FR2543357A1 - Electrical power transformer of reduced size allowing control of the characteristics of the output voltage - Google Patents
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Abstract
Description
Transf9rmateur électrique de puissance de taille reduite permettant le contrôle des caracteristigues de la tension de sortie. Reduced size electric power transformer for controlling the characteristics of the output voltage.
La présente invention a pour but de réaliser un transformateur de taille réduite par rapport aux transformateurs de meme puissance usuels et de realiser un tel transformateur qui permette de faire varier la forme, l'amplitude et la fréquence de la tension de sortie.The aim of the present invention is to produce a transformer of reduced size compared to the usual transformers of the same power and to produce such a transformer which makes it possible to vary the shape, the amplitude and the frequency of the output voltage.
L'invention est basée sur le fait que la puissance maximale transmissible par un transformateur de taille donnée est directement fonction de la fréquence, que les circuits elec- troniques récents utilisables en interrupteurs rapides permettent de réaliser des interrupteurs à découpage ayant des fréquences de fonctionnement de 200 kHz pour des puissances moyennes atteignant quelques kilowatts et sur le fait que les noyaux fabriqués par la technique métallurgique d'agglomération des poudres ont des pertes par hystérésis beaucoup plus faibles que les tôles classiques pour transformateur.The invention is based on the fact that the maximum power transmissible by a transformer of given size is directly a function of the frequency, that recent electronic circuits usable as fast switches make it possible to produce switching switches having operating frequencies of 200 kHz for average powers reaching a few kilowatts and on the fact that the cores produced by the metallurgical technique of powder agglomeration have losses by hysteresis much lower than conventional sheets for transformer.
La présente invention est basée sur l'utilisation d'un transformateur fonctionnant en double découpage avec un primaire alimenté en haute frequence par un circuit électronique de puissance fonctionnant en interrupteur rapide pour alimenter le primaire et un secondaire alimentant un circuit eIêctronìque de pulssance fncEln ant en --tnterrup- teur inverseur pour délivrer en sortie- une tension ayant la forme et la fréquence recherchées.The present invention is based on the use of a transformer operating in double cutting with a primary supplied at high frequency by an electronic power circuit operating as a quick switch to supply the primary and a secondary supplying an electronic circuit of fncEln pulssance ant - reversing switch to deliver at output - a voltage having the desired shape and frequency.
Selon une autre caractéristique le transformateur est du type sans noyau ou à noyau de fer réalisé par agglomération de poudres de matériaux magnétiques.According to another characteristic, the transformer is of the coreless or iron core type produced by agglomeration of powders of magnetic materials.
Avec l'invention la taille du transformateur est réduite puisque, la réduction de taille théorique étant directement proportionnelle à la fréquence, une fréquence passant de 50Hz à 100 kHz permet une réduction de taille de 2000 pour une même puissance. Les matériaux magnétiques utilisés nécessitant une induction plus faible, si on répartit le gain restant entre la section du circuit magnétique et le nombre de spires, le facteur de réduction de ces deux éléments s'établit entre dix et vingt sans tenir compte de la réduction de la longueur de la spire moyenne.En outre la bande passante est directement fonction de la fréquence de découpage du circuit électronique de puissance alimentant le primaire et le second découpage par le circuit électronique de pu-issance alimenté par le secondaire permet d'obtenir toute fréquence d'utilisation voulue sous réserve qu'elle soit inférieure à la haute fréquence d'alimentation du primaire.With the invention, the size of the transformer is reduced since, the theoretical size reduction being directly proportional to the frequency, a frequency passing from 50Hz to 100 kHz allows a size reduction of 2000 for the same power. Since the magnetic materials used require a lower induction, if the remaining gain is distributed between the section of the magnetic circuit and the number of turns, the reduction factor of these two elements is established between ten and twenty without taking into account the reduction of the length of the average turn. In addition, the bandwidth is a direct function of the switching frequency of the electronic power circuit supplying the primary and the second cutting by the electronic power circuit supplied by the secondary allows any frequency to be obtained. of desired use provided that it is lower than the high frequency of primary supply.
