FR3134223A1 - Transformateur de puissance à forte isolation galvanique - Google Patents

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Abstract

Transformateur de puissance à forte isolation galvanique Transformateur de puissance (10) comportant un premier noyau magnétique fermé (12) ayant des première (12A) et seconde (12B) colonnes, un second noyau magnétique fermé (14) ayant des première et seconde colonne (14B) et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant (16), un premier enroulement (22) entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement (24) entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé (26) entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Transformateur de puissance à forte isolation galvanique
La présente invention se rapporte au domaine de la conversion de puissance électrique dans les aéronefs aussi bien pour la génération électrique des réseaux de bord que pour la propulsion électrique des aéronefs et elle concerne plus tout autant la conversion de forte puissance électrique de la Haute Tension continue (HVDC) vers la Basse Tension continue (LVDC) dans la propulsion électrique que la conversion de petite puissance électrique pour alimenter les éléments de commutation solide de type MOSFET dans le réseau de bord.
La illustre un transformateur monophasé standard 30 constitué d’un corps ou noyau magnétique fermé 32 et d’au moins deux bobinages de cuivre 34, 66 constituant le primaire et les secondaire du transformateur.
Le corps magnétique fermé 32 peut être de formes diverses, mais il est souvent constitué d’un assemblage de tôles standardisé avec deux colonnes unies par deux culasses (par opposition au transformateur monophasé cuirassé à trois colonnes), et selon la configuration adoptée, les bobinages traversant la fenêtre centrale 38 peuvent être disposés sur chaque colonne, de part et d’autre du corps magnétique fermé comme illustré, ou l’un sur l’autre par exemple.
Les enroulements de cuivre qui forment les bobinages 32, 34 sont constitués de fils de cuivre de constructions divers, comme des fils monobrins, des fils multibrins, des fils de Litz, des méplats, etc….
Comme il est connu, le courant passant dans les enroulements de cuivre du primaire du transformateur génère un flux magnétique ϕmdans le corps magnétique fermé. Ce flux magnétique à son tour génère un courant dans les enroulements de cuivre du secondaire. C’est par ce principe que l’énergie électrique est transmise du primaire au secondaire.
La valeur du flux magnétique ϕmest proportionnelle au carré de la valeur du courant traversant l’enroulement primaire et au nombre de spires Np de cet enroulement primaire. La valeur du courant secondaire est inversement proportionnelle à la valeur du flux magnétique ϕmqui traverse l’enroulement secondaire, et au nombre de spires Ns de l’enroulement secondaire. Il en résulte que la valeur du courant secondaire est directement proportionnelle à la valeur du courant primaire, au ratio des nombres de spires primaire et secondaire constituant le rapport de transformation du transformateur.
Afin de garantir une isolation galvanique minimale, les enroulements de cuivre comportent tous un enrobage de résine, formant isolant électrique, indispensable par éviter les courts-circuits entre les spires. Et lorsque l’on désire renforcer cette isolation galvanique, on vient rajouter un isolant entre les enroulements de cuivre et le corps magnétique fermé, et entre les enroulements primaire et secondaire selon leur disposition.
Cette structure de transformateur monophasé standard donne globalement satisfaction. Toutefois, dans le domaine aéronautique, elle n’est pas sans inconvénients. En effet, s’il y a un problème quelconque sur un enroulement, par exemple un court-circuit qui fait fondre l’enroulement en question ainsi que les isolants qui maintenaient à distance l’enroulement et le corps magnétique, alors un contact électrique s’établit entre l’enroulement en défaut et le corps magnétique, et comme le corps magnétique est généralement aussi conducteur électrique, ce défaut peut se retrouver de l’autre côté de la barrière d’isolation galvanique, rompant cette isolation galvanique et entrainant une possibilité de propagation du défaut, qui peut être particulièrement préjudiciable pour la propulsion électrique ou le réseau de bord ou de l’aéronef. Ce problème est aussi présent lorsque que le corps magnétique est en ferrite car ce matériau n’est pas nécessairement un bon isolant face aux tensions élevées requises pour la propulsion électrique ou hybride des aéronefs.
Aussi, il est connu, pour renforcer l’isolation de rajouter, relié à la masse électrique, un écran conducteur entre primaire et secondaire connu sous le nom d’écran de Faraday. Toutefois, un tel transformateur dit de séparation ou d’isolement réduit notablement la fenêtre centrale de bobinage et présente en outre des difficultés de réalisation.
