Brevet FR3033930A1 — publié le 20160923

-1- TRANSFORMATEUR TRIPHASE POUR REDRESSEUR DODECAPHASE Domaine technique L'invention se rattache au domaine de l'électrotechnique, et plus particulièrement des redresseurs de puissance. Elle concerne plus spécifiquement une structure particulière de transformateur employé pour alimenter des redresseurs dodécaphasés. Elle vise plus particulièrement une configuration qui permet de réduire le taux de distorsion harmonique en courant et présentant le minimum de pertes possibles. Arrière-plan de l'invention De façon générale, les installations de conversion d'énergie électrique sont de plus en plus exigeantes en termes de performances. Ainsi, il est généralement réclamé aux convertisseurs de délivrer des tensions ou des courants les plus constantes possibles, tout en générant sur le réseau d'alimentation, ou de manière plus générale sur la source d'alimentation électrique, des perturbations harmoniques les plus faibles possibles. Parmi les convertisseurs les plus courants, on connaît les systèmes redresseurs qui sont alimentés par un réseau secteur délivrant une tension triphasée, et qui génèrent une tension continue, servant à alimenter des charges variées. Une configuration classique consiste à employer plusieurs redresseurs triphasés double alternance, dont les sorties sont connectées en parallèle sur une charge commune, et dont les entrées sont alimentées par un transformateur délivrant des systèmes de tension déphasés d'un angle fonction du nombre de redresseurs connectés en parallèle. Une mise en oeuvre largement répandue consiste à utiliser des redresseurs à 30 thyristors formant des ponts de Graetz triphasés, dont les sorties sont connectées en parallèle sur une capacité de filtrage, et donc les entrées triphasées sont reliées à 3033930 -2- deux séries de sorties d'un transformateur triphasé. Plus précisément, un tel transformateur comprend trois enroulements primaires et deux séries de trois enroulements secondaires. Une première série d'enroulements secondaires est connectée en étoile tandis que la seconde série est connectée en triangle, de sorte 5 que les systèmes de tension générée par ces deux systèmes sont déphasés de 300 . De cette manière, et avec une commande synchronisée des deux redresseurs, les premiers harmoniques d'ordre 5 et 7 générés par chacun des redresseurs se compensent aux primaires, de sorte que le courant d'entrée du convertisseur présente des harmoniques dont le premier rang est d'ordre 11. 10 Pour filtrer la tension de sortie, et pour limiter l'intensité des courants harmoniques en entrée, il est connu d'utiliser des inductances qui peuvent avantageusement être implantées en série avec les enroulements primaires. Dans ce cas, le transformateur comprend un premier noyau principal, sur lequel sont 15 enroulés les enroulements primaires et les enroulements secondaires, sur trois colonnes distinctes, correspondant chacune à une phase de la tension d'alimentation. Le transformateur comprend également un noyau auxiliaire incluant trois colonnes distinctes, sur chacune desquelles est enroulé uniquement un enroulement primaire. 20 Pour assurer un bon couplage magnétique entre les enroulements primaires et les deux séries d'enroulements secondaires, chaque enroulement primaire est généralement composé d'une paire de deux enroulements connectés en parallèle, chacun de ces enroulements élémentaires étant enroulé intimement avec 25 l'enroulement secondaire d'une des séries. Par conséquent, les colonnes du noyau inductif ou noyau auxiliaire supportent des enroulements primaires, qui sont parcourus par des courants déphasés. Il s'ensuit que le flux magnétique au sein de la colonne n'est pas homogène, et varie entre la partie haute et la partie basse d'une même colonne. Le Demandeur a ainsi constaté que des phénomènes de fuites magnétiques se produisent, avec un rebouclage du champ magnétique en dehors du circuit formé par le noyau secondaire, et en particulier à travers les 3033930 -3 - conducteurs des enroulements primaires enroulés sur le noyau inductif Ces phénomènes augmentent les pertes et sont donc préjudiciables pour le rendement du transformateur. .Ils augmentent également les courants harmoniques dans les enroulements secondaires et dans une moindre mesure dans les enroulements 5 primaires. Ce phénomène est d'autant plus marqué que la puissance du convertisseur est élevée, et plus précisément que l'intensité du courant circulant dans les enroulements est élevée. En effet, pour augmenter l'intensité, il est nécessaire 10 d'utiliser des conducteurs sous forme de feuillard qui présentent une forte section et une faible épaisseur, pour être relativement facilement déformables et