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transformateur de fréquence avec noyau ferrO-Magnétique à /--------------------------------------------------------- métaux différenciés.
------------------- '-cette invention concerne de façon générale les trans- formateurs de fréquence et a spécialement pour objet un appa- reil permettant d'emprunter'du courant à une fréquence à une source de courant de fréquence différente, cet appareil chan- geur de fréquence étant spécialement étudié pour fournir un courant à 20 périodes utilisable pour la transmission des signaux dans les circuits téléphoniques,à partir des lignes d'énergie à 60 periodes.
Le but de l'invention ést de créer un transformateur ou changeur de fréquence à démarrage automatique capable de fournir une sortie sensiblement plane et bien réglée sur de vastes variations de tension d'entrée et de conditions de charge, ce transformateur permettant de convertir n'importe quelle énergie électrique fournie par un réseau industriel en une énergie n'ayant que le tiers de sa fréquence.
Un autre but de l'invention est de créer un dispositif de noyau magnétique saturable à deux branches entrecroisées formées de deux types de metal ferro-magnétique ayant des perméabilités différentes, les enroulements d'entrée étant bobinés autour de la branche qui a la perméabilité la plus
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faible et les enroulements de sortie autour (le la branche qui a la perméabilité la plus élevée, de telle sorte qu'aux fai- bles densités de flux, l'induction se produisant entre l'en- roulement d'entree et l'enroulement de sortie soit sensible- ment égale à zéro.
Une originalité de cette invention réside dans une mé- thode permettant de mettra un circuit résonnant en oscilla- tion en lui appliquant une simple pulsation redressée à partir d'un redresseur et de répéter la pulsation à des intervalles de temps prédéterminés en empêchant la ou les pulsations de se propager au circuit résonnant quand il est auto-entretend. une autre originalité de l'invention est l'utilisation soit d'un relais, soit d'un redresseur dont chacun est destiné à êtreconnecté interchangeablement au même réceptacle du transformateur de fréquence pour fournir un courant de de- marrage.
Ce transformateur ou changeur de fréquence est encore caractérisé par un redresseur étudié pour fournir des pulsa- tions redressées à des intervalles capaoles d'empêcher la décadence d'un circuit résonnant: subissant une surcharge et fonctionnant au-dessous du couplage d'inductance mutuel antre la primaire et le seconaaire résonnant.
-Une autre particularité ue ce transformateur de fréquence réside dans ce fait qu'il se compose d'un petit nombre d'é- lements disposés sous une forme 'ramassée n'exigeant qu'un minimum d'espace et se prêtant à une fabrication économique, seuls les enroulements primaires étant connectés à la source de courant alternatif, tous les autres enroulements y étant couplés magnétiquement et inductivement
Une autre particularité encore de ce transformateur de fréquence réside dans un noyau avec enroulement primaire et enroulement secondaire à inductance mutuelle sensiblement égale à zéro pour une aimantation normale,
mais capable
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d'induire des harmoniques impairs selon des degrés de satura- tion élevés bien que sensiblement non inductifs par rapport. à la fréquence de base du courant d'alimentation
Enfin, une autre particularité encore de ce transforma- teur ou changeur de fréquence résiae dans un dispositif de démarrage qui ne déséquilibre ni ne change les constituants. ou la structure du circuit aussi bien au moment du départ qu'à un moment quelconque.
Dans les dessins annexés qui faciliteront la compréhen- sion de l'invention.
La fig. 1 est une vue du 'noyau magnétique englobé dans ce nouveau transformateur ou changeur de fréquence.
La fig.2 est une vue d'une réalisation fondamentale de l'invention y compris le noyau magnétique et les enroule- ments.
La fig. 3 est un graphique montrant la courbe de magné- tisation et mettant en évidence les valeurs de saturation des métaux et des produits équivalents utilisés dans ce nouveau noyau.
La fig. 4 est une vue. d'une variante de ce transforma- teur ou cnangeur de fréquence, comportant ici des enroule- ments pour équilibrer le flux des branches du noyau.
La fig. 5 est une vue analogue montrant une variante de la branche. en métal dit "allegheny" du noyau de ce chan- geur ou transformateur de fréquence.
La fig. 6 est une vue schématique d'une des réalisa- tions possibles de l'invention, le transformateur de fréquen- ce étant muni ici d'un dispositif de démarrage.
La fig. 7 est un graphique montrant la forme de l'onde du courant de tension parcourant le circuit d'entrée.
La fig. 8 est un graphique montrant la forme-de l'onde de sortie de ce nouveau transformateur ou changeur de fré- quence.
