Brevet FR2101247A1 — publié le 19720331

-1- 2101247 L'invention se rapporte en général aux transformateurs électriques de puissance, et concerne plus particulièrement les transformateurs du type convenant au fonctionnement mobile, pourvu d'un enroulement qui peut être connecté de manière à as-2 surer un certain nombre de caractéristiques classiques différentes de tension. lies transformateurs de puissance du type dont un au moins des enroulements est construit pour connexion en série-parallèle au moyen d'un dispositif de commutation convenable, doivent être construits de manière à avoir une réactance ae fuite égale de chaque parcours d'enroulement en parallèle aux enroulements extérieurs, dans chaque position du commutateur, afin que les parcours en parallèle divisent également le courant de charge. Les transformateurs mobiles, c'est-à-dire ceux qui sont utilisés 15 pour remplacer temporairement d'autres transformateurs d'un réseau de force, sont habituellement conçus pour le fonctionnement en série-parallele afin de permettre leur application à des réseaux de distribution de différentes caractéristiques de tension. Le transformateur mobile étant amené sur le lieu désiré 20 La construction classique du transformateur cuirassé dont 25 les enroulements à haute et basse tension-sont axialement espacés, offre la plus grande souplesse du point de vue impédance, quand un ou plusieurs des enroulements peuvent être connectés par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation série-parallèle, afin d'assurer un certain nombre de caractéristiques dxf-5° xérentes ae tension. Toutefois, lorsque la construction cuiras-see est utilisée pour.les transformateurs mobiles, il est desi-rable de limiter le nombre d'espaces entre haute et basse tension, c'est-à-dire les espaces situés entre les parties axialement adjacentes des enroulements à haute et basse tension, afin 55 d'assurer la plus forte caractéristique kVA par kg de transformateur. L'accroissement des espaces entre haute et basse tension augmente la longueur axiale de la pile de bobines en fond de panier qui constituent les enroulements à haute et à basse 71 28637 -2- 2101247 tension, ce qui augmente la dimension du noyau magnétique, d'où s'ensuit une augmentation générale de dimension, du poids, et du prix de l'appareil. L'utilisation des techniques antérieures de construction, 5 permettant d'obtenir des réactances de fuite pratiquement égales entre les divers parcours électriques et les enroulements adjacents, dans l'enroulement connecté au commutateur série-parallèle, exige l'augmentation du nombre, d'espaces entre haute et basse tension, ce qui affecte préjudiciablement la dimension, 10 ie poids et le prix du transformateur. D'autre part, la limitation du nombre de ces espaces, par exemple à deux, peut produire des réactances de fuite inégales des parcours en parallèle aux enroulements adjacents, et peut créer d'autres agencements indésirables, dans une ou plusieurs positions du commutateur 15 série-parallèle, par exemple créer des extrémités "flottantes" ou non connectées de certaines des parties d'enroulement, lesquelles oscillent aux valeurs de haute tension au cours d'une tension de choc ou d'impulsion, et créent ainsi des parties inacti-ves d'enroulement résultant en un supplément de poids pour les 20 kVA. transformé?. Il serait désirable de réaliser un nouvel agencement perfectionné de transformateur cuirassé pour les transformateurs dont un enroulement peut être connecté de manière à assurer l'une quelconque d'un certain nombre de caractéristiques diffé-25 rentes de tension, au moyen d'un commutateur série-parallèle, lequel agencement assure des réactances de fuite pràtiquement égales des parcours en parallèle de l'enroulement commuté aux enroulements adjacents dans toutes les positions du commutateur série-parallèle tout en limitant le nombre des espaces entre 50 haute et basse tension, éliminant ainsi les extrémités "flottantes" ainsi que les parties inactives d'enroulement. Brièvement, la. présente invention est un nouveau transformateur perfectionné pourvu d'un premier enroulement qui peut être connecté au moyen d'un commutateur série-parallèle pour assurer 35 un certain nombre de caractéristiques différentes de tension, et d'un second enroulement. Les premier et second enroulements sont mutuellement axialement adjacents, le premier étant constitué d'une première et d'une seconde section espacées, et le second 71 28637 -3- 2101247 enroulement étant disposé entre les deux sections espacées du premier. Les première et secondes sections du premier enroulement comportent chacune un certain nombre de parcours électriques différents, ces parcours électriques traversant complè-5 tement la section d'enroulement associée, afin d'assurer une réactance de fuite pratiquement égale de chaque parcours par rapport au second enroulement. Les extrémités des parcours électriques, de