Brevet FR2538158A1 — publié le 19840622

TRANSFORMATEUR UTILISABLE COMME UNE SOURCE DE FOURNITURE CONTINUE ET SANS DEFAILLANCE D'UNE TENSION ALTERNATIVE La présente invention concerne un transformateur, qui est agencé avantageusement sous la forme d'une source de courant destinée à fournir de façon continue et sans défaillance une tension alternative. Ces dernières années, le domaine des installations exigeant une alimentation continue en courant s'est élargi d'une maniére importante. Parmi de telles installations, on doit citer par exemple les calculateurs électroniques, les dispositifs de commande et de régulation, les diffé- rentes technologies exigeant un fonctionnement continu, les stations de balisage sur les aérodromes, les salles d'opération dans des hôpitaux ainsi que des dispositifs sanitaires spéciaux, comme par exemple des pou- nions artificiels. Ces appareils de consommation nécessitent généralement une tension alternative monophasée ou triphasée normale avec une fréquence de 50 Hz. Par l'expression "alimentation continue et ininterrompue en éner- gie", on entend que l'appareil de consommation doit pouvoir supporter une coupure de tension ayant seulement une durée de quelques millisecondes. Une chute de tension d'une durée plus longue peut déjà provoquer des per- turbations et même un arrêt complet. Pour assurer une alimentation continue et ininterrompue en énergie, on a déjà mis au point de nombreuses solutions pour l'accumulation d'éner- gie, parmi lesquelles le système le plus judicieux à l'heure actuelle est un système coopérant avec un onduleur statique L'essentiel de cette so- lution consiste en ce que la tension alternative assure par redressement la charge d'une batterie d'accumulateurs et qu'ensuite la tension fournie par les accumulateurs est convertie en une tension alternative à l'aide d'un onduleur dont les bornes sont reliées à un appareil de consommation nécessitant une alimentation continue en énergie. L'inconvénient des systèmes d'alimentation en énergie comportant des onduleurs consiste en ce que les frais d'investissement et d'exploita- tion sont extrêment élevés et, en outre, par suite de l'emmagasinage local inévitable d'énergie, il est nécessaire obligatoirement de prévoir une batterie d'accumulateurs ayant une capacité correspondante Comme cela est bien connu, la batterie d'accumulateurs a un rendement extrêmement mauvais, les frais d'entretien sont élevés et en même temps la durée de service est courte Les frais affectant l'accumulateur deviennent suppor- tables lorsqu'il est également nécessaire, ce qui est rare, de faire inter- venir une tension continue, par exemple à des fins de protection. Egalement les frais d'investissement de l'onduleur sont extrêmement élevés et ainsi, par exemple, les dépenses concernant un onduleur d'une puissance de quelques dizaines de kilowatts atteignent un ordre de gran- deur très élevé Ces dépenses élevées sont imputables d'une part au prix élevé des composants du circuit électronique de puissance et d'autre part aux frais élevés de mise au point des appareils à fabriquer individuelle- ment, de sorte que l'on ne peut pratiquement pas compter sur une diminu- tion des dépenses dans un avenir proche. La présente invention a pour but de créer une source de fourniture de courant continu et sans défaillance à tension alternative, qui soit cons- tituée avantageusement par un transformateur et qui assure l'alimentation en énergie, en éliminant les systèmes d'accumulations d'énergie, de façon à améliorer la qualité d'alimentation en énergie tout en réduisant les frais. L'invention est basée sur la connaissance que, pour d'assez gros appareils de consommation, on dispose dans la plupart des cas de sources de tension alternative indépendantes les unes des autres mais cependant avec des phases identiques et qu'on peut les utiliser en combinaison avec un transformateur qui peut alors constituer de façon satisfaisante une source de courant de réserve et de sécurité fonctionnant sans défaillance. -Le transformateur selon l'invention contient un enroulement pri- maire, un enroulement secondaire et un noyau en fer. L'essentiel du transformateur conforme à l'invention consiste en ce que, pour assurer une alimentation ininterrompue en énergie des appa- reils de consommation reliés au secondaire, il est pourvu d'au moins un noyau en fer, d'au moins deux enroulements-primaires et d'au moins un enroulement secondaire, les enroulements primaires et l'enroulement se- secondaire étant séparés galvaniquement l'un de l'autre. 