La présente invention a donc pour but principal de limiter, voire de supprimer, le risque de propagation de défauts électriques entre le primaire et le secondaire d’un transformateur électrique dans un environnement aéronautique. Un autre but est de limiter les éléments parasite de type capacitif lié à la construction du transformateur et qui, dans le cas d’application de commutation de puissance, peuvent générer des perturbations électromagnétiques.
Ces buts sont atteints par un transformateur de puissance comportant un premier noyau magnétique fermé ayant une première et une seconde colonne, un second noyau magnétique fermé ayant une première et une seconde colonne et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant, un premier enroulement entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant.
Ainsi, par cette structure particulière, il est possible d’augmenter l’isolation galvanique sans ajout d’écran conducteur, et en supprimant un chemin conducteur potentiel de propagation de défauts électriques, de réduire le risque de propagation d’une panne et de la voir se transformer en événement catastrophique pour l’aéronef.
De préférence, l’enroulement supplémentaire fermé comporte une seule spire.
Avantageusement, l’enroulement supplémentaire fermé est constitué d’une seule feuille de cuivre.
De préférence, l’écran isolant est une simple plaque d’un matériau isolant comme une résine époxy ou polypropylène ou encore un film de Kapton®.
Avantageusement, les noyaux magnétiques fermés présentent l’une des configurations suivantes : C et C, C et I, L et L inversé.
L’invention concerne également des convertisseurs de tensions et un réseau de distribution électrique d’aéronef comportant au moins un transformateur de puissance tel que précité.
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 une vue en coupe d’un transformateur de puissance conforme à l’invention,
la détaille la partie centrale du transformateur de la , et
la montre une vue en coupe d’un transformateur monophasé conventionnel.
Le principe de l’invention reprend le principe de base du transformateur permettant de réaliser un transfert d’énergie électrique entre un enroulement primaire et un enroulement secondaire via un couplage magnétique mais avec un enroulement intermédiaire supplémentaire se rebouclant sur lui-même et autour d’un écran isolant, créant un couplage magnétique isolé électriquement empêchant toute propagation de défauts électriques. On pourrait penser que cet enroulement intermédiaire ferait perdre au transformateur une grande partie de ses propriétés électromagnétiques. Au contraire, on peut en tirer un avantage si on introduit dans cette boucle centrale le circuit magnétique du secondaire.
Un transformateur de puissance 10 conforme à l’invention est illustré en coupe à la . Il se présente sous la forme de deux noyaux magnétiques 12, 14 de deux transformateurs monophasés standards montés de part et d’autre d’un écran isolant 16 de sorte à former un noyau à deux fenêtres de bobinage 18, 20. Chaque noyau magnétique comporte classiquement deux colonnes 12A, 12B ; 14A, 14B réunies par deux culasses, de sorte à constituer deux demi corps de transformateur en C (voir la ), sans que cette configuration ne soit obligatoire, une configuration en C et I (comme sur la partie gauche de la ) ou en L et L inversé (comme sur la partie droite de la ) étant aussi possible. Ces configurations en deux parties ont essentiellement pour objet de faciliter le montage des enroulements.
Autour de la première colonne 12A du premier demi corps de transformateur est enroulé un premier enroulement, ou enroulement primaire 22, destiné à être alimenté par un courant primaire Ip depuis une source (typiquement une batterie ou un hacheur de tension continue) et autour de la seconde colonne 14B du second demi corps de transformateur est enroulé un second enroulement, ou enroulement secondaire 24, destiné à délivrer un courant secondaire Is pour une utilisation (typiquement un convertisseur DC/DC ou DC/AC). Selon l’invention, un enroulement central supplémentaire 26 destiné à être parcouru par un courant Ic entoure à la fois la seconde colonne 12B du premier demi corps de transformateur, la première colonne 14A du second demi corps de transformateur, et l’écran isolant 16 qui sépare ces deux colonnes avec lesquels il est en contact. Selon les contraintes environnementales, thermiques et/ou vibratoires auxquelles le produit sera soumis, ainsi que les coûts possibles, ce contact pourra être obtenu par un simple collage ou par un boulonnage par exemple.
La montre plus en détail cet enroulement central 26 fermé sur lui-même (donc en court-circuit) et maintenant entre eux et avec l’écran isolant 16 les deux demi corps de transformateur 28A, 28B. L’écran isolant est avantageusement constitué par une plaque de résine époxy ou de polypropylène ou par tout autre matériau isolant tel qu’un film de kapton® par exemple.