la première aussi "bien que de la seconde section, sont connectées à un commutateur série-parallèle. Le commutateur "10 série-parallèle utilise tous les parcours d'enroulement dans chacune de ses positions, pour transformer le maximum de kVA par kg de conducteur électrique, ainsi que pour éliminer les enroulements flottants ou non connectés qui pourraient osciller sous l'impulsion des tensions de choc. 15 L'invention ainsi que ses avantages ressortiront mieux de la description détaillée qui va suivre de formes illustratives de réalisation^ en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en plan d'un transformateur construit selon les principes de la technique antérieure ; 20 - les figures 2A, 2B et 2C sont des schémas de l'agence ment transformateur-commutateur représenté à la figure 1, illustrant trois agencements différents de commutatipn en série-parallèle ; - la figure 3 est une vue en plan d'un agencement de trans-25 formateur et commutateur construit selon les principes de l'invention ; . . - la figure 4 est une vue fragmentaire en, élévation-coupe, de l'agencement transformateur-commutateur représenté à la figure 3; et 30 - les figures 5^-, 5B et 5C sont des schémas de l'agencement transformateur-commutateur représenté aux figures 3 et 4-, illustrant trois agencements différents de commutation série-parallèle . Eh référence maintenant aux dessins, et en particulier à 35 la figure 1, la vue en plan représente un agencement 10 de transformateur-commutateur construit selon la technique antérieure. Cet agencement-10 comprend un transformateur 12 et un dispositif de commutation 14-, interconnectés de manière à produire 71 28637 -4- 2101247 plusieurs rapports de transformation, tels que ceux requis pour les transformateurs mobiles. Le transformateur 12 peut être de construction cuirassée classique, et peut être mono- ou polyphasé. Puisque chaque phase d'un dispositif polyphasé est 5 identique, seule une phase est illustrée à la figure 1 pour simplifier le dessin. Le transformateur 12 comprend un premier enroulement ou à basse tension composé d'une première et d'une seconde sections axialement espacées 18 et 20, respectivement, ainsi qu'un se-100 cond enroulement ou à haute tension, 22, disposé dans l'espace compris entre les premières et seconde sections du premier enroulement, et formant -un premier et un second espaces entre hau-r te et basse tension, 24 et 26, respectivement. L'enroulement 22 est pourvu de bornée 21 et 23 pour sa connexion à une sour-15 ce de potentiel alternatif, et les sections 18 et 20 du premier enroulement sont connectées aux bornes 17 et 19 par l'intermédiaire du dispositif de commutation 14, les bornes 17 et 19 étant destinées à être connectées à un réseau de distribution électrique. 20 Les sections 18 et 20 du premier enroulement, et le second enroulement 22 comportent chacun un certain nombre de bobines du type disque ou en fond de panier, ayant habituellement la configuration extérieure d'un carré à coins arrondis, la totalité de ces bobines étant empilées, avec leurs ouvertures en 25 alignement, sur une branche porteuse d'enroulements d'un noyau magnétique convenable, telle que la branche 28 silhouettée en traits interrompus. Chaque bobine en fond de panier est constituée d'un certain nombre de tours de conducteur formés par le bobinage sur un mandrin d'un conducteur isolé composé d'un 30 ou de plusieurs brins. L'enroulement à haute tension 22 comporte un certain nombre de bobines en fond de panier, telles que les bobines 30, 32, 34, 36, 38 et 40, qui sont connectées en série par des connexions début-début, fin-fin. Une connexion début-début est celle qui relie les derniers tours internes de 35 bobines adjacentes, alors qu'une connexion fin-fin est celle qui relie les derniers tours extérieurs de bobines adjacentes. Les paires alternées de bobines en fond de panier peuvent donc être connectées par des connexions début-début 42, 44 et 46, 71 28637 -5- 2101247 10 alors que les autres bobines adjacentes sont interconnectées par des connexions fin-fin 47 et 4-9. les extrémités extérieures des bobines situées aux extrémités opposées de l'enroulement 22 sont connectées aux bornes 21 et 23 par des conducteurs 4-8 et 50» respectivement. La première section 18 du premier enroulement, ou à basse tension, comprend un certain nombre de bobines en fond de panier, telles que les bobines 52, 54-, 56 et 58, qui sont connectées en série par des connexions début-début, fin-fin. Les bobines 52 et 54- sont reliées par la connexion début-début 60; les bobines 54 et 56 sont interconnectées par la connexion fin-fin 62; et les bobines 56 et 58 sont interconnectées par la connexion début-début 64-. Les bobines 52 et 58 situées aux extrémités de la première section 18 d'enroulement sont connectées au dispositif de 15 commutation 14-, au moyen des conducteurs 59 et 61, et un conducteur de prise 66 est connecté d'un