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PERFECTIONNEMENTS AU:REFROIDISSEMENT DES APPAREILS ELECTRIQUES .
La présente invention est relative à des perfectionnements, chan- gements et additions à celle faisant l'objet du brevet principal et concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement adaptable sur de gros appareils électriques tels, par exemple, les appareils statiques à induction de grandes dimensions. Dans les systèmes de refroidissement associés aux transformateurs, une pompe insuffle un fluide réfrigérant et isolant, tel que l'huile, qui évacue la chaleur dissipée dans les enroulements et le noyau magnétique desdits appareils.
L'invention est applicable au refroidissement de tout appareil- lage électrique dans lequel le fluide réfrigérant subit des pertes de char- ge non uniforme le long de ses trajectoires. A titre d'exemple non limitatif, on décrit l'application de l'invention à un transformateur de puissance éle- vée.
Le refroidissement d'un transformateur comportant un noyau ma- gnétique et un ou plusieurs types d'enroulements offrant une résistance dif- férente à l'écoulement du fluide, pose un problème difficile; l'entraînement du fluide réfrigérant doit tenir compte des différences de perte de charge des diverses trajectoires.
Par ailleurs, les différentes propriétés électriques des divers constituants du transformateur et leur emplacement respectif dans l'appareil, qui affecte la dissipation calorifique, déterminent parfois pour chacun d'eux des conditions de refroidissement différentes. Il serait donc très avantageux de pouvoir régler l'écoulement du fluide en raison de ces différents para- mètres.
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Des efforts ont été faits dans ce sens; on a ainsi proposé d'u- tiliser différents conduits entre les divers enroulements et leurs cylindres isolants, d'une part, et le noyau magnétique et son cylindre isolant, d'au- tre part. L'expérience a montré que cette méthode était à la fois coûteuse et incertaine, l'incertitude provenant de la difficulté qu'il existe à esti- mer la résistance à l'écoulement d'un conduit de forme compliquée, comme le conduit en zig-zag qui entoure les enroulements.
En outre, dans le cas de gros transformateurs, on a trouvé que la résistance à l'écoulement de cer- tains enroulements couramment employés était de beaucoup supérieure à celle du noyau magnétique ou à celle de quelques autres types d'enroulements; d'où impossibilité de refroidir par' liquide, car en raison de la différence énor- me de résistance à l'écoulement des conduits alimentant le noyau et de ceux alimentant les enroulements, ces derniers ne se trouveraient pratiquement pas refroidis. On a, de ce fait, pris l'habitude de refroidir, par, simple convexion, les noyaux des transformateurs, dont les autres éléments sont refroidis sous pression.
Dans les transformateurs où l'on utilise plusieurs types de bobines, il peut aussi se produire une distribution tout-à-fait irrégulière du fluide réfrigérant. Par exemple, si le même appareil comporte des bobines en galette et des bobines cylindriques, ces dernières, présentant une assez faible résistance à l'écoulement du fluide, en reçoivent la plus grande par- tie.
Le dispositif de refroidissement perfectionné selon l'inven- tion obvie à tous les inconvénients précités. Il assure une distribution équilibrée du fluide réfrigérant en tous les points de l'appareil. Confor- mément à l'invention, on introduit dans les différents conduits de l'ap- pareil électrique, dès résistances à l'écoulement, de manière à prédétermi- ner l'écoulement du fluide dans chaque conduit. Lorsque l'appareil électri- que considéré est un transformateur, on dispose des résistances appropriées à l'extérieur des enroulements et dans les conduits du noyau; ces résistan- ces sont ajustables et permettent de régler la distribution du fluide entre les divers éléments du transformateur.
L'invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exemple de réa- lisation non limitatif : - La figure 1 est une vue en élévation d'une partie d'un trans- formateur comportant des résistances à l'écoulement selon l'invention; - La figure 2 est une coupe transversale selon la droite 2-2 d'une branche du noyau magnétique; - La figure 3 est une vue en bout de la partie inférieure du transformateur; - La figure 4 est une perspective d'une portion d'un transfor- mateur réalisé selon les principes de l'invention, tels qu'ils apparaissent sur les figures précédentes; - La figure 5, enfin, représente un transformateur réalisé d'après une variante de l'invention.
