Brevet FR3148330A1 — publié le 20241101

Filtre d’interfaçage LC intégrant un circuit d’amortissement Filtre d’interfaçage LC comportant un condensateur parallèle et une inductance série comportant des pertes magnétiques par courants de Foucault, l’inductance (10) étant configurée pour que les pertes magnétiques par courants de Foucault soient majoritaires par rapport aux pertes par hystérésis, l’inductance étant constituée d’un tube en matériau magnétique (12) autour duquel est bobiné un conducteur électrique (14), une feuille isolante (16) séparant le tube en matériau magnétique du conducteur électrique. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Filtre d’interfaçage LC intégrant un circuit d’amortissement La présente invention se rapporte au domaine du filtrage en mode différentiel dans les réseaux d’alimentation électriques de fortes puissances, comprenant notamment des convertisseurs d’énergie. Lorsqu’un convertisseur d’énergie (à découpage ou non), agissant en tant que charge ou en tant que générateur, doit être connecté à un réseau d’alimentation électrique, il est nécessaire d’insérer un filtre d’interfaçage qui aura pour but de réduire les ondulations de courant à un niveau inférieur à celui spécifié par la norme du réseau d’alimentation et donc d’en préserver la qualité en termes d’ondulations de tension. Le filtre doit en outre être conçu de façon à ne pas compromettre la stabilité du réseau électrique. Classiquement, ce filtre s’articule autour d’un condensateur parallèle et d’une inductance série, le niveau d’atténuation du contenu harmonique du courant à rejeter dépendant directement du rapport des impédances de ces deux éléments passifs L et C. Toutefois, un tel filtre LC est instable et, en pratique, ne peut pas être utilisé sans l’ajout d’un circuit d’amortissement qui soit dimensionné de façon à atteindre un certain taux d’amortissement (« Damping ratio » en anglais), défini en fonction des besoins de l’application. Le taux d’amortissement est une grandeur sans dimension caractérisant l’évolution et la décroissance au cours du temps des oscillations d’un système physique. On notera que l’ajout du circuit d’amortissement affecte le rapport des impédances, nécessitant donc de corriger les valeurs de L et/ou de C, si l’on désire maintenir constant le niveau d’atténuation défini initialement. On notera également que les circuits d’amortissement classiques sont mal adaptés aux réseaux à haute tension continue (HVDC) dont l’impédance vue par le filtre n’est pas constante (sources et/ou charges commutables par exemple) et pour lesquels le seul remède est alors de multiplier de façon extrêmement importante la taille des filtres afin de rendre les variations d’impédance réseau aussi faibles que nécessaires en valeur relative. Il est connu de réaliser le circuit d’amortissement d’un filtre LC selon plusieurs topologies classées essentiellement suivant deux types de structures : les structures parallèles où le circuit d’amortissement agit sur l’impédance du condensateur parallèle et les structures séries où le circuit d’amortissement agit sur l’impédance de l’inductance série. Ces topologies peuvent aussi être classées aussi en fonction de l’ordre du filtre (le nombre éléments L ou C supplémentaires). Les structures parallèles ou séries d’ordre 2 présentent l’inconvénient de nécessiter en plus des éléments L et C une résistance de puissance additionnelle dont la dissipation sera rédhibitoire et nécessitera le plus souvent un refroidissement spécifique et celles d’ordre 3 présentent l’inconvénient d’avoir un taux d’amortissement faible, typiquement inférieur à 0.2 si l’on ne veut pas affecter notablement le dimensionnement du filtre. En effet, un taux d’amortissement de 0.5 implique de rajouter, pour les besoins de l’amortissement, un condensateur ou une inductance qui fait 3 fois la valeur de l’élément L ou C initial du filtre, multipliant ainsi par 4 la taille et donc le poids du filtre avec son circuit d’amortissement. Par ailleurs, plus le taux d’amortissement est choisi faible ( La présente invention a donc pour but principal de proposer un filtre intégrant un amortissement qui pallie les inconvénients précités. Un autre but de l’invention est d’obtenir un filtre présentant un taux d’amortissement constant sur une large plage de fréquence. Ces buts sont