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La fig. 9 est un graphique 1ll0nCraD1; le réglage excep- tionnel ue la sortie de ce transformateur ou cnangeur de fréquence, quand il fonctionne sous aes charges variables.
La fig. 10 est un graphique montrant la sortie maximum
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de ce transformateur de l'réquellce pour caaque valeur de ten- sion a'entrée sur 6u périodes.
Les fige 11, 1, là, là, 15 et 16 sont aes graphiques montrant point par point à l'side de courbes le fonctionne-
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ment théorique au transformateur de fréquence, autrement ait le phénomène qui se passe suivant l'invention.
La fig. 17 est une vue schématique montrant une variante uu montage électrique représente en fig. 5.
La fig. 18 est une vue scnématique du dispositif de dé- marrage à relais interchangeable destiné à être engagé dans
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la douille de mise en marche ae ce transformateur cie fréquence.
Cbmme représenté dans la iig. l, l'appareil comprend un noyau magnétique à structure perfectionnée comprenantdeux branches entrecroisées constituées par deux types ae métal ayant aes perméabilités différentes. Les lamelles de la branche feuilletée AL sont constituées par un métal électri-
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que dit "alle6heny" et celle ue la branche désignée par SI sont constituées par au ferro-silicium. Ces lamelles sont superposées ue manière a former un noyau aont une des bran- ches estconstituée à 100% par un métal électrique "allegheny" et l'autre brancne à 100% par au ferro-silicium.
Dans la fig. 2est représenté un enroulement primaire 1 à 60 périoues bobiné diagonalement a travers les orifices opposés au
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noyau et un enroulement t se conJaire .8. à 0 périoaes pourvu d'un conaensftteur 5 et bobine en travers oes orifices aiago- naux restants du noyau.
Dans la fig.3 sont représentées les courbes ae magné- tisation classique au ferro-silicium désignées par SI et du métal dit "allegheny" aésignées par AL, ces courbes met-
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tant nettement en évidence la différence au point ou coude de saturation de chaque métal. On voit de quelle manière les densités de flux relatives varient dans les branches du noyau du transformateur de fréquence (fig. 2) pourvues de l'enroulement primaire 1 et de l'enroulement secondaire .
Il est éviaent qu'il existe une inductance mutuelle entre l'enroulement 1 et l'enroulement par suite de la différence de perméabilité entre le ferro-silicium SI et le métal ait "allegheny" AL comme on le voit au-dessus du coude par les courbes respectives dessinées en fig. 3.
Quand des spires supplémentaires 1-a et 1-b (fig. 4) sont enroulées autour de la branche SI du noyau qui est en ferro-silicium et en série avec l'enroulement primaire 1, le flux de magnétisation de cette branche arrive à être approxi- mativement égal à celui du métal électrique dit "allegheny" à la hauteur du coude de la courbe. Ceci se traduit par un flux de magnétisation dans la branche SI, comme le montre la courbe "SI équivalente" dessinée en fig. 3. Il est évident que les courbes SI équivalente et AL sont, au-dessous du coude, pratiquement égales et qu'il n'y a pas d'inductance mutuelle au-dessous au coude de la courbe entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire.
Ce même résultat effec- tif peut être obtenu dans les enroulements l-a et l-b (fig.) en diminuant ou réduisant les dimensions de la branche en . métal AL par rapport à celles de la branche en ferro-silicium SI, comme représenté en fig. 5. Le passage du courant dans l'enroulement primaire fait qu'il exerce des forces d'aiman- tation égales sur chacune des deux branches au noyau. Si aucune autre force d'aimantation ne se manifeste, des flux égaux sont produits dans les deux branches. Etant donné que le flux qui s'écoule dans ces deux branches agit différemment sur l'enroulement résonnant, aucune .tension n'y est induite.
Si l'un suppose maintenant qu'une force électromotrice
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externe est appliquée momentanément à l'enroulement secondaire et qu'elle a urle valeur telle qu'elle fait monter leflux au-dessus de la saturation c'est à dire au-dessus du coude de la courue de magnétisation, les forces d'aimantation 'lui sont produites par le courant dans l'enroulement primaire en com- binaison avec les forces produits par l'enroulement secondaire donnant naissance à un flux qui est mutuel aux deux enroule- ments. Ce flux produit une tension dont réac- le courant provoque dans le circuit secondaire une fréquence égale au tiers de celle du courant qui parcourt le circuit primaire.
