Brevet FR2775394A1 — publié le 19990827

"Dispositif de réduction des pertes à vide d'un transformateur". L'invention relève du domaine des systèmes d'alimentation d'appareils électriques en courant alternatif par transformateur basse tension. Elle concerne plus particulièrement un dispositif permettant de réduire les pertes du transformateur lorsque la charge ne sollicite pas de courant. Les transformateurs ont en effet pour inconvénient de continuer à consommer de l'énergie même lorsque la charge connectée au secondaire du transformateur ne requiert plus de courant. C'est typiquement le cas d'un certain nombre d'appareils domestiques qui restent branchés sur le secteur de façon permanente, alors que l'utilisation qui en est faite est ponctuelle ou ne couvre qu'une partie de la joumée. Secondairement, les transformateurs dont le secondaire ne délivre pas de courant s'échauffent, avec des dangers éventuels liés à cet échauffement, ce qui oblige éventuellement à prévoir une ventilation spécifique ou un matériau enveloppe résistant. Par ailleurs, ces dispositifs produisent un bruit qui est plus important lorsque le courant délivré à la charge est nul. L'invention a donc pour objet principal de proposer un dispositif d'alimentation en tension alternative réduite, remédiant à ces inconvénients de consommation, de bruit et d'échauffement à vide. Selon un second but de l'invention, le dispositif est de taille réduite et est intégrable dans le volume des boîtiers transformateurs traditionnels. Selon un troisième objet de l'invention, sa fabrication est simple et économique, donc rapidement rentable pour l'utilisateur. Enfin, le dispositif est installable soit dès la fabrication d'un boîtier transformateur, soit après coup sur un transformateur déjà installé. L'invention propose à cet effet un dispositif comportant un transformateur principal connecté entre une source de courant et une charge, un moyen de détection de courant circulant dans la charge, caractérisé en ce qu'il comporte également, d'une part, - un moyen de génération de tension réduite relié à la source de courant, et, d'autre part, - des moyens de pilotage adaptés à provoquer sélectivement l'alimentation du transformateur principal par le moyen de génération de tension réduite ou par la source de courant, selon que le moyen de détection détecte ou non dans la charge une intensité de courant inférieure à un seuil donné. On comprend que ce dispositif, en provoquant l'alimentation du transformateur principal par une source de tension réduite lorsque la charge ne sollicite pas de courant, réduit l'induction du transformateur, et donc les pertes. Par là même, on a bien réalisé un dispositif amenant une économie d'énergie sensible sans aucune gêne pour l'utilisateur. Selon un mode préféré de réalisation, le transformateur auxiliaire est adapté à être connecté au primaire du transformateur principal. Préférentiellement, le transformateur auxiliaire a un rapport de transformation de l'ordre de 1/10e. Ces dispositions concourent à une réduction des pertes du transformateur d'un facteur de l'ordre de 100. Selon une variante avantageuse de réalisation, le transformateur auxiliaire est adapté à être connecté au secondaire du transformateur principal. Dans cette variante, la tension secondaire du transformateur auxiliaire est avantageusement réduite à une fraction de la tension secondaire du transformateur principal. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de génération de tension réduite est une impédance série. Ces variantes sont conformes à des besoins spécifiques éventuels ou permettent un montage d'un prix avantageux. Selon un mode de réalisation préféré, le moyen de détection de courant circulant dans la charge comporte un transformateur de courant très sensible. Selon une réalisation encore plus particulière, le transformateur de courant très sensible est un tore de disjoncteur différentiel monté en détecteur de courant. Grâce à ces dispositions, il est possible d'utiliser dans le dispositif de réduction de pertes des composants très bien connus et d'usage courant, ce qui contribue à la facilité de montage et au coût de fabrication réduit du dispositif. Préférentiellement, le moyen de détection de courant circulant dans la charge est adapté à détecter un courant de l'ordre du millième du courant nominal. Cette disposition est favorable à une détection rapide d'une demande de courant de la charge, permettant ainsi une commutation du transformateur principal sur la source de tension normale. En particulier, il est possible avec un tore de disjoncteur différentiel monté en détecteur de courant de détecter une intensité de l'ordre de la dizaine de milliampères, sensiblement égale au millième du courant nominal. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de pilotage comportent une logique de commande adaptée à provoquer: - lors de la détection dans la charge d'un courant inférieur à un seuil dit d'interruption, d'abord la connexion du moyen de génération de tension réduite au transformateur principal, puis la déconnexion de la source de courant au transformateur principal, - et lors de la détection dans la charge d'un courant supérieur à un seuil dit de rétablissement, d'abord la connexion de la source de courant au transformateur principal, puis la déconnexion du moyen de génération de tension réduite au transformateur principal. Cette logique de commande permet un séquencement des commutateurs qui réduit les pertes ou bruits provoqués par le dispositif. La description et les dessins d'un mode préféré de réalisation de l'invention, donnés ci-après, permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. II est clair que cette description est donnée à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif. Dans les dessins: - la figure 1 est une représentation fonctionnelle du montage électrique selon l'invention; - la figure 2 est une représentation fonctionnelle d'une variante de dispositif de réduction de pertes à vide de transformateur; - la figure 3 est un schéma d'une autre variante du dispositif. Dans son mode de réalisation préféré, tel que représenté sur la figure 1, le dispositif de réduction de pertes 1 selon l'invention est inséré en dérivation dans un circuit électrique entre une entrée secteur 2 de type classique, par exemple 230 V 50Hz, et une charge 3. La charge 3 étant supposée à titre d'exemple utiliser du courant altematif de tension 24V, un transformateur principal 4 de type connu de l'homme de l'art est monté entre l'entrée secteur 2 et la charge 3, le primaire 5 du transformateur principal 4 étant monté entre les bornes 6, 7 de l'entrée secteur 1, et le secondaire 8 du transformateur principal 4 étant monté aux bornes 9, 10 de la charge 3. A titre d'exemple, la puissance nominale du transformateur principal 4 étant de 1000 VA, I'intensité nominale du courant dans le primaire du transformateur principal 4 est de 4,3 A. Lorsque la charge 3 ne requiert pas de courant (ce qu'on admet lorsque le courant est inférieur à 1% du courant nominal), le courant primaire à vide est dans ces conditions de l'ordre de 0, 77 A. Comme on le voit alors sur la figure 1, le dispositif de réduction de pertes 1 est organisé autour d'un transformateur auxiliaire 11, choisi de tension secondaire faible au regard de la tension du transformateur principal 4. Dans la réalisation présentée à titre d'exemple non limitatif, un transformateur auxiliaire 11 de rapport de transformation 1/10e , de tension primaire nominale 400 V, est utilisé, avec une puissance nominale de quelques VA. Le primaire 12 de ce transformateur auxiliaire Il est également connecté à l'entrée secteur 2. Pour des raisons économiques, le transformateur auxiliaire est choisi identique pour toute une gamme de transformateurs principaux, et est donc dimensionné en fonction du transformateur le plus puissant de la gamme. Deux commutateurs 14, 15 permettent alors, pour le premier (commutateur principal) 14, de couper l'alimentation du primaire 5 du transformateur principal 4 par l'entrée secteur 2, et pour le second (commutateur auxiliaire) 15, de réaliser l'alimentation du primaire 5 du transformateur principal 4 par le secondaire 13 du transformateur auxiliaire 11. Ces commutateurs 14, 15 sont des relais statiques du commerce, de type classique. Les deux commutateurs 14, 15 sont asservis à unité logique de commande 16 qui définit les conditions d'alimentation du primaire 5 du transformateur principal 4 selon les conditions de courant circulant dans la charge 3. A cet effet, un détecteur 17 de courant circulant dans la charge 3 est installé sur une des bornes 9, 10 de la charge 3. On comprend que la détection doit se faire dans la charge (3) pour ne pas être masquée par le courant magnétisant du transformateur principal (4). Ce détecteur 17 est constitué d'un transformateur de courant très sensible, et plus précisément d'un tore de disjoncteur différentiel résiduel, qui offre l'avantage d'une très bonne sensibilité, un courant de 111000e du courant nominal étant alors détectable, ce qui correspond bien au cahier des charges présent (rapport de transformation