Brevet FR2812122A1 — publié le 20020125

DESCRIPTIF TECHNIQUE La présente invention concerne les convertisseurs statiques parfois appelés "alimentation à découpage" ou encore "inverters". D'une façon plus précise, elle concerne le transformateur de ces convertisseurs associés aux redresseurs. Dans les systèmes connus en ce genre, on utilise des transformatcurs dérivés des systèmes à 50 Hz dans lesquels les bobines sont constitués par des couches de fils superposées les unes aux autres. Elles sont bobinées sur des mandrins à section carrée, rectangulaire ou circulaire et sont généralement allongées. Il est connu depuis longtemps que la qualité d'un transformateur est d'autant meilleure que son inductance de fuite est faible. Cette notion de qualité prend toute son importance dès lors qu'on utilise le transformateur à une fréquence élevée, ceci en vue de réduire sa masse, son encombrement ainsi que ses pertes, qu'elles soient d'origine magnétiques ou par efifet Joule. Pour réduire l'inductance de tuite, il est connu d'efiectucr un certain liactionncment des bobinages primaires et secondaires de façon à améliorer leur interpénédtration. ()il autra alors, par exemple, une couche de bobinage primaire, une couche dc secondaire, ine coLuche de primlaire, une couche de secondaire et ainsi de suite. Dans les systèmes connus de ce genre, la réalisation des bobinagtes est flastidieusc. cc qui conduit à des coûts de réalisation élevés. En outre le couplage capacitif entre les primaires et les secondaires est important, ce qui pose des problèmes au nivcau des circuits de découpage et de redressement. Le dispositif suivant l'invention évite ces inconvénients. En effet, les bobinages primaires et secondaires sont constitués par l'empilement de bobines standard, peu coûteuses car fabriquées en grande série. Ce type d'empilement permet non seulement d'atteindre dc très tfaible inductance de fuite, en raison du fait qu'on peut multiplier à volonté l'interpénétration des primaires et secondaires, mais aussi de faciliter le refroidissement du transformateur dès lors que certaines bobines élémentaires sont constituées par des plaques de cuivre. L'invention concerne les transformateurs ainsi que les circuits de redressement ct de filtrage qui leur sont associés dans les convertisseurs statiques à haute ou moyenne lièqutCnce caractérisd en ce que, au moins l'un des bobinages est constitué par des plaques métalliques (3), avantageusement en cuivre ou en aluminium, comportant une lumière ( 10) pour laisser passer le noyau(1) du transformateur ainsi qu'une tente (1 1l) suivant une lormc convenable pour former une spire autour du noyau. Suivant une autre caractéristique, les plaques métalliques (3) sont connectées entre elles par une vis centrale et des entretoises en cuivre (5), suivant une colonne A, susceptible d'être refroidie par circulation d'eau. Suivant une autre caractéristique, au moins l'un des bobinages primaire ou secondairc du transformateur est constitué par des bobines plates (2) en fil de cuivre bobiné en deux couches disposées côte à côte dans lesquelles le fil à la forme d'une spirale de telle sorte qu'au centre de la bobine les deux spirales se trouvent reliées par la continuité du fil qui les constituent et qu'à l'extérieur de ladite bobine, on trouve les deux extrémités du bobinage. Suivant une autre caractéristique, les diodes de redressement (4) sont constituées directement par des puces avantageusement réalisées en silicium, encore appelées "fuisions" empilées entre les plaques (3) et (14) et convenablement connectées pour réaliser un redressement diphasé. Suivant une autre caractéristique, au moins deux cellules élémentaires de rcdressement sont 1 5 connectées en parallèle sur la sortie. Suivant une autre caractéristique, les bobines primaires (2) sont constituécS par des bobines plates (2) à double spirale. Suivant uLne autre caractéristique, les primaires sont constituées par des plaCluC ic cUiwlvrc (3) entourant le noyau (1) et comportant une fente ( 1). Suivant une autre caractéristique, les diodes sont refroidies par une circulation d'eau en contact avec les plaques (3) et (14) ou par une circulation d'air forcé circulant entre ces mêmes plaques. Suivant une autre caractéristique, le convertisseur peut être utilisé pour effelcctuer des soudures par point OLu de la soudure TIG ou MIG. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description qui va suivre référencée aux dessins annexés dans lesquels - La figure I représente le schéma de principe de l'ensemble transformateur, redresscur et circuit de filtrage. - La figure 2 représente une vue éclatée d'un convertisseur statique abaisscur- d'impédance. - la figure 3 représente une coupe du convertisseur de la tigure 2 - La figure 4 représente une des plaques (3) formant les spires du secondaire d'un convertisscur abaisseur. - La figure 5 représente une vue éclatée d'une cellule d'un convCrtisseur statilque élévateur d'impédancc. - La figure 6 représente différents modes de connections des cellules du convertisseur. L'invention peut se décliner suivant deux grandes classes: les convertisseurs "abaisseurs d'impédance" et les "élévateurs d'impédance". Dans le premier cas, la tension de sortie est inférieure à celle alimentant le pont découpant la tension continue d'alimentation résultant du redressement du secteur, dans le second cas elle est supérieure. D'une tfaçon générale, un convertisseur est constitué par la mise en (oeuvr de e plusieurs cellules élémentaires telle que celle schématisée sur la figure 1. La connection dc sortie des cellules peut s'effectuer en série pour les élévateurs d'impédance (Fig. 6a) ou en parallèle pour les abaisseurs d'impédance (Fig. 6b)ou encore suivant une infinité de combinaisons en série parallèle de [açon à adapter au mieux les impédances tout en utilisant des bobinecs (2) et des plaques (3) aussi standard que possible. La cellule élémentaire du convertisseur, représentée en figure (1) permet d'en comprendre le fonctionnement. Le système comprend essentiellement un noyau ferromagnétique (1) feuilleté constitué par exemple par du fer au silicium laminé en épaisseur de 0,05 à O11 mim ou par du matériau amorphe (VITROVAC par exemple) et réalisé suivant la technique bien connue dite "Cnl C coupé". Autour du noyau (1) sont disposés - un bobinage primaire (P) qui peut suivant les cas être constitué par unl placLue mlilCtIaliquC (3) avantageusement en cuivre ou en aluminium, ou par une bobine à double spirale (2). - un bobinage secondaire (S) comportant un point milieu qui peut être constitué par deux plaques (3) connectées par une colonne conductrice (12) lorsque le primaire est une bobine double spirale (2) ou cdeux bobincs spirales lorsque le primaire est constitué par ulneC plaque (3). A noter que dans le dernier cas, on peut également n'utiliser qu'une seule bobine à double spirale (2) à condition d'utiliser un redressement en pont comme schématisé sur la figure 1 bis. Ia cellule élémentaire donnée en figure I est dotée d'un circuit de redrcssement cliphasé utilisant deux diodes D. Elle peut comnporter un circuit de filtrage L-C, mais celui-ci peut également être placé en sortie du convertisseur, c'est à dire après qu'on ait connecté toutes les cellules élémentaires en parallèle comme schématisé sur la figure 6a ou en série comme schématisé sur la figure 6b. Suivant un premier mode préféré de réalisation de l'invention, donné à titre indicatif et, bien entendu nullement limitatif le convertisseur statique est utilisé pour obtenir des courants élevés sous une tension laiblec. C'est le cas de lbnctionnement qui a été désigné plus haut sous l'expression "abaisscur d'impédance". PouLr être mieux compris, prenons le cas concret d'une alimentation de soudure par point capable de délivrer 10 000 ampères sous une tension de 10 volts. Pour atteindre cette intensité élevée, on connectera en parallèle suivant le schéma de la figure 6b, cinq cellules constituées comme représenté en éclaté Sur la figure 2 c'cst à dire comportant deux plaques de cuivre (ou éventuellement d'aluminium) (3) qui constituent les secondaires. La coupe donnée en figure 3 permet de mieux comprendre la réalisation du circuit de la figure 1. Entre les deux plaques (3), qui entourent le noyau (1), grâce à la lumicèr (1 0) ménagée dans cette plaque représentée sur la figure 4, est placé un primaire (9) qui est une bobine plate comportant un bobinage sous forme de deux spirales reliées entre elles par le centre dont le grand avantage est d'avoir ses sorties à l'extérieur d'o une connection Itfcile. Ce type de bobinc présente l'avantage d'une grande compacité c'est à dire une faible épaisseur favorisant ainsi un bon remplissage en cuivre de l'espace disponible pour le primaire et un bon refroidissement de celui-ci qui peut être réalisé par les plaques (3) elles-mémes refroidies comme il sera décrit ci-dessous. La connection des points milieux des primaires qui constitue l'une des sorties du circuit de redressement c'est à dire du convertisseur est réalisée par serrage suivant l'axe A,. d'entretoises en cuivre (5) au moyen d'une tige d'acier passant par le trou ( 12) miagtcl dans la plaque (3). Les diodes de redressement sont réalisées en plaçant directement les puces en siliciLum (4) souvent appelées "f'usions" suivant un empilement ayant l'axe,A, Ainsi les diodes relint lIcs extrnmites (13) des spires découpées dans les plaques (3) grâce L la liante (11) aux lamies dc collection (14) qui constituent l'autre sortie du convertisseur. Pour quc les contacts diodes - plaques de cuivre soient peu résistifs, il faut serrer l'empilement suivant l'axe A, au moeyeni de vis ou de tiges filetéecs ou en acier, non représentées sur les figurcs. Les primaires, tous conncctés en série suivant la figure 6b, seront alimentés par un pont symétrique découpant lc secteur redressé par des créneaux carrés de 550 V d'amplitudc. On fonctionnera par exemple à une fréquence pouvant aller de 3 à 1 0 kHz. Si, par exemple, celle-ci est de 5 kHIz et si on utilisc un noyau de section utile de 5 cm2 trl-availlant à une induction crête de iT, il faudra que le primaire comporte 55 spires. Ceci sera réalisé, par exemple, par 5 bobines de 1 1 spires. Ainsi le rapport de