Brevet FR2147877A1 — publié le 19730311

La présente invention concerne un autotransformateur dépha- seur convertible pour réseaux de courants électriques alternatifs polyphasés, et notamment pour réseaux triphasés et pour réseaux diphasés å cinq fils fournissant des tensions équilibrées en amplitude et en phase et symétriques par rapport à un point milieu qui coincide avec le point neutre du réseau triphasé. On sait que les caractéristiques des réseaux actuels de distribution d'énergie électrique sont extrêmement diversifiées, C'est ainsi quton peut trouver dans une meme région des réseaux & moyenne tension diphasés 12 kilovolts ou triphasés 15 ou 20 kilovolts. De même on rencontre des réseaux à basse tension diphasés 220 volts ou triphasés 220, 3tO ou 440 volts. Cette situation crée des problèmes importants à l'utilisateur qui veut alimenter une machine appelée A fonctionner en divers endroits où les réseaux de distribution sont différents, ou qui veut installer une machine et ltalimenter å à partir du réseau existant, sachant que les caractéristiques de ce réseau seront modifiées ultérieurelent. Ltinvention a notamment pour but de résoudre ces problèmes en permettant de réaliser un autotransformateur déphaseur convertible fournissant les tensions diphasées ou triphasées usuelles d'utilination & partir des réseaux de distribution actuels à moyenne ou basse tension. Selon ltinvention, l'autotransformateur déphaseur convertible pour réseaux électriques alternatifs polyphas8s, qui comprend un circuit magnétique à trois colonnes, est caractérisé en ce quTil comprend sur une première colonne au moins quatre enroulements comportant respectivement le premier (N2- 'nNl) spires, le second 3N1 spires, le troisième N1 spires et le quatrième Nl(j-l) spires, sur chacune des deux autres colonnes au moins trois enroulements comportant respectivement, le premier (N2-N1) spires et les deuxième et troisième chacun N1 spires, NI et N2 désignant deux nombres entiers, et des moyens de couplage exté rieurs & à autotransformateur étant prévus pour, sur la première colonne, mettre en série les premier et deuxième enroulements d'une part et les troisième et quatrième enroulements d'autre part et connecter en série les deux circuits ainsi formés dont le point de jonction constitue un point neutre, pour, sur chacune des deux autres colonnes, mettre en série les deuxième et troisième enroulements et connecter une des extrémités de chacun des circuits ainsi constitués à la jonction entre les troisième et quatrième enroulements de la première colonne, et pour connecter une des extrémités du premier enroulement des deuxième et troisième colonnes au point de jonction des deuxième et troisièmes enroulements de l'autre de ces deux colonnes, de façon à transformer un système de trois tensions triphasées équilibrées en un système de deux tensions diphasées symétriques chacune par rapport à un point milieu qui coincide avec le point neutre du système triphasé, et vice versa. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, l'autotransformateur comporte sur chacune des deuxième et troisième colonnes un quatrième enroulement de N1 spires et des moyens sont prévus pour relier une extrémité de cet enroulement au point neutre et son autre extrémité au premier enroulement de la colonne correspondante. On obtient ainsi un autotransformateur permettant de passer d'un système triphasé à un système diphasé équilibré centré, et inversement, ltautotransformateur étant parfaitement réversible et équilibré en Ampères-Tours. Selon une réalisation préférée de l'invention le quatrième enroulement de la première colonne comprend deux bobines semblables qui peuvent être couplées en série ou en parallèle et chacune de ces bobines comporte une prise intermédiaire. Des moyens sont prévus pour connecter en série les enroulements des trois colonnes de façon à réaliser un autotransformateur triphasé. Selon une réalisation particulière de l'invention N2=2N1 ce qui permet de transformer un système triphasé en un système diphasé de m9me tension. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront encore dans la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a représenté plusieurs réalisations de l'invention. La figure 1 est une vue schématique en élévation d'un autotransformateur conforme à l'invention. Les figures 2 à 4 sont des schémas vectoriels correspondant à différents couplages en convertisseur triphasé-diphasé. Les figures 5 et 6 sont des schémas vectoriels correspondant à différents couplages en autotransformateur triphasé. La figure 7 est un schéma vectoriel correspondant à une variante d'unie partie de la figure 2. L'autotransformateur convertible conforme à l'invention, représenté figure 1, comprend un circuit magnétique triphasé qui comporte trois colonnes 1, 2, 3 réunies par deux culasses 4. Dans la version représentée les trois colonnes sont disposées dans un même plan. Sur la premiere colonne 1 sont disposés quatre bobinages qui comportent respectivement, le premier, 5 > (N2-'Ç3N1) spires, le second, 6, # 3N1 spires, le troisième, 7, N1 spires et le quatrième, 8, N1( # 3-1) spires, N1 et N2 désignant deux nombres entiers. Sur chacune des deux autres colonnes 2 et 3, sont disposés quatre enroulements qui comportent respectivement, le premier, 9 ou 13, (N2-N1) spires et les trois autres, 10 à 12 ou 14 à 16, chacun N1 spires. Tous ces enroulements ont leurs bornes sorties à 11 extérieur de la cuve contenant l'autotransformateur de façon à permettre de coupler entre eux ces enroulements comme on va ltexpliquer. Un premier mode de couplage en convertisseur triphasédiphasé prévu par l'invention correspond au schéma vectoriel de la figure 4. Sur la première colonne 1, les enroulements 5 et 6 d'une part et 7 et 8 d'autre part sont connectés en série et ces deux ensembles sont eux-mêmes mis en série, leur point de jonction 0 constituant un point neutre. Sur les colonnes 2 et 3, les enroulements 10 et Il d'une part et 14 et 15 d'autre part sont mis en série et une des extrémités de chacun de ces deux ensembles est réunie au au point de jonction H entre les enroulements 7 et 8 de la colonne 1. D'autre part, le premier enroulement 9 de la colonne 2 est relié au point de jonction L entre les enroulements 14 et 15 de la colonne 3. De même le premier enroulement 13 de la colonne 3 est relié au point de jonction M entre les enroulements 10 et 11 de la colonne 2. Les enroulements 12 et 16 ne sont pas utilisés. Si lton suppose que les trois bornes A, B, C marquées d'un cercle sur la figure 4 sont reliées à un réseau triphasé dquili- bré, on voit facilement, compte tenu des nombres de spires indiqués plus haut, que les trois tensions mesurées respectivement entre le point neutre C et les trois point A , C. sont Egales en amplitude et diphasées entre elles de 120 devras, chacune de ces tensions correspondant à N2 spires. Lee flux magnétiques cisns les trois colonnes forment un système triphasé. On voit également que les quatre tensions mesurées respectivement entre le point neutre 0 et chacune des bornes a, b, c, d marquées d'un X sur la figure 4 sont égales en amplitude et dépha sées entre elles de 90 degrés. Elles forment donc un système diphasé centré équilibré dont le point neutre coincide avec celui du système triphasé. Chacune de ces quatre tensions correspond à X N1 spires. L'autotransformateur est réversible, c'est-à-dire que les bornes O, a,b,c,d étant reliées à un réseau diphasé centré équilibré à cinq fils, on obtient entre les bornes A, B, C un système de tensions triphasées équilibrées. Les flux magnétiques dans les trois colonnes constituent encore dans ces conditions un système triphasé. Dans cette réalisation, on prend de préférence N2 égal à 2N1. Les trois tensions triphasées composées, mesurés entre chaque paire de bornes telles que A et B sont alors égales aux tensions diphasées mesurées entre a et c ou entre b et d. Dans ces conditions, le calcul montre que les Ampères-Tours sur les trois colonnes sont parfaitement équilibrées, ce qui évite les fuites et les chutes de tension excessives si par exemple un seul des deux circuits diphasés est chargé. Le couplage de la figure 4 peut être aisément transformé, sans décuvage du transformateur, en celui représenté figure 6 pour réaliser un autotransformateur triphasé. Les enroulements 5, 6, 7 de la colonne 1 sont encore connectés en série, mais l'ensemble est inversé par rapport à la figure 4 et réuni au point H qui devient le point neutre. L'enroulement 8 n'est pas utilisé. Les enroulements 10 et 11 d'une part et 14 et 15 d'autre part restent connectés comme à la figure 4, mais le premier enroulement 9 de la colonne 2 est inversé et mis en série avec les enroulements 10 et 11. De même l'enroulement 13 de la colonne 3 est inversé et mis en série avec les enroulements 14 et 15. Ainsi les trois premiers enroulements sont mis en série sur chacune des colonnes. Compte tenu des nombres de spires respectifs et de la relation N2=2Nl, on voit tv,uf en obtient entre le point neutre H et chacune des bornes