Brevet FR2095175A1 — publié le 19720211

La présente invention concerne les bobinages équipés de circuits magnétiques fermés. Lors de la mise en oeuvre de circuits magnétiques fermés, c'est-à-dire sans entrefer, la présence dans les enroulements primaires de courants continus peut entraSner une saturation du noyau magnétique. Le point de fonctionnement moyen se déplace dans le cycle d'hystérégis vers lune des cornes, suivant le sens des courants continus ; il en résulte une impossibilité d'avoir un fonctionnement linéaire pour des signaux alternatif4 Ce phénomène bien connu est parfois utilisé comme limitation ou régulation (inductance saturable). Dans les inductances et les transformateurs monophasés ou triphasés, ce phénomène constitue le plus souvent un effet gagnants pouvant parfois amener un surdsmensionnevent du circuit magnétique. La présente invention apporte un moyen de réduire la saturation due à la présence d'un courant continu, ce courant pouvant suivant les applications se manifester dans un seul sens ou bien dans les deux sens. Une particularité essentielle de l'invention est l'utilisation d'enroulements auxiliaires sur le circuit magnétique, refermés chacun sur une diode0 De cette façon, une seule al- ternance de courant induit traverse les enroulements auxiliai rets0 Il on résulte l'équivalent d'une composante continue sur le champ magnétique appliqué au circuit nagnétique,-aette composante peut être choisie de manière à compenser l'influence de courants continus dans les enroulements primaires sur le champ magnétique. Selon une autre particularité de la présente invention, lorsque les courants continus sont de polarité non déterminée, on scinde le circuit magnétique en deux parties, chacune de ces parties étant munie d'un enroulement auxiliaire avec diode, et pouvant fonctionner sans saturation pour une des orientations possibles du ou des courants continus primaires susceptibles d'engendrer la saturation d'un circuit magnétique normal de mêmes caractéristiques. L'invention s'applique à tous les dispositifs faisant intervenir un circuit magnétique dans lequel existe un danger de saturation, en raison d'un courant continu de sens défini ou non. Sont concernées par exemple, les inductances de titrage qui ont pour but de réduire la composante alternative dsun courant continu déterminé, les transformateurs de sortie dans les montages d'amplification en classe A dont l'enroulement primaire est traversé par un courant continu correspondant â la polarisation d'un composant électronique auquel se superpose le courant alternatif amplifiés L'attention de la Demanderesse s'est portée tout particulièrement sur les transformateurs d'intensité pour les dis joncteurs différentiels. Ces transformateurs doivent être capables de détecter des courants de défaut dans une installation.Un courant de défaut correspond à une différence entre les courants résultants totaux des diverses phases de l'alimen- tation et du conducteur neutre. La présence de composantes continues, dont le sens n'est pas défini à priori, dans l'un des conducteurs de phase oulbutre, peut entraver la transmission du courant de défaut par le transformateur différentiel, ce qui empoche le bon fonctionnement du 8isjoncteur. Ce cas étant plus général, puisque la polarité ou courant continu n'est pas déterminée, il sera décrit en détail par la suite. Bar l.s figures du dessin~annexé est représenté, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un transforxa- teur d'intensité différentiel selon l'invention, ainsi que plu- sieurs variantes dans la commande du disJoncteur différentiel à partir de signaux prélevés sur le transformateur t - la figure 1 représente le schéma de principe d'un transformateur d'intensité différentiel selon l'invention, - la figure 2 comprend trois graphiques sur lesquels sont représentés, dans le cycle d'hystérésis du matériau composant le circuit Magnétique, les domaines de fonctionnement correspondant aux deux circuits magnétiques du transformateur selon l'invention et le domaine de fonctionnement d'un transformateur d'intensité différentiel du type classique, et - les figures 3, 4, 5 et 6 représentent quatre modes de réalisation