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Perfectionnements aux transformateurs de courant.
Cette invention concerne les transformateurs de courant et particulièrement, mais non exelusivement, un transformateur utilisable dans des générateurs, de puissance, pour le chauffage par induction.
L'invention a notamment pour objets: un transformateur de courant ayant un secondaire dont le nombre de spires en service peut être change par une simple manipulation, dans le but de disposer de différents rapports de transformation; un transformateur de courant ayant un secondaire dont le nombre de spires en service peut être changé par une simple manipulation de barres de connexion et dçnf l'entière- té de la surfaee le long de laquelle circule le courant du secondaire est employée pour tous les rapports de transforma- tion ;
un transformateur de courant employant un oscillateur avec dispositif à décharge électronique dont le circuit accor- dé déterminant la fréquence comprend l'enroulement primaire d'un transformateur de courant ayant un enroulement secondai- re dont le nombre de spires en service peut être changé, con- venant lui-mène pour l'utilisation dans un système de chauf- fage par induction.
Une description plus détaillée de l'invention est donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dans les- . quels :
Fig. 1 représente un transformateur de courant confor- me à la présente invention possédant un secondaire à plusieurs spires;
Fig. 2 est une vue du transformateur de courant de la figure 1 montrant en pointillés l'enroulement primaire à l'in- térieur du secondaire.
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Fig. 3 montre le support à croisillon de l'enroule- ment primaire logé à l'intérieur du secondaire et disposé coaxialement par rapport à lui;
Fig. 4 représente les deux spires cylindriques sim- ples du secondaire du transformateur, raccordées électrique- ment en parallèle pour former en fait un secondaire à spire unique;
Fig. 5 représente les deux spires uniques cylindri- ques du secondaire du transformateur raccordées électrique- ment en série pour former un secondaire à deux spires; et
Fig. 6 représente un circuit oscillateur pour un système de chauffage à induction dans lequel le transformateur de courant suivant l'invention peut être utilisé.
Les figures 1 à 5 inclus, plus détaillées, dans les- quelles les mêmes organes sont désignés par les mêmes ckiffres de référence, montrent un transformateur de courant ayant une bobine primaire 10 faite de bandes de cuivre enroulées de champ autour d'un croisillon isolant 11. Cette bobine primaire est logée dans la bobine secondaire. La bobine secondaire consiste en un cylindre de cuivre 12 entourant l'enroulement primaire substantiellement sur toute sa longueur et convena- blement espacé de la bobine primaire.
Le cylindre de cuivre constituant le secondaire est divisé longitudinallement sur un côté le long de la ligne médiane 13 de façon à former une fente et également coupé complètement en deux suivant un plan 14 perpendiculaire à la fente longitudinale 13, constituant ainsi deux spires cylindriques simples 15 et 16 eoaxiales, séparées l'une de l'autre à leurs bords adjacents en 14. Il est préférable d'insérer un isolement approprié dans la fente formée par la séparation longitudinale 13, sur toute la lon- gueur du secondaire, excepté - sur une petite partie adjacen- te à la séparation transversale 14 cornue le montre la fig. 1.
La spire cylindrique 15 qui est fendue en 13 estpourvue de bornes 1 et 3, tandis que la spire cylindrique 16 qui est fendue le long de la même ligne 13 est pourvue de bornes 2 et 4.
Pour que le secondaire puisse fonctionner comme secon- daire à spire unique, les deux spires 15 et 16 sont connectées l'une à l'autre électriquement en parallèle par une paire de connexions électriques en forme de barres appelées "barres en
I", dont l'une sera raccordée aux bornes 1 et 2, tandis que l'autre sera raccordée aux bornes 3 et 4. Ceci est représenté shcématiqument sur la fig. 4, où les connexions en forme de barres sont désignées par le chiffre 20. Dans cette position le transformateur aura le plus haut rapport de transformation du primaire au secondaire. Pour que le secondaire puisse fonctionner comme secondaire à deux spires, afin d'obtenir un autre rapport de transformation, on raccorde les bornes
2 et 3 par une barre "I" unique de façon à relier les deux spires 15 et 16 en série.