La (fig. tance capacitive du condensateur 5, sus-mentionnée 4) en combinaison avec l'enroulement secondaire est telle que le courant fait passer la tension induite à travers le circuit dans des conditions telles qu'il continue à passer après que la force électromotrice externe et a été interrompue.
Le circuit secondaire oscille ensuite au tiers de la fréquence du courant parcourant l'enroulement primaire 1 de n'absorbe l'énergie par inductance mutuelle à partir du primaire qu'aux moments où le noyau fonctionne au-dessus du point tion satura- comme cela est déterminé par la fréquence au courant circulant dans le circuit secondaire.
Bien que l'invention telle qu'elle est exposée ici ne soit pas fondes sur une théorie particuliere, diverses expli- cations sont données ci-après point par point en regard des graphiques des dessins pour faciliter la compréhension.
Les truces des ondes d'un oscilloscope et les données de fonctionnement provenant au transformateur ou changeur de fréquence qui est représenté dans la fig. ô ont été notées pour donner une simple explication quantitative du fonction- nement de l'appareil. La fig. 7 montre les traces ues onaes de la tension et du courant I de 1 entrée à 60 périodes de l'enroulement primaire 1. La fig. 8 montre les traces des ondes ae la tension E et du courant I de la sortie à 20
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périodes de l'enroulement secondaire oscillant 2.
La tension E contient des harmoniques de sa fondamentale qui sont sup-' portées par l'enroulement 6 en série avec le circuit oscillant que montre la fig. 6 et qui se traduisent par un bourdonne- ment agréable formant sonnerie d'appel dans'les installations téléphoniques. L'enroulement 6 pourrait d'ailleurs tout aus- si hien être une réactance' individuelle montée en série avec le .circuit oscillant représenté en fig.. 17.
Le graphique' de/la fig. 11 montre l'onae du courant à 20 périodes sortant de l'enroulement secondaire. Cette onde représente également la force magnétomotrice qui règne dans l'enroulement 2 que montre la fig. 6. Si l'on suppose que les courbes de magnétisation se composent de lignes droites se rencontrant au coude indicateur de la saturation comme le montre la fig. 12, la courbe SI du flux du silicium et la courbe Al du flux du métal dit "allegheny" sont inversées sur le graphique pour être compatibles avec le fonctionnement des deux b'ranches croisées du noyau.
Si les parties cons- tit.utives de l'onde de courant (fig. 11) sont projetées sur le coude des courbes de magnétisation (fig. 12) le long de l'axe H et si les points d'interception au coude sont proje-
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tés à nouveau sur une autre échelle graduée en temps l fi g. 1; ) , on obtient des s onde 'de flux qUi .l'è-preBeniar.rt' -le13 #:#:c- 'téctst::q#s di9':h aldpmximatîveq du noyau du changeur de fréquence.
L'onde de flux à 20 périodes 20 est représentative du flux du noyau du changeur de fréquence faisant passer celle-ci de 60 à 20 périodes quand le flux dans les deux 'branches du noyau est en concordance de phase, de sorte que le flux %SI à travers le silicium et le flux Al à travers le métal dit "allegheny" s'additionnent par rapport à l'enroulement secondaire à 20 périodes, mais sont en opposition par rapport'à l'enroulement primaire 1,. La ten- sion dans l'enroulement secondaire est fonction de la cadence
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de cilangement du flux total qui le traverse 1 20 d3Q . dt
Cette onde de tension est représentée dans la fig.
8 sous une forme oscillographique empruntée au secondaire oscil-
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lant au onangeur ae fréquence représenté en fig. 6 e1: suit l'onae de flux 20 de la fig. 13, aussi près qu'on pouvait s'y attendre.
Si maintenant l'onde de la force magnétomotrice de
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l'en'ioulamsnt 3. est projetée &ur les intersections du couae des courues che saturation osi et AL de la fin. 1 et que celles-ci sont reportées à leur tour sur l'échelle graduée en temps ..ue montre la fig. 13, on constate que les ondes ue flux SI et AL se trouvent en opposition. Il est évident que ces deux onaes agissent sur l'enroulement primaire 1 et l'on suppose par conséquent que les protections auraient pu tout aussi bien être faites à partir ae la courbe de flux mu-
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tuelle ²51vi de la fie. là sur l'échelle graduée en temps ae la fit::. 13 .
