Description :

TITRE DE l'INVENTION : Le transformateur Numérique

TITULAIRE : Adam BOURAS

INVENTEUR : Adam BOURAS

L'invention s'applique pour proposer des transformateurs ou autotransformateurs à géométrie fixe et à rapport de transformation variable avec un faible pas de résolution.

Un transformateur est un circuit magnétique sur lequel sont enroulées un ou plusieurs bobinages. Le bobinage recevrant la tension d'entrée est appelé bobinage primaire. Les bobinages, qui fournissent les tensions de sortie sont appelés bobinages secondaires. La tension "V ₀ Ut _-1 " mesurée sur la sortie n°i est une fonction linéaire la tension "V _1n " injectée sur le primaire.

Le rapport αi=V _out .j/Vj _n est appelé rapport de transformation. Ce rapport de transformation est en liaison directe d'une part avec le nombre "Nb _p " de spires de l'enroulement du bobinage primaire et d'autre par avec le nombre "Nb," de spires de l'enroulement du bobinage de la sortie n° i. La relation mathématique qui relie le rapport de transformation aux nombres de spires est la suivante :αi= Nb; /Nb _p .

Nous constatons qu'un transformateur restitue une tension à un coefficient multiplicateur prés. Le transformateur présente en plus l'avantage de pouvoir assurer une isolation galvanique entre les différentes tensions. Ces deux dernières opérations constituent une intéressante transformation de la tension d'entrée. Toutefois, il serait encore plus intéressant de pouvoir contrôler linéairement le rapport transformation. Cet avantage nous permettra, entre autre, de concevoir des variateurs de tension plus robuste plus fiable et surtout dissipant moins de chaleurs que les autres technologies de variateurs principalement basées sur la commutation électronique rapide.

Malheureusement il est difficile de faire varier linéairement le rapport de transformation. En effet le rapport de transformation d'un transformateur est directement lié aux nombres de spires. Ainsi pour faire varier linéairement le rapport de transformation il faut faire varier linéairement le rapport des nombres de spires. Bien que des solutions existent pour faire varier le rapport de transformation d'un transformateur ces dernières ne se prêtent pas encore aux exigences que nous souhaitons.

En effet les issues que nous connaissons pour faire varier le rapport de transformation d'un transformateur se divisent en deux types de solutions. Le premier type de solution fait varier mécaniquement les dimensions de circuit magnétique. De cette façon un certain nombre de spire se trouvent exclus du circuit magnétique se qui modifie le nombre de spires actives lors de la phase de transformation. Bien que dans ce cas la variation du rapport de transformation peut être linéaire, ce type de solution présente pour nous l'inconvénient d'avoir un circuit magnétique à géométrie variable.

Le deuxième type de solution fait modifier le nombre de spires actives lors de la phase de transformation en modifiant le nombre de spires primaire ou secondaires parcourues par un courant.

Pour ce dernier type de solution deux cas sont possibles. Le premier cas fait glisser mécaniquement un contact sur les spires de l'enroulement choisi. S'il s'agit de l'enroulement primaire le transformateur utilise un seul bobinage. On parle alors d'autotransformateur et on perd l'avantage de l'isolation galvanique. Qu'il s'agisse d'un glissement sur l'enroulement du bobinage primaire ou secondaires se cas de solution présente pour nous les inconvénients des contacts mécaniques glissants et ceux des fils électriques non isolés.

Un autre cas est possible pour le deuxième type de solution mentionnée au paragraphe précédent. Ce dernier cas fait modifier le nombre de spires de l'enroulement du bobinage choisi par une commutation adéquate d'interrupteurs. Il s'agit de diviser l'enroulement du bobinage choisi en plusieurs sous bobinages indépendants qu'on insère ou élimine par commutation d'interrupteurs électronique ou autre. De cette façon le rapport de transformateur varie d'un saut en rapport avec le nombre de bobine ajoutées ou retranchées.

I Ce dernier cas de solution répond en partie à nos exigences mais pose un énorme

: dilemme. Le dilemme est que d'une part il faut faire varier linéairement le nombre de : spires proposées en sortie ou en entrée et que d'autre part il faut limité le nombre de ; contacts nécessaires à la commutation des sous bobinages. : La question peut se poser autrement : comment diviser un bobinage entier en des

• segments ou des sous bobinages qui permettrons de proposer, à l'aide d'une : commutation adéquate, un choix varier de mise en série afin de pouvoir faire varier ; linéairement le rapport de transformation. : La solution connue est de diviser le bobinage en des segments égaux en nombre de : spires. Ainsi pour obtenir une résolution de 10% il suffit de diviser le bobinage en 10 I segments indépendant ou pas. Dans ce cas une commutation adéquate permettra de faire : varier le rapport de transformation avec une résolution de 10%.

