Brevet FR2122410A1 — publié le 19720901

l'invention concerne une bobine d'inductance à noyau de fer. Dans l'industrie électrique, on connatt des bobines d'inductance servant à différents usages et qui sont fréquemment employées. Un domaine d'utilisation important de telles bobines est le réseau électrique d'alimentation en énergie, Etant donné la mise en service de nouvelles centrales importantes et la multiplication des lignes internationales d'interconnexion, le réseau national est caractérisé par une puissance de court-circuit sans cesse croissante. Pour tenir compte de ces grandes puissances de court-circuit, il devient nécessaire - pour la streté de fonctionnement des interrupteurs que lton utilise dans les postes de transformation et aux dérivations de câbles et aussi pour la protection des câbles contre les court-circuits d'utiliser souvent des bobines dtinductance interposées, dites inductances de protection contre les court-circuits. L'exécution de ces bobines doit, de façon eonnue, répondre à plusieurs exigences techniques. Une condition indispensable est que la réactance de ces bobines d'inductance soit indépendante de l'intensité de façon qu1il 'y apparaisse sous le courant de service qu'une faible chute de tension, mais sous le courant de court-circuit, une chute an tension plus granae croissant en fonction linéaire - et qu'ainsi la puissance résultante de court-circuit soit limitée à des valeurs acceptables. Actuellement, pour remplir cette condition, on dispose sur une monture en céton les bobines d'inductance sans noyau de fer, on les enrôbe dans une matière isolante, ou bien on les dote de noyaux de fer avec entrefer. Les bobines sans fer mais aussi celles qui présentent un noyau de fer avec entrefer ont des inconvénients connus mais tolérés. les plus importants sont les suivants a) pour les types sans fer insérés sur monture en béton : - la fabrication d'une monture en béton de sdreté est difficile, conteuse et la qualité de la monture est difficile à vérifier, - l'inductivité désirée et-nécessaire ne peut titre obtenuequ avec un nombre de spires relativement grand et de grandes dimensions géométriques, état donné la faible perméabilité magnétique de l'air ; la dépense de cuivre ou d'aluminium est importante, mais en outre, les pertes de la bobine prennent de ce fait des valeurs élevées de sorte que le refroidissement de ces types de bobines laisse encore à désirer actuellement, - les types de bobines sans noyau de fer peuvent seulement être logées dans des locaux, elles nécessitent une cellule spéciale bien aérée, - la monture en béton ne peut supporter sans dommages que des efforts dynamiques limités et c'est pourquoi, par exemple après des transformateurs de grande puissance unitaire, au lieu d'utiliser une seule bobine, on insère des bobines de choc dans toutes les dérivations, mais cette disposition est plus coûteuse et prend plus de place, b) pour les bobines à noyau de fer et à entrefer - il apparait d'importantes forces magnétiques, la construction du noyeu de fer ne peut être exécutée, qu'au prix d'une dépen se élevée, - les unités de puissance supérieure ont un niveau de bruit éle vé, - dans les montures en fer - mais aussi dans d'autres parties métalliques - il apparaît des pertes supplémentaires à cause du champ de fuite. Si l'on voulait fabriquer une bobine d'inductance de façon classique mais avec un noyau de fer sans entrefer, on ne pourrait assurer une inductivité constante qu'avec des sections de fer si grandes qu'en comparaison des modèles classiques mentionnés, elle ne seraient sûrement pas justifiables économiquement. La bobine d'inductance selon l'invention, qui présente un noyau de fer fermé, peut être fabriquée et mise en service sans les inconvénients mentionnés, elle a une inductivité constante et elle répond aux conditions techniques et économiques modernes. L'idée essentielle de l'invention est qu'avec un noyau de fer fermé, sans entrefer, on peut fabriquer une bobine d'inductance à~cåractdristique linéaire si l'on fait en sorte que les lignes de force du champ magnétique engendré par la bobine se ferment dans l'air, hors du noyau de fer et entre les colonnes du noyau. L'avantage et la nouveauté des bobines d'inductance selon l'invention résident dans le fait que l'on tire parti de la directivité d'un noyau de fer fabriqué rationnellement à partir de tôles classiques de transformateur de telle sorte que l'on peut régler entre de larges limites