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Transformateur stabilisateur de tension La présente invention a pour objet un transformateur électrique stabilisateur de tension, dans lequel la stabilisation résulte, d'une part, de la saturation magnétique d'une partie du noyau et, d'autre part, de la subdivision de l'enroulement primaire en deux parties qui, considérées individuellement, induisent des tensions en opposition de phase dans l'enroulement secondaire du transformateur.
Le transformateur électrique stabilisateur de tension selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un noyau en matériau magnétiquement conducteur comprenant une branche principale, jointe à ses extrémités par une branche de connexion, et une branche de shuntage partant d'un endroit situé entre les extrémités de la branche principale et allant jusqu'à la branche de connexion, ce noyau constituant trois circuits magnétiques, dont deux ont la branche de shuntage en commun, le premier de ces deux circuits magnétiques portant une première partie d'un enroulement primaire et un enroulement secondaire, tous deux disposés sur la branche principale d'un côté de la branche de shuntage,
au moins une partie de l'enroulement secondaire étant plus proche de la branche de shuntage que ne l'est la première partie de l'enroulement primaire, et le deuxième de ces circuits magnétiques portant une deuxième partie de l'enroulement primaire disposée sur la branche principale, de l'autre côté de la branche de shuntage, la première et la deuxième partie de l'enroulement primaire étant reliées électriquement dans un circuit primaire de façon à produire des forces magnétomotrices qui s'ajoutent pour établir un flux magnétique dans la branche de shuntage en produisant ainsi une saturation magnétique dans le premier circuit magnétique,
afin de stabiliser dans une certaine mesure la grandeur du flux traversant l'en- roulement secondaire et, par conséquent, la tension qui y est induite, lesdites forces magnétomotrices étant en opposition dans le troisième circuit magnétique, qui comprend la branche principale et la branche de connexion, de manière à produire une plus ample stabilisation de la tension secondaire ou une réduction de la distorsion de la forme de l'onde de la tension secondaire, ou ces deux effets à la fois.
Par saturation magnétique , on entend que la densité du flux, au moins dans, une partie du circuit magnétique en question, est telle que le point de travail de la courbe champ magnétisant - densité du flux magnétique se trouve au coude ou au- delà de celui-ci, c'est-à-dire au-delà de la partie inférieure linéaire ou sensiblement linéaire de cette courbe. Il va de soi qu'au-delà du coude une augmentation du champ magnétique continue à augmenter un peu le flux magnétique, mais que cette augmentation du flux pour une augmentation donnée du champ magnétique est plus faible qu'en deçà du coude.
Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites dans ce qui suit, à titre d'exemples, en se référant aux dessins annexés, où la fig. 1 est une vue frontale simplifiée, en élévation, d'une première forme d'exécution du transformateur, le boîtier n'étant pas indiqué, la fig. 2 est une vue latérale, en élévation, de la construction représentée à la fig. 1, la fig. 3 est une vue schématique de la construction représentée aux fig. 1 et 2, montrant plus spécialement la structure du noyau avec les enroulements et les parcours simplifiés des flux, les fig. 4 et 5 montrent chacune, à plus grande échelle,
un fragment du noyau représenté à la fig. 3 et indiquent schématiquement les changements dans
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la distribution des flux, qui se produisent lorsque la tension primaire passe d'une valeur faible à une valeur élevée, ces fig. indiquant également de quelle manière la forme d'onde de la tension secondaire est réglée, la fig. 6 représente des formes d'onde de la tension primaire, du flux dans le premier circuit magnétique et de la tension secondaire, la fig. 7 est un diagramme montrant les relations entre les courants et les tensions dans les différents enroulements du transformateur,
lorsque la tension primaire est augmentée de zéro à une certaine valeur comprise dans l'étendue de stabilisation du transformateur, et montrant notamment l'établissement d'une condition au-delà de la résonance dans le circuit primaire du transformateur, la fig. 8 est une vue analogue à celle de la fig. 3, montrant une seconde forme d'exécution, la fig. 9 est une vue analogue à celle de la fig. 7, montrant les relations entre les courants et les tensions, ainsi que l'établissement d'une condition au-delà de la résonance , dans le cas d'un transformateur de la forme représentée à la fig. 7,
la fig. 10 est une vue schématique fragmentaire, représentant un enroulement auxiliaire en série avec le condensateur, dans le cas d'un transformateur de la forme représentée aux fig. 1 à 7, la fig. 11 est une vue analogue à celle de la fig. 10, montrant le même enroulement auxiliaire pour un transformateur selon la fig. 8, la fig. 12 est une vue analogue à celle de la fig. 10, montrant le cas du montage d'un enroulement de déphasage, et la fig. 13 est une vue analogue à celle de la fig. 10, montrant le cas du montage d'un enroulement secondaire auxiliaire, sur le deuxième circuit magnétique.
En se référant tout d'abord au transformateur représenté aux fig. 1 à 7, celui-ci comporte un noyau ayant une branche principale sous forme d'un membre central 10, dont les extrémités sont jointes par des branches de connexion comprenant deux membres latéraux 11 et 12, parallèles entre eux, et deux membres terminaux 13 et 14.
A un endroit situé entre ses extrémités, le membre 10 est relié aux membres latéraux 11 et 12 par une branche de shuntage 15.
Ce noyau constitue un premier circuit magnétique comprenant les parties supérieures 10a, 11a, 12a des membres 10, 11, 12, le membre terminal supérieur 13 et la branche de shuntage 15.