enroulables sur les colonnes du transformateur, par opposition à des conducteurs massifs de type méplat. Or, les feuillards présentent une largeur importante et s'étendent sur une portion plus grande de la colonne du noyau inductif Ils sont 15 donc soumis de manière plus marquée à des champs parasites tels qu'évoqués ci-dessus. Un problème que se propose donc de résoudre l'invention est celui de la limitation du taux de distorsion harmonique en courant (THDI), tout en réduisant les pertes 20 présentes au niveau du transformateur, et ce en conservant une compacité optimale du convertisseur. Exposé de l'invention Pour ce faire, le Demandeur a conçu un transformateur triphasé pour redresseur 25 dodécaphasé incluant deux redresseurs double alternances triphasés reliés en série ou en parallèle selon l'application. Ce transformateur inclut un noyau magnétique principal qui comprend trois colonnes reliées magnétiquement en parallèle au niveau de leurs extrémités par deux culasses. Sur chacune de ces colonnes est enroulée une paire d'enroulements primaires connectés en parallèle, 30 correspondants à une phase du réseau d'alimentation, ainsi que deux enroulements secondaires. Trois de ces enroulements secondaires, qui sont enroulés sur des 3033930 -4- colonnes distinctes, sont connectés en étoile aux bornes du transformateur qui sont reliées à un premier redresseur double alternance. Les trois autres enroulements secondaires sont quant à eux connectés en triangle aux bornes du transformateur qui sont reliées à l'autre redresseur. Le transformateur comporte également un 5 noyau auxiliaire (ou noyau inductif) qui comporte trois colonnes reliées magnétiquement à leurs extrémités par deux culasses de fermeture du champ magnétique. Sur chacune de ces colonnes sont enroulés les deux enroulements d'une des paires d'enroulements primaires correspondant à une phase. 10 Conformément à l'invention, ce transformateur se caractérise en ce que le noyau auxiliaire comporte une portion magnétique médiane reliant les points milieux de chaque colonne situés entre deux enroulements primaires d'une même paire. Autrement dit, l'invention consiste à prévoir le noyau auxiliaire inductif de telle sorte que les champs magnétiques générés par les deux demis enroulements 15 primaires se referment indépendamment l'un de l'autre, par portions additionnelles formant un pontage intermédiaire du circuit magnétique du noyau inductif En d'autres termes, le transformateur conforme invention comporte deux demi-noyaux inductifs magnétiquement autonomes, et physiquement rassemblées en un 20 cadre unique. De la sorte, les fuites magnétiques sont limitées, et on observe que les pertes du transformateur sont nettement inférieures à celles observées dans une configuration où la portion médiane caractéristique est absente. Ces avantages sont obtenus sans augmenter l'encombrement global du transformateur, puisque la portion de pontage caractéristique est implantée dans une zone de séparation des 25 deux demi-enroulements primaires, qui doivent être suffisamment éloignés pour éviter les phénomènes de couplage entre enroulements secondaires sur le noyau principal. Avantageusement en pratique, les enroulements secondaires d'une même colonne 30 sont enroulés sur un des enroulements primaires de la même colonne, pour assurer un couplage optimal, tout en lui évitant les couplages parasites entre secondaires. -5 - 3033930 La suppression, ou à tout le moins la très forte limitation des fuites magnétiques au niveau du noyau auxiliaire inductif fait qu'il est ainsi possible d'utiliser des conducteurs pour les enroulements primaires et/ou secondaires qui peuvent être réalisés à partir de feuillard métallique, autorisant ainsi l'utilisation du 5 transformateur avec des intensités particulièrement élevées. Avantageusement en pratique, pour déterminer la valeur d'inductance, on peut prévoir que les colonnes du noyau auxiliaire comportent des entrefers, réalisés typiquement par la séparation entre différentes sections empilées pour former les 10 colonnes du noyau auxiliaire inductif Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisations qui suivent, à l'appui 15 des figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est un schéma électrique simplifié montrant un convertisseur alternatif continu incluant un transformateur conforme à l'invention la figure 2 est une vue en perspective sommaire d'un transformateur conforme à l'invention, 20 les figures 3 et 4 sont des vues en perspective sommaire respectivement du noyau principal et du noyau auxiliaire du transformateur de la figure 2 la figure 5 est une vue en coupe selon le plan V-V' de la figure 2. Description détaillée 25 Comme déjà évoqué, et comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un transformateur 10, faisant partie d'un convertisseur 1 assurant une conversion alternatif-continu. Plus précisément, le transformateur 10 est relié en entrée à une source de de tension triphasée 2. En sortie, le transformateur 10 est relié à deux redresseurs triphasés double alternance 3,4 dont les sorties sont reliées en parallèle 30 sur un condensateur de filtrage 5 permettant de délivrer une tension continue entre les bornes de sortie 6,7. 