reliés en série et alimentés par le courant des premiers enroulements après redressement par un pont de diodes (11). Le courant circulant dans les deux seconds enroulements génère un flux magnétique dans un circuit fermé défini par les jambes externes. Les courants alternatifs dans le bobinage primaire et les deux premiers enroulements sont couplés à des premier et second flux magnétiques alternatifs s'additionnant dans la jambe centrale et circulant respectivement dans deux circuits fermés définis d'une part par la jambe centrale et une jambe externe, et, d'autre part, par la jambe centrale et l'autre jambe externe. Le transformateur alimente la charge externe à partir de la source tout en régulant les tensions de source et d'alimentation.

Description

La présente invention a pour objet un transformateur conçu pour réaliser une régulation de tension par absorption auto-contrôlée de puissance réactive.
Plus spécifiquement, la présente invention concerne un transformateur-inducteur auto-régulé monté sur le même noyau magnétique à trois jambes que l'inductance variable décrite et revendiquée dans la demande de brevet canadien no. 472,204 déposée le 16 janvier 1985 au nom de la Demanderesse.
En effet, il a été découvert qu'en disposant des bobinages additionnels sur le noyau magnétique de l'inductance variable décrite et revendiquée dans la demande canadienne précitée no. 472,204, on obtenait soit un appareil de régulation de tension à la fois efficace et autonome, soit un transformateur qui alimente une charge à partir d'une source alternative, par exemple une source capacitive, tout en réalisant de façon efficace et autonome une régulation des tensions de source et d'alimentation de la charge.
La présente invention a plus particulièrement pour objet un transformateur comprenant un noyau magnétique définissant des première, seconde et troisième jambes ayant chacune des première et seconde extrémités. Les premières extrémités des jambes sont reliées en un premier point commun du noyau magnétique tandis que les secondes extrémités sont reliées en un second point commun de ce noyau. Le transformateur comporte en outre en premier bobinage, dit bobinage primaire, enroulé autour d'au moins une des jambes du noyau magnétique et alimenté en courant alternatif par une source d'énergie électrique, ainsi qu'un second bobinage également enroulé autour d'au moins une des jambes du noyau magnétique et alimenté par un courant alternatif généré par la source d'énergie électrique. Ces premier et second bobinages sont positionnés sur le noyau magnétique de telle sorte que les deux courants alternatifs qui les traversent sont couplés à un flux magnétique à courant alternatif induit dans chacune des seconde et troisième jambes. Un bobinage de contrôle est alimenté en courant continu et disposé sur le noyau magnétique de telle sorte que ce courant continu induise un flux magnétique à courant continu dans chacune des seconde et troisième jambes. Les flux magnétiques à courants alternatif et continu dans l'une des seconde et troisième jambes s'additionnent pendant que les flux magnétiques à courantsalternatif et continu dans l'autre des seconde et troisième jambes sont en opposition. Le transformateur comporte de plus des moyens pour transformer le courant alternatif dans le second bobinage en courant continu pour l'alimentation du bobinage de contrôle. Le courant continu alimentant le bobinage de contrôle a donc une amplitude qui varie avec celle du courant alternatif dans le second bobinage pour ainsi varier la densité du flux magnétique à courant continu dans les seconde et troisième jambes et contrôler la perméabilité de ces seconde et troisième jambes au flux magnétique à courant alternatif. Un bobinage secondaire relié à une charge électrique est soumis au flux magnétique à courant alternatif dans les seconde et troisième jambes pour ainsi produire un courant alternatif qui alimente la charge.
Avantageusement, la seconde jambe comporte un entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans cette seconde jambe, et la troisième jambe comporte également un entrefer traversé par le flux magnétique résultant de cette jambe.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de transformation en courant continu comporte un pont de diodes pour redresser le courant alternatif alimentant le second bobinage et pour injecter le courant ainsi redressé dans le bobinage de contrôle, le courant redressé constituant alors le courant continu alimentant ce dernier bobinage. Le transformateur peut en outre comporter une inductance de valeur fixe reliee en parallèle avec le second bobinage, et/ou un transformateur de courant soumis au courant alternatif du second bobinage et incluant un enroulement secondaire dont les deux bornes sont respectivement reliées aux entrée et sortie du pont traversées par ce courant alternatif.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le bobinage primaire est enroulé autour de la première jambe, le second bobinage comporte des premier et second enroulements reliés en série et disposés sur les seconde et troisième jambes, respectivement, et le bobinage de contrôle comporte des premier et second enroulements également reliés en série et respectivement disposés sur les seconde et troisième jambes. Ainsi, les courants alternatifs dans le bobinage primaire et les deux enroulements du second bobinage sont couplés à un premier flux magnétique alternatif circulant dans un circuit magnétique fermé défini par les première et seconde jambes, ainsi qu'à un second flux magnétique alternatif circulant dans un circuit magnétique fermé défini par les première et troisième jambes, et le courant continu dans les enroulements de contrôle induit un flux magnétique à courant continu qui circule dans un circuit magnétique fermé défini par les seconde et troisième jambes.
De préférence, le bobinage secondaire est enroulé autour de la première jambe et consiste soit en un bobinage relié à une charge externe, soit en un bobinage relié en parallèle avec les deux enroulements du second bobinage pour alimenter en courant alternatif ces deux enroulements, soit en un premier bobinage relié à une charge externe et en un second bobinage relié en parallèle avec les deux enroulements du second bobinage.
Les bobinages primaire et secondaire peuvent consister en un seul enroulement muni de plusieurs bornes.
Les avantages et autres caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui suit modes de réalisation préférés du transformateur- inducteur auto-régulé, donnée à titre d'exemple non limitatif seulement avec référence aux dessins annexés dans lesquels:

La Figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers selon l'invention;
La Figure 2 illustre la superposition des bobinages et enroulements sur les trois jambes du noyau magnétique du transformateur de la Figure 1;
La Figure 3 illustre un second mode de réalisation du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers selon l'invention;
La Figure 4 représente, sous la forme d'un circuit équivalent, un troisième mode de réalisation du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers selon l'invention;
La Figure 5 est un schéma équivalent représentant le circuit d'un transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers utilisé pour démontrer le fonctionnement de la présente invention;
La Figure 6 représente des courbes de fonctionnement du transformateur selon l'invention obtenues à l'aide du circuit de la Figure 5; et
La Figure 7 représente une série de courbes représentatives du fonctionnement d'un transformateur selon l'invention en fonction de la charge qu'il alimente.

Il convient tout d'abord de mentionner que dans les différentes Figures des dessins les mêmes éléments sont identifiés par les mêmes références numériques.
Tel qu'illustré à la Figure 1, le transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers comporte un noyau magnétique 1 à trois jambes incluant une jambe centrale 2, ainsi que deux jambes externes 3 et 4. Les extrémités supérieures des jambes 2, 3 et 4 sont reliées en un premier point commun 5 du noyau magnétique 1, tandis que les extrémités inférieures de ces trois jambes 2, 3 et 4 sont reliées en un second point commun 6 du noyau 1.
Il doit être noté que dans la présente divulgation ainsi que dans les revendications annexées, le terme "jambe" désigne chacun des trois chemins magnétiques définis par le noyau 1 entre les deux points communs 5 et 6.
Les trois jambes 2, 3 et 4 sont avantageusement de section transversale identique. Bien qu'il importe que la section transversale des jambes externes 3 et 4 soit de même surface, la section transversale de la jambe centrale 2 peut avoir une surface soit égale soit supérieure à celle de la section transversale des jambes externes 3 et 4.
La jambe externe 3 est munie en son centre d'un entrefer 7 tandis que la jambe externe 4 comporte en son centre un entrefer 8. Les entrefers 7 et 8 sont de dimensions identiques.
Un enroulement 9a à courant alternatif et un enroulement de contrôle 10a à courant continu sont disposés autour de la jambe externe 3, tandis qu'un enroulement 9b à courant alternatif et un enroulement de contrôle 10b à courant continu sont disposés autour de la jambe externe 4. Les enroulements 9a et 9b sont reliés en série et comportent un même nombre de tours. De la même façon, les enroulements à courant continu 10a et 10b sont reliés en série et comportent aussi un même nombre de tours.
Un pont de redressement 11 à double alternance incluant plusieurs diodes et construit selon les règles de l'art relie les enroulements 9a et 9b en série avec les enroulements 10a et 10b, de sorte que le courant alternatif alimentant les enroulements 9a et 9b est redressé, et le courant ainsi redressé est injecté dans les enroulements 10a et 10b. Il convient d'appeler courant continu le courant redressé qui alimente les enroulements 10a et 10b.
La structure du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers définie jusqu'ici correspond à celle de l'inductance variable décrite et revendiquée dans la demande de brevet canadien no. 472,204 déposée le 16 janvier 1985 au nom de la Demanderesse.
Un bobinage primaire 12 est enroulé autour de la jambe centrale 2 et alimenté en courant alternatif par une source d'énergie électrique 13. Le courant alternatif dans le bobinage 12 induit dans la jambe centrale 2 un flux magnétique alternatif soumis à un bobinage secondaire 16 également enroulé autour de la jambe 2 qui génère ainsi un courant alternatif.
Le bobinage 16 a une première borne reliée à la borne libre de l'enroulement 9a et une second borne reliée à la sortie 19 à courant alternatif du pont de diodes 11. Ainsi, le courant alternatif généré par le bobinage secondaire 16 alimente les enroulements 9a et 9b reliés en série, puis est redressé par le pont de diodes 11 pour alimenter les enroulements de contrôle 10a et 10b également reliés en série.
L'utilisation d'un bobinage secondaire 16 permet de réduire le niveau de tension alternative appliqué aux enroulements 9a et 9b, sans nécessiter un transformateur réducteur de tension externe spécialement prévu pour réaliser cette fonction.
Lorsque le niveau de tension de la source 13 le permet, les enroulements 9a et 9b sont alimentés en courant alternatif directement par la source 13, tel qu'illustré à la Figure 3. Dans ce cas particulier, une première borne de la source 13 est reliée à la borne libre de l'enroulement 9a, la source 13 ayant sa seconde borne reliée à la sortie 19 à courant alternatif du pont de diodes 11. Encore une fois, le courant alternatif fourni par la source 13 aux enroulements 9a et 9b est redressé par le point de diodes 11 pour alimenter les enroulements de contrôle 10a et 10b à courant continu.