atteints par un filtre d’interfaçage LC comportant un condensateur parallèle et une inductance série comportant des pertes magnétiques par courants de Foucault, caractérisé en ce que l’inductance est configurée pour que les pertes magnétiques par courants de Foucault soient majoritaires par rapport aux pertes par hystérésis et en ce que l’inductance est constituée d’un tube en matériau magnétique autour duquel est bobiné un conducteur électrique, une feuille isolante séparant le tube en matériau magnétique du conducteur électrique. Ainsi, en intégrant la fonction d’amortissement du filtre au sein même de l’inductance du filtre, on peut s’affranchir du recours habituel aux résistances de puissance utilisées classiquement pour former le circuit d’amortissement. De préférence, le conducteur électrique est bobiné à l’intérieur du tube en matériau magnétique au lieu de l’être autour. Selon un autre mode de réalisation, le filtre d’interfaçage LC comportant un condensateur parallèle et une inductance série comportant des pertes magnétiques par courants de Foucault, est caractérisé en ce que l’inductance est configurée pour que les pertes magnétiques par courants de Foucault soient majoritaires par rapport aux pertes par hystérésis et en ce que l’inductance est constituée de plusieurs tubes en matériaux magnétiques placés côte à côte et autour desquels est bobiné un conducteur électrique, un tube isolant ou une feuille isolante séparant les tubes en matériau magnétique du conducteur électrique. De préférence, le nombre de tubes en matériau magnétique est compris entre 2 et 100. Avantageusement, les tubes en matériau magnétique sont identiques. De préférence, les tubes en matériau magnétique sont disposés autour du conducteur électrique bobiné au lieu de se trouver à l’intérieur de ce dernier. Avantageusement, le ou les tubes en matériau magnétique comportent chacun une paroi avec des fentes ou des orifices. De préférence, le ou les tubes en matériau magnétique présentent chacun un profil circulaire, carré ou polygonal. Avantageusement, les pertes magnétiques par courants de Foucault sont créées par effet pelliculaire si l’on recherche à obtenir un taux d’amortissement constant sur une large plage de fréquence. De préférence, le matériau magnétique du ou des tubes en matériau magnétique est un acier magnétique ordinaire si la plage de fréquence où doit se situer l’amortissement est inférieure à environ 1MHz. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la illustre le schéma électrique équivalent à un filtre LC avec amortisseur conforme à l’invention, et les figures 2 et 2A montrent un premier exemple de réalisation de l’inductance du filtre de la , la montre un deuxième exemple de réalisation de l’inductance du filtre de la , la montre un troisième exemple de réalisation de l’inductance du filtre de la , la montre la variation, en fonction de la fréquence, de l’inductance série équivalente de l’inductance de la , et la montrent la variation, en fonction de la fréquence, de la résistance série équivalente de l’inductance de la , la montre la variation, en fonction de la fréquence, du taux d’amortissement de l’inductance de la . Le principe de l’invention repose sur l’obtention de l’amortissement du filtre LC par la création de pertes magnétiques maîtrisées et prédictibles au niveau du circuit magnétique de l’inductance du filtre, de sorte à garantir par conception le taux d’amortissement du filtre. Ainsi et comme l’illustre la , le circuit d’amortissement n’est pas réalisé par l’adjonction d’une ou plusieurs résistances de puissance associées ou non à d’autres composants passifs, condensateur dans le cas d’un amortissement parallèle, ou inductance dans le cas d’un amortissement série, ces résistances de puissance générant de la masse et du volume et nécessitant souvent pour les circuits de puissance un refroidissement spécifique, mais par les pertes magnétiques (représentées par son équivalent électrique Rmag en parallèle de l’inductance L) qu’il est possible de créer au niveau du circuit magnétique de l’inductance L du filtre LC. Pour créer des pertes magnétiques, il est connu d’agir sur les pertes par courants de Foucault et/ou sur les pertes par hystérésis. Toutefois, afin d’éviter une trop grande sensibilité aux caractéristiques fines des matériaux pouvant être sujettes à des