Brevet FR2027376A1 — publié le 19700925

La présente invention a trait à un trantformateur triphasé comprenant un noyau magnétique constitué par quatre branches. On sait que, dans le cas de transformateurs électriques triphasés du type à noyau à trois branches à montage compact, la 5 tension d'alimentation primaire étant appliquée au transformateur par l'intermédiaire de cftbles blindés souterrains, un tel transformateur constitue un circuit qui peut donner lieu à de la ferro-résonance. Par exemple, lorsque les enroulements primaires du transformateur sont commutés de façon séquentielle à l'aide de 10 'disjoncteurs monophasés, ce qui est la pratique habituelle, il se fait qu'en un point de" la séquence de commutation du flux circule dans la branche d'un enroulement è circuit ouvert sous l'effet d'une autre phase ou des deux autres phases déjà alimentées. La réactance induetive de 1~*enroulement à circuit ouvert est en fait 15 connectée en série avec la capacité de terre du cftble blindé y relié, et la tension induite dans l'enroulement à circuit ouvert •oui l'influence du flux qui traverse cet enroulement à cause de la phase ou des phases déjà alimentées, peut donner lieu à des surtensions dues à un phénomène de ferrorésonance qui se produit 20 dans •• eircuit série. Le problème de la ferrorésonance peut être résolu ou tout au moins minimisé dans dea limites acceptables en connectant les enroulements primaires et les enroulements secondaires du transformateur en étoile et en mettant les neutres à la terre. 2$ Le neutre mis à la terre du montage en étoile .court-circuitfeles réactances de résonance et réduit au minimum les risques de ferrorésonance . Cependant, la connexion étoile-étoile mise à la terre du transformateur établit un chemin qui peut être parcouru au 30 moment zéro de la séquence de commutation par des c ourants dus à des déséquilibres de charge et aussi à cause de court-circuits entre lignes et terre. Puisque les flux à la séquence zéro traversant les trois branches des enroulements sont en phase, il faut prévoir l'un ou l'autre moyen de retour pour ce flux car 35 sinon ce flux sera amené à sortir du noyau magnétique et à pénétrer dans les bfttis d'extrémité du noyau ainsi que dans les parois de la cuve, ce qui peut provoquer un échauffement sérieux BAD ORIGINAL 69 45425 2 2027376 de ces éléments. Le fait de monter des enroulements tertiaires ou auxiliaires classiques de chaque branche d'enroulement et de les connecter en triangle ne constitue pas une solution satisfaisante 5 ou économique du problème dans le cas d'un montage compact. L'impédance â séquence zéro d'un tel enroulement tertiaire connecté en triangle est habituellement si faible que l'amplitude du courant de séquence zéro circulant à la suite d'un court-circuit entre les enroulements primaires du transformateur et la généra-10 trice électrique ou la source d'énergie, peut faire fondre un ou plusieurs des fusibles des enroulements primaires au lieu de faire lever le défaut uniquement par l'appareil de protection prévu 'à cet effet à la source. Si on voulait réaliser l'enraulo-ment tertiaire de manière qu'il ait l'impédance voulu», ceci 15 constituerait une solution coûteuse et, par conséquent, indésirable du problème. Four ces motifs, il est connu d'utiliser un «oyau Magnétique à cinq branches monté sous la forma d'un, transformateur du type compact ayant un noyau de forme triphasée. Les enroule» 20 ments primaires et secondaires sont chacun connectés en étoile et mis à la terre. Les trois branches intermédiaires du noyau magnétique sont les branches pour les enroulements et les deux branches extérieures c onstituent un chemin de retour pour tout flux à séquence zéro qii traverserait les branches d'enroulements 25 du noyau. L'impédance présentée par les deux branches extérieures au passage d'un flux à séquence zéro est telle que le flux Mate dans le noyau, n'établissant donc pas un chemin de retour par les bâtis d'extrémité du noyau et les parois de la cuve. En outre, l'amplitude du courant è séquence zéro est limitée, empêchant 30 ainsi que les fusibles du transformateur fondent lors d'un court-circuit entre ligne et terre situé entre la source d'énergie et l'enroulement primaire du transformateur. Bien que le noyau magnétique à cinq branches résolve les difficultés précitées qui accompagnent