Tel que représenté aux Figures 1 et 3 des dessins, les enroulements 10a et 10b sont bobinés autour des jambes externes 3 et 4, respectivement, et reliés ensemble de telle sorte que le courant continu (courant redressé) les alimentant induit un flux magnétique FC à courant continu qui circule dans un circuit magnétique fermé défini par les deux jambes externes 3 et 4, incluant évidemment les entrefers 7 et 8. Aucun flux magnétique à courant continu ne résulte dans la jambe centrale 2.
Tel qu'également représenté aux Figures 1 et 3, le bobinage 12, les enroulements 9a et 9b et éventuellement le bobinage 16 sont de même polarité. Le courant alternatif dans le bobinage 12, et le courant alternatif dans les enroulements 9a et 9b et l'éventuel bobinage secondaire 16 sont donc tous deux couplés à un premier flux magnétique alternatif circulant dans le circuit magnétique fermé défini par les jambes 2 et 3, et à un second flux magnétique alternatif circulant dans le circuit magnétique fermé défini par les jambes 2 et 4. Ces premier et second flux magnétiques alternatifs s'additionnent dans la jambe centrale 2.
Durant chaque alternance positive du courant délivré par la source 13, et par conséquent du courant alternatif dans le bobinage primaire 12, et du courant alternatif dans les enroulements 9a et 9b et l'éventuel bobinage 16, le flux magnétique à courant continu dans la jambe externe 3 s'oppose au premier flux magnétique à courant alternatif dans cette même jambe pour ainsi augmenter la perméabilité de la jambe 3 au flux alternatif. Au contraire, à l'intérieur de la jambe externe 4, les flux magnétiques à courants continu et alternatif s'additionnent. Dans ce dernier cas, le flux magnétique à courant continu diminue la perméabilité de la jambe 4 au second flux magnétique à courant alternatif.
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 13. Il peut être facilement déduit que le phénomène inverse se produit lors de chaque alternance négative puisque dans ce cas, les premier et second flux magnétiques alternatifs dans les jambes externes 3 et 4, sont en sens contraire.
La fonction du flux magnétique FC à courant continu est en fait de saturer plus ou moins profondément le noyau magnétique 1. Plus spécifiquement, la perméabilité du noyau magnétique 1 au flux magnétique à courant alternatif diminue avec l'intensité du flux magnétique FC à courant continu. Ce phénomène entraîne une diminution de l'impédance du bobinage 12 et des enroulements 9a et 9b et une augmentation du courant alternatif dans ces bobinages ot enroulements. Il est donc facile de concevoir qu'en variant le flux magnétique à courant continu FC, on varie la quantité de puissance réactive absorbée parle transformateur-inducteur auto-régulé. Comme l'amplitude du courant continu (courant redressé) dans les enroulements 10a et 10b, et par conséquent la densité du flux magnétique FC à courant continu varient automatiquement et proportionnellement avec l'amplitude du courant alternatif dans les enroulements 9a et 9b, il se produit un auto-contrôle de la perméabilité du noyau magnétique 1 au flux magnétique alternatif et ainsi un auto-contrôle de la puissance réactive absorbée par le transformateur selon l'invention.
Lorsque tous les paramètres du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers sont ajustés de façon appropriée, tel qu'il sera explicité plus en détail dans la description qui suit, l'absorption auto-contrôlée de puissance réactive régule, à un certain niveau qui peut être ajusté, la tension alternative aux bornes des enroulements 9a et 9b et par conséquent la tension alternative de la source 13 pour une certaine gamme du courant de source.
Un autre bobinage secondaire 14 enroulé autour de la jambe centrale 2 produit en réponse au flux magnétique alternatif résultant dans la jambe 2 un courant alternatif qui alimente une charge externe quelconque 15. Le niveau de la tension d'alimentation de la charge 15 reliée aux bornes du bobinage secondaire 14 est bien entendu déterminé par le rapport de transformation entre les bobinages primaire et secondaire 12 et 14. Comme la tension alternative de la source 13 est régulée, la tension alternative d'alimentation de la charge 15 aux bornes du bobinage 14 se trouve elle-aussi automatiquement régulée.
Tel qu'illustré sur la Figure 2, les enroulements 9a et 10a sont superposés sur la jambe externe 3 de sorte que l'entrefer 7 se retrouve en leur centre. De la même façon, les enroulements 9b et 10b sont superposés sur la jambe externe 4 de sorte que l'entrefer 8 se retrouve en leur centre. Cette disposition des enroulements 9a, 9b 10 et 10b sur les jambes 3 et 4 présente l'avantage de diminuer considérablement les flux de fuite autour des entrefers 7 et 8.
En ce qui concerne les bobinages 12, 14 et 16 enroulés autour de la jambe centrale 2, ceux-ci peuvent également être superposés tel qu'également illustré à la Figure 2 des dessins.