dispersions de fabrication importantes, le circuit magnétique de l’inductance est conçu de façon à rendre les pertes par courant de Foucault largement majoritaires par rapport aux pertes par hystérésis (typiquement 10 à 100 fois supérieure) et à les faire évoluer de manière sensiblement constante sur une large plage de fréquence, typiquement entre 100Hz et plusieurs centaines de kHz, voire 1MHz. Pour ce faire et répondre à cette double problématique, les pertes par courant de Foucault sont créées par effet pelliculaire. L’effet pelliculaire, appelé aussi effet de peau, est un phénomène électromagnétique qui fait que, à fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu'en surface des conducteurs. Ce phénomène d'origine électromagnétique qui existe pour tous les conducteurs parcourus par des courants alternatifs, provoque la décroissance de la densité de courant à mesure que l'on s'éloigne de la périphérie du conducteur. Plus précisément, plus la fréquence f augmente, plus les nappes de courant induit dans les tubes magnétiques sont chassées vers la peau extérieure de ceux-ci. Ainsi, il est démontré que l’épaisseur équivalente de circulation du courant au niveau de la peau extérieure peut être définie par l’expression : racine(Kmatériau/f), les nappes de courant rencontrant une résistance évoluant en : 1/[racine(Kmatériau/f)]. Parallèlement à cela, le flux équivalent vu par la bobine, décroit entrainant une loi de décroissance de l’inductance équivalente parallèle en 1/racine(f). Le taux d’amortissement (ksi) est alors constant dans une très large plage de fréquence et donc très peu sensible et sujet aux variations de la valeur des composants en interaction avec l’inductance L, comme le démontre la formule suivante : [Math 1] avec ω=2πF si [Math 2] et [Math 3] , alors [Math 4] Avec ksi le taux d’amortissement, R damping la résistance d’amortissement, K1 et K2 étant deux coefficients de proportionnalité dépendant du matériau magnétique, des formes géométriques et du nombre de spires. Les figures 2-2A illustrent avec une vue de face et une vue de profil un premier exemple de réalisation de l’inductance L selon le principe précité. L’inductance 10 est constituée d’un tube en matériau magnétique 12, typiquement en acier magnétique ordinaire dont la résistivité et la perméabilité sont choisies en fonction du niveau d’amortissement et de la plage de fréquence recherchés, sur lequel est bobiné un conducteur électrique 14 de cuivre ou d’aluminium, et une feuille isolante 16, typiquement un film plastique en Kapton®, séparant le tube métallique du conducteur électrique. A chacune des deux extrémités 14A, 14B de ce conducteur électrique est fixée une cosse métallique 18A, 18B formant une des deux bornes terminales (connexions électriques d’entrée et de sortie) de l’inductance. On notera que, dans une variante de réalisation non illustrée, le conducteur électrique peut être bobiné à l’intérieur du tube en matériau magnétique au lieu de l’être autour et le tube en matériau magnétique peut comporter une paroi avec des fentes ou des orifices. Un deuxième exemple de réalisation de l’inductance L selon le principe précité est illustré à la . L’inductance 20 est cette fois constituée de plusieurs tubes en matériau magnétique (ici huit tubes 22A – 22H sans que ce nombre ne soit limitatif, un nombre maximum de 100 tubes étant possible) identiques ou non et placés côte à côte dans un tube isolant 26 sur lequel est bobiné le conducteur électrique 24. Le tube isolant, typiquement un tube en PVC (chlorure de polyvinyle), polypropylène ou résine époxy par exemple, joue le rôle de séparateur de la feuille isolante précitée. A chacune des deux extrémités 24A du conducteur électrique est fixée une cosse métallique 28A formant une des deux bornes terminales (connexions électriques d’entrée et de sortie) de l’inductance. Dans l’exemple illustré, les tubes en matériau magnétique sont disposés cote à cote le long de la circonférence interne du tube isolant, laissant une partie centrale vide de tubes métalliques qui, par la possibilité qu’il offre d’une circulation d’air à l’intérieur du tube PVC ou polypropylène, présente l’avantage de faciliter le refroidissement de ces tubes métalliques réchauffés suite à l’effet d’amortissement volontairement obtenu par les courants de Foucault. La illustre un