EP3758031A1 - Electrical transformer with controlled distribution of leakage inductance - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the field of electrical transformers, for example integrated into resonant voltage converters or any other type of power converters.
- the present invention aims in particular to make it possible to control the distribution of the leakage inductance in an electric transformer.
- An electrical transformer allows the transfer of electrical energy from a primary circuit to a secondary circuit.
- an electric transformer in which an electric current flows which generates a magnetic field allowing the transfer of electric energy from the primary circuit to the secondary circuit. More precisely, in an electrical transformer, in particular in a magnetizing inductor converter or in a resonant converter, there is a primary winding and a secondary winding, formed by windings around a magnetic core, between which is transferred the electric energy.
- Any electrical transformer has a leakage inductance, which results in a loss of efficiency because part of the magnetic flux created in the primary circuit is not picked up by the windings of the secondary circuit. Additional losses may also appear on the windings. In the case of non-resonant voltage converters, overvoltages can also occur.
- the geometry of the windings of an electrical transformer, as well as the choice of the magnetic materials used for the magnetic core, or even the geometry of said magnetic core, in particular, are configured to meet electrical and magnetic criteria.
- One objective of the sizing of an electric transformer resides in particular in controlling the value of the leakage inductance of the electric transformer.
- a resonant inductor can be connected in series with the primary winding.
- the resonance inductor is in particular sized like a discrete component, which operates with an electrical transformer itself dimensioned like a discrete component.
- an electric transformer can be configured either to minimize magnetic flux leakage, or so that the resonant inductor is integrated with said electric transformer as a leakage inductor, so as to eliminate a power electronic component. discrete and thus reduce the cost and size of the corresponding circuit.
- the figure 1 shows an equivalent circuit diagram of a perfect LLC resonant converter, with an input voltage V SqFHA , an output voltage V OutFHA and an output resistor R FHA .
- the resonant capacitor Cs and the resonant inductance Ls are in series and the magnetizing inductor Lp is in parallel with the output of the resonant converter LLC.
- FIG. 2 there is shown an equivalent electrical diagram of a resonant converter LLC2, according to a model of an imperfect electrical transformer, n being the transformation ratio of the resonant converter LLC2, with a non-negligible leakage inductance in the secondary circuit.
- the resonance inductance is here integrated into the resonant converter LLC2, in the sense that there is no discrete electronic component Ls.
- the leakage inductance of the electric transformer performs the function of resonance inductance and comprises a component in the primary circuit L LK1 and a component in the secondary circuit L LK2 .
- the value of the leakage inductance in the primary circuit L LK1 is close to the value of the resonance inductance Ls, while minimizing the value of the leakage inductance in the secondary circuit L LK2 , so so that the secondary circuit leakage inductance L LK2 is negligible compared to the primary circuit leakage inductance L LK1 .
- the value of the leakage inductance in the secondary circuit L LK2 is lower, or even negligible compared to the value of the leakage inductance in the primary circuit L LK1 .
- the operating point of the LLC2 resonant converter like of any electrical transformer, its switching frequency, and therefore the losses, are linked to the distribution of the value of the leakage inductance between the primary circuit and the circuit. secondary.
- a poor distribution of the leakage inductance can cause a significant displacement of the operating point of the electric transformer with respect to its operating point defined as optimal, which can generate a risk of overheating, or even the breakage of electronic power components of the electric transformer. .
- any type of resonant converter including an LC, LLC or CLLC topology, requires a leakage inductance that is concentrated in the primary circuit.
- DAB dual-active bridge
- the present invention makes it possible in particular to determine the distribution of the value of the leakage inductance of an electric transformer between a leakage inductance in the primary circuit and a leakage inductance in the secondary circuit.
- the invention also makes it possible to determine the value of the magnetizing inductance of the electric transformer.
- the present invention makes it possible in particular to produce an electrical transformer having a desired leakage inductance, in particular concentrated in the primary circuit.
- A is a real number greater than or equal to 50.
- A is a real number less than or equal to 100.