D'autre part, les bobinages 12, 14 et 16 de la jambe centrale 2 peuvent être remplacés, tel que représente sous forme de schéma équivalent à la Figure 4 des dessins, par un seul enroulement 21 muni de plusieurs bornes 220 à 224. L'enroulement 21 bobiné autour de la jambe centrale 2 est alimenté par l'intermédiaire de ses bornes 220 et 224 en tension et courant alternatifs par de la source d'énergie électrique 13. Les enroulements 9a et 9b sont alors alimentés en courant alternatif à travers les bornes 222 et 224 de l'enroulement 21. Tel que déjà décrit, le courant électrique dans les enroulements 9a et 9b est redressé par le pont de diodes 11 pour alimenter les enroulements de contrôle 10a et 10b. La charge 15 est de son côté alimentée en courant alternatif par l'enroulement 21 à travers les bornes 222 et 224. Le transformateur tel qu'illustré à la Figure 4 fonctionne donc en auto-tranformateur.
L'utilisation d'un seul enroulement 21 permet de réduire considérablement la quantité de fil conducteur requis dans la fabrication du transformateur. De plus, dans certains types de circuit, le diamètre du fil conducteur peut aussi être réduit.
Certaines caractéristiques de fonctionnement du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers seront maintenant décrites à l'aide des courbes de la Figure 6. Ces courbes ont été obtenues à l'aide du circuit de la Figure 5.
Tout comme dans le cas de la Figure 4, le circuit de la Figure 5 comporte un enroulement 21 bobiné autour de la jambe centrale 2 et muni de bornes 220 à 224. La source 13 est reliée entre les bornes 221 et 224 de l'enroulement 21, et les enroulements 9a et 9b sont alimentés en courant alternatif directement par la source 13. Plus spécifiquement, une première borne de la source 13 est reliée à la borne libre de l'enroulement 9a, tandis que la seconde borne de la source est reliée à la sortie 19 à courant alternatif du pont de diodes 11.
Il convient tout d'abord de mentionner que le transformateur-inducteur auto-régulé selon l'invention est un appareil à noyau magnétique unique qui joue un triple rôle;
- tout comme l'inductance variable auto-contrôlée à entrefers décrite et revendiquée dans la demande de brevet canadien précitée no. 472,204, il peut absorber une grande quantité de puissance réactive fournie par la source 13, et ce sous une faible augmentation de la tension de source à partir d'un certain niveau de tension préétabli (voir Figure 7). La puissance réactive ainsi absorbée est substantiellement proportionnelle à l'accroissement de tension et varie pour permettre la régulation de la tension délivrée par la source 13;
- comme transformateur, il permet d'alimenter à la tension requise des charges externes telles que 15 à travers un bobinage secondaire tel que 14 ou 21. Comme la tension de la source 13 est régulée par absorption de puissance réactive tel que décrit ci-dessus, la tension d'alimentation de la charge se trouve elle aussi régulée; et
- lorsque le bobinage secondaire 16 est prévu, ou encore qu'un raccordement en autotransformateur (enroulement 21) est utilisé, la charge interne constituée par les enroulements 9a et 9b peut être alimentée à une tension plus faible que la tension de la source 13. Une telle alimentation est susceptible d'être économiquement rentable si l'on considère que les coûts pour l'isolation et l'achat de diodes haute tension pour le pont de redressement 11 sont très élevés.
Toutefois, le transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers selon l'invention ne fonctionne pas comme un transformateur conventionnel alimentant du côté secondaire une inductance variable auto-contrôlée à entrefers telle que décrite et revendiquée dans la demande de brevet canadien précitée no. 472,204. En effet, la partie transformateur, par exemple les bobinages primaire 12 et secondaire 14, et éventuellement le bobinage secondaire 16, et la partie inductance variable, les enroulements 9a, 9b, 10a et 10b, sont montées sur un même noyau magnétique, le noyau 1, et de ce fait s'influencent l'une l'autre à travers le flux magnétique alternatif circulant dans le noyau magnétique 1. En conséquence, les relations permettant d'établir les caractéristiques de fonctionnement du transformateur s'en trouvent donc modifiées.
Tout d'abord, le niveau de la tension d'opération V₀ du transformateur, identifiée dans la Figure 5, dépend du rapport de tours entre chaque enroulement 9a, et 9b, et le bobinage secondaire 16 dans le cas de la Figure 1, entre chaque enroulement 9a et 9b, et le bobinage primaire 12 dans le cas de la Figure 3, entre chaque enroulement 9a et 9b, et la portion de l'enroulement 21 entre les bornes 222 et 224 dans le cas de la Figure 4, et entre chaque enroulement 9a et 9b et la portion de l'enroulement 21 entre les bornes 221 et 224 dans le cas de la Figure 5. De plus, cette relation entre le niveau de la tension d'opération V₀ et le rapport de tours précité n'est pas linéaire.
La Figure 6 illustre quelques courbes démontrant notamment cette variation du niveau de la tension d'opération V₀ en fonction du rapport de tous précité. Il est à noter que les courbes de la Figure 6 représentent la tension d'opération V₀ en fonction du courant de source i₀ (voir Figure 5).
Le tableau 1 ci-dessous donne pour chaque courbe de la Figure 6 le nombre de tours N₂₁ entre les bornes 221 et 224 de l'enroulement 21 de la Figure 5, le nombre de tours N₉ de chaque enroulement 9a et 9b, et le nombre de tours N₁₀ de chaque enroulement 10a et 10b. TABLEAU 1