de la liaison entre le transformateur selon l'invention et le relais d'un disjoncteur différentiel0 Sur la figure 1, l'enroulement primaire P du transformateur est une représentation schématigue de l'ensemble des enroulements des phases et du neutre ; cet enroulement est traversé par le courant continu résultant I, qui aura sur les circuits magnétiques la meme influence que l'ensemble des courants continus traversant tous les enroulements, et par un courant alternatif résultant i défini dans les mimes conditions. Le transformateur utilise deux circuits magnétiques 1 et 2 autour desquels sont bobinés des enroulements auxiliaires respectivement El et E20 Ces enroulements auxiliaires se referment sur des diodes D1 et D2. Un enroulement secondaire S peut être disposé dans ce transformateur de la même manière que le ou les enroulements primaires0 Les deux circuits magnétiques sont équipés de telle sorte que - si les enroulements auxiliaires sont de mme sens, les diodes soient de sens inverse, - Si les enroulements auxiliaires sont de sens contraire, les diodes soient de meme sens. Les enroulements 1 et 2 sont traversés par des courants notés respectivement il et i2. Les diodes D1 et D2 présentent dans un sens de passage du courant une faible résistance et dans l'autre sens de passage du courant, une grande résistance0 Les champs magnétisants Hn et E2 dans chacun des circuits magnétiques 1 et 2 vont maintenant être considérés. Dans le circuit magnétique 1, le champ magnétisant E1 est la résultante des trois champs magnétiques suivants * 41tn I qui est le champ créé par la composante continue I du courant parcourant les n spires du courant primaire, * 4dn i qui est le champ créé par la composante variable ins tantanée i du courant primaire, 4pn1 i1 qui est le champ dA au courant in induit dans lten- roulement auxiliaire El par la composante variable instantanée i du courant primaire, l'enroulement El comprenant ni spires, Les courants in et i sont en opposition de phase, Le champ magnétique, dans le circuit magnétique El, est alors donné par l'expression suivante H1 = 4 #n I + 4# n i - 4 # n1 i1 (1) De la même manière le champ magnétique dans le circuit magnétique E2 s'exprime H2 = 4 #n I + 4 #n i - 4 #n2 i2 (2) Selon le sens de la tension instantanée présente à leurs bornes, les diodes D1 et D2 laissent passer ou non les courants i1 et i2. Selon la disposition qui a été exposée plus haut pour les enroulements El et E2 et les diodes D et et 1 > 2, les courants induits par le courant primaire i engendrent aux bornes des diodes des tensions instantanées qui sont respectivement de sens opposé par rapport aux polarités respectives des diodes. Les courants in et i2 ne pourront donc s'établir qu'à l'exclusion l'un de a0 l'autres Dans la mesure où les enroulements auxiliaires n'ont pas une très grande résistance, c'est la dérivée du courant primaire qui donne le signe de la tension aux bornes des diodes. Il est possible par exemple de choisir le sens du courant I de telle sorte que sa dérivée soit positive lorsque la diode D1 est à l'état conducteur. La dérivée du courant i sera notée par la suite : di/dt. Lorsque cette dérivée di/dt est positive, un courant in traverse l'enroulement E1. Ce courant s'établit de manière que les composantes alternatives du champ magnétisant H1 dans le circuit magnétique 1 s'annulent Si di/dt > 0 : 4# n i - 4# n1 i1 = 0 et i2 = 0 (3) Le courant de l'enroulement E2 est en effet nul, puisqu'il existe un courant dans l'enroulement El et que ces courants s'établissent à l'exclusion l'un de l'autre. Lorsque la dérivée di/dt est négative, il s'ensuit de la même manière : Si di/dt Ces relations (1), (2), (3) et (4) ne sont rigoureusement satisfaites que si les courants in et i2 contrôlés par les diodes sont les seuls courants induits par les variations du courant primaire, ce qui exige qu'il n'existe pas d'autre enroulement secondaire au sens général en dehors des enroulements auxilaires, ou à la rigueur qu'un éventuel enroulement secondaire soit fermé sur une impédance de valeur élevée. Les champs magnétisants H et H2 possèdent donc uneccomposante continue et une composante alternative0 Chacun d'eux varie donc