- the magnetic core is selected of type E or of type El.
- the equation L M NOT 1 2 ⁇ ⁇ 0 S e
- N1 is the number of windings in the primary circuit
- ⁇ 0 is the electromagnetic permeability of air
- S is the effective magnetic sectional area of the electrical transformer, to determine the value of the thickness e of the required air gap, corresponding to the desired value of the magnetizing inductance L M.
- the equations Rgap 1 ⁇ 0 ⁇ e S
- Rgap the reluctance of the air gap of the electric transformer
- ⁇ 0 the electromagnetic permeability of the air
- e the thickness of the air gap of the electric transformer
- S the effective magnetic sectional area of the electric transformer
- Rgap Leak Lf 1 L M
- R leakage is the leakage reluctance of the electric transformer
- Lf1 is the leakage inductance at the primary circuit of the electric transformer
- L M is the magnetizing inductance of the electric transformer
- Rleakage is the leakage reluctance of the electrical transformer
- ⁇ 0 is the electromagnetic permeability of air
- m is the magnetic core depth of the electrical transformer
- I is the width of an electromagnetic leakage zone between the primary windings and the secondary windings, corresponding to the distance between an outer leg and a central leg of the E-type or EI-type magnetic core, to determine the value of the distance h between the primary windings and the secondary windings.
- the present invention makes it possible to determine the value of the leakage inductances, respectively in the primary circuit and in the secondary circuit, in an electric transformer.
- An induced objective resides in the adaptation of the geometry of an electric transformer so that said leakage inductances in the primary circuit and in the secondary circuit conform to desired inductance values, respectively in the primary circuit and in the secondary circuit.
- the electric transformer is supplied to the primary circuit only, the magnetic fluxes, not wired to the secondary circuit, leak to the primary circuit.
- This scenario corresponds to the equivalent magnetic circuit represented, as an example, on the figure 3 .
- the bulk of the value of the leakage inductance of an electric transformer may be in the primary circuit.
- an attempt is made to minimize the value of the leakage inductance in the secondary circuit.
- the value of the leakage inductance in the secondary circuit be small compared to the value of the inductance in the primary circuit, for example at least ten times smaller, preferably 50 to 100 times smaller.
- the invention makes it possible to determine the leakage inductance in the primary circuit, the value of the leakage inductance in the secondary circuit and the value of the magnetizing inductance.
- a first inductance measurement is carried out on the primary circuit L 1so , with the secondary circuit open.
- a second inductance measurement is carried out on the primary circuit L 1ss , with the secondary circuit short-circuited,
- a third inductance measurement is made on the secondary circuit L 2po , with the primary circuit open.
- L 1 SO L Lk 1 + L M
- L 1 SS L Lk 1 + L M . not 2 .
- L Lk 2 L 2 PO L Lk 2 + 1 not 2 .
- the value of the primary leakage inductance L Lk1 , the value of the secondary leakage inductance L Lk2 and the value of the magnetizing inductance L M of the electric transformer are thus determined.
- the geometry of the electric transformer is adapted so as to tend towards said desired values.
- the ratio between the leakage inductance in the primary circuit and the leakage inductance in the secondary circuit is greater than 10, in particular between 10 and 100, in particular between 50 and 100.
- An objective of the invention is thus to produce an electrical transformer, by configuring the distribution of the leakage inductance of said electrical transformer as desired, in particular by concentrating said leakage inductance in the primary circuit.
- an equivalent magnetic circuit of the electrical transformer is produced, depending on its geometry, as shown in figure 3 .
- the equivalent magnetic circuit shown in figure 3 thus corresponds to a given geometry of an electric transformer supplied by a voltage V1, said electric transformer being considered, in terms of positioning of the primary and secondary windings, of transformation ratio, of the number and dimensions of the legs of the magnetic core, of the position of the air gap, etc., with values for equivalent electrical components, in particular for the equivalent reluctances R1, R2, R3, R4. These values are not easily measurable but their distribution can be influenced by modifying the geometry of the electrical transformer.