Courbe N₂₁ N₉ N₁₀

A₁ 60 60 64

A₂ 60 60 66

A₃ 60 60 67

B₁ 60 50 54

B₂ 60 50 56

C 60 40 46
On peut tout de suite noter à partir des courbes de la Figure 6 et du tableau 1 que la variation du nombre de tours N₉ par rapport au nombre de tours N₂₁ permet d'ajuster le niveau de la tension d'opération V₀ du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers. En effet, le nombre de tours N₂₁ demeure constant (60 tours) pour toutes les courbes, tandis que dand le cas des courbes A₁, A₂, et A₃ le nombre de tours N₉ est égal à 60, pour les courbes B₁, B₂ le nombre de tours N₉ est 50, et pour la courbe C le nombre de tours N₉ est égal à 40. La Figure 6 des dessins démontre en outre clairement que la variation du niveau de la tension d'opération V₀ n'est pas linéaire en fonction du rapport de tours N₉/N₂₁.
Deux jeux de courbes de la Figure 6, à savoir le jeu formé par les courbes A₁, A₂ et A₃, ainsi que le jeu formé par les courbes B₁ et B₂ démontrent de plus en se référant au tableau 1, que lorsque les nombres de tours N₂₁ et N₉ sont constants, une variation du nombre de tours N₁₀ permet d'ajuster la pente de la courbe de fonctionnement V₀ en fonction de i₀ dans le domaine de régulation. Il peut en outre facilement être constaté que cette pente est très sensible à l'ajustement du rapport de tours N₁₀/N₉.
Les courbes de la Figure 6 montrent donc sans équivoque, ce qui peut également être démontré par la théorie, que dans le domaine de régulation, le niveau de la tension d'opération V₀ est fonction du rapport de tours N₉/N₂₁ et la pente de la courbe V₀ vs i₀ est fonction du rapport de tours N₁₀/N₉. L'influence du rapport N₉/N₂₁ est évidemment due à ce que, tel que mentionné précédemment, le bobinage primaire 21 et les enroulements 9a et 9b sont montés sur le même noyau magnétique 1 et par conséquent s'influencent l'un l'autre.
Il est donc possible, en ajustant de façon appropriée les rapports de tours N₉/N₂₁ et N₁₀/N₉, d'obtenir dans la plage de régulation un statisme nul, c'est-à-dire une pente nulle de la courbe V₀ vs i₀, tout en ajustant au niveau désiré la tension d'opération V₀ du transformateur.
Il a toutefois été noté qu'afin de prévenir la saturation de la jambe centrale 2 du noyau magnétique 1, la surface S₂ de la section transversale de la jambe 2, le nombre de tours N₂₁, la surface S_3,4 de la section transversale de chacune des jambes externes 3 et 4, et le nombre de tours N₉ doivent satisfaire la relation suivante:
N₂₁ · S₂ ≧ N₉ · S_3,4
Donc, lorsque les jambes 2, 3 et 4 ont une même section transversale, le rapport de tours N₉/N₂₁ doit être plus petit ou égal à 1.
Le fonctionnement du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers est donc différent de celui de l'inductance variable auto-contrôlée à entrefers décrite et revendiquée dans la demande de brevet canadien no. 472,204 déposée le 16 janvier 1985 au nom de la Demanderesse.
Toutefois, tout comme dans le cas de cette inductance, les entrefers 7 et 8 du noyau magnétique 1 du transformateur permettent de construire des transformateurs ayant des caractéristiques de fonctionnement plus similaires, puisque ces caractéristiques de fonctionnement, grâce aux entrefers 7 et 8, sont beaucoup moins sensibles aux disparités dans les différents noyaux magnétiques de ces transformateurs et à d'autres phénomènes indésirables discutés en détail dans la demande de brevet canadien précitée no. 472.204.
Il est évidemment possible d'effectuer sur le transformateur selon l'invention les ajustements de fonctionnement décrits dans la demande canadienne no. 472,204 déposée le 16 janvier 1985, lesquels sont explicités en détail dans cette demande.
Toutefois, la présente invention propose les moyens additionnels suivants pour ajuster les caractéristiques de fonctionnement du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers.
Selon une première alternative, une inductance 20 de valeur fixe est reliée en parallèle avec les enroulements 9a et 9b qui eux sont reliés en série (voir Figures 1 et 3). Un courant alternatif généré par la source 13 et dont l'amplitude dépend de la valeur de l'inductance 20 circule à travers cette inductance. Ce courant est redressé puis injecté dans les enroulements 10a et 10b. Un flux magnétique à courant continu de polarisation est ainsi produit à l'inférieur du circuit magnétique fermé défini par les jambes externes 3 et 4, lequel s'additionne au flux magnétique à courant continu généré par le courant alternatif redressé provenant des enroulements 9a et 9b. En variant la valeur de l'inductance 20, il est donc possible d'ajuster de façon précise dans la plage de régulation le niveau de la tension d'opération V₀. L'inductance 20 peut fonctionner de façon linéaire ou être surexcitée (susceptible de saturation).
Une autre alternative consiste à utiliser un transformateur de courant 17 (Figures 1 et 3) comportant un enroulement secondaire muni d'une première borne reliée à l'entrée 18 à courant alternatif du pont de diodes 11 et d'une second borne reliee a la sortie 19 à courant alternatif du pont 11. Le transformateur de courant 17 produit à travers son enroulement secondaire et en réponse au courant alternatif alimentant les enroulements 9a et 9b un courant alternatif qui est redressé par le pont de diode 11 et injecté dans les enroulements 10a et 10b pour générer un flux magnétique à courant continu circulant dans le circuit magnétique fermé défini par les jambes externes 3 et 4 dans la même direction que le flux magnétique à courant continu généré par le courant redressé provenant directement des enroulements 9a et 9b. Comme le courant produit par le transformateur 17 a une amplitude qui varie en fonction de la valeur du courant dans les enroulements 9a et 9b, le flux magnétique à courant continu de polarisation varie de la même façon. Le tranformateur 17, lorsque selectionné avec les caractéristiques requises, permet d'ajuster, c'est-à-dire soit augmenter soit diminuer la pente de la courbe V₀ en fonction de i₀ dans la plage de régulation.
Bien entendu, afin d'ajuster les caractéristiques de fonctionnement du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers tel que désiré, l'inductance 20 et le transformateur 17 peuvent être utilisés simultanément.
La Figure 7 illustre le fonctionnement d'un transformateur selon l'invention lorsque des charges différentes sont raccordées entre les bornes de l'enroulement secondaire, par exemple l'enroulement 14.
Plus spécifiquement, la courbe G de la Figure 7 correspond à la courbe V₀ en fonction de i₀ lorsque le transformateur fonctionne sous vide (sans charge). Les courbes D, E et F correspondent à la mise sous charge du transformateur, cette charge étant plus grande pour la courbe F que pour la courbe E, et plus grande pour la courbe E que pour la courbe D. Dans la plage de régulation, la tension V₀ demeure relativement constante en fonction de la charge, même lorsque le transformateur fonctionne sous vide (sans charge).
Le transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers constitue donc un appareil simple de régulation de tension alternative par absorption auto-contrôlée de puissance réactive.
Une application très intéressante du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers est, tout comme dans le cas de l'inductance variable de la demande de brevet canadien précitée no. 472,204, la régulation de la tension alternative d'alimentation d'une charge électrique alimentée par fil de garde ou d'une manière plus générale par une source capacitive (couplage capacitif).
Dans une telle application, la source capacitive constitue la source 13. La charge peut être soit résistive, soit réactive, soit résistive et réactive. Tel que démontré par la Figure 7 des dessins, le transformateur selon l'invention s'occupera de transmettre la puissance requise à la charge tout en maintenant la tension V₀, et par conséquent la tension d'alimentation de la charge à un niveau relativement constant.
Lorsqu'utilisé pour l'alimentation d'une charge avec l'énergie électrique provenant d'une source capacitive (à travers un couplage capacitif), le transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers présente l'avantage de ne pas augmenter ses pertes électriques internes lorsque le courant alternatif transmis à cette charge augmente. En effet, lorsque le courant transmis à la charge par le transformateur selon l'invention augmente, le courant alternatif dans les enroulements 9a et 9b, et donc le courant continu dans les enroulements 10a et 10b diminuent.
Bien que la présente invention ait été décrite par le biais de modes de réalisation préférés du transformateur-inducteur auto-régulé à entrefers, il doit être noté que toute modification de ces modes de réalisation ainsi que toute autre application du transformateur peuvent être réalisées à condition de respecter l'étendu des revendications ci-jointes, sans changer ou encore altérer la nature et l'étendue de la présente invention.