Cette courbe de flux mutuelle Oivi (fig. 1;) montre de quelle façon le flux de l'enroulement primaire 1 à 50 périodes et de l'enroulement secondaire¯ à <d0 périodes cl1ange, autre- ment dit comment une force magnétomotrice parcourant l'enrou- lement produit un flux dans l'enroulement 1. Les caracté- distiques ue cette courbe diffèrent beaucoup des normes ordi- naires. En effet, elles témoignent d'une valeur zéro au moment où toute autre courbe de magnétisation normale change avec le maximum de rapidité. Ceci veut dire que les enroule- ments 1 et = ne sont pas inductifs l'un par rapport à l'autre aux faibles saturations de courant, maisdeviennent mutuelle- ment inductifs quand le métal électrique dit "allegheny" se trouve saturé.
Suivant l'invention, l'induction mutuelle est produire périodiquement par le fait que le circuit résonnant secondaire produit une saturation du noyau à des intervalles de temps périodiques. L'énergie nécessuire pour maintenir le
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circuit secondaire en état d'oscillation est transférée pen- dant la période où l'inductance mutuelle existe. Le courant parcourant le primaire ici prévu ne produit à aucun moment de lui-même une saturation du noyau.
Dans la fig.15. est représentée la relation de phases des impulsions de l'énergie de flux mutuelle dans le noyau qui excitent le secondaire oscillant. On remarquera que ces impulsions sont identiques à l'onde de courant primaire Ip représentée dans la fig. 16 qui ne fait d'ailleurs que repren- dre le graphique de la fig. 7.
L'onde de flux mutuelle M (fig. 12) ne représente pas le flux qui proauit la contre-tension EP (fig. 16) sauf pendant de très courts laps de temps où il se produit une induction mutuelle comme le moutre la fig. 15. Dos variations de flux à travers l'enroulement 1 et à travers l'enroulement sont indépendantes l'une ae l'autre à tous les autres mo- ments.
Le courant de magnétisation primaire IP ne produit pas une magnétisation suffisante pour permettre une inductance mutuelle, mais quand cette inductance mutuelle est proauite par le courant secondaire oscillant, le courant primaire augmente suffisamment de valeur pour ne vaincre l'effet de désaimantation du courant secondaire qu'aux demi-périodes impaires.
Dans la fig. 17 est représentée entièrement une réalisa- tion permettant la mise en oeuvre de l'invention, le fonc- tionnement étant fondamentalement le même que celui qui res- sort de la fig. 4, sauf la présence du tube, autrement dit de la lampe de mise en marche 8 et de divers perfectionnements décrits ci-après Le noyau et les enroulements sont sembla- bles à ce que montre la fig. 4, sauf l'addition'd'un enroule- ment de sortie 13 couplé inductivement à l'enroulement réson- nant à 20 périodes, un enroulement à filament 3, un enrou-
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lement ae aluarrùe = à mute tension, tous aeux couples inaucti veL...,,i1 à l'enroulement;
primaire 1. él 80 périodes pour fournir le courant de filament et le courant à haute tension
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u la plaque du tube à qui alimente l'enroulement resonliant à à 0 périodes en pulsations ae aénar;7age redressées.
¯ Si, pour une raison quelconque, le circuit résonnant à ",0 périodes comprenant le condensateur 5, la réac1:ance .ti et l'enroulement 5, subit une surcharge ou n'oscille pas, la tension à 20 périodes qui parcourt le circuit tombe aux environs de zéro La tension passant ae la grille 20 à la
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catllOd8 18 tomoe également parce que les deux organes au tube sont connectas en travers d'une partie ae l'enroulement, ré- sonnant 2par les conducteurs a et 17. Si la tension s'é- coulant; de la rille à la catnoue n'est pas suffisance, il existe a travers le tube un trajet ue moindre résistance pour la haute tension qui est appliquée entre la catnoae 18 et la plaque 19.
Le tube 1 agit alors en laissant passer une pulsation de courant redressée qui se manifeste à partir (le
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l'enroulcuient à .,2u-te tension 4 et par le conaucteur L5 aans quelques-unes des spires que l'enroulem2nt résonnant et par le conducteur 16 jusqu'à la cathode 18 en passant par l'espace inter-éleotrones du tube vers la plaque 19, la resistance de plaque 9,
et le conducteur 14 jusqu'au côte oppose de l'enrou- lement à naute tension. Cette fonction à pulsations re-
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dressées au.tube de démarrage se répète à chaque demi-pério- de jusqu'à ce que le circuit résonnant soit auto-supporte ou jusqu'à ce qu 'une partie de la tension à 20 périodes soit suffisamment élevée pour ournir la tension de polarisation à la grille 20 par le conducteur 17 pour faire cesser l'ac- tion au tube 8..