Ce noyau constitue en outre un deuxième circuit magnétique, constitué par les parties inférieures 10b, llb et 12b des membres 10, 11 et 12, de même que par le membre terminal 14, ainsi que par la branche de shuntage 15, qui est donc commune au premier et au deuxième circuit.
Ce noyau constitue en outre un troisième circuit magnétique, constitué par les membres 10, 11 et 12, entiers, avec les membres terminaux 13 et 14, mais non compris la branche de shuntage 15, à l'exception de ses parties qui sont en contact avec les membres 10, 11 et 12.
Ce noyau peut être lamellé d'une manière quelconque.
C'est ainsi que les parties 10a, 11a, 12a et le membre terminal 13 peuvent être d'un seul tenant ou être constitués par des pièces feuilletées séparées: Une partie feuilletée en E est représentée à titre d'exemple, comme cela est également le cas pour les parties 10b, 11b, l2b et le membre terminal 14, tandis que la branche de shuntage est constituée par des languettes séparées.
Là où la branche de shuntage 15 est jointe aux parties feuilletées en E, les joints peuvent être du type en bout.
Au besoin, des interstices d'une épaisseur convenable peuvent être prévus à l'un ou l'autre de ces joints, pour régler les réluctances relatives des différents circuits magnétiques en question. Des cales en laiton ou autre matériau non magnétique peuvent être serrées dans ces interstices.
Les joints peuvent également être du type entrelacé, si cela est désirable.
La réluctance magnétique de la branche de shun- tage et la section minimale exigée pour cela à un endroit le long de cette branche sont réglables à l'aide de fentes 16. Il va de soi que les dimensions de la section de la branche de shuntage peuvent être égales ou sensiblement égales à celles qui se présentent à la base de chacune de ces fentes, ceci sur toute la longueur de la branche.
Les fig. 1 et 2 montrent une structure de support associée au noyau et comprenant une paire de châssis 17, en fers d'angle, reliés par des boulons 18 traversant des ouvertures ménagées dans le noyau ou passant en dehors.
A l'extrémité supérieure de la structure de support, comme l'indique la fig. 1, des barres de serrage 19 traversent des fentes 20 ménagées dans. les ailes intérieures, parallèles, des deux châssis 17, et portent des boulons 21 traversant des alésages taraudés dans les barres de serrage, pour s'engager avec les ailes extérieures des châssis respectifs, tandis que les barres de serrage appuient contre la partie feuilletée en E, qui est formée par les parties 10a,11a et 12a des membres, ainsi que par le membre 13, de façon à maintenir fermement ceux-ci bout à bout avec la branche de shuntage 15, soit directement,
soit par l'intermédiaire de cales insérées aux jonctions de la branche de shuntage 15 avec ces membres.
Enroulée sur la partie supérieure de la branche principale, c'est-à-dire sur la partie 10a, se trouve une première partie Pl d'un enroulement primaire. Une deuxième partie P., de l'enroulement primaire est enroulée sur la partie inférieure 10b de la branche principale. Un enroulement secondaire S est enroulé sur la partie 10a, entre l'enroulement Pl et la branche de shuntage 15 ou, au besoin, en chevau-
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chant partiellement l'enroulement Pl, mais ayant une partie plus rapprochée de la branche de shuntage que ne l'est l'enroulement Pl.
Comme le montrent les fig. 1 et 2, ces enroulements sont supportés par des bobines ou des gabarits. Une bobine 22 à deux flasques axiaux porte l'enroulement Pl et une bobine 23 à deux flasques axiaux porte l'enroulement S, tandis qu'une bobine 26 porte l'enroulement P.,.
Les, extrémités des conducteurs de ces enroulements peuvent sortir par les flasques de ces bobines, comme indiqué en 27, 28 et 29.
Selon la fig. 3, les enroulements Pl et P, sont en série et aboutissent aux bornes t1, auxquelles est appliquée la tension d'entrée ou primaire Vp provenant du réseau de distribution ou d'une autre source de tension alternative imparfaitement stabilisée. Dans le cas d'un réseau d'alimentation, les fluctuations peuvent atteindre, par exemple, jusqu'à 18 % de la valeur nominale.
L'enroulement secondaire S aboutit aux bornes t.,, auxquelles peut être captée la tension de sortie ou secondaire VS.
L'enroulement P2 est relié en parallèle avec un condensateur C, qui peut être séparé du corps du transformateur ou monté sur celui-ci ou dans celui- ci, et relié en permanence au circuit primaire, selon le cas.
En ce qui concerne le fonctionnement du transformateur, la fig. 3 représente d'une manière simplifiée les flux magnétiques engendrés dans le premier circuit magnétique, ainsi que les courants qui les produisent. Les courants il, i.2 et i3 représentent les valeurs instantanées des courants h, I. et I3, tandis que les flux magnétiques instantanés sont représentés par les lignes en traits interrompus 01 et 0.,, les directions de ce flux étant indiquées par des flèches.
En première analyse, on admet que les courants instantanés il et i. sont en opposition de phase, comme cela est expliqué plus en détail par la suite.
En traversant les enroulements P, et P., ces courants produisent des forces magnétomotrices qui engendrent les flux 01 et Q.,. Les directions des forces magnétomotrices produites par les enroulements P, et P. contribuent ensemble à établir le flux 01 + 0,', passant par la branche de shuntage 15.
Si l'on considère une demi-période de la tension appliquée VI" il est évident que lorsque cette tension augmente de zéro à un point déterminé de la forme de l'onde, les flux 01 et 02 augmentent et, lorsque le point déterminé est atteint, la grandeur du flux résultant 01 ï- 02 traversant la branche de shuntage 15 produit dans celle-ci une saturation magnétique, qui débute à la base de chaque fente 16. En conséquence, durant cette première phase du fonctionnement, une tension due à l'augmentation du flux 0 1 est induite dans l'enroulement secondaire S.