Claims

1. Transformateur comprenant:
un noyau magnétique définissant des première, seconde et troisième jambes ayant chacune des première et seconde extrémités, lesdites premières extrémités étant reliées en un premier point commun du noyau magnétique et lesdites secondes extrémités étant reliées en un second point commun dudit noyau magnétique;
un premier bobinage dit bobinage primaire, enroulé autour d'au moins une desdites jambes du noyau magnétique et alimenté en courant alternatif par une source d'énergie électrique;
un second bobinage également enroulé autour d'au moins une desdites jambes du noyau magnétique et alimenté par un courant alternatif généré par ladite source d'énergie électrique;
lesdits premier et second bobinages étant positionnés sur le noyau magnétique de telle sorte que lesdits deux courants alternatifs sont couplés à un flux magnétique à courant alternatif induit dans chacune des seconde et troisième jambes;
un bobinage de contrôle alimenté en courant continu et disposé sur le noyau magnétique de telle sorte que ledit courant continu induise un flux magnétique à courant continu dans chacune desdits seconde et troisième jambes;
les flux magnétiques à courants alternatif et continu dans l'une des seconde et troisième jambes s'additionnant pendant que les flux magnétiques à courants alternatif et continu dans l'autre des seconde et troisième jambes sont en opposition;
des moyens pour transformer le courant alternatif dans le second bobinage en courant continu pour l'alimentation du bobinage du contrôle, le courant continu alimentant le bobinage de contrôle ayant une amplitude qui varie avec celle du courant altenatif dans le second bobinage pour ainsi varier la densité du flux magnétique à courant continu dans les seconde et troisième jambes et contrôler la perméabilité desdites seconde et troisième jambes au flux magnétique à courant alternatif; et
un bobinage secondaire relié à une charge électrique et soumis au flux magnétique à courant alternatif dans les seconde et troisième jambes pour ainsi produire un courant alternatif alimentant ladite charge.