de 1110e et courant considéré nul dans la charge si inférieur à 1% du courant nominal). Ce tore est ici monté en détecteur de courant. Le détecteur 17 est connecté à un amplificateur de mesure 18 de type connu, facilitant l'utilisation ultérieure du signal issu du détecteur 17. Un comparateur 19 effectue la comparaison du signal issu de l'amplificateur de mesure 18 avec des signaux correspondant à deux seuils dit respectivement seuil de rétablissement 20, et seuil d'interruption 21, caractérisant un courant sensiblement nul dans la charge. Les valeurs de ces seuils sont, dans l'exemple décrit, pour le seuil de rétablissement 20 de 42 mA (alimentation par le transformateur auxiliaire 11), et pour le seuil d'interruption 21, de 430 mA (alimentation par l'entrée secteur 2). Le comparateur 19 est relié à l'unité de logique de commande 16, qui pilote les commutateurs 14, 15. L'ensemble des éléments de détection et de pilotage est alimenté par une alimentation 22 reliée au secondaire 13 du transformateur auxiliaire 11. L'ensemble du dispositif de réduction de pertes 1 est intégré sur une carte électronique de type connu. L'unité logique de commande 16 permet le séquencement des commutateurs 14, 15. Elle est adaptée à provoquer: - lors de la détection d'un courant dans la charge 3 inférieur au seuil d'interruption 21 (le transformateur principal 4 étant alimenté par l'entrée secteur 2), d'abord la déconnexion de l'entrée secteur 2 au primaire 5 du transformateur principal 4, puis la connexion du secondaire 13 du transformateur auxiliaire 11 au primaire 5 du transformateur principal 4. - et lors de la détection d'un courant dans la charge 3 supérieur au seuil de rétablissement 20 (le transformateur principal 4 étant alimenté par le secondaire 13 du transformateur auxiliaire 11), d'abord la déconnexion du secondaire 13 du transformateur auxiliaire 11 au primaire 5 du transformateur principal 4, puis la connexion de l'entrée secteur 2 au primaire 5 du transformateur principal 4. Le choix des valeurs des seuils 20, 21 est naturellement lié à la logique de commande. Des dispositions sont prises pour que l'isolement entre le primaire et le secondaire du transformateur principal soit respecté selon une exigence classique dans ce domaine, malgré l'insertion de moyens électroniques nouveaux entre l'entrée secteur 2 et la charge 3, par exemple avec un isolement meilleur que 4000 V, pour protéger la charge 3 en cas de surtension survenant dans le primaire (foudre etc.). On comprend que l'utilisation d'un transformateur auxiliaire 11 de tension secondaire égale sensiblement au dixième de la tension de l'entrée secteur 2 permet de réduire les pertes à vide du transformateur principal 4 de façon significative, les pertes (proportionnelles au carré de l'induction) étant dans cet exemple divisées par 100. On a donc un échauffement à vide du transformateur principal 4 quasiment inexistant. Le bruit à vide du transformateur principal (lié à l'induction, et donc à la magnétostriction des tôles) est également nettement réduit. L'utilisation de relais statiques pour les commutateurs 14, 15 permet de réduire les appels de courant et les perturbations électromagnétiques. On comprend également qu'il est possible de modifier légèrement la logique de commande de manière à ce que l'enclenchement du primaire 5 du transformateur principal 4 sur l'entrée secteur 2 soit légèrement décalé dans le temps (par exemple au zéro de la sinusoïde de tension) par rapport à la détection de courant non nul dans la charge 3, permettant ainsi de gommer la pointe de courant à l'enclenchement, qui peut atteindre 25 fois la valeur nominale de courant. Le dispositif 1, qui requiert un transformateur auxiliaire 11 de faible puissance, peut facilement être intégré dans le boîtier qui protège usuellement le transformateur principal 4, rendant ainsi le dispositif invisible pour l'utilisateur, et ne nécessitant pas de volume supplémentaire. Dans une variante représentée par le schéma fonctionnel de la figure 2, on choisit d'alimenter plutôt le secondaire 8 que le primaire 5 du transformateur principal 4, par un transformateur auxiliaire 11 de faible puissance, en déconnectant alors le transformateur principal 4. On constate sur la figure 2 que le schéma du dispositif de réduction de pertes à vides 1 est généralement inchangé, le secondaire 13 du transformateur auxiliaire 11 étant ici relié aux bornes du secondaire 8 du transformateur principal 4, et le commutateur auxiliaire 15 étant de ce fait au secondaire de ce transformateur principal 4. Dans cette