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-. ~2~38~1
, --1
GENERATEUR DE FLUIDE CHAUD A T~ERMO-INDUCTION
La presente invention concerne un génerateur
inductif de fluides chauds dans lequel de l'energie
electrique est consommée pour produire le chauffage
d'un fluide caloporteur quelconque, tel que de l'eau
ou de l'air, par exemple.
Les générateurs à considérer ici sont du type
"transformateur électrique" comportant un
enroulement primaire 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 rimaire.
Des générateurs inductifs connus de ce type
sont décrits par exemple dans les documents
FR-B-527697 publié le 28 octobre 1921 (NOEL) ou
EP-A-0193843, publié le 10 septembre 1986 (ALSTHOM).
En comparaison avec les autres appareils de
: chauffage electrique connus, ces générateurs à
thermo-induction présentent, notamment au plan de la
sécurité pour l'usager, llavantage de dissocier
totalement le circuit électrique proprement-dit
(l'enroulement primaire) du circuit de chauffage
représenté par l'enroulement secondaire.
., : , , - ~ , , . :;
~:
': ' :
~2g~
-2-
. .
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 parfiatment
résolu semble-t'il, reste cependant la régulation
qui doit permettre de doser le chauffage du fluide
selon les besoins.
Le premier document cité ci-avant
(FR-A-527697) suggère, à cette fin, de se servir
d'un rhéostat placé en série avec l'enroulement
secondaire.
, Le second document mentionnë (EP-A-0193843)
propose une solution plus soucieuse du rendement
énergetique de l'appareil consistant à doter
! l'~enroulement secondiare de thyristors en cascade
permettant de faire varier le nombre de spires en
court-circui.t. Un Thyristor par spire agit comme
une vanne en "tout ou rine" à l'égard de cette
spire. L'ensemble relativement complexe ainsi
; constitué s'apparente donc a une multitude
` d'interrupteurs commandés électroniquement, qui
(~ n'autorisent qu'une régulation discrète
-; 25 (non-continue) du chauffage par sauts élémentaires
correspondant à la puissance de chauffe d'une spire
de l'enroulement secondaire. -~
Dans ce document, il est également fait
référence à un appareil analogue, connu par le
30 document GB-A-2105159, publié le 16 mars 1983
(CHELTENHAM INDUCTIVE HEATING) dans lequel la
régulation s'opère au moyen de thyristors placés au
primaire. Une telle realisation impose que la
tension au primaire soit suffisamment faible pour
.. . , ., ~. . .. .
., . , ~ .. ~ . . -
:
.
'
~298~
-2a-
être compatible 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 no présentant pas
les inconvénients des solutions connues évoquées
ci-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 etre relie au reseau
et couple, par un circuit magnetique, à un
enroulement secondaire constitué par un serpentin
tubulaire en court-circuit dans lequel circule un
fluide caloporteur à chauffer, génerateur
caractérisé en ce que des moyens de régulation
continue de la puissance de chauffage sont prévus au
primaire qui sont constitués par une -inductance
saturable montée en série avec l'enroulement
primaire et par un générateur de courant électrique
continu -ou redressé- pilotant ladite inductance de
manière à modifi-r l'état de son circuit magnétique.
.
: :
.
,
1~988~3~
Ava~tageusement, le circuit magnétigue saturable est
ferme.Avantageusement encore,l'inductance saturable comporte
un circuit ma~netique comprenant trois jambes, les jambes
extérieures etant pourvues chacune d'un enroulement de
puissance, ces deux enroulements sont montés en parallèle
entre-eux dans le circuit primaire et la jambe mediane est
pourvue d'un enroulement de commande relie au ~énérateur de
courant continu. Les enroulements de puissance sont ~obinés
en sens opposé de fa~on à creer dans la iambe mediane des
forces ma~nétomotrices symétriques qui s'opposent à chaque
instant.
~ insi qu'on l'aura compris, la régulation selon
l'invention est basée sur le principe suivant: pour une ten~
sion donnée ~ux bornes du serpentin de chauffe,le courant du
secondaire est fonction de la tension de court-circuit de
l'appareil. Or, la puissance instant~née de chau~age est
directement liée à l'intensité du courant dans le secondaire
Si l'on fait varier la teDsion aux bornes de l'enroulement
primaire,on ~ait varier en rapport le courant dans le secon~
daire et, par voie de conséquence, la puissance de chauffe
également.
