Brevet FR2140038A1 — publié le 19730112

La présente invention se rapporte aux appareils Blectriques. Les appareils électriques comportant des transformateurs à tension constante utilisés actuellement présentent l'inconvénient que, même dans les meilleures conditions, la régulation obtenue est insatisfaisante, des fluctuations de tension atteignant 5 % de la tension de sortie étant considérées comme un bon taux de régulation, lorsque de fortes variations des tensions d'entrée ont lieu. De plus, ces transformateurs à tension constante ne fonctionnent pas de façon satisfaisante dans des conditions de charge variant largement, une série de transformateurs à tension constante étant nécessaire, si l'on désire fournir une tension constante à des charges différentes. En outre, l'intervalle de tensions d'entrée, et aussi la fréquence d'entrée à laquelle le transformateur réalise une régulation de la tension de sortie, sont limités. C'est particulièrement le cas dans des transformateurs utilisant des circuits résonants. De plus, dans de nombreux cas, il est souhaitable d'utiliser un interrupteur qui soit essentiellement un interrupteur sans contact ou à détection, c'est-à-dire tel que, pour passer de la position "ouvert" à la position "fermé" ou inversement, il n'y ait pas lieu de réaliser ou de supprimer des contacts. Ces interrupteurs de détection ou interrupteurs deproximité, disponibles actuellement, utilisent des circuits oscillants et ils sont, par conséquent, complexes et d'un prix de revient élevé. De même, les convertisseurs continu-alternatif sont également complexes et, par eonséquent, d'un prix de revient élevé. L'objet de la présente invention est un appareil électrique dans lequel les inconvénients précités sont supprimés ou réduits au minimum d'une façon simple mais efficace. Selon l'invention, un appareil électrique comprend un transformateur comportant au moins un noyau, un enroulement primaire, un enroulement secondaire principal et un enroulement secondaire de réaction enroulés sur ledit noyau, un composant réactif monté en série avec ledit enroulement secondaire de réaction, et un shunt magnétique dont le flux magnétique isole pratiquement l'enroulement primaire des enroulements secondaires se trouvant sur ledit noyau. Selon un autre de ses aspects, l'invention consiste en un transformateur comportant deux noyaux dont chacun comporte un trajet magnétique continu, une partie du trajet magnétique de chaque noyau étant parallèle à une partie du trajet magnétique de l'autre noyau, un enroulement primaire entourant lesdits trajets magnétiques parallèles et un noyau supportant un enroulement secondaire principal et un enroulement secondaire de réaction, ledit enroulement secondaire de réaction étant enroulé sur ledit noyau de façon que sa tension de sortie soit en opposition avec la tension de sortie dudit enroulement secondaire principal. Les figures du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en plan schématique d'un mode d'exécution d'un transformateur selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement le circuit électrique d'un transformateur selon l'invention. La figure 3 représente schématiquement un interrupteur de proximité selon l'invention. La figure 4 est une vue en perspective schématique d'éléments utilisés pour réaliser un noyau pour un transformateur conforme à un mode d'exécution de l'invention. La figure 5 est un graphique de la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée pour un transformateur selon l'invention. La figure 6 représente schématiquement un convertisseur continu-alternatif selon l'invention. La figure 7 est une vue en plan d'un autre mode d'exécution d'un transformateur selon l'invention. Dans le mode d'exécution préféré de l'invention, l'appareil électrique comporte un transformateur 1 comprenant un noyau 2 partagé en un bras primaire 3 et en un bras secondaire 4. On peut former (voir figure 4) le noyau 2 en réunissant des éléments en "U" Cj, de façon que les bras 7 de l'élément 6 entrent. en contact avec les bras semblables 7 d'un autre élément en "U" 6 pour former un carré 