Selon les-nombres de spires du primaire et du secondaire, le transformateur conforme à l'invention peut être abaisseur ou élévateur de tension ou fonctionner comme un simple convertisseur de fréquence alimenté en continu ou en alternatif.Depending on the number of turns of the primary and secondary, the transformer according to the invention can be step-up or step-up or operate as a simple frequency converter supplied continuously or alternately.
Conformément à l'invention il est possible d'alimenter le primaire avec des impulsions haute fréquence rectangulaires non modulées et d'obtenir sur le secondaire, par un interrupteur rapide fonctionnant en inverseur,une tension alternative en ondes rectangulaires dont la fréquence est fonction de la fréquence de fonctionnement de l'interrupteur secondaire laquelle est une fraction de la fréquence de fonctionnement de l'interrupteur primaire.In accordance with the invention, it is possible to supply the primary with unmodulated rectangular high frequency pulses and to obtain on the secondary, by a fast switch operating as an inverter, an alternating voltage in rectangular waves whose frequency is a function of the operating frequency of the secondary switch which is a fraction of the operating frequency of the primary switch.
Selon un autre mode de réalisation le primaire est alimenté avec des impulsions haute fréquence modulées en amplitude, en largeur ou en fréquence selon une forme périodique ayant la forme périodique de la tension en sortie à obtenir.According to another embodiment, the primary is supplied with high frequency pulses modulated in amplitude, in width or in frequency according to a periodic form having the periodic form of the output voltage to be obtained.
Selon un mode de réalisation l'interrupteur rapide du primaire est alimenté avec un courant d'alimentation (tension alterna- tive) ayant la fréquence de la tension alternative à obtenir en sortie.According to one embodiment, the rapid switch of the primary is supplied with a supply current (alternating voltage) having the frequency of the alternating voltage to be obtained at the output.
Selon un autre mode de réalisation l'interrupteur rapide du primaire est alimenté en continu et il est piloté en durée ou en fréquence par une tension de commande ayant la forme de celle désirée en sortie.According to another embodiment, the rapid switch of the primary is supplied continuously and it is controlled in duration or in frequency by a control voltage having the shape of that desired at the output.
Selon un mode de réalisation, la tension de commande est fournie par une source indépendante.According to one embodiment, the control voltage is supplied by an independent source.
Selon un autre mode de réalisation, la tension de sortie est comparée avec la tension de commande. Dans ce cas l'isolement entre l'étage secondaire de sortie et 11 étage primaire d'entrée est assuré par exemple par un transformateur ou un coupleur opto-électronique. According to another embodiment, the output voltage is compared with the control voltage. In this case, the isolation between the secondary output stage and 11 primary input stage is provided for example by a transformer or an opto-electronic coupler.
Selon un autre mode de réalisation; l'interrupteur-inverseur de sortie est piloté à la fréquence de la tension à obtenir, le courant étant ensuite filtré.According to another embodiment; the output change-over switch is controlled at the frequency of the voltage to be obtained, the current then being filtered.
D'autres caractéristiques de la présente invention apparai- tront à la lecture de la description de divers exemples de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels-:
La figure 1 est un schéma de principe d'un trans
formateur donnant une sortie rectangulaire basse
fréquence; la figure 2 est un schéma de principe
d'un transformateur avec- entrée et sortie sinu
soldates avec modulation d'amplitude; la figure
3 explique la modulation de largeur, la figure
4 la modulation de fréquence et la figure 5
est un schéma électrique d'un transformateur
alimenté par uncircuit découpeur régulé.Other characteristics of the present invention will appear on reading the description of various embodiments given below with reference to the attached drawings in which:
Figure 1 is a block diagram of a trans
trainer giving a low rectangular outlet
frequency; Figure 2 is a block diagram
of a transformer with- sinu input and output
soldiers with amplitude modulation; the figure
3 explains the width modulation, the figure
4 frequency modulation and figure 5
is an electrical diagram of a transformer
powered by a regulated cutting circuit.
