EP3535767A1 - Transformateur electrique haute tension a boitier isolant - Google Patents

Transformateur electrique haute tension a boitier isolant

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Publication number
EP3535767A1
EP3535767A1 EP17797709.7A EP17797709A EP3535767A1 EP 3535767 A1 EP3535767 A1 EP 3535767A1 EP 17797709 A EP17797709 A EP 17797709A EP 3535767 A1 EP3535767 A1 EP 3535767A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
transformer according
groove
transformer
magnetic circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17797709.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bruno Lefevbre
Fabien Sixdenier
Albert PEREIRA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Ecole Centrale de Lyon
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
SuperGrid Institute SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Ecole Centrale de Lyon
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
SuperGrid Institute SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL, Ecole Centrale de Lyon, Institut National des Sciences Appliquees de Lyon , SuperGrid Institute SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3535767A1 publication Critical patent/EP3535767A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
    • H01F30/16—Toroidal transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/30—Fastening or clamping coils, windings, or parts thereof together; Fastening or mounting coils or windings on core, casing, or other support
    • H01F27/306—Fastening or mounting coils or windings on core, casing or other support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures

Definitions

  • the invention relates to the field of high voltage electrical transformers.
  • a high-voltage electrical transformer is intended to be integrated in an electrical network in which the operating voltage is greater than 1000 V AC or 1500 V DC.
  • the invention will be more particularly described in the context of a high electrical voltage.
  • a high-voltage electrical transformer has the function of converting an AC voltage to its input (primary voltage) into a new AC voltage of the same frequency and level identical or different at its output (secondary voltage).
  • the transformer must also provide a certain level of electrical insulation between the primary and secondary windings and between the windings and the magnetic circuit.
  • some transformers include:
  • At least one primary winding and at least one secondary winding each comprising a conductor which is wound in the form of turns around the magnetic circuit
  • an electrically insulating casing which encapsulates the magnetic circuit and which has an outer casing surface on which are wound the primary and secondary windings and an inner casing surface which defines an internal volume in which the magnetic circuit is received.
  • the transformer according to the invention is particularly suitable for use as a module in a modular combination of high voltage electrical transformers, with associated modules in series and / or in parallel.
  • an electrical transformer according to the invention is not necessarily subjected to a high voltage between the terminals of its primary or secondary winding, but this voltage can be distributed on each of several modules, hereinafter called elementary transformers, electrically connected in series.
  • elementary transformers electrically connected in series.
  • the high-voltage dielectric strength is provided by solid insulation.
  • the insulation material is for example a solid material injected.
  • solid vacuum injection isolation processes very often cause the presence of vacuoles inside the insulator, these vacuoles being conducive to the appearance of partial discharges that can greatly limit the life of the apparatus.
  • the problem of partial discharges can be overcome by imposing significant distances in the air between the coils, but this is to the detriment of the compactness and volume / weight characteristics of the apparatus.
  • a transformer according to the invention may in particular be implemented within a power converter.
  • the medium-frequency transformers for example between 500 Hz and 100 kHz, in particular in the power converter applications, must have relatively low leakage inductances. This characteristic is antagonistic with the need to have high inter-winding distances in order to guarantee high dielectric voltage withstandings without the appearance of partial discharges.
  • the invention therefore aims to provide a high voltage transformer having a high dielectric strength.
  • the invention proposes a high-voltage electrical transformer comprising:
  • At least one primary winding and at least one secondary winding each comprising at least one conductor which is wound in the form of turns around the magnetic circuit;
  • an electrically insulating casing which encapsulates the magnetic circuit and which has an outer casing surface on which are wound the primary and secondary windings and an inner casing surface which defines an internal volume in which the magnetic circuit is received.
  • Such a transformer is characterized in that each turn of a winding is received in a winding groove which is formed in the outer casing surface of the insulating casing, and in that each winding groove is provided with a conductive layer throat.
  • the throat conductive layer may be affixed to, or integrated with, the surface of the winding groove.
  • the throat conductive layer may extend opposite the corresponding winding over the entire winding length of the winding around the insulating housing.
  • the conductive throat layer may extend facing the winding continuously over the entire winding length of the winding around the insulating housing.
  • the conductive groove layer of a winding groove may extend in part also on the outer envelope surface of the insulating housing.
  • Two separate conductive layers of grooves corresponding to two distinct winding grooves for separate windings having distinct electrical potentials are preferably not in electrical contact with each other.
  • the insulating housing may comprise a continuous winding groove which extends over the outer envelope surface of the box so that the winding conductor is received in the winding groove on any its winding length around the insulating housing.
  • the winding groove may have a sectional shape that allows it to completely receive the conductor of the corresponding winding.
  • the winding groove accommodates a single conductor of the corresponding winding.
  • the winding groove accommodates a plurality of conductors belonging to separate windings and having the same potential level.
  • the insulating housing may comprise at least one primary winding groove and at least one secondary winding groove which each extend in a helical path in the outer envelope surface.
  • the insulating housing may have at least one primary winding groove and at least one secondary winding groove which extend each in a helical path in the outer envelope surface, the two helical paths being nested.
  • the outer envelope surface of the insulating housing may have a geometry defined as the envelope generated by a closed generating curve flowing in a closed arrangement line about a central axis.
  • the outer casing surface of the casing may have a crown geometry having an outer portion facing away from a central axis, an inner portion facing the central axis, and axial end portions joining the inner portions; and outdoor.
  • Each winding groove may have, on the outer portion of the external envelope surface of the housing, outer portions which extend from one axial end portion to the other and which are non-parallel to the central axis .
  • Each winding groove may have, on the inner portion of the outer casing surface of the housing, inner portions which extend from one axial end portion to the other and which are non-parallel to the central axis .
  • Each winding groove may have, on the axial end portion of the outer casing surface of the housing, axial end portions which extend between the inner and outer portions and which are contained in a radial plane containing the central axis.
  • the transformer may comprise, between the insulating housing and the magnetic circuit, an inner conductive layer which surrounds the magnetic circuit.
  • the inner conductive layer may be affixed to, or integrated with, the inner envelope surface of the insulating housing.
  • the conductive layer may be formed of a material having a strong conductive material having a resistivity of less than 10 Ohm. m, preferably between 10-6 and 10 10 ohm.m, more preferably between 10 ⁇ 6 and 10 10 ohm.
  • Figure 1 is a schematic view of a DC-DC voltage converter having a plurality of divisional converters, each having a divisional transformer.
  • Figure 2 schematically illustrates a divisional transformer of the converter of FIG. 1, itself comprising a plurality of elementary transformers, here connected in series, capable of being produced in accordance with the teachings of the invention.
  • FIG 3 illustrates, in perspective, the magnetic circuit and the primary and secondary windings of an embodiment of an elementary transformer according to the invention.
  • Figure 4 illustrates, in perspective, an insulating housing within which the magnetic circuit of FIG. 3 is intended to be encapsulated, and around which the primary and secondary windings of FIG. 3 are intended to be wound.
  • Figures 5 and 6 illustrate, in perspective in two different directions, the winding of the two primary and secondary windings around the housing of FIG. 4.
  • Figure 7 illustrates the construction of a divisional transformer as shown in FIG. 2, comprising a combination of elementary transformers as illustrated in FIGS. 3 to 6.
  • Figure 8 is a sectional view through a radial plane containing the central axis Al of the assembly of FIG. 5.
  • Figures 9A and 9B are each a partial sectional view along the plane of line IX of FIG. 8, for different embodiments of a winding groove.
  • Figure 10 illustrates a DC-DC voltage converter comprising a single-phase transformer consisting of three elementary transformers associated in parallel.
  • Figure 11 illustrates a DC-DC voltage converter comprising a three-phase transformer consisting of three single-phase elementary transformers associated in a star-star pattern.
  • the application case is that of a continuous-DC voltage converter 10 operating in continuous high voltage (HVDC) input and / or output, for example for a service voltage of between 1.5 kV and 50kV.
  • the converter consists for example of a stack of "n" divisional converters 10.1, 10.2, ... 10, ..., ⁇ . ⁇ .
  • the converter 10 taken as a whole, has an input at the first DC voltage, for example 40 kV, and an output at the second DC voltage lower, here for example 4kV.
  • Each divisional converter 10.sub.i may be of the "Dual Active Bridge” (DAB) type in which medium frequency transformers (TMF) 14 must be inserted.
  • DAB Direct Active Bridge
  • TMF medium frequency transformers
  • Each divisional converter 10. i comprises a divisional inverter 12, a divisional transformer 14 and a divisional rectifier 16. Between the divisional inverter and the divisional rectifier, each divisional converter is configured to work at medium frequency, for example between 500 Hz and 100 Hz. kHz, for example between 5 kHz and 50 kHz. Each divisional transformer is therefore configured to work at medium frequency, for example between 500 Hz and 100 kHz, in particular between 5 kHz and 50 kHz.
  • each divisional converter 10.sub.1 the two terminals on the AC side of the divisional inverter 12 are connected to a primary circuit 13 of the divisional transformer 14, which comprises a primary winding 131, and a secondary circuit 15 of the divisional transformer 14, which comprises a secondary winding 151 and which is connected to the reciprocating side of the divisional rectifier 16.
  • Divisional converters can be wired in different ways.
  • the divisional inverters 12 may be connected in series, so that each divisional inverter receives at its input on the DC side a voltage U 'I, here equal to the first DC voltage U1 divided by the number of divisional converters. .
  • the divisional rectifiers 16 can be connected to each other in parallel, each with a ground terminal and a terminal at the potential of the second voltage, so that each divisional rectifier 16 delivers, on its output DC side, a current under the second DC voltage U'2, here equal for all the divisional rectifiers which are connected in parallel to their output and therefore representing the output voltage of the converter 10, currents adding.
  • Other wirings between the divisional converters are possible, both at the input and output of the converter, including serial / parallel wiring.
  • the divisional transformer 14 is a transformer for which the alternating voltages to primary U "1 and secondary U" 2 are equal.