9, ou bien l'on peut donner aux éléments en "U" 6 la forme d'un carré 9 en fermant les bras avec un élément rectiligne 8, pour constituer un carré 9. On constitue alors un empilement de carrés 9 , pour obtenir l'épaisseur désirée. On peut appliquer, si on le désire, n'importe quel autre procédé de formation du carré 9. On prévoit un shunt 10 qui sépare la partie 3 du noyau 2 sur lequel se trouve l'enroulement primaire de la partie 4 sur laquelle se trouvent des enroulements secondaires. On peut former le shunt 10 en empilant des éléments rectilignes jusqu'à obtention d'une épaisseur désirée, puis en plaçant le shunt 10 dans le carré 9, de façon à former un joint d'about entre les extrémités 16 et 17 du shunt et les parties 18 et 19 du carré 9. Un enroulement primaire 11 se trouve sur le bras primaire 3 du noyau 2, et un enroulement secondaire principal 12 se trouve sur le bras secondaire 4 du noyau 2. Un enroulement secondaire de réaction 13 se trouve aussi sur le bras secondaire 4 du noyau. L'enroulement secondaire de réaction 13 est en opposition avec l'enroulement secondaire principal 12, par l'intermédiaire d'un composant réactif. Le composant réactif qui est, de préférence, un condensateur 14, est en série avec ltenroulement secondaire de réaction 13. L'enroulement de réaction 13 produit un accrochage de phase dans un sens, ce qui contribue au fonctionnement triphasé du transformateur. L'aire de section droite du shunt 10 est normalement inférieure à l'aire de section droite du bras primaire et du bras secondaire, de sorte que le shunt 10 se sature à une tension prédéterminée par son aire de section droite, lorsque le carré 9 et le shunt 10 sont constitués par la m8me matière, bien que lton puisse prévoir des aires de section droite différentes et que, de plus, le shunt 10 puisse être constitué par une matière différente de la matière qui constitue le carré 9. La tension aux bornes de l'enroulement secondaire 12 n'est pas forcément la même que la tension aux bornes de l'enroulement primaire 11, et il est préférable que la tension aux bornes de l'enroulement secondaire de réaction 13 soit de l'ordre de 18 ffi de la tension aux bornes de l'ensemble de l'enroulement secondaire principal 12. Pour permettre un transfert de puissance maximum entre le transformateur 1 et la charge, la réactance du condensateur 14 doit permettre le passage, dans l'enroulement de réaction 13, d'un courant de l'ordre de 200 % des conditions de sortie nominales. Selon un autre mode d'exécution de l'invention (voir figure 7), on prévoit deux noyaux 101 et 102, et ils sont, par exemple, réalisés à partir de quatre noyaux en C, de façon connue. Chacun des noyaux 101 et 102 présente un trajet magné- tique continu, et une partie 103 du noyau 101 et une partie 104 du noyau 102 sont sensiblement parallèles entre elles. Un enroulement primaire 105 est placé sur les noyaux 101 et 102 de façon que l'enroulement primaire 105 entoure les parties 103 et 104. Le noyau 101 supporte à la fois 1 'enrou- lement secondaire principal 106 et un enroulement secondaire de réaction 107 > et ces enroulements 106 et 107 sont enroulés sur le noyau 101 de façon que la tension de sortie de l'enroulement secondaire de réaction 107 soit en opposition avec la tension de sortie de ltenroulement secondaire principal 106. Les enroulements secondaires 106 et 107 peuvent être reliés par un composant réactif, par exemple par un condensateur, comme ci-dessus. Avec cet agencement, indiqué uniquement à titre d'exemple/ les trajets du flux dans les noyaux 101 et 102 présentent une séparation magnétique mutuelle d'environ 90 ç à une fréquence de fonctionnement de 50 Hz, et ce chiffre augmente lorsque la fréquence augmente. Le transformateur 1 fonctionne de la façon suivante. Une tension d'entrée est appliquée à l'enroulement primaire 11 au moyen des bornes d'entrée 20 et 21 et une tension de sortie est prélevée sur l'enroulement secondaire principal 12 et l'enroulement secondaire de réaction 13 qui sont en parallèle par l'intermédiaire d'un condensateur approprié, au moyen des bornes de sortie 22 et 23.Si