Ceci est représenté sur les figures
1 et 5 oùun seul connecteur électrique 20, placé diagonale- ment entre les bornes 2 et 3 des cylindres 15 et 16 fendus longitudinalement, raccorde ces cylindres en série et forme en conséquence effectivement un secondaire à deux spires:
Il est clair, que,aussi bien quand le secondaire est utilisé effectivement comme secondaire à spire unique,., comme le montre la figure 4, que comme secondaire à deux spires,' comme le montrent les figures 1 et 5, l'entièreté des sufaces
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le long desquelles circule le courant des deux spires cylindri- ques 15 et 16 est utilisée.
La bobine primaire n'est pas représentée dans les figures 4 et 5 dans le but de ne pas se départir de la représen- tation simplifiée des connexions entre les spires du secondaire.
Comme mentionné précédemment, l'enroulement ou bobine primaire est placé coaxialement -dans l'intérieur creux du secondaire et s'étend sur les longueurs des cylindres de cuivre 15 et 16.
Cette bobine primaire est convenablement espacée du secondaire, par exemple d'une distance d'un huitième de pouce sur toute la longueur du transformateur.
La bobine d'induction constituée par un tube creux 17 formant une ou plusieurs spires qui est montré en pointillés dans la figure 1, est connectée aux bornes 5 et 6 respective- ment des cylindres 15 et 16. Cette bobine d'induction dérive sa puissance du secondaire du transformateur afin de chauffer ou d'élever la température d'un ou plusieurs objets métalli- ques placés à l'intérieur de la bobine d'induction et consti- tuant une charge.
Pour refroidir la bobine d'induction, un système de refroidissement par fluide ayant une entrée 18 et une sortie 19 est prévu. L'entrée et la sortie ont la forme de tubes creux en cuivre qui communiquent avec le tube constituant la bobine d'induction 17. Le fluide refroidisseur peut, selon qu'on le désire, être de l'eau ou tout autre liquide approprié.
Dans une forme d'exécution du transformateur conforme à l'invention, essayée avec succès en pratique dans un système de chauffage par induction dont les éléments essentiels à la compréhension de l'invention sont représentés dans la figure 6, la bobine primaire était constituée de quarante-deux tours de bande de cuivre enroulée sur champ autour d'un croisillon iso- lant. Cette bobine primaire était séparée du secondaire par un intervalle d'air d'un huitième de pouce. Le courant alternatif fourni par la bobine primaire avait une fréquence d'environ 400 kilocycles.
La consommation de puissance en courant continu par les anodes de l'oscillateur fournissant la puissance au transformateur était d'environ 3 kilowatts, tandis que le débit de puissance utile dans la charge métallique à chauffer par la bobiné d'induction était d'environ 11/2 kilowatts. Le diametre du secondaire était d'environ 5 3/4 pouces, tandis que la longueur de chacun des cylindres de cuivre 15 et 16 était d'environ 41/2 pouces. L'enroulement primaire était refroidi par l'air d'un ventilateur. L'isolement entre les bobines primaire et secondai- re était assuré par l'air. Il y avait environ 2200 volts r.m.s. aux bornes de l'enroulement primaire à la fréquence de 400 ki- locycles.
La figure 6 montre les détails essentiels du générateur d'oscillations d'un système de chauffage par induction, donné à titre d'exemple, dans lequel on peut employer un transformateur de courant conforme à l'invention. Le transformateur de courant conforme à l'invention comprend une bobine primaire 10 et deux spires secondaires 15 et 16. Le secondaire est figuré avec ses deux spires en série et correspond à la représentation de la figure 5. La bobine d'induction 17 connectée aux bornes 5 et 6 entoure la charge métallique à chauffer (non représentée).
