Brevet FR2143566A1 — publié le 19730209

La présente invention concerne un transformateur statique déphaseur convertible pour réseaux polyphasés et notamment pour réseaux di- ou triphasés. Le terme 'tdiphasé" est ici employé dans le sens le plus général et désigne tout système de deux tensions sensiblement en quadrature ltune par rapport à autre. Ce terme couvre donc aussi bien les systèmes "biphasés" à trois ou quatre fils que les systè- mes "diphasés" proprement dits à cinq fils fournissant des tensions équilibrées en amplitude et en phase et symétriques par rapport à un point milieu. On sait que les caractéristiques des réseaux actuels de distribution d'énergie électrique, aussi bien à basse qu'à moyenne tension, sont extrêmement diversifiées. C'est ainsi qu'on peut trouver dans une même région des réseaux à basse tension diphasés 220 volts ou triphasés 220, 380, 440 ou 500 volts. De même, on peut trouver dans une même région des réseaux à moyenne tension diphasés 12 kilovolts ou triphasés 20 kilovolts. Cet état de fait crée des problèmes importants par exemple pour l'utilisateur qui veut transporter une machine à alimentation électrique d'un point à un autre ou pour les chantiers qui, par leur nature même, sont appelés à se déplacer. On connaît des transformateurs statiques permettant de transformer un système de tensions triphasées en un système de tensions diphasées et vice-versa. Ainsi, le brevet français 1 443 967 décrit un transformateur comprenant un circuit magnétique triphasé, un premier bobinage triphasé et un second bobinage diphasé. Ce bobinage diphasé comporte des enroulements couplés de telle manière que le diagramme vectoriel correspondant comprenne deux triangles équilatéraux accolés suivant une base commune dont la direction correspond à l'une des phases du système de tensions diphasées. Mais un tel transformateur permet uniquement de passer d'un système triphasé déterminé à un système diphasé déterminé ou vice-versa. Il ne permet donc pas de résoudre le problème évoqué plus haut. L'invention a notamment pour but de permettre de réaliser un transformateur déphaseur convertible grâce auquel on puisse obtenir à partir des réseaux actuels de distribution à basse ou moyenne tension, les tensions diphasées ou triphasées usuelles d'utilition par un changement de couplage des enroulements, sans avoir à décuver ou démonter le transformateur. Selon lrinvention, le transformateur statique déphaseur convertible pour réseaux alternatifs polyphasés qui comprend un circuit magnétique à trois colonnes est caractérisé en ce qu'il comporte un premier bobinage couplé de façon à engendrer dans le circuit magnétique un flux magnétique triphasé, un second bobinage comprenant sur chacune des colonnes deux enrou lements ayant le même nombre de spires N et des moyens de couplage extdrieurs au transformateur agencés pour coupler les enroulements de ce second bobinage de façon en elle-mame connue pour obtenir trois tensions triphasées équilibrées de difirentes amplitudes, ou pour coupler ces enroulements de façon que le diagramme vectoriel correspondant comprenne deux triangles équilatéraux accolés suivant une base commune, de façon à obtenir deux tensions diphasées. ainsi, en modifiant le couplage des enroulements sans qu'il soit besoin de décuver le transformateur, on peut passer d'un système de tensions diphasées à un système de tensions triphasées d'amplitude différente suivant que les enroulements du second bobinage sont couplés par exemple en triangle, en étoile série, en étoile parallèle ou encore en zig - zag. Selon une réalisation préférée de l'invention, l'un des enroulements du second bobinage sur l'une des colonnes est soin- dé en un enroulement de N (#3 - 1) spires et un enroulement de N (2 -C3) spires. De préféreice, le premier de ces enroulements est lui-même scindé en deux enroulements de N (#3- 1) /2 spires. On verra par la suite que cette disposition permet d'obtenir deux tensions diphasées équilibrées. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le premier bobinage du transformateur comprend sur deux des colonnes un enroulement de P1 spires et un enroulement de P2 spires et, sur la troisième colonne, un enroulement de ( P1 #3 - P2 ) spires, des moyens étant prévus pour coupler en étoile les deux enroulements de P1 spires des deux premières colonnes, de façon à obtenir une première tension, et pour coupler l'enroulement de la troisième colonne en série avec les enroulements de P2 spires des deux premières colonnes, de façon à obtenir une deu xième tension déphasée de 90 degrés avec la première. De prévérence, ce premier bobinage comporte en outre sur chacune ces deux premières colonnes un troisième enroulement de [P1 (k - 1) - P2] spires, et sur la troisième colonne un deuxième enroul-ment de CP1 (E - ( 5) + P2] spires. Des moyens sont prévus pour coupler en série les enroulements de chaque colonne et coupler en étoile les trois enroulements ainsi formés de façon à obtenir trois tensions triphasées égales à k fois les tensions diphasées précitées. ainsi le premier bobinage peut fournir ou recevoir, soit un système de tensions diphasées, soit un système de touions triphasées de valeurs différentes des tensions di phuées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a représenté une réalisation préférée de l'in- vention. La fig. 1 est un schéma d'un transformateur conforme à l'invention montrant la disposition des enroulements du second bobinage. La fig. 2 est le schéma vectoriel correspondant au couplage en diphasé des enroulements de la fig. 1 Les fig. 3 à 5 sont des schémas vectoriels montrant différents couplages en triphasé des enroulements de la fig. 1. La fig. 6 est un schéma du transformateur nontrant la disposition des enroulements du premier bobinage. Les fig. 7 et 8 sont des schémas vectoriels correspon dant au couplage en diphasé des enroulements de la iig. 6. La fig. 9 est un schéma vectoriel correspondant au couplage a triphasé des enroulements de la fig. 6. Le transformateur déphaseur convertible conforme à l'in- Invention représentée à la fig. 1 comprend un circuit magnétique triphasé 1. Dans la réalisation représentée, ce circuit magnétique comprend deux culasses 2 réunies par trois colonnes 3 à 5, situées dans un même plan. Mais l'intention s'applique aussi bien si les trois colonnes ne sont pas coplanaires ou si le circuit magnétique est composé de trois circuits monophasés. Le transformateur comprend un premier bobinage, non représenté à la fig. 1, qui peut titre d'un type classique tri phasé comportant sur chaque colonne un ou plusieurs enroulements avec prises intermédiaires pour le règlage des tensions et couplés a triangle, étoile série ou parallèle, ou encore en zig - zag pomme il est très connu de l'homme de l'art. De premier bobinage peut Autre encore du type convertible diphasé - triphasé, comme on le décrira plus loin. Dans tous les cas, le premier bobinage est couplé de telle façon que les flux magaétiques circulant dans les trois colonnes 3 à 5 soient trois flux triphasés. Le transformateur comporte encore un deuxième bobinage dont une réalisation particulière est représentée fig. 1. Il doit Cotre bien entendu que les qualificatif. "premier" et "deuxième" appliqués aux bobinages ne sont utilisés que pour identiiier iacilement et distinguer ces bobinages dans la suite de la description et n'impliquent nullement une fonction parti calibre de ces bobinage. En particulier, l'un ou l'autre des bobinage. peut entre, suivant les cas, relié au réseau de dis- tribution d'énergie électrique ou à l'utilisation. Dans la réalisation représentée, les deux colonnes extrêmes 3 et 5 portent chacune deux enroulements, 6 et 14, respectivement, ayant chacun N spires. La colonne médiane 4 porte également un enroulement 7 de N spires qui comporte une prise médiane 8. Cette colonne porte en outre deux autre. enroulements ayant au total N spires. L'un 9 de ces enroulement. comprend N ( 3 - 1) /2 spires. L'autre enroulement comporte une prive intermédiaire II qui le divise en un enroulement 12 de N ( 2 - #3) spires