- Reluctance R2 represents the reluctance of the air gap G, covered by the secondary winding 2 on the figure 4 .
- the magnetic flux which passes through the separation zone of the primary and secondary windings is increased and, thus, the value of the inductance of leak in the primary circuit.
- This reduction in the value of the leakage reluctances R1, R2 can in particular be achieved by moving the primary and secondary windings away.
- a magnetic core geometry must be chosen such that the air gap is framed, on both sides, by a winding belonging to the secondary winding, in order to minimize the leakage inductance in the secondary circuit L LK2 .
- the example detailed below relates more particularly to the production of an electric transformer with integrated leakage inductance concentrated in the primary circuit, having a magnetic core F of type E or type EI.
- the leakage reluctance Rleak between the primary 1 and secondary 2 windings takes into account the areas S1, S2 between the primary windings 1 and the secondary windings 2.
- the width I thus corresponds to the width of an electromagnetic leakage zone between the primary windings 1 and the secondary windings 2, corresponding to the distance separating an outer leg and a central leg of the magnetic core F of type E or of type EI
- Certain electrical transformers in particular having a magnetic core of the PQ type, have a magnetic core depth having a non-constant value.
- an estimated effective value of the depth of the magnetic core can be used to implement the method of making an electrical transformer according to an example of the invention.
- the calculated distance h can be calculated as corresponding to the sum of the two respective distances between each portion of windings of the primary circuit and the windings of the secondary circuit, distributed symmetrically.
- Known simulation tools can also be used to analyze the value of the leakage reluctance Rleak of the electrical transformer to be produced.
- step E1 the desired value of the leakage inductance Lf1 and that of the magnetizing inductance L M of the electric transformer to be produced.
- step E2 a geometry of the magnetic core, for example, according to the example of figure 4 , a type E magnetic core, for the electrical transformer to be produced. Therefore, we apply the equation [Math. 12] (step E3) above to calculate the thickness e of the required air gap G, corresponding to the desired value of the magnetizing inductance L M.
- the secondary windings 2 are then wound (step E4) on the magnetic core F corresponding to the chosen geometry and to the calculated air gap thickness G, so as to cover said air gap G entirely by the secondary windings 2.
- the value of the leakage reluctance Rleakage is calculated (step E5) as a function of the ratio between the value desired of the leakage inductance Lf1 to the primary circuit, which preferably concentrates the leakage inductance of the electric transformer, and the desired value of the magnetizing inductance L M of the electric transformer.
- the value of the distance h between the primary windings 1 and the secondary windings 2 is calculated (step E6).
- the primary windings 1 are then wound (step E7) on the magnetic core of the electric transformer in order to respect said distance h .
- adjustments to the arrangement of the primary 1 and / or secondary 2 windings can be made as a function of actual measurements of the leakage inductances and of the magnetizing inductance on the electrical transformer thus produced. These additional measurements make it possible to finely adjust the distance h to reach the desired value of primary leakage inductance even more precisely.
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Abstract
La présente invention vise un transformateur électrique comprenant un noyau magnétique et un bobinage primaire, formant un circuit primaire, et un bobinage secondaire, formant un circuit secondaire, transformateur électrique configuré de sorte que :une première valeur L<sub>1so</sub> d'inductance mesurée au circuit primaire avec le circuit secondaire ouvert,une deuxième valeur L<sub>1ss</sub> d'inductance mesurée au circuit primaire avec le circuit secondaire court-circuité, etune troisième valeur L<sub>2po</sub> d'inductance mesurée au circuit secondaire avec le circuit primaire ouvert,sont telles que : L2PO−1n2LM<A.L1SO−LM avec LM=L1SO−L1SS×L1SO.N2 où A est un nombre réel supérieur à 10.The present invention relates to an electrical transformer comprising a magnetic core and a primary winding, forming a primary circuit, and a secondary winding, forming a secondary circuit, an electrical transformer configured so that: a first value L <sub> 1so </sub> inductance measured at the primary circuit with the secondary circuit open, a second value L <sub> 1ss </sub> of inductance measured at the primary circuit with the secondary circuit short-circuited, and a third value L <sub> 2po </ sub> inductance measured at the secondary circuit with the primary circuit open, are such that: L2PO − 1n2LM <A.L1SO − LM with LM = L1SO − L1SS × L1SO.N2 where A is a real number greater than 10.