L’homme du métier saura effectuer le dimensionnement de l’enroulement central en considération de l’intégration recherchée et de la faisabilité souhaitée du transformateur. En considérant la conservation des flux magnétiques, le rapport du nombre de spires entre les enroulements est inversement proportionnel aux courants qui traversent ces spires : Ip*Np=Ic*Nc et Ic*Nc=Is*Ns. S’il prend en considération les pertes par effet joule dans ces enroulements, il sera préférable d’avoir le plus de spires possible dans l’enroulement central, afin de diminuer le courant, étant donné que les pertes par effet joule sont proportionnelles au carré du courant. Mais inversement, s’il prend en considération l’aspect industriel de la fabrication de cet enroulement, il sera préférable d’avoir peu de spire car il évite toute perte d’espace dans les fenêtres de bobinage (ce qui permet d’avoir un ratio surface de bobinage/surface de cuivre utile faible), et en pratique l’organisation d’un enroulement avec beaucoup de spires ne se fait pas de façon aisé. A l’extrême, cet enroulement central sera formé d’une seule feuille de cuivre entourant à la fois la seconde colonne 12B, l’écran isolant 16 et la première colonne 14A.
Le fonctionnement de l’invention est le suivant. Le courant Ip passant dans l’enroulement primaire 22 du transformateur génère un flux magnétique ϕmpdans le noyau magnétique fermé 12 du premier transformateur. Ce flux magnétique génère à son tour le courant Ic dans l’enroulement central 26 de cuivre qui entoure l’écran isolant 16. Ce courant Ic qui parcourt l’enroulement en court-circuit va alors générer dans le noyau magnétique fermé 14 du second transformateur un nouveau flux magnétique ϕmsqui, à son tour, va générer le courant Is passant dans l’enroulement secondaire. C’est par ce principe que l’énergie électrique est transmise de façon isolée du primaire au secondaire. Le flux magnétique dans le secondaire ϕmsest identique au flux magnétique dans le primaire ϕmpsi les deux noyaux magnétiques ont les mêmes propriétés (mécanique, et magnétique). La valeur du courant secondaire Is est alors directement proportionnelle à la valeur du courant primaire Ip, au ratio des nombres de spires primaire Np et secondaire Ns constituant le rapport de transformation du transformateur de puissance.
En plaçant un écran isolant 16 entre les deux noyaux magnétiques 12, 14, on rompt le lien électrique direct entre le primaire et le secondaire qui était créé par le corps magnétique lui-même ou par la disposition particulière des enroulements primaire et secondaire et on s’affranchit de l’écran de Faraday de l’art antérieur. L’enroulement central étant isolé électriquement, il ne subit pas de perturbations amenant à la dégradation de sa propre isolation, et l’isolation galvanique du transformateur de puissance est maintenue.
L’invention trouve application dans le réseau de distribution de bord des aéronefs pour transférer de la puissance basse tension à destination de capteurs, par exemple dans le cas d’un convertisseur de tensions 28V vers 28V dans une zone de basse tension mécaniquement ségréguée d’une zone de haute tension ou encore d’un convertisseur de tensions 15V vers 15V servant à alimenter des interrupteurs de commutation statique, de type MOSFET ou IGBT, qui sont mis en œuvre dans des onduleurs de puissance ou des commutateurs statiques de puissance.
La partie contrôle de ces interrupteurs de puissance est généralement dans une zone basse tension, et pour alimenter et transférer l’information de commande de ces interrupteurs, toujours dans une volonté de limiter le risque de propagation électrique de la haute tension vers la basse tension, il est avantageux de recourir au transformateur de puissance de l’invention.
Dans le cas de systèmes redondés, notamment propulsifs, pour des aspects de sureté de ces systèmes, les convertisseurs 800V (réseau HVDC) vers 28V (réseau LVDC) ont besoin d’une forte isolation pour ne pas propager de défaut de la haute tension vers la basse tension.

Claims (8)

  1. Transformateur de puissance (10) comportant un premier noyau magnétique fermé (12) ayant des première (12A) et seconde (12B) colonnes, un second noyau magnétique fermé (14) ayant des première (14A) et seconde (14B) colonnes et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant (16), un premier enroulement (22) entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement (24) entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé (26) entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant.
  2. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’enroulement supplémentaire fermé (26) comporte une seule spire.
  3. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’enroulement supplémentaire fermé (26) est constitué d’une seule feuille de cuivre.
  4. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’écran isolant (16) est une simple plaque de résine époxy ou polypropylène.
  5. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’écran isolant (16) est un film de Kapton® ou de tout autre matériau isolant.
  6. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel les noyaux magnétiques fermés (12, 14) présentent l’une des configurations suivantes : C et C, C et I, L et L inversé.
  7. Convertisseur de tensions comportant un transformateur de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. Réseau de distribution électrique d’aéronef comportant au moins un transformateur de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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