Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02882190 2015-02-16
WO 2014/029941
PCT/FR2013/051943
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TRANSFORMATEUR TOURNANT TRIPHASE-DIPHASE
A CONNEXION SCOTT
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
transformateurs. En particulier, l'invention concerne un transformateur
triphasé-diphasé.
Dans certaines situations, il peut s'avérer nécessaire de
transférer de façon équilibrée de l'énergie ou des signaux d'une source
triphasée vers une source diphasée. Il existe des transformateurs fixes
triphasés-diphasés, notamment l'un connu sous le nom de montage Scott
et l'autre connu sous le nom de montage Leblanc.
La figure 1 représente schématiquement le montage Scott. On
utilise deux transformateurs monophasés 1 et 2. Le transformateur 1
comprend un primaire 3 de n1 spires et un secondaire 6 de n2 spires. Le
transformateur 2 comprend un primaire 4 de n'l spires et un secondaire 7
de n2 spires.
Sur la figure 1, on note :
- A, B et C, les point de connexion au réseau triphasé.
- Ia, Ib et Ic : Les courants triphasés entrant aux points A, B et C.
- V1, Il, V2, 12 : Les tensions et courants diphasés.
Le transformateur 1 a son primaire 3 de n1 spires monté entre
les bornes A et B du réseau triphasé. Le transformateur 2 a son primaire 4
de n1' spires monté entre la borne C du réseau triphasé et le point milieu 5
du primaire 3 du transformateur 1.
Les tensions primaires sont en quadratures, il en est de même
pour les tensions secondaires V1 et V2.
Pour un rapport n1`= (V3 / 2) n1, les tensions secondaires V1 et
V2 sont de même valeur et sont en quadrature. Le rapport des courants
est donné par:
Ic= 1_112
12 -Nrj ni
Lorsqu'on souhaite transférer de façon équilibrée de l'énergie ou
des signaux d'une source triphasée vers une source diphasée dans des
repères tournants l'un par rapport à l'autre, une solution consiste à utiliser
un transformateur fixe triphasé-diphasé et deux transformateurs tournants
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monophasés. Une autre solution consiste à utiliser trois transformateurs
tournants monophasés avec une connexion Leblanc.
Ces deux solutions nécessitent toutefois une masse et un
volume importants. De plus, dans le premier cas, on rencontre des
problèmes d'appel de courant lors de la mise sous tension et d'aimantation
résiduelle.
Il existe donc un besoin pour une solution améliorée permettant
de transférer de façon équilibrée de l'énergie d'une source triphasée vers
une source diphasée dans des repères tournants l'un par rapport à l'autre.
Objet et résumé de l'invention
L'invention propose un transformateur tournant triphasé-
diphasé caractérisé en ce qu'il comprend un premier transformateur
tournant monophasé et un deuxième transformateur tournant monophasé,
le premier transformateur comprenant un premier corps en matériau
ferromagnétique délimitant une première encoche annulaire d'axe A, une
première bobine torique d'axe A de n1' spires dans la première encoche,
un deuxième corps en matériau ferromagnétique délimitant une deuxième
encoche annulaire d'axe A ouverte vers la première encoche, et une
deuxième bobine torique d'axe A de nz spires dans la deuxième encoche,
le deuxième transformateur comprenant un troisième corps en matériau
ferromagnétique délimitant une troisième encoche annulaire d'axe A, une
troisième bobine torique d'axe A de n1 spires dans la troisième encoche,
un quatrième corps en matériau ferromagnétique délimitant une
quatrième encoche annulaire d'axe A ouverte vers la troisième encoche, et
une quatrième bobine torique d'axe A de nz spires dans la quatrième
encoche,
dans lequel un terminal de la première bobine est relié au point milieu de
la troisième bobine,
le premier corps, ladite première bobine, le troisième corps et la troisième
bobine étant fixe les uns par rapport aux autres et formant une partie
triphasée du transformateur,
le deuxième corps, ladite deuxième bobine, ledit quatrième corps et la
quatrième bobine étant fixe les uns par rapport aux autres et formant une
partie diphasée du transformateur,
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la partie triphasée et la partie diphasée étant mobiles en rotation autour
de l'axe A, l'une par rapport à l'autre.
Comme le même transformateur formé de deux transformateurs
tournants monophasés réalise d'une part la transformation triphasé-
diphasé et d'autre part la transmission entre deux repères tournants l'un
par rapport à l'autre, ces deux fonctions sont réalisées avec un volume et
une masse limités. De plus, on a constaté que cette connexion permettait
d'obtenir un transfert équilibré.