Description
La présente invention se rapporte au domaine des transformateurs électriques, par exemple intégrés à des convertisseurs de tension résonnants ou à tout autre type de convertisseurs de puissance.The present invention relates to the field of electrical transformers, for example integrated into resonant voltage converters or any other type of power converters.
La présente invention vise en particulier à permettre de contrôler la répartition de l'inductance de fuite dans un transformateur électrique.The present invention aims in particular to make it possible to control the distribution of the leakage inductance in an electric transformer.
Un transformateur électrique permet le transfert d'énergie électrique d'un circuit primaire à un circuit secondaire.An electrical transformer allows the transfer of electrical energy from a primary circuit to a secondary circuit.
Comme cela est connu, dans un transformateur électrique, on utilise un noyau magnétique et des bobinages dans lesquels circulent un courant électrique qui génère un champ magnétique permettant le transfert d'énergie électrique du circuit primaire au circuit secondaire. Plus précisément, dans un transformateur électrique, en particulier dans un convertisseur à inductance magnétisante ou dans un convertisseur résonnant, on a un bobinage primaire et un bobinage secondaire, formés par des enroulements autour d'un noyau magnétique, entre lesquels est transférée de l'énergie électrique.As is known, in an electric transformer, a magnetic core and coils are used in which an electric current flows which generates a magnetic field allowing the transfer of electric energy from the primary circuit to the secondary circuit. More precisely, in an electrical transformer, in particular in a magnetizing inductor converter or in a resonant converter, there is a primary winding and a secondary winding, formed by windings around a magnetic core, between which is transferred the electric energy.
Tout transformateur électrique présente une inductance de fuite, qui se traduit par une perte d'efficacité car une partie du flux magnétique créé au circuit primaire n'est pas captée par les enroulements du circuit secondaire. Des pertes supplémentaires peuvent en outre apparaître sur les enroulements. Dans le cas de convertisseurs de tension non résonnants, des surtensions peuvent par ailleurs survenir. La géométrie des bobinages d'un transformateur électrique, de même que le choix des matériaux magnétiques utilisés pour le noyau magnétique, ou encore la géométrie dudit noyau magnétique, notamment, sont configurés pour respecter des critères électriques et magnétiques. Un objectif du dimensionnement d'un transformateur électrique réside notamment dans la maîtrise de la valeur de l'inductance de fuite du transformateur électrique.Any electrical transformer has a leakage inductance, which results in a loss of efficiency because part of the magnetic flux created in the primary circuit is not picked up by the windings of the secondary circuit. Additional losses may also appear on the windings. In the case of non-resonant voltage converters, overvoltages can also occur. The geometry of the windings of an electrical transformer, as well as the choice of the magnetic materials used for the magnetic core, or even the geometry of said magnetic core, in particular, are configured to meet electrical and magnetic criteria. One objective of the sizing of an electric transformer resides in particular in controlling the value of the leakage inductance of the electric transformer.
Il est également bien connu que, dans un transformateur électrique, au circuit primaire, une inductance de résonnance peut être connectée en série avec le bobinage primaire.It is also well known that, in an electrical transformer, at the primary circuit, a resonant inductor can be connected in series with the primary winding.