2 538158 Un mode avantageux de réalisation du transformateur selon l'inven- tion peut être caractérisé en ce que tous les enroulements sont disposés sur un noyau en fer commun. Dans un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, les enroulements primaires sont disposés sur des noyaux en fer séparés, un enroulement primaire respectif étant relié à au moins un enroulement se- condaire et les enroulements secondaires reliés aux mêmes appareils de consommation étant branchés en parallèle. Une autre forme avantageuse de réalisation du transformateur con- forme à l'invention peut être çaractérisée en ce que chaque con- tact de commande du contacteur est branché en série avec les enroulements primaires qui sont eux mêmes reliés à la sortie d'un amplificateur de puissance et excités par un circuit de courant de commande correspondant; les entrées des circuits de courant de commande précitées sont reliées à des relais de limitation de chute de tension disposésdans les circuits de courant primaire ainsi qu'à un circuit de courant détectant le dé- phasage des deux réseaux primaires, les entrées du circuit de courant de détection étant reliées aux sorties des enroulements primaires et se- condaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisa- tion possible du transformateur conforme à l'invention; la figure 2 représente un autre agencement du transformateur con- forme à l'invention; la figure 3 montre le transformateur selon l'invention avec des éléments reliés à celui-ci; la figure 4 montre l'unité de commande du transformateur conforme à l'invention. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, il est prévu deux enroulements primaires 1 et 2 et un enroulement secondaire 4 qui sont disposés sur un noyau en fer commun 3 en étant séparés galvaniquement l'un de l'autre. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les deux enroulements primaires 1 et 2 sont disposés sur les noyaux en fer sépa- rés 3 et 3 ', tandis que les enroulements secondaires 4 et 4 ' reliés aux mêmes appareils de consommation sont branchés parallèlement entre eux. En supposant que la condition de synchronisme des tensions d'ali- mentation est garantie, l'alimentation en énergie de l'appareil de con- sommation 17 (cf fig 3) est assurée par les enroulements primaires dans une proportion de 50 %-50 %. Pour tenir compte de la possibilité d'une alimentation simple et notamment de façon permanente lorsque par exemple l'une des tensions primaire Upl est supprimée, il semble avantageux de dimensionner les enroulements primaires 1 et 2 et l'enroulement secondaire 4 de façon qu'ils aient les mêmes puissances. Dans le cas d'une double alimentation, c'est-à-dire pendant un fonctionnement normal du transformateur conforme à l'invention, les enrou- lements primaires ne sont pas complètement chargés Leur réserve d'échauf- fement permet le passage d'un courant ayant une puissance réactive permanen- te ou une puissance active limitée qui est fonction de la différence de syn- chronisme entre les deux systèmes, c'est-à-dire que les deux tensions primaires résultent de la différence de tension et d'angle de phase. Sur la figure 1, le transformateur conforme à l'invention a été représenté avec les trois enroulements Lorsque dans ce cas la tension de court-circuit relative entre les deux enroulementsprimaires l'et 2 s'élève à peu prés à 20 %, le courant d'équilibrage entre les deux systèmes d'alimentation est limité par les deux tensions primaires Up, et Up 2 de sorte qu'une différence de tension permanente de 10 % ne provoque aucune surcharge