les transformateurs compacts 35 ayant des enroulements connectés en étoile-Ôtoile, le noyau â cinq branches fait circuler dans les branches extérieures non pourvues d'enroulements ainsi que dans les culasses un flux non SAD ORIGINAL 69 45425 3 2027376 sinusoïdal qui provoque des pertes anormalement élevées et un bruit exagéré. Cette solution a aussi pour effet d'augmenter la longueur de la culasse du noyau magnétique„ Par conséouent, il serait souhaitable de procurer un 5 transformateur triphasé nouveau et perfectionné du type à noyau compact et connecté en étoile-étoile avec mise à la terre, présentant des pertes plus faibles et moins de bruit qu'un noyau magnétique à cinq branches de la même capacité» La présente invention comprend un transformateur tri-10 phasé comprenant un noyau magnétique constitué par une première branche, une deuxième branche, une troisième branche et une quatrième branche disposées parallèlement et de façon espacée par rapport à une première culasse et une deuxième culasse agencées de manière à relier les extrémités des branches, la quatrième 15 branche se situant à l'extérieur de la première, de la deuxième et de la troisième branches, tandis que le premier enroulement, le deuxième enroulement et le troisième enroulement de phase sont indue tivexnent associés respectivement à la première branche, à la deuxième branche et à la troisième branche, les enroulements 20 de phase comportant les enroulements primaire et secondaire connectés en étoile-étoile avec mise à la terre, tandis que la quatrième branche ne porte pas d'enroulements. L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : 25 - la figure 1 est une vue en élévation d'un transforma teur c onstruit selon la présente invention, et - la figure 2 est une vue en élévation d'un transformateur construit suivant les anciennes techniques. La figure 1 représente un transformateur triphasé 10 30 construit selon la présente invention et comprenant un noyau magnétique nouveau et perfectionné 12 représenté en élévation et des enroulements de phase 1I|_, 16 et 18 représentés généralement en traits interrompus, chaque enroulementcomportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire représentés schémati-35 quement. L'enroulement de phase 1ij. comprend un enroulement primaire 20 et un enroulement secondaire 22, l'enroulement de phase 16 comprenant un enroulement primaire 2if. et un enroulements econ- BAD ORIGINAL 69 45425 2027376 daire 26 et 1'enroulement de phase 18 comprenant un enroulement primaire 28 et un enroulement secondaire 30. Le transformateur 10 est du type à noyau et triphasé, ses enroulements primaires et secondaires étant connectés en étoile-étoile avec mise à la 5 terre. Le noyau magnétique 12 comprend une première branche 32, une deuxième branche 3i+- et une\ troisième branche 36, ainsi qu'une branche supplémentaire 37, ces branches étant disposées de façon parallèle et espacée, leurs extrémités étant réunies 10 par une culasse supérieure 38 et une culasse inférieure lj.0. Les branches 32, 3lf, 36 et 37 se composent chacune de tôles de métal magnétique empilées, par exemple de l'acier électrique au silicium laminé à froid ayant au moins une orientation magnétique préférée. Les extrémités des tôles qui constituent la première 15 branche 32 et la branche supplémentaire 37 ont leurs extrémités découpées en diagonale, par exemple suivant un angle de Ij.5? par rapport à la dimension longitudinale de la tôle, et les extrémités des tôles constituant la deuxième branche 3k- et la t roisiêm» branche 36 sont découpées de façon â constituer des "pointea" 20 avec deux découpes en diagonale à chaque extrémité. La quatrième branche 37 est disposée à l'extérieur ou à une extrémité des branches portant des enroulements, par exemple la branche d'enroulement adjacente 36. A l'opposé des branches 32, 3^ et 36, la branche 37 ne porte pas d'enroulement. 