troisième exemple de réalisation de l’inductance L selon le principe précité. L’inductance 30 est ici fois constituée de quatre tubes en matériau magnétique 32A – 32D identiques comme illustré ou non placés en parallèle côte à côte et autour desquels est bobiné le conducteur électrique 34, une feuille isolante 36, typiquement un film plastique, séparant les tubes métalliques du conducteur électrique. A chacune des deux extrémités 34B de ce conducteur électrique est fixée une cosse métallique 38B formant une des deux bornes terminales (connexions électriques d’entrée et de sortie) de l’inductance. Dans cet exemple de réalisation, les tubes en matériau magnétique de profil circulaire et qui s’inscrivent dans un carré sont adjacents et ne laissent pas la place pour un autre tube entre eux. Il pourrait toutefois en être autrement si ces tubes présentaient un profil autre, par exemple carré ou polygonal. Quelle que soit l’exemple de réalisation retenu, le diamètre (ou la section) du ou des tubes en matériau magnétique, l’épaisseur de leur paroi, leur longueur, et la matière utilisée pour le tube constituant le noyau magnétique, sont autant de paramètres sur lesquels il est possible de jouer pour adapter et optimiser l’inductance à l’application souhaitée. Un paramètre important est l’épaisseur de paroi qui doit être calculée de façon à ce que l’effet pelliculaire et donc l’amortissement soit au niveau voulu dans la plage de fréquence souhaitée où le filtre LC doit opérer. On notera que, dans une variante de réalisation non illustrée, les tubes en matériau magnétique peuvent être disposés autour du conducteur électrique bobiné au lieu de se trouver à l’intérieur de ce dernier et les parois des tubes en matériau magnétique peuvent alors comporter des fentes ou des orifices. Un prototype a été réalisé conformément à la configuration géométrique de la sur la base des paramètres suivants : un tube de 100mm de long, 25.4mm de diamètre, d’une épaisseur de 1.5mm et d’un poids de 85g, en acier magnétique ordinaire de résistivité 1.383 E -007 et de perméabilité magnétique relative initiale de 131 ; et une bobine constituée de 34 spires jointives d’un conducteur de cuivre de 2mm de diamètre, pour un poids de bobine de 125g. Les figures 5, 6 et 7 montrent respectivement en fonction de la fréquence, l’inductance série équivalente, la résistance série équivalente et le taux d’amortissement obtenus avec ce prototype d’inductance à pertes magnétiques. On peut bien y constater la variabilité en racine de la fréquence de l’inductance série équivalente et de la résistance série équivalente, et la stabilité recherchée du taux d’amortissement de 100Hz à plus de 100kHz. Pour la détermination de ces paramètres, il est essentiel de disposer de moyens de calcul dédiés afin de pouvoir l’adapter et l’optimiser pour l’application envisagée. Pour ce faire, on se réfèrera aux équations de Maxwell pour aboutir aux deux relations de base suivantes, celle de la puissance réactive Q échangée avec le circuit magnétique, et celle de la puissance active P fournie à ce même circuit magnétique : [Math 5] [Math 6] Les coefficients Qcoeff et Pcoeff se calculent en fonction de la géométrie du circuit magnétique, des caractéristiques du matériau magnétique et de la profondeur de pénétration du courant dépendant de la fréquence. Pour les formes les plus courantes, comme un anneau, ces équations utilisent les fonctions de Bessel-Kelvin. En tablant sur : Q = Ls*w*I², et P = Rs*I², l’homme du métier déterminera aisément l’inductance et la résistance de pertes équivalente série et confirmera par ces calculs les courbes obtenues par les essais précédents. Ainsi, avec l’invention, il est possible de remplacer les plupart des filtres LC classiques à circuit d’amortissement par une inductance à pertes magnétiques telle que décrite précédemment, avec les avantages suivants : un seul composant en remplace trois, à savoir l’inductance L du filtre LC, la résistance de puissance et l’inductance du circuit d’amortissement, ce qui implique un câblage moindre, un gain de masse considérable : par exemple pour un convertisseur de plusieurs dizaines de kW, associé à un circuit d’amortissement classique, le poids atteint 2 x 1,05kg (pour un amortissement de 0,2), contre 2 x 0,35 kg pour la solution à amortissement par pertes magnétiques (pour un