Quelles que soient les applications envisagées, l'inductance de résonnance est notamment dimensionnée comme un composant discret, qui fonctionne avec un transformateur électrique lui-même dimensionné comme un composant discret. Cependant, un tel transformateur électrique peut être configuré soit pour minimiser les fuites de flux magnétique, soit de telle sorte que l'inductance de résonance soit intégrée audit transformateur électrique en tant qu'inductance de fuite, de façon à supprimer un composant électronique de puissance discret et ainsi réduire le coût et l'encombrement du circuit correspondant.Whatever the envisaged applications, the resonance inductor is in particular sized like a discrete component, which operates with an electrical transformer itself dimensioned like a discrete component. However, such an electric transformer can be configured either to minimize magnetic flux leakage, or so that the resonant inductor is integrated with said electric transformer as a leakage inductor, so as to eliminate a power electronic component. discrete and thus reduce the cost and size of the corresponding circuit.
Un problème technique découle ainsi du choix d'intégrer l'inductance de résonnance dans le transformateur électrique en exploitant son inductance de fuite ; cela suppose en effet de contrôler la répartition de la valeur de l'inductance de fuite du transformateur électrique entre le circuit primaire et le circuit secondaire.A technical problem thus arises from the choice to integrate the resonance inductance in the electric transformer by exploiting its leakage inductance; this in fact presupposes controlling the distribution of the value of the leakage inductance of the electric transformer between the primary circuit and the secondary circuit.
A titre d'illustration, la
Sur la
L'inductance de résonnance est ici intégrée au convertisseur résonnant LLC2, au sens où il n'y a pas de composant électronique Ls discret. L'inductance de fuite du transformateur électrique assure la fonction d'inductance de résonnance et comprend une composante au circuit primaire LLK1 et une composante au circuit secondaire LLK2.The resonance inductance is here integrated into the resonant converter LLC2, in the sense that there is no discrete electronic component Ls. The leakage inductance of the electric transformer performs the function of resonance inductance and comprises a component in the primary circuit L LK1 and a component in the secondary circuit L LK2 .
De façon à faire coïncider le modèle non parfait du transformateur électrique au plus proche du circuit équivalent du circuit résonnant LLC parfait représenté sur la
Ainsi, notamment, le point de fonctionnement du convertisseur résonnant LLC2, comme de tout transformateur électrique, sa fréquence de découpage, et donc les pertes, sont liées à la répartition de la valeur de l'inductance de fuite entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Une mauvaise répartition de l'inductance de fuite peut engendrer un déplacement important du point de fonctionnement du transformateur électrique par rapport à son point de fonctionnement défini comme optimal, pouvant engendrer un risque de surchauffe, voire la casse de composants électroniques de puissance du transformateur électrique.Thus, in particular, the operating point of the LLC2 resonant converter, like of any electrical transformer, its switching frequency, and therefore the losses, are linked to the distribution of the value of the leakage inductance between the primary circuit and the circuit. secondary. A poor distribution of the leakage inductance can cause a significant displacement of the operating point of the electric transformer with respect to its operating point defined as optimal, which can generate a risk of overheating, or even the breakage of electronic power components of the electric transformer. .
En particulier, dans certaines applications, la maîtrise de la répartition de l'inductance de fuite, entre le circuit primaire et le circuit secondaire d'un transformateur électrique, revêt une grande importance. Par exemple, tout type de convertisseur résonnant, y compris de topologie LC, LLC ou CLLC, requiert une inductance de fuite qui soit concentrée au circuit primaire. Cependant, pour certaines applications de convertisseur électrique réversible, comme les convertisseurs de type DAB (pour « dual-active bridge » en anglais), il est possible qu'une inductance de fuite non négligeable au circuit secondaire soit souhaitée.In particular, in certain applications, controlling the distribution of the leakage inductance, between the primary circuit and the secondary circuit of an electrical transformer, is of great importance. For example, any type of resonant converter, including an LC, LLC or CLLC topology, requires a leakage inductance that is concentrated in the primary circuit. However, for certain reversible electric converter applications, such as DAB (“dual-active bridge”) type converters, it is possible that a non-negligible leakage inductance in the secondary circuit is desired.