et un enroulement 13 de N (#3 - 1) / 2 spires. Les extrêiités et les prises intermédiaires de tous ces enroulements sont sorties à l'extérieur de la cuve contenant le transformateur de façon que l'utilisateur puisse les connecter entre elles comme il va autre expliqué sans avoir à décuver ou démonter le transformateur. Le deuxième bobinage peut être couplé en diphasé sui vant le schéma vectoriel d. la fig. 2. Sur cette figure, on a porté le numéro de chaque enroulement en face du vecteur correspondant. Dans ce cas les quatre enroulements 6 et 14 des colonnes 9 et 5 sont connectés en losange comme indiqué sur la fig. 2. Le vecteur correspondant à l'enroulement 7 est disposé suivant la plus petite diagonale de ce losange. Les enroulements 13 et 9 sont connectés en série avec l'enroulement 7 et disposés de part et d'autre de ce dernier enroulement. L1 enroulement 12 n'est pas utilisé. Les bornes d'utilisation 15 à 18 sont représentées par des cercles sur la fig. 2. On voit que la tension entre les bornes 15 et 16 est déphasée de 90 degrés par rapport à la tension entre les bornes 17 et 18. Comme d'autre part, l'amplitude de chacune de ces tensions correspond à N Ù3 spires, on obtient un système de deux tensions diphasées équilibrées. En outre, grtce à la prise médiane 8, l'une de ces deux tensions est divisée en deux ten suions symétriques. Bien entendu, on peut, dans certains cas spéciaux, modifier les bornes d'utilisation. Ainsi, par exemple, on peut également utiliser 1' enroulement 12 auquel cas on obtient deux tensions diphasées déséquilibrées, l'une correspondant à N spire et 1 'autre à 2 N spires. On peut également utiliser la tension aux bornes de l'enroulement 7 qui correspond à N spires. Si, enfin, on réalise les enroulements 9 et 13 en un seul enrou lement de N ( C 3 - 1-) spires, on obtient entre les bornes 17 et 18 une tension de même amplitude que la tension entre les bornes 15 et 16 mais qui n'est plus symétrique par rapport à la prise médiane 8. Le deuxième bobinage peut aussi hêtre couplé en triphasé, conformément aut fig. 3 à 5. La fig. 3 correspond au couplage en étoile parallèle. Les deux enroulements 6 et les deux enroulements 14 des colonnes 3 et 5 sont couplés deux à deux en parallèle et l'ensemble est couplé en étoile. Les enroulements 9, 12 et 13 de la colonne 4 sont montés en série et l'ensemble est mis en parallèle avec l'enroulement 7 pour constituer la troisième branche de 1' étoile. On obtient ainsi un système de tensions triphasées équilibrées correspondant chacune à N spires, la tension entre phases cor respondant à N 3 spires, c'est-à-dire ayant la mame amplitude que chacune des tensions diphasées du montage précédent pour une mbme valeur du flux ou de la tension par spire. La iig. 4 correspond au montage zig - zag. Dans ce cas, un des enroulements 6 de la colonne 3 est monté en série avec un des enroulements 14 de la colonne 5 pour former la première branche d'une étoile. L'autre enroulement 6 de la colonne 3 est monté en série avec les enroulements 9, 12 et 13 de la colonne 4 pour former la deuxième branche de 11 étoile. La troisième branche de cette étoile est constituée par le second enroulement 14 de la colonne 5 mis en série avec l'enroulement 7 de la colonne 4. On obtient ainsi trois tensions triphasées équilibrées corres pondant chacune à N G spires, la tension entre phases correspondant à 3 N spires. Dans le couplage en étoile - série correspondant à la fig. 5, tous les enroulements d'une mme colonne sont mis en série pour constituer respectivement les trois branches d'une étoile. On obtient ainsi trois tensions triphasées équilibrées correspondant chacune à 2 N spires, la tension entre phases correspondant à 2 N r3 spires. Les couplages qui viennent d'entre décrits permettent de recevoir ou d'obtenir des tensions correspondant aux réseaux de distribution usuels, ctest-à-dire par exemple diphasés 220 volts et triphasés 220, 380 ou 440 volts. Dans certains cas spéciaux, on pourra encore utiliser les couplages triphasés en triangle série