Brevet FR2506064A1 — publié le 19821119

Transformateur multiple a éléments communs de circuits magnétiques. ta présente invention concerne une structure de transformateur comportant l'ensemble complet de circuits magnétiques et de bobinages pour un transformateur principal et un transformateur série, une partie du circuit magnétique de chaque transformateur étant commune a ces deux transformateurs. Certaines applications des transformateurs nécessitent l'association d'un transformateur principal et d'un transformateur série pour obtenir les caractéristiques électriques voulues. Quand on utilise ce principe, les transformateurs principaux et série se composent normalement de deux ensembles séparés et complets d'un circuit magnétique et de bobinages, il en résulte que l'unité totale est sensiblement volumineuse, lourde et conteuse. Comme la tension des transformateurs augmente, la taille des transformateurs série augmenteen proportion. Dans les applications de transformateur de four, par exemple, le transformateur série peut fournir environ 50 % des KVA du transformateur principal. I1 est donc souhaitable d'utiliser l'espace aussi efficacement que possible. On a découvert que suivant la présente invention, des problèmes rencontrés dans la conception et l'utilisation de deux ensembles complets séparés d'un circuit magnétique et de bobinages pour les transformateurs principaux et série, peuvent être résolus en utilisant un dispositif à induction électrique comportant une première structure de circuit magné tique composée de n pngers éléments de noyau et des premier et second éléments de culasse formés de lamelles métalliques empilées, les n éléments de noyau étant espacés pour former n-l premières ouvertures entre eux; une seconde structure de circuit magnétique composée de n seconds éléments de noyau et des troisième et quatrième éléments de culasse formés de lamelles métalliques empilées, les n seconds éléments de noyau étant espacés pour former n-l secondes ouvertures entre eux; une série d'enroulements couplés par induction à chaque structure de circuit magnétique; et au moins une partie d'une culasse de la première structure de circuit magnétique étant commune à au moins une partie de la seconde structure de circuit magnétique. L'avantage du dispositif suivant la présente invention est qu'il utilise un noyau ou une culasse en commun pour réduire la taille, le poids et les pertes magnétiques du circuit magnétique. A titre d'exemple, on va maintenant décrire des modes de réalisation du dispositif de la présente invention, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en plan d'un transformateur de forme allongée avec des ensembles circuit magnétiquebobinages séparés pour les sections de transformateurs principale et série selon l'état de la technique; la figure 2 est une vue en plan d'un transformateur de forme allongée comportant une culasse commune aux ensembles circuit magnétique-bobinages principal et série suivant la présente invention; les figures 3 et 4 sont des coupes verticales suivant la ligne III-III de la figure 2, montrant deux réalisations de l'ensemble des circuits magnétiques combinés où l'un des circuits magnétiques du transformateur principal ou série est plus volumineux que l'autre;; la figure 5 est une vue en plan d'un transformateur de forme allongée suivant la présente invention; la figure 6 est une vue en plan d'un transformateur de forme carrée suivant la présente invention; et la figure 7 est une vue en plan d'un transformateur de forme allongée comportant un circuit magnétique à sept noyaux. A la figure 1, un transformateur de l'état de la technique en général est référencé 11 et il comporte un ensemble 13 circuit magnétique-bobinages principal et un ensemble circuit magnétique-bobinages auxiliaire ou série 15. L'ensemble principal 13 comprend un circuit magnétique 17 ayant une culasse 19. De même, l'ensemble auxiliaire 15 comprend une culasse 21 parallele à la culasse 19, mais séparée de cette culasse conformément à l'état de la technique. A la figure 2, un transformateur en général référencé 23 comprend les circuits magnétiques 25,27 qui sont des ensembles circuit magnétique-bobinages du type " 5 noyaux" comportant les bobinages 29, 31, 33 pour le circuit magnétique principal 25, et les bobinages 35, 37, 39 pour le circuit magnétique série 27. Le transformateur 23 comporte également les culasses 41, 43, 45 parmi lesquelles la culasse 43 est commune aux deux circuits magnétiques 25, 27. C'est dans le fait que la culasse 43 est commune aux deux circuits magnétiques 25 et 27 que réside l'idée essentielle de l'invention. A la figure 3, la culasse 43 est montrée comme étant formée par les parties des circuits magnétiques 25, 27 qui se chevauchent. De même, à la figure 4, la culasse 43 est représentée comme étant commune aux circuits magnétiques 25, 27. Les circuits magnétiques principal et série 25, 27 n'ont pas nécessairement la même hauteur et ne fonctionnent pas nécessairement avec la même induction. Ainsi, alors que les deux ensembles classiques circuit magnétique-bobinages de forme allongée représentés figure l,utilisent des culasses 19, 21 séparées, les nouvelles structures 25, 27, suivant la présente invention, ont en commun la culasse 