25 La culasse supérieure 38 et la culasse inférieure ij.0 se composent de plusieurs couches de tôles de métal magnétique semblables à celles des branches 32, 3h* 36 et 37, chaque couche comprenant une ou plusieurs tôles. La culasse supérieure 38 peut comporter trois tôles par couche, tandis que la culasse inférieure 30 Lj-0 peut comporter deux tôles par couche. Les extrémités des tôles extérieures de la culasse supérieure et de la culasse inférieure sont découpées en diagonale de manière à s'adapter aux découpes en diagonale des tôles des branches extérieures 32 et ~"37. Chaque couche de tôles de la culasse supérieure 38 et de la cullase in-35 férieure Lj.0 comporte aussi un évidement approprié formé par le joint de deux tôles ou bien cet évidement est découpé dans le côté d'une tôle, de manière à s'adapter aux pointes des deux bran- ' COpV 69 45425 s 2027376 ches intermédiaires 3k- et 36. Les joints formés dans cette couche de tôle entre les différentes branches et culasses peuvent être disposés en quinconce d'une couche a l'autre, comme cela est représenté par les 5 lignes en traits interrompus de la figure 1 . Les branches 32, 3k- et 36 ainsi que les parties de la culasse supérieure 38 et de la culasse inférieure I4.O qui les rejoignent, ont les mêmes dimensions que dans le cas d'un noyau magnétique à trois branches de type connu ayant la même capacité 10 ët la largeur des branches est la même aussi. La branche supplémentaire 37 a la même largeur que les branches d'enroulement 32, 3i|. et 36, ce qui constitue sa largeur maximum. Des conditions pratiques peuvent permettre de réduire la largeur de la branche supplémentaire, mais puisqu'il est intéressant en cours de fabri-15 cation d'utiliser la même largeur de tôle pour toutes les branches cette branche supplémentaire aura la même largeur W que les branches d'enroulement pour des raisons pratiques. Les tôles des culasses ont la même largeur W que les tôles des branches d'enroulement. Cependant, si cela est nécessaire, on peut augmenter la 20 largeur de la culasse afin d'augmenter le dimensionnement de la culasse entre les côtés extérieurs des culasses et les extrémités des pointes pratiquées sur les branches intermédiaires 20 et 30. La partie restante du noyau magnétique 12 allant de la branche d'enroulement 36 à la branche 37 est différente d'un noyau 35 magnétique à trois branches conventionnel, cette partie de la culasse supérieure et de la culasse inférieure étant prolongée de manière à recevoir la quatrième branche 37 avec une fenêtre pour le passage des enroulements montés sur la branche d'enroulement 36. Comparativement au noyau à cinq branches représenté à la figure 30 2, les fenêtres du noyau magnétique 12 devant recevoir les. enroulements de deux branches d'enroulement ont la dimension A tandis que la fenêtre devant recevoir les enroulements d'une seule branche d'enroulement a la dimension B. C'est ainsi que la fenêtre lj.2 entre les branches d'enroulement 32 et 3k- a u*16 dimension A, tan-35 dis que la fenêtre i]I(. entre les branches d'enroulement 3J4. et 36 ont aussi une dimension A et que la fenêtre I4.6 entre la branche d'enroulement 36 et la branche supplémentaire 37 a une dimension COPV 69 45425 6 2027376 B. La longueur totale du noyau magnétique 12 est donc égale à i|.W + 2A + B. Les enroulements primaires et secondaires sont c onnectés en étoile-étoile avec mise à la terre', l'enroulement primaire 5 comprenant les sections d'enroulements de phase 20, 2i{. et 28 entourant respectivement les branches d'enroulement 32» 3k- et 36» Les sections d'enroulements de phase 20, 2l{. et 28 ont une extrémité reliée aux bornes respectives lj.8, 50 et 52 qui peuvent être connectées à une source de tension alternative triphasée, tandis 10 que les autres extrémités des sections d'enroulements de phase sont réunies au neutre 5ij- qui est mis à la terre en 56. L'enroulement secondaire comprend les sections d'enroulements de phase 22, 26 et 30 qii entourent respectivement les branches d'enroulement 32# 3ty- et 36. Les sections d'enroule-15 ments de phase 22, 26 et 30 ont une extrémité reliée aux bornes respectives 68, 70 et 72 qui peuvent être connectées à un circuit de charge à courant alternatif triphasé tandis que les autres extrémités sont réunies au neutre 7k- Qui est mis à la terre en 76. 