Lorsque la tension primaire VI, augmente au- delà dudit point déterminé, une nouvelle augmentation du flux 01 est contrecarrée par la saturation qui règne dans la branche de shuntage 15, de sorte que la tension induite dans l'enroulement secondaire S a tendance à se stabiliser dans une certaine mesure. La forme de l'onde du flux 01 devient un peu plus plate, du fait que le courant Il tend à une valeur de crête, qui provoque une nette chute de tension ohmique dans l'enroulement Pl.
La tension secondaire ainsi induite est donc déformée par rapport à la tension V7, (supposée être sinusoïdale), par suite de la saturation magnétique dans la branche de shuntage.
Après que la branche de shuntage a été saturée, du moins pour la partie du cycle de la forme de l'onde de la tension primaire située au-delà dudit point ou niveau déterminé, le transformateur peut être considéré comme consistant entièrement ou d'une manière prédominante en un troisième circuit magnétique, à savoir celui constitué par toute la branche principale 10, avec les membres, 11, 12, 13 et 14. Dans ce troisième circuit magnétique, les forces magnétomotrices des enroulements Pl et P., sont en opposition et le simple effet peut être considéré comme étant dû à une force magnétomotrice résultante ou nette.
Cette force peut agir dans la même direction que celle due à Pl si Pl prédomine (mais dans ce cas sa grandeur est comme celle qui serait produite par un nombre d'ampères-tours réduits de Pl) ou bien, si Pprédomine, cette force peut être considérée comme agissant dans la même direction que celle due à P2 (mais dans ce cas sa grandeur est comme celle qui serait produite par un nombre d'ampères-tours réduits de P2).
Cet effet peut donc servir (si Pl est prédominant), à produire une composante de flux dans le premier circuit magnétique, qui rétablit partiellement la forme de l'onde déformée du flux 01, à une forme sinusoïdale ou approximativement sinusoïdale, sans effecter ou seulement très peu le degré de stabilisation de la tension déjà obtenu par l'effet de saturation dans la branche de shuntage 15, utilisée de cette façon.
Inversement, cet effet peut servir à améliorer la stabilisation, en faisant en sorte que la force magné- tomotrice de P2 prédomine celle de Pl, après qu'une stabilisation initiale a été obtenue par saturation dans la branche de shuntage, sans qu'il s'agisse essentiellement d'une correction de la forme de l'onde, bien que dans ce cas des harmoniques choisis peuvent déjà être supprimés ou affaiblis, comme cela est expliqué ci-après, dans une analyse plus complète du mode de fonctionnement.
Une explication plus détaillée de ces effets est fournie maintenant en se référant aux fig. 4, 5 et 6. A la fig. 4, le flux 0 1 présent dans le premier circuit magnétique et le flux 02 présent dans le deuxième circuit magnétique sont représentés chacun par quatre lignes de forces et représentent les conditions
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de flux qui concernent la partie de la forme de l'onde de la tension primaire dans la zone limitée par les, deux lignes a-a tirées en abscisses, à des distances égales en dessus et en dessous de l'axe des temps T.
Les lignes a-ca sont choisies arbitrairement à la fig. 6, comme représentant la valeur de la tension primaire instantanée, qui produit tout juste une saturation dans la branche de shuntage 15.
Toutes les quatre lignes représentant le flux 01 à la fig. 4 sont indiquées comme étant couplées avec l'enroulement Pl, tandis que les deux lignes extérieures seulement sont couplées avec toutes les spires de l'enroulement secondaire S, les, deux lignes intérieures passant par un chemin de fuite au-dessus de la branche de shuntage et n'étant couplées qu'à quelques-unes des spires de l'enroulement secondaire S. si l'on néglige des effets de peu d'importance.
La fig. 5 représente les conditions de flux concernant un point particulier de la forme de l'onde de la tension primaire, au-delà de la zone limitée par les lignes a-a.
A ce point, la tension primaire sera plus élevée et les flux 01 et 0,2 auront augmenté. En conséquence, à la fig. 5, le flux 01 est représenté par cinq lignes et le flux 0,, de même.
Les forces magnétomotrices dues aux enroulements Pl et P2, respectivement, auront augmenté dans les conditions indiquées, à la fig. 5, de sorte que la branche de shuntage 15 présente une plus forte saturation. La mesure où la branche de shun- tage 15 porte le flux 01 dû à l'enroulement Pl et le flux 02 dû à l'enroulement P.., dépend des valeurs relatives des forces magnétomotrices produites par ces enroulements.
Dans le cas typique représenté, l'effet produit est que le flux 0 2 tend à pousser le flux 01 hors de la branche de shuntage et à le déplacer de plus en plus le long de chemins de fuite, généralement parallèles à la branche de shuntage.
Comme cela est représenté à la fig. 5, il s'ensuit qu'aucune des lignes de forces du flux magnétique n'est maintenant complètement reliée à l'enroulement secondaire S.
Il est donc évident qu'en dosant convenablement les forces magnétomotrices produites par les enroulements Pl et P2, on peut obtenir une condition pour laquelle l'accroissement du flux 01, pour des tensions hors de la zone limitée par les lignes a-a de la fig. 6, est contrecarrée par le fait que le flux plus intense est moins relié à l'enroulement S, de sorte que la tension secondaire qui y est induite n'est pas encore plus élevée, même si la tension primaire augmente considérablement.