l'on trace une courbe de la tension de sortie Vs en fonction de la tension d'entrée Ve, c'est-à-dire conforme à la figure 5, on trouve que, lorsque la tension d'entrée augmente à partir de zéro, la tension de sortie augmente d'abord lentement par rapport à la tension d'entrée, jusqu'à ce que l'on atteigne une tension 30, et la tension de sortie augmente alors rapidement jusqu'à la tension de sortie régulée 31, et elle prend une allure horizontale et n'est pratiquement pas influencée par d'autres augmentations de la tension d t entrée, c'est-à-dire qu'une tension de saturation est atteinte, à cause de la survenance de la saturation magnétique. La tension de saturation est déterminée par les caractéristiques physiques du transformateur, et la tension de saturation est atteinte lorsque le shunt 10 se sature.Par exemple, si l'on augmente le volume du noyau et du shunt, la tension augmente à la valeur à laquelle la saturation a lieu. Si l'on augmente encore la tension entrée, on atteint finalement une tension d'entrée 33 pour laquelle la tension de sortie s'annule rapidement. Si l'on diminue alors la tension d'entrée, la tension de sortie reste pratiquement constante à la valeur de la tension de saturation 31, jusqu'à ce que l'on atteigne une tension d'entrée 32, et la tension de sortie diminue alors rapidement pour atteindre la région inférieure, à la façon d'une bouc3e- d 'hystérésis. On a trouvé qu'un transformateur de ce type, qui a été conçu pour fonctionner au voisinage d'une tension d'entrée de 230V et à une fréquence d'environ 50 Hz, produit une variation de tension de sortie de moins d'un volt pour 230 volts, sur un intervalle d'environ 80 volts, et également pour une large gamme de charges de sortie. Pour un transformateur de ce type d'une puissance de sortie d'environ 160W, une valeur typique de la capacité utilisée serait de 12 à 15 micro farads. Grâce à des prises sur l'enroulement secondaire 12, on peut obtenir des tensions multiples. Avec un transformateur réalisé selon l'autre mode d'exécution possible, par exemple un transformateur du type représenté sur la figure 7, le noyau 102 tend vers la saturation, juste avant la commutation sur la tension d'entrée, et l'on croit qu'environ 90% du flux parcourt alors la boucle du noyau 102. On peut utiliser le transformateur 1 dans de nombreuses applications dont on décrira certaines plus bas, mais il va de soi que l'on envisage d'autres applications de ce transformateur. Un appareil électrique réalisé selon un premier mode d'exécution peut comprendre un interrupteur de proximité O (voir figure 3) , des inducteurs de commutation que l'on peut associer au transformateur 1, en montant un inducteur 51 er série avec ltenroulement primaire 52, ou en montant un inducteur 53 en parallèle avec les enroulements secondaires 54.Les inducteurs de commutation 51 et 53 peuvent être les enroulements primaires de transformateurs de commutation et la commutation de l'interrupteur de proximité peut être réalisée, er exemple, par une charge excessive sur la sortie 55 ou par modification de 1 t inductance des inducteurs de commutation 51 et 53 par des moyens extérieurs à ces inducteurs de commutation 51- et 53. Par exemple, on peut monter une charge résistive (non représentée) en parallèle sur le secondaire 56 ou 57 de l'un quelconque des inducteurs de commutation 51 ou 53J comme on le désire.Cette charge résistive peut être, par exemple, un potentiomètre ou un dispositif thermique approprié pour cette application, ou un dispositif photosensible approprié à cette fin, ou bien n'importe quel autre dispositif approprié. On peut enrouler l'enroulement secondaire 54, de façon à obtenir une adaptation appropriée à ces différents dispositifs, ce qui assure un rendement optimum. Un autre procédé possible pour modifier l'inductance de l'inducteur de-commuta;ion consiste à appliquer une source de courant continu appropriée (non représentée) à l'enroulement secondaire 56 ou 57 du transformateur de commutation 51 ou 53. Un autre mode d'exécution de l'invention (voir fi gure 6) comprend un convertisseur continu-alternatif. Les