Pour celà, on crée dans le circuit primaire une
force électromotrice induite par celle de la source d'ali~
mentation elle-m~me, gui s'oppose ~ cette derniere et gui
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 ~ariable est pro~
duite par une inductance saturable, dont la perméabilité
magnétigue du noyau "à vide" (c'est-à-dire en l'absence de
courant au primaire~ dépend d'un champ magnétigue ~ppliqué,
créé a cet effet par un courant continu -ou redressé- dont
on règ~e l'intensi-te.
.
, . . . . . . . .
,
,
~2~888~
Ainsi,le réglage de la puissance de chauffage s'opère
entiarement en statigue, c'est-à-dire sans gu'aucune pièce
de l'appareil ne soit mis en mouve~ent. ~'n outre,l'in-tensité
du courant continu (ou redressé) destiné à piloter l'induc~
5 tance saturable peut avan-ta~eusement être asservie à un
paramètre de règlage du chauffage,par exemple la température
de l'eau apres chauf~age, 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 appara~tront plus clairement au ~u de la des~
cription gui suit d'un mode de réalisation en référence aux
planches de dessins anne~ée~, sur lesquels:
- la figure 1 est une représentation schematique
15 d'lin genérateur conforme a 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 ]e regrou~
20 pement de trois générateurs selon la figure 1 en un appareil
unique alimenté en courant triphasé.
On reconnait sur la figure 1 une structure classique
de transformateur électrique comprenant un enroulement Pri~
- 25 maire 1 couplé à un enroulement secondaire 2 par un circuit
- magnétlque 3 sur lequel ils sont tous de~x bobinés.
L'enroulement primaire 1, en cuiYre(ou en aluminium~
est noyé da~s une masse de résine époxydique 4, selon une
disposikion non obligatoire ici, mais typique des transfor~
30 mateurs, dits "secs", dont les moyens de refroidisse~ent par
circulation d'air n'ont pas ét~ représentés pour ne pas sur~
char~er inutilement la -fi~ure.
L'enroulement secondaire 2 es-t formé par un tube,
métallique de preférence, puisgu'on d&sire lui con~érer de
35 bonnes proprié-tés électro- et thermo-conductrices. Ce tube 2
est relié par ses extrémités à un circuit de chauffage (ou
plus gc~erale~ent à un cireui-t d'utilisat;ion) parcouru par
un fluide c~loport,eur, que l'on adme~tra @tre de l'eau.
, ' ~ . ,
,, ,- .
.. .
~88~
Le tube Z est mis e~ court-circuit sur lui-meme par
la liaison électrique 5 qui relie ses deux extrémites. Une
mise à la terre 6 du circuit secondaire est prévue au delà
du pontage 5 pour des raisons de securité
]~'enroulement primaire l,est, quant à lui,relié aux
bornes SOU5 tension d'une alimentation elec-trique alterna~
tive 7 pouvant avan-tageusement ~tre celle du réseau.
Comme on le voit,une inductance saturable 8,pilo~ée
par un génerateur 9 à courant continu Ic,est montee en serie
avec l'enroulement l entre les points A et B du oircuit pri~
maire ainsi réalisé. Une capacité l~ a été avantageusement
prévue en parallèle avec l'inductance B et l'enroulement
primaire l pour améliorer le cos. ~ de 1'installation. Un
interrupteur 10 est également prévu pour permettre l'ouver~
ture rapide de ce circuit en cas de besoi~.
Un exemple de réalisation de l'inductance saturable
8 est montré en détails sur la fi~ure 2, à la~uelle on se
reporte à present
Cette inductance comprend un circuit ma~netique
fermé ll, formé de trois jambes parallèles lZa, 12b, l~c,
reliées entre-elles à leurs extrémités par deux culasses
rectilignes,respective~ent supérieure 13a et inférieure 13b
Les jambes e~terieures lZa et 12b servent de sup~
port à des enroulements electriques de puissance 14a et l4b
co~stitu~nt deu-x branches en parall~lo placées entre les
points A et B du circuit primaire. Ces enroulements ont un
meme nombre de spires et sont bobines e~ sens oPpos~s de
sorte que les forces magnetomotrices qu'ils creent chacun
dans leur jambe respective soient, au même insta~t, d'inten~
site egale, mais orientées en sens contraire afin que leur
somme soit nulle dans la jambe mediane pour des raisons de
symetrie
~ - La jambe mediane l2c comporte, e~le, un enroulement
de commande 15 relié au généra-teur 9 à courant continu Ic.