  • each division transformer 14 or at least one of them a transformer having a single magnetic circuit.
  • Such a transformer may be described as an elementary transformer comprising a single elementary magnetic circuit.
  • the divisional transformers 14 are made in the form of an assembly of elementary transformers 18 each having a single elementary magnetic circuit 20, that is to say a transformer all of which turns, primary or secondary, are wound around the same single elementary magnetic circuit.
  • a single elementary magnetic circuit of an elementary transformer 18 may comprise a stack of magnetic circuits, the stack forming an elementary magnetic circuit around which are wound the turns of the primary and secondary of the elementary transformer.
  • An elementary transformer is characterized by the number of turns of the primary and secondary which are arranged around the elementary magnetic circuit for a given operating voltage and power.
  • FIG. 2 there is illustrated a divisional transformer 14 formed of a series of elementary transformers 18.
  • Each elementary transformer 18 thus comprises:
  • a magnetic circuit 20 considered in this case as a single elementary magnetic circuit
  • At least one primary winding 22 and at least one secondary winding 24 each having a conductor which is wound in the form of turns around the magnetic circuit. Each winding has a desired number of turns around the magnetic circuit.
  • the primary windings 22 of the elementary transformers 20 are interconnected to form the primary circuit 13 of the divisional transformer 14
  • the primary windings are simply connected in series.
  • Other configurations, in parallel or series / parallel are also possible.
  • the secondary windings 24 of the elementary transformers 18 are interconnected to form the secondary circuit 15 of the divisional transformer 14
  • the secondary windings are simply connected in series.
  • FIG. 10 there is illustrated a DC-DC voltage converter (which could be a division converter in a higher order converter as described with reference to Fig. 1) comprising a transformer 14 formed by the combination of three elementary transformers. 18 partners in parallel.
  • the primary windings of the three elementary transformers 18 are connected in parallel, and the secondary windings of the three elementary transformers 18 are also connected in parallel.
  • FIG. 11 there is illustrated a DC-DC voltage converter comprising a three-phase transformer 11 combining three transformers 14 which can be made in the form of an assembly of elementary transformers according to the invention, and which are associated in a star-shaped arrangement. star.
  • the transformers 14 could be associated according to other known schemes for a three-phase transformer, in particular according to a triangle-triangle, zigzag-star, triangle-star, etc. scheme.
  • a transformer 18 according to the invention which may be used as an elementary transformer, will be described below in a converter 10 as described below.
  • Such an elementary transformer will simply be called a transformer, insofar as it is not necessarily and solely for use in a combination of transformers as described above.
  • FIG. 3 the magnetic circuit 20, a primary winding 22 and a secondary winding 24 of a transformer 18 according to the invention.
  • FIG. 3 it is deliberately omitted to represent an insulating casing intended to provide electrical insulation between the primary winding 22 and the secondary winding 24 on the one hand, and between the windings 22, 24 and the magnetic circuit 20 on the other hand .
  • Such an insulative housing 26 is illustrated in FIG. 4.
  • a transformer 18 according to the invention comprises the combination of a magnetic circuit, contained inside the housing 26, and at least one primary winding 22 and at least one secondary winding 24, wrapped around the housing 26, so around the magnetic circuit 20, as shown in Figs.5 and 6.
  • the elementary transformer 18 comprises a single primary winding 22 and a single secondary winding 24.
  • a transformer according to the invention may comprise a plurality of primary windings and / or a plurality of secondary windings.
  • the housing 26 is made to be electrically insulating. It is therefore formed of an insulating material. It may advantageously be made of a polymer material, for example polyamide.
  • the insulating housing 26 may be a preformed housing, that is to say that its shape is obtained, for example by molding, by machining and / or additive manufacturing type 3D printing, before being assembled around the magnetic circuit 20, in contrast to an insulating housing which is overmoulded directly around the magnetic circuit 20, for example by injection around the magnetic circuit 20.
  • the insulating casing 26 encapsulates the magnetic circuit 20. It has an outer casing surface 28 on which are wound the primary and secondary windings and an inner casing surface 30 which defines an internal volume in which the magnetic circuit 20 is received.
  • the outer envelope surface 28 of the housing 26 has a geometry defined as the envelope generated by a closed generating curve flowing in a closed arrangement line about a central axis A1.
  • the closed generating curve is a rectangle having two longitudinal edges parallel to the central axis A1 and two transverse edges which connect the longitudinal edges, each at an axial end of the longitudinal edges, and perpendicular to the axis. central Al.
  • the closed generating curve is shifted with respect to the central axis Al, so that the central axis Al does not cut the closed generating curve.
  • the closed generating curve could be for example a square, circular, oval curve, etc. or have a non-regular shape.
  • the closed generating curve is defined in a radial plane containing the central axis Al
  • the closed arrangement line is, in the exemplary embodiment, a circle whose central axis coincides with the central axis A1.
  • the surfaces generated by the closed generating curve flowing along the line d Arrangement closed around a central axis A1 are surfaces of revolution around the central axis A1.
  • the closed layout line could be for example a square, a rectangle, a triangle, an oval or a curve not regular.
  • the closed arrangement line is defined in a plane perpendicular to the central axis A1.
  • the outer casing surface 28 of the casing has a crown geometry having an outer portion 32 turned at a distance of opposite to the central axis A1, an inner portion 34 facing the central axis A1, and axial end portions 36 of junction of the inner and outer portions.
  • the outer envelope surface 28 extends over a section of cylindrical tube of revolution about the axis Al.
  • the outer and inner surfaces of the section of cylindrical tube of revolution respectively form the inner portion 32 and the outer portion 34 of the outer surface 28 of the housing 26.
  • the crown geometry could take the form of an open torus generated by the rotation of a circle around the center axis Al, the circle being located in a plane radial axis containing the axis Al and with a distance between the central axis Al and the center of the circle greater than the radius of the circle.
  • the crown geometry could of course take other forms.
  • the crown geometry of the outer envelope surface 28 is close, to a near homothety, to the geometry of the magnetic circuit 20 which is intended to be encapsulated in the housing 26.
  • the inner envelope surface 30 delimits an internal volume in which the magnetic circuit 20 is received.
  • the magnetic circuit 20 has, like the case 26, a crown shape, more particularly in this case a sectional shape. of cylindrical tube having as axis the central axis Al, but of dimensions smaller than those of the insulating housing 26 to be contained within the internal volume defined by the inner envelope surface 30.
  • the inner envelope surface 30 and the outer envelope surface 28 and define a wall of the insulating housing 26 which has a certain thickness. This thickness is chosen in particular to ensure the required level of electrical insulation between, on the one hand, the primary and secondary windings and, on the other hand, the magnetic circuit.
  • the outer envelope surface 28 of the housing 26, and therefore the wall that it determines is continuous so as to completely encapsulate the magnetic circuit 20.
  • the latter is thus electrically isolated but also mechanically protected inside the housing , and also protected from chemical aggression.
  • the housing 26 can be made of several parts which together define the housing.
  • the elementary magnetic circuit has a geometry and an iron section which make it possible to develop the level of magnetic induction necessary for the given number of turns, at the voltage of maximum operation.
  • the elementary magnetic circuit 20 of the elementary transformer 18 may comprise a stack of subdivisional magnetic circuits forming, together, the elementary magnetic circuit. A winding of a winding surrounds all the subdivisional magnetic circuits of an elementary magnetic circuit.
  • the subdivisional magnetic circuits may be in the form of rings having as their axis the central axis A1 and be stacked in the direction of the central axis Al.
  • the stack thus constituted is disposed inside the insulating casing 26.
  • the section of magnetic material involved sometimes referred to generically as "section of iron", determines the level of induction of work as a function of the level of tension applied and the number of turns, in accordance with the Boucherot formula. In an exemplary application, this section, for an elementary transformer, is between 20 and 150 square centimeters, for example 50 cm 2 .
  • the materials used to form the magnetic circuit must have low iron losses.
  • Materials of the nanocrystalline or ferrite type are candidates capable of performing this function.
  • the nanocrystalline materials of the CooIBLUE® range of the company Magnetec, available commercially, are suitable for producing a transformer according to the invention.
  • the primary 22 and secondary windings 24 which are wound around the insulating housing 26 each comprise one or more conductors, a conductor optionally comprising several strands.
  • a conductor for each winding, for example a conductor type Litz wire, to limit skin effects and limit copper losses.
  • a conductor may be round or flat type.
  • the conductor is wound in the form of turns around the magnetic circuit.
  • the transformer 18 converts an AC voltage to its input into a new AC voltage of the same frequency and the same level at its output.
  • the processor must also ensure a certain level of electrical insulation between the primary and secondary windings.
  • each elementary transformer 18 has a voltage conversion ratio of 1, and therefore has the same number of turns at the primary and secondary.
  • the transformation ratio of the divisional transformer 14, comprising the combination of several elementary transformers is managed by the ratio between the number of turns of the primary and secondary windings and by the type of modularity, which notably includes the number of elementary transformers and the series and / or parallel association of these elementary transformers.
  • the elementary transformer 18 comprises a number of reduced turns, in particular less than 50, preferably less than 20.
  • the primary winding 22 of the elementary transformer 18 comprises 5 turns, just like the secondary winding 24.
  • each turn of the primary winding and each turn of the secondary winding is received in a winding groove which is formed in the outer casing surface of the casing .
  • the insulating housing 26 comprises a winding groove 38, 40, one intended to receive a primary winding 22, and the other intended to receive a secondary winding 24.
  • Each The winding groove is continuous along its length along its winding path and extends over the outer envelope surface of the box so that the winding conductor is received in the winding groove over its entire length. winding length around the housing 26, thus around the magnetic circuit 20.
  • the winding path of each of the winding grooves 38, 40 has outer sections formed in the outer portion 32 of the outer envelope surface 28, inner portions formed in the inner portion 34 of the surface. outer shell 28, and end sections which are formed in the axial end portions of junction 36 of the outer shell surface 28 and which each connect an inner portion to an outer portion of the winding groove.