Cela est représenté à la fig. 6, où le premier cycle complet de la tension primaire est indiqué avec une grandeur constante, tandis que le demi- cycle vers la droite montre une valeur nettement accrue. Tous les effets transitoires accompagnant une élévation de V, ont été négligés.
La forme de l'onde de la tension primaire est supposée être sinusoïdale. Si la partie inférieure du transformateur, c'est-à- dire située en dessous de la branche de shuntage et comprenant l'enroulement P2, était complètement enlevée et si les, dimensions de la branche de shun- tage étaient telles, qu'il ne s'y produise aucune saturation, le flux 0, et la tension VS induite dans l'enroulement secondaire S seraient ceux représentés par la ligne en traits interrompus en dehors de la zone limitée par les lignes a-a (courbe I).
La tension Vs n'est naturellement pas en phase avec le flux 01 et sa forme d'onde diffère quelque peu, lorsque la forme de l'onde du flux n'est pas absolument sinusoïdale. Pour plus de simplicité, ces valeurs ont été représentées par la même courbe.
S'il n'y avait aucune saturation, la tension secondaire présenterait une forme d'onde indéformée, c'est-à-dire serait une onde sinusoïdale, et sa grandeur serait en relation avec celle de la tension primaire V,, par un facteur constant, c'est-à-dire que le rapport de transformation, dans ce cas, serait constant, en négligeant quelques effets secondaires.
Si la branche de shuntage utilisée présentait des dimensions qui permettent une saturation et si l'enroulement P. était supprimé, le flux 01 et la tension secondaire V5 auraient l'allure représentée par la ligne en traits-points (courbe II) en dehors de la zone limitée par les lignes a-a. Cette courbe serait déformée par rapport à la courbe sinusoïdale de la tension primaire Vl, et tendrait à être quelque peu aplatie à son sommet, avec pour limite durant le premier cycle la ligne b-b. On sait que, lorsque la saturation se produit, dans un circuit magnétique d'un transformateur dont l'enroulement primaire reçoit une tension sinusoïdale, le courant primaire augmente brusquement à une valeur de crête et que,
dans cette partie du cycle, la chute de tension ohmique dans l'enroulement primaire est plus forte que la chute de tension inductive, par rapport à ce qui se passe dans la partie inférieure du cycle, de sorte que la forme de l'onde du flux devient aplatie comme le représente la courbe 11, au lieu d'être purement sinusoïdale (ce qui serait le cas si l'enroulement primaire ne présentait pas une certaine résistance, qu'il soit saturé ou non).
Cet effet produit une certaine stabilisation de la tension, d'autant plus qu'une élévation de la tension primaire, dans la troisième alternance de l'onde, produit une légère augmentation du flux 01 et de la tension secondaire Vs, au-dessus de la ligne 6-b. Toutefois, non seulement la stabilisation est moindre qu'on ne le désirait, mais elle est accompagnée d'une plus forte distorsion de la forme de l'onde, car la ligne a-a coupe la troisième alternance de 0 1 et de Vs plus tôt du côté montant de l'alternance, puis plus tard du côté descendant, de sorte que l'onde présente une forme plus plate que durant le premier cycle complet, lorsque la tension primaire était moins élevée.
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Par suite de l'addition de la partie inférieure du circuit magnétique, c'est-à-dire de la partie située sous la branche de shuntage 15, et de l'addition de l'enroulement opposé P2, on peut obtenir une correction de la courbe II, comme l'indique la courbe 111. Le transformateur travaille en dehors de la zone limitée par les lignes a-a, d'une manière plus analogue à un transformateur non saturé, du fait de l'existence du troisième circuit magnétique pratiquement non saturé.
L'ampleur de l'élévation de la tension indiquée par la ligne c-c est déterminée par les valeurs relatives des forces magnétomotrices produites par les enroulements Pl et P._ Comme cela a été mentionné, il est possible de proportionner les enroulements Pl et P2, en ce qui concerne le nombre de spires de chacun d'eux, de façon qu'une stabilisation complète soit atteinte.
Cela n'est toutefois possible que pour une fréquence donnée et il est évident qu'en raison de la saturation qui se produit dans la branche de shuntage et par conséquent dans le premier circuit magnétique, le courant Il qui traverse l'enroulement Pl doit présenter une valeur de crête et renfermer ainsi un certain nombre d'harmoniques d'un ordre plus élevé que la fréquence fondamentale. Ces harmoniques ne se répartissent pas entre l'enroulement P2 et le condensateur C dans la même proportion que la fréquence fondamentale, car le condensateur C présente une impédance plus faible au fur et à mesure que l'ordre, c'est-à-dire la fréquence, des, harmoniques s'élève.
Il est donc possible, en proportionnant convenablement le nombre de spires des enroulements P1 et P., ou en choisissant convenablement la position de l'enroulement S entre ces enroulements, d'arriver à une condition qui permet d'éliminer complètement un certain harmonique. Celui-ci peut être le premier harmonique ou l'harmonique fondamental, lorsqu'un très grand degré de stabilisation est exigé, ou le troisième harmonique, si l'on exige simplement une bonne forme de l'onde et si l'on peut tolérer un certain écart par rapport à la stabilisation absolue.
Outre les différentes répartitions des divers harmoniques du courant entre l'enroulement Pz et le condensateur C, les effets relatifs des enroulements P, et P. pour induire un harmonique donné dans l'enroulement S dépendent du fait que l'inductance mutuelle effective entre les enroulements S et P., d'une part, et l'enroulement Pl, d'autre part, est dans une certaine mesure une fonction de la fréquence.