marquées A2, 2, C2 une tension correspondant > 2N' r . Dtautre -re ent-ra . C1, on obtient une tension correspondant à 3N1 spires. On comprend ainsi que l'invention permet de convertir très facilement un auto-transformateur diphasé-triphass (figure 4) en un autotransformateur triphasé ordinaire (figure 6) qui permet d'éleveur ou d'abaisser les tensions en conservant la puissance. Bien entendu on peut très facilement réaliser un rapport de transformation différent du rapport de 1,5 cité plus haut à titre d'exemple. I1 suffit pour cela de scinder, par exemple, les enroulements 7, 9, 13 en plusieurs bobinages qui sont couplés, soit en série dans un des deux modes de couplage, soit en parallèle dans l'autre mode. On a représenté à la figure 2 un second mode de couplage en convertisseur triphasé-diphasé, dans lequel tous les enroulements représentés à la figure 1 sont utilisés. Ce couplage ne diffère de celui de la figure 4 que par le fait que les quatrièmes enroulements 12 et 16 des colonnes 2 et 3 sont connectés entre le point neutre O et les pointus de jonction L et M respectivement. Le calcul montre dans ces conditions que, quels que soient les nombres N1 et N2, les Ampères-Tours Far colonne sont équilibrés. Ce couplage est par suite préféré pour convertir un système de tensions triphasées en un système de tensions diphasées équilibre centré, et vice versa, quand lss tensions triphasées et diphasées ne sont pas égales entre elles. La figure 3 représente une variante de la figure 2 dans laquelle les premiers enroulements de chaque colonne sont scindés en deux parties 5a, 5b, 9a, 9b, 13a, 13b respectivement. Chacune de ces parties comprend une prise intermédiaire qui détermine des enroulements partiels 21, 22 sur la première colonne 23, 24 sur la deuxième colonne et 25, 26 sur la troisième colonne. Pour des raisons de clarté du dessin, ces enroulements partiels dont pas été représentés à la figure 1. Sur chacune des colonnes les deux enroulements parties peuvent etre connectés soit en série, soit en parallèle, étant entendu que tous ces enroulements partiels comportent le même nombre de spires.On comprend que dans ces conditions on peut obtenir, pour une même amplitude des tensions diphasées, deux amplitudes différentes des tensions triphasées, par un simple changement du couplage de ces enroulements partiels. C'est ainsi quton peut par exemple passer très facilement d'un réseau triphasé 20 kilovolts à un réseau triphasé 12 kilovolts et inversement et obtenir dans les deux cas les mêmes tensions diphasées. Selon une autre variante, représentee à la figure 7, l'enrou- lement 8 de la colonne 1 est réalisé en deux bobinages a et bb semblables entre eux et comportant chacun N1( -1) spires et qui sont connectés en parallèle dans le mode de couplage représenté à la figure 2. Ces deux bobinages colportent chacun une prise intermédiaire qui définit des enroulements partiels 27 et 28 de N1/2 spires qui sont utilisés dans un autre mode de couplage quron va maintenant décrire. Comme celui de la figure 4, le couplage de la figure 2 peut être ais4ment modifié pour réaliser un autotransformateur triphasé classique, comme le montre la figure 5. Dans ce mode de couplage les enroulements 5 et 6, 9 et 12, 13 et 16 sont connectés à partir du point neutre O eomee à la pagure 2 de sorte qutentre le point 0 et chacune des bornes A, B et C on obtient un premier système de tensions triphasées dquili- brées correspondant chacune à N2 spires. Sur la colonne 1, ltenroulement 7 et les deux enroulements partiels 27, 28 sont mis en série avec les enroulements 5 et 6. De meme su la colonne 2, les enroulements 10 et il sont en série avec les enroulements 9 et 12, et sur la colonne 3, les enroulements 14 et 15 sont en série avec les enroulements 13 et 16 de sorte que sur les colonnes 2 et 3 les quatre enroulements sont en série. On voit qutentre le point O et chacune des bornes extrêmes Al, B1, C1 on obtient un deuxième système de tensions triphasées équilibrées correspondant chacune à (N2+2N1) spires Bien entendu, on peut facilement réaliser dtautres rapports de transformation pour cet autotransformateur triphasé, par exemple en couplant en parallèle les enroulements 10 et 11, 14 et 15 et ltenroulement 7 avec ltensemble des enroulements 27 et 28 connectés en série. On peut aussi, comme on l'a dit en référence à la figure 3, réaliser certains enroulements, tels que 5, 9 et 13, en plusieurs enroulements partiels qu'on peut coupler soit en série, soit en parallèle. On comprend que l'autotransformateur