Brevet FR2543357A1 — publié le 19840928

Transf9rmateur électrique de puissance de taille reduite permettant le contrôle des caracteristigues de la tension de sortie. La présente invention a pour but de réaliser un transformateur de taille réduite par rapport aux transformateurs de meme puissance usuels et de realiser un tel transformateur qui permette de faire varier la forme, l'amplitude et la fréquence de la tension de sortie. L'invention est basée sur le fait que la puissance maximale transmissible par un transformateur de taille donnée est directement fonction de la fréquence, que les circuits elec- troniques récents utilisables en interrupteurs rapides permettent de réaliser des interrupteurs à découpage ayant des fréquences de fonctionnement de 200 kHz pour des puissances moyennes atteignant quelques kilowatts et sur le fait que les noyaux fabriqués par la technique métallurgique d'agglomération des poudres ont des pertes par hystérésis beaucoup plus faibles que les tôles classiques pour transformateur. La présente invention est basée sur l'utilisation d'un transformateur fonctionnant en double découpage avec un primaire alimenté en haute frequence par un circuit électronique de puissance fonctionnant en interrupteur rapide pour alimenter le primaire et un secondaire alimentant un circuit eIêctronìque de pulssance fncEln ant en --tnterrup- teur inverseur pour délivrer en sortie- une tension ayant la forme et la fréquence recherchées. Selon une autre caractéristique le transformateur est du type sans noyau ou à noyau de fer réalisé par agglomération de poudres de matériaux magnétiques. Avec l'invention la taille du transformateur est réduite puisque, la réduction de taille théorique étant directement proportionnelle à la fréquence, une fréquence passant de 50Hz à 100 kHz permet une réduction de taille de 2000 pour une même puissance. Les matériaux magnétiques utilisés nécessitant une induction plus faible, si on répartit le gain restant entre la section du circuit magnétique et le nombre de spires, le facteur de réduction de ces deux éléments s'établit entre dix et vingt sans tenir compte de la réduction de la longueur de la spire moyenne.En outre la bande passante est directement fonction de la fréquence de découpage du circuit électronique de puissance alimentant le primaire et le second découpage par le circuit électronique de pu-issance alimenté par le secondaire permet d'obtenir toute fréquence d'utilisation voulue sous réserve qu'elle soit inférieure à la haute fréquence d'alimentation du primaire. Selon les-nombres de spires du primaire et du secondaire, le transformateur conforme à l'invention peut être abaisseur ou élévateur de tension ou fonctionner comme un simple convertisseur de fréquence alimenté en continu ou en alternatif. Conformément à l'invention il est possible d'alimenter le primaire avec des impulsions haute fréquence rectangulaires non modulées et d'obtenir sur le secondaire, par un interrupteur rapide fonctionnant en inverseur,une tension alternative en ondes rectangulaires dont la fréquence est fonction de la fréquence de fonctionnement de l'interrupteur secondaire laquelle est une fraction de la fréquence de fonctionnement de l'interrupteur primaire. Selon un autre mode de réalisation le primaire est alimenté avec des impulsions haute fréquence modulées en amplitude, en largeur ou en fréquence selon une forme périodique ayant la forme périodique de la tension en sortie à obtenir. Selon un mode de réalisation l'interrupteur rapide du primaire est alimenté avec un courant d'alimentation (tension alterna- tive) ayant la fréquence de la tension alternative à obtenir en sortie. Selon un autre mode de réalisation l'interrupteur rapide du primaire est alimenté en continu et il est piloté en durée ou en fréquence par une tension de commande ayant la forme de celle désirée en sortie. Selon un mode de réalisation, la tension de commande est fournie par une source indépendante. Selon un autre mode de réalisation, la tension de sortie est comparée avec la tension de commande. Dans ce cas l'isolement entre l'étage secondaire de sortie et 11 étage primaire d'entrée est assuré par exemple par un transformateur ou un coupleur opto-électronique. Selon un autre mode de réalisation; l'interrupteur-inverseur de sortie est piloté à la fréquence de la tension à obtenir, le courant étant ensuite filtré. D'autres caractéristiques de la présente invention apparai- tront à la lecture de la description de divers exemples de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels-: La figure 1 est un schéma de principe d'un trans formateur donnant une sortie rectangulaire basse fréquence; la figure 2 est un schéma de principe d'un transformateur avec- entrée et sortie sinu soldates avec modulation d'amplitude; la figure 3 explique la modulation de largeur, la figure 4 la modulation de fréquence et la figure 5 est un schéma électrique d'un transformateur alimenté par uncircuit découpeur régulé. La figure 1 illustre un transformateur à noyau magnétique conforme à l'invention qui transforme un courant continu en un courant alternatif à sortie rectangulaire. Le noyau 1 du transformateur est réalisé par frittage de poudre de fer. La référence 2 désigne le primaire et la référence 3 le secondaire du transformateur qui est du type symétrique, le point milieu de l'enroulement secondaire étant connecté à l'une des bornes 4 de sortie. Les deux autres extrémités du secondaire sont connectées par des diodes redresseuses 5 à deux bornes 6 et 7 de l'inverseur 15. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'alimentation du primaire est assurée par deux sources de tension continue 8 connectées en série avec leur point commun 9 connecté à l'une des extrémités du primaire 2. Les deux autres pôles sont reliés aux bornes d'entrée d'un interrupteur commutateur rapide 10 de tout type connu ayant une fréquence de commutation élevée. L'alimentation du primaire a la forme de la courbe ll et les sorties sur les bornes 6 et 7 ont les formes repre- sentées respectivement par les-courbes 12 et 13 avec une fréquence des impulsions identique à la fréquence d'entrée et une tension qui, selon le rapport entre les nombres de spires du primaire et du secondaire, peut être plus élevée ou plus basse que la tension continue d'alimentation.Les bornes 6 et 7 sont commutées sur la borne de sortie 14 par un interrupteur commutateur 15 commandé à la fréquence à obtenir qui peut être quelconque sous réserve d'être inférieure à la fréquence de commutation de l'interrupteur 10. La forme du courant de sortie est représentée par la courbe 16. Dans le mode de réalisation de la figure 2 les mêmes éléments ou les éléments équivalents sont désignés par les mêmes références. L'alimentation primaire est assurée par une source alternative 20 à la fréquence de la sortie à obtenir. Le courant alternatif est redressé par les diodes 21 pour donner une tension 22 modulée en amplitude. Un interrupteur eommuta- teur 24 à deux sorties fonctionnant à une fréquence élevée connecte alternativement les deux entrées du primaire 2 sur les bornes 25, 26 alimentes entre 22 et 23. ta forme de la tension primaire du transformateur est celle représentée par la courbe 27 savoir une tension haute fréquence modulée en amplitude à la fréquence de la tension d'alimentation 20. Après élévation ou abaissement de la tension et redressement on obtient sur les bornes 6 et 7 des impulsions à haute fréquence modulées en amplitude comme illustré par les courbes 28 et 29. Un interrupteur-commutateur 30 agit entre les bornes 6 et 7 en les inversant à la fréquence 20 d'alimentation pour alimenter la sortie 4-4' par l'intermédiaire d'un circuit de filtrage L-C, ce qui donne une sortie ayant la forme illustrée par la courbe.31. Dans la pratique les interrupteurs-commutateurs 10, 15, 24 et 30 sont des commutateurs électroniques à fréquence de commutation fixe ou pilotée. Dans l'exemple ci-dessus décrit avec référence à la figure 2,la tension du primaire est modulée en amplitude mais il est également possible, en utilisant des circuits à semiconducteurs notamment des circuits intégres à découpage pilotés pour l'interrupteur rapide 24, de modulercelle-ci en durée, la largeur des créneaux engendrés à fréquence fixe variant de façon sinusoidale comme illustré dans la figure 3 ou de la moduler en fréquence, la fréquence des impulsions variant de façon sinusoidale comme illustré dans la figure 4. Un exemple du schéma électronique a d'un mode de réalisation du transformateur alimenté par un circuit intégré de découpage piloté et de son circuit est illustré dans la figure 5. Dans cette figure T2 désigne l'ensemble du transformateur proprement dit avec son noyau 1, son primaire 2, son secondaire 3. La référence 4 désigne la borne de sortie connectée au point milieu du secondaire et 5 les diodes redresseuses. te pointu milieu du transformateur est alimenté en tension continue sous 24 volts et l'interrupteur rapide constitué par un circuit intégré de découpage vendu dans le commerce sous la désignation SG1524 est piloté en fréquence par une source 35 de tension alternative à 50 périodes, source qui peut être constituée par le réseau ou par un oscillateur.La tension alternative de commande est redressée par des diodes 36 pour donner une tension dont la forme est représentée par le courbe ) ette tension redressée est appliquée sur une des bornes d'entrée de l'amplificateur d'erreur du circuit intégré pour piloter le circuit intégré 38 du type SG1524 de manière à fournir sur les deux sorties 39 deux tensions en impulsions rectangulaires modulées en largeur, la forme de la tension étant illustrée par la courbe 41. Les impulsions de la courbe 41 sont modulées en largeur à 100Hz pour une commande à 50 Hz et leur fréquence est d'environ 150 kHz. L'étage de puissance de l'interrupteur rapide est constitué par deux MOS (MOS 1 et MOS 2) montés en push-pull sur les grilles desquels sont appliquées les deux tensions rectangulaires modulées en largeur.Les drains sont connectés aux deux extrémités du primaire 2 dont le point milieu est connecté au potentiel à 24 volts. On obtient sur le secondaire de T2 avec ou sans accroissement ou réduction du potentiel en fonction des nombres de spires du primaire et du secondaire, une tension d'allure alternative avec des impulsions en créneaux alternativement positives et négatives comme illustré par la courbe 42. Si le transformateur fonctionne en secours d'un réseau le rapport de transformation sera choisi pour fournir une tension de 220V. Cette tension redressée par les diodes 5 donne des tensions redressées ayant les formes illustrées par les courbes 43 et 43'.Ces tensions sont appliquées