En pratique, on tient compte de ces deux effets pour proportionner les nombres de spires de Pl et P. ou pour choisir la position de S, en vue d'éliminer ou de minimiser l'induction d'un certain harmonique dans l'enroulement S.
Dans le diagramme reproduit à gauche de la fig. 5, la composante de la tension secondaire VS induite dans l'enroulement secondaire S, par suite de l'opposition des forces magnétomotrices des deux enroulements Pl et P2 pour la partie de la forme de l'onde de la tension se trouvant hors de la zone limitée par les lignes a-a de la fig. 6, est dessinée sous forme d'abscisse par rapport à la position de l'enroulement S, considérée comme ordonnée. La courbe hl représente la composante de la tension VS pour le premier harmonique ou la fréquence fondamentale, la courbe h3 la composante pour le troisième harmonique.
Ces courbes ne représentent pas exactement la tension induite dans l'enroulement S, mais montrent l'effet général d'un déplacement de cet enroulement par rapport aux enroulements P1 et P2, le long de l'axe de la branche principale 10.
Aux points marqués Ni et N3, la composante induite correspondante de la tension VS est nulle, de sorte que ces points peuvent être considérés comme représentant des plans neutres dans lesquels les forces magnétomotrices des enroulements Pl et P2 se contrebalancent exactement dans le troisième circuit magnétique, à la fréquence fondamentale ou du premier harmonique, ainsi qu'à la fréquence du troisième harmonique, respectivement. Il est donc ainsi possible d'éliminer complètement un harmonique choisi.
L'enroulement S n'est toutefois pas situé dans un seul plan, à angle droit par rapport à l'axe de la branche principale, mais comporte des parties distribuées en dessus et en dessous de ce plan, de sorte que le diagramme représente le principe du fonctionnement ; la distribution des deux flux 01 et 09 est mieux représentée, en pratique, par les lignes de flux dessinées à la partie de droite de la fig. 5.
La courbe III de la fig. 6 représente un compromis typique, où la distorsion de la forme de l'onde est moindre que pour la courbe II, de sorte qu'une certaine amélioration de la stabilisation a donc été obtenue, comme cela est évident par le fait que dans la troisième alternance la courbe III passe au- dessus de la ligne c-c (qui représente la valeur de crête de 01 et de VS du premier cycle complet), mais dans une moindre mesure que ne le fait la courbe II au-dessus de la ligne b-b dans la troisième alternance.
D'un autre point de vue, le transformateur peut être considéré comme travaillant avec un rapport de transformation constant dans la zone limitée par les lignes a-a de la fig. 6, tandis qu'en dehors de cette zone il travaille avec un rapport de transformation différent, du fait de l'opposition entre les enroulements P1 et P2. Ce rapport différent n'est pas le même pour l'harmonique fondamental ou le premier harmonique, que pour les harmoniques supérieurs, par exemple le troisième.
Ainsi donc, le rapport de transformation à un point donné quelconque de la forme de l'onde de la tension primaire V. est l'élévation de la tension
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secondaire VS par rapport à l'élévation de la tension primaire VI" et l'on a l'expression
EMI6.3
On peut faire en sorte que cette relation soit nulle pour des points de la forme de l'onde hors de la zone a-a pour la fréquence fondamentale ou celle du premier harmonique, si la stabilisation à cette fréquence est primordiale, et nulle ou négative pour le troisième harmonique ou un harmonique plus élevé, si c'est la forme de l'onde qui est primordiale.
En pratique, on peut généralement trouver un compromis entre ces deux conditions, pour obtenir des résultats optimaux, lorsqu'il est nécessaire d'avoir à la fois une bonne stabilisation et une bonne forme de l'onde. Il va de soi que la relation
EMI6.7
varie plus ou moins dans les parties de la forme de l'onde hors de la zone a-a, de sorte qu'en pratique le meilleur compromis doit être obtenu en ajustant la prédominance relative de l'enroulement Pl ou de l'enroulement P,, en procédant selon l'une des manières. indiquées ci-après.
Le moyen de modifier d'une façon contrôlable l'influence relative des enroulements Pl et P. sur l'enroulement secondaire S peut avoir n'importe quelle forme appropriée.
C'est ainsi que l'enroulement S peut être monté sur la branche principale, de façon que sa position soit ajustable le long de cette branche, entre l'extrémité inférieure de l'enroulement Pl et la branche de shuntage 15. Dans ce cas, le gabarit 24 qui porte l'enroulement secondaire peut coulisser le long de la partie 10a de la branche principale 10 ou peut être maintenu à l'une ou l'autre de plusieurs positions ajustées le long de cette partie, par des dispositifs de maintien.
Ces dispositifs peuvent comprendre un jeu de vis traversant une partie du gabarit et venant frotter contre la branche principale, ou bien des cales peuvent être insérées entre l'une ou l'autre des extrémités du gabarit et la branche de shuntage adjacente ou le gabarit qui porte l'enroulement Pl. Ces cales peuvent être en matériau non magnétique, qui est de préférence également un isolant électrique.
De même, le gabarit qui porte l'enroulement Pl peut être prévu de manière à pouvoir être ajusté le long de la branche principale et des dispositifs de maintien analogues peuvent être prévus pour maintenir ce gabarit dans une position ajustée.