entre deux valeurs extrêmes. Pour le circuit magnétique 1 Hlm Pour le circuit magnétique 2 2m On prendra par exemple l'hypothèse selon laquelle le courant continu I est positif ; si I est négatif, le même raisonnement sera valable sous réserve de l'inversion des rôles respectifs des deux circuits magnétiques.Les valeurs extrêmes des champs magnétisants s'expriment de la manière suivante 10 - ai la dérivée di/dt est positive, les champs magnétisants deviennent : H1 = 4#n I En effet, l'égalité 4#n i - 4 #n1 j1 - O est vérifiée, et H2 = 4#n I + 4#n i puisque i2 = 0 Seule la composante continue du courant primaire agit sur le circuit magnétique 1, alors que le courant primaire total agit sur le circuit magnétique 20 Les valeurs maximales du champ magnétisant s'écrivent dans ce cas t H1M = 4# n I H2M = 4# n I + 4#n |i| - - Si la dérivée di/dt est négative, il vient de la même manière :: H1 = 4 #n I + 4 #n i puisque il = O H2 = 4# n I puisque l'égalité 4#n i - 4#n2 i2 = 0 est vérifiée. Seule la composante continue du courant primaire agit sur le circuit magnétique 2, alors que le courant primaire total agit sur le circuit magnétique 1. Les valeurs minimales de ces deux champs sont alors 1m 4T(n I - 4n li H2m - 4?tn I Dans la mesure où seule la partie croissante de l'alternance positive du courant i est appliquée au circuit magnétique 2 lorsque di/dt est positive, et où' seule la partie décroissante de l'alternance négative du courant i est appliquée au circuit magnétique 1 lorsque di/dt est négative, les valeurs extrêmes écrites ci-dessus sont les valeurs extrêmes des champs magnétisants H1 et H2. L'un des circuits magnétiques voit alors son champ rester inférieur à 4#n I, l'autre voit son champ magnétisant supérieur à cette même valeur.Il en résulte CIRCUIT MÂGNETIQUE 1 CIRCUII MAGHETIQUE 2 Dans le cas présent, le risque de saturation est considérablement diminué dans le circuit magnétique 1. Pour les transformateurs d'intensité à simple circuit magnétique, dans lesquels l'enroulement secondaire est en courtcircuit, le champ magnétisant est H = 4tn I, dès qu'une composante continue I existe dans le courant primaire. Sur la figure 2, sont représentés, à l'intérieur des cycles d'hystérésis, des matériaux constituantsle circuit magnétique 1 en a, du circuit magnétique 2 en b, et d'un transformateur classique en c. Le courant continu I a été pris tel qu'il entraine ces domaines de fonctionnement à l'intérieur de la corne de saturation supérieure du cycle d'hystérésis. Dans les cas du transformateur classique et du circuit magnétique 2, le domaine de fonctionnement est tout entier situé dans la corne de saturation, alors que le circuit magnétique 1 a un domaine de fonctionnement situé nettement en dehors de la corne de saturation. Ce dernier peut donc transmettre dans de bonnes conditions, les informations sur le courant alternatif i traversant ltenroule- ment primaire, en même temps qu'un courant I continu beaucoup plus élevé. Dans le cas du branchement du transformateur d'intensité à un disjoncteur différentiel, plusieurs possibilités se présentent pour la commande directe ou indirecte du relais de déclenchement du disjoncteur - selon la figure 3 est utilisée la somme des tensions inverses des diodes Dfl et D2 sous forme alternative, dans le bloc B3 de commande du relais R3. - selon la figure 4 est utilisée la somme des tensions inverses des diodes sous forme continue (toutes alternances de meme sens), dans le bloc B4 de commande du relais R49 - selon la figure 5 est utilisé un enroulement secondaire S fermé sur un relais R5 à haute impédance de manière à éviter de modifier par un fort courant dans ce secondaire, la répartition des champs dans chacun des enroulements auxiliaires, - selon la figure 6, le relais R6 est commandé indirectement à travers un bloc de commande B6 à haute impédance d'entrée relié à un enroulement secondaire S comme dans le cas précédent0 Il faut remarquer que l'invention s'applique à tout circuit magnétique sans entrefer (fermé) où le courant primaire variable comporte une composante continue dont on désire réduire l'effet de saturation magnétique sur le circuit magnétique0 Ainsi par exemple, dans les