Brevet FR2613896A1 — publié le 19881014

GENERATEUR DE FLUIDE CHAUD A THERMO-INDUCTION. La présente invention concerne un générateur inductif de fluides chauds dans lequel de l'énergie électrique est consommée pour produire le chauffage d'un gaz ou d'un liquide caloporteurs quelconques, tel que de l'air ou de l'eau par exemple. Les générateurs à considérer igi sont du type "transformateur électrique" comportant un enroulement pri- maire alimenté en courant électrique par le réseau et couplé par un circuit magnétique à un enroulement secondaire qui a la double particularité d'être tubulaire et en court-circuit L'enroulement secondaire est parcouru intérieurement par un fluide caloporteur, qui s'échauffe au contact de la paroi du tube, lui même étant porté en température par les courants induits qu'y développe le flux magnétique variable produit dans le circuit magnétique par le courant électrique de l'enroulement primaire. Des générateurs inductifs connus de ce type sont décrits par exemple dans les documents FR-B-527697 ou EP-A- 0193843. En comparaison avec les autres appareils de chauffage electrique connus, ces générateurs à thermo-induction pré présentent, notamment au plan de la sécurité pour l'usager, l'avantage de dissocier totalement le circuit électrique proprement-dit (l'enroulement primaire) du circuit de chauf- fage représenté par l'enroulement secondaire. Par ailleurs, le rapport de transformation, propre aux transformateurs électriques, peut être mis à profit pour laisser l'enroulement secondaire à la basse tension tout en assurant une puissance élevée transmise par le primaire, si on le souhaite. Un aspect essentiel, non encore parfaitement résolu semble t'il,reste cependant la régulation qui doit permettre de doser le chauffage du fluide selon les besoins. Le premier document cité çi-avant (FR-A-527697) suggère, à cette fin, de se servir d'un rhéostat placé en série avec l'enroulement secondaire. Le second document mentionné (EP-A-0193843) propose une solution plus soucieuse du rendement énergetique de l'appareil consistant à doter l'enroulement secondaire de thyristors en cascade permettant de faire varier le nombre de spires en court-circuit. Un thyristor par spire agit comme une vanne en "tout ou rien" à l'égard de cette spire. L'ensemble relativement complexe ainsi constitué s'apparente donc a une multitude d'interrupteurs commandés électronique- ment,qui n'autorisent qu'une régulation discrète (non-con tinue) du chauffage par sauts élémentaires correspondant à la puissance de chauffe d'une spire de l'enroulement secon- daire. Dans ce document, il est également fait référence à un appareil analogue, connu par le document GB-A-2105159, dans lequel la régulation s'opère au moyen de thyristors placés au primaire. Une telle réalisation impose que la ten sion au primaire soit suffisamment faible pour etre compati ble avec la charge acceptable par les thyristors, ce qui limite la puissance de ces appareils. Le but de la présente invention est de proposer une solution simple et fiable pour une régulation continue du chauffage ne présentant pas les inconvénients des solutions connues évoquées gi-avant. A cet effet, l'invention a pour objet un générateur de fluide chaud à thermo-induction du type "transformateur électrique"comportant un enroulement primaire destiné à être relié au réseau et couplé, par un circuit magnétique, à un enroulement secondaire constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit dans lequel circule un fluide caloporteur à chauffer, générateur caractérisé en ce que des moyens de régulation continue de la puissance de chauffage sont prévus au primaire qui sont constitués par une inductance variable à circuit magnétique saturable,montée en série avec l'enrou lement primaire et par un générateur de courant électrique continu pilotant ladite inductance, de manière à modifier la perméabilité magnétique de ce circuit. Avantageusement, une capacité est montée en paral lèle sur le circuit primaire pour améliorer au besoin le cosinus 0 de l'installation. Ainsi qu'on l'aura compris, la régulation selon l'invention est basée sur le principe suivant: pour unie ten sion donnée aux bornes-du serpentin de chauffe, le courant du secondaire est fonction de la tension de courtcircuit de l'appareil. Or, la puissance instantanée de chauffage est directement liée à l'intensité du courant dans le secondaire Si l'on fait varier la tension aux bornes de l'enroulement primaire,on fait varier en rapport le courant dans le secon daire et, par voie de conséquence, la puissance de chauffe également. Pour cela, on crée dans le circuit primaire une force électromotrice induite par celle de la source d'ali mentation elle-même, qui s'oppose à cette dernière et qui soit variable de sorte que, pour une tension d'alimentation constante, la tension aux bornes de l'enroulement primaire varie corrélativement. Cette force contre-électromotrice variable est pro duite par une inductance dont la perméabilité magnétique du noyau "à vide" (c'est-àdire en l'absence de courant au primaire) dépend d'un champ magnétique appliqué, créé à cet effet par un courant continu dont on règle l'intensité. Ainsi, le réglage de la puissance de chauffage s'opère entierement en statique, c'est-à-dire sans qu'aucune pièce de l'appareil ne soit mis en mouvement. En outre, l'intensité du courant continu destiné à piloter l'inductance peut avantageusement etre asservie à un paramètre de reglage du chauffage, par exemple la température de l'eau après chauf fage, ou celle du local à chauffer, grace à un régulateur auquel une valeur de consigne est donnée. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la des- cription qui suit d'un mode de réalisation en référence aux planches de dessins Annexées, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un générateur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue aggrandie montrant en détails la partie de la figure 1 représentant les moyens de régulation du chauffage; - la figure 3 est un schéma illustrant le regrou pement de trois générateurs selon la figure 1 en un appareil unique alimenté en courant triphasé. On reconnaît sur la figure 1 une structure classique de transformateur électrique comprenant un enroulement pri- maire 1 couplé à un enroulement secondaire 2 par un circuit magnétique 3 sur lequel ils sont tous deux bobinés. L'enroulement primaire 1,en cuivre (ou en aluminium) est noyé dans une masse de résine époxy 4, selon une dispo- disposition non obligatoire ici, mais typique des transfor mateurs, dits "secs", dont les moyens de refroidissement par circulation d'air n'ont pas été représentés pour ne pas sur charger inutilement la figure. L'enroulement secondaire 2 est formé- par un tube, métallique de préférence, puisqu'on désire lui conférer de bonnes propriétés électro- et thermo-conductrices. Ce tube 2 est relié par ses extrémités à un circuit de chauffage (ou plus généralement à un circuit d'utilisation) parcouru par un fluide caloporteur, que l'on admettra être de l'eau. Le tube 2 est mis en court-circuit sur lui-même par la connexion électrique 5 qui relie ses deux extrémités. Une mise à la terre 6 du circuit secondaire est prévue au delà du pontage 5 pour des raisons de sécurité. L'enroulement primaire l,est, quant à lui,relié aux bornes sous tension d'une alimentation électrique alterna tive 7 pouvant avantageusement être celle du réseau. Comme on le voit, une inductance variable 8,pilntée par un générateur 9 à courant continu Ic,est montée en série avec l'enroulement 1 entre les points A et B du circuit pri- maire ainsi réalisé. Une capacité 19 a été avantageusement prévue en parallèle avec l'inductance 8 et l'enroulement primaire i pour améliorer le cos. X de l'installation. Un interrupteur 10 est également prévu pour permettre l'ouver ture rapide de ce circuit en cas de besoin. Un exemple de réalisation de l'inductance variable 8 est montré en détails sur la figure 2, à laquelle on se reporte à présent. Cette inductance comprend un circuit magnétique fermé 11, formé de trois jambes parallèles 12a, 12b, 12c, reliées entre-elles à leurs extrémités par deux culasses rectilignes,respectivement supérieure 13a et inférieure 13b. Les jambes extérieures 12Za et 12b servent de sup- port à des enroulements électriques 14a et 14b constituant deux branches en parallèle placées entre les points A et B du circuit primaire. Ces enroulement s sont bobinés en sens opposés de sorte que leurs flux magnétiques respectifs s'ad- ditionnent dans le circuit magnétique 11 à chaque instant. La jambe centrale 12c comporte,elle, un enroulement relié au générateur 9 à courant continu Ic. Elle est pourvue également, dans l'exemple décrit, de quelques spires en court-circuit 16, dont la présence (non- obligatoire en toute rigueur) permet toutefois, par un effet de self pare, d'éviter le retour vers le générateur à courant continu 9 du flux magnétique alternatif créé par les enroulements 14a et 14b qui, sinon, parcourerait cette jambe centrale. L'enroulement à courant continu 15 sur la jambe centrale permet de créer un champ magnétique stationnaire qui modifie l'état magnétique des jambes extérieures 12a et 12b et, partant, modifie le coefficient de selfinduction du circuit primaire et donc l'amplitude du courant alternatif qui y circule. Lorsqu'aucun courant continu circule (Ic=O), la valeur de self est maximum ("self à fer"). Par contre, lorsque l'intensité du courant continu Ic est suffisamment élevée pour saturer le circuit magnétique, la self devient minimum ("self dans l'air"). Entre ces deux points de fonc- tionnement extrêmes, le choix de l'intensité du courant continu Ic permet un réglage fin de l'intensité du courant dans le primaire. On se reporte à présent à nouveau à la figure 1 pour compléter la description