La figure 1 illustre un transformateur à noyau magnétique conforme à l'invention qui transforme un courant continu en un courant alternatif à sortie rectangulaire. Le noyau 1 du transformateur est réalisé par frittage de poudre de fer. La référence 2 désigne le primaire et la référence 3 le secondaire du transformateur qui est du type symétrique, le point milieu de l'enroulement secondaire étant connecté à l'une des bornes 4 de sortie. Les deux autres extrémités du secondaire sont connectées par des diodes redresseuses 5 à deux bornes 6 et 7 de l'inverseur 15.FIG. 1 illustrates a transformer with a magnetic core according to the invention which transforms a direct current into an alternating current with rectangular output. The core 1 of the transformer is produced by sintering iron powder. Reference 2 designates the primary and reference 3 the secondary of the transformer which is of the symmetrical type, the midpoint of the secondary winding being connected to one of the output terminals 4. The other two ends of the secondary are connected by rectifier diodes 5 to two terminals 6 and 7 of the inverter 15.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'alimentation du primaire est assurée par deux sources de tension continue 8 connectées en série avec leur point commun 9 connecté à l'une des extrémités du primaire 2. Les deux autres pôles sont reliés aux bornes d'entrée d'un interrupteur commutateur rapide 10 de tout type connu ayant une fréquence de commutation élevée. L'alimentation du primaire a la forme de la courbe ll et les sorties sur les bornes 6 et 7 ont les formes repre- sentées respectivement par les-courbes 12 et 13 avec une fréquence des impulsions identique à la fréquence d'entrée et une tension qui, selon le rapport entre les nombres de spires du primaire et du secondaire, peut être plus élevée ou plus basse que la tension continue d'alimentation.Les bornes 6 et 7 sont commutées sur la borne de sortie 14 par un interrupteur commutateur 15 commandé à la fréquence à obtenir qui peut être quelconque sous réserve d'être inférieure à la fréquence de commutation de l'interrupteur 10. La forme du courant de sortie est représentée par la courbe 16.In the embodiment of Figure 1, the primary is supplied by two DC voltage sources 8 connected in series with their common point 9 connected to one end of the primary 2. The other two poles are connected to input terminals of a quick switch switch 10 of any known type having a high switching frequency. The primary supply has the shape of curve ll and the outputs on terminals 6 and 7 have the shapes represented respectively by curves 12 and 13 with a pulse frequency identical to the input frequency and a voltage which, depending on the ratio between the primary and secondary turns, may be higher or lower than the DC supply voltage. Terminals 6 and 7 are switched to the output terminal 14 by a controlled switch switch 15 at the frequency to be obtained which can be arbitrary provided that it is less than the switching frequency of the switch 10. The shape of the output current is represented by curve 16.