Dans de nombreux cas d'utilisation, il est toutefois particulièrement avantageux que l'essentiel de la valeur de l'inductance de fuite se trouve au circuit primaire, de façon à assurer la fonction d'inductance de résonnance du transformateur électrique dans un circuit résonnant de type LC, LLC ou CLLC.In many cases of use, however, it is particularly advantageous that most of the value of the leakage inductance is in the primary circuit, so as to ensure the function of resonant inductance of the electric transformer in a resonant circuit. type LC, LLC or CLLC.
La présente invention permet notamment de déterminer la répartition de la valeur de l'inductance de fuite d'un transformateur électrique entre une inductance de fuite au circuit primaire et une inductance de fuite au circuit secondaire. L'invention permet aussi de déterminer la valeur de l'inductance magnétisante du transformateur électrique.The present invention makes it possible in particular to determine the distribution of the value of the leakage inductance of an electric transformer between a leakage inductance in the primary circuit and a leakage inductance in the secondary circuit. The invention also makes it possible to determine the value of the magnetizing inductance of the electric transformer.
Dès lors, la présente invention permet en particulier de réaliser un transformateur électrique présentant une inductance de fuite souhaitée, notamment concentrée au circuit primaire.Consequently, the present invention makes it possible in particular to produce an electrical transformer having a desired leakage inductance, in particular concentrated in the primary circuit.
Plus précisément, l'invention vise un transformateur électrique comprenant un noyau magnétique et un bobinage primaire, formant un circuit primaire, et un bobinage secondaire, formant un circuit secondaire, transformateur électrique configuré de sorte que :
- une première valeur L1so d'inductance mesurée au circuit primaire avec le circuit secondaire ouvert,
- une deuxième valeur L1ss d'inductance mesurée au circuit primaire avec le circuit secondaire court-circuité, et
- une troisième valeur L2po d'inductance mesurée au circuit secondaire avec le circuit primaire ouvert,
- sont telles que :
- a first inductance value L 1so measured in the primary circuit with the secondary circuit open,
- a second inductance value L 1ss measured in the primary circuit with the secondary circuit short-circuited, and
- a third value L 2po of inductance measured in the secondary circuit with the primary circuit open,
- are such that:
Selon un mode de réalisation, A est un nombre réel supérieur ou égal à 50.According to one embodiment, A is a real number greater than or equal to 50.
Selon un mode de réalisation, A est un nombre réel inférieur ou égal à 100.According to one embodiment, A is a real number less than or equal to 100.
L'invention vise aussi un procédé de réalisation d'un transformateur, ledit transformateur électrique présentant un noyau magnétique, un circuit primaire et un circuit secondaire, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- la sélection d'une géométrie de noyau magnétique pour le transformateur électrique à réaliser ;
- la détermination d'une épaisseur d'entrefer correspondant à une valeur souhaitée d'inductance magnétisante du transformateur électrique à réaliser ;
- l'enroulement d'enroulements secondaires sur un noyau magnétique ayant la géométrie sélectionnée et l'épaisseur d'entrefer, de façon à recouvrir ledit entrefer ;
- la détermination d'une valeur de reluctance de fuite du transformateur électrique en fonction du ratio entre une valeur souhaitée d'inductance de fuite au circuit primaire du transformateur électrique à réaliser, et la valeur souhaitée de l'inductance magnétisante du transformateur électrique à réaliser ;
- la détermination d'une distance h entre des enroulements primaires, destinés à former le circuit primaire du transformateur électrique à réaliser et les enroulements secondaires, en fonction de ladite valeur de reluctance de fuite ;
- l'enroulement des enroulements primaires sur le noyau magnétique du transformateur électrique à ladite distance h des enroulements secondaires.
- selecting a magnetic core geometry for the electrical transformer to be made;
- determining an air gap thickness corresponding to a desired value of magnetizing inductance of the electric transformer to be produced;
- winding secondary windings on a magnetic core having the selected geometry and the air gap thickness, so as to cover said air gap;
- determining a leakage reluctance value of the electric transformer as a function of the ratio between a desired value of leakage inductance in the primary circuit of the electric transformer to be achieved, and the desired value of the magnetizing inductance of the electric transformer to be achieved;
- determining a distance h between primary windings, intended to form the primary circuit of the electrical transformer to be produced and the secondary windings, as a function of said leakage reluctance value;
- winding the primary windings on the magnetic core of the electrical transformer at said distance h from the secondary windings.