point déterminé intermédiaire aux extrémités de la première section d'enroulement, au dispositif 14- de commutation. La seconde section 20 du premier enroulement comprend un 20 certain nombre de bobines en fond de panier, telles que les bobines 70» 72, 74- et 76, qui sont connectées en série pap des connexions début-début, fin-fin. Les bobines 70 et 72 sont reliées par une connexion début-début 78; les bobines 72 et 74- sont reliées par une connexion fin-fin 80; et les bobines 74- et 76 sont 2^ reliées par une connexion début-début 82. Les bobines 70 et 76 situées aux extrémités de la seconde section 20 d'enroulement sont connectées au dispositif de commutation au moyen des conducteurs 84- et 86, et un conducteur de prise 88 est connecté d'un point déterminé intermédiaire aux extrémités de la secon-30 de section 20 au dispositif 14 de commutation. L'agencement de commutation 10 de transformateur représenté à la figure 1 peut être connecté de manière à produire trois tensions de sortie normalisées, par exemple 2,4 kV, 4,8 kV, et 7)2 kV, selon la position sélectionnée du commutateur 14. Par 35 exemple, la plus faible caractéristique de tension peut-être obtenue en connectant la partie de la section 18 comprise entre les conducteurs 66 et 61, et la partie de la section 20 comprise entre les conducteurs 84 et 88, en parallèle. La caractéristique intermédiaire de tension peut être obtenue en. connectant ces 71 28637 -6- 2101247 deux mêmes sections en série, et la caractéristique la plus forte peut être obtenue en connectant les sections 18 et 20 complètes en série, ainsi que le montrent les schémas des figures 2A, 2B, et 2G, respectivement. Les inconvénients de cet agencement de la technique antérieure sont mis en évidence par un examen des schémas représentés aux figures 2A et 2B, car dans les deux agencements représentés à ces figures, il existe des parties d'enroulement non connectées dont les extrémités flottantes peuvent osciller aux conditions de tension de choc, tout en augmentant le poids par kVA transformés, en raison des parties inactives d'enroulement. La figure 3 est une vue en plan d'un agencement 100 de transformateur et commutateur, construit selon les principes de l'invention, qui supprime les inconvénients de celui de la technique antérieure représenté à la figure 1. L'agencement 100 de la figure 3 comprend un transformateur 102 et un dispositif de commutation 104, interconnectés de manière à produire plusieurs rapports différents de transformation, convenant à l'usage d'un transformateur mobile. Le transformateur 102 comprend un premier enroulement composé de première et seconde sections 106 et 108 axj.alement divisées ou espacées, et un second enroulement 110 disposé entre les sections espacées du premier enroulement. Les premier et second enroulements sont constitués chacun d'un certain nombre de bobines du type en fond de panier, lesquelles sont disposées, avec leurs ouvertures en alignement, sur une branche commune d'un noyau magnétique (non représenté), l'agencement d'enroulements constituant soit un transformateur monophasé, soit une seule phase d'un transformateur polyphasé. L'enroulement 110 qui peut être celui à haute tension, est connecté aux bornes 112 et 114, destinées à la connexion à une source de potentiel alternatif. L'enroulement 110 peut être construit et agencé de manière similaire à l'enroulement 22 représenté à la ligure 1, que l'on vient de décrire. Les première et seconde sections 106 et 108 du premier enroulement, toutefois, sont construites d'une manière entièrement différente des première et seconde sections d'enroulement du transformateur représenté à la figure 1, chacune des bobines en fond de panier des première et seconde sections étant construites 71 28637 -7- 2101247 d'un certain nombre de conducteurs, ce nombre étant égal, ou constituant une certaine fraction, du rapport série-multiple désiré. Si le rapport série-multiple est de trois à un, trois conducteurs seront alors utilisés pour construire chaque "bobine 5 en fond de panier de chaque section d'enroulement. Cette construction des bobines des première et seconde sections 106 et 108 s'expliquera mieux en référence à la figure 4, qui est une vue fragmentaire en élévation du transformateur 102 représenté à la figure 3» Une partie seulement des bobines en fond de panier est représentée à la figure 4, car elles sont symétriques autour d'une ligne médiane 101. Ainsi que le montre la figure 4, trois conducteurs, portant les références A, B et C, peuvent être enroulés radialement ensemble pour constituer chacune des bobines 120, 122, 124 et 126. 