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L'invention concerne un dispositif transformateur de fréquence alimenté par une source de courant alternatif et comportant au moins un élément non linéaire, couplé à .cette source
De tels dispositifs sont connus, par exemple, par le brevet français N 516.051. Les dispositifs décrits dans ce brevet comportent au moins une inductance et, comme élément non linéaire, un noyau magnétique prémagnétisé ou non. Par une saturation périodique du noyau, alternativement dans un sens et dans l'autre ou toujours dans le même sens, lors de l'emploi d'une prémagnétisation en courant continu, le courant pratiquement sinusoïdal d'une source de courant alternatif est
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transformée par cette inductance, en brèves impulsions de courant.
Ces impulsions de courant comportent de nombreux harmoniques dont l'harmonique ou les harmoniques désirés sont favorisés ou accentués à l'aide de circuits accordés et sont appliqués à un circuit consommateur.
Il est en outre connu, par exemple par le brevet anglais N 477.875., d'utiliser un tel dispositif transformateur de fréquence pour engendrer une série d'ondes porteuses de fréquence différente, par exemple dans un système de téléphonie par courant porteur. On y utilise essentiellement des har- m.oniques de rang élevé, parfois uniquement d'ordre pair ou d'ordre impair, mais parfois des deux ordres.
En téléphonie par courant porteur, les divers coarants porteurs ou ondes porteuses, doivent être très purs étant donné que les composantes étrangères peuvent provoquer de la diaphonie. De plus, il faut éviter la superposition aux ondes porteuses d'une tension basse-fréquence, qui pourrait provoquer une modulation basse-fréquence et se traduire par une tension de ronflement gênante.
On a constaté que dans un circuit comportant un élément non linéaire alimenté à l'aide d'une source de courant alternatif, il peut se produire d'intenses sous-harmoniques, surtout lorsque l'élément non linéaire est une inductance à noyau prémagnétisé. Ces sous-harmoniques sont généralement d'ordre très élevé, par exemple 20; leur fréquence est donc assez basse. De ce fait, ils peuvent provoquer une tension de ronflement très gênante. L'existence de ces sous-harmoniques est due à un effet de résistance négative de Isolément non linéaire.
Lorsqu'un sous-harmonique .9. de la fréquence fondamentale p est engendré temporairement, par exemple par suite d'une perturbation; il se produit également des fréquences q + np et des fréquences .9. - np, n pouvant être un nombre quelconque.
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Lorsque les fréquences , - np, sont plus fortement amorties dans le circuit de charge du générateur de courante que les fréquences g + np, les oscillations de fréquence sous-harmonique peuvent croître et subsister. On peut en effet établir, par voie mathématique, que la puissance Wq disponible dans le dispositif pour engendrer le sous-harmonique divisée par la fréquence .9.. de ce sous-harmonique, est égale à :
EMI3.1
SL.# ¯¯¯¯5 xLpk-+-q - wpnp - 9 ¯¯ ni + q ¯ np-q' n = 1 expression dans laquelle W'np ¯ q représenta les puissances prélevées de fréquences correspondantes.
@ ' On peut supprimer les sous-harmoniques dans un dispositif transformateur de fréquence à 1-'aide de résistances.
Ces résistances entraînent cependant une linéarisation, ce qui contrecarre les effets non linéaires désirés et réduit notablement l'amplitude des harmoniques désirés, de sorte que le rendement de ce dispositif baisse notablement.
Afin de supprimer les sous-harmoniques de la fréquence fondamentale de la source de courant alternatif, le dispositif transformateur de fréquence conforme à l'invention comporte au moins un circuit dissipatif sélectif, dans lequel de l'énergie est dissipée dans une bande de fréquences compor- tant essentiellement les fréquences égales à la somme de la fréquence d'au moins un harmonique et de la fréquence d'éventuels sous-harmoniques, de sorte que ces sous-harmoniques sont supprimés par amortissement.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La fig. 1 est le schéma d'un exemple de réalisation
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particulièrement simple du dispositif transformateur de fréquence conforme à l'invention.
La fig. 2 est un diagramme de fréquences servant à expliquer le mode de fonctionnement des dispositifs conformes à l'invention.
La fig. 3 est le schéma d'un second exemple de réalisation du dispositif conforme à l'invention.
L'exemple de réalisation représenté sur la fig. 1 comporte un générateur de courant 1 qui fournit une tension sinu- soidale de fréquence p au montage en série d'un condensateur 2, d'une inductance 3 et d'une charge branchée sur les bornes de sortie 4 et 5. L'inductance 3 comporte un noyau ferromagnétique 6 qui est dimensionné de façon à être facilement saturable par le courant du générateur 1. Sur ce noyau est disposé un second enroulement 7, que traverse un courant continu fourni par la source de tension continue 8.