  • the path of a winding groove 38, 40 therefore corresponds to the geometry of the winding 22, 24 corresponding.
  • the insulating housing 26 comprises at least one primary winding groove 38 and at least one secondary winding groove 40 which each extend in a helical path in the outer envelope surface. It is thus possible to have a winding groove 38, 40 which has, on the outer portion 32 of the outer casing surface 28 of the casing, external sections which extend from one axial end portion 36 to the other and which are not parallel to the central axis. Alternatively, or in addition, it is possible to have the same winding groove 38, 40 which has, on the inner portion 34 of the outer casing surface of the casing, inner sections which extend from an axial end portion 36 to the other and which are not parallel to the central axis A1.
  • both the outer section and the inner section of a winding groove 38, 40 form a helix, respectively on the portions.
  • each winding groove 38, 40 has, on the axial end portion of the outer casing surface 28 of the casing 26, axial end sections which extend between the inner and outer portions of the casing. the outer envelope surface 28 and which are each contained in a radial plane containing the central axis Al.
  • the winding groove has a cross-sectional shape, in a plane perpendicular to its path, which, in a preferred embodiment as schematically illustrated in FIG. 9B, allows it to completely receive the driver of the corresponding winding.
  • dimension in section of the conductor for example its diameter or its thickness does not exceed the depth of the groove.
  • the sectional shape is substantially that of a flared bowl that connects without a sharp angle with the outer envelope surface 28.
  • the throat receives the driver only partially, to the extent that its depth is less than the dimension in section of the driver.
  • this sectional shape is substantially that of a U whose two branches are substantially perpendicular to the outer envelope surface 28 and whose base, which constitutes the bottom of the groove, is rounded.
  • the winding groove is here open in the outer envelope surface 28 to allow the engagement of the driver in the groove.
  • sectional shapes would be possible, for example a shape of an arc, a parabola, etc., preferably without a sharp angle.
  • the winding groove may have a constant depth along its path relative to the outer envelope surface 28, but a variable depth could be provided, especially with increased depth in the areas where the driver must undergo strong curvatures.
  • the winding groove 38, 40 accommodates a single conductor of the winding corresponding to a single turn of a winding.
  • the same winding groove could accommodate multiple conductors having the same voltage level and each belonging to a separate winding.
  • the conductors of these two windings can be received in the same winding groove.
  • the inductance of leakage between the primary and the secondary of the transformer is also used to achieve power transfer.
  • the primary windings 22 and secondary 24 be interleaved.
  • the insulating housing 26 has at least one primary winding groove 38 and at least one secondary winding groove 40 which each extend in a helical path in the outer envelope surface 28, 32, 34, 36 , the two propeller paths being nested.
  • the arrangement in which both the inner sections and the outer sections are not parallel to the axis A1, for example arranged in a helix, while the axial end sections are oriented radially with respect to the axis Al is a configuration which is particularly favorable for maintaining, in a given space, a maximum spacing between two consecutive winding grooves 38, 40 corresponding to separate windings, along their path in the outer envelope surface 28.
  • This spacing makes it possible to promote electrical insulation between a turn of the primary winding and the turn immediately adjacent to the secondary winding, especially when the two windings are interleaved.
  • each winding groove 38, 40 is provided with a throat conductive layer 42.
  • This throat conductive layer 42 is preferably arranged on the surface of the throat, or in any case very close to the surface of the throat.
  • the conductive layer 42 is affixed to, or integrated with, the surface of the winding groove 38, 40.
  • the throat conductive layer 42 may extend over the entire surface of the winding groove, or over a portion only of the groove when considered in section, preferably at the bottom of the groove.
  • the conductive groove layer 42 extends opposite the corresponding winding over the entire winding length of the winding around the insulating housing 26. It preferably extends with electrical continuity over the entire winding length of the winding. winding around the insulating housing 26, so the entire length of the winding path of the groove.
  • the groove conductive layer 42 of a winding groove 38, 40 may also extend in part also to the outer envelope surface 28 in the immediate vicinity of the corresponding groove.
  • the throat conductive layer 42 may have a width, measured in a direction perpendicular to the winding path and tangential to the outer envelope surface 28 at the groove, in projection on this direction, between 0.5 and 5 times the width of the corresponding conductor, preferably between 0.5 and 3 times the width of the conductor.
  • two conductive layers of grooves 42 corresponding to two distinct winding grooves 38, 40 for windings separate potentials with distinct potentials are not in electrical contact with each other. On the contrary, they are preferably separated from each other.
  • the elementary transformer 18 comprises, between the insulating housing 26 and the magnetic circuit 20, an inner conductive layer 44 which surrounds the magnetic circuit 20.
  • the inner conductive layer 44 may for example be affixed to or integrated in the inner envelope surface 30 of the insulating housing 26. It may also be in the form of a cage surrounding the magnetic circuit 20.
  • the throat conductive layer 42, or inner layer 44 is formed by a conductive material having a resistivity of less than 10 ohm. m, preferably less than or equal to 10 6 Ohm. m.
  • This material may comprise a strong conductive material having a resistivity of less than 10 -6 ohm.m, for example a metal or metal alloy, and / or a weak conductor having a resistivity of between 10 ⁇ 6 and 10 10 ohm. preferably between 10 "6 and 10 6 Ohm. m.
  • the conductive layer 42, 44 is formed by a weak conductive material having a resistivity of between 10 -6 and 10 10 ohm, preferably between 10 -6 and 10 6 ohm. m.
  • the conductive layer 42, 44 may comprise a weak conductive material comprising a mixture of a polymer material, for example polyethylene, and conductive particles, for example graphite.
  • the conductive layer 42, 44 has a thickness of less than 1 mm.
  • the conductive layer 42, 44 may be deposited in the form of a paint or varnish. It can be deposited by additive manufacturing, for example 3D printing, dipping, spraying, CVD ("chemical vapor deposition") or PVD (physical vapor deposition) - physical vapor deposition ), etc. It can also be performed in the form of an insert in the corresponding groove or on the inner envelope surface 30 of the housing, or for the inner conductive layer 44, on an outer surface of the magnetic circuit.
  • the conductive layer 42, 44 can be made by directly adding, during manufacture, conductive particles in the insulating material constituting the insulating housing 26, in the surface of the housing 26, to give it, locally, the desired semiconducting properties.
  • the thickness of the conductive layer 42, 44 may be less than 1 mm.
  • this conductive layer 42, 44 is to homogenize the electric potential levels along the conductive layer considered. This makes it possible to reinforce the dielectric strength of the elementary transformer, in particular by avoiding the creation of partial discharges that could damage the insulation.
  • each winding primary 22 and secondary 24, has two terminations 22a, 22b, 24a, 24b.
  • each winding has a termination 22a, 24a at a first axial end of the housing and a second terminal 22b, 24b at the other axial end of the housing.
  • the two terminations 22a, 22b of the same winding are not necessarily arranged at the same angular position about the central axis A1 with respect to the insulating housing 26.
  • each elementary transformer has connection terminals connected to each of the terminations of its windings.
  • FIG. 7 schematically illustrated how elementary transformers 18 thus designed, here in the number of 5, can be stacked coaxially along the central axis Al and be arranged so that an output termination of one of the windings of one of the elementary transformers can easily be connected with an input termination of a corresponding winding of a adjacent elementary transformer in the stack.
  • the elementary transformer 18 may comprise a body (not shown) in which is received the housing 26 which encapsulates the magnetic circuit 20 and on which are wound the primary windings 22 and secondary 24.
  • each divisional transformer 14 must hold the full insulation voltage of the network, set here at 40. kV DC. For this purpose, it is provided, for example, that each divisional transformer 14 must satisfy the following characteristics:
  • An exemplary embodiment consists of constructing each divisional transformer 14 of 400 kVA from a series of five elementary transformers 18 having the following technical characteristics:
  • Insulation level greater than 60 kVDC, preferably greater than 80 kVDC, and capable of reaching or exceeding 100 kVDC;
  • an elementary transformer 18 as described above makes it possible to achieve these characteristics without the need for isolation by vacuum or by an insulating fluid (liquid oil or gas, for example SF6).
  • the required insulation levels can be obtained in the ambient air, the ambient air being in contact with the windings and the external envelope surface. This makes maintenance much easier.

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Abstract

L'invention propose un transformateur électrique haute tension comportant : - un circuit magnétique (20), - au moins un enroulement primaire (22) et au moins un enroulement secondaire (24) comportant chacun au moins un conducteur qui est enroulé sous la forme de spires autour du circuit magnétique (20), - un boîtier (26) isolant électriquement qui encapsule le circuit magnétique (20) et qui présente une surface enveloppe externe (28) sur laquelle sont enroulés les enroulements primaire et secondaire et une surface enveloppe interne qui définit un volume interne dans lequel est reçu le circuit magnétique (20), caractérisé en ce que chaque spire d'un enroulement (22, 24) est reçue dans une gorge d'enroulement qui est formée dans la surface enveloppe externe (28) du boîtier isolant (26), et en ce que chaque gorge d'enroulement est pourvue d'une couche conductrice de gorge.

Description

TRANSFORMATEUR ELECTRIQUE HAUTE TENSION A BOITIER
ISOLANT
L'invention concerne le domaine des transformateurs électriques à haute tension.
Un transformateur électrique à haute tension est destiné à être intégré dans un réseau électrique dans lequel la tension de service est supérieure à 1000 V en courant alternatif ou 1500 V en courant continu. L'invention sera plus particulièrement décrite dans le cadre d'une haute tension électrique continue.