Le rôle du tube au point ae vue réglage dans le temps est déterminé par un choix convenable des valeurs du condensateur 12 et des résistances.10 et 11. Si le circuit
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résonnant subit une surcharge dépassant le point a'inductance mutuelle entre les enroulements 1 et 2, le tube 8 supporte le circuit résonnant à l'aide de pulsations de courant redressées à cnaque demi-période, c'est à aire à raison de 20 pulsations par seconde jusqu'à ce que la surcharge cesse de se manifester et que le circuit résonnant devienne auto- supporteur.
Dans la fig. 18 est représentée une prise de courant mâle 22 sur laquelle est monté un relais 23 fonctionnant sur courant alternatif et desservi par des conducteurs soudés à des broches 18,19 et 21, ce qui permet de ficher l'ensemble dans la'douille du tube que montre la fig. 17, cet ensemble constituant ainsi un dispositifde démarrage interchangeable.
Quand ce relais fonctionnant sur courant alternatif (fig. 18) est adapté à la douille que montre la fig. 17 et' que le circuit résonnant n'oscille pas ou subit une surcharge, il n'y a pas de tension suffisante dans le circuit pour qu'elle passe par les conducteurs 16 et 17 et gagne les bornes 18 et .Si en passant par l'enroulement du relais pour supporter. l'armature 24. Cette armature établit les connexions avec le contact 25 pour permettre à une pulsation de courant pro- venant de l'enroulement à haute tension 4 de se propager par l'intermédiaire du conducteur 15 à travers quelques-unes des spires de l'enroulement résonnant 2, puis par le conducteur 15 à la borne et à l'armature 24, au contact 25, à la broche 19 et à la résistance 9 avec retour par le conducteur 14 au côté opposé de l'enroulement 4.
Cette pulsation de tension ainsi introduite dans l'enroulement 2 rétablit le circuit résonnant dans des conditions telles qu'il est auto-supporté et que la tension accrue qui parcourt ce' circuit s'écoule par les conducteurs 16 et 17, les broches 18 et 21 à travers les enroulements du relais 23, de sorte que l'armature 24 se détache par un mouvement de bas en haut du contact 25 -et ouvre
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le trajet de haute tension vers l'enroulement 2. La fonction pulsatoire au démarreur à relais ne se répète que quand le circuit résonnant s'arrête a'osciller ou quand il est sur- charge au-delà au point d'inductance mutuelle entre les enroulements 1 et 2.
La fonction de réglage dans le temps des pulsations est inhérente a la caractéristique de chacun des relais ainsi employés. Un train ae pulsations formé d'un certain nombre de pulsations négatives ou positives erratiques n'a pas d'influence au point de vue ae la relation ou ue la polarité.
Dans la fig. 6 est représentée une variante du montage que montre la fig. 17, le but ue cette variante étantde diminuer l'encombrement du changeur de fréquence etde permettre de le fabriquer plus économiquement. Les eifféren- ces les plus significatives sont les suivantes :
Il n'est prévu ici qu'un seul enroulement 1-A augmentateur de flux, et le réacteur harmonique 6. est bobiné sur une des brancnes du noyau 7 au lieu a t être bobiné sur un élément rapporté comme dans la fig.17 n outre, le courant de sortie à 20 périodes est puisé directement à l'enroulement resonnant 2 au moyen de prises ue courant, et la haute tension alimen- tant le démarreur est empruntée a l'enroulement primaire 1 monté en série avec un petit enroulement survolteur f.
La fonction du changeur de fréquence que montre lu fig. est par ailleurs fondamentalement la même que celle du chan- geur de fréquence représentéen fig. 17.
Dans le graphique ae la fig. 9 est représentée la sortie à réglage de caractéristique destinée aux courbes d'entrée corrsspondant a des variations de voltage de réseau passant ce 80 volts à 100 volt, à 110 volts et à 120 volts.
Le graphique de la fig. 10 montre la sortie maximum à 20 périodes indiquée en -watt,5,pour chacune des valeurs représentées du courant de réseau à 60 périodes.
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Ces graphiques mettent clairement en évidence la supériorité très nette du présent appareillage par rapport à ceux de la technique antérieure.
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1. Un changeur ae fréquence du type dans lequel un noyau ferromagnétique est 'pourvu d'un enroulement primaire auquel est reliée une source de courant alternatif et d'un enroulement secondaire pour un circuit résonnant, renfermant comme noyau ferromagnétique une construction de deux types de métaux, dans lequel l'induction'mutuelle entre l'enroule- ment primaire et l'enroulement secondaire est produite seule- ment par une différence dans le degré de magnétisation de deux métaux au-dessus de la saturation.