Aux bornes de sortie 4 et 5 est connecté un circuit dissipatif sélectif 9, 10, 11. Ce circuit est formé par un circuit de résonance en série, constitué par un condensateur 9, une inductance 10 et une résistance 11, montée en série avec cette inductance. Ce circuit est amorti par la résistance 11, de sorte qu'il comporte la largeur de bande désirée. L'énergie de fréquence comprise dans la bande de fréquences du circuit 9-11 est donc dissipée dans la résistance 11.
Le circuit 9-11 est accordé sur une fréquence telle que la bande de fréquences se trouve essentiellement entre la fréquence d'un harmonique de fréquence p du générateur 1, par exemple entre la fréquence fondamentale p, et la moyenne arithmétique de la fréquence de cet harmonique et de celle de l'harmonique immédiatement supérieur, par exemple entre la fréquence p et la fréquence 1,5 p. Dans le circuit est donc dissipée l'énergie qui est essentiellement comprise dans une bande de fréquences comportant la fréquence égale à la somme de la fréquence fondamentale et de
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celle des sous-harmoniques éventuels. De ce fait;, l'expression
EMI5.1
.
W' x1p + a - W' xl.t .- ..." np + q np - q devient plus grande que zéro, et l'effet de résistance négative mentionné 'est rendu impossible, de sorte que d'éventuels sous- .harmoniques ne peuvent croître et sont supprimés.
Comme il a déjà été mentionné, l'inductance 3 peut être saturée par le courant .du générateur 1 et forme donc un élément non linéaire du dispositif transformateur de fré- quence. Par le courant continu de la source 8, elle est réglée approximativement au coude de la caractéristique de saturation du noyau 6 de sorte que, par exemple, les alternances positives du courant du générateur 1 amènent l'inductance plus loin dans la zone de saturation, tandis que les alternances négatives l'amènent dans la zone non saturée. Pour ces alternances néga- tives, l'inductance 3 -constitue donc une impédance assez élevée, par exemple 50 fois plus élevée que son impédance à l'état saturé.
Les alternances négatives du courant fourni par le géné- rateur 1 sont donc supprimées, tandis que les alternances posi- tives sont transmises avec une forte distorsion. De ce fait,une série d'impulsions positives aiguës, à fréquence de répétition égale à la fréquence fondamentale du générateur, sont appli- quées à une impédance de charge connectée aux bornes 4 et 5.
Cette série d'impulsions est très riche en harmoniques pairs et impairs et est représentée par une ligne en traits pleins, à droite des bornes 4 et 5 et indiquée par la référence np.
On peut également omettre l'enroulement de prémagné- tisation 7 et la source de courant continu 8 et laisser tra- vailler l'inductance 3, sans prémagnétisation. Dans ce cas, et pour une intensité de courant suffisamment élevée du généra- teur 1, les deux alternances de ce courant sont fortement dé-
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formées et alternativement, des impulsions aiguës positives et négatives sont appliquées aux bornes 4 et 5. Cette série d'impulsions est représentée à droite des'bornes 4 et 5 par.des lignes en pointillés et portent la référence (2n + 1) p, étant donné qu'elle est très riche en harmoniques impairs.
Le condensateur 2 augmente encore la différence entre l'impédance en série du circuit 2, 3 dans le cas ou l'inductance 3 est saturée et son impédance dans le cas d'inductance non saturée. La capacité peut être choisie, par exemple, de façon à provoquer, ensemble avec l'inductance saturée, de la résonance en série approximativement à la fréquence p du générateur 1.
Le diagramme de fréquences de la fig. 2 représente la fréquence fondamentale 12 et deux harmoniques successifs de fréquence 2np et (2n + 1)p. Afin de dissiper plus fortement l'énergie de fréquence égale à la somme des fréquences, par exemple de la fréquence fondamentale p et de celle de tous les sous-harmoniques possibles que l'énergie de fréquence égale à la différence entre 12. et la fréquence de ces sous-harmoniques, le circuit dissipatif sélectif 9, 10, 11 de l'exemple de réalisation représenté sur la fig. l devra avoir une caractéristique de fréquence affectant approximativement la forme de la ligne en pointillés représentée sur la fig. 2 entre les fréquences 12. et 1 1/2 p .
une caracté- 'ristique de fréquence idéale serait par exemple approximativement la caractéristique rectangulaire représentée en pointillés. Les sous-harmoniques obtenus de la manière décrite sont généralement d'un ordre assez élevé de sorte qu'il y a peu de danger de naissance d'un sous-harmonique du second ou du troisième ordre; la bande de fréquence du circuit dissipatif sélectif peut donc être choisie plus étroite, par exemple comme l'indique la ligne en traits pleins entre les fréquences .3. et 1,3 p.