du principe de fonctionnement du générateur thermo-inductif selon l'invention. Du fait que le serpentin 2 du circuit secondaire est en court-circuit par construction, un courant électrique alternatif y circule et provoque un dégagement de chaleur par effet Joule qui, pour l'essentiel, est évacué par le fluide caloporteur lors de son passage au contact de la paroi interne du serpentin. Ce dégagement de chaleur dépend directement de l'intensité du courant dans le secondaire (du carré de cette intensité exactement). Or, cette intensité est determinée par la tension induite aux bornes du serpentin 2, laquelle dépend de la tension entretenue aux bornes de l'enroulement primaire 1 et dont on vient de voir comment on peut la réguler par le cou rant continu Ic. Ainsi, la régulation en puissance de l'ap- pareil est obtenue par la modification de la tension aux bornes de l'enroulement primaire 1 à l'aide de l'inductance variable 8 commandée par le générateur à courant continu 9. La régulation peut être aisément automatisée, si on le souhaite,par exemple à l'aide d'un régulateur 18 pilotant le générateur 9 de manière à garder en deçà d'un certain seuil voulu l'écart de température entre une valeur de con signe Vc et celle qu'il reçoit d'un capteur 17 repérant la température de l'eau à la sortie de l'enroulement secondaire Bien entendu, la tension induite aux bornes de l'enroulement secondaire 2 dépend du rapport de transforma- tion, à savoir le rapport entre les nombres des spires cons titutives du serpentin de chauffe 2 et de l'enroulement in ductif 1 respectivement. On aura donc avantage, pour obtenir des puissances de chauffe élevées, de faire travailler l'ap- pareil en abaisseur de tension en prevoyant un nombre de spires supérieur au primaire 1 et en connectant ce dernier à une source d'alimentation 7 à haute ou moyenne tension. On peut ainsi réaliser des générateurs de chauffe dans une gamme très large de puissances, allant de 100 Kw à Mw environ à partir d'une alimentation triphasée du ré- seau moyenne tension, chaque phase alimentant une unité de chauffe, telle que l'appareil illustré par la figure 1. La régulation selon l'invention est possible entre % de la puissance nominale de l'appareil et environ 10 % de cette puissance. En fonction du point de régulation, le cos.0 évolue entre 0.85 "avant" et 0.85 "arrière" grace à la présence des capacités. Le métal dont est formé l'enroulement secondaire 2 peut avantageusement être de l'acier inoxydable, ou tout autre métal ayant une résistivité élevée, ce qui permet de travailler avec une densité de courant faible (de l'ordre de 6 A/mm2). En outre, dans le cas de l'inox. la tenue contre la corrosion à chaud est tout-à-fait satisfaisante. Les dispo- sitions habituelles sont également avantageusement prises pour améliorer le rendement de chauffage, tel que le calori- fugeage du serpentin 2 notamment. Quant à l'inductance variable 8, de nombreuses variantes de réalisation, autres que celle décrite en réfé- rence à la figure 2, peuvent être retenues. Par exemple, le circuit magnétique saturable 11 peut présenter qu'une seule branche, telle que 12a, au lieu de deux et donc ne comporter qu'une seule bobine telle que 14a. De même, ce circuit mag- nétique saturable "fermé" peut être remplacé par un circuit de type "ouvert" selon lequel les lignes de champ magnétique se bouclent dans l'air en dehors de l'entrefer. Un tel circuit sera constitué d'un simple barreau ferromagnétique cerclé par l'enroulement à courant continu 15, le tout étant placé longitudinalement dans l'axe d'une bobine à induction telle que 12a. Quelque soit la structure retenue pour le circuit magnétique saturable 11, il importe qu'il puisse être saturé par le champ statique créé par le courant continu Ic,lorsque celui-çi est réglé à son intensité maximale. On prévoira avantageusement à cet effet un nombre de spires suffisant pour l'enroulement 15 de manière à ne pas devoir faire appel à des intensités trop élevées, c'est-à-dire supérieures par lO exemple à 10 A. De même,en raison du fait que le courant continu de réglage Ic a pour effet de modifier, sur le graphe d'aiman tation donnant l'induction magnétique en fonction du champ, la position en hauteur du palier de saturation, on pourra trouver avantage à dimensionner le circuit magnétique 11 de façon que, pour une puissance nominale donnée disponible au primaire, on se situe en début du palier quand aIc = O. Au delà, le circuit serait sous-dimensionné,car une fraction du champ magnétique alternatif créé par les bobines 14a et 14b se propagerait dans l'air et on perdrait alors de la largeur de la plage de régulation de la puissance trans- mise au secondaire, plage qui peut aller (comme déjà indiqué) de 10% à 100% de la puissance nominale de l'appareil.En deçà le circuit serait surdimensionné, ce qui en soit serait un facteur de surcolt, mais qui en outre, contribue à