De manière connue, un transformateur électrique à haute tension a pour fonction notamment de transformer une tension alternative à son entrée (tension primaire) en une nouvelle tension alternative de même fréquence et de niveau identique ou différent à sa sortie (tension secondaire). Le transformateur doit également assurer un certain niveau d'isolement électrique entre les enroulements primaire et secondaire et entre les enroulements et le circuit magnétique. Pour cela certains transformateurs comportent :
- un circuit magnétique,
- au moins un enroulement primaire et au moins un enroulement secondaire comportant chacun un conducteur qui est enroulé sous la forme de spires autour du circuit magnétique,
- un boîtier isolant électriquement qui encapsule le circuit magnétique et qui présente une surface enveloppe extérieure sur laquelle sont enroulés les enroulements primaire et secondaire et une surface enveloppe interne qui définit un volume interne dans lequel est reçu le circuit magnétique.
Comme on le verra par la suite, le transformateur selon l'invention se prête particulièrement à une utilisation en tant que module dans une association modulaire de transformateurs électriques pour la haute tension, avec des modules associés en série et/ou en parallèle. Ainsi, individuellement, un transformateur électrique selon l'invention n'est pas nécessairement soumis à une haute tension entre les bornes de son enroulement primaire ou secondaire, mais cette tension peut être répartie sur chacun de plusieurs modules, ci-après appelés transformateurs élémentaires, connectés électriquement en série. Dans un tel cas, il peut exister notamment une très forte différence de potentiel entre les enroulements primaires et secondaires et/ou entre au moins un des enroulements et le circuit magnétique.
Cependant, on cherche à augmenter autant que possible la tenue diélectrique entre le primaire et le secondaire ainsi qu'entre les enroulements et le circuit magnétique, qui peut être relié à la masse du transformateur, au moyen d'une isolation solide limitant les risques de décharges partielles, garantissant une certaine compacité et la possibilité d'obtenir des inductances de fuite faibles, compatibles avec les applications de convertisseur de puissance.
Dans certaines applications, on cherchera à assurer une tenue diélectrique d'au moins 100 kV en tension continue entre le primaire et le secondaire ainsi qu'entre les enroulements et la masse du transformateur.
Dans de nombreux transformateurs, on assure la tenue diélectrique en haute tension par une isolation solide. Le matériau d'isolation est par exemple un matériau solide injecté. Cependant, même en injection sous vide, il est très difficile d'atteindre des tenues en tension au-delà de 60 kV en tension continue. De plus les procédés d'isolation solide par injection sous vide entraînent très souvent la présence de vacuoles à l'intérieur de l'isolant, ces vacuoles étant propices à l'apparition de décharges partielles qui peuvent limiter fortement la durée de vie de l'appareil. On peut pallier au problème des décharges partielles en imposant des distances dans l'air importantes entre les bobinages, mais c'est au détriment de la compacité et des caractéristiques volume/poids de l'appareil.
Pour assurer de haut niveaux de tenue diélectrique, il est connu d'utiliser des transformateurs à isolation liquide ou gazeuse. Dans ce cas, les niveaux diélectriques sont satisfaisants, mais ces solutions sont encombrantes et demandent des composants auxiliaires et des maintenances régulières. De plus, certains des liquide ou gaz, tel que le SF6, nécessitent de prendre en compte un impact environnemental potentiel élevé, ce qui impose des dispositions constructives et opérationnelles importantes pour garantir la sécurité et l'innocuité en toutes circonstances.
Un transformateur selon l'invention pourra notamment être mis en œuvre au sein d'un convertisseur de puissance.
Par ailleurs les transformateurs de moyenne fréquence, par exemple entre 500 Hz et 100 kHz, notamment dans les applications convertisseurs de puissance, doivent présenter des inductances de fuite relativement faibles. Cette caractéristique est antagoniste avec la nécessité de disposer de fortes distances inter-bobinages afin de garantir des fortes tenues en tension diélectriques sans apparition de décharges partielles.
L'invention a donc pour but de proposer un transformateur haute tension ayant une haute tenue diélectrique.
Dans ce but, l'invention propose un transformateur électrique haute tension comportant :
- un circuit magnétique ;
- au moins un enroulement primaire et au moins un enroulement secondaire comportant chacun au moins un conducteur qui est enroulé sous la forme de spires autour du circuit magnétique ;
- un boîtier isolant électriquement qui encapsule le circuit magnétique et qui présente une surface enveloppe externe sur laquelle sont enroulés les enroulements primaire et secondaire et une surface enveloppe interne qui définit un volume interne dans lequel est reçu le circuit magnétique.
Un tel transformateur est caractérisé en ce que chaque spire d'un enroulement est reçue dans une gorge d'enroulement qui est formée dans la surface enveloppe externe du boîtier isolant, et en ce que chaque gorge d'enroulement est pourvue d'une couche conductrice de gorge.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, prises individuellement ou en combinaison :
- La couche conductrice de gorge peut être apposée sur, ou intégrée à, la surface de la gorge d'enroulement. - La couche conductrice de gorge peut s'étendre en regard de l'enroulement correspondant sur toute la longueur d'enroulement de l'enroulement autour du boîtier isolant.
- La couche conductrice de gorge peut s'étendre en regard de l'enroulement de manière continue sur toute la longueur d'enroulement de l'enroulement autour du boîtier isolant.
- La couche conductrice de gorge d'une gorge d'enroulement peut s'étendre en partie aussi sur la surface enveloppe externe du boîtier isolant.
- Deux couches conductrices de gorges distinctes, correspondant à deux gorges d'enroulement distinctes, pour des enroulements distincts ayant des potentiels électriques distincts, ne sont de préférence pas en contact électrique l'une avec l'autre.
- Pour chaque enroulement primaire et secondaire, le boîtier isolant peut comprendre une gorge d'enroulement continue qui s'étend sur la surface enveloppe externe du boiter de telle sorte que le conducteur de l'enroulement est reçu dans la gorge d'enroulement sur toute sa longueur d'enroulement autour du boîtier isolant.
- La gorge d'enroulement peut présenter une forme en section qui lui permet de recevoir complètement le conducteur de l'enroulement correspondant.
- Dans certains modes de réalisation, en tout point de sa longueur d'enroulement, la gorge d'enroulement accueille un unique conducteur de l'enroulement correspondant.
- Dans certains modes de réalisation, la gorge d'enroulement accueille plusieurs conducteurs appartenant à des enroulements distincts et ayant le même niveau de potentiel.
- Le boîtier isolant peut comporter au moins une gorge d'enroulement primaire et au moins une gorge d'enroulement secondaire qui s'étendent chacune selon un trajet en hélice dans la surface enveloppe externe.
- Le boîtier isolant peut comporter au moins une gorge d'enroulement primaire et au moins une gorge d'enroulement secondaire qui s'étendent chacune selon un trajet en hélice dans la surface enveloppe externe, les deux trajets en hélices étant imbriqués.
- La surface enveloppe externe du boîtier isolant peut présenter une géométrie définie comme l'enveloppe générée par une courbe génératrice fermée circulant selon une ligne d'agencement fermée autour d'un axe central.
- La surface enveloppe externe du boîtier peut présenter une géométrie en couronne présentant une portion extérieure tournée à l'opposé d'un axe central, une portion intérieure tournée vers l'axe central, et des portions d'extrémité axiales de jonction des portions intérieure et extérieure.
- Chaque gorge d'enroulement peut présenter, sur la portion extérieure de la surface enveloppe externe du boîtier, des tronçons extérieurs qui s'étendent d'une portion d'extrémité axiale à l'autre et qui sont non parallèles à l'axe central.
- Chaque gorge d'enroulement peut présenter, sur la portion intérieure de la surface enveloppe externe du boîtier, des tronçons intérieurs qui s'étendent d'une portion d'extrémité axiale à l'autre et qui sont non parallèles à l'axe central.
- Chaque gorge d'enroulement peut présenter, sur la portion d'extrémité axiale de la surface enveloppe externe du boîtier, des tronçons d'extrémité axiale qui s'étendent entre les portions intérieure et extérieure et qui sont contenus dans un plan radial contenant l'axe central.
- Le transformateur peut comporter, entre le boîtier isolant et le circuit magnétique, une couche conductrice interne qui entoure le circuit magnétique.
- La couche conductrice interne peut être apposée sur, ou intégrée à, la surface enveloppe interne du boîtier isolant.
- La couche conductrice peut être formée par un matériau qui présente un matériau conducteur fort possédant une résistivité inférieure à 1010 Ohm. m, de préférence comprise entre 10"6 et 1010 Ohm. m, plus préférentiellement comprise entre 10~6 et 1010 Ohm. m. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
La Figure 1 est une vue schématique d'un convertisseur électrique de tension continu - continu comportant plusieurs convertisseurs divisionnaires, chacun muni d'un transformateur divisionnaire.
La Figure 2 illustre schématiquement un transformateur divisionnaire du convertisseur de la Fig. 1, comportant lui-même plusieurs transformateurs élémentaires, ici connectés en série, susceptibles d'être réalisés conformément aux enseignements de l'invention.
La Figure 3 illustre, en perspective, le circuit magnétique et les enroulements primaire et secondaire d'un exemple de réalisation d'un transformateur élémentaire selon l'invention.
La Figure 4 illustre, en perspective, un boîtier isolant à l'intérieur duquel le circuit magnétique de la Fig. 3 est destiné à être encapsulé, et autour duquel les enroulements primaire et secondaire de la Fig. 3 sont destinés à être enroulés.
Les Figures 5 et 6 illustrent, en perspective selon deux directions différentes, le bobinage des deux enroulements primaire et secondaire autour du boîtier de la Fig. 4.
La Figure 7 illustre la réalisation d'un transformateur divisionnaire tel que montré à la Fig. 2, comportant une association de transformateurs élémentaires tels qu'illustrés sur les Fig. 3 à 6.
La Figure 8 est une vue en coupe par un plan radial contenant l'axe central Al de l'assemblage de la Fig. 5.
Les Figures 9A et 9B sont chacune une vue partielle en section selon le plan de la ligne IX de la Fig. 8, pour différents modes de réalisation d'une gorge d'enroulement.