Selon un mode de réalisation, le noyau magnétique est sélectionné de type E ou de type El.According to one embodiment, the magnetic core is selected of type E or of type El.
Selon un mode de réalisation, on met en œuvre l'équation
pour déterminer la valeur de l'épaisseur e de l'entrefer requise, correspondant à la valeur souhaitée de l'inductance magnétisante LM.According to one embodiment, the equation
to determine the value of the thickness e of the required air gap, corresponding to the desired value of the magnetizing inductance L M.
Selon un mode de réalisation, on met en œuvre les équations
et
pour déterminer la valeur de la reluctance de fuite du transformateur électrique.According to one embodiment, the equations
and
to determine the value of the leakage reluctance of the electric transformer.
Selon un mode de réalisation, on met en œuvre l'équation :
pour déterminer la valeur de la distance h entre les enroulements primaires et les enroulements secondaires.According to one embodiment, the equation is implemented:
to determine the value of the distance h between the primary windings and the secondary windings.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
-
Fig. 1 : lafigure 1 (déjà commentée) représente le circuit électrique équivalent d'un convertisseur résonnant parfait ; -
Fig. 2 : lafigure 2 (déjà commentée) représente le circuit électrique équivalent d'un convertisseur résonnant non parfait ; -
Fig. 3 : lafigure 3 représente le circuit magnétique équivalent d'un transformateur électrique présentant une géométrie donnée ; -
Fig. 4 : lafigure 4 montre le schéma d'un transformateur électrique selon un exemple de réalisation de l'invention ; -
Fig. 5 : lafigure 5 représente un schéma-bloc montrant les étapes de mise en œuvre du procédé de réalisation d'un transformateur électrique selon un exemple de l'invention.
-
Fig. 1 : thefigure 1 (already commented) represents the equivalent electric circuit of a perfect resonant converter; -
Fig. 2 : thefigure 2 (already commented on) represents the equivalent electric circuit of a non-perfect resonant converter; -
Fig. 3 : thefigure 3 represents the equivalent magnetic circuit of an electric transformer having a given geometry; -
Fig. 4 : thefigure 4 shows the diagram of an electric transformer according to an exemplary embodiment of the invention; -
Fig. 5 : thefigure 5 represents a block diagram showing the steps of implementation of the method for producing an electric transformer according to an example of the invention.
Il faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l'invention le cas échéant.It should be noted that the figures set out the invention in detail in order to implement the invention, said figures being able of course to serve to better define the invention if necessary.
La présente invention permet de déterminer la valeur des inductances de fuite, respectivement au circuit primaire et au circuit secondaire, dans un transformateur électrique.The present invention makes it possible to determine the value of the leakage inductances, respectively in the primary circuit and in the secondary circuit, in an electric transformer.
Un objectif induit réside dans l'adaptation de la géométrie d'un transformateur électrique pour que lesdites inductances de fuite au circuit primaire et au circuit secondaire soient conformes à des valeurs d'inductance souhaitées, respectivement au circuit primaire et au circuit secondaire. En particulier, lorsque le transformateur électrique est alimenté au circuit primaire uniquement, les flux magnétiques, non câblés au circuit secondaire, fuitent au circuit primaire. Ce cas de figure correspond au circuit magnétique équivalent représenté, comme exemple, sur la
Notamment, comme indiqué précédemment, il peut être souhaité que l'essentiel de la valeur de l'inductance de fuite d'un transformateur électrique se trouve au circuit primaire. Autrement dit, dans ce cas, on cherche à minimiser la valeur de l'inductance de fuite au circuit secondaire. On souhaite alors que la valeur de l'inductance de fuite au circuit secondaire soit petite devant la valeur de l'inductance au circuit primaire, par exemple au moins dix fois plus petite, de préférence 50 à 100 fois plus petite.In particular, as indicated above, it may be desirable for the bulk of the value of the leakage inductance of an electric transformer to be in the primary circuit. In other words, in this case, an attempt is made to minimize the value of the leakage inductance in the secondary circuit. It is then desired that the value of the leakage inductance in the secondary circuit be small compared to the value of the inductance in the primary circuit, for example at least ten times smaller, preferably 50 to 100 times smaller.