Sur la figure 1, l'enveloppe 1 d'un transformateur renferme un noyau magnétique qui comporte deux branches 2 & 3 réunies à leur partie su- périeure par la culasse 4 et à leur partie inférieure par la culasse 5 (car- casse), Chaque branche est entourée par un ensemble de bobines identiques.
La similitude des deux ensembles de bobines est purement arbitraire, l'in- vention s'appliquant aussi bien à des transformateurs dont les enroulements sont bobinés différemment.
Un cylindre isolant 6 est monté coaxialement à la branche 3 et est entouré d'un enroulement 7, du type en galette.
Chaque bobine est constituée par un ensemble de spires conduc- trices enroulées dans le même plan. Ces bobines'sont empilées les unes sur
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les autres et connectées en série. Chaque bobine, ou galette, est séparée des galettes adjacentes par des pièces destinées à assurer l'écoulement radial du -fluide réfrigérant. A intervalles réguliers le long du cylindre isolant 6, on dispose des baffles 8 servant, ainsi qu'il est expliqué plus bas, à diriger l'écoulement du fluide à travers les bobines.
A l'extérieur de l'enroulement 7 se trouve un second cylindre isolant 9, dont les baf- fles 10, disposées à intervalles réguliers le long de sa paroi intérieure, dirigent l'écoulement du fluide en coopération avec les baffles 8 du cylin- dre 6 ; derniers se prolongent radialement jusqu'à proximité de la paroi interne du cylindre 9, tandis que les baffles 10 touchent presque la paroi externe du cylindre 6. Ils sont imbriqués le long de l'enroulement 7 et sé- parés les uns des autres par un nombre égal de bobines. Cette disposition particulière oblige le fluide à circuler alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur, 'chaque baffle constituant un déflecteur en sens inver- se du précédent.
Ce type de circulation du fluide et la construction qu'il implique n'entrent pas dans le domaine de l'invention; ils illustrent sim- plement l'écoulement en zig-zag que l'on utilise souvent dans les transfor- mateurs. Cette disposition se traduit par une résistance assez élevée à l'é- coulement -résistance qu'il est souvent difficile de calculer avec préci- sion à l'avance.
Sur la paroi extérieure du cylindre isolant 9 se trouve un en- roulement 11, du type cylindrique, constitué par un conducteur unique bo- biné autour de 9 et dont les spires sont tangentes. Un troisième cylindre isolant 12 est disposé extérieurement à l'enroulement 11 et en est séparé par le conduit 13 où s'écoule le fluide qui refroidit l'enroulement.
Un second enroulement à bobines cylindriques 14 entoure le cy- lindre 12; à l'extérieur, se trouve un quatrième cylindre 15 qui sert à i- soler l'enroulement de la paroi interne de l'enveloppe 1. Un conduit 16 est prévu entre la surface extérieure de 14 et la paroi intérieure de 15 pour laisser passer le liquide réfrigérant.
Les divers enroulements illustrés sur la figure 1 représentent une disposition caractéristique des éléments d'un transformateur et montrent la diversité des conduits par où doit passer le fluide réfrigérant. L'enrou- lement 7 du type en galette, présente, ainsi qu'il a été dit plus haut, une assez grande résistance à l'écoulement, tandis que les enroulements 11 & 14, du type cylindrique, présentent une résistance plutôt faible.
Pour refroidir de façon satisfaisante la structure magnétique constituant le noyau, on pratique dans ce dernier une fente axiale 17, ain- si qu'il apparaît plus clairement sur la figure 2. Cette fente coupe la carcasse du noyau et se trouve située dans un plan parallèle au plan des toiles laminées qui constituent la structure magnétique. On peut obtenir la fente 17 en omettant plusieurs tôles. La fente peut aussi se trouver dans un plan perpendiculaire à celui des tôles laminées. Ainsi qu'il est expli- qué plus bas, un système de conduits est prévu de façon que le fluide, à l'arrivée au voisinage du noyau, soit dirigé dans la fente 17.