Elle est pourvue egalemen-t de guelgues spires en cOu~t -
circuit l~. Ces spires permettent,par un effet de self P~re,
d'éviter le retour vers le ger~érateur à courant continu 9 du
flux magnetigue alternatif résiduel resultarlt de la dissy~
metrie des forces magnétomotrices alternatives opposees dans
la jam~e roe(3iane guar~(~ ]c n'est pas nul
' :
,
:: ~29~
L'enroule~nent a courant continu 15 sur la jambe
; médiane permet de créer un champ magnétique stationnaire qui
modifie l'état ma~nétique des jambes extérieures 12a et 12b
et, partant, rend le courant de puissance plus rapidement
saturant dans l'une des jambes dans une alternance et plus
rapidemen-t saturant, de facon symétrique, dans l'autre jambe
; à l'alternance suivant,e. Pour ne pas nuire à cet-te plus
grande rapidité d'atteinte du seuil de satura$ion du circuit
magnéti~ue 11, ce dernier est de structure de type "fermé".
De la sorte, lorsqu'aucun courant continu circule
~Ic=O), l'effet de self de l'induct,ance 8 est maxîmum ("self
à fer") et, donc, la tension efficace aux bornes de l'enrou~
lement primaire 1 est minimale. Par contre, lorsque l'inten~
sité du courant continu lc est su~fisamment élevée pour
saturer à elle seule le circuit ma~netique, l'effet de self
devient minimum ("self dans l'air"~, et la tension efficace
aux bornes de l'enroulement primaire 1 devient donc maximale
Entre ces deux points limites de fonctionnement, le choix de
l'in~ensité du courant continu Ic permet un régla~e ~in de
l J intensité du courant dans le circu-.t primaire et donc de
l'amplitude de latension alternative aux bornes de l'enrou~
. lement primaire 1.
On se reporte à present à nouveau à la figure 1 pour
complèter la description du principe de fonctionne~ent du
générateur thermo-inducti~ selon l'invention.
Du fait que le serpen-tin 2 du circuit secondaire est
en court-circuit, par construction, un courant electrique
alternatif ~ circule et provogue un dégagement de' chaleur
par effet Joule qui, pour l'essentiel, est évacué par le
fluide cal~porteur, lors ds son passage au contact de la
paroi interne du serpentin. Ce degagement de chaleur depend
directement de l'intensité e~ficace du courant dans le
secon~aire ~du carré de cette intensité exactement).
Or, cette intensité est déterl~inée par la tension
in~uite aux ~ornes du ~erpentin 2, laquell~ depend ~e la
te~sion entrctenue aux bornes de l'enroulemen-t primaire 1 et
, . . ~ . . ,
: ,
,
1~9~
dont on vient de voir comment on peut la réguler par le cou~
rant con-tinu Ic~ Ainsi, la régulation en puissance de l'ap~
pareil est obtenue par la modification de la tension aux f
bornes de l'enroulement primaire 1 à l'aide dc l'inductance
5 satura~le 8 commar~dee par le générateur à courant continu 9.
La regulation peut ~tre aisément atltomat,iSée, si on
le soùhaite,par e~emple à l'aide d'un régulateur 18 pilotant
I le génér~teur 9 de manière à garder en de~à d'un certain
seuil voulu l'écart de température entre une ~aleur de con~
l0 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 au~ bornes de
l'enroulement secondaire 2 dépend du rapport de transforma~
tion, à savoir le rapport entre les nombres des spires cons~
15 titutives du serpentin de chauffe 2 et de l'enroulement in~
ductif 1 respectivement. On aura donc avantage, pour obtenir
des puissances de chauffage élevées, de faire travailler
l'appareil en abaisseur de tension en prévoyant un nombre de
spires supérieur au primaire 1 et en connectant ce dernier à
20 une source d'alimentation 7 à hau-te ou moyenne tension.
On peut ainsi réaliser des générateurs de chauffage
da~s une gamme très large de puissances, allant de lOO Kw à
10 Mw environ à partir d'une alimenta~ion triphasée du ré~
seau moyenne tension, chaque phase alimentant une unitë de
25 chauffage, telle que l'ap~areil illustré par la figure 1.
La régulation selon l'invention est possible entre
100 % de la puissance nominale de l'appareil et enYiron 10 % ¦~
de cette puissance. En fonction du point de régulation~ le
eos. ~ évoluè entre 0.85 'avant" et 0.85 "arrière" grace a
30 la présencc des capacités 19.