20 Bien que les sections d'enroulements de phase primaires et secondaires soient représentées espacées sur chaque branche d'enroulement, ces sections d'enroulement seràont généralement* ce qui est conforme à la construction classique du transformateur t à noyau, disposées concentriquement les unes par rapport aux 25 autres. Des transformateurs de puissance du type contact connectés dans le réseau électrique via les etbles blindés souterrains présentent des problèmes de ferrorésonance à cause de la capacité du câble blindé mis à la terre. L'influeiïce de la ferro-30 résonance est notablement réduite si on connecte les enroulements en étoile-étoile avec mise à la terre. Cependant, cette connexion des enroulements établit un chemin parcouru par les courants à séquence zéro au cours de déséquilibre de charge ou pendent des conditions de court-circuit, et il faut donc trouver l'un ou 35 l'autre remède pour tenir compte de ce flux à séquence zéro. Un noyau magnétique du type cuirassé possède automatiquement des chemins de retour pour le f lux à séquence zéro dans chaque branche BÂD ORIGINAL 69 45425 7 2027376 d'enroulement, et cette forme du noyau magnétique cuirassé à cinq branches a été appliquée aussi au transformateur du type à noyau comme cela est représenté par le noyau magnétique à cinq branches 80 connu représenté à la figure 2. Pour pouvoir faire la comparai-5 son avec le noyau magnétique 12 de la figure 1, l'ancien noyau magnétique à cinq branches 8o est supposé avoir la même capacité que le noyau magnétique 12 et, par conséquent, les mêmes dimensions» Plus spécifiquement, comme la figure 2 le montre, le noyau magnétique 80 comprend trois branches d'enroulement intermédiaires 10 82,81). et 86 recevant les sections d'enroulements de phase 88,90 et '92 respectivement des enroulements primaires et secondaires, ces enroulements étant représentés en traits interrompus.Le noyau magnétique 80 possède aussi deux branches extérieures 9i}. et 96 ainsi que la culasse supérieure 98 et la culasse inférieure 100» La cu-15 -lasse 98 et ia cvilasse 100 réunissent les extrémités des branches espacées parallèlement de manière à constituer des fenêtres 102, 101{.,106 et lo8«Les branches d'enroulement 82,8Ij. et 86 ont une largeur égale à V et les fenêtres 101{. et 106 ont une largeur égale à A,puisque ces fenêtres reçoivent chacune les enroulements de deux 20 branches d'enroulement .Les branches extérieures 9l{- et 96 ont habituellement une largeur égale à la moitié de la largeur de la bran-ohe d'enroulement plus un demi pouce c'est-à-dire W/2+1/2 pouce, tandis que les fenêtres 102 et 108 ont une largeur égale à B, puisque ces fenêtres ne reçoivent que les enroulements d'une branche 25 d'enroulement. Par conséquent la longueur totale du noyau magnétique à cinq branches 80 est égale à J}.W+2A+2B+1 pouce. Comme la longueur totale du noyau magnétique à quatre branches 12 est égale à lj.W+2A+B,. la culasse supérieure 98 et la culasse inférieure 100 du noyau magnétique 80 sont plus longues que la culasse supérieure 2lj. 30 et la culasse inférieure 26 du noyau magnétique 12 d'une valeur égale à B+1 pouce. Le noyau magnétique 12 est notablement plus court que le noyau magnétique 80. En outre, le noyau magnétique 12 est plus facile à fabriquer que le noyau magnétique 80, puisqu'il peut être construit à l'aide de tôles ayant toujours la même di-35 mension W, alors que le noyau magnétique 80 exige au moins deux largeurs de tôles notamment W et W/2 + 1/2 pouce. Les pertes et le niveau de bruit du noyau magnétique à cinq branches connu 80 sont notablement plus élevés que dans le cas d'un noyau magnétique conventionnel à trois branches de la I4.O même capacité, surtout quand il s'agit de transformateurs d'une 69 45425 2027376 puissance de 1000 KVA et plus. Ceci est dû à la génération spontanée de flux harmoniques qui déforment le flux dans les culasses. Le noyau magnétique à quatre branches 12 qui ne présente pas de distorsion de forme d'onde dans le cas des flux de culasse compa-5 rativement à la distorsion obtenue dans un noyau à cinq branches, produit des pertes et un niveau de bruit plus proches de ceux de l noyaux magnétiques classiques à trois branches ayant la même capacité. Par conséquent, pour réaliser un noyau à cinq branches ayant un niveau de bruit et des pertes comparables à ceux d'un 10 noyau à quatre branches conforme à la présente invention, les dimensions et la s ection transversale du noyau à cinq branches devraient être notablement accrues. La branche 37 du noyau magnétique 12 constitue un chemin de retour pour les flux à séquence zéro circulant en phase 15 dans les branches d'enroulement^ au cas d'un déséquilibre de charge, un tel chemin présentant une impédance plus faible au flux à séquence zéro que les bâtis d'extrémité du noyau et les parois en acier de la cuve, de sorte que la majorité du flux à séquence zéro ne passe pas par ces éléments qui ne sont donc pas échauffés. 