la réactance de la bobine et que la chute de tension de la bobine est toujours en relation linéaire avec le courant qui la traverse. Selon l'invention, on peut y parvenir avec une bobine d'exécution rationnelle, économique et de fonctionne-lent sûr, pouvant autre fabriquée simplement en usine et formée a'une bobine double et d'un noyau de fer fabriqué sans entrefer. La bobine d'inductance selon l'invention peut être fabriquée pour une seule phase ou pour trois phases, de la façon classique, c'est-à-dire avec utilisation d'éléments usuels de transformateur, avec une cuve à ;^utile. Par suite, ces bobines peuvent, comme les transformateurs, être installés en plein air aux points appropriés du réseau de distribution, sans nécessiter aucun bâtiment. les puissances unitaires sont pratiquement illimitées et on peut les accroître en fonction de l'accroissement de la puissance de coui-t-circuit. Pour arriver à ce"tltzele flux magnetique se ferme dans l'air, hors du noyau de fer, on peut donner à la bobine d'inductance la forme d'une ou de plusieurs bobines doubles ou bobines jumelées et l'on peut faire en sorte que les unités élémentaires de la ou des bobines aoubles appliquent au noyau de fer des excitations magnétiques égales mais opposées. On peut y parvenir soit en plaçant sur le noyau de fer les deux bobines élémentaires, reliées en série ou en parallèle, de façon telle qu'elles aient dans le fer une action d'excitation opposée, soit en prévoyant sur une seule des bobines élémentaires des bornes de connexion accessibles tandis que l'enroulement appartenant à l'autre bobine élémentaire est en court-circuit. Selon ce qu'on a dit plus haut, l'invention a pour objet une bobine d'inductance munie d'un noyau de fer et caractérisée par le fait qu'elle est formée d'au moins une bobine double que l'on place sur un cadre de noyau de fer - exécuté sans entrefer - de façon telle que les bobines élémentaires de la bobine double, engendrant des excitations opposées, soient reliées électriquement entre elles (en parallèle ou en série) ou bien qu'une seule des bobines élémentaires soit reliée au réseau mais que l'autre soit en court-circuit. Les deux bobines élémentaires ont pratiquement la méme force magnétomotrice. les bobines élémentaires peuvent être eiEcutées de façons très différentes, par exemple la bobine élémentaire en court-circuit peut être formée de plusieurs parties.Chacun de ces parties peut être en court-circuit sur elle-même et on peut aussi les placer sur le noyau de fer en les disposant de part et d'autre de l'autre bobine élémentaire munie de bornes de sortie. Eventuellement, une bobine élémentaire ainsi divisée peut & re placée totalement ou encore partiellement sur la ou les colonnes extérieures ou sur la ou les culasses du noyau de fer. La bobine d'inductance à bobines jumelées et à noyau de fer selon l'invention peut aussi être constituée à partir d'éléments monophasés pour les systèmes triphasés ou polyphasés. pilais il est possible aussi de placer les bobines jumelées sur un noyau triphasé et de réaliser ainsi un ensemble de bobine d'inductance pour système triphasé.Une bobine d'inductance triphasée munie d'un noyau à cinq colonnes peut aussi centre une solution avantageuse. Pour l'exEcu- tion monophasée, on peut considérer comme la meilleu;solution un mode d'exécution dans lequel le noyau de fer est formé d'une colonne intérieure disposée au centre et de quatre colonnes extérieures disposées sur une circonférence avec un espacement angulaire de 90 *, qui sont reliées entre elles et à la colonne centrale par deux culasses en croix, la bobine double étant disposée sur la colonne intérieure. La bobine d'inductance selon l'invention peut être refroidie par air mais elle peut aussi être munie d'un refroidissement par huile ou par un autre liquide isolant. La bobine d'inductance exécutée selon l'invention avec bobine double et noyau de fer fermé sans entrefer - est décrite plus en détail ci-après à propos d'exemples d'exécution représentés par les dessins ci-annexés, en lesquels - la figure 1 est unedtonectsanicvant la ligne A-A de la figure 2 montrant la bobine/selon l'invention, dans laquelle deux bobines élémentaires d'inductance sont reliées en parallèle, - la figure 2 montre la meme bobine en coupe suivant la ligne B-B de la figure 1, - la figure 3 montre le couplage en série des bobines élémentaires de l'inductance selon l'invention, et, - la figure 4 montre le montage dans