variante, la tension secondaire du transformateur auxiliaire 11 est choisie nettement inférieure à la tension secondaire du transformateur principal 4. Elle est par exemple de 6 V pour une tension secondaire du transformateur principal 4 de 24 V. On obtient dans ces conditions une réduction des pertes d'un facteur 16 (carré du rapport des tensions secondaires). La puissance du transformateur auxiliaire 11 doit être choisie telle que ce transformateur auxiliaire 11 fournisse au secondaire 8 du transformateur principal 4 le courant magnétisant réduit ramené au secondaire. Elle est donc assez importante si la tension secondaire du transformateur principal 4 est faible. Dans le cas par exemple d'un transformateur principal 4 de puissance 1000 VA et de tensions 230 V-24V, le courant primaire à vide est de 0,77 A environ. Alimenté par son secondaire 8 en 24 V avec le primaire 5 à vide (déconnecté de l'entrée secteur 2) il devient 7,4 A. Si l'alimentation du secondaire 8 est réalisée sous 6 V, le courant au secondaire 8 revient à 1,2 A, ce qui entraîne une puissance nécessaire du transformateur auxiliaire 11 de 7.2 VA. Dans une autre variante schématisée sur la figure 3, le dispositif de réduction de pertes à vides 1 du transformateur principal 4 est une impédance série 23. Cette impédance série 23 peut être soit une résistance, soit une inductance. Sa valeur dépend de la puissance du transformateur principal 4 et de sa tension primaire. Dans le cas d'un transformateur principal 4 de 1000 VA 230V24V, une résistance 23 de 3300 ohms permet de faire chuter la tension à 24 V dans le primaire. La déperdition thermique dans la résistance 23 est alors de 16 W. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif comportant un transformateur principal (4) connecté entre une source de courant (2) et une charge (3), un moyen (17) de détection de courant circulant dans la charge, caractérisé en ce qu'il comporte également, d'une part, - un moyen (11) de génération de tension réduite relié à une source de courant (2), et, d'autre part, - des moyens de pilotage (16) adaptés à provoquer sélectivement l'alimentation du transformateur principal (4) par le moyen (11) de génération de tension réduite ou par la source de courant (2), selon que le moyen (17) de détection détecte ou non dans la charge (3) une intensité de courant inférieure à un seuil donné. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (11) de génération de tension réduite est un transformateur auxiliaire (11) adapté à alimenter le primaire (5) du transformateur principal (4). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transformateur auxiliaire (11) a un rapport de transformation de l'ordre de 1/10e. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (11) de génération de tension réduite est un transformateur auxiliaire (11) adapté à alimenter le secondaire (8) du transformateur principal (4). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tension secondaire du transformateur auxiliaire (11) est sensiblement égale à une fraction de la tension secondaire du transformateur principal (4). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (11) de génaration de tension réduite est une impédance série (23). 7.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de détection de courant (16) circulant dans la charge (3) comporte un transformateur de courant très sensible. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transformateur de courant très sensible (1 7) est un tore de disjoncteur différentiel monté en détecteur de courant. 9. Dispositif selon les revendications 3 et 7, caractérisé en ce que le moyen de détection de courant (17) circulant dans la charge (3) est adapté à détecter un courant de l'ordre du millième du courant nominal. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de pilotage (16) comportent une logique de commande adaptée à provoquer: - lors de la détection d'un courant dans la charge (3) inférieur à un seuil d'interruption, d'abord la connexion du moyen (11) de génération de tension réduite au transformateur principal (4), puis la déconnexion de la source de courant (2) au transformateur principal (4), - et lors de la détection d'un courant dans la charge (3) supérieur à un seuil de rétablissement, d'abord la connexion de la source de courant (2) au transformateur principal (4), puis la déconnexion du moyen (11) de génération de tension réduite au transformateur principal (4). 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de pilotage (16) comportent des commutateurs (14, 15) à relais statiques.