20 En outre, l'impédance présentée par la branche 37 aux flux à séquen ce zéro limite l'amplitude des courants à séquence zéro à une valeur trop faible pour faire fondre les fusibles primaires du transformateur au cours d'un court-circuit entre ligne et terre situé entre des enroulements primaires du transformateur et la 25 source d'énergie. Le seul moment où la branche 37 véhicule un flux magnétique correspond à des circonstances extraordinaires comme, par exemple, des court-circuits et des déséquilibres entre phases. Par conséquent, au lieu d'utiliser la môme qualité'acier élec-30 trique que pour les branches d'enroulement, il est possible d'utiliser de l'acier à plus bas prix de revient, par exemple de l'acier laminé à chaud. L'impédance de magnétisation de la branche supplémentaire 37 n'est pas aussi critique que celle des branches d'en-35 roulement. Il n'est donc pas indispensable que cette branche soit râinie aux culasses par un joint enchevêtré, comme cela est indiqué â la figure 1. Par exemple, la branche supplémentaire peut 69 45425 9 2027376 être réunie aux culasses par un joint du type bout à bout. Bien que le noyau magnétique 12 représenté ait des branches d'enroulement de section transversale rectangulaire convenant pour des bobines ayant une forme intérieure rectangulaire, 5 il va de soi que les branches d'enroulement peuvent avoir une section transversale cruciforme pouvant recevoir des bobinages ayant une forme intérieure circulaire. En résumé, il a été décrit ci-déssus un transformateur triphasé nouveau et perfectionné du type à noyau ayant un noyau 10 magnétique nouveau et perfectionné et des enroulements primaires et secondaires montés'en étoile-étoile avec mise â la terre, permettant un montage compact et les connexions par des câbles blindés souterrains. La quatrième branche, située à l'extérieur des branches d'enroulement, établit un chemin pour le flux à séquence 15 zéro pendant des déséquilibres de phase tout en fonctionnant de façon semblable à un noyau triphasé conventionnel ayant la même capacité en condition de fonctionnement norna les e, Ceci constitue un avantage notable par rapport aux noyaux magnétiques à cinq branches connus que l'on utilise habituellement dans de tels cas 20 d*application, puisque le noyau magnétique à quatre branches de la présente invention a une largeur plus petite que celle d'un noyau à cinq branches comparable. Le noyau magnétique è quatre branches décrit ici ne provoque pas de distorsion de forme d 2onde pour les flux de culasse, ce qui permet de réduire les pertes 25 et le niveau de bruit comparativement au noyau â cinq branches. Le noyau magnétique à quatre branches facilite aussi la fabrication comparativement au noyau magnétique à cinq branches, puisque toutes les tôles peuvent avoir la même largeur® 8AD ORIGINAL 69 45425 10 2027376 BEfEHDIOATIONS 1s transformateur triphasé comprenant un noyau magnétique ©onstîtué par une première branche, ans deuxième branehe5 une troisième branche et une quatrième branche disposées de façon 5 parallèle et espacée par rapport â une première sulasse et une deuxième culasse reliant les extrémités des branches5 la q uatriè-me branche étant située â 11 extérieur de la première, de la deuxième et de la troisième branches9 les premiers, deuxièmes et troisièmes enroulements de phase étant couplés- induet ivenent aux 10 première, deuxième, troisième branches uniquement, les enroulements de phase comprenant des enroulements primaires et- secondai^ res connectés en étoile-étoile avec mise à la terre, la quatrième branche ne portant pas d'enroulement. 2. îr ans formateur selon la revendication 13 caractérisé 15 par le fait que la largeur de chaque branche est an subctp.nco la même. 3. Transformateur selon la revendication 1 ou 25 caractérisé par le fait que la largeur -des culasses est aa zaoîa® égals â la largeur des branches. 20 i}.» ©p.ans formateur selos l'un© des revendications pyêeé® dentes, caractérisé par 1© fait qu'au moins la pr©aiêz3®,, la deuxième et la troisième branches ont la même lasgew ot- par la fait que les culasses ont an© largeur au moins égal® â la largotop de la preaiière, de la deuxième et ds la troisième branohes» BAD ORIGINAL