conforme à l'invention présente une très grande souplesse d'emploi et permet d'obtenir les tensions dtutilisation usuelles à partir des réseaux moyenne t basse tension triphasés ou diphasés équilibrés centrés. L'autotransformateur est parfaitement réversible et équilibré en Ampères-tours, ce qui évite les distorsions et chutes de tension qu'on rencontre dans les transformateurs déphaseurs non équilibrés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux réalisations SUon vient de décrire et on peut apporter à celles-ci de nombreuses variantes d'exécution sans sortir du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Autotransformateur déphaseur convertible pour réseaux électriques alternatifs polyphasés, comprenant un circuit magnétique à trois colonnes, caractérisé en ce qu'il comprend sur une rem erse colonne au moins quatre enroulements comportant respectivement, le premier (N2-V-3N1) spires, le second # 3N1 spires, le troisième Ni spires et le quatrième Nl(Ag-3-1) spires, sur chacune des deux autres colonnes au moins trois enroulements comportant respectivement, le premier (N2-Nl)spires, et les deuxième et troisième chacun N1 spires, N1 et N2 désignant deux nombres entiers, et des moyens de couplage extérieurs à ltauto- transformateur étant prévus pour, sur la première colonne, mettre en série les premier et deuxième enroulements d'une part et les troisième et quatrième enroulements d'autre part et connecter en série les deux circuits ainsi formés dont le point de jonction constitue un point neutre, pour, sur chacune des deux autres colonnes, mettre en série les deuxième et troisième enroulements et connecter une des extrémités de chacun des circuits ainsi constitués à la jonction entre les troisième et quatrième enroulements de la première colonne, et pour connecter une des extrémités du premier enroulement des deuxième et troisième colonnes au point de jonction des deuxième et troisième enroulements de l'autre de ces deux colonnes, de façon à transformer un système de trois tensions triphasées équilibrées en un système de deux tensions diphasées symétriques chacune par rapport à un point milieu qui coincide avec le point neutre du système triphasé, et vice versa. 2. Autotransformateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend sur chacune des deuxième et troisième colonnes un quatrième enroulement de N1 spires et des moyens pour relier une extrémité de cet enroulement au point neutre et son autre extrémité au premier enroulement de la colonne correspondante. 3. Autotransformateur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le quatrième enroulement de la première colonne comprend deux bobines de chacune N1(# 3-1) spires, des moyens étant de plus prévus pour connecter ces deux bobines en parallèle. 4. Autotransformateur conforme 9 la revendication 3, carac térisé en ce que chacune des bobines du quatrième enroulement de la divise en un premier enroulement partiel de N1/2 spires et un deuxième enroulement partiel de N1('$3-L,5) spires. 5. Autotransformateur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qutil comprend des moyens de couplage extérieurs à l'autotransformateur pour connecter en série les quatre enroulements sur chacune des deuxième et troisième colonnes et pour connecter en série sur la première colonne les trois premiers enroulements et les deux premiers enroulements partiels précités, chacun des trois circuits ainsi constitués étant relié à un point neutre, de façon à former un autotransformateur triphasé. 6. Autotransformateur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les trois premiers enroulements de chaque colonne comportent des prises intermédiaires divisant ces enroulements en enroulements partiels, des moyens de couplage étant prévus pour connecter ces enroulements partiels en série ou en parallèle. 7. Autotransformateur conforme à la revandlcation 1, caractérisé en ce que N2=2N1. t. Autotransformateur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qutil comprend des moyens de couplage pour connecter en série respectivement les trois premiers enroulements de chaque colonne et pour relier chacun des trois circuits ainsi constitués t un point neutre de façon à former un autotransformateur triphasé. 9. Autotransformateur conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que l'un des enroulements de chaque colonne comporte des prises intermédiaires et en ce que des moyens de couplage sont prévus pour connecter en série ou en parallèle les enroulements partiels définis par ces prises.