La Figure 10 illustre un convertisseur de tension électrique continue- continue comprenant un transformateur monophasé constitué de trois transformateurs élémentaires associés en parallèle. La Figure 11 illustre un convertisseur de tension électrique continue- continue comprenant un transformateur triphasé constitué de trois transformateurs élémentaires monophasés associés selon un schéma étoile- étoile.
L'invention sera plus particulièrement décrite pour un exemple de réalisation destiné à être mis en œuvre dans le cas d'application décrit ci- dessous.
Le cas d'application est celui d'un convertisseur de tension continue- continue 10 fonctionnant en haute tension continue (HVDC), en entrée et/ou en sortie, par exemple pour une tension de service comprise entre 1,5 kV et 50kV. Par exemple, le convertisseur 10 travaille entre une première tension continue d'entrée Ul = 40 kV et une seconde tension continue de sortie U'2 = 4 kV.
Dans l'exemple illustré sur la Fig. 1, le convertisseur est par exemple constitué d'un empilement de « n » convertisseurs divisionnaires 10.1, 10.2,... lO.ï, ...,ΙΟ.η. Ici on considère que le convertisseur 10, pris dans sa globalité, présente une entrée à la première tension continue, par exemple 40 kV, et une sortie à la seconde tension continue plus faible, ici par exemple 4kV. Chaque convertisseur divisionnaire 10. i peut être de type «Dual Active Bridge» (DAB) dans lesquels doivent être insérés des transformateurs 14 de moyenne fréquence (TMF). Dans l'exemple on prévoit dix convertisseurs divisionnaires 10. î d'une puissance globale de 400 kVA, avec des niveaux de tension de 4 kVAC à l'entrée et à la sortie.
Chaque convertisseur divisionnaire 10. i comporte un onduleur divisionnaire 12, un transformateur divisionnaire 14 et un redresseur divisionnaire 16. Entre l'onduleur divisionnaire et le redresseur divisionnaire, chaque convertisseur divisionnaire est configuré pour travailler en moyenne fréquence, par exemple entre 500 Hz et 100 kHz, par exemple comprise entre 5 kHz et 50 kHz. Chaque transformateur divisionnaire est donc configuré pour travailler en moyenne fréquence, par exemple entre 500 Hz et 100 kHz, notamment entre 5 kHz et 50 kHz. Dans chaque convertisseur divisionnaire 10. i, les deux bornes du côté alternatif de l'onduleur divisionnaire 12 sont reliées à un circuit primaire 13 du transformateur divisionnaire 14, qui comprend un bobinage primaire 131, et un circuit secondaire 15 du transformateur divisionnaire 14, qui comprend un bobinage secondaire 151 et qui est relié au côté alternatif du redresseur divisionnaire 16.
Les convertisseurs divisionnaires peuvent être câblés de différentes manières. Du côté de l'entrée, les onduleurs divisionnaires 12 peuvent être reliés en série, de sorte que chaque onduleur divisionnaire reçoit à son entrée côté continu une tension U'I, ici égale à la première tension continue Ul divisée par le nombre de convertisseurs divisionnaires. Du côté de la sortie du convertisseur 10, les redresseurs divisionnaires 16 peuvent être reliés entre eux en parallèle, avec chacun une borne à la masse et une borne au potentiel de la seconde tension, de sorte que chaque redresseur divisionnaire 16 délivre, à sa sortie côté continu, un courant sous la seconde tension continue U'2, ici égale pour tous les redresseurs divisionnaires qui sont reliés en parallèle à leur sortie et représentant donc la tension de sortie du convertisseur 10, les courants s'ajoutant. D'autres câblages entre les convertisseurs divisionnaires sont possibles, tant à l'entrée qu'à la sortie du convertisseur, y compris des câblages série/parallèle.
Dans l'exemple illustré, pour chaque convertisseur divisionnaire, le transformateur divisionnaire 14 est un transformateur pour lequel les tensions alternatives au primaire U"l et au secondaire U"2 sont égales.
Suivant les applications, on peut prévoir que chaque transformateur divisionnaire 14 ou au moins l'un d'entre eux, soit un transformateur comportant un unique circuit magnétique. Un tel transformateur peut être qualifié de transformateur élémentaire comportant un unique circuit magnétique élémentaire.
Toutefois, on décrira le cas où certains au moins des transformateurs divisionnaires 14 sont réalisés sous la forme d'un assemblage de transformateurs élémentaires 18 comportant chacun un unique circuit magnétique élémentaire 20, c'est-à-dire un transformateur dont toutes les spires, primaires ou secondaires, sont enroulées autour du même unique circuit magnétique élémentaire. Un tel unique circuit magnétique élémentaire d'un transformateur élémentaire 18 peut comporter un empilement de circuits magnétiques, l'empilement formant un circuit magnétique élémentaire autour duquel sont enroulées les spires du primaire et du secondaire du transformateur élémentaire. Un transformateur élémentaire est caractérisé par le nombre de spires du primaire et du secondaire qui sont disposées autour du circuit magnétique élémentaire pour une tension de service et une puissance donnée.
A la Fig. 2, on a illustré un transformateur divisionnaire 14 formé d'une série de transformateurs élémentaires 18.
Chaque transformateur élémentaire 18 comporte ainsi :
- un circuit magnétique 20, considéré dans ce cas comme un circuit magnétique élémentaire, unique ; et
- au moins un enroulement primaire 22 et au moins un enroulement secondaire 24 comportant chacun un conducteur qui est enroulé sous la forme de spires autour du circuit magnétique. Chaque enroulement comporte un nombre de spires voulu autour du circuit magnétique.
Dans cet exemple où les transformateurs élémentaires 18 sont associés pour former un transformateur d'ordre supérieur, en l'occurrence un transformateur divisionnaire 14, les enroulements primaires 22 des transformateurs élémentaires 20 sont reliés entre eux pour former le circuit primaire 13 du transformateur divisionnaire 14. Dans l'exemple de la Fig. 2, les enroulements primaires sont tout simplement reliés en série. D'autres configurations, en parallèles ou série/parallèle sont aussi possibles.
Dans cet exemple où les transformateurs élémentaires 18 sont associés pour former un transformateur d'ordre supérieur, en l'occurrence un transformateur divisionnaire 14, les enroulements secondaires 24 des transformateurs élémentaires 18 sont reliés entre eux pour former le circuit secondaire 15 du transformateur divisionnaire 14. Dans l'exemple de la Fig. 2, les enroulements secondaires sont tout simplement reliés en série. D'autres configurations, en parallèles ou série/parallèle sont aussi possibles. Dans un autre exemple, à la Fig. 10, on a illustré un convertisseur de tension électrique continu-continu (qui pourrait être un convertisseur divisionnaire dans un convertisseur d'ordre supérieur comme décrit en relation avec la Fig. 1) comprenant un transformateur 14 formé par l'association de trois transformateurs élémentaires 18 associés en parallèle. Les enroulements primaires des trois transformateurs élémentaires 18 sont reliés en parallèle, et les enroulements secondaires des trois transformateurs élémentaires 18 sont aussi reliés en parallèle.
A la Fig. 11, on a illustré un convertisseur de tension électrique continue-continue comprenant un transformateur triphasé 11 associant trois transformateurs 14 qui peuvent être réalisés sous la forme d'un assemblage de transformateurs élémentaires selon l'invention, et qui sont associés selon un schéma étoile-étoile. Les transformateurs 14 pourraient être associés selon d'autres schémas connus pour un transformateur triphasé, notamment selon un schéma triangle-triangle, étoile-zigzag, triangle-étoile, etc..
On décrira ci-dessous un transformateur 18 selon l'invention, susceptible d'être utilisé en tant que transformateur élémentaire dans un convertisseur 10 tel que décrit ci-dessous. Un tel transformateur élémentaire sera appelé simplement transformateur, dans la mesure, où il n'est pas nécessairement et uniquement destiné à être utilisé dans une association de transformateurs tel que décrit ci-dessus.
On a illustré sur la Fig. 3 le circuit magnétique 20, un enroulement primaire 22 et un enroulement secondaire 24 d'un transformateur 18 selon l'invention. Sur cette Fig. 3, on a volontairement omis de représenter un boîtier isolant destiné à assurer une isolation électrique entre l'enroulement primaire 22 et l'enroulement secondaire 24 d'une part, et entre les enroulements 22, 24 et le circuit magnétique 20 d'autre part. Un tel boîtier isolant 26 est illustré à la Fig. 4. On comprend donc qu'un transformateur 18 selon l'invention comporte l'association d'un circuit magnétique, contenu à l'intérieur du boîtier 26, et d'au moins un enroulement primaire 22 et d'au moins un enroulement secondaire 24, enroulés autour du boîtier 26, donc autour du circuit magnétique 20, comme cela est illustré sur les Figs.5 et 6.
Dans cet exemple de réalisation, le transformateur élémentaire 18 comporte un seul enroulement primaire 22 et un seul enroulement secondaire 24. Cependant, un transformateur selon l'invention peut comprendre plusieurs enroulements primaires et/ou plusieurs enroulements secondaires.
Le boitier 26 est réalisé de manière à être isolant électriquement. Il est donc formé d'un matériau isolant. Il peut avantageusement être réalisé en matériau polymère, par exemple en polyamide. Le boitier isolant 26 peut être un boitier préformé, c'est-à-dire que sa forme est obtenue, par exemple par moulage, par usinage et/ou par fabrication additive de type impression 3D, avant d'être assemblé autour du circuit magnétique 20, contrairement à un boitier isolant qui serait surmoulé directement autour du circuit magnétique 20, par exemple par injection autour du circuit magnétique 20.
Dans le présent texte, un matériau ou un élément est considéré comme :
- conducteur fort s'il possède une résistivité inférieure à 10"6 Ohm. m ;
- conducteur faible, s'il possède une résistivité comprise entre 10"6 et 1010 Ohm.m ; et
- isolant s'il possède une résistivité supérieure à 1010 Ohm.m.