Le générateur d'oscillations est un circuit de Colpitts et comprend deux tubes à vide Vl et V2 montés électriquement en parallèle. Les anodes des tubes à vide sont connectées par un
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condensateur 32 et une ligne faradisée 33 à l'une des bornes du circuit tank ou déterminateur de fréquence comprenant le bobine primaire 10 du transformateur ainsi qu'une paire de condensa- teurs 30 et 31 fixes connectés en série, tandis que les grilles sont connectées à l'autre extrémité du circuit tank par un condensateur 34 et une ligne faradisée 35. La partie encadrée de pointillés est le poste d'application qui se trouve quelque peu éloigné des tubes à vide Vl et V2, d'une distance de, par exemple, 25 pieds ou plus.
C'est pour cette raison que les lignes faradisées 33 et 35 sont utilisées comme connexions entre les tubes à vide et le poste d'application. Il est évident que, s'il y a lieu, le poste d'application peut être placé très près des tubes à vide, auquel cas les lignes faradisées 33 et 35 peuvent être omises ou repliées pour permettre de varier la distance entre le poste d'application et les tubes à vide.
Les anodes de ces tubes à vide sont connectées l'une à l'autre par une liaison directe 21 qui est alimentée à 3500 volts con- tinus comme potentiel de polarisation d'anode, par une bobine de self 22. Les grilles des deux tubes à vide sont connectées par l'intermédiaire d'anti-parasites 23, 23 dont chacun com- prend une combinaison inducteur-résistance.
Une résistance de polarisation de grille est prévue sous la forme d'une paire de lampes à incandescence à caracté- ristique de résistance variable qui fait que chacune des ré- sistances s'accroît rapidement lorsqu'il passe plus de courant par les lampes. Ces lampes se trouvent en série avec un relais 27 ainsi qu'une résistance variable 24.
Un relais 27 pour circuit auxiliaire à courant continu est prévu dans le circuit des grilles des tubes VI et V2. Dans certaines conditions de réglage, ou du fait de défectuosité de l'une ou l'autre partie de circuit, l'excitation de grille peut tomber sous la normale et être cause d'une dissipation anodique excessive dans les tubes VI et V2. Dans ces condi- tions, une détérioration rapide des tubes à vide peut se pro- duire et ils peuvent être grillés. Ceci est empêché par le fonctionnement du relais 27 qui ouvre les contacts 28 et sup- prime ainsi la tension d'excitation d'anode, commandée par les contacts 28.
Il doit être entendu que le générateur d'oscillations représenté dans la fig. 6 ne forme qu'une partie du système de chauffage à induction qui inclut des particularités addi- tionnelles telles que des circuits de mesurage, des tubes redresseurs pour la fourniture de la puissance nécessaire au système, un équipement de changement de puissance fournie, des filtres de ligne à radio-fréquence, une minuterie. qui arrête le fonctionnement de l'équipement ou le remet en marche après l'intervalle de temps désiré, des lampes pilotes, les divers interrupteurs "d'arrêt" et de "marche" usités d'habitude dans de tels systèmes et un ventilateur pour refroidir les élé- ments qui composent le poste d'application. Ces détails addi- tionnels n'ont pas été représentés parcequ'ils ne font pas en soi partie de la présente invention.
La raison pour laquelle le transformateur de courant suivant l'invention est spécialement applicable à un sys- tème de chauffage par induction sera mieux comprise à la lu- mière de ce qui suit. Certains métaux se chauffent mieux que d'autres et de ce fait nécessitent moins de courant de haute fréquence. En règle générale, les métaux ferreux se chauffent mieux et prennent au générateur d'oscillations plus de courant
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continu que les métaux ferreux. Pour illustrer ceci, on suppo- sera qu'une tôle d'acier est chauffée dans la bobine d'induction 17 ; on éomprendra que cette tôle d'acier prend au générateur d'oscillations le maximum de courant continu en lui imposant la charge maximum.