lequel seule l'une des bobines élémentaires présente des bornes de connexion accessibles tandis que l'autre bobine élémentaire est en courtcircuit. Corme on peut le voir par les figures 1 et 2, le cadre de noyau de fer 1 - qui a une forme en croix dans le planse compose de quatre colonnes extérieures, d'une colonne intérieure et de deux culasses qui relient ces colonnes en croix. Sur la colonne intérieure 2 située au centre sont disposées les deux bobines élémentaires de la bobine double 3 qui sont reliées en parallèle de telle sorte que leurs excitations de flux magndtique agissent en sens opposé. Les deux demi-composantes du courant de bobine double engendrent dans le noyau de fer des flux magnétiques égaux mais de sens opposé. Ces flux opposés 7 appelés î et 2) se ferment dans l'espace d'air situé entre les colonnes - et dans une moindre mesure dans les culasses - du noyau de fer. Il apparat ainsi deux impédances réactives linéaires reliées en parallèle. En connaissant les corrélations physiques de principe, il est possib1ededétermîner la réactance du dispositif avec une marge d'erreur suffisamment réduite en pratique. Etant donné que l'on peut tenir compte de la section utile du noyau de fer dans la détermination de la tension de spire qui donne les valeurs optimales d'induction magnétique, on peut optimaliser la bobine dtinductance qu'il s'agit d'exécuter, en ce qui concerne le poids de la bobine, le poids du fer et aussi la perte. Par un calcul simple, il est facile de vérifier que - aussi bien en ce qui concerne le poids que les pertes, y compris les pertes du fer, mais aussi en ce qui concerne la st- reté de fonctionnement et le prix - la bobine d'inductance selon l'invention peut Autre exécutée de façon notablement plus avantageuse que les bobines classiques de meme puissance, actuellement en usage. Avec le noyau de fer à disposition centrale qui repousse le flux magnétique engendré dans l'espace d'air,-et dont l'exécution est représentée par exemple par les figures 1 et 2 on peut donner aux lignes de force une allure telle qu'elles n'entrent pratiquement pas en contact avec les parties en fer et en métal situées au voisinage. Ainsi, peut-on réduire à un minimum les pertes supplémentaires. La structure fermée de noyau de fer permet de faire en sorte que la bobine d'inductance possède une grande sd- reté de fonctionnement, à peu près comme les bobinages des transformateurs, en calculant comme il convient la capacité thermique mais aussi l'endurance aux efforts dynamiques. R s V z N D I C A T I O li S 1) Bobine d'inductance à noyau de fer caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins une bobine double placée sur un cadre de noyau de fer exécuté sans entrefer et que les deux bobines élémentaires de la bobine double, aui engendrent des excitations magnétiques de sens opposé, sont reliées en parallèle ou en série ou sont exécutées de telle sorte que l'une des bobines élémentaires présente des bornes de connexion accessibles tandis que l'autre est en court-circuit sur elle-même. 2) Bobine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les bobines élémentaires ont pratiquement la meme force magnétomotrice. 3) Bobine selon l1une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'au moins l'une des bobines élémentaires de la bobine double est exécutée en plusieurs éléments. 4) Bobine selon la revendication 3, dans laquelle la bobine double est formée d'une bobine élémentaire munie de bornes de connexion accesibles et d'une bobine élémentaire en courtcircuit sur elle-mbeme, bobine caractérisée par le fait que la bobine élémentaire en court-circuit est formée de plusieurs parties dont chacune peut aussi ventre en court-circuit - et que ces parties sont disposées sur le noyau de fer de part et d'autre de la bobine ouverte. - 5) Bobine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qui elle est sous la forme d'un ensemble triphasé formé de composants monophasés. 6) Bobine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la bobine triphasée présente un noyau triphasé. 7) Bobine selon l'une dds revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle est sous la forme d'un ensemble triphasé placé sur un noyau à cinq colonnes. 8) Bobine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'elle est conçue en vue du refroidissement par air. 9) Bobine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qui elle est concue en vue du refroidissement par un liquide isolant.