15 ïrois parcours électriques passent donc dans chaque bobine. Les trois parcours électriques des bobines de la première section 106 d'enroulement sont connectés en série pour constituer trois parcours en série traversant complètement la première section 106. Par exemple, les bobines 120 et 122 ont leurs parcours A, 20 B et C interconnectés par des connexions début-début 140, 142, 144, respectivement, les parcours A, B, C des bobines 122 et-124 sont interconnectés par des connexions fin-fin 146, 148, 150, respectivement, et les parcours A, B, C, des bobines 124 et 126 sont interconnectés par des connexions début-début 152, 154 et 25 156, respectivement. Les extrémités des parcours électriques A, B, et C à une extrémité de la section 106 d'enroulement sont connectées au dispositif de commutation 104 au moyen des conducteurs 132, 130 et 128, respectivement, et les extrémités des parcours A, B, C, à l'autre extrémité de la section 106 sont 30 connectées au dispositif de commutation 104 au moyen.des conducteurs 138, 136 et 134, respectivement. • De même, la section 108 d'enroulement se compose d'un certain nombre de bobines en fond de panier, telles que les bobines 160, 162, 164 et 166, chacune de ces bobines étant cons-35 truite de manière à être traversée par trois parcours distincts, et ces trois parcours de chaque bobine sont connectés en série pour constituer trois parcours en série traversant complètement la section 108 d'enroulement. Par exemple, les trois parcours 71 28637 -8- 2101247 électriques passant dans la section 108 peuvent être désignés par les références D, E et F, les parcours D, E, F, des bobines 166 et 164 étant interconnectés par des connexions début-début 180, 182 et 184, respectivement, les parcours D, E, F, des bo-5 bines 164 et 162 sont interconnectés par des connexions fin-fin 186, 188 et 190, respectivement, et les parcours d, E, F, des bobines 162 et 160 sont interconnectés par des connexions début-début 192, 194 et 196, respectivement. lies extrémités des parcours D, E, F, à une extrémité de la section 108 d'enroulement 10 sont connectés au dispositif de commutation 104 par les conducteurs 168, 170 et 172, respectivement, et les extrémités des parcours D, E, F, à l'autre extrémité de la section 108 sont connectées au dispositif de commutation 104 au moyen des conducteurs 174, 176 et 178, respectivement, la totalité des parcours 15 électriques de chacune des sections 106 et 108 d'enroulement ont donc la même étendue, chacun traversant complètement la section d'enroulement qui lui est associée, et par suite assurant pratiquement la même réactance de fuite de chaqueparcours électrique à l'enroulement à haute tension 110. 20 Outre l'assurance d'une égalité de réactance de fuite de chacun des parcours de chaque section 106 et 108 à l'enroulement 110 à haute tension, les oscillations haute tension sont éliminées et le maximum de kVA par kg de conducteur est obtenu, grâce aux agencements de commutation qui utilisent la totalité des 25 parcours d'enroulement, dans chaque position du dispositif de commutation. Par exemple, en supposant que les caractéristiques de tension de 2,4 kV, 4,8 kV, et 7,2 kV soient requises, la caractéristique la plus basse peut être obtenue par une position du commutateur 104 qui connecte chaque parcours électrique des 30 première et seconde sections 106 et 108 directement entre les bornes de sortie 116 et 118. La figure 5A est un schéma de l'e-gencement 100 transformateur-commutation, illustrant la connexion des parcours électriques par le dispositif de commutation 104 de manière à obtenir la caractéristique de tension la plus 35 basse. la position intermédiaire de tension du commutateur 104 connecte les parcours électriques des première et seconde sections 106, 108, par paires connectées en série, chaque paire 71 28637 -9- 2101247 comprenant un parcours de chacune des première et seconde sections 106 et 108, respectivement, mais chaque paire connectée en série est connectée directement entre les bornes de sortie 116 et 118. Ainsi qu'illustré au schéma de la figure 5B, une 5 extrémité du parcours A peut être connectée à la borne 116, l'autre extrémité peut être connectée à une extrémité du parcours B dont l'autre extrémité peut être connectée à la borne 118. De même, les parcours B et S sont connectés en série entre les bornes 116 et 118, les parcours C et ï' sont connectés en 10 série entre les bornes 116 et 118. La caractéristique de tension la plus élevée est obtenue en connectant en série les parcours électriques de chacune des première et seconde sections 106 et 108, respectivement, puis en connectant chacun des deux groupes de parcours électriques 15 oonnectés en série directement entre les bornes de sortie 116 et 118. Plus particulièrement, ainsi que le montre la figure 5C, cet agencement peut être réalisé en connectant une extrémité du parcours A à la borne 116, son autre extrémité à une extrémité du parcours B, l'autre extrémité de parcours B à une 20 extrémité du parcours C dont l'autre extrémité est connectée à la borne 118. De même, les parcours de la section 108 sont connectés en série, une extrémité du parcours D étant-connectée à la borne 116, son autre extrémité