Pour permettre la concentration la plus élevée de chaleur lorsqu'on chauffe une telle tôle d'acier, il est désirable que le secondaire du transformateur TR soit agencé pour constituer effectivement un secondaire à spire unique, comme le montre la fig. 4. Mais si l'on chauffe une tôle de laiton équivalente, celle-ci prendra moins que le maximum de courant continu et n'imposera pas au génerateur la pleine charge pour un secondaire à spire unique. Le résultat net sera de réduire la chaleur dans la charge, ce qui est dû à une relation d'impédance mal appropriée de la charge au cir- cuit de plaque des tubes à radio-fréquence.
Pour remédier à ce fait, le secondaire doit être arrange de la manière montrée dans la figure 5 afin que l'on dispose d'un secondaire à deux spi- res, auquel cas le secondaire et la bobine d'induction .impose- ront la pleine charge au générateur. Le rapport de transformation du secondaire à deux spires est tel qu'il accroîtra maintenant l'appel de puissance du générateur.
Quoique le principe de l'invention ait été décrit en se référant particulièrement à un transformateur de courant auquel l'opérateur peut, au choix, faire comporter un secondai- re à une spire ou à deux spires par une simple manipulation, il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'un secondaire à deux.spires car les mêmes principes sont applicables à dessecondaires de transformateurs de courant à trois ou quatre spires, simplement formés en disposant bout à bout des spires cylindriques simples supplémentaires de la même manière que celle représentée pour les cylindres 15 et 16. Na- turellement, là ou plus de deux cylindres semblables sont em- ployés dans le secondaire, il sera nécessaire d'employer des barres de connexion supplémentaires pour que tous les cylindres puissent être connectés en parallèle ou en série.
Les caractéristiques d'un transformateur de courant conforme à l'invention sont que:
Il est possible d'établir les raccordements pour le courant électrique et pour l'eau de refroidissement au même moment en une seule opération. Le rapport de transformation peut être changé pour permettre de mieux utiliser la puissance pour des charges qui requièrent des courants différents; ce changement peut se faire sans déplacer la charge à chauffer, et l'entièreté de la surface longée par le courant de tous les cylindres ou spires du secondaire est utilisée, que le secondaire opère en secondaire à une ou plusieurs spires.
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Improvements to current transformers.
This invention relates to current transformers and particularly, but not exclusively, a transformer usable in power generators for induction heating.
The objects of the invention are in particular: a current transformer having a secondary whose number of turns in service can be changed by a simple manipulation, with the aim of having different transformation ratios; a current transformer with a secondary whose number of turns in service can be changed by a simple manipulation of the connection bars and the entire surface along which the secondary current flows is used for all ratios transformation;
a current transformer employing an oscillator with an electronic discharge device whose matched frequency determining circuit comprises the primary winding of a current transformer having a secondary winding whose number of turns in service can be changed, as - coming itself for use in an induction heating system.
A more detailed description of the invention is given below with reference to the accompanying drawings in les-. which:
Fig. 1 shows a current transformer according to the present invention having a secondary with several turns;
Fig. 2 is a view of the current transformer of FIG. 1 showing in dotted lines the primary winding inside the secondary.
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Fig. 3 shows the spider support of the primary winding housed inside the secondary and disposed coaxially with respect to it;
Fig. 4 shows the two simple cylindrical turns of the transformer secondary, electrically connected in parallel to in fact form a single turn secondary;
Fig. 5 shows the two single cylindrical turns of the transformer secondary electrically connected in series to form a two-turn secondary; and
Fig. 6 shows an oscillator circuit for an induction heating system in which the current transformer according to the invention can be used.
Figures 1 to 5 inclusive, more detailed, in which the same members are designated by the same reference numbers, show a current transformer having a primary coil 10 made of copper strips wound around an insulating spider. 11. This primary coil is housed in the secondary coil. The secondary coil consists of a copper cylinder 12 surrounding the primary winding substantially along its entire length and suitably spaced from the primary coil.
The copper cylinder constituting the secondary is divided longitudinally on one side along the center line 13 so as to form a slot and also completely cut in half along a plane 14 perpendicular to the longitudinal slot 13, thus constituting two simple cylindrical turns 15 and 16 eoaxials, separated from each other at their adjacent edges at 14. It is preferable to insert a suitable insulation in the slot formed by the longitudinal separation 13, over the entire length of the secondary, except - on a small portion adjacent to the retort cross partition 14 shown in FIG. 1.