dans les enroulements Evidenment, la répartition du cou- rant entre les systèmes d'alimentation peut également être améliorée lorsque les impédances continues ne diffèrent que légèrement l'une de l'au-_ tre Lorsqu'on doit utiliser deux systèmes d'alimentation, c'est-àdire lorsque l'appareil de consommation 17 relié à l'enroulement secondaire 4 est alimenté par les tensions primaire U et Up 2, la tension secondaire est moins sensible aux variations de tension du côté de l'alimentation car généralement les tensions Up 1 et Up 2 ne varient pas en même temps, de sorte que ce phénomène est perçu par le transformateur comme si la tension d'excitation représentait la valeur moyenne des deux tensions Up I et Up 2 La figure 3 montre la structure hiérarchique du système d'alimen- tation Les deux tensions de même phase qui sont pratiquement indépendan- tes l'une de l'autre sont fournies par le secteur d'alimentation à 6 ku. Le raccordement du secteur à 6 k Y auxtransformateurs 6,9 respectivement à 6 k V/0,4 k V est effectué respectivement par l'intermédiaire de contac teurs 5 et 8, qui sont eux mêmes raccordés par l'intermédiaire de section- neurs 7 et 10, aux barres omnibus 23 et 26 o on dispose de la tension de 0,4 k V Le raccordement des deux secteurs à 0,4 k V avec le transforma- teur 15 conforme à l'invention, est assuré par l'intermédiaire d'un fusi- ble respectivement 11, 12 et également par l'intermédiaire d'un contact respectif 13 1 et 14 1 d'un contacteur, auquel cas l'enroulement primaire 1 est sollicité par la tension U 1, l'enroulement primaire 2 est sollicité par la tension Up 2, les deux tensions concordant l'une avec l'autre en ce qui concerne la valeur de base, tandis que la tension secondaire du trans- formateur proprement dit représente la source désirée de fourniture d'é- nergie de façon continue et sans défaillance. Lorsqu'éventuellement la différence entre les tensions Up 1 et Up 2 dépasse 10 %, on n'a pas à craindre une surcharge des enroulements et en conséquence cette valeur peut être autorisée d'une manière permanente. La régulation de tension du réseau moyenne tension ne permet en aucune manière à l'écart permanent de dépasser 5 %. La variation transitoire de tension de 20 % pour les barres omnibus ou 26, qui se produit lors d'un démarrage de moteurs à 0,4 k V d'une assez grande puissance, provoque dans l'enroulement primaire de plus haute tension un courant supérieure de 1,5 fois mais que l'enroulement peut cependant supporter pendant une période de quelques minutes Au bout d'un temps de démarrage de quelques secondes, la composante de puissance réactive cesse automatiquement de se manifester dans la direction trans- versale. Lorsque la différence entre les tensions U Pl et Up 2 du système d'alimentation s'élève à 30 %, un des enroulements primaires est soumis à une surcharge double Une telle surcharge peut par exemple se manifes- ter lors d'un démarrage de moteurs à 6 k V Généralement, la protection thermique de l'enroulement primaire assure une coupure pour une surcharge double au bout d'une minute mais le démarrage des moteurs a cependant une durée plus courte de sorte que la répartition de courant approximativement identique est rétablie Lors du démarrage des moteurs, on n'a pas à crain- dre une tension supérieure. Une différence entre les tensions primaires atteignant 40 à 50 % peut se produire dans des centrales thermiques lorsqu'il se produit un blocage ce qu'on appelle une "commutation avec interruption de courte durée" La durée de la coupure est inférieure à une seconde de sorte que le courant transitoire d'équilibrage, à peu près triple, ne provoque aucun échauffement perturbateur. Dans le cas d'une tension aussi basse, la chute de tension con- tacteur-limiteur provoque la coupure du contacteur magnétique de 2538 158- l'enroulement primaire et elle interrompt le courant transversal d'équili- brage, de sorte qu'également la tension secondaire revient à la valeur initiale. Répartition des tensions d'appareils de consommation A Ups(%) Ua M 95 -90 85 80 50 75 o: A