ou parallèle pour obtenir des tensions correspondant respectivement à N ou 2 N spires. On va maintenant décrire en référence aux fig. 6 à 9 une réalisation particulière du premier bobinage du transforma- teur. n doit entre toutefois bien entendu que ce premier bobinage que l'on va décrire peut titre utilisé non seulement avec un deuxième bobinage du genre qui vient d'être décrit, mais aussi avec un deuxième bobinage de type triphasé ou diphasé classique, ou encore avec un deuxième bobinage identique à ce premier bobinage pour constituer un transformateur d'isolement di - ou triphasé. Le premier bobinage représenté à la fig. 6 comprend sur chacune des colonnes 3 et 5 deux enroulements semblables 21 comportant chacun une prise intermédiaire 23 qui les divise en un enroulement 24 de [P1 (2 - k) + P23 /2 spires et un enroulement 25 de [P1 (k " P23 spires, k étant un nombre positif supérieur à 1. Les conditions auxquelles sont assujettis les nombres P1 et P2 seront données plus loin. On voit qu'en groupant en série les deux enroulements 24 et un des enroulements 25, on obtient un enroulement équivalent de P1 spires. Chaque colonne 3 et 5 porte en outre un enroulement 26 de P2 spires. La colonne médiane 4 porte deux enroulements semblables 27 comportant une prise médiane 29 qui les divise en un enroulement 31 de [P1 ( 6 - k/2) - P23 spires et un enroulement 32 de [P1 (k - ) + P2 zspires. On voit qu'en connectant en série lee deux enroulements 31 et un enroulement 32, on obtient un enroulement équivalent de (P1 #3 - P2) spires. Pour que les nombres de spires de tous ces enroulements soient positifs, les nombres P1 et P2 sont agaujettis aux conditions suivantes P1 + P2 Les enroulements du premier bobinage représenté à la fig. 6 peuvent Autre couplés en diphasé conformément aux diagrammes vectoriels des fig. 7 et 8. Sur les colonnes 3 et 5, iig. 7, les deux enroulements 25 sont connectés en parallèle et l'ensemble sont en série avec les deux enroulements 24. Comme on l'a dit plus haut, on obtient ainsi un enroulement équivalent de P1 spires sur chaque colonne. Les enroulements de. deux colonnes sont ensuite connectés en étoile, de façon à obtenir entre les bornes 33 et 34 (fig. 7) une tension correspondant à P1 #3 spires. Sur la colonne 4, les deux enroulements 32 sont montés en parallèle et l'ensemble est connecté an série avec les deux enroulements 31. On obtient ainsi un enroulement équivalent de (P1 63 - P2) spires. L'ensemble est ensuite connecté avec les enroulements 26 des colonnes 9 et 5 qui fournissent ensemble une tend on correspondant à P2 spires en phase avec la tension iournie par les enroulements de la colonne 4.On obtient donc entre les bornes 95 et 36 une tension correspondant à P1 6 spires, de même amplitude que la tension entre les bornes 33 et 34, nais déphasée par rapport à cette dernière de 90 degrés. Les enroulements du premier bobinage peuvent également être couplés en triphasé selon le diagramme de la fig. 9 correspondant au couplage en étoile - série. Tous les enroulements d'une mole colonne sont montés en série et on vérifiera facile- ment que l'enroulement équivalent sur chaque colonne comprend k P1 spires. Les enroulements des trois colonnes sont ensuite couplés en étoile, ce qui iournit un système de tensions triphases équilibrées correspondant chacune à k P1 spires, la tension entre phases correspondant à k #3 P1 spires, c'est-à- dire égale à k fois la tension obtenue en montage diphasé. On peut ainsi adapter le transformateur, sans avoir à le démonter ou à le décuver, aux réseaux à moyenne tension usuels, par exemple diphasé 12 kilovolts ou triphasé 20 kilovolts ou à des réseaux à basse tension tels que diphasé 220 volts, triphasé 380 ou 440 volts. Ainsi l'intention permet d'obtenir les tensions d'utili sation usuelles à partir des réseaux de distribution actuels di - ou triphasés à moyenne ou basse tension. Le transformateur peut également btre utilisé comme on l'a dit el transformateur d'isolement, soit diphasé, soit triphasé, moyenne ou basse tension, en