Transformateurs
Régulateur à ferro-résonance
Electricité
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Le régulateur à ferro-résonance permet de stabiliser la tension et peut limiter le courant.
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Les régulateurs à ferro-résonance ont connu leur heure de gloire dans les ménages dans les années 1960 avec l'arrivée en masse sur le marché des premières télévisions (monochromes et à lampes). La tension du réseau électrique n'était pas très stable, surtout si tu habitais en fin de ligne (ou dans un camping à la cote belge). Pour avoir un meilleur fonctionnement de la télé (sans décrochage de la base de temps) les ménages utilisaient un régulateur à ferro-résonance.


Precisia Color 400
Conçu pour téléviseurs couleur
(qui consommaient 400W)

Le principe de base est un transformateur qui travaille en saturation. Quand la tension augmente, l'induction au secondaire ne peut presque pas augmenter, car la perméabilité du fer diminue. Plus la tension augmente, et plus le sinus est applati en haut et en bas. La déformation du signal peut êtrte très importante, mais cela n'a aucune incidence pour de nombreux appareils.

Attention, la saturation ne peut apparaitre qu'au secondaire, ou entre le primaire et le secondaire. Il faut que la perméabilité du circuit primaire soit toujours maximale. Si le circuit primaire entre en saturation, il n'y a plus de force contre-électromotrice qui est générée et le courant primaire n'est plus limité. Cette caractéristique fait que le transformateur du régulateur a généralement une construction particulière ou utilise deux transformateurs, dont l'un travaille dans sa partie linéaire tandis que le second transformateur entre en saturation.

En pratique dans les appareils récents on met un shunt magnétique entre le primaire et le secondaire. Ce shunt va cours-ciruiter une partie du champ magnétique. Une partie du champ magnétique ne passe donc pas au secondaire et cela produit une légère réduction du rendement du transformateur comparé à un transformateur normal.

Pour limiter les distortions du signal, on ajoute généralement un autre bobinage avec un condensateur en parallèle. Ce condensateur va former un circuit accordé avec le bobinage, le circuit est accordé sur la fréquence du réseau. Ce circuit accordé va améliorer la forme du signal (mais a de nombreux autres avantages, ce qui fait que pratiquement tous les régulateurs sont à circuit résonnant).



Le stabilisateur ferro-résonnant ressemble à un transformateur classique, mais avec un couplage entre primaire et secondaire limité. Un condensateur est ajouté sur le second bobinage du secondaire pour faire entrer le secondaire en résonance. Le secondaire produit alors une surtension qui est suffisante pour totalement saturer la partie secondaire du transfo. La tension secondaire est ainsi limitée par la saturation du circuit magnétique secondaire.



Pour avoir une stabilisation parfaite de la tension secondaire le stabilisateur a un bobinage supplémentaire couplé directement au primaire. La tension qui est proportionelle à la tension primaire est envoyée en antiphase au secondaire. Quand la tension primaire augmente, cette légère augmentation de la tension (inverse) permet une meilleure stabilisation. Ce bobinage supplémentaire est appellé "Cor" ou "compensating winding" sur les schémas. Le shunt est un cours circuit magnétique qui referme une partie du champ magnétique directement sur le primaire.

Le stabilisateur existe aussi bien en version "transformateur", avec primaire et secondaire séparés galvaniquement, ce qui améliore la réjection des parasites, et en version "autotransfo" sans séparation. Le second schéma a un secondaire séparé.

Sur le second schéma nous avons le bobinage primaire et sur le même circuit magnétique on va placer le bobinage de compensation qui fournit une tension proportionelle à la tension d'alimentation, mais en antiphase.

Sur le circuit magnétique saturable on va placer le bobinage secondaire et le bobinage de résonance. La tension de sortie est prélevée sur le secondaire (tension stable) et le bobinage de compensation.