! Le problème avec cette solution est que le nombre de segment et donc aussi le i nombre de contact de commutation augmentent très vite si l'on désire obtenir une ; résolution fine. Ainsi si nous voulons obtenir une résolution de 5% il nous faudra diviser I le bobinage en 20 segments. Dans ce cas le nombre de segment a été multiplié par deux : comparé à la résolution 10%.

: Ce dilemme entre réduire le nombre de contact et affiner la résolution proposée, i limite l'utilisation de cette technique pour faire varier linéairement la tension de sortie i d'un transformateur par rapport à une tension d'entrée fixe.

; Toutefois cette technique présente l'avantage de ne pas perturber le réseau et de se

: prête à n'importe quel type de charge pouvant être branchée sur la sortie du I transformateur. i Nous avons donc tout avantage de garder cette technique mais de trouver une i solution pour limité le nombre de contact nécessaire. j La question est donc : comment diviser un bobinage de N spires en un minimum i de sous segment ou sous bobinage permettant par des combinaisons de mise en série ; adéquates de proposer, avec une faible résolution, un nombre de spire allant de 0 à N ? : La solution est évidente. Il suffit d'exploiter les systèmes de numérotation par ; position. Ces systèmes sont relatives à une base Q. Q est un nombre entier naturel non I nul, par exemple 2 pour le système binaire ou 10 pour le système décimal. i Ainsi l'idée de l'invention est d'exécuter un bobinage en relative à l'exécution des

I sous bobinages selon le principe de numérotation par position associer à une base de i composition choisie. I Pour résoudre le problème nous allons donc divisé l'enroulement du bobinage

; considéré en des sous segments en rapport direct avec la puissance successive de Q c'est- i à-dire N ₀ Q ⁰ , N ₀ Q ¹ , N ₀ Q ² ,.... N ₀ Q ¹ ... NoQ^ ¹ . Le nombre de puissance utilisé dépendra de I la résolution que nous voulons obtenir. Notons Q la basse de composition choisie. i Notons i le numéro du segment. Le premier segment portera le numéro 0. Le dernier ; segment portera le numéro N-I. Chaque segment correspond à un digit. Dans ce cas I nous parlerons de N digits. i Peut importe le nombre de spire Nb ₀ du premier segment. Le nombre de spire du

I segment n° i doit être Nb ₁ = Nb ₀ x Q'. i Toutes les spires d'un même segment doivent être reliées en série. Chaque ; segment est divisé sans être séparé en Q-I intervalle égaux en nombre de spire. Si la i division n'est pas entière il est possible de prendre l'une des spires voisines. Un contact : électrique est prix sur chacune des deux limites d'un intervalle. Comme les intervalles ne I sont pas sépare le nombre total de contact est Q. Les contacts sont numérotés d'une i extrémité à l'autre de 0 à Q-I . Les extrémités 0 et Q-I correspondent aux extrémités du I segment entier.

Une fois exécuter nous aurons réalisé un bobinage diviser en N segment chaque segment correspond à une puissance n°i de Q allant de i=0 à i=N-l. Chaque segment peut proposé un nombre de spires égale à δiχNb _o /(Q-l), δi étant un entier naturel associer au segment n°i et pouvant prendre une des valeurs entière comprise entre 0 et

105 Q-I. Dans ce cas nous pourrons proposer un nombre de spires allant de N _b =O à N _b =Nb _o χ(Q ^N -l)/(Q-l) et ceci avec un pas de résolution égale à Nb _o /(Q-1).

Maintenant si par exemple nous souhaitons proposer un nombre de spire égale à NbI. Dans ce cas pour connaître les contact sur les quels il faut agir il suffit de décomposer dans la base Q la valeur entière du rapport NbI/ Nb ₀ .

110 La décomposition en base Q de la partie entière de Nbl/Nbo s'écrira ∑i= _OàN δixQ ¹ . A laide de cette décomposition le système de commutation connaît pour le segment i le numéro δi du contact à utiliser. En effet l'expression σ _J = _OèN δixQ ¹ exprime bien le fait que le système de commutation choisie doit mettent en série les portions de bobinage de sorte que chaque segment i contribue par la portion δi indiquer par la formule.

115 Pour illustrer les performance de ce système de décomposition nous prenons l'exemple suivant : NbO = 4; Q=5 et N=2. Dans ce cas le nombre de spires pouvant être proposé varie de 0 à 4χ(5 ² -l)/4=4χ24/4=24 spires avec un pas de résolution = Nb _o /(Q-1) soit une résolution de 4/4 =1 spire. Nous atteignons donc la résolution minimale avec seulement points de contacts à la à place de 24. Maintenant pour proposer

120 par exemple 19 spires il suffit d'utiliser convenablement le contact n°3 du segment n°l et le contact n°4 du segment n°0. En effet 19 s'écrit 3χ5 ¹ +4χ5° soit 34 en base 5.