2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde jambe comporte un entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans ladite seconde jambe, et la troisième jambe comporte également un entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans ladite troisième jambe.

3. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledits moyens de tranformation en courant continu comportent un pont de diodes pour redresser le courant alternatif alimentant le second bobinage, et pour injecter le courant ainsi redressé dans le bobinage de contrôle, le courant redressé constituant donc le courant continu alimentant le bobinage de contrôle.

4. Transformateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une inductance reliée en parallèle avec ledit second bobinage.

5. Transformateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pont de diodes comporte une entrée et une sortie traversées par le courant alternatif alimentant le second bobinage, et en ce que ledit transformateur comporte en outre un transformateur de courant soumis au courant alternatif du second bobinage et comprenant un enroulement secondaire muni de première et seconde bornes respectivement reliées à ladite entrée et à ladite sortie du pont de diodes.

6. Transformateur comprenant:
un noyau magnétique définissant des première, seconde et troisième jambes ayant chacune des première et seconde extrémités, lesdites premières extrémités étant reliées en un premier point commun du noyau magnétique et lesdites secondes extrémités étant reliées en un second point commun dudit noyau magnétique;
un premier bobinage, dit bobinage primaire, enroulé autour de ladite première jambe et alimenté en courant alternatif par une source d'énergie électrique;
un second bobinage enroulé autour d'autour d'au moins une desdites jambes du noyau magnétique et alimenté par un courant alternatif généré par ladite source;
lesdits courants alternatifs dans les premier et second bobinages étant couplés à un premier flux magnétique alternatif circulant dans un circuit magnétique fermé défini par les première et seconde jambes et à un second flux magnétique alternatif circulant dans un circuit magnétique fermé défini par les première et troisième jambes, les premier et second flux magnétiques alternatifs s'additionnant dans la première jambe;
des premier et second enroulements de contrôle disposés autour des seconde et troisième jambes, respectivement, lesdits premier et second enroulements de contrôle étant reliés en série et alimentés en courant continu de telle sorte que ledit courant continu induise un flux magnétique à courant continu circulant dans un circuit magnétique fermé défini par les seconde et troisième jambes;
des moyens pour transformer le courant alternatif alimentant le second bobinage en courant continu pour l'alimentation des premier et second enroulements de contrôle, le courant continu alimentant les enroulements de contrôle ayant une amplitude qui varie avec celle du courant alternatif dans le second bobinage pour ainsi varier la densité dudit flux magnétique à courant continu et contrôler le perméabilité des seconde et troisième jambes aux premier et second flux magnétiques alternatifs, respectivement; et
un bobinage secondaire enroulé autour de ladite première jambe, relié à une charge électrique, et produisant un courant alternatif en réponse aux premier et second flux magnétiques alternatifs qui s'additionnent dans la première jambe pour alimenter ladite charge.

7. Transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la seconde jambe comprend un premier entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans ladite seconde jambe, et la troisième jambe comprend un second entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans ladite troisième jambe.

8. Tranformateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit second bobinage comporte des premier et second enroulements à courant alternatif reliés en série et disposés autour des seconde et troisième jambes, respectivement.

9. Transformateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite charge est une charge externe et en ce qu'il comporte en outre un bobinage secondaire additionnel enroulé autour de ladite première jambe et muni de deux bornes entre lesquelles les premier et second enroulements du second bobinage sont reliés en série, ledit bobinage secondaire additionnel étant donc soumis au flux magnétique résultant induit dans ladite première jambe pour générer le courant alternatif alimentant lesdits premier et second enroulements du second bobinage.

10. Transformateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de transformation en courant continu comportent un pont de diodes pour redresser le courant alternatif alimentant le second bobinage, et pour injecter le courant ainsi redressé dans lesdits premier et second enroulements de contrôle, le courant redressé constituant donc le courant continu alimentant les premier et second enroulements de contrôle.

11. Transformateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une inductance reliée en parallèle avec ledit second bobinage.

12. Transformateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le pont de diodes comporte une entrée et une sortie traversées par le courant alternatif alimentant le second bobinage, et en ce que ledit transformateur comporte en outre un transformateur de courant soumis au courant alternatif du second bobinage et comprenant un enroulement secondaire muni de première et seconde bornes respectivement reliées à ladite entrée et à ladite sortie du pont de diodes.

13. Tranformateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de transformation en courant continu comportent un pont de diodes pour redresser le courant alternatif alimentant le second bobinage, et pour injecter le courant ainsi redressé dans lesdits premier et second enroulements de contrôle, le courant redressé constituant donc le courant continu alimentant les premier et second enroulements de contrôle.

14. Transformateur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une inductance reliée en parallèle avec les premier et second enroulements dudit second bobinage eux-mêmes reliés en série.

15. Transformateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le pont de diodes comporte une entrée et une sortie traversées par le courant alternatif alimentant les premier et second enroulements du second bobinage, et en ce que ledit transformateur comporte en outre un transformateur de courant soumis au courant alternatif des premier et second enroulements du second bobinage et comprenant un enroulement secondaire muni de première et seconde bornes respectivement reliées à ladite entrée et à ladite sortie du pont de diodes.

16. Tranformateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit premier enroulement du second bobinage et ledit premier enroulement de contrôle sont superposés autour de ladite seconde jambe de sorte que ledit premier entrefer soit situé au centre desdits premier enroulement du second bobinage et premier enroulement de contrôle, en ce que ledit second enroulement du second bobinage et ledit second enroulement de contrôle sont superposés autour de ladite troisième jambe de sorte que ledit second entrefer soit situé au centre desdits second enroulement du second bobinage et second enroulement de contrôle, et en ce que lesdits bobinages primaire et secondaire sont superposés autour de ladite première jambe.

17. Transformateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits bobinages primaire et secondaire sont formés par un même enroulement disposé autour de ladite première jambe et comprenant plusieurs bornes.

18. Transformateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit bobinage primaire, et lesdits deux bobinages secondaires sont formés par un seul enroulement disposé autour de ladite première jambe et comportant plusieurs bornes.

19. Transformateur comprenant:
un noyau magnétique définissant des première, seconde et troisième jambes ayant chacune des première et seconde extrémités, lesdits premières extrémités étant reliées en un premier point commun du noyau magnétique et lesdites secondes extrémités étant reliées en un second point commun dudit noyau magnétique;
un bobinage primaire enroulé autour de ladite première jambe et alimenté en courant alternatif par une source d'énergie électrique;
des premier et second enroulements à courant alternatif disposés autour des seconde et troisième jambes, respectivement, reliés en série, et alimentés par un courant alternatif généré par ladite source;
lesdits courants alternatifs dans le bobinage primaire et lesdits premier et second enroulements à courant alternatif étant couplés à un premier flux magnétique alternatif circulant dans un circuit magnétique fermé défini par les première et seconde jambes et à un second flux magnétique alternatif circulant dans un circuit magnetique fermé défini par les première et troisième jambes, lesdits premier et second flux magnétiques alternatifs s'additionnant dans la première jambe;
des premier et second enroulements de contrôle disposés autour des seconde et troisième jambes, respectivement, lesdits premier et second enroulements de contrôle étant reliés en série et alimentés en courant continu pour induire un flux magnétique à courant continu dans un circuit magnétique fermé défini par les seconde et troisième jambes;
des moyens pour transformer le courant alternatif alimentant les premier et second enroulements à courant alternatif en courant continu pour l'alimentation des premier et second enroulements de contrôle, le courant continu alimentant les dits enroulements de contrôle ayant une amplitude qui varie avec celle du courant alternatif dans les premier et second enroulements à courant alternatif pour ainsi varier la densité dudit flux magnétique à courant continu et contrôler la perméabilité des seconde et troisième jambes aux premier et second flux magnétiques, respectivement; et
un bobinage secondaire enroulé autour de ladite première jambe et donc soumis aux premier et second flux magnétiques alternatifs qui s'additionnent dans cette première jambe, muni de deux bornes entre lesquelles les premier et second enroulements à courant alternatif sont reliés en série, et produisant un courant alternatif qui alimente les premier et second enroulements à courant alternatif en réponse auxdits premier et second flux magnétiques alternatifs.

20. Transformateur selon la revendication 19, caractérisé en ce que la seconde jambe comporte un entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans ladite seconde jambe, et en ce que la troisième jambe comprend également un entrefer traversé par le flux magnétique résultant dans ladite troisième jambe.

21. Tranformateur selon la revendication 9 ou 20, caractérisé en ce que ledit bobinage secondaire qui alimente en courant alternatif les premier et second enroulements à courant alternatif a un nombre de tours N_S, chacun des premier et second enroulements à courant alternatif a un nombre de tours N_A, la première jambe a une section transversale de surfaces S₁,et les seconde et troisième jambes ont chacune une section transversale de surface S₂₃,qui satisfont la relation suivante:
N_S S₁ ≧ N_A S₂₃.

22. Transformateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bobinage primaire est disposé sur la première jambe et à un nombre de tours N_P,le second bobinage comporte des premier et second enroulements disposés sur les seconde et troisième jambes, respectivement, reliés en série et comportant chacun un nombre de tours N_S, la première jambe a une section transversale de surface S₁, et les seconde et troisième jambes ont chacune une section transversale de section S₂₃, les paramètres N_P, N_S, S₁ et S₂₃ satisfaisant la relation suivante:
N_P S₁ ≧ N_S S₂₃