Selon un mode de réalisation, n11= (V3 / 2) nl.
Le rapport entre la section du matériau conducteur électrique de
la première bobine et la section du matériau conducteur électrique de la
troisième bobine peut être égal à 1/3. Ainsi, on peut compenser le nombre
de tours différent entre les deux bobines. Cela permet un équilibrage des
résistances. En cas d'éloignement différent des bobines par rapport à l'axe
de rotation, ce rapport doit être réévalué en conséquence.
Selon un mode de réalisation, la deuxième bobine comprend
une première demi-bobine et une deuxième demi-bobine séparées par le
point milieu, les sens de bobinages des demi-bobines correspondant, pour
des courants entrant par les terminaux de la deuxième bobine, à des
potentiels magnétiques de sens opposés.
La partie diphasée comprend en outre au moins un ensemble de
bobines triphasées. Cela permet de réaliser un transformateur à plusieurs
secondaires qui peut alimenter de façon équilibrée un nombre de charges
quelconque supérieur à un.
La partie triphasée peut entourer la partie diphasée par rapport
à l'axe A ou inversement. Cela correspond à une réalisation appelée en
U .
La partie triphasée et la partie diphasée peuvent être situées
l'une à côté de l'autre dans la direction de l'axe A. Cela correspond à une
réalisation appelée en E ou en Pot .
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
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- la figure 1 est un schéma électrique d'un transformateur
triphasé-diphasé fixe à connexion Scott, selon l'art antérieur,
- la figure 2 est une vue en coupe d'un transformateur tournant
triphasé-diphasé, selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- les figures 3A et 3B sont des schémas électriques représentant
plusieurs variantes de connexion des bobines du transformateur de la
figure 2,
- la figure 4 est une vue en coupe d'un transformateur tournant
triphasé-diphasé, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est une vue en coupe d'une variante du
transformateur de la figure 2, présentant plusieurs secondaires, et
- la figure 6 est une vue en coupe d'une variante du
transformateur de la figure 4, présentant plusieurs secondaires.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 2 est une vue en coupe d'un transformateur 10 selon
un premier mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 10 est un
transformateur tournant triphasé-diphasé.
Le transformateur 10 comprend deux transformateurs tournants
monophasés, à savoir un transformateur 11 et un transformateur 21.
Le transformateur 11 comprend :
- un corps 12 en matériau ferromagnétique, en forme d'anneau d'axe
A, dans lequel est ménagé une encoche 14 ouverte vers l'axe A,
- une bobine 16 torique d'axe A de n'l spires, dans l'encoche 14,
- un corps 13 en matériau ferromagnétique, en forme d'anneau d'axe
A, entouré par le corps 12 par rapport à l'axe A, et dans lequel est
ménagé une encoche 15 ouverte vers l'encoche 14, et
- une bobine 17 torique d'axe A de nz spires, dans l'encoche 15.
Les corps 12 et 13 sont mobiles en rotation l'un par rapport à
l'autre, autour de l'axe A.
De manière correspondante, le transformateur 21 comprend :
- un corps 22 en matériau ferromagnétique, en forme d'anneau d'axe
A, dans lequel est ménagé une encoche 24 ouverte vers l'axe A,
- une bobine 26 torique d'axe A de n1 spires, dans l'encoche 24,
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- un corps 23 en matériau ferromagnétique, en forme d'anneau d'axe
A, entouré par le corps 22 par rapport à l'axe A, et dans lequel est
ménagé une encoche 25 ouverte vers l'encoche 24, et
- une bobine 27 torique d'axe A de n2 spires, dans l'encoche 25.
5 Le terme torique n'est pas utilisé dans le sens limitatif
faisant référence à un solide engendré par la rotation d'un cercle autour
d'un axe. Au contraire, comme dans les exemples représenté, la section
d'une bobine torique peut être rectangulaire, notamment.
La bobine 26 est composées de deux demi-bobines 26a et 26b
présentant chacune n1/2 spires. Les corps 22 et 23 sont mobiles en
rotation l'un par rapport à l'autre, autour de l'axe A.
Dans le transformateur 10, les corps 12 et 22 ainsi que les
bobines 16 et 26 sont fixes les uns par rapport aux autres. Les bobines 16
et 26 peuvent être reliées à une source triphasée. Les corps 12 et 22 ainsi
que les bobines 16 et 26 font donc partie d'une partie triphasée 31 du
transformateur 10. De même, les corps 13 et 23 ainsi que les bobines 17
et 27 sont fixes les uns par rapport aux autres. Les bobines 17 et 27
peuvent être reliées à une source diphasée. Les corps 13 et 23 ainsi que
les bobines 17 et 27 font donc partie d'une partie diphasée 32 du
transformateur 10.