inductances de filtrage, habituellement constituées avec un entrefer, il est possible d'utiliser un autre mode de réalisation sans entrefer avec un enroulement auxiliaire fortement couplé avec l'enroulement principal, et fermé sur une diode dont le sens est tel qu'elle permette le passage d'un courant induit qui va diminuer la tendance à la saturation due à la forte composante continue, Dans les mimes conditions, pour les transformateurs de sortie des amplificateurs de classe A, ltenroulement primaire est traversé par un courant continu modulé par une composante alternative0 Un enroulement auxiliaire fortement couplé avec cet enroulement primaire et fermé sur une diode dans le sens convenable permet de réduire la tendance à la saturation due à la composante continue de sens connu du courant primaire0 Il va de soi que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, et stapplique d'une manière générale à tous les circuits magnétiques autour desquels est disposé un enroulement traversé par un courant continu auquel se superpose une composante alternative0 BEVENDICATIONS 1) Dans un circuit magnétique autour duquel est bobiné au moins un enroulement primaire, un dispositif pour éviter la saturation du circuit magnétique lorsque circule dans ledit enroulement un courant continu de sens déterminé, modulé par un courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comporte un enroulement auxiliaire bobiné au voisinage du premier et fermé sur un système redresseur, ins un sens tel que les alternances du courant alternatif que le redresseur laisse passer dans l'enroulement auxiliaire s'opposent à la saturation du circuit magnétique par le courant de l'enroulement primaire, l'enroulement auxiliaire étant bobiné très près du circuit magnétique, de manière à éviter une saturation locale de ce dernier, due à l'enroulement primaire seul. 2) Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltimpédance de l'enroulement auxiliaire présente une faible composante résistive, et que le système redresseur est une diode. 3) Une inductance de filtrage de courant ondulé, caractérisée en ce qu'elle est bobinée sur un circuit magnétique fermé (sans entrefer), la saturation étant évitée à l'aide d'un enroulement auxiliaire fermé par un redresseur selon l'une des renvendications 1 et 2. 4) Un transformateur de sortie pour amplificateur de classe À, caractérisé en ce que la saturation éventuelle due à la composante continue du courant primaire est évitée à l'aide d'un enroulement auxiliaire fermé sur un redresseur selon l'une des revendications 1 et 2. 5) Un dispositif pour éviter la saturation d'un circuit magnétique lorsque circule, dans un au moins de ses enroulements primaires, un courant continu de sens non déterminé, caractérisé en ce que le circuit magnétique est composé de deux parties, sur chacune d'entre elles est bobiné un enroulement auxiliaire fermé par une diode ou un autre redresseur, ces enroulements et ces diodes sont disposés de telle façon que l'un d'eux s'op- pose à la saturation dans le circuit magnétique sur lequel est bobiné pour un sens donné du courant continu, la valeur du champ magnétisant dans le circuit magnétique oU le champ est le plus faible étant inférieure au champ magnétisant dû à la seule composante continue du courant primaire. 6) Un transformateur d'intensité pour disjoncteur différentiel, muni du dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tensions inverses des diodes sont utilisées en opposition pour la commande du relais disjoncteur à l'aide d'une tension de forme alternative. 7) Un transformateur d'intensité pour disjoncteur différentiel muni du dispositif selon la revendication 5, oaracté- risé eno que les tensions inverses des diodes sont utilisées en série pour la commande du relais disjoncteur à l'aide d'une tension comprenant des alternances de mSme sens0 8) Un transtorxateur d'intensité pour disjoncteur diffé rentiel, muni du dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'un enroulement secondaire est utilisé pour engendrer une tension commandant directement-ou indirectement le relais disjoncteur, l'impédance disposée gn parallèle sur cet enroulement secondaire étant élevées