Dans le mode de réalisation de la figure 2 les mêmes éléments ou les éléments équivalents sont désignés par les mêmes références. L'alimentation primaire est assurée par une source alternative 20 à la fréquence de la sortie à obtenir. Le courant alternatif est redressé par les diodes 21 pour donner une tension 22 modulée en amplitude. Un interrupteur eommuta- teur 24 à deux sorties fonctionnant à une fréquence élevée connecte alternativement les deux entrées du primaire 2 sur les bornes 25, 26 alimentes entre 22 et 23. ta forme de la tension primaire du transformateur est celle représentée par la courbe 27 savoir une tension haute fréquence modulée en amplitude à la fréquence de la tension d'alimentation 20. Après élévation ou abaissement de la tension et redressement on obtient sur les bornes 6 et 7 des impulsions à haute fréquence modulées en amplitude comme illustré par les courbes 28 et 29. Un interrupteur-commutateur 30 agit entre les bornes 6 et 7 en les inversant à la fréquence 20 d'alimentation pour alimenter la sortie 4-4' par l'intermédiaire d'un circuit de filtrage L-C, ce qui donne une sortie ayant la forme illustrée par la courbe.31. In the embodiment of Figure 2 the same elements or the equivalent elements are designated by the same references. The primary supply is provided by an alternative source 20 at the frequency of the output to be obtained. The alternating current is rectified by the diodes 21 to give a voltage 22 amplitude modulated. A switch interrupter 24 with two outputs operating at a high frequency alternately connects the two inputs of the primary 2 on the terminals 25, 26 supplied between 22 and 23. The shape of the primary voltage of the transformer is that represented by the curve 27 ie a high frequency voltage modulated in amplitude at the frequency of the supply voltage 20. After raising or lowering the voltage and rectification, high frequency pulses amplitude modulated are obtained on terminals 6 and 7 as illustrated by curves 28 and 29. A switch-switch 30 acts between terminals 6 and 7 by inverting them at the supply frequency 20 to supply output 4-4 'via an LC filtering circuit, which gives an output having the shape illustrated by the curve. 31.
Dans la pratique les interrupteurs-commutateurs 10, 15, 24 et 30 sont des commutateurs électroniques à fréquence de commutation fixe ou pilotée.In practice, the switch-switches 10, 15, 24 and 30 are electronic switches with fixed or controlled switching frequency.
Dans l'exemple ci-dessus décrit avec référence à la figure 2,la tension du primaire est modulée en amplitude mais il est également possible, en utilisant des circuits à semiconducteurs notamment des circuits intégres à découpage pilotés pour l'interrupteur rapide 24, de modulercelle-ci en durée, la largeur des créneaux engendrés à fréquence fixe variant de façon sinusoidale comme illustré dans la figure 3 ou de la moduler en fréquence, la fréquence des impulsions variant de façon sinusoidale comme illustré dans la figure 4.In the example described above with reference to FIG. 2, the voltage of the primary is amplitude modulated, but it is also possible, using semiconductor circuits, in particular integrated chopping circuits controlled for the fast switch 24, to modulate it in duration, the width of the slots generated at a fixed frequency varying sinusoidally as illustrated in FIG. 3 or modulating it in frequency, the frequency of the pulses varying sinusoidally as illustrated in FIG. 4.
Un exemple du schéma électronique a d'un mode de réalisation du transformateur alimenté par un circuit intégré de découpage piloté et de son circuit est illustré dans la figure 5. Dans cette figure T2 désigne l'ensemble du transformateur proprement dit avec son noyau 1, son primaire 2, son secondaire 3. La référence 4 désigne la borne de sortie connectée au point milieu du secondaire et 5 les diodes redresseuses. te pointu milieu du transformateur est alimenté en tension continue sous 24 volts et l'interrupteur rapide constitué par un circuit intégré de découpage vendu dans le commerce sous la désignation SG1524 est piloté en fréquence par une source 35 de tension alternative à 50 périodes, source qui peut être constituée par le réseau ou par un oscillateur.La tension alternative de commande est redressée par des diodes 36 pour donner une tension dont la forme est représentée par le courbe ) ette tension redressée est appliquée sur une des bornes d'entrée de l'amplificateur d'erreur du circuit intégré pour piloter le circuit intégré 38 du type SG1524 de manière à fournir sur les deux sorties 39 deux tensions en impulsions rectangulaires modulées en largeur, la forme de la tension étant illustrée par la courbe 41. Les impulsions de