La partie triphasée 31 et la partie diphasée 32 sont mobiles en
rotation autour de l'axe A, l'une par rapport à l'autre. Par exemple, la
partie triphasée 31 est un stator et la partie diphasée 32 est un rotor, ou
inversement. En variante, la partie triphasée 31 et la partie diphasée 32
sont toutes les deux mobiles en rotation par rapport à un repère fixe non
représenté.
Par ailleurs, le circuit magnétique du transformateur 11, formé
par les corps 12 et 13, est séparé du circuit magnétique du transformateur
21, formé par les corps 22 et 23, par un espace 33. Autrement dit, les
transformateurs 11 et 12 sont ségrégues magnétiquement.
La figure 2 représente également le noyau magnétique 18 du
transformateur 11 et le noyau magnétique 28 du transformateur 21. Par
noyau magnétique , on entend une partie du circuit magnétique dans
laquelle le flux de même sens créé par une bobine est le plus important.
La figure 3A est un schéma électrique qui représente la
connexion des bobines 16 et 26.
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Sur la figure 3, on note :
- Ap, Bp et Cp: les terminaux des bobines 16, 26b et 26a,
respectivement, reliés au réseau triphasé,
- Oap, Obp, Ocp : les terminaux des bobines 16, 26b et 26a,
respectivement, opposé aux terminaux Ap, Bp et Cp,
- Iap, Ibp et Icp : les courants triphasés entrant aux terminaux Ap,
Bp et Cp, respectivement,
- Pa : le potentiel magnétique dans le noyau magnétique 18,
correspondant au courant Iap,
- Pb: le potentiel magnétique dans le noyau magnétique 28, ,
correspondant au courant Ibp, et
- Pc : le potentiel magnétique dans le noyau magnétique 28,
correspondant au courant Icp,
Comme représenté sur la figure 3A, le terminal Oap de la bobine
16 est relié aux terminaux Obp et Ocp des bobines 26b et 26c, qui
constituent le point milieu de la bobine 26.
Par ailleurs, sur la figure 2, on a représenté le sens de bobinage
des bobines 16, 26a et 26b par un point noir, avec la convention
suivante :
- Si le point noir est sur la gauche et que le courant entre du côté du
point noir, le potentiel magnétique correspondant va vers la droite,
- Si le point noir est sur la gauche et que le courant entre du côté
opposé au point noir, le potentiel magnétique correspondant va
vers la gauche,
- Si le point noir est sur la droite et que le courant entre du côté du
point noir, le potentiel magnétique correspondant va vers la droite,
- Si le point noir est sur la droite et que le courant entre du côté
opposé au point noir, le potentiel magnétique correspondant va
vers la gauche.
On constate donc que, compte tenu du sens de bobinage des
bobines 26a et 26b, les potentiels magnétiques Pb et PC dans le noyau
magnétique 28 sont de sens opposés. La figure 3B représente une
variante des sens de bobinage, qui permet également d'obtenir des
potentiels magnétiques Pb et Pc de sens opposés.
Ci-après, on note V1, Il, V2 et I2 les tensions et courants
diphasés dans les bobines 17 et 27.
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On constate que le transformateur 10 est un transformateur
tournant triphasé-diphasé à connexion Scott. De manière similaire au
transformateur 1 fixe triphasé-diphasé à connexion Scott de la figure 1,
les tensions primaires sont en quadratures, il en est de même pour les
tensions secondaires V1 et V2.
Pour un rapport n11= (V3 / 2) n1, les tensions secondaires V1 et
V2 sont de même valeur et sont en quadrature. Le rapport des courants
est donné par:
/ 2n2
PC
/2 = -à /11
L'équilibrage des résistances s'effectue en choisissant les
sections des matériaux conducteurs des bobines 16, 26a et 26b de
manière appropriée : les sections des bobines 26a et 26b sont égales si
leur éloignement moyen par rapport à l'axe de rotation est égal. La section
de la bobine 16 est -Nij fois celle des bobines 26a et 26b pour un
éloignement moyen égal par rapport à l'axe de rotation. En effet, si l'on
désire conserver l'équilibre des résistances au niveau des phases, celle qui
est plus longue doit aussi avoir une section plus importante afin de
compenser sa longueur plus importante. Le couplage magnétique effectué
par le circuit magnétique du transformateur 21 tournant monophasé
possédant deux phases permet d'avoir un coefficient de couplage ../j sur
les flux créés par rapport à un transformateur monophasé par phase. Ce
coefficient permet soit de réduire le nombre de tours de bobine par phase,
soit de diminuer le courant magnétisant absorbé.