De même et comme cela est représenté par les dessins, les nombres relatifs de spires des enroulements Pl et P, peuvent être modifiés en prévoyant des prises additionnelles dans l'un ou dans les deux enroulements. Au besoin, ce moyen peut être combiné avec la possibilité d'ajustement de l'enroulement S et/ou de l'enroulement Pl dans la direction longitudinale de la branche principale. Enfin, le gabarit 26 de l'enroulement P, peut, lui aussi, être prévu de manière à pouvoir être ajusté le long de la branche principale, avec des dispositifs destinés à le maintenir dans la position ajustée.
Il est possible de régler de différentes façons la distribution du flux 0, dans la partie 10a du membre central autour duquel se trouve l'enroulement secondaire S. Ainsi, par exemple, on peut modifier la grandeur et la position de la constraction du flux obtenue dans la branche de shuntage à la base de chaque fente 16. Cela peut se faire avec une branche de shuntage d'une structure composite, grâce à laquelle un ajustement des positions relatives des composantes permet de modifier la profondeur de chaque fente 16, tandis qu'un déplacement collectif des composantes permet de modifier la position de la fente.
De plus, d'autres fentes peuvent, au besoin, être prévues du côté de la branche de shuntage qui regarde l'enroulement P,, ces fentes pouvant être, elles aussi, ajustées en profondeur et en position.
Les diagrammes des fig. 4, 5 et 6 représentent des conditions de fonctionnement dans le transformateur, lorsque la valeur de la tension primaire VI, est comprise dans l'étendue de stabilisation.
Les courbes de la fig. 7 indiquent les conditions transitoires après que la tension primaire V,, a été appliquée au transformateur, en admettant à titre d'explication que cette tension augmente graduellement à partir de zéro.
Dans le diagramme de la fig. 7, les tensions sont dessinées comme ordonnées par rapport aux courants h, h, 13 (abscisses). La tension V, qui apparaît dans l'enroulement P., et le condensateur C est indiquée en fonction du courant 13 et du courant L (courbes 2 et 3, respectivement), la pente de la courbe 2 étant beaucoup moins accentuée que celle de la courbe 3, de sorte que pour une tension V, donnée (abscisse horizontale quelconque), le courant 13 est nettement plus intense que le courant L>. La combinaison en parallèle de l'enroulement P, et du condensateur C donne lieu, par conséquent, à une réactance capacitive.
La courbe 4 représente la tension Ven fonction du courant Il. On constatera que la partie initiale de cette courbe est à peu près linéaire, tandis que la pente devient ensuite de plus en plus raide.
La courbe 1 représente la tension Vl appliquée à l'enroulement Pl en fonction du courant Il. Elle indique une saturation nettement marquée.
Les tensions Vl et V, sont en opposition de phase ou approximativement en opposition. L'intersection des courbes 4 et 1 représente une condition de résonance dans laquelle une tension de valeur nulle produirait des courants (en négligeant toutes les résistances).
En pratique, la courbe 5, qui est la différence en ordonnées entre les courbes 4 et 1, représente la tension primaire V. en fonction du courant Il et ne descend pas jusqu'à zéro, comme le montre le
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point critique 5b, mais fait un coude, dont l'ordonnée minimum est située au-dessus du point 5b, ce qui est dû aux composantes résistantes des enroulements.
La partie descendante de la courbe 5, entre les points 5a et 5b représente une caractéristique instable. En pratique, l'élévation de la tension primaire V,, à une valeur quelconque en dessus du premier maximum indiqué en 5a transfère automatiquement le point de travail à la partie stable de la courbe 5, vers la droite du point 5b.
Les parties de fonctionnement stable des différentes courbes sont indiquées en traits continus, les parties instables en traits interrompus.
Etant donné que le fonctionnement stable a lieu du côté droit du coude inférieur 5b, la réactance capacitive du condensateur C et de l'enroulement P2 en parallèle est plus grande que la réactance inductive de l'enroulement Pl, de sorte que le courant Ii est un courant capacitif et que, dans son ensemble, le circuit primaire présente une réactance capacitive aux bornes d'entrée t1.
Les courants Il et I, étant en opposition de phase, les directions des courants instantanés il et i., sont celles indiquées par la fig. 3.
La présence d'un condensateur C, qui sert à un fonctionnement dans une partie de la courbe 5 au- delà de la résonance, c'est-à-dire à droite du coude inférieur, permet aux courants Il et L d'atteindre des valeurs suffisamment élevées avec des tensions d'alimentation normales dans les enroulements Pl et P.,, de façon à obtenir la saturation désirée dans la branche de shuntage 15.
Il est cependant possible de renoncer à un condensateur C dans le cas de transformateurs de faible puissance et pour lesquels la forme de l'onde et le rendement ont peu d'importance, le nombre des ampères-tours des enroulements Pl et P, étant suffisant pour saturer la branche de shuntage 15 et établir une certaine force magnétomotrice résultante dans la partie supérieure de la forme de l'onde de la tension d'entrée. Dans ce cas, les connexions de l'enroulement P2 sont inverses par rapport à celles de l'enroulement Pl.
Grâce aux explications qui précèdent au sujet du fonctionnement et des connexions des enroulements, la construction d'un transformateur tel qu'il vient d'être décrit est aisément réalisable par des gens du métier. Toutefois, à titre d'exemple, les détails ci-après sont indiqués pour une construction spécifique d'un transformateur de la forme représentée aux fig. 1 à 7 et destiné à fournir une tension stabilisée et corrigée, comme le montre la fig. 6.
Dimensions du noyau Branche Longueur Largeur Epaisseur principale 10: 152'mm 31 mm 32 mm Branche de Longueur Largeur Epaisseur shuntage 15: 127 mm 15 mm 32 mm (Dimensions des rainures 16 disposées centrale- ment entre la branche principale et les membres latéraux 11 et 12) : Profondeur = 7 mm. 0,4 mm.