The cylindrical coil 15 which is split at 13 is provided with terminals 1 and 3, while the cylindrical coil 16 which is split along the same line 13 is provided with terminals 2 and 4.
In order for the secondary to function as a single-turn secondary, the two turns 15 and 16 are electrically connected to each other in parallel by a pair of bar-shaped electrical connections called "bars".
I ", one of which will be connected to terminals 1 and 2, while the other will be connected to terminals 3 and 4. This is shown schematically in fig. 4, where the bar-shaped connections are designated by the number 20. In this position the transformer will have the highest transformation ratio from primary to secondary. So that the secondary can function as a two-turn secondary, in order to obtain another transformation ratio, the terminals are connected.
2 and 3 by a single "I" bar so as to connect the two turns 15 and 16 in series.
This is shown in the figures
1 and 5 where a single electrical connector 20, placed diagonally between the terminals 2 and 3 of the cylinders 15 and 16 slit longitudinally, connects these cylinders in series and therefore effectively forms a secondary with two turns:
It is clear that, both when the secondary is actually used as a single-turn secondary, as shown in Figure 4, as as a two-turn secondary, 'as shown in Figures 1 and 5, all of the sufaces
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along which the current flows from the two cylindrical turns 15 and 16 is used.
The primary coil is not shown in Figures 4 and 5 in order not to depart from the simplified representation of the connections between the turns of the secondary.
As mentioned earlier, the primary winding or coil is placed coaxially into the hollow interior of the secondary and extends the lengths of copper cylinders 15 and 16.
This primary coil is suitably spaced from the secondary, for example a distance of one-eighth of an inch along the length of the transformer.
The induction coil consisting of a hollow tube 17 forming one or more turns which is shown in dotted lines in FIG. 1, is connected to terminals 5 and 6 respectively of cylinders 15 and 16. This induction coil derives its power. of the transformer secondary in order to heat or raise the temperature of one or more metallic objects placed inside the induction coil and constituting a load.
To cool the induction coil, a fluid cooling system having an inlet 18 and an outlet 19 is provided. The inlet and the outlet are in the form of hollow copper tubes which communicate with the tube constituting the induction coil 17. The cooling fluid may, as desired, be water or any other suitable liquid.
In an embodiment of the transformer according to the invention, successfully tested in practice in an induction heating system, the elements essential for understanding the invention of which are shown in FIG. 6, the primary coil consisted of forty-two turns of copper tape wound on a field around an insulating spider. This primary coil was separated from the secondary by an air gap of one-eighth of an inch. The alternating current supplied by the primary coil had a frequency of about 400 kilocycles.
The DC power consumption by the anodes of the oscillator supplying power to the transformer was about 3 kilowatts, while the useful power flow into the metal load to be heated by the induction coil was about 11 / 2 kilowatts. The diameter of the secondary was about 5 3/4 inches, while the length of each of the copper cylinders 15 and 16 was about 41/2 inches. The primary winding was cooled by air from a fan. The insulation between the primary and secondary coils was provided by air. There were about 2200 volts r.m.s. at the terminals of the primary winding at the frequency of 400 ki- locycles.
Figure 6 shows the essential details of the oscillation generator of an exemplary induction heating system in which a current transformer according to the invention can be employed. The current transformer according to the invention comprises a primary coil 10 and two secondary turns 15 and 16. The secondary is shown with its two turns in series and corresponds to the representation of FIG. 5. The induction coil 17 connected to the terminals 5 and 6 surround the metal load to be heated (not shown).
The oscillation generator is a Colpitts circuit and comprises two vacuum tubes Vl and V2 electrically connected in parallel. The anodes of the vacuum tubes are connected by a
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capacitor 32 and a faradized line 33 to one of the terminals of the tank or frequency determiner circuit comprising the primary coil 10 of the transformer as well as a pair of fixed capacitors 30 and 31 connected in series, while the gates are connected at the other end of the tank circuit by a capacitor 34 and a faradized line 35. The part framed by dotted lines is the application station which is located somewhat away from the vacuum tubes Vl and V2, at a distance of, by example, 25 feet or more.