Le boîtier isolant 26 encapsule le circuit magnétique 20. Il présente une surface enveloppe externe 28 sur laquelle sont enroulés les enroulements primaire et secondaire et une surface enveloppe interne 30 qui définit un volume interne dans lequel est reçu le circuit magnétique 20.
La surface enveloppe externe 28 du boitier 26 présente une géométrie définie comme l'enveloppe générée par une courbe génératrice fermée circulant selon une ligne d'agencement fermée autour d'un axe central Al.
Dans l'exemple illustré, la courbe génératrice fermée est un rectangle comportant deux bords longitudinaux parallèles à l'axe central Al et deux bords transversaux qui relient les bords longitudinaux, chacun à une extrémité axiale des bords longitudinaux, et perpendiculaires à l'axe central Al. La courbe génératrice fermée est décalée par rapport à l'axe central Al, de sorte que l'axe central Al ne coupe pas la courbe génératrice fermée. La courbe génératrice fermée pourrait être par exemple une courbe carrée, circulaire, ovale, etc.. ou encore avoir une forme non régulière. De préférence, on définit la courbe génératrice fermée dans un plan radial contenant l'axe central Al
La ligne d'agencement fermée est, dans l'exemple de réalisation, un cercle dont l'axe central est confondu avec l'axe central Al. En d'autres termes, les surfaces générées par la courbe génératrice fermée circulant selon la ligne d'agencement fermée autour d'un axe central Al sont des surfaces de révolution autour de l'axe central Al. Cependant, la ligne d'agencement fermée pourrait être par exemple un carré, un rectangle, un triangle, un ovale ou encore une courbe non régulière. De préférence, on définit la ligne d'agencement fermée dans un plan perpendiculaire à l'axe central Al.
De par sa définition en tant que surface générée par une courbe génératrice fermée circulant selon une ligne d'agencement fermée autour d'un axe central Al, la surface enveloppe externe 28 du boîtier présente une géométrie en couronne présentant une portion extérieure 32 tournée à l'opposé de l'axe central Al, une portion intérieure 34 tournée vers l'axe central Al, et des portions d'extrémité axiales 36 de jonction des portions intérieure et extérieure.
Dans l'exemple illustré, la surface enveloppe externe 28 s'étend sur un tronçon de tube cylindrique de révolution autour de l'axe Al. Les surfaces extérieure et intérieure du tronçon de tube cylindrique de révolution forment respectivement donc la portion intérieure 32 et la portion extérieure 34 de la surface externe 28 du boîtier 26. Les surfaces annulaires transversales du tronçon de tube, perpendiculaires à l'axe central Al et correspondant aux deux extrémités axiales, forment respectivement les portions d'extrémité axiales 36 de jonction des portions intérieure et extérieure de la surface enveloppe externe 28 du boitier 26. Cependant, plutôt que la forme d'un tronçon de tube cylindrique, la géométrie en couronne pourrait prendre la forme d'un tore ouvert engendré par la rotation d'un cercle autour de l'axe centre Al, le cercle étant situé dans un plan radial contenant l'axe Al et avec une distance entre l'axe central Al et le centre du cercle supérieure au rayon du cercle. La géométrie en couronne pourrait bien entendu prendre d'autres formes.
De préférence, la géométrie en couronne de la surface enveloppe externe 28 est proche, à une homothétie près, de la géométrie du circuit magnétique 20 qui est destiné à être encapsulé dans le boîtier 26.
La surface enveloppe interne 30 délimite un volume interne dans lequel est reçu le circuit magnétique 20. Dans l'exemple illustré, le circuit magnétique 20 présente, comme le boîtier 26, une forme de couronne, plus particulièrement dans le cas présent une forme de tronçon de tube cylindrique ayant comme axe l'axe central Al, mais de dimensions inférieures à celles du boîtier isolant 26 pour être contenu à l'intérieur du volume interne défini par la surface enveloppe interne 30. La surface enveloppe interne 30 et la surface enveloppe externe 28 définissent ainsi une paroi du boîtier isolant 26 qui présente une certaine épaisseur. Cette épaisseur est choisie notamment pour assurer le niveau d'isolation électrique requis entre, d'une part, les enroulements primaires et secondaires et, d'autre part, le circuit magnétique.
De préférence, la surface enveloppe externe 28 du boîtier 26, et donc la paroi qu'elle détermine, est continue de manière à encapsuler complètement le circuit magnétique 20. Ce dernier se trouve ainsi isolé électriquement mais aussi protégé mécaniquement à l'intérieur du boîtier, et également protégé des agressions chimiques. On note que, notamment pour des raisons évidentes de construction et d'assemblage, le boîtier 26 peut être réalisé en plusieurs parties qui, ensemble, définissent le boîtier. Le circuit magnétique élémentaire présente une géométrie et une section de fer qui permettent de développer le niveau d'induction magnétique nécessaire pour le nombre de spires donné, à la tension de fonctionnement maximale. Comme indiqué plus haut, le circuit magnétique élémentaire 20 du transformateur élémentaire 18 peut comporter un empilement de circuits magnétiques subdivisionnaires formant, ensemble, le circuit magnétique élémentaire. Une spire d'un enroulement entoure tous les circuits magnétiques subdivisionnaires d'un circuit magnétique élémentaire. Les circuits magnétiques subdivisionnaires peuvent être en forme d'anneaux ayant comme axe l'axe central Al et être empilés selon la direction de l'axe central Al. L'empilage ainsi constitué est disposé à l'intérieur du boîtier isolant 26. La section de matériau magnétique mis en jeu, parfois appelée de manière générique « section de fer », détermine le niveau d'induction de travail en fonction du niveau de tension appliquée et du nombre de spires, conformément à la formule de Boucherot. Dans un exemple d'application, cette section, pour un transformateur élémentaire, est comprise entre 20 et 150 centimètres carrés, par exemple 50 cm2.
Pour le fonctionnement en moyenne fréquence, les matériaux utilisés pour former le circuit magnétique doivent avoir des pertes fer faibles. Les matériaux de type nanocristallin ou ferrite sont des candidats aptes à remplir cette fonction. Notamment, les matériaux nanocristallins de la gamme CooIBLUE® de la société Magnetec, disponibles dans le commerce conviennent à la réalisation d'un transformateur selon l'invention.
Les enroulements primaire 22 et secondaire 24 qui sont enroulés autour du boîtier isolant 26 comportent chacun un ou plusieurs conducteur, un conducteur comportant éventuellement plusieurs brins. Dans l'exemple illustré notamment à la Fig. 6, il s'agit, pour chaque enroulement, par exemple d'un conducteur du type fil de Litz, afin de limiter les effets de peau et limiter les pertes cuivre. Selon d'autres formes de réalisation, un conducteur peut être de type rond ou méplat.
Le conducteur est enroulé sous la forme de spires autour du circuit magnétique. Dans l'exemple illustré, le transformateur 18 transforme une tension alternative à son entrée en une nouvelle tension alternative de même fréquence et de même niveau à sa sortie. Le transformateur doit également assurer un certain niveau d'isolement électrique entre les enroulements primaire et secondaire. Dans l'exemple illustré, chaque transformateur élémentaire 18 présente un rapport de conversion de tension de 1, et donc présente un même nombre de spires au primaire et au secondaire. Le rapport de transformation du transformateur divisionnaire 14, comprenant l'association de plusieurs transformateurs élémentaires, est géré par le ratio entre les nombres de spires des enroulements primaire et secondaire et par le type de modularité, ce qui inclut notamment le nombre de transformateurs élémentaires et l'association série et/ou parallèle de ces transformateurs élémentaires.
Dans l'exemple illustré, le transformateur élémentaire 18 comporte un nombre de spires réduits, notamment inférieur à 50, de préférence inférieure à 20. Dans l'exemple illustré, l'enroulement primaire 22 du transformateur élémentaire 18 comporte 5 spires, tout comme l'enroulement secondaire 24.
Pour favoriser l'isolation électrique et le maintien mécanique entre les enroulements primaires et secondaires, chaque spire de l'enroulement primaire et chaque spire de l'enroulement secondaire est reçue dans une gorge d'enroulement qui est formée dans la surface enveloppe externe du boîtier.
De préférence, pour chaque enroulement primaire 22 et secondaire 24, le boîtier isolant 26 comprend une gorge d'enroulement 38, 40, l'une destinée à recevoir un enroulement primaire 22, et l'autre destinée à recevoir un enroulement secondaire 24. Chaque gorge d'enroulement est continue sur sa longueur le long de son cheminement d'enroulement et elle s'étend sur la surface enveloppe externe du boiter de telle sorte que le conducteur de l'enroulement est reçu dans la gorge d'enroulement sur toute sa longueur d'enroulement autour du boîtier 26, donc autour du circuit magnétique 20.
Dans l'exemple illustré, le cheminement d'enroulement de chacune des gorges d'enroulement 38, 40 comporte des tronçons extérieurs aménagés dans la portion extérieure 32 de la surface enveloppe externe 28, des tronçons intérieurs aménagés dans la portion intérieure 34 de la surface enveloppe externe 28, et des tronçons d'extrémité qui sont aménagés dans les portions d'extrémité axiale de jonction 36 de la surface enveloppe externe 28 et qui relient chacun un tronçon intérieur à un tronçon extérieur de la gorge d'enroulement. Le cheminement d'une gorge d'enroulement 38, 40 correspond donc à la géométrie de l'enroulement 22, 24 correspondant.
De préférence, le boîtier isolant 26 comporte au moins une gorge d'enroulement primaire 38 et au moins une gorge d'enroulement secondaire 40 qui s'étendent chacune selon un trajet en hélice dans la surface enveloppe externe. On peut ainsi avoir une gorge d'enroulement 38, 40 qui présente, sur la portion extérieure 32 de la surface enveloppe externe 28 du boîtier, des tronçons extérieurs qui s'étendent d'une portion d'extrémité axiale 36 à l'autre et qui sont non parallèles à l'axe central. Alternativement, ou en complément, on peut avoir la même gorge d'enroulement 38, 40 qui présente, sur la portion intérieure 34 de la surface enveloppe externe du boîtier, des tronçons intérieurs qui s'étendent d'une portion d'extrémité axiale 36 à l'autre et qui sont non parallèles à l'axe central Al. Dans l'exemple illustré, à la fois le tronçon extérieur et le tronçon intérieur d'une gorge d'enroulement 38, 40 forment une hélice, respectivement sur les portions extérieure et intérieure de la surface enveloppe externe 28. Cependant, on pourrait aussi prévoir que seulement les tronçons intérieurs ou seulement les tronçons extérieurs soient agencés en hélice, les autres étant agencés parallèlement à l'axe central Al.