la courbe 41 sont modulées en largeur à 100Hz pour une commande à 50 Hz et leur fréquence est d'environ 150 kHz. L'étage de puissance de l'interrupteur rapide est constitué par deux MOS (MOS 1 et MOS 2) montés en push-pull sur les grilles desquels sont appliquées les deux tensions rectangulaires modulées en largeur.Les drains sont connectés aux deux extrémités du primaire 2 dont le point milieu est connecté au potentiel à 24 volts. An example of the electronic diagram a of an embodiment of the transformer supplied by an integrated controlled cutting circuit and of its circuit is illustrated in FIG. 5. In this figure T2 designates the assembly of the transformer proper with its core 1, its primary 2, its secondary 3. The reference 4 designates the output terminal connected to the middle point of the secondary and 5 the rectifier diodes. the pointed middle of the transformer is supplied with direct voltage at 24 volts and the rapid switch constituted by an integrated cutting circuit sold commercially under the designation SG1524 is frequency controlled by a source 35 of alternating voltage at 50 periods, source which can be constituted by the network or by an oscillator. The alternating control voltage is rectified by diodes 36 to give a voltage whose shape is represented by the curve) and this rectified voltage is applied to one of the input terminals of the integrated circuit error amplifier to drive the integrated circuit 38 of the SG1524 type so as to supply two voltages in two rectangular pulses modulated in width, the shape of the voltage being illustrated by curve 41. The pulses of the curve 41 are modulated in width at 100 Hz for a command at 50 Hz and their frequency is approximately 150 kHz. The power stage of the quick switch consists of two MOS (MOS 1 and MOS 2) mounted in push-pull on the grids of which are applied the two rectangular voltages modulated in width. The drains are connected at both ends of the primary 2, the midpoint of which is connected to the potential at 24 volts.
On obtient sur le secondaire de T2 avec ou sans accroissement ou réduction du potentiel en fonction des nombres de spires du primaire et du secondaire, une tension d'allure alternative avec des impulsions en créneaux alternativement positives et négatives comme illustré par la courbe 42. Si le transformateur fonctionne en secours d'un réseau le rapport de transformation sera choisi pour fournir une tension de 220V. Cette tension redressée par les diodes 5 donne des tensions redressées ayant les formes illustrées par les courbes 43 et 43'.Ces tensions sont appliquées à deux transistors Q1 et Q2 montés en push-pull qui sont commandés sur leurs bases par les deux enroulements secondaires symétriques d'un transformateur
T4 dont le primaire est alimenté à la même fréquence et en concordance de phase avec T1, de préférence avec une tension rectangulaire de rapport 50/50 comme illustré par la courbe 44. I1 est bien certain que la courbe 44 pourrait être différente et notamment avoir une fréquence différente de, par exemple,60, 400 ou 1200 Hz et une forme autre que sinusoldale et si nécessaire continuéllement variable depuis le continu, la seule condition étant que la fréquence soit inférieure à la fréquence des impulsions délivrées par le circuit intégré de découpage SG1524.One obtains on the secondary of T2 with or without increase or reduction of the potential as a function of the numbers of turns of the primary and secondary, an alternating-looking voltage with pulses in alternately positive and negative slots as illustrated by curve 42. If the transformer operates in backup mode of a network, the transformation ratio will be chosen to supply a voltage of 220V. This voltage rectified by the diodes 5 gives rectified voltages having the shapes illustrated by the curves 43 and 43 '. These voltages are applied to two transistors Q1 and Q2 mounted in push-pull which are controlled on their bases by the two symmetrical secondary windings of a transformer
T4 whose primary is supplied at the same frequency and in phase agreement with T1, preferably with a rectangular voltage of 50/50 ratio as illustrated by curve 44. I1 is quite certain that curve 44 could be different and in particular have a frequency different from, for example, 60, 400 or 1200 Hz and a form other than sinusoidal and if necessary continuously variable only from the continuous, the only condition being that the frequency is lower than the frequency of the pulses delivered by the integrated cutting circuit SG1524.
Pour filtrer et lisser la forme de tension de la courbe 45 un montage L-C peut être monté comme illustré.To filter and smooth the tension form of curve 45, an L-C assembly can be mounted as illustrated.