Comme il apparaît sur les figures 3 & 4, la fixation est assu- rée par un ensemble de deux pièces en L, 18 & 19, fixées sur les faces op- posées de la structure magnétique, de façon à'maintenir l'ensemble des bo- bines et des tôles imbriquées des noyaux. Deux pièces identiques servent à fixer l'ensemble à la partie supérieure du noyau. Des boulons 20 fixent les pièces en L 18 & 19 aux pièces 4 & 5 respectivement.
Afin de régler l'écoulement du fluide, on dispose un diaphrag- me 21 percé d'un certain nombre d'orifices, sur la partie supérieure des deux pièces en L 18 & 19. 21 est découpé de façon à être introduit dans l'enceinte 1, le jeu juste nécessaire à sa mise en place étant prévu. Des ouvertures sont prévues pour permettre le passage des branches 2 & 3 du noyau. Un joint d'étanchéité 22 est placé entre le bord du diaphragme et la surface interne de l'enceinte 1- de façon à éviter toute fuite de fluide entre ces deux parois.
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Un conduit d'alimentation du fluide 23 est placé à la partie inférieure de l'enceinte 1.'Un conduit analogue 24, disposé à la partie supérieure de 1, évacue le liquide de l'enveloppe et le dirige dans un dis- positif de réfrigération extérieur.
Un compartiment 25 est prévu au bas de l'enceinte 1 pour servir à la distribution du fluide qui circule dans le noyau, comme il est expliqué ci-dessous.
Conformément à une réalisation de l'invention, le diaphragme 21 sur lequel repose la base des divers enroulements, est percé de trous au voisinage des passages entre les bobines, de manière à réaliser une distri- bution satisfaisante du fluide entre les divers enroulements et entre les enroulements et le noyau magnétique.
Ainsi qu'on l'a dit, les noyaux sont refroidis par circulation de fluide à travers la fente 17. Pour régler de façon convenable l'écoule- ment du fluide à travers celle-ci, on la ferme latéralement par deux mon- tants 26 & 27 en bois ou toute autre substance appropriée, de façon à cons- tituerdes conduits étanches percés d'ouvertures disposées convenablement pour régler la résistance desdits conduits à l'écoulement. On introduit ain- si artificiellement des obstacles à l'écoulement du fluide refroidissant les divers éléments du transformateur, pour obtenir entre les différents conduits une distribution convenable du fluide. Le nombre et la dimension des orifices du diaphragme 21 permettent de régler la résistance à l'écou- lement du fluide approximativement à la valeur que l'on désire obtenir.
Ain- si, le groupe d'orifices 28 alimente en fluide l'enroulement en galette 7, - le groupe 29, les bobines 11 - et le groupe 30, les bobines 14. Ces trois groupes d'orifices apparaissent clairement sur la figure 4. Ce type de cons- truction diffère nettement des réalisations connues, où l'alimentation en fluide des différents éléments se fait d'une façon quelconque à travers des ouvertures circulaires. Les orifices 28, 29 & 30 peuvent être soit circulai- res, soit elliptiques. En choisissant la distance entre les orifices d'un groupe donné et leur diamètre, compte tenu de leur distance à l'obstacle le plus proche dans le conduit, on peut obtenir une résistance à l'écoulement fonction du facteur de la forme des orifices et inversement proportionnelle au carré de la surface totale de tous les orifices en parallèle.
Avant d'atteindre les orifices pratiqués dans les montants li- mitant la fente 17, le fluide réfrigérant pénètre dans la fente par une lar- ge ouverture 31 située au bas du montant 26. Au sommet de celui-ci, on a per- cé une série de petits orifices (32, 33 & 34, sur la fig. 1) . Bien que, théo- riquement, ce soit suffisant pour assurer la résistance voulue au passage du fluide dans la fente 17, il est préférable de prévoir une autre série d'orifices, en 37, par exemple dans la partie inférieure de l'enceinte 1.