transformation sera de 55. Le refroidissement des diodes et du transformateur est réalisé à partir des plaques (3) et des collecteurs (14), lesquels sont refiroidis par eau ou par air. Suivant un deuxième mode préféré de réalisation de l'invention donnée, là aussi à titre purement indicatif et bien entendu nullement limitatif: le convertisscur statique, objet de l'invention. est utilis'é conmme source à haute tension ce qui peut encore s'appeler "cOnvertisseur élévateur d'impédance". Dans ce cas, on utilise les plaques (3) pour constituer les primaires ainsi lue schnematisé sur la figure 5. Pour mieux faire comprendre l'invention, plaçons nous dans le cas concret d'une alimentation à haute tension délivrant une tension de 5600 volts. Supposons que le noyau ait une section de 50 cm2 et qu'il supporte une induction crête de 0,56T à la lfréquence de 5 kllz. Ie nombre de spires primaires. c'est à dire de plaques (3) connectées en série par le jeu des colonnes de connections A4 et A, sera de 10. Les connections des plaques se feront par une série d'entretoises (15) alternativement isolantes ou conductrices. Comme précédemment, les plaques (3), comportant une lumière (10) pour laisser passer le noyau ainsi qu'une ftente (11) nécessaire pour former une spire, sont empilées alternativement face F en haut puis en bas, puis en haut, etc... de telle sorte que les spires tournlent dans le même sens lformant ainsi un bobinage spiralé. Les secondaires sont formés par des bobines (2) de type "à double spirale" déjà évoqué plus haut. On a sur la figure 5 représenté une cellule utilisant deux bobines (2) connectées dans un sens convenable pour que les deux fils de sortie (16) et (17) délivrent des créneaux carrés en opposition de phase. Dans ces conditions, les cliodes (18) et (19) lpermnettent d'clffectuer un redressement dit "diphasé". La connection de toutes les cellules élémenltaires s'effectuc comnme schlmatisé t'sé sur li urc (b. Avec 10( plaques (3) au primaire, on pourra réaliser 5 cellules. Chaqlue hobinc d\era Comlporter spires. Commic précédemment le refroidissement du transt'ormateur pourra avantageusement s'effectuer aul moyen des plaques (3); celles-ci pouvant être refroidies par air ou par eau. Sur la figure 6b, on a représenté une cellule de filtrage 1. C placée sur la sortie du convertisseur. L'invention pourra être utilisée dans tous les cas ofi unl conivertisseur statique est requis. Citons à titre indicatilf quelques applications type de l'invention: - générateur à très fiaible impédance destiné à équiper les machines à souder par point. - générateur à faible impédance destiné à alimenter les torches à souder de type MI(i ou TIG ainsi que les torches à découper. - générateur à haute tension - chargeur de condensateur, etc... REVENDICATIONS 1) Dispositif transformateurs et circuits de redressement notamment pour les convertisseurs statiques à haute ou moyenne fréquence caractérisé en ce que, au moins l'un des bobinages est constitué par des plaques métalliques (3), avantageusement en cuivre ou en aluminium, comportant une lumière (10) pour laisser passer le noyau(l1) du transformateur ainsi qu'une fente (11) suivant une forme convenable pour former une spire autour du noyau. 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les plaques métalliques (3) sont connectées entre elles par une vis centrale et des entretoises en cuivre (5), suivant une colonne A, susceptible d'être refroidie par circulation d'eau. 3) Dispositif suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins l'un des bobinages primaire ou secondaire du transformateur est constitué par des bobines plates (2) en fil de cuivre bobiné en deux couches disposées côte à côte dans lesquelles le fil à la forme d'une spirale de telle sorte qu'au centre de la bobine les deux spirales se trouvent reliées par la continuité du fil qui les constituent et qu'à l'extérieur de ladite bobine, on trouve les deux extrémités du bobinage. 4) Dispositif suivant les revendications 1 ou 2 ou 3 caractérisé en ce que les diodes de redressement (4) sont constituées directement par des puces avantageusement réalisées en silicium, encore appelées "fusions" empilées entre les plaques (3) et (14) et convenablement connectées pour réaliser un redressement diphasé. ) Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu'au moins deux cellules élémentaires de redressement sont connectées en parallèle sur la sortie. 6) Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que les bobines primaires (2) sont constituées par des bobines plates (2) à double spirale. 7) Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les primaires sont constituées par des plaque de cuivre (3) entourant le noyau (1) et comportant une fente (11). 8) Dispositif suivant les revendications 4 caractérisé en ce que les diodes sont refroidies par une circulation d'eau en contact avec les plaques (3) et (14) ou par une circulation d'air forcé circulant entre ces mêmes plaques. 9) Utilisation du dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 8 pour alimenter une machine à souder par p&int ou une torche à souder de type TIG ou MIG.