Dans l'exemple illustré, chaque gorge d'enroulement 38, 40 présente, sur la portion d'extrémité axiale de la surface enveloppe externe 28 du boîtier 26, des tronçons d'extrémité axiale qui s'étendent entre les portions intérieure et extérieure de la surface enveloppe externe 28 et qui sont contenus chacun dans un plan radial contenant l'axe central Al.
La gorge d'enroulement présente une forme en section, par un plan perpendiculaire à son cheminement, qui, dans un mode de réalisation préféré tel qu'illustré schématiquement à la Fig. 9B, lui permet de recevoir complètement le conducteur de l'enroulement correspondant. Dans ce cas, la dimension en section du conducteur, par exemple son diamètre ou son épaisseur ne dépasse pas la profondeur de la gorge. Dans l'exemple de la Fig. 9B, la forme en section est sensiblement celle d'une cuvette évasée qui se raccorde sans angle vif avec la surface enveloppe externe 28.
Toutefois, dans le mode de réalisation de la Fig. 9A, la gorge ne reçoit le conducteur qu'en partie, dans la mesure où sa profondeur est inférieure à la dimension en section du conducteur. Dans l'exemple illustré, cette forme en section est sensiblement celle d'un U dont les deux branches sont sensiblement perpendiculaires à la surface enveloppe externe 28 et dont la base, qui constitue le fond de la gorge, est arrondie.
La gorge d'enroulement est ici ouverte dans la surface enveloppe externe 28 pour permettre l'engagement du conducteur dans la gorge.
Bien entendu, d'autres formes en section seraient possibles, par exemple une forme en arc de cercle, en arc de parabole, etc., de préférence sans angle vif.
La gorge d'enroulement peut présenter une profondeur constante le long de son cheminement par rapport à la surface enveloppe externe 28, mais on pourrait prévoir une profondeur variable, notamment avec une profondeur accrue dans les zones où le conducteur doit subir des fortes courbures.
Dans l'exemple illustré, en tout point de son cheminement d'enroulement, la gorge d'enroulement 38, 40 accueille un unique conducteur de l'enroulement correspondant à une unique spire d'un enroulement. Cependant, dans certains modes de réalisation, une même gorge d'enroulement pourrait accueillir plusieurs conducteurs ayant le même niveau de tension et appartenant chacun à un enroulement distinct. Par exemple, dans le cas d'un transformateur comportant deux enroulements primaires, et/ou deux enroulements secondaires, branchés électriquement en parallèle, les conducteurs de ces deux enroulements peuvent être reçus dans une même gorge d'enroulement.
Pour certaines applications, et en particulier dans le cas des convertisseurs tension continue-continue décrit ci-dessus, l'inductance de fuite entre le primaire et le secondaire du transformateur est également utilisée pour réaliser le transfert de puissance. Pour ces applications, il convient donc de maîtriser la valeur de l'inductance de fuite. Pour favoriser cela, il est proposé que les enroulements primaires 22 et secondaires 24 soient imbriqués. Ainsi, comme on le voit notamment sur les Figs. 3 à 6, le boîtier isolant 26 comporte au moins une gorge d'enroulement primaire 38 et au moins une gorge d'enroulement secondaire 40 qui s'étendent chacune selon un trajet en hélice dans la surface enveloppe externe 28, 32, 34, 36, les deux trajets en hélices étant imbriqués. Ainsi, si l'on suit la surface enveloppe externe 28 selon une ligne circonférentielle autour de l'axe Al, on intercepte successivement et alternativement une gorge d'enroulement primaire 38 et une gorge d'enroulement secondaire 40.
La disposition dans laquelle à la fois les tronçons intérieurs et les tronçons extérieurs ne sont pas parallèles à l'axe Al, par exemple disposés en hélice, tandis que les tronçons d'extrémité axiale sont orientés radialement par rapport à l'axe Al est une configuration qui est particulièrement favorable pour maintenir, dans un encombrement donné, un espacement maximal entre deux gorges d'enroulement 38, 40 consécutives correspondant à des enroulements distincts, le long de leur cheminement dans la surface enveloppe externe 28. Cet espacement permet de favoriser l'isolation électrique entre une spire de l'enroulement primaire et la spire immédiatement adjacente de l'enroulement secondaire, notamment lorsque les deux enroulements sont imbriqués.
La présence des gorges d'enroulement destinées à accueillir le conducteur de chaque enroulement primaire et secondaire permet de
- faciliter la réalisation de l'imbrication des enroulements primaires et secondaires, sachant que cette réalisation peut être faite manuellement ou par une machine.
- maîtriser la tenue diélectrique souhaitée par le niveau d'écartement imposé, en évitant les dispersions de positionnement lors de la fabrication de l'enroulement ; - maintenir mécaniquement les spires pendant la durée de vie du produit ;
- augmenter la tenue diélectrique en allongeant la distance qu'un arc électrique devrait parcourir en dehors du matériau isolant du boîtier pour s'établir entre deux spires adjacentes ; la forme en section de la gorge peut par ailleurs créer des facteurs de forme amplifiant encore ce phénomène.
De plus, pour égaliser les champs électriques au voisinage du conducteur de l'enroulement, chaque gorge d'enroulement 38, 40 est pourvue d'une couche conductrice de gorge 42. Cette couche conductrice de gorge 42 est de préférence agencée en surface de la gorge, ou en tout cas très près de la surface de la gorge. La couche conductrice 42 est apposée sur, ou intégrée à, la surface de la gorge d'enroulement 38, 40. La couche conductrice de gorge 42 peut s'étendre sur toute la surface de la gorge d'enroulement, ou sur une partie seulement de la gorge lorsqu'on la considère en section, de préférence en fond de gorge. La couche conductrice de gorge 42 s'étend en regard de l'enroulement correspondant sur toute la longueur d'enroulement de l'enroulement autour du boîtier isolant 26. Elle s'étend de préférence avec continuité électrique sur toute la longueur d'enroulement de l'enroulement autour du boîtier isolant 26, donc sur toute la longueur du cheminement d'enroulement de la gorge.
La couche conductrice de gorge 42 d'une gorge d'enroulement 38, 40 peut éventuellement s'étendre en partie aussi sur la surface enveloppe externe 28 à proximité immédiate de la gorge correspondante. Par exemple, la couche conductrice de gorge 42 peut présenter une largeur, mesurée selon une direction perpendiculaire au cheminement d'enroulement et tangentielle à la surface enveloppe externe 28 au niveau de la gorge, en projection sur cette direction, comprise entre 0,5 et 5 fois la largeur du conducteur correspondant, de préférence entre 0,5 et 3 fois la largeur du conducteur.
En revanche, deux couches conductrices de gorges 42 correspondant à deux gorges d'enroulement distinctes 38, 40 pour des enroulements distincts ayant des potentiels distincts ne sont pas en contact électrique l'une avec l'autre. Elles sont au contraire de préférence écartées l'une de l'autre.
De même, il peut être avantageusement prévu que le transformateur élémentaire 18 comporte, entre le boîtier isolant 26 et le circuit magnétique 20, une couche conductrice interne 44 qui entoure le circuit magnétique 20. La couche conductrice interne 44 peut par exemple être apposée sur ou intégrée à la surface enveloppe interne 30 du boîtier isolant 26. Elle peut aussi être réalisée sous la forme d'une cage entourant le circuit magnétique 20.
Dans les deux cas, la couche conductrice de gorge 42, ou interne 44, est formée par un matériau conducteur ayant une résistivité inférieure à 1010 Ohm. m, de préférence inférieure ou égale à 106 Ohm. m.
Ce matériau peut être comprendre un matériau conducteur fort possédant une résistivité inférieure à 10"6 Ohm. m, par exemple un métal ou alliage métallique, et/ou un conducteur faible possédant une résistivité comprise entre 10~6 et 1010 Ohm. m, de préférence comprise entre 10"6 et 106 Ohm. m.
De préférence, la couche conductrice 42, 44 est formée par un matériau conducteur faible possédant une résistivité comprise entre 10"6 et 1010 Ohm. m, de préférence comprise entre 10"6 et 106 Ohm. m. Notamment, la couche conductrice 42, 44 peut comprendre un matériau conducteur faible comprenant un mélange d'un matériau polymère, par exemple du polyéthylène, et de particules conductrices, par exemple du graphite.
De préférence, la couche conductrice 42, 44 présente une épaisseur inférieure à 1 mm.
La couche conductrice 42, 44 peut être déposée sous la forme d'une peinture ou d'un vernis. Elle peut être déposée par fabrication additive, par exemple de type impression 3D, par trempage, par pulvérisation, par CVD (« chemical vapor déposition » - dépôt chimique en phase vapeur) ou PVD (« physical vapor déposition » - dépôt physique en phase vapeur), etc.. Elle peut aussi être réalisée sous la forme d'une pièce rapportée dans la gorge correspondante ou sur la surface enveloppe interne 30 du boîtier, ou encore, pour la couche conductrice interne 44, sur une surface externe du circuit magnétique.
La couche conductrice 42, 44 peut être réalisée en ajoutant directement, lors de la fabrication, des particules conductrices dans le matériau isolant constitutif du boîtier isolant 26, dans la surface du boîtier 26, pour lui conférer, localement, les propriétés semi conductrices voulues.
L'épaisseur de la couche conductrice 42, 44 peut être inférieure à 1 mm.