I1 est possible et souhaitable de comparer en permanence la tension de sortie à la référence pilote 35. Pour ce faire la sortie est appliquée avec le sens convenable en contreréaction à l'amplificateur d'erreur du circuit intégré SG1524. It is possible and desirable to permanently compare the output voltage with the pilot reference 35. To do this, the output is applied with the appropriate direction in counter-reaction to the error amplifier of the integrated circuit SG1524.
Cette contre réaction est transmise dans l'exemple représenté par le transformateur de très faible puissance T3 et les diodes 47. te potentiomètre P2 permet de régler la tension d'erreur.This feedback is transmitted in the example represented by the very low power transformer T3 and the diodes 47. the potentiometer P2 makes it possible to adjust the error voltage.
Dans le schéma la résistance 48 et la capacité 49 servent à fixer la fréquence de ltoscillateur interne du circuit intégré 38 qui commande les transistors de sortie et le potentiomètre réglable P1 permet doptimiser le gain de l'amplification.In the diagram, the resistor 48 and the capacitor 49 serve to fix the frequency of the internal oscillator of the integrated circuit 38 which controls the output transistors and the adjustable potentiometer P1 makes it possible to optimize the gain of the amplification.
Un transformateur conforme au mode de réalisation ci-dessus avec une fréquence d'impulsions de 150 kHz et avec une section magnétique de 4 cm2 avec noyau en poudre de fer frittée transmet 800 watts avec un rendement de 85 à 90%. A transformer according to the above embodiment with a pulse frequency of 150 kHz and with a magnetic section of 4 cm2 with a core of sintered iron powder transmits 800 watts with an efficiency of 85 to 90%.
L'invention permet notamment de produire à partir d'une tension continue, par exemple un accumulateur, une tension alternative dont la tension et la fréquence sont les mêmes que celles du secteur, pendant une défaillance de ce dernier.The invention makes it possible in particular to produce from a direct voltage, for example an accumulator, an alternating voltage whose voltage and frequency are the same as those of the sector, during a failure of the latter.
Elle permet dans le chauffage par inductio de régler la fréquence soit pour s'adapter à l'impédance du matériau qui varie avec sa température, soit pour régler la profondeur de chauffe ou pour avoir un inducteur facilement réalisable.It allows in the heating by inductio to adjust the frequency either to adapt to the impedance of the material which varies with its temperature, either to regulate the depth of heating or to have an inductor easily achievable.
Dans diverses applications l'invention permet de régler la fréquence pour faciliter l'écoulement d'un produit (trémie) ou améliorer le tassement (béton) ou le rendement (tubes fluorescents), et en général pour réaliser tous phénomènes qui évoluent en fonction de la fréquence. Elle permet enfin de régler ou de programmer la forme, la fréquence et l'amplitude du courant de sortie depuis le continu en conservant un rendement élevé et de remplacer des générateurs multiples par un seul élément compact. In various applications, the invention makes it possible to adjust the frequency to facilitate the flow of a product (hopper) or improve the settlement (concrete) or the yield (fluorescent tubes), and in general to carry out all phenomena which evolve as a function of frequency. Finally, it makes it possible to adjust or program the shape, frequency and amplitude of the output current from DC while maintaining high efficiency and to replace multiple generators with a single compact element.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8304999A FR2543357A1 (en) | 1983-03-25 | 1983-03-25 | Electrical power transformer of reduced size allowing control of the characteristics of the output voltage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8304999A FR2543357A1 (en) | 1983-03-25 | 1983-03-25 | Electrical power transformer of reduced size allowing control of the characteristics of the output voltage |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR2543357A1 true FR2543357A1 (en) | 1984-09-28 |
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ID=9287269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR8304999A Pending FR2543357A1 (en) | 1983-03-25 | 1983-03-25 | Electrical power transformer of reduced size allowing control of the characteristics of the output voltage |
Country Status (1)
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| FR (1) | FR2543357A1 (en) |
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