Ups représente la tension différentielle entre les deux tensions d'a- limentation Up 1 et Up 2; et Ua désigne la tension d'appareils de consommation. Le fonctionnement sûr du circuit électronique est encore assuré lorsque la tension s'écarte de la tension nominale de 15 %, de sorte que seules des coupures de tension supérieures à 30 % nécessitent une inter- vention pour la tension primaire La coupure non retardée de la source de courant à tension réduite est commandée par le relais de chute de tension qui est réglé à une valeur inférieure à 70 % de la tension nomi- nale U Nenn' La tension de chute du relais de chute de tension doit être réglée, en vue d'obtenir une coupure définie, au-dessus de la tension de coupure du contacteur. La tension secondaire de l'alimentation simple est inférieure d'en- viron 2,5 % à la valeur nominale mesurable dans le cas de la double alimen- tation. Sur la figure 4, on a représenté des contacteurs de limitation de chute de tension et également le mode de fonctionnement des circuits de courant de commande estmis en évidence sur cette figure La figure 4 re- présente une possibilité de réalisation dans laquelle il-est prévu une alimentation triphasée, c'est-à-dire que U 1 et Up 2 sont des tensions tri- phasées, le transformateur-étant un transformateur triphasé Il est évi- dent que le système peut être également réalisé sous une forme monophasée. Dans le système, chaque tension UR, Us, Ut des deux alimentations pri- maires est respectivement associée à un contacteur-limiteur de chute de tension 18, 18 ', 19, 19 ' et 20, 20 ', dont les sorties sont respectivement reliées à un circuit de courant de commande 21, 21 ' Ces circuits de cou- rant de commande 21, 21 ' ont non seulement pour fonction de contrôler si les différents niveaux de tension ne tombent pas en-dessous de la valeur prédéterminée, c'est-à-dire sont supérieurs à la tension de coupure, mais ils contrôlent simultanément, par l'intermédiaire du circuit de courant de détection 24, la condition de synchronisme des tensions U et U des deux réseaux primaires et également ils contrôlent si la tension tombe endessous de la valeur prédéterminée et, si la condition de synchronisme entre les deux réseaux primaires est perturbée, la sortie du circuit de courant de commande 21 ou 21 ' assure la coupure, par l'intermédiaire de l'amplificateur de puissance 22 ou 22 ', du réseau primaire correspondant, ce qui a encore pour conséquence que, grâce à la fonction du contacteur- limiteur de chute de tension, lorsque la tensi on reprend sa valeur ini- tiale, le relais correspondant réenclenche le réseau primaire associé. Le bouton-poussoir 23 est enclenché pour le premier démarrage car, lors du premier démarrage, les contacteurs magnétiques 13 et 14 détectent obligatoirement une plus faible tension en provenance des contacteurs- limiteurs de chute de tension 18, 18 ', 19, 19 ' 20, 20 '. A partir de la figure 3, on se rend nettement compte également, lorsque l'on voit seulement de façon schématique que les tensions U et Up 2 proviennent soit d'une source de tension monophasée, soit d'une source de tension triphasée que les contacts des contacteurs 13 et 15, qui sont reliés,comme cela est mis en évidence sur la Fig 4, aux sorties des circuits de courant de commande 21 et 21 ', sont connectés au réseau pri- maire soumis aux tensions Up, et Up. On va expliquer dans la suite l'effet-exercé par les courts-circuits se produisant aux autres prises du réseau primaire. Dans le cas de courts-circuits électriques à distance, lorsque la tension du distributeur ne tombe pas en-dessous de la valeur decoupure du contacteur-limiteur de chute de tension, le contacteur magnétique placé du côté du primaire court-circuité n'est pas coupé Le courant de circulation passant entre les deux réseaux primaires cesse alors lorsque le court-circuit est supprimé par le fusible associé à la prise. Lorsque maintenant l'impédance du circuit affecté par le court- circuit devient suffisamment faible pour que la tension des barres omni- bus de distribution 25, 