3033930 -6- Plus précisément, le transformateur 10 comporte six bobinages primaires 11 - 16, reliée par paire 11,14 ; 12,15 ; 13,16, à l'une des phases 201,202,203 de la source d'alimentation triphasée 2. Complémentairement, le transformateur 10 comporte 5 également six enroulements secondaires 21 - 26 couplés chacun avec l'un des enroulements primaires 11 - 16. Les enroulements secondaires 21 - 26 sont répartis en deux séries. La première série d'enroulements secondaires 21,22,23 est connectée en triangle aux bornes 31,32,33 du transformateur de manière à délivrer un système de tensions composées. La seconde série d'enroulements secondaires 10 24, 25, 26 est reliée au point commun 28 en configuration étoile, et connectée aux bornes 34,35,36 du transformateur auquel est connecté le second redresseur 4, de manière à délivrer un système de tensions simples. Complémentairement, d'un point de vue électrique, le transformateur 10 comporte 15 six inductances d'entrée 41-46 connectées chacune d'une part à un enroulement primaire 11-16, et d'autre part à une des phases 201,202,203 de la source d'alimentation 2. Ces inductances primaires sont formées par les enroulements primaires et par la fuite magnétique générées par le noyau inductif auxiliaire. Les enroulements primaires enserrant à la fois le noyau auxiliaire et le noyau principal, 20 ce dernier étant lui-même entouré par les enroulements secondaires, c'est l'insertion du noyau auxiliaire entre primaire et secondaire qui augmente et contrôle la fuite magnétique, et donc constitue l'inductance primaire. L'invention concerne notamment la constitution mécanique du transformateur 10, 25 qui est en particulier illustrée à la figure 2. Plus précisément, le transformateur 10 comporte un noyau principal 50 et un noyau auxiliaire inductif 60. Ces deux noyaux 50,60 reçoivent les enroulements 71-76 qui forment d'une part les enroulements primaires 11-16 et d'autre part les inductances 41 - 46. Le noyau principal reçoit également les enroulements 81 - 84, qui forment les secondaires 30 21 - 26 du transformateur. 3033930 -7- Comme illustré à la figure 3, le noyau principal 50 présente trois colonnes 51,52,53 qui reçoivent les enroulements 71 - 76 et les enroulements secondaires 81 - 86. Ces trois colonnes 51 - 53 sont reliées en partie haute et basse par des portions formant les culasses 54,55. Bien entendu, ce noyau peut être réalisé selon 5 les règles de l'art pour optimiser les performances en termes de rendement, et notamment en ce qui concerne le choix des matériaux employés, la constitution feuilletée, et l'assemblage des différents éléments que forment les colonnes et les culasses, qui peuvent être monolithiques ou formées par l'assemblage de pièces distinctes. Ainsi, pour les petites puissances, il est envisageable d'utiliser des 10 circuits magnétiques type E-I à savoir que les 3 colonnes et une des culasses sont rassemblées au sein d'une pièce de forme générale en E, celui-ci étant fermé par une unique culasse en forme de I. D'un point de vue pratique, les puissances pouvant être importantes, les 3 colonnes sont généralement individualisées et fermées par deux culasses. 15 Comme illustré à la figure 4, le noyau secondaire, ou noyau inductif, 60 est composé également de trois colonnes 61,62,63, qui sont connectées magnétiquement par leurs extrémités hautes et basses par des jougs 64,65 refermant les circuits magnétiques. Les différentes colonnes peuvent être réalisées 20 par des tronçons distincts 66,67, entre lesquels est défini un entrefer 68 permettant de régler la valeur de l'inductance formée par l'enroulement réalisé autour de la colonne. Les règles de l'art sont appliquées pour déterminer les valeurs de ces entrefers de telle sorte à obtenir des taux d'inductances, correspondant à des impédances en court-circuit de l'ordre de 20 % permettant d'obtenir un THDI de 25 l'ordre de 5%. Conformément à l'invention, le noyau auxiliaire 60 comporte une pièce 69 qui assure le pontage des points milieux des colonnes 61,62,63. Cette pièce intermédiaire ou noyau médian 69 définit ainsi deux zones distinctes du noyau 30 inductif 60 dans lesquelles seront bobinés les primaires du transformateur dédiés à un redresseur triphasé élémentaire donné. Ainsi, comme illustré à la figure 5, on 3033930 -8- observe que les bobinages 74 sont enroulés autour de la colonne 51 du noyau principale 50 et de la colonne 61 du noyau inductif 60. En revanche, l'enroulement 84 qui constitue le secondaire 24 du transformateur est enroulé seulement autour de la colonne 51 du noyau principal 50. 