Brevet FR2664089A1 — publié le 19920103

- CONDENSATEUR DE PUISSANCE La présente invention concerne un condensateur de puissance, plus particulièrement un condensateur de puissance du type constitué par au moins un élément capacitif obtenu par bobinage d'au moins deux films diélectriques métallisés En fait la présente invention concerne plus particulièrement des condensateurs de puissance du type ci-dessus utilisés dans les éléments de filtrage montés sur du matériel roulant ou fixe De tels condensateurs doivent présenter une énergie spécifique très importante, en général supérieure à 100 Joules/litre, être le plus léger possible et résister à des contraintes de vibrations non négligeables. Actuellement les condensateurs de puissance de ce type sont obtenus en utilisant comme film diélectrique du papier métallisé, ce papier métallisé étant imprégné à la cire Or le papier métallisé est un constituant cher, ce qui entraîne un coût de fabrication des condensateurs qui devient prohibitif. D'autre part, la densité du papier métallisé est d'environ 1,3, ce qui donne un produit final lourd De plus, du fait de l'imprégnation à la cire ainsi que du type de film diélectrique utilisé, les performances des condensateurs sont limitées en température et en tension. En conséquence, notamment pour les applications spécifiques mentionnées ci-dessus, la Demanderesse a cherché à fabriquer des condensateurs de puissance en utilisant d'autres types de matériaux que le papier métallisé imprégné à la cire. Ainsi, la présente invention a pour but de fournir un nouveau type de condensateur de puissance présentant une énergie spécifique non négligeable ainsi qu'un gradient de fonctionnement nettement amélioré par rapport aux condensateurs de l'art antérieur. En conséquence, la présente invention a pour objet un condensateur de puissance du type constitué par au moins un élément capacitif obtenu par bobinage d'au moins deux films diélectriques métallisés de préférence à l'aluminium, caractérisé en ce que le film diélectrique est constitué par un film plastique, en ce que l'élément capacitif est aplati de manière à former un élément plat présentant une épaisseur garantie et en ce que l'élément plat est imprégné par un diélectrique liquide. Selon un mode de réalisation préférentiel, le film plastique est un film polymère à surface rugueuse, l'utilisation d'une surface rugueuse permettant une meilleure imprégnation. Selon une autre caractéristique de la présente invention, pour améliorer les autocicatrisations, le film métallisé présente un crénelage formé par des démétallisations locales du film métallisé Ce crénelage peut être constitué par des créneaux droits ou en forme de T. D'autre part, le diélectrique liquide est constitué, essentiellement, par un diélectrique de type végétal En effet, un tel diélectrique n'abîme pas la métallisation aluminium et pénètre très faiblement le film plastique polypropylène. Selon une autre caractéristique de la présente invention, pour des questions de sécurité, le ou les éléments capacitifs constituant le condensateur sont montés dans une cuve métallique avec interposition de cales en matériau isolant Les cales en matériau isolant permettent d'amortir les vibrations dans le cas o le condensateur est monté sur du matériel roulant tels que des trains, et la cuve en matériau métallique permet de réaliser une mise à la masse du condensateur. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un condensateur de puissance, caractérisé par les étapes suivantes: bobinage sur une broche d'au moins deux films plastiques métallisés de manière à obtenir un élément capacitif cylindrique, le bobinage étant réalisé avec un asservissement continu du foisonnement; aplatissement de l'élément cylindrique de manière à former un élément plat présentant une épaisseur prédéterminée; étuvage sous vide de l'élément plat shoopage des terminaisons latérales de l'élément plat câblage des connexions; mise en cuve et imprégnation de l'élément plat avec un diélectrique liquide. De préférence, pour éviter les courts-circuits entre les films diélectriques métallisés, en début et en fin de bobinage, un film diélectrique non métallisé est inséré entre deux films métallisés. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation préférentiel d'un condensateur de puissance conforme à la présente invention, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: les figures l A et l B sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe partielle d'un élément capacitif conforme à la présente invention après bobinage; la figure 2 est une vue en perspective d'un condensateur constitué de plusieurs éléments capacitifs avant shoopage; la figure 3 est une vue en perspective d'un condensateur tel que représenté à la figure 2 après câblage des différents éléments capacitifs, et la figure 4 est une vue en coupe montrant les éléments capacitifs à l'intérieur d'une cuve. On décrira donc en se référant aux figures 1 à 4 un mode de réalisation préférentiel d'un condensateur de puissance conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure l A, le ou les éléments capacitifs constituant le condensateur de puissance sont obtenus par bobinage autour d'une broche M d'au moins deux films 1 présentant des zones métallisées 2 et sur leurs bords opposés des marges 3 non métallisées Le film métallisé utilisé dans le cadre de la présente invention est un film polymère, plus particulièrement un film de polypropylène bi-orienté Pour permettre une imprégnation ultérieure, le film de polypropylène est de préférence, comme représenté sur la figure l B, un film rugueux Il peut être rugueux sur une face ou rugueux sur les deux faces De manière connue, ce film, prétraité corona, a été métallisé en utilisant un métal tel que l'aluminium dans un appareil de métallisation sous vide (résistivité de la métallisation l à 5 a) D'autre part, selon une variante de la présente invention, on utilise un film métallisé présentant un crénelage formé par des démétallisations locales du film métallisé. L'utilisation d'un tel crénelage permet d'améliorer l'autocicatrisation. Afin de réaliser un shoopage correct sur les tranches de bobines, les deux films métallisés sont bobinés en étant décalés l'un par rapport à l'autre, de plus, un film plastique rugueux non métallisé est inséré entre les deux films sur environ 2 tours en début et en fin de bobinage. Conformément à la présente invention, le bobinage est réalisé autour de la broche avec un asservissement continu du foisonnement Dans le mode de réalisation représenté, cet asservissement sera tel que l'on obtienne un diamètre extérieur de bobine sur le mandrin M correspondant à un foisonnement d'environ 15 % par rapport à l'épaisseur pondérale du film métallisé Par foisonnement, on entend l'inter-espace donné par le bobinage entre les couches Pour obtenir une bonne imprégnation et de bonnes preformances, le foisonnement doit être le plus constant possible. Une fois le bobinage terminé, l'élément capacitif cylindrique C ainsi obtenu est extrait de la broche M, il est aplati et mis en presse à une côte mécanique correspondant à un foisonnement de 12 % dans le mode de réalisation représenté de manière à obtenir un élément plat C' tel que représenté sur la figure 2 L'utilisation d'éléments plats permet d'obtenir des éléments dont l'épaisseur e est parfaitement contrôlée, c'est-à-dire des éléments dont le foisonnement est tout à fait déterminé. Comme représenté sur la figure 2, pour obtenir un condensateur de puissance présentant une valeur de capacité spécifique, plusieurs éléments plats C', à savoir huit dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, sont empilés les uns sur les autres Il sont maintenus entre deux plaques 4 réalisées par exemple en tissu de verre époxy, l'ensemble étant solidarisé par l'intermédiaire de deux bandes plastiques 5 de manière à former un pain cerclé. Conformément au procédé de réalisation des condensateurs de puissance de la présente invention, afin de stabiliser mécaniquement le film diélectrique, le pain d'éléments plats est soumis à une cuisson dans une étuve sous-vide De préférence, cette cuisson est réalisée à une température d'environ 800 C sous un vide inférieur à 10 mm d'Hg Après avoir atteint la température et le vide désiré> le pain est laissé dans l'étuve pendant 24 heures Puis, on fait redescendre la température jusqu'à 20 C et on laisse les pains pendant 16 heures avant de les sortir à température ambiante. Une fois cette opération