inducteurs de commutation ne sont pas prévus, mais la tension de sortie du convertisseur à la sortie 60 est en quadrature avec la tension d'entrée à l'entrée 61, tandis que le courant de sortie est en phase avec le courant d'entrée et est renvoyé à l'entrée 61 du convertisseur. On peut réaliser cette réaction en montant, par exemple, un inducteur 62 en série avec l'entrée du convertisseur, et en laissant la tension de sortie influencer l'inductance de l'inducteur 62, bien que lton puisse utiliser d'autres procédés le réaction quelconques appropriés.Le réseau de réaction 63 doit être découplé, dans ce sens que l'entrée continue ne toit vas être envoyée directement à la sortie; par exemple, on peut > ncorporer des diodes appropriées (non représentées) dans le circuit de réaction 63, bien que l'on puisse appliquer d'autre procédés de découplage appropriés. I1 n'est pas néee3eire d'empêcher toute l'entrée continue d'atteindre directement la sortie, mais il est nécessaire de bloquer la tension d'entrée dans une mesure telle qu'une proportion infé rieure à la tension de fermeture" passe à la sortie. En utilisant des matières de performances supérieures à celles des matières que 1' on utilise habituellement, on peut appliquer une entrée sinusoidale ou primaire, et l'on obtient une sortie d'onde sensiblement carrée à la sortie. En redressant la sortie, on peut obtenir un convertisseur alternatif-eontlnu qui délivre une sortie continue d'une stabilité satisfaisante. L'interrupteur de proximité fonctionne de la façon suivante. Lorsqu'on applique une tension d'entrée aux bornes de 1 'enroulement primaire 52, une courbe de la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée montre que la tension de sortie augmente initialement très lentement, par rapport à l'augmentation de tension d'entrée. A la tension d'entrée 30 déterminée par leS propriétés physiques de l'interrupteur la tension de sortie augmente très rapidement, pour de faibles augmentations de la tension d'entrée, à une valeur de tension de sortie 31 supérieure, et il ne se reproduit pas alors de modification appréciable de la tension de sortie, lorsque la tension d'entrée augmente.Si l'on réduit alors la tension d'entrée, la tension de sortie 31 reste sensiblement constante à un niveau supérieur, jusqu a ce que l'on atteigne une seconde tension d'entrée 32 qui inférieure à la première tension d'entrée 30, et la tension de sortie diminue alors rapidement à la valeur de tension de sortie initiale, c'est-à-dire que l'on obtient une sorte de courbe d'hystérésis.Si la tension d'entrée envoyée à l'interrupteur 50 est à un point situé juste au-dessous de la première tension de commutation 30, et si on-augmente alors l'inductance de l'inducteur 51 en série avec l'enroulement primaire 52 ou bien l'inductance de l'in duoteur 53 en parallèle avec la sortie, la tension d'entrée augmente et l'interrupteur de proximité se fermera effectivement, si la tension d'entrée augmente pour dépasser la première tension de commutation 30. Si l'on réduit alors la tension d'entrée, par exemple en faisant varier l'inductance de l'un ou l'autre des inducteurs ou en montant une charge excessive à la sortie de 1'interrupteur et si la tension d'entrée tombe audessous de la seconde tension de commutation, l'interrupteur s 'ouvre". Il est clair que l'on peut utiliser simultanément un ou plusieurs de ces dispositifs pour constituer un réseau logique à commutation normalement ouverte ou normalement fermée, et qu'on peut l'utiliser commodément, lorsqutil faut satisfaire des conditions de fiabilité. Le convertisseur continu-alternatif fonctionne de la façon suivante. Si l'on trace une courbe tension d'entrée-tension de sortie, on trouve que c'est sensiblement la même que dans le cas de l'interrupteur de proximité selon l'invention, de sorte que, si l'on applique un faible courant continu à l'entrée, il ntapparatt pas de tension importante à la sortie. Si la tension d'entrée appliquée brusquement est supérieure à la tension de fermeture, il apparattra une tension de sortie à la sortie. Le courant de sortie est renvoyé