Le dispositif représenté sur la fig. 1 peut être utilisé pour engendrer une série comportant tant des harmoniques
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pairs que des harmoniques impairs ou une série d'harmoniques?, impairs, auquel cas la différence de fréquence entre deux harmoniques successifs est égale à 2p. Dans le cas où l'on utilise le dispositif transformateur de fréquence pour engendrer une série d'ondes porteuses, par exemple dans un système de téléphonie par courant porteur, on n'utilisera généralement pas le premier harmonique de la série.
Il est alors avantageux de @ dimensionner le circuit dissipatif sélectif 9, 10, 11 de manière que sa bande de fréquences se trouve tout juste au-dessus de la fréquence du premier harmonique utilisé, par exemple au-delà' de la fréquence 2np (fig. 2) dans le cas d'une série d'harmoni- ques pairs ou au-delà de la fréquence (2n + 1)p dans le cas d'une'série d'harmoniques impairs. Au besoin, on peut encore utiliser deux ou un plus grand nombre de tels circuits dissipatifs sélectifs, chaque circuit ayant une autre bande de fréquences comprise essentiellement entre la fréquence du premier harmonique et la moyenne arithmétique de la fréquence de ce premier harmonique et celle de l'harmonique immédiatement suivant.
Etant donné que dans une série d'harmoniques pairs ou d'harmoniques impairs, les distances entre les fréquences des harmoniques successifs sont égales à 2p, la largeur de bande d'un tel circuit dissipatif sélectif peut être plus grande que 1/2 p, de sorte qu'on peut même supprimer de ce fait un harmonique éventuel du second ordre. Sur la fig. 2, les caractéris- tiques de fréquences des circuits dissipatifs sélectifs assez larges, sont tracées, par exemple en pointillés, les bandes de fréquences de ces circuits étant comprises entre 2 np et (2n + 2/3) p respectivement entre (2n + 1)p et (2n + 1 2/3)p. Dans ce cas, les caractéristiques de fréquence idéales pour de tels circuits sont également rectangulaires et quelque peu plus larges que 1/2 p, comme il est indiqué en pointillés.
Les caractéristiques de fréquences encore suffisantes en pratique, sont tracées en traits pleins; leur largeur de bande est d'environ 0,3 p.
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Le second exemple de réalisation représenté sur la fig. 3 comporte le montage en série d'un condensateur 2, d'une inductance 3, et d'un circuit de charge, montage en série auquel un générateur 1 applique une tension sinusoïdale de fréquence p. L'inductance 3 comporte un noyau ferromagnétique 6, qui peut être saturé par le courant fourni par le générateur 1. L'enrou- lement 7 et la source de courant continu 8 de l'exemple de réalisation de la fige 1 sont omis, de sorte que ce noyau n'est pas
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prémagnétisé.'"Au Tsontage en série du générateur 1. du condensa- teur 2 et de l'inductance 3 est connecté un circuit dissipatif sélectif constitué par un circuit de résonance en parallèle.
Ce circuit de résonance est constitué par le montage en série de deux condensateurs identiques 9 et 9' montés en série shunté, par le montage en série de l'inductance 10 et d'une résistance 11.
Le circuit 9, 9', 10, 11 est accordé sur une fréquence légère- ment supérieure à p,par exemple sur la fréquence 1,15 p et sa caractéristique de fréquence affecte la forme de la ligne en traits pleins sur la fig. 2, avec une largeur de bande d'environ 0,3 p. Aux bornes du circuit de résonance 9-11 on pourrait prélever,, comme il a été expliqué en cequi concerne le premier exemple de réalisation, une série d'impulsions aiguës., alterna- tivement positives et négatives, riche en harmoniques impairs.
Ce montage comporte cependant encore des moyens permettant de prélever deux séries indépendantes d'harmoniques. Ces moyens sont constitués par deux.inductances 12 et 12', à noyau saturable 13, respectivement 13', en une matière ferro- magnétique, qui peut être prémagnétisé à l'aide d'un second enroulement 14, respectivement 14', par une source de tension continue 15, respectivement 15', jusqu'au coude de la caracté- ristique de magnétisation. Ces inductances travaillent d'une manière comparable à celle :de redresseurs et sont montées en série entre elles et avec l'enroulement primaire inter-
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posé d'un transformateur 6;
cette combinaison en série est connectée aux bornes du circuit de résonance 9-11. L'enroulement primaire de ce transformateur 16 comporte une prise 17 qui est reliée, par l'intermédiaire de 'enroulement primaire d'un second transformateur 18, au noeud des deux condensateurs 9 et 9'. enroulement secondaire du transformateur 16 est relié aux bornes de sortie 24 et 25, tandis que l'enroulement secondaire du transformateur 18 est connecté aux bornes de sortie 34 et 35.