Dans les deux cas, la fonction de cette couche conductrice 42, 44 est d'homogénéiser les niveaux de potentiel électrique le long de la couche conductrice considérée. Cela permet de renforcer la tenue diélectrique du transformateur élémentaire, notamment en évitant la création de décharges partielles qui pourraient endommager l'isolation.
Bien entendu, chaque enroulement, primaire 22 et secondaire 24, présente deux terminaisons 22a, 22b, 24a, 24b. Dans l'exemple illustré, chaque enroulement présente une terminaison 22a, 24a au niveau d'une première extrémité axiale du boîtier et une seconde terminaison 22b, 24b au niveau de l'autre extrémité axiale du boîtier. Les deux terminaisons 22a, 22b d'un même enroulement ne sont pas nécessairement agencées à la même position angulaire autour de l'axe central Al par rapport au boîtier isolant 26.
Dans le cadre d'un transformateur élémentaire destiné à être associé en tant que module élémentaire avec d'autres transformateurs élémentaires, on peut prévoir que chaque transformateur élémentaire comporte des bornes de connexion raccordées à chacune des terminaisons de ses enroulements. Dans l'exemple illustré à la FIG. 7, on a illustré de manière schématique comment des transformateurs élémentaires 18 ainsi conçus, ici au nombre de 5, peuvent être empilés coaxialement le long de l'axe central Al et être agencés de telle sorte qu'une terminaison de sortie d'un des enroulements de l'un des transformateurs élémentaires peut se raccorder facilement avec une terminaison d'entrée d'un enroulement correspondant d'un transformateur élémentaire adjacent dans l'empilement. On peut prévoir un système de bornes de raccordement mâle et femelle permettant un raccordement électrique, par exemple en série, des enroulements primaire et secondaire d'un transformateur élémentaire respectivement avec les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur élémentaire adjacent dans l'empilement.
Bien entendu, le transformateur élémentaire 18 peut comporter une carrosserie (non représentée) dans laquelle est reçu le boîtier 26 qui encapsule le circuit magnétique 20 et sur lequel sont enroulés les enroulements primaire 22 et secondaire 24.
Un transformateur élémentaire 18 selon l'invention permet de réaliser un convertisseur 10 du type de la Figure 1. Compte tenu de cette architecture « en empilement », chaque transformateur divisionnaire 14 doit tenir la pleine tension d'isolation du réseau, fixée ici à 40 kVDC. Pour cela, on prévoit par exemple que chaque transformateur divisionnaire 14 doit répondre aux caractéristiques suivantes
- Niveau d'isolation diélectrique exigé : 100 kVDC,
- Rapport de transformation = 1,
- Tensions primaire et secondaire : 4 kVAC,
- Fréquence de fonctionnement : 20 kHz,
- Puissance : 400 kVA.
Un exemple de réalisation consiste à construire chaque transformateur divisionnaire 14 de 400 kVA à partir d'une association série de 5 transformateurs élémentaires 18 ayant les caractéristiques techniques suivantes :
- Niveau d'isolation supérieur à 60 kVDC, de préférence supérieur à 80 kVDC, et pouvant atteindre ou dépasser 100 kVDC ;
- Rapport de transformation = 1 ;
- Tensions primaire et secondaire : 800 VAC ;
- Fréquence de fonctionnement : entre 5 et 50 kHz ; - Puissance : 80 kVA ;
- Circuit magnétique en matériau nanocristallin avec section de fer de 50 cm2 ;
- Enroulements primaire et secondaire comportant 5 spires chacun.
Il a été calculé qu'un transformateur élémentaire 18 tel que décrit ci- dessus permet d'atteindre ces caractéristiques sans nécessités d'isolation par le vide ou par un fluide isolant (huile liquide ou gaz, par exemple SF6). Les niveaux d'isolation requis peuvent être obtenus dans l'air ambiant, l'air ambiant étant au contact des enroulements et de la surface enveloppe externe. Cela permet d'avoir une maintenance grandement facilitée.
Bien entendu les performances en termes de niveau d'isolation peuvent être encore améliorées en plaçant un tel transformateur élémentaire 18 dans un milieu isolant, soit dans le vide soit dans un fluide isolant.
On notera par ailleurs que l'on peut prévoir des moyens de refroidissement du transformateur élémentaire 18, par exemple en intégrant dans le boîtier isolant 26 un circuit de circulation de fluide de refroidissement.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés ici, car un grand nombre de modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Transformateur électrique haute tension comportant :
un circuit magnétique (20),
au moins un enroulement primaire (22) et au moins un enroulement secondaire (24) comportant chacun au moins un conducteur qui est enroulé sous la forme de spires autour du circuit magnétique (20), un boîtier (26) isolant électriquement qui encapsule le circuit magnétique (20) et qui présente une surface enveloppe externe (28) sur laquelle sont enroulés les enroulements primaire et secondaire et une surface enveloppe interne (30) qui définit un volume interne dans lequel est reçu le circuit magnétique (20),
caractérisé en ce que chaque spire d'un enroulement (22, 24) est reçue dans une gorge d'enroulement (38, 40) qui est formée dans la surface enveloppe externe (28) du boîtier isolant (26), et en ce que chaque gorge d'enroulement (38, 40) est pourvue d'une couche conductrice de gorge (42).
2 - Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la couche conductrice de gorge (42) est apposée sur, ou intégrée à, la surface de la gorge d'enroulement.
3 - Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, la couche conductrice de gorge (42) s'étend en regard de l'enroulement correspondant sur toute la longueur d'enroulement de l'enroulement autour du boîtier isolant (26).
4 - Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, la couche conductrice de gorge (42) s'étend en regard de l'enroulement de manière continue sur toute la longueur d'enroulement de l'enroulement autour du boîtier isolant (26).
5 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche conductrice de gorge (42) d'une gorge d'enroulement (38, 40) s'étend en partie aussi sur la surface enveloppe externe (28) du boîtier isolant (26). 6 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux couches conductrices de gorges distinctes (42), correspondant à deux gorges d'enroulement distinctes (38, 40), pour des enroulements distincts ayant des potentiels électriques distincts, ne sont pas en contact électrique l'une avec l'autre.
7 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour chaque enroulement primaire et secondaire, le boîtier isolant (26) comprend une gorge d'enroulement continue (38, 40) qui s'étend sur la surface enveloppe externe (28) du boiter de telle sorte que le conducteur de l'enroulement (22, 24) est reçu dans la gorge d'enroulement (38, 40) sur toute sa longueur d'enroulement autour du boîtier isolant (26).
8 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gorge d'enroulement (38, 40) présente une forme en section qui lui permet de recevoir complètement le conducteur de l'enroulement (22, 24) correspondant.
9 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, en tout point de sa longueur d'enroulement, la gorge d'enroulement (38, 40) accueille un unique conducteur de l'enroulement correspondant.
10 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, la gorge d'enroulement (38, 40) accueille plusieurs conducteurs appartenant à des enroulements distincts et ayant le même niveau de potentiel.
11 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier isolant (26) comporte au moins une gorge d'enroulement primaire (38) et au moins une gorge d'enroulement secondaire (40) qui s'étendent chacune selon un trajet en hélice dans la surface enveloppe externe (28). 12 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier isolant (26) comporte au moins une gorge d'enroulement primaire (38) et au moins une gorge d'enroulement secondaire (40) qui s'étendent chacune selon un trajet en hélice dans la surface enveloppe externe (28), les deux trajets en hélices étant imbriqués.
13 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface enveloppe externe (28) du boîtier isolant (26) présente une géométrie définie comme l'enveloppe générée par une courbe génératrice fermée circulant selon une ligne d'agencement fermée autour d'un axe central (Al).
14 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface enveloppe externe (28) du boîtier présente une géométrie en couronne présentant une portion extérieure (32) tournée à l'opposé d'un axe central (Al), une portion intérieure tournée (34) vers l'axe central (Al), et des portions d'extrémité axiales (36) de jonction des portions intérieure et extérieure.
15 - Transformateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque gorge d'enroulement (38, 40) présente, sur la portion extérieure (32) de la surface enveloppe externe (28) du boîtier, des tronçons extérieurs qui s'étendent d'une portion d'extrémité axiale (36) à l'autre et qui sont non parallèles à l'axe central (Al).
16 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que chaque gorge d'enroulement (38, 40) présente, sur la portion intérieure (34) de la surface enveloppe externe (28) du boîtier, des tronçons intérieurs qui s'étendent d'une portion d'extrémité axiale (36) à l'autre et qui sont non parallèles à l'axe central (Al).
17 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que chaque gorge d'enroulement (38, 40) présente, sur la portion d'extrémité axiale (36) de la surface enveloppe externe (28) du boitier (26), des tronçons d'extrémité axiale qui s'étendent entre les portions intérieure (32) et extérieure (34) et qui sont contenus dans un plan radial contenant l'axe central (Al).
18 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, entre le boîtier isolant (26) et le circuit magnétique (20), une couche conductrice interne (44) qui entoure le circuit magnétique (20).
19 - Transformateur selon la revendication 18, caractérisé en ce que la couche conductrice interne (44) est apposée sur, ou intégrée à, la surface enveloppe interne (30) du boîtier isolant (26).
20 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche conductrice (42, 44) est formée par un matériau qui présente un matériau conducteur possédant une résistivité inférieure à 1010 Ohm. m, de préférence comprise entre 10"6 et 1010 Ohm. m, plus préférentiellement comprise entre 106 et 106 Ohm. m.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3319207A (en) * 1963-07-18 1967-05-09 Davis Jesse Grooved toroidal body with metal filling
JPH0241852Y2 (fr) * 1985-03-20 1990-11-08
US8922311B2 (en) * 2012-09-25 2014-12-30 Hamilton Sundstrand Corporation Electrical inductor assembly and method of cooling an electrical inductor assembly
EP2808879B1 (fr) * 2013-05-29 2015-10-14 ABB Technology AG Agencement d'enroulements d'un transformateur d'isolation haute tension

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