amortissement de 0,27 à 0,4), une absence de sensibilité à la précision des composants comme à la dispersion de fabrication, une absence de sensibilité aux variations d’impédance réseau du fait d’un coefficient d’amortissement de l’inductance à pertes magnétiques constant sur de très larges plages de fréquence, un refroidissement facilité du fait d’un bobinage disposé en paroi extérieure, un faible coût de fabrication de par les matières premières utilisées : acier magnétique ordinaire, cuivre (ou aluminium), isolant et une fabrication et un assemblage très simples garantissant une très grande robustesse, et une capacité à encaisser des fortes surcharges de courant, le niveau de saturation en termes de N*I pouvant être porté très haut, ce qui s’avère intéressant en cas de court-circuit sur l’équipement même et en cas de court-circuit en amont du réseau électrique. En effet, dans ce dernier cas, c’est principalement l’inductance du filtre d’entrée qui limite le courant de décharge de la capacité d’entrée dans le court-circuit. Le risque, alors, serait de détruire l’organe de protection si le courant atteignait des niveaux trop élevés (8000A à 10000A) suite à la saturation de cette inductance. Le maintien de l’inductance à fort courant permet de limiter le pic de courant de décharge. L’absence de saturation est une conséquence indirecte des choix géométriques de l’inductance. L’absence de rebonds dans la phase de décroissance du courant de court-circuit est par contre directement liée à la faculté d’auto-amortissement. Filtre d’interfaçage LC comportant un condensateur parallèle et une inductance série comportant des pertes magnétiques par courants de Foucault, caractérisé en ce que l’inductance (10) est configurée pour que les pertes magnétiques par courants de Foucault soient majoritaires par rapport aux pertes par hystérésis et en ce que l’inductance est constituée d’un tube en matériau magnétique (12) autour duquel est bobiné un conducteur électrique (14), une feuille isolante (16) séparant le tube en matériau magnétique du conducteur électrique. Filtre d’interfaçage LC selon la revendication 1, dans lequel le conducteur électrique est bobiné à l’intérieur du tube en matériau magnétique au lieu de l’être autour. Filtre d’interfaçage LC comportant un condensateur parallèle et une inductance série comportant des pertes magnétiques par courants de Foucault, caractérisé en ce que l’inductance (20, 30) est configurée pour que les pertes magnétiques par courants de Foucault soient majoritaires par rapport aux pertes par hystérésis et en ce que l’inductance est constituée de plusieurs tubes en matériaux magnétiques (22A – 22H ; 32A – 32D) placés côte à côte et autour desquels est bobiné un conducteur électrique (24, 34), un tube isolant (26) ou une feuille isolante (36) séparant les tubes en matériau magnétique du conducteur électrique. Filtre d’interfaçage LC selon la revendication 3, dans lequel le nombre de tubes en matériau magnétique est compris entre 2 et 100. Filtre d’interfaçage LC selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans lequel les tubes en matériau magnétique sont identiques. Filtre d’interfaçage LC selon la revendication 5, dans lequel les tubes en matériau magnétique sont disposés autour du conducteur électrique bobiné au lieu de se trouver à l’intérieur de ce dernier. Filtre d’interfaçage LC selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le ou les tubes en matériau magnétique comportent chacun une paroi avec des fentes ou des orifices. Filtre d’interfaçage LC selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le ou les tubes en matériau magnétique présentent chacun un profil circulaire, carré ou polygonal. Filtre d’interfaçage LC selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les pertes magnétiques par courants de Foucault sont créées par effet pelliculaire si l’on recherche à obtenir un taux d’amortissement constant sur une large plage de fréquence. Filtre d’interfaçage LC selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau magnétique du ou des tubes en matériau magnétique est un acier magnétique ordinaire si la plage de fréquence où doit se situer l’amortissement est inférieure à environ 1MHz. Réseau d’alimentation électrique comportant un filtre d’interfaçage LC selon l’une quelconque des revendications précédentes.