43 (figure 2). Pendant le fonctionnement, la densité de flux est constante dans les trajets A, B et C puisque le flux est engendré par les enroulements du circuit magnétique principal 25; c'est-à-dire qu'il existe un rapport volts/tours constant. Cependant, la densité de flux dans le circuit magnétique série 27 n'est pas constante puisque la tension appliquée varie avec la position de la prise intermédiaire sur l'enroulement régulateur du circuit magnétique principal 25.Quand le transformateur série n'est pas excité, le flux ne s'écoule pas par les trajets a, b et c; par conséquent, le flux circulant dans les trajets A, B et C s'écoule à travers la culasse 43 commune. Si on augmente l'excitation de survoltage dans le transformateur série, le flux commence à s'écouler dans les trajets a, b et c. Le flux dans la culasse commune commence donc à circuler à travers a, b et c et dans la culasse extérieure. On remarque que ce qui précède est satisfaisant pour le survoltage uniquement; une application avec dévoltage va saturer la culasse commune. A cause de l'incapacité d'utiliser le survoltage-dévoltage, l'enroulement régulateur du transformateur principal sera plus volumineux. Quoi qu'il en soit, l'économie de poids de circuit magnétique en kilogrammesavec les dimensions exprimées en mètres sera approximativement (7360) x (longueur brute de la culasse) x (hauteur de la plus courte culasse) x (largeur de la culasse) L'idée de la présente invention peut être étendue avec différents degrés d'efficacité au transformateur standard de forme allongée (cf. figure 5) mettant en application des circuits magnétiques 47, 49 séparés, le premier comportant des noyaux 51, 53 et le second des noyaux 55, 57.Des enroulements ou bobinages séparés 59, 61 entourent les noyaux 53, 55 afin de réaliser une partie de phase A ayant une culasse commune formée des culasses 63, 65 des circuits magnétiques 47, 49. Les bobinages 71, 73, autour des noyaux 53, 55 forment une phase B ayant également une culasse commune composée des culasses 75, 77. De même, les bobinages 79, 81, entourant les noyaux communs 53, 55 forment une phase C ayant une culasse commune composée des culasses 83, 85. En plus de la structure de forme allongée représentée figure 5, le principe de la présente invention est également applicable awtransformateurs de forme carrée tels que le montre la figure 6 dans laquelle des bobinages 87 sont disposés sur les noyaux 89 pour fonctionner avec des bobinages 91 similaires sur les noyaux 93 de la partie auxiliaire ou série afin de former les trois phases A, B et C ayant une culasse 95 commune. Un autre mode de réalisation est représenté à la figure 7. I1 comporte un circuit magnétique 97 à sept noyaux comprenant les noyaux auxiliaires 98 entre les phases. Des bobinages 99 sont disposés sur les noyaux 100. Ainsi, la structure de transformateur de la présente invention permet l'utilisation d'une culasse ou d'un noyau commun pour réduire la taille, le poids, et les pertes magne- tiques des circuits magnétiques, tout en éliminant du fer. Enfin, le principe de la présente invention est utile pour des structures monophasées aussi bien que triphasées. REVENDICATIONS 1. Dispositif à induction électrique, caractérisé par le fait qu'il comporte une première structure (25) de circuit magnétique composée de n premiers éléments de noyau et de premier (41) et second (43) éléments de culasse formés de lamelles métalliques empilées, les n éléments de noyau étant espacés pour former n-l premières ouvertures entre eux; une seconde structure (27) de circuit magnétique composée de n seconds éléments de noyau et de troisième (43) et quatrième (45) éléments de culasse formés de lamelles métalliques empilées, les n seconds éléments de noyau étant espacés pour former entre eux n-l secondes ouvertures; une série d'enroulements (29, 31, 33, 35, 37, 39) associés aux structures (25,27) de circuit magnétique, au moins une partie d'une culasse (43) de la première structure de circuit magnétique étant commune à une culasse de la seconde structure de circuit magnétique. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite culasse de la première structure (25) de circuit magnétique et ladite culasse de la seconde structure (27) de circuit magnétique forment ensemble une culasse (43) unique, commune aux deux structures de circuit magnétique. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la première structure (25) magnétique constitue un transformateur principal et que la seconde structure (27) magnétique constitue un transformateur série. 4. Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que la première structure (25) de circuit magnétique constitue un circuit magnétique à cinq noyaux. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que ladite série d'enroulements constitue une première structure d'enroulements (29, 31, 33) couplée par induction à la première structure (25) de circuit magnétique, et une seconde structure d'enroulements (35, 37, 39) couplée par induction à la seconde structure (27) de circuit magnétique. 6. Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que ladite série d'enroulements constitue une structure d'enroulements couplée par induction à chaque structure de circuit magnétique.