On évite ainsi un effet nuisible qui peut résulter de la dépression au droit des orifices supérieurs, et qui est susceptible d'entraîner un mauvais fonc- tionnement des relais du système de sécurité. Toutefois, au point de vue réglage, il vaut mieux que les orifices 32,33 & 34 soient situés à la par- tie supérieure du transformateur. Les orifices 37 peuvent être percés n'im- porte où sur le trajet du fluide vers le noyau magnétique, par exemple à la partie inférieure du montant 26, à l'endroit occupé par l'ouverture 31.
Le montant 27, occupant l'extrémité interne de la fente 17 est également percé d'un certain nombre de petits orifices 35 le long de ses pa- rois inférieure et supérieure, ceci en vue d'éviter la stagnation du fluide en haut et en bas du dispositif.
Le fluide qui alimente la fente 17 est d'abord envoyé dans le distributeur avant de passer dans la fente. Un joint 36, placé entre 25 & 17, assure le passage direct, sans perte, du fluide de 25 vers 17. La résis- tance à l'écoulement dans la fente 17 est déterminée par la somme de la ré- sistance de la fente elle-même et de celle des orifices 32,33, 34 & 37.
Selon l'invention, on peut ajuster les résistances à l'écoule- ment pour obtenir une distribution prédéterminée entre un ensemble de conduits,
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que les résistances propres de ces conduits soient connus ou non. Lorsqu'on ne connait pas la résistance à l'écoulement d'un conduit, on y introduit une résistance d'une valeur telle qu'elle surpasse la résistance propre du con- duit considéré. De cette façon, si l'on ignore la valeur des résistances pro- pres de tous les conduits, on introduit partout des résistances grandes de- vant celles du conduit, de telle sorte que la distribution du fluide entre les divers conduits soient déterminée par les valeurs respectives de ces ré- sistances auxiliaires.
D'autre part, si les résistances propres des conduits ne con- viennent pas à l'écoulement imposé par les conditions thermiques, on peut introduire les résistances correctrices nécessaires.
Si l'on connait les résistances propres de certains conduits et que l'on ignore celles des autres, on règle la résistance totale de cha- que conduit de façon à assurer la distribution voulue du fluide.
La figure 5 représente une variante de l'invention, selon la- quelle les orifices qui commandent l'écoulement du fluide vers les diffé- rents enroulements sont pratiqués dans la partie supérieure de la structure, plutôt que dans la partie inférieure, étant ainsi plus accessibles, ils sont plus facilement ajustables. Les cylindres isolants 6, 9, 12 & 15 sont percés d'orifices 38 à la hauteur des collerettes 39, 40 & 41..Ces dernières assurent un isolement complet entre les divers enroulements et la masse. Or- dinairement, les collerettes définissent entre elles des conduits ouverts, qui n'interviennent pas dans l'écoulement. Conformément à l'invention, on ferme ces conduits et l'on pratique ensuite, à intervalles réguliers, des ouvertures 38, en nombre et de grandeur tels que l'on obtienne la résistan- ce voulue à l'écoulement.
Les orifices 38 peuvent donc remplacer avantageu- sement les orifices 28, 29 & 30 du diaphragme 21, ou constituer des résis- tances ajustables supplémentaires.
L'emplacement des orifices constituant des résistances à l'é- coulement ne représente nullement une limitation de l'invention. Au lieu de percer les orifices dans les collerettes des cylindres isolants, on peut, par exemple, supprimer tout-à-fait le diaphragme 21 et percer les orifices dans un conduit servant de distributeur, indépendant du reste de la structu- re et situé sous les enroulements.
Par ailleurs, au lieu de se servir d'une fente 17 pour refroi- dir l'intérieur du noyau magnétique, en y disposant des résistances à l'é- coulement, on peut refroidir par fluide .soufflé la surface externe du noyau en pratiquant des ouvertures supplémentaires, analogues aux orifices 28, 29 & 30; on insuffle le fluide par ces ouvertures dans l'espace compris entre la paroi extérieure des branches du noyau et le cylindre isolant adjacent.