Les régulateurs à ferro-résonance ont de nombreux avantages:

  • Ils sont simples, fiables et ne contiennent pas de composant électroniques qui peuvent s'user.
  • La stabilisation est très bonne, de l'ordrer de quelques % pour une variation de la tension d'alimentation de 30% (pour une charge de 100%). Si une meilleure stabilisation est nécessaire il suffit d'utiliser un transfo surdimensionné, la régulation est alors meilleure que 1%.
  • Le régulateur agit également comme limiteur de courant. En principe le courant est limité à 200% du courant nominal. Un fusible au secondaire n'est pas nécessaire et le régulateur peut rester en cours circuit en permanence.
  • Ils limitent fortement les perturbations du réseau: les parasites et les pics sont absorbés. Cette correction fonctionne dans les deux sens: les parasites d'un moteur à charbons ou d'un gradateur à commande par angle de phase (triac) sont absorbés.
  • Les régulateurs à circuit résonnant peuvent continuer à fournir du courant pendant une micro-coupure (pendant plus d'une période, selon la charge)
  • La régulation est instantanée (en comparaison des systèmes mécaniques).

Ce type de régulateur a également des inconvénients:
  • Le rendement est assez moyen, le transformateur absorbe constamment de la puissance, même quand il travaille à vide. Le transformateur devient très chaud
  • Il faut surdimensionner le régulateur si la charge peut varier (appel de courant important au démarrage). Cela peut par contre être un avantage dans certaines applications car le courant maximum est limité à une valeur sûre.
  • Il faut également surdimensionner si on veut une stabilisation très précise (mieux que 1%). Cela implique que la consommation à vide est plus importante.
  • Le transfo travaillant en saturation, il y a un champ magnétique de fuite important. Ce type de régulateur ne pouvait pas être utilisé à coté de téléviseurs couleurs à cause du champ magnétique.
  • L'appareil est lourd en comparaison de la puissance fournie.
  • Le facteur de puissance n'est pas optimal comme pour tous les transformateurs travaillant en charge partielle.
  • La tension de sortie dépend de la fréquence du réseau, avec une variation de 1.5% ou plus par variation de la fréquence de 1%. Le régulateur ne peut pas être alimenté par un groupe électrogène (mais les groupes électrogènes ont un régulateur incorporé).
  • Le régulateur peut produire des petites oscillations parasites sur le réseau secondaire quand des charges spéciales sont alimentées (redresseurs d'une alimentation). Ces oscillations ne se propagent pas au primaire.

Le transformateur à ferrorésonance était utilisé dans certains chargeurs de batterie: il permettait de limiter à la fois le courant maximum et la tension maximale et était donc bien adpaté pour charger les batteries plomb-acide classiques. Le fonctionnement correct était assuré même avec une tension variant plus de 20%. Plus tard, on utilisera des circuits transistorisés pour limiter le courant et la tension.

Utilisation actuelle

Les régulateurs à ferro-résonance sont toujours fabriqués pour certaines applications où on profite des avantages de ce type de régulateur: il protège le réseau en amont des cours-circuits et des perturbations au secondaire et limite de façon graduelle les sur-intensités. Il limite les effets de la foudre sur le réseau électrique en bloquant les surtensions. Il permet de linéariser le signal issu d'un onduleur et protège celui-ci des surcharges et cours circuits.

Le stabilisateur à ferro résonance peut être utilisé pour l'élimination des parasites du réseau, par exemple pour l'alimentation d'une chaine hifi haut de gamme. Par contre le transfo limite la puissance transmise au secondaire et il faut sélectionner un modèle suffisamment puissant. Certains types d'alimentation (internes à la chaine hifi) ne sont pas compatibles avec les stabilisateurs.

Une application est par exemple l'alimentation d'appareils sur le réseau ferroviaire. A bord des trains, la tension n'est pas très stable à cause du contact qui n'est pas parfait avec le caténaire. Il peut y avoir aussi bien des chutes de tension que des surtensions et même des micro-coupures. Le régulateur à ferro-résonance est le système le plus fiable pour éliminer ces parasites.

Les fours électriques (fours à arc) sont une autre application. Les électrodes en carbone plongent dans la ferraille pour la faire fondre. Le courant peut varier dans de très fortes proportions et le transformateur limite le courant maximal et enpèche les parasites de se propager au circuit primaire.

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