étant connectée à une extrémité du parcours E, l'autre extrémité du parcours E étant con-25 coctée à une extrémité du parcours F dont l'autre extrémité est connectée à la borne 118. Les agencements de commutation représentés aux figures ^A,-5B et 50 assurent trois caractéristiques communes de tension, tout en utilisant de manière active chaque parcours de chaau.2 section d'enroulement, éliminant ainsi les 30 parties inactives et les extrémités flottantes d'enroulement. Outre l'assurance de l'é.galité de la réactance de fuite de chaque enroulement électrique de chaque section d'enroulement à l'enroulement adjacent 110, 1'intercalation des parcours dans chaque bobine en fond de panier augmente la capacité en série 35 des bobines et des sections d'enroulement, ce qui répartit les potentiels de choc plus uniformément dans les bobines et les sections d'enroulement. 71 28637 -10- 2101247 Bien que l'on ait décrit l'invention avec les divers parcours dans chaque bobine radialement disposés, il pourrait également convenir, dans certaines applications, de bobiner les bobines aen fond de panier de ma ni ère que les parcours se trou-5 vent côte-à-côte, c'est-à-dire axialement disposés au lieu de radialement. En résumé, on vient de décrire un nouvel agencement perfectionné de transformateur et commutation convenant pour les transformateurs mobiles, agencement qui permet d'obtenir plu-10 sieurs caractéristiques de tension tout en utilisant seulement deux espaces entre haute et basse tension, et qui oblige à une répartition égale du courant de charge entre les parcours connectés en parallèle, puisque la totalité des parcours connectés en parallèle ont pratiquement une réactance de fuite égale 15 par rapport à l'enroulement à haute tension 110. En outre, l'agencement de commutation décrit utilise effectivement chaque parcours électrique dans chaque agencement de commutation, éliminant ainsi les oscillations haute tension qui pouvaient ae produire avec les agencements de la technique antérieure, par 20 exemple celles produites par les surtensions de commutation ou la foudre. De plus, puisque la totalité de la matière constituant les conducteurs est effectivement utilisée dans chaque position du commutateur série-parallèle, on obtient le maximum de kVA transformés par kg de conducteur, d'où s'ensuit une 25 réduction de dimensions, de poids, et de prix de l'appareil, par rapport à certains agencements de la technique antérieure. 71 28637 -11- 2I01247 REVENDICATIONS 1.- Transformateur électrique comprenant un noyau magnéti= que comportant une branche sur laquelle est disposé un premier enroulement constitué d'une première et d'une seconde sections ^ axialement espacées, un second enroulement disposé sur cette branche, entre les première et seconde sections d'enroulement, chacune de ces première et seconde sections comportant un certain nombre de parcours électriques traversant complètement les sections qui leur sont associées, une première et une seconde 10 bornes, et un dispositif de commutation connecté aux première et seconde sections d'enroulement ainsi qu'à ces première et seconde bornes, le dispositif de commutation comportant un certain nombre de positions comprenant une position qui connecte chaque parcours électrique des première et seconde sections 15 d'enroulement directement entre les première et seconde bornes, une position qui connecte les parcours électriques des première et seconde sections par paires connectées en série, chaque paire comprenant un parcours électrique de chacune des première et seconde sections, et qui connecte chaque paire connectée en 20 série directement entre les première et seconde bornes, et une position qui connecte les parcours électriques de chacune des première et seconde sections en série, respectivement et connecte chacun des deux groupes connectés en série ainsi formés, directement entre les première et seconde bornes. 25 2.- Transformateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des première et seconde sections d'enroulement comporte un nombre identique de parcours électriques. 3.- Transformateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les première et seconde sections d'enroule-30 ment se composent chacune d'un certain nombre de bobines en fond de panier axialement espacées, comportant chacune un certain nombre de tours de conducteur, chaque bobine ayant les tours de conducteur de tous les parcours électriques associés à la section d'enroulement dont la bobine fait partie. 35 4.- Transformateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les tours de conducteur des divers parcours électriques dans chaque bobine en fond de panier sont radiale- 71 28637 -12- 2101247 ment interfoliés. 5.- Transformateur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4-, caractérisé par le fait que chacune des première et seconde sections d'enroulement comprend trois parcours électriques.