Par l'intermédiaire du condensateur 2 et de l'inductance 3 une série d'impulsions, affectant la forme représentée sur la fig. 1 par des lignes en pointillés à droite des bornes 4 et 5 est appliquée aux bornes du circuit de résonance 9-11. Ces impulsions sont riches en harmoniques impairs.
Elles sont déformées par les inductances 12 et 12' par l'inter- médiaire desquelles les impulsions de sens opposé sont appliquées à l'une, respectivement à l'autre moitié de l'enroulement primaire du transformateur 16. Ces impulsions engendrent donc des impulsions de polarité correspondante dans l'enroulement secondaire du transformateur 16, de sorte qu'aux bornes 24 et 25 est appliquée une série d'impulsions de sortie affectant la même forme que celles indiquées par les lignes en pointillés de la fig. 1. Ces impulsions de sortie sont donc riches en harmoniques impairs, ce qui-est indiqué par la référence (2n + 1)p entre les bornes 24 et 25. Les impulsions qui sont alternativement transmises par les inductances 12 et 12', traversent également l'enroulement primaire du transformateur 18.
Cet enroulement est cependant toujours traversé dans le même sens par les impulsions, de sorte qu'aux bornes de sortie 34 et 35 se produisent des impulsions de sortie affectan, la forme des lignes en traits pleins de la fig, 1. La fréquence de répétition de ces impulsions est cependant égale à celle des
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impulsions de polarité opposée aux bornes de sortie 24, 25 et cette série d'impulsions est donc riche en harmoniques pairs, ce qui est indiqué par la référence 2nP entre les bornes 34 et 35.
Afin d'obtenir une meilleure suppression de tous les sous-harmoniques qui pourraient éventuellement se produire, le second exemple de réalisation comporte trois autres circuits dis- sipatifs sélectifs. Un second circuit dissipatif sélectif est for, mé par le circuit de. résonance en parallèle inséré entre les bornes 24 et 25 et constitué par un condensateur 19, une induc- tance 20 et une résistance 21.
Ce circuit comporte une bande de fréquences qui est essentiellement comprise entre la.fréquence d'un premier harmonique de la série des harmoniques pairs qui se produisent entre les bornes 24 et 25 et la moyenne arithmétique de la fréquence de ce premier harmonique et de celle de lharmo- nique impair immédiatement suivant; sa caractéristique defré- quence peut affecter l'une des formes représentée sur la figure 2 à droite de la fréquence (2n+l)p. Un troisième et un quatrième circuits dissipatifs sélectifs sont formés par les circuits de ré- sonance en série connectés aux bornes de sortie 34 et 35.
Chacun de ces circuits est constitué par le montage en série d'un con- densateur 29,respectivement 39, d'une inductance 30, respectivement 40, et d'une résistance 31, respectivement 41. Le circuit
29-31 est accordé par exemple sur une fréquence qui est légère- ment plus grande que celle d'un premier harmonique pair 2np et le circuit 39-41 est accordé par exemple sur une fréquence légèrement plus élevée que celle de l'harmonique pair suivant (2n+2) p.
Les divers circuits dissipatifs sélectifs 9-11, 19-21,
29-31 et 39-41 suppriment'sûrement tous les harmoniques possibles.
Sur les bornes 24 et.25 peut se prélever une série d'harmoniques impairs, tandis qu'on peut prélever simultanément sur les bornes
34 et 35 une série d'harmoniques pairs. A l'aide de filtres et (ou) de circuits de résonance non représentés sur le dessin,il
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est facile de séparer ces harmoniques pairs et ces harmoniques impairs et d'engendrer ainsi deux séries d'ondes porteuses différen- tes. Les sousharmoniques étant supprimés, ces-ondes porteuses sont exemptes de tensions à basse fréquence superposées ou de modulations et satisfont donc, à ce point de vue, a.ux conditions que l'on pose en pratique à de telles ondes porteuses dans un sys- tème de téléphonie par courant porteur.
En ce qui concerne les ondes porteuses utiles., le dispositif ne comporte pratiquement aucune charge, de sorte qu'il travaille avec un excellent rendement.