resserer cette fois la plage 10-100%, et impose de ce fait un réglage précis plus difficile de la puissance dans cette plage. On pourrait, bien entendu, parvenir à un résultat analogue en adaptant à un circuit 11 de taille donnée le nombre d'ampère-tours de ou des enroulements 12a, 12b. L'invention est tout-à-fait utilisable avec une alimentation triphasée habituelle du réseau moyenne ou haute tensions de distribution de l'électricité. Dans ce cas,l'ap pareil représenté sur la figure 1 devient une unité d'un ensemble plus complexe qui en contient trois. Un tel ensemble est schématisé électriquement par la figure 3. Chaque phase, notée U, V, W, du réseau moyenne tension à 20 000 volts entre phases,alimente, via une indue tance variable 8, 8',8", un enroulement primaire 1, 1',1". Ces trois enroulements sont montés içi en étoile et chacun d'entre-eux induit, par l'intermediaire d'un circuit magnétique non représenté, dans un enroulement secondaire en court-circuit constitué par le serpentin 2, 2', 2". Chaque serpentin est monté sur une branche d'un circuit hydraulique de chauffage qui en contient trois en parallèle. Plus géné- ralement, ce type d'appareil peut, bien entendu, être poly phasé et donc comporter un nombre d'unités élémentaires de chauffage, conformes au générateur thermo-inductif décrit, égal au nombre de phases de l'alimentation. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits,mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents, dans la mesure o sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications ci-après. On notera que le domaine d'application de l'inven tion englobe la fabrication d'eau chaude pour le chauffage d'immeubles, ou l'intégration à des processus industriels.De même, l'invention s'applique au chauffage de fluides caloa porteurs autres que de l'eau, par exemple de l'huile ou même du souffre ou du sodium liquides, destinés à être utilisés tels quels, ou à générer de la vapeur haute température dans des échangeurs. REVENDICATIONS 1. Générateur de fluide chaud à thermo-induction du type "transformateur électrique" comportant un enroulement primaire (1) destiné à être relié au réseau de distribution de l'électricité (7) et étant couplé, par un circuit magné tique (3), à un enroulement secondaire (2) constitué par un serpentin tubulaire en court-circuit (5) dans lequel circule un fluide caloporteur à chauffer, générateur caractérisé en ce que des moyens de régulation continue de la puissance de chauffage sont prévus au primaire qui sont constitués par l0 une inductance variable (8), à circuit magnétique saturable (11), montée en série avec l'enroulement primaire (1) et par un générateur (9) de courant continu pilotant ladite induc- tance de manière à modifier la perméabilité magnétique du circuit magnétique saturable (11). 2. Générateur de fluide chaud selon la revendica tion 1 caractérisé en ce qu'une capacité (19) est montée en parallèle sur le circuit primaire. 3. Générateur de fluide chaud selon la revendica- tion 1 ou 2 caractérisé en ce que le serpentin tubulaire (2) et en acier inoxydable. 4. Générateur de fluide chaud selon la revendica tion 1 ou 2 caractérisé en de qu'il est équipé de moyens (17 18) de régulation automatique de la puissance de chauffage. 5. Générateur de fluide chaud selon la revendica- tion 1 ou 2 caractérisé en ce que le circuit magnétique saturable (11) est un circuit fermé. 6. Générateur de fluide chaud selon la revendica tion 5 caractérisé en ce que le circuit magnétique saturable (11) comprend au moins trois jambes principales, en ce que les jambes extérieures (12a,12b) comportent chacune un bobi- nage (14a,14b) montés en parallèle dans le circuit électri que reliant l'enroulement primaire (1) au réseau (7) et la jambe médiane comporte un enroulement (15) relié au généra- teur de courant continu (9), et en ce que lesdits bobinages (14a, 14b) sont enroulés en sens opposés de faQon que les flux magnétiques alternatifs qu'ils créent dans le circuit magnétique saturable (11) s'ajoutent à chaque instant. 7. Générateur de fluide chaud selon la revendica tion 6 caractérisé en ce que la jambe médiane (12c) comporte également des spires en court-circuit (16). 8. Générateur de fluide chaud selon- la revendica- tion 1 ou 2 caractérisé en ce que l'enroulement primaire (1) est relié à une alimentation en courant alternatif à moyenne tension. 9. Générateur de fluide chaud selon la revendica tion 1 ou 8 caractérisé en ce que les enroulements primaire (1) et secondaire (2) ont des nombres de spires différents, celui du secondaire étant le plus petit des deux. 10. Appareil de chauffage électrique polyphasé constitué par autant d'unités élémentaires de chauffage que de phases de l'alimentation électrique à laquelle il est destiné à être relié et chaque unité élémentaire de chauffage est conforme au générateur de fluide chaud à thermo-induction selon la revendication 2.