Le métal dont est formé l'enroulement secondaire 2
peut a~antageusement ~tre de l'acier inoxydable, ou tout
autre métal ay~nt une résistivité élevée, ce qui permet de
travailler avec une densité de courant faible (de l'ordre de
35 ~ 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 habitue]]es sont également avantageusement prises
pour améliorer le rendement de chauf~age, tel que le calori~
fuBeage du serpentin Z notamment.
.
.
~29~3~38~
~ uant à l'inductance saturable ~, de nombreuse.s
variantes de réalisation, autres que celle décrite en réfe~
rence à la ~igure 2, peuvent etre retenues. T~utefois.quelle
que soit la structure retenue pour le circuit ma~nétigue
saturable 11, il importe gu'il puisse être saturé p~r le
champ statique crée par le courant continu Ic, lorsque celui
çi est règlé à sa valeur maximale. On prévoira à cet e~fet
un nombre de spires suffisant pour l'enroulement 1~, de
manière à ne pas devoir faire appel à des intensités t,rop
élevées, par exemPle supérieures à 10 A
De meme~en raison du ~ai-t que le courant continu de
réglage Ic a pour ef~'e~ de modi~ier, sur la courbe d'aiman~
tation donnant l'induction magnétiyue en fonction du champ,
la position en hauteur du palier de saturation ainsi que
l~emplacement du début de ce palier sur l'axe des absci~ses,
OD pourra trouver avanta~e à dimensionner le circuit magné~
tique 11 de façon queJ pour une puissance nominale donnée
disponible au primaire, on se situe déja au voisinage du
début du palier quand Ic - O.
Au delaJ le circuit serai-t sous-dimensiomlé,car une
~raction du champ magnétique`alternatif créé par les bobi~es
14a et 14b se propagerait dans l J air et on perdrait alors de
la largeur de la pla~e de régulation de la puissance trans~
mise au secondaireJ plage qui peut aller (comme déià indiqué~
de 10% a 100% de la puissance nominale de l J appareil.En deça
le circuit serait sur-dimensionDé, ce quiJ en soi, ser~it un
facteur de surco~t quiJ en outre, ~on-tri~ue ~ re5s~rer cettie
fois la plage 10-100%,et impose de ce fait un reglage precis
plus dif~'icile de la puissance dans cette pla~e.
On pourraitJ bien entendu, parvenir à un resul$at
analogue en adaptant à un cireuit 11 de taille donnée le
nombre d'ampere-tours du, ou des enroulements lZa, 12bA
L'invention est tout-a-fait utilisable avec une
alimentation triphasée habituelle du réseau moyenne ou haute
tensions de distribution ~e ]'electricité. Daus ce cas,l'ap~
pareil represent;é sur la figure 1 devient une uni-te d'un
eDsemb~e ~us complexe qui en contient trois.
~ , ~
, ~ ~
~9~3~1
~ 9
Un tel ensemble est schématisé électriquement par
la figure 3. Chaque phase, notee U, V, W, du rêseau mOyeDne
tension a 20 000 volts entre phases,alimente, via une induc~
tance saturaable 8, 8',8", un enroulement primaire l, l',l".
~es trois enroulements sont montés igi en étoile et
chacun d'entre-eux induit, par l'intermediaire d'un circuit
magnétique non représe~té, dans un enroulement secondaire en
court circuit constitué par le serpentin Z, 2', 2" Chague
serpeDtin est monté sur une branche d'un circuit hydraulique
da chauffage gui en contient trois en parallèle. Plus géné~
ralement, ce type d'appareil peut ~tre polyphasé et
comporter,par conséquent, un nombre d'unités élémentaires de
chauf~age, conformes au ~énérateur thermo-inductif décrit,
égal au nombre de phases de l'alimentation.
Il va de soi ~ue l'iDvention ne saurait se limi-ter
aux exemples de réalisation ~ui viennent d'~tre décrits,mais
s'étend à de multiples variantes ou équivalents, dans la
mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans
les revendications ci-après.
On notera gue le domaine d'application de l'inven~
tion en~lobe la fabrication d'eau chaude pour le chauffage
d'immeub]es. ou l'intégration à des prooessus industriels.De
emeJ l'invention s~applique au ~h~uf~age de ~'luides calu~
porteurs ~utres que de l'eau, par exemple de l'huile ou meme
du sou~fre ou du sodium liquides, destinés a ~tre utilis~s
tels quels, ou à générer de la vapeur haute température dans
des échangeurs.
'
.
..
.
,
.