It is for this reason that the faradized lines 33 and 35 are used as connections between the vacuum tubes and the application station. Obviously, if necessary, the application station can be placed very close to the vacuum tubes, in which case the faradized lines 33 and 35 can be omitted or folded back to allow the distance between the application station to be varied. application and vacuum tubes.
The anodes of these vacuum tubes are connected to each other by a direct link 21 which is fed at 3500 volts DC as anode bias potential, by a coil of choke 22. The grids of the two tubes vacuum are connected via anti-interference 23, 23 each of which comprises an inductor-resistance combination.
A gate bias resistor is provided in the form of a pair of incandescent lamps with a variable resistance feature which causes each of the resistors to increase rapidly as more current passes through the lamps. These lamps are in series with a relay 27 as well as a variable resistor 24.
A relay 27 for an auxiliary DC circuit is provided in the circuit of the grids of tubes VI and V2. Under certain tuning conditions, or due to a fault in either part of the circuit, the gate excitation may drop below normal and be the cause of excessive anode dissipation in the tubes VI and V2. Under these conditions, rapid deterioration of the vacuum tubes can occur and they can be burnt out. This is prevented by the operation of the relay 27 which opens the contacts 28 and thus suppresses the anode excitation voltage, controlled by the contacts 28.
It should be understood that the oscillation generator shown in fig. 6 forms only a part of the induction heating system which includes additional features such as measuring circuits, rectifier tubes for supplying the power required for the system, power supply change equipment, filters of radio-frequency line, a timer. which stops the operation of the equipment or starts it again after the desired time interval, pilot lamps, the various "off" and "on" switches customarily used in such systems and a fan for cool the elements that make up the application station. These additional details have not been shown because they do not in themselves form part of the present invention.
The reason why the current transformer according to the invention is especially applicable to an induction heating system will be better understood in the light of the following. Some metals heat better than others and therefore require less high frequency current. In general, ferrous metals heat up better and take more current from the oscillation generator.
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continuous than ferrous metals. To illustrate this, it will be assumed that a steel sheet is heated in the induction coil 17; it will be understood that this sheet of steel takes the maximum direct current from the oscillation generator by imposing the maximum load on it.
In order to allow the highest concentration of heat when heating such a steel sheet, it is desirable that the transformer secondary TR be arranged to effectively constitute a single turn secondary, as shown in fig. 4. But if we heat an equivalent brass sheet, it will take less than the maximum direct current and will not impose on the generator the full load for a secondary with single turn. The net result will be to reduce the heat in the load, which is due to an improper impedance relationship of the load to the plate circuit of the RF tubes.
To remedy this fact, the secondary must be arranged as shown in figure 5 so that a two-coil secondary is available, in which case the secondary and the induction coil will impose the secondary. full load to the generator. The transformation ratio of the two-turn secondary is such that it will now increase the generator power demand.
Although the principle of the invention has been described with particular reference to a current transformer which the operator can optionally have a second or two turns by a simple manipulation, it must be understood that the invention is not limited to the use of a two-spiral secondary since the same principles are applicable to secondary current transformers with three or four turns, simply formed by placing simple cylindrical turns end to end in the same manner as that shown for cylinders 15 and 16. Of course, where more than two like cylinders are used in the secondary, it will be necessary to employ additional connecting bars so that all cylinders are used. can be connected in parallel or in series.
The characteristics of a current transformer according to the invention are that:
It is possible to make the connections for the electric current and for the cooling water at the same time in a single operation. The transformation ratio can be changed to allow better use of the power for loads which require different currents; this change can be done without moving the load to be heated, and the entire surface bordered by the current of all the cylinders or turns of the secondary is used, whether the secondary operates as a secondary with one or more turns.
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