Le transformateur 10 présente plusieurs avantages. Il permet de
transférer de l'énergie ou des signaux entre une source triphasée et une
source diphasée dans des repères tournants l'un par rapport à l'autre,
sans contact et de manière équilibrée. De plus, le volume et la masse du
transformateur 10, correspondant aux volumes et aux masses des deux
transformateurs 11 et 21 tournants monophasés, peut être réduit par
rapport à la solution à trois transformateurs citée en introduction, dans
laquelle la transformation triphasée-diphasée est réalisée par un premier
transformateur fixe, puis le changement de repère est réalisé par deux
transformateurs tournants monophasés. Enfin, il nécessite uniquement
des bobines toriques d'axe A de structure particulièrement simple.
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Sur la figure 2, les bobines 26a et 26b sont représentées l'une à
côté de l'autre mais d'autres positions peuvent convenir. Par exemple,
dans l'encoche 24, les bobines 26a et 26b peuvent être l'une à côté de
l'autre dans la direction axiale, l'une autour de l'autre par rapport à l'axe
A, ou mêlées l'une à l'autre.
Le transformateur 10 peut être considéré comme une variante
en U dans laquelle la partie triphasée entoure la partie diphasée par
rapport à l'axe A. En variante, la partie diphasée peut entourer la partie
triphasée par rapport à l'axe A.
La figure 4 est une vue en coupe d'un transformateur 110 selon
un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 110 est
un transformateur tournant triphasé-diphasé, et peut être considéré
comme une variante en E ou en Pot du transformateur 10 en
U . Dans cette variante, la partie triphasée et la partie diphasée sont
situées l'une à côté de l'autre dans la direction de l'axe A, et les encoches
14 et 15 sont ouvertes l'une vers l'autre dans la direction de l'axe A. Sur la
figure 4, les mêmes références que sur la figure 2 sont utilisées pour
désigner les éléments correspondants, sans risque de confusion, et une
description détaillée n'est donc pas nécessaire.
De manière connue dans le domaine des transformateurs, un
transformateur peut comprendre plusieurs secondaires. Ainsi, un
transformateur conforme à l'invention peut comprendre, au primaire, une
partie triphasée du type de la partie triphasée 31 du transformateur 10 ou
110 et, au secondaire, une partie secondaire diphasée du type de la partie
diphasée 32 du transformateur 10 ainsi qu'au moins un ensemble de
bobines triphasées ou diphasées supplémentaire.
Cela permet d'alimenter de manière équilibrée, à partir d'une
source triphasée, un nombre quelconque de charges. Par exemple, pour
alimenter 11 charges, on peut utiliser trois charges sur le secondaire
triphasé et deux charges sur le secondaire diphasé (11 = 3*3 + 2).
La figure 5 représente un exemple de transformateur 210 à
plusieurs secondaires. Le transformateur 210 peut être considéré comme
une variante du transformateur 10 comprenant en outre, au secondaire,
un ensemble de bobines triphasées. Les éléments correspondants à des
éléments du transformateur 10 sont désignés par les mêmes références,
sans risque de confusion. Le transformateur 210 comprend un outre une
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bobine 40 torique d'axe A de IY3 spires, dans l'encoche 15, et une bobine
41 torique d'axe A de n3 spires, dans l'encoche 25. La bobine 41 est
composée de deux demi-bobines 41a et 41b de n3/2 spires chacune. La
connexion des bobines 40, 41a et 41b entre elles et à la source triphasée
secondaire se fait de manière correspondante à la connexion des bobines
16, 26a et 26b.
De manière correspondante, la figure 6 représente un autre
exemple de transformateur 310 à plusieurs secondaires. Le transformateur
310 peut être considéré comme une variante du transformateur 110
comprenant en outre, au secondaire, un ensemble de bobines triphasées.
Les éléments correspondants à des éléments du transformateur 110 sont
désignés par les mêmes références, sans risque de confusion. Le
transformateur 310 comprend en outre une bobine 50 torique d'axe A de
n'3 spires, dans l'encoche 15, et une bobine 51 torique d'axe A de n3
spires, dans l'encoche 25. La bobine 51 est composée de deux demi-
bobines 51a et 51b de n3/2 spires chacune. La connexion des bobines 50,
51a et 51b entre elles et à la source triphasée secondaire se fait de
manière correspondante à la connexion des bobines 16, 26a et 26b.