Largeur = 1,5 à 1 mm.
EMI7.24
<tb> Membres <SEP> latéraux <SEP> Longueur <SEP> Largeur <SEP> Epaisseur
<tb> 11 <SEP> et <SEP> 12: <SEP> 152 <SEP> mm <SEP> 15 <SEP> mm <SEP> 32 <SEP> mm
<tb> Membres <SEP> terminaux <SEP> Longueur <SEP> Largeur <SEP> Epaisseur
<tb> 13 <SEP> et <SEP> 14 <SEP> : <SEP> 127 <SEP> mm <SEP> 15 <SEP> mm <SEP> 32 <SEP> mm
Enroulements Enroulement Pl : Prises à 0-200-1200 tours Fil de cuivre 21 SWG (0,8 mm).
Enroulement P2: Prises: à 0-100-2100-2200-2500- 2700 tours Fil de cuivre 24 SWG (0,6 mm). Enroulement S : Prises à 0-40-845-825-1005 tours (Encombrement et position des enroulements, comme indiqué aux fig. 1 et 2).
Condensateur Deux éléments de 20 #tF chacun, sous 440 V, travaillant en série.
Les performances suivantes ont été obtenues avec ce transformateur pour une puissance nominale de 90 VA.
Tension primaire V?, variant de 180 à 260 V. Stabilisation de tension Tension secondaire VS constante à 246,6 V 0,40% (à vide).
Distorsion de la forme de l'onde Mesurée en teneur en harmoniques (en % de l'onde fondamentale).
1. A pleine charge : moins de 2,84 % 2. A vide : moins de 4,3 % Une variante d'exécution du transformateur est représentée à la fig. 8.
Les dispositions des enroulements Pl, P2 et S sur la branche centrale du noyau, ainsi que la construction et le proportionnement de ceux-ci, sont d'une manière générale analogues à ceux de la forme d'exécution décrite en premier lieu, sauf que le sens de bobinage de l'enroulement P? est inversé et que le condensateur C est en parallèle avec l'enroulement Pl.
Les conditions transitoires du fonctionnement de ce transformateur, lorsque la tension V, lui est appliquée et augmentée, sont quelque peu différentes de celles du transformateur représenté et décrit avec les fig. 1 à 7. Il en est de même des conditions de fonctionnement dans une partie de l'étendue de stabilisation de la tension.
Ces conditions sont représentées par le diagramme de la fig. 9.
Dans ce transformateur, la combinaison en parallèle de l'enroulement Pl et du condensateur C constitue un circuit travaillant au-delà du point de
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résonance lorsque le transformateur fonctionne dans l'étendue de stabilisation de la tension et présente une réactance inductive. La courbe 2 de la fig. 9 représente le courant 13 traversant le condensateur C, en fonction de la tension Vl ; elle est par conséquent linéaire. Ce courant 13 est en opposition de phase ou approximativement en opposition par rapport au courant Il traversant l'enroulement Pl et représenté par la courbe 1 en fonction de la tension Vl.
La courbe 5 représente le courant h en fonction de Vl et est l'addition vectorielle des courants Il et 13 (approximativement la différence numérique), en fonction de Vl. Le point théorique de résonance est indiqué en 5b et le coude de la courbe 5 au- dessus de ce point représente les conditions effectives de fonctionnement, dues à la résistance effective du transformateur.
Le fonctionnement sur la courbe 5 a lieu à droite du coude et est obtenu automatiquement par l'élévation de la tension Vl, à une valeur supérieure à celle qui correspond au point 5a de cette courbe.
Au point 5b et à sa gauche, l'enroulement P.. ne s'oppose pas à l'enroulement Pl, au point de vue magnétomoteur, car au point 5b le courant I. est nul, tandis qu'à gauche de ce point la direction du courant h est telle que ce courant assiste l'enroulement P. au point de vue magnétomoteur.
Dans ces conditions, le flux 02 selon la fig. 8 agit en direction inverse et la saturation dans la branche de shuntage 15 est obtenue par la force magnétomotrice produite uniquement par l'enroulement Pl. Toutefois, dès que cette condition est atteinte, l'inductance de l'enroulement Pl tend à diminuer lorsque la tension primaire VI, s'élève, de sorte que la condition au-delà de la résonance est obtenue, où le courant 13 à travers le condensateur C dépasse en intensité le courant Il à travers l'enroulement Pl, ce qui conduit à une inversion du courant L et, de ce fait, à un changement dans la direction de la force magnétomotrice produite par l'enroulement P..
Même un peu à droite du point 5b, la force magnétomotrice produite par l'enroulement P, peut être insuffisante pour empêcher que l'enroulement Pl oblige le flux à circuler dans le troisième circuit magnétique en direction opposée à celle indiquée par la flèche inférieure de la fig. 8, mais au fur et à mesure que la tension primaire s'élève le fonctionnement débutera un peu plus à droite du point 5b et la force magnétomotrice produite par l'enroulement P., deviendra suffisamment grande pour faire circuler le flux 0. dans la direction indiquée.
Ces deux conditions représentent des domaines de stabilisation coopérants pour le transformateur, d'autant plus que les forces magnétomotrices produites par les enroulements Pl et P. sont en opposition, même si, dans le premier cas mentionné, la direction du flux 0s dans la branche principale est la même que celle du flux 01. Dans le deuxième cas, alors que les composantes des flux 0 1 et 02 représentant la fréquence fondamentale sont en opposition dans la branche principale, les composantes représentant des harmoniques supérieurs (par exemple le troisième) peuvent encore aller dans la même direction dans la branche principale, de sorte que leur différence apparaît dans cette branche.