à l'entrée avec un déphasage de 1800. Cela annule le courant d'entrée, et la tension d'entrée diminue, de sorte que la tension de sortie retombe à une valeur faible. Lorsque cela se produit, la tension d'entrée n'est plus annulée et, par conséquent, elle augmente une fois de plus, ce qui provoque l'augmentation de la tension de sortie. Ce cycle se répète. A cause des retards introduits par les composants du circuit, cet effet n'est plus instantané et, par conséquent, on obtient une sortie alternative. En réglant correctement les retards introduits, on peut faire varier la fréquence de sortie pour lui donner n'importe quelle valeur désirée, par exemple une valeur de 50 Hz. De plus, on peut ajuster la forme d'onde de n'importe quelle façon connue dans la technique. Si le transformateur 1 fonctionne sur une gamme de tensions d 'entrée ne comprenant pas les tensions d'entrée auxquelles il se produit de grandes variations de la tension de sortie, en particulier aux positions de tension de sortie supérieure, la tension de sortie ne subira pas, si la tension d 'entrée augmente, d'augmentation correspondante. Ainsi, des fluctuations aléatoires de la tension d'entrée ne produiront pas de fluctuations importantes de la tension de sortie. Par conséquent, le transformateur constitue un circuit de filtrage approprié. En outre, lorsque le transformateur 1 est un oscillateur L-C accordé, la sortie est sinusoldale et la sortie sinusoIdale est indépendante de la forme d'onde d'entrée. Le transformateur 1 filtrera donc des entrée parasites telles que - les signaux perturbateurs provenant du aeeteur. On paut envisager dautres appffcatizrs et 8.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on renvoie la tension de sortie à ladite entrée en laissant ladite tension de sortie influencer l'inductance d'un inducteur en série avec 1'entrXe dudit transformateur. 9.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit enroulement secondaire de réaction est enroulé sur le noyau de façon que sa tension de sortie soit en opposition avec la tension de sortie de l'enroulement secondaire principal 10.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le composant réactif est un condensateur. 11.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire principal est en parallèle sur l'enroulement secondaire de réaction, par l'intermédiaire dudit composant réactif. :12.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit noyau comporte deux éléments latéraux et deux éléments d'extrémité plus courts, disposés de façon à former un rectangle creux 13.- Appareil électrique selon la revendication 12, caractérisé en~ce > que le shunt magnétique est placé entre les deux éléments latéraux opposés. 14.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 1), caractérisé en ce que les propriétés physiques du shunt et du noyau sont telles que la boucle secon daire du noyau magnétique se sature avant que la boucle primaire de ce noyau se sature. 15.- Transformateur, caractérisé en ce qu'il comporte deux noyaux dont chacun comporte un trajet magnétique continu, une partie du trajet magnétique de chaque noyau étant parallèle une partie du trajet magnétique de l'autre noyau, un enroulement primaire entourant lesdits trajets magnétiques parallèles, et un noyau supportant un enroulement secondaire principal et ttn enroulement secondaire de réaction ledit enroulewent secondaire de réaction dtant enroulé sur ledit noyau de faÇn que-sa tepsion de sortie soit en opposition Fvee ld tension de sortie de l'enroulement secondaire principal. 16.- Transformateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire de réaction est en parallèle sur l'enroulement secondaire principal, par l'intermédiaire d'un composant réactif. 17. - Transformateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit composant réactif est un condensateur. 18.- Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé én ce que des matières de performances électriques élevées sont utilisées pour le construire, de telle sorte qu'une tension d'entrée sinusoidale donne naissance à une tension de sortie rectangulaire.