réalisée, on prépare les différents éléments plats de manière à pouvoir effectuer le shoopage des terminaisons latérales Dans le mode de réalisation représenté, le shoopage est réalisé de manière connue par projection d'un métal tel que du zinc sur une surface 6 (épaisseur couche de Zn: 0,6 pim). Après le shoopage, on effectue le câblage des différents éléments capacitifs C Cette opération de câblage est réalisée après nettoyage des pains de manière à éliminer les poussières de zinc Ce nettoyage a lieu par exemple en envoyant de l'air comprimé à une pression de 4 bars On réalise alors le câblage proprement dit des différents éléments Ce câblage est réalisé en soudant tout d'abord un clinquant de cuivre étamé sur la partie médiane qui a pour but de rigidifier l'ensemble du pain Puis on soude sur chaque élément une tresse de cuivre 9. Comme représenté sur la figure 3, les connexions des différents éléments sont réalisées symétriquement en haut et en bas de la médiane pour chaque demi-pain de manière à obtenir une meilleure répartition des courants Dans ce cas, les éléments capacitifs sont montés en parallèle Il est évident pour l'homme de l'art que les éléments capacitif S peuvent être montés en parallèle et/ou en série. D'autre part, comme représenté sur la figure 3, un fil de connexion 10 est soudé sur la partie 8 Ce fil de connexion est destiné à relier le pain capacitif à la borne de connexion extérieure, comme représenté sur la figure 4. Dans le mode de réalisation de la présente invention, avant de réaliser l'imprégnation du pain d'éléments capacitifs ainsi obtenu, on effectue un certain nombre d'essais de régénération Ces essais à sec permettent d'éliminer les points faibles, d'obtenir une population plus homogène et d'augmenter les rendements finaux Le premier essai consiste à décharger dans chaque pain une énergie ballast de, par exemple, 62 Joules, qui correspond à la charge sous 500 Volts d'un condensateur de 500 lLF Cet essai permet de réaliser le décourt-circuitage. Ensuite, on réalise des essais de régénération en tension Chaque pain est chargé à une tension continue correspondant à un gradient sur le film de, par exemple, V/f Cette tension est appliquée pendant un temps d'environ secondes Pendant ce temps, on observe donc un nombre important de régénérations Si les régénérations ne sont pas stabilisées au bout de 30 secondes, le pain est considéré comme inutilisable. Une fois ces essais réalisés, le pain est alors près à être monté en cuve comme représenté sur la figure 4. Conformément à la présente invention, on utilise comme cuve un boîtier parallélépipèdique métallique, réalisé par exemple en acier, en inox, en aluminium Le boîtier métallique permet de mettre facilement à la masse le condensateur et est utilisé pour des raisons de sécurité Comme représenté sur la figure 4, la cuve métallique 11 est garnie intérieurement avec des plaques 12, 13 ainsi qu'une plaque de maintien 14 insérée ultérieurement, réalisés en des matériaux isolants par exemple en polypropylène Ces plaques en matériaux Isolants servent à Isoler électriquement le ou les pains par rapport à la cuve A titre d'exemple, la plaque 13, disposée en fond de cuve, présente une épaisseur de 10 mm tandis que les profilés latéraux 12 présentent une épaisseur de 2 mm Ensuite un ou plusieurs pains d'éléments capacitifs C' sont Introduits dans la cuve métallique 11 et sont calés avec un ou plusieurs jeux de plaques 15 réalisées elles aussi en matériaux Isolants Le calage du ou des pains à l'intérieur de la cuve est essentiel pour que les éléments capacitifs supportent les vibrations La plaque de maintient 14 est ensuite introduite Deux équerres 16 sont alors soudées en haut de cuve pour immobiliser l'ensemble. Ensuite, comme représenté sur la figure 4, la cuve est munie d'un couvercle 17 présentant une ouverture 18 pour le passage des bornes de connexion 19 et l'imprégnation Une fois les pains capacitifs montés dans la cuve, on réalise alors leur Imprégnation Cette imprégnation est effectuée en utilisant un diélectrique liquide, de préférence un diélectrique de type végétal tel que l'huile de colza qui a pour principal avantage de ne pas abîmer la métallisation et de pénétrer très faiblement le film polypropylène. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que des mélanges huile de colza et liquides de synthèses aromatiques pourraient aussi être utilisés, sous réserve qu'ils ne détériorent pas la métallisation Des adjuvants tels que antl-oxydant et époxy sont ajoutés dans des préparations inférieures au %; ces adjuvants, en particulier l'époxy, permettent d'augmenter les durées de vie des condensateurs. L'imprégnation se réalise en deux phases On effectue tout d'abord le séchage du condensateur, de préférence à une température de 50 'C sous un vide de 10 mm de mercure On considère que le condensateur est correctement séché lorsqu'on a atteint le couple 500 C/10 mm d'Hg pendant 24 heures. Puis on réalise l'imprégnation proprement dite Pour cela, on dégaze sous vide, à 60 C, le liquide et on le dépollue sur des matériaux terres ou sur colonne d'alumine activée Le liquide est alors admis dans la cuve d'imprégnation sous vide à _ 2 10 mm de mercure Les pains capacitifs sont alors imprégnés par immersion On considère que le condensateur est complètement imprégné lorsque l'augmentation de capacité sur huit heures n'excède pas 1 % A ce stade, le vide est cassé sous azote à pression atmosphérique et la température est alors coupée Lorsque l'ensemble est refroidi, le liquide est vidé de la cuve et l'on obture le trou d'imprégnation par soudure d'une capsule ou d'un préssostat préréglé à 0,7 bar, un tel système permet de détecter toute augmentation de pression interne due à un défaut quelconque, et contribue alors à une fonction de sécurité. Les condensateurs ainsi obtenus sont alors soumis à des contrôles de fin de production de type classique, tels que des essais d'étanchéité, des contrôles électriques à température ambiante et de traitements de finition. L'utilisation du procédé de réalisation décrit ci-dessus a donc permis d'obtenir des condensateurs de puissance présentant une énergie spécifique importante, à savoir supérieure à 100 Joules par litre D'autre part, ces condensateurs peuvent être soumis à des contraintes de vibration. REVENDICATIONS 1 Un condensateur de puissance du type constitué par au moins un élément capacitif obtenu par bobinage d'au moins deux films diélectriques métallisés, caractérisé en ce que le film diélectrique est constitué par un film plastique, en ce que l'élément capacitif est aplati de manière à former un élément plat présentant une épaisseur garantie et en ce que l'élément plat est imprégné par un diélectrique liquide. 2 Un condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film plastique est un film polymère à surface rugueuse. 3 Un condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le film métallisé présente un crénelage formé par des démétallisations locales du film métallisé. 4 Un condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le diélectrique liquide est constitué par un diélectrique de type végétal. Un condensateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que des adjuvants sont ajoutés au diélectrique liquide. 6 Un condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments capacitif S montés en parallèle ou/et en série. 7 Un condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou les éléments capacitif S sont montés dans une cuve métallique avec interposition de cales en matériau isolant. 8 Procédé de fabrication d'un condensateur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par les étapes suivantes: bobinage sur une broche d'au moins deux films plastiques métallisés de manière à obtenir un élément capacitif cylindrique, le bobinage étant réalisé avec un asservissement continu du foisonnement; aplatissement de l'élément cylindrique de manière à former un élément plat présentant une épaisseur prédéterminée étuvage sous vide de l'élément plat; shoopage des terminaisons latérales de l'élément plat câblage des connexions; mise en cuve et imprégnation de l'élément plat avec un diélectrique liquide. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, en début et en fin de bobinage, un film diélectrique non métallisé est inséré entre deux films métallisés. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que plusieurs éléments plats sont placés en parallèle avant l'opération d'étuvage de manière à obtenir la capacité voulue.