On peut ainsi obtenir un flux d'une forme d'onde améliorée et, par conséquent, une tension secondaire présentant un très faible pourcentage de distorsion.
D'une manière générale, le mode de fonctionnement dans ces conditions est analogue à celui décrit en se référant aux fig. 4, 5 et 6, pour le transformateur selon les fig. 1 à 7.
L'avantage de brancher le condensateur C en parallèle avec l'enroulement Pl est que, dans les conditions de fonctionnement du transformateur, le circuit primaire présente une réactance inductive aux bornes t1 et la tension appliquée au condensateur C est réduite par rapport à celle obtenue avec la première forme d'exécution décrite, ce qui permet une réduction du coût. De plus, le transformateur travaille avec un facteur de puissance en retard.
Le circuit primaire fonctionne au-delà du point de résonance, comme cela est indiqué à la fig. 9. La direction des courants instantanés il, i, et i3 est indiquée à la fig. 8, tandis que la fig. 9 indique les courants correspondants h, I, et 1. en ordonnées et la tension Vl appliquée à l'enroulement Pl en abscisses.
La relation en phase entre les courants Il et L, à droite du point 5b (fig. 9) nécessite une inversion de l'enroulement P., par rapport à la disposition du transformateur selon les fig. 1 à 7.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 10, au lieu d'utiliser un condensateur seul branché en parallèle avec l'une des parties de l'enroulement primaire, le condensateur C est relié en série avec un enroulement auxiliaire P',, cette combinaison en série étant branchée en parallèle avec la partie appropriée de l'enroulement primaire, par exemple P., comme indiqué.
Le but de cette disposition est de modifier la valeur effective du condensateur. C'est ainsi, par exemple, que la combinaison en série du condensateur C et de l'enroulement auxiliaire P'.. peut être rendue équivalente à un condensateur d'une valeur plus grande, c'est-à-dire donnant lieu à une réactance capacitive plus faible.
De préférence, l'enroulement auxiliaire P'., est bobiné de manière à aider l'enroulement Pn, ces deux enroulements étant disposés autour de la partie du membre 10b.
En outre, du fait que la branche du circuit constituée par l'enroulement auxiliaire P', et le condensateur C en série entre eux présente une réactance capacitive, le courant traversant cette branche tend à augmenter si la fréquence de la tension V, augmente.
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L'effet de P, étant d'abaisser la tension secondaire Vç, on obtient une amélioration de la stabilité de la tension secondaire vis-à-vis des fluctuations de fréquence.
Une modification analogue peut être apportée à la forme d'exécution du transformateur selon la fig. 8. La fig. 11 représente une disposition où un condensateur C relié en série avec un enroulement auxiliaire P'1 est branché en parallèle avec l'enroulement Pl.
Dans le domaine de stabilisation de la tension, les effets sont d'une manière générale analogues à ceux qui ont été indiqués pour les formes d'exécution selon les fig. 8 et 10.
En dessous du domaine de stabilisation, les directions relatives des courants dans les enroulements Pl, P. et dans le condensateur C sont celles indiquées pour la disposition selon la fig. 8. L'enroulement auxiliaire P'1 s'oppose à Pl, au point de vue magnétomoteur, car 13 est plus grand que h, tandis, que l'enroulement P2 aide l'enroulement Pl.
La saturation dans la branche de shuntage peut donc être obtenue plus tôt que dans la disposition selon la fig. 8, c'est-à-dire pour des valeurs plus faibles de la tension primaire VF.
La fig. 12 représente encore une autre modification, qui peut être appliquée aussi bien à la forme d'exécution selon les fig. 1 à 7, qu'à la forme d'exécution selon la fig. 8.
Dans cette disposition modifiée, des enroulements déphaseurs P3 et P'3 sont prévus autour des parties l Ob et l On du membre central, respectivement, et sont reliés en série entre eux, ainsi qu'avec une impédance, qui peut être soit constante (par exemple choisie d'avance), soit ajustable (par exemple ajustée d'avance), et qui est représentée, à titre d'exemple, sous forme d'une résistance variable R.
Le but de cette disposition est de modifier la phase et la valeur du flux Q2 dans le deuxième circuit magnétique, la phase étant modifiée par ajustement ou présélection de l'impédance, par exemple en ajustant la résistance variable R.
Les deux flux 01 et 02 peuvent ainsi être amenés en opposition de phase ou approximativement en opposition, comme cela est désirable pour obtenir le meilleur compromis entre la stabilisation et l'élimination d'harmoniques dans la forme de l'onde de la tension secondaire Vs.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 13, le mode de fonctionnement est d'une manière générale analogue à celui décrit en relation avec la fig. 11, mais un enroulement secondaire auxiliaire S' est interconnecté avec le deuxième circuit magnétique. Cet enroulement auxiliaire S' peut être relié de telle façon que la tension qui y est induite soit en phase ou en opposition de phase avec la tension induite dans l'enroulement secondaire S. Danse le premier cas, il en résulte une augmentation de la puissance que le transformateur est capable de fournir et une amélioration de la stabilisation, ainsi que la possibilité d'améliorer la forme de l'onde.
Dans l'autre cas, c'est-à-dire lorsque la tension induite dans l'enroulement auxiliaire S' est en opposition de phase avec la tension induite dans l'enroulement S, il en résulte une amélioration de la stabilisation de la tension secondaire VS vis-à-vis de fluctuations de fréquence de la tension primaire V..