26, tombe en-dessous de la valeur de coupure du contacteur-limiteur de chute de tension, le contacteur magnétique de l'alimentation primaire court-circuitée est coupé indépendamment de la fusion du fusible associé à la prise juste avant la cessation du courtcircuit De cette manière, le courant de circulation entre les réseaux primaires, c'est-à-dire la chute de tension transitoire du côté - secondaire, est arrêté. Lorsque la tension dans l'une ou l'autre des barres omnibus 25, 26, est coupée, la tension des appareils de consommation ne tombe pas à zéro mais elle est-réduite approximativement de 50 % par suite de la symétrie de la structure Cette coupure, qui a seulement une durée de quelques millisecondes, peut être absorbée sans difficulté par les condensateurs d'accumulation prévus dans les installations. Lorsqu'une des voies de passage du courant de puissance dans le transformateur à double alimentation est interrompue par suite d'une fonction de protection ou d'une coupure volontaire, la partie du réseau ainsi séparée reste sous tension par suite du couplage magnétique des deux enroulements primaires 1, 2 par l'autre système d'alimentation. -15 L'enroulement primaire relié à la voie alors interrompue est alors conver- ti en un enroulement secondaire La tension aux bornes est déterminée par l'impédance résultante de l'appareil de consommation qui est resté bran- ché dans cette voie du réseau. On peut différencier deux cas fondamentaux: a) l'impédance résultante de l'appareil de consommation non alimenté par le réseau mais qui est cependant resté relié au distributeur, est plus faible que la moitié de l'impédance nominale du transfor- mateur Dans ce cas, les contacteurs-limiteurs de chute de tension qui sont réglés à 70 % sont ouverts et ils empêchent, par ouverture des contacteurs de l'enroulement primaire o s'est produit la cous pure de tension, une inversion d'alimentation En pratique, l'impé- dance d'arrêt de l'enroulement primaire non alimenté est toujours inférieure à la valeur critique, de sorte que l'on est assuré d'une élimination rapide de l'alimentation inverse. b) si l'impédance d'arrêt dépasse, pour une raison quelconque, la valeur critique, l'alimentation inverse peut être empêchée par une "protection anti-retour". Les alimentations inverses peuvent être également empêchées par un blocage, au moyen des contacts auxiliaires des contacteurs 7, 10, des transformateurs d'alimentation 6, 9, du circuit d'actionnement des con- tacteurs 13, 14 Cette solution peut évidemment seulement être utilisée avec des câbles courts - Lorsque le point commun éloigné de deux sources d'alimentation pratiquement indépendantes l'une de l'autre est perturbé (l'une des sources d'alimentation est isolée), l'enroulement primaire relié à la source de courant séparée du système d'alimentation doit être coupé Dans le cas d'installations situées à l'intérieur de la centrale thermique, la coupure peut être effectuée par blocage au moyen des contacts auxiliai- res du contacteur mais également par la détection de tension. Le champ résultant des enroulements primaires qui ont une fré- quence légèrement di fférente mais qui sont excités par des tensions de même valeur efficace varie avec une fréquence différentielle, la valeur efficace de la tension secondaire variant lentement entre zéro et la va- leur nominale Grâce à l'extension du contrôle de tension au côté secon- daire, cette situation de perturbation de marche peut être correctement différenciée des autres incidents se produisant entre les enroulements primaires, de sorte que l'ordre de coupure de l'enroulement primaire peut être établi-d'une manière bien définie. La puissance de l'enroulement secondaire 4 doit être choisie en fonction des besoins effectifs de puissance de l'appareil de consommation. Par suite de la possibilité unilatérale d'alimentation, de la différence de longueur inévitable entre les vecteurs des tensions U 1 et Up 2 des deux systèmes d'alimentation et des écarts angulaires, il apparait avantageux de choisir des valeurs identiques