5 La pièce caractéristique 69 du cadre inductif joue un rôle important dans la réduction des fuites magnétiques dans le noyau auxiliaire 60. Plus précisément, comme évoqué précédemment, les deux enroulements 71,74 qui sont enroulés autour respectivement de la portion haute 91 et de la portion basse 92 de la 10 colonne 61 sont parcourus par des courants distincts. En effet, les courants parcourant ces deux enroulements présentent des composantes harmoniques, et en particulier des harmoniques de rang 5 et 7 qui sont en opposition de phase, du fait qu'ils sont générés par les deux redresseurs 3,4, qui sont eux-mêmes alimentés par des systèmes de tension déphasées de 300. Par conséquent, les flux magnétiques 15 générés par les courants traversant ces enroulements sont différents entre la partie haute 91 et la partie basse 92 de la colonne 61. La présence de la pièce caractéristique 69 permet de canaliser le flux de fuite correspondant à la différence entre les flux magnétiques présents dans les parties haute 91 et basse d'une même colonne. De ce fait, les conducteurs avoisinants sont traversés par un flux de fuite 20 négligeable, et sont donc le siège de moins de pertes par effet Joule. De plus, les composantes harmoniques notamment d'ordre 5 et 7 sont moins perturbées, et leur annulation du fait qu'elles sont en opposition de phase d'un enroulement à l'autre est plus efficace, avec une amélioration du taux de distorsion harmonique en courant. 25 Bien entendu, la configuration illustrée à la figure 4, dans laquelle la pièce 69 formant le noyau médian est unique pourrait être déclinée en différentes versions, et en particulier être réalisée par deux pièces distinctes, de manière à former deux demi noyau inductif indépendants magnétiquement. 30 3033930 -9- Il ressort de ce qui précède que le transformateur conforme à l'invention présente de multiples avantages, en particulier celui de réduire nettement les pertes liées à la fonction de filtrage du courant réalisé par l'incorporation d'inductances d'entrée. La diminution de ces pertes, par la canalisation des différents flux 5 générés par ce système d'inductances, permet de limiter les pertes Joule au sein des conducteurs formant les inductances, et complémentairement de réduire les harmoniques en courant au primaire. Cette amélioration du rendement et les performances se font en conservant une compacité optimale du transformateur, particulièrement appréciable pour les applications nécessitant une emprise au sol 10 limitée. REVENDICATIONS1/. Transformateur triphasé (10) pour redresseur dodécaphasé incluant deux 5 redresseurs (3,4) double alternance triphasés reliés en parallèle ou en série, comportant : - un noyau magnétique principal (50) comportant trois colonnes (51,52,53) reliées magnétiquement en parallèle au niveau de leurs extrémités par deux culasses (54,55), et sur chacune desquelles sont enroulés : 10 - une paire d'enroulement primaires (11,14 ;12,15 ;13,16) connectés en parallèle, - deux enroulements secondaires (21-26), trois des enroulements secondaires (21-23) enroulés sur des colonnes distinctes étant connectés en triangle aux bornes (31-33) du transformateur reliées à un 15 premier redresseur double alternance triphasé (3), les trois autres enroulements secondaires (24-26) étant connectés en étoile aux bornes (34-36) du transformateur reliées au second redresseur double alternance triphasé (4), un noyau auxiliaire (60) comportant trois colonnes (61,62,63) reliées magnétiquement à leurs extrémités par deux culasses (64,65) de fermeture du 20 champ, sur chacune des colonnes étant enroulés une desdites paires d'enroulements primaires (11,14 ;12,15 ;13,16), caractérisé en ce que le noyau auxiliaire (60) comporte une portion magnétique médiane (69) reliant les points milieux de chaque colonne (61,62,63) situés entre deux enroulements primaires d'une même paire (11,14 ;12,15 ;13,16). 25 2/ Transformateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque enroulement secondaire d'une même colonne est enroulés sur un des enroulements primaires de ladite colonne. 3033930 -11- 3/ Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements primaires et/ou secondaires sont réalisés à partir d'un feuillard métallique. 4/ Transformateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les colonnes du noyau auxiliaire (60) comportent des entrefers (68).