à deux transistors Q1 et Q2 montés en push-pull qui sont commandés sur leurs bases par les deux enroulements secondaires symétriques d'un transformateur T4 dont le primaire est alimenté à la même fréquence et en concordance de phase avec T1, de préférence avec une tension rectangulaire de rapport 50/50 comme illustré par la courbe 44. I1 est bien certain que la courbe 44 pourrait être différente et notamment avoir une fréquence différente de, par exemple,60, 400 ou 1200 Hz et une forme autre que sinusoldale et si nécessaire continuéllement variable depuis le continu, la seule condition étant que la fréquence soit inférieure à la fréquence des impulsions délivrées par le circuit intégré de découpage SG1524. Pour filtrer et lisser la forme de tension de la courbe 45 un montage L-C peut être monté comme illustré. I1 est possible et souhaitable de comparer en permanence la tension de sortie à la référence pilote 35. Pour ce faire la sortie est appliquée avec le sens convenable en contreréaction à l'amplificateur d'erreur du circuit intégré SG1524. Cette contre réaction est transmise dans l'exemple représenté par le transformateur de très faible puissance T3 et les diodes 47. te potentiomètre P2 permet de régler la tension d'erreur. Dans le schéma la résistance 48 et la capacité 49 servent à fixer la fréquence de ltoscillateur interne du circuit intégré 38 qui commande les transistors de sortie et le potentiomètre réglable P1 permet doptimiser le gain de l'amplification. Un transformateur conforme au mode de réalisation ci-dessus avec une fréquence d'impulsions de 150 kHz et avec une section magnétique de 4 cm2 avec noyau en poudre de fer frittée transmet 800 watts avec un rendement de 85 à 90%. L'invention permet notamment de produire à partir d'une tension continue, par exemple un accumulateur, une tension alternative dont la tension et la fréquence sont les mêmes que celles du secteur, pendant une défaillance de ce dernier. Elle permet dans le chauffage par inductio de régler la fréquence soit pour s'adapter à l'impédance du matériau qui varie avec sa température, soit pour régler la profondeur de chauffe ou pour avoir un inducteur facilement réalisable. Dans diverses applications l'invention permet de régler la fréquence pour faciliter l'écoulement d'un produit (trémie) ou améliorer le tassement (béton) ou le rendement (tubes fluorescents), et en général pour réaliser tous phénomènes qui évoluent en fonction de la fréquence. Elle permet enfin de régler ou de programmer la forme, la fréquence et l'amplitude du courant de sortie depuis le continu en conservant un rendement élevé et de remplacer des générateurs multiples par un seul élément compact. Revendications 1. Un transformateur électrique de puissance de taille réduite, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur fonctionnant en double- découpage, avec un primaire (2) alimenté en haute fréquence par un circuit électronique de puissance fonction nant en interrupteur rapide pour alimenter le primaire et un -secondaire (3) alimentant un circuit électronique de puissance fonctionnant en interrupteur inverseur pour délivrer en sortie une tension ayant la forme et la fréquence recherchées. 2. Un transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est du type sans noyau ou à noyau de fer 1 réalisé par agglomération de poudres de matériaux magnétiques. 3. Un transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que son primaire (2) est alimenté avec des impulsions haute fréquence rectangulaires non modulées (11), le secondaire (3) comportant un interrupteur rapide fonctionnant en inverseur (13) pour donner une tension alter nativé en ondes rectangulaires (16) dont la fréquence est fonction de la fréquence de fonctionnement de l'interrupteur secondaire (43) laquelle est une fraction de la fréquence de fonctionnement de l'interrupteur primaire (10). 4. Un transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le primaire (2) est alimenté avec des impulsions haute fréquence (41), modulées en amplitude (Fig.2), en largeur (Fig.3) ou en fréquence (Fig.4) selon une forme périodique ayant la forme périodique de la tension en sortie à obtenir. 5. Un transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur rapide (24) du primaire est alimenté avec un courant d'alimentation (20) (tension alternative) ayant la fréquence de la tension alternative (31) à obtenir en sortie. 6. Un transformàteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur rapide (38) du primaire est alimenté avec une tension continue et il est piloté en durée ou en fréquence par une tension de commande (35) ayant la forme à obtenir en sortie. 7. Un transformateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tension de commande (35) est fournie par une source indépendante. 8. Un transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tension de sortie est comparée en permanence à la tension de commande pour en stabiliser la forme et l'amplitude. 9. Un transformateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le couplage entre l'étage secondaire de sortie et l'étage primaire d'entrée est assuré par un transformateur (T3). 10. Un transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'interrupteur-inverseur de sortie (30, Q1, Q2) est piloté à la fréquence de la tension à obteni-r, le courant étant ensuite filtré.