Domaine technique
[0001] 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
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] Une mise en œuvre largement répandue consiste à utiliser des redresseurs à 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 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 que les systèmes de tension générée par
ces deux systèmes sont déphasés de 30°. 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.
[0005] 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 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. Un exemple d'un tel montage est décrit dans les
documents
GB 1 325 938 et
WO 2014/031959.
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 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 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 primaires.
[0006] 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 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 donc soumis de manière plus marquée à des champs parasites
tels qu'évoqués ci-dessus.
[0007] 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 présentes
au niveau du transformateur, et ce en conservant une compacité optimale du convertisseur.
Exposé de l'invention
[0008] Pour ce faire, le Demandeur a conçu un transformateur triphasé pour redresseur 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, correspondants à une phase du réseau d'alimentation, ainsi
que deux enroulements secondaires. Trois de ces enroulements secondaires, qui sont
enroulés sur des 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 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.
[0009] 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 primaires se referment indépendamment l'un
de l'autre, par portions additionnelles formant un pontage intermédiaire du circuit
magnétique du noyau inductif.
[0010] En d'autres termes, le transformateur conforme invention comporte deux demi-noyaux
inductifs magnétiquement autonomes, et physiquement rassemblées en un 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 deux demi-enroulements primaires, qui
doivent être suffisamment éloignés pour éviter les phénomènes de couplage entre enroulements
secondaires sur le noyau principal.
[0011] Avantageusement en pratique, les enroulements secondaires d'une même colonne 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.
[0012] 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 transformateur
avec des intensités particulièrement élevées.
[0013] 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 colonnes du
noyau auxiliaire inductif.
Description sommaire des figures
[0014] 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 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 censé de représenter
l'invention, mais où la portion magnétique médiane du noyau auxiliaire n'est pas montrée.
- 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
[0015] 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 sur un condensateur de filtrage
5 permettant de délivrer une tension continue entre les bornes de sortie
6,
7.
[0016] 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 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
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.
[0017] Complémentairement, d'un point de vue électrique, le transformateur
10 comporte 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, 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.
[0018] L'invention concerne notamment la constitution mécanique du transformateur
10, 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
21 -
26 du transformateur.
[0019] 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 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 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.
[0020] 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
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 l'ordre
de 5%.
[0021] 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 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 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.
[0022] 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 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 30°. Par conséquent,
les flux magnétiques 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 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.
[0023] 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.
[0024] 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 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 limitée.
1. Transformateur triphasé (10) adapté pour être connecté à un redresseur dodécaphasé
incluant deux 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 :
• 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 adaptées pour être reliées
à un premier redresseur double alternance triphasé (3), les trois autres enroulements
secondaires (24-26) étant connectés en étoile aux bornes (34-36) du transformateur
adaptées pour être 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 champ, sur chacune des
colonnes étant enroulés une desdites paires d'enroulements primaires (11,14 ;12,15
;13,16),
et comportant 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).
2. Transformateur selon la revendication 1 dans lequel chaque enroulement primaire d'une
même colonne est enroulé sur un des enroulements secondaire de ladite colonne.
3. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel les enroulements primaires et/ou
secondaires sont réalisés à partir d'un feuillard métallique.
4. Transformateur selon la revendication 1 dans lequel les colonnes du noyau auxiliaire
(60) comportent des entrefers (68).
1. Dreiphasiger Transformator (10), geeignet zum Anschluss an einen zwölfphasigen Gleichrichter,
mit zwei dreiphasigen Vollweg-Gleichrichtern (3, 4), parallel oder in Reihe geschaltet,
mit:
• einem Hauptmagnetkern (50) mit drei Schenkeln (51, 52, 53), die in Höhe ihrer Enden
über zwei Joche (54, 55) magnetisch parallel geschaltet werden, auf die jeweils gewickelt
sind:
• ein Paar parallel geschalteter Primärwicklungen (11, 14; 12, 15; 13, 16)
• zwei Sekundärwicklungen (21- 26),
wobei drei der auf getrennte Schenkel gewickelten Sekundärwicklungen (21- 23) im Dreieck
mit den Anschlüssen (31- 33) des Transformators verbunden sind, die geeignet sind,
mit einem ersten Dreiphasen- Vollweggleichrichter (3) verbunden zu werden, wobei die
anderen drei Sekundärwicklungen (24- 26), im Stern mit den Klemmen (34- 36) des Transformators
verbunden sind, um mit dem zweiten Dreiphasen- Vollweggleichrichter (4) verbunden
zu werden,
• einem Hilfskern (60) mit drei Schenkeln (61, 62, 63), die an ihren Enden magnetisch
über zwei Joche (64, 65) zum Schließen des Feldes verbunden werden, wobei auf jedem
der Schenkel eines der genannten Paare Primärwicklungen (11, 14; 12, 15; 13, 16) gewickelt
ist und einen mittleren Magnetabschnitt (69) aufweist, der die Mittelpunkte jedes
Schenkels (61, 62, 63) verbindet, die sich zwischen zwei Primärwicklungen desselben
Paares (11, 14; 12, 15; 13, 16) befinden.
2. Transformator nach Anspruch 1, bei dem jede Primärwicklung desselben Schenkels auf
eine der Sekundärwicklungen dieses Schenkels gewickelt ist.
3. Transformator nach Anspruch 1, bei dem jede Primärwicklung und/oder Sekundärwicklung
aus einem Metallband ausgeführt ist.
4. Transformator nach Anspruch 1, bei dem die Schenkel des Hilfskerns (60) Luftspalte
(68) enthalten.