pour les puissances des enroulements primaires 1, 2 et de l'enroulement secondaire, par exemple des valeurs /25/25 k VA. La tension d'alimentation Us assure l'alimentation d'un appareil de consommation ayant une tension-nominale de 3 x 380/220 V Les tensions fournies correspondent aux mêmes valeurs nominales. Pour tenir compte des variations de tension des réseaux d'alimen- tation ainsi que des chutes de tension se produisant dans l'impédance- série du transformateur, il est-proposé de choisir une tension nominale supérieur de 5 % à la valeur strictement nécessaire Ainsi, on doit choisir un rapport de transformation qui est par exemple de 400/400/400 V. Théoriquement, il n'existe *aucun obstacle pour adapter les deux enroulements primaires 1 et 2 à des réseaux ayant une tension nominale différente (par exemple 380 Vet 550 V ou 380 V et 660 V) Lorsque l'on ne doit pas tenir compte d'une forte diminution de tension, les enroule- ments primaires 1 et 2 peuvent être agencés sans prises De telles prises ne peuvent être commandées que dans une condition d'absence de tension. Les enroulements doivent être disposés sur le noyau en fer de telle sorte que la chute de tension entre l'enroulement primaire 1 et l'enroule- ment secondaire 4, ainsi qu'entre l'enroulement primaire 2 et l'enroulement secondaire 4, s'élève à peu près à 10-10 %, tandis que la chute de tension propre entre l'enroulement primaire 1 et l'enroulement secondaire 4 s'élève à peu près à 20 % (en pratique, les transformateurs sont fabriqués de cette manière avec un enroulement secondaire divisé). En choisissant une chute de tension correspondant à une valeur de %, on obtient, dans le cas d'une tension de phase à vide de 231 V, pour le courant nominal et pour un facteur de puissance inductive cos * = 0,8, une tension de phase de sortie qui a une valeur de 220 V avec une bonne approximation Le couplage plus lâche entre les deux enroulements pri- maires 1 et 2 une chute de tension de 20 % offre la possibilité que, dans le cas d'un court-circuit dans les barres omnibus de distribution, les courants d'équilibrage passant alors dans les enroulements ne dépas- sent en aucune manière une valeur égale à 5 à 6 fois le courant nominal. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 2 538158 lé REVENDI CATIONS 1. Transformateur, qui comporte un enroulement primaire, un enrou- lement secondaire et un noyau en fer, caractérisé en ce que le transforma- teur servant à une alimentation en énergie, de façon continue et sans dé- faillance, des appareils de consommation reliés au côté secondaire, comporte au moins un noyau en fer ( 3), au moins deux enroulements primaires ( 1, 2) et au moins un enroulement secondaire ( 4), les enroulements primai- res ( 1, 2) et l'enroulement secondaire ( 4) étant séparés galvaniquement l'un de l'autre. 2 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous les enroulements ( 1, 2, 4) sont disposés sur un noyau en fer commun ( 3). 3. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesenroulements primaires ( 1, 2) sont disposés sur des noyaux en fer séparés et en ce que, respectivement, un enroulement primaire ( 1, 2) est relié au moins à un enroulement secondaire, les enroulements secondaires ( 4, 4 ') reliés à des appareils de consommation identiques, étant branchés parallèlement entre eux. 4. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque contact de commande ( 13 1, 14 1) d'un contac- teur ( 13, 14) est branché en série avec les enroulements primaires, qui sont reliés à des sorties d'amplificateurs de puissance ( 22, 22 ') excités cha- cun par un circuit de courant de commande ( 21 21 '), les entrées des cir- cuits de courant de commande ( 21, 21 ') étant reliées aux sorties ( 18, 18 ') des contacteurs-limiteurs de chute de tension placés -dans les circuits de courant primaire ainsi qu'-a un circuit électrique ( 24) détectant le dépha- sage des deux réseaux primaires tandis que les entrées du circuit de courant de détection ( 24) sont reliées aux sorties des enroulements primaires et secondaires.