l'équipant de deux bobinages identiques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux réalisations qui viennent d'titre décrites et on peut apporter à cellesci de nombreuses variantes d'exécution sans sortir du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1) Transformateur statique déphaseur convertible pour réseaux alternatifs polyphasés, ce transformateur comprenant un circuit magnétique à trois colonnes, caractérisé en ce qu'il comprend un premier bobinage couplé de façon à engendrer dans le circuit magnétique un flux magnétique triphasé, un second bobinage comprenant sur chacune des colonnes deux enroulements ayant le même nombre de spires N et des moyens de couplage extérieurs au transformateur agencés pour coupler les enroulements de ce second bobinage de façon en elle-meme connue pour obtenir trois tensions triphasées équilibrdes, de différentes amplitudes ou pour coupler ces enroulements de façon que le diagramme vectoriel correspondant comprenne deux triangles équilatéraux accolés suivant une base commune de façon à obtenir deux tensions diphasées. 2) Transformateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que sur l'une des colonnes l'un des enroulements du second bobinage est scindé en un enroulement comportant N ( $ - 1) spires et un enroulement comportant N (2 - W spires de façon à obtenir dans un des modes de couplage deux tensions diphasées équilibrées. 3) Transformateur conforme à la revendication 2, caractS- risé en ce que sur la colonne précitée, l'un des enroulements du second bobinage comprend N spires et présente une prise médiane, et en ce que 1 'autre enroulement de ce second bobinage, sur cette même colonne, est scindé en trois enroulements dont deux compre nant N ( - 1) /2 spires et l'autre comprend N (2 - ) spires, de façon à obtenir dans un mode de couplage deux tensions dipha suées équilibrées, l'une de ces tensions étant décomposée en deux tensions égales et symétriques. 4) Transformateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier bobinage comprend sur deux des colonnes un enroulement de P1 spires et un enroulement de P2 spires et sur la troisième colonne un enroulement de (P1 Ç3 - P2) spires, et en ce que des moyens sont prévus pour coupler en étoile les deux enroulements de P1 spires des deux premières colonnes de façon à obtenir une première tension et pour coupler l'enroulement de la troisième colonne en série avec les enroulements de P2 spires des deux premières colonnes de façon à obtenir une deuxième tension ddphase de 90 degrés avec la première. 5) Transformateur conforme à la revendication 4, carac térisé en ce que le premier bobinage comprend sur chacune des deux premières colonnes un troisième enroulement de 1 (k-1)-P23 spires et sur la troisième colonne un deuxième enroulement de [P1 (k - #3) + P2] spires, et en ce que des moyens sont prévus pour coupler en série les enroulements de chaque colonne et coupler en étoile les trois enroulements ainsi formés, de façon à obtenir trois tensions triphasées égales à k fois les tensions diphasées précitées. 6) Transformateur conforme à la revendication 5, carac périsse en ce que sur chacune des deux premières colonnes, l'enroulement de P1 spires est scindé en un enroulement de tP (2 - k) + P2 J spires et un enroulement de [P1 (k - 1) - P2 spires, et en ce que des moyens sont prévus pour coupler ce dernier enroulement en parallèle avec le troisième enroulement précité de la colonne correspondante dans le montage diphasé, et en série avec ce troisième enroulement dans le montage triphase. 7) Transformateur conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que l'enroulement de (P1 #3 - P2) spires de la troisième colonne est scindé en un enroulement de [P1 (2 #3 - k) - 2 P2] spires et un enroulement de [P1 (k - #3 + P2] spires, et en ce que des moyens sont prévus pour coupler ce dernier enroulement en parallèle avec le deuxième enroulement précité de la mame colonne dans le montage diphasé et en série avec ce deuxième enroulement dans le montage triphasé.