Pour un transformateur électrique considéré, présentant notamment une géométrie propre, l'invention permet de déterminer l'inductance de fuite au circuit primaire, la valeur de l'inductance de fuite au circuit secondaire et la valeur de l'inductance magnétisante.For an electrical transformer considered, having in particular its own geometry, the invention makes it possible to determine the leakage inductance in the primary circuit, the value of the leakage inductance in the secondary circuit and the value of the magnetizing inductance.
A cette fin, on réalise trois mesures d'inductance sur ledit transformateur électrique.To this end, three inductance measurements are carried out on said electrical transformer.
On réalise une première mesure d'inductance au circuit primaire L1so, avec le circuit secondaire ouvert.A first inductance measurement is carried out on the primary circuit L 1so , with the secondary circuit open.
On réalise une deuxième mesure d'inductance au circuit primaire L1ss, avec le circuit secondaire court-circuité,A second inductance measurement is carried out on the primary circuit L 1ss , with the secondary circuit short-circuited,
On réalise une troisième mesure d'inductance au circuit secondaire L2po, avec le circuit primaire ouvert.A third inductance measurement is made on the secondary circuit L 2po , with the primary circuit open.
Ensuite, on résout le système d'équations suivants :
On détermine ainsi la valeur de l'inductance de fuite au primaire LLk1, la valeur de l'inductance de fuite au secondaire LLk2 et la valeur de l'inductance magnétisante LM du transformateur électrique.The value of the primary leakage inductance L Lk1 , the value of the secondary leakage inductance L Lk2 and the value of the magnetizing inductance L M of the electric transformer are thus determined.
Grâce à la connaissance des valeurs de l'inductance de fuite au circuit primaire LLk1, de l'inductance de fuite au circuit secondaire LLk2 et de l'inductance magnétisante LM, et compte tenu de valeurs souhaitées de l'inductance de fuite au circuit primaire et de l'inductance de fuite au circuit secondaire, on adapte la géométrie du transformateur électrique de façon à tendre vers lesdites valeurs souhaitées.Thanks to the knowledge of the values of the leakage inductance in the primary circuit L Lk1 , of the leakage inductance in the secondary circuit L Lk2 and of the magnetizing inductance L M , and taking into account the desired values of the leakage inductance to the primary circuit and from the leakage inductance to the secondary circuit, the geometry of the electric transformer is adapted so as to tend towards said desired values.
En particulier, pour concentrer la valeur de l'inductance de fuite du transformateur électrique on circuit primaire, on s'assure que le ratio entre l'inductance de fuite au circuit primaire et l'inductance de fuite au circuit secondaire soit supérieur à 10, notamment compris entre 10 et 100, en particulier compris entre 50 et 100.In particular, to concentrate the value of the leakage inductance of the electric transformer on the primary circuit, it is ensured that the ratio between the leakage inductance in the primary circuit and the leakage inductance in the secondary circuit is greater than 10, in particular between 10 and 100, in particular between 50 and 100.
Autrement dit, selon l'invention, on configure de préférence le transformateur électrique de telle sorte que la première mesure d'inductance au circuit primaire L1so, la deuxième mesure d'inductance au circuit primaire L1ss, et troisième mesure d'inductance au circuit secondaire L2po d'inductance mesurée au circuit secondaire avec le circuit primaire ouvert, soient telles que :
avec
où A est un nombre réel supérieur à 10, notamment supérieur à 50, notamment inférieur ou égal à 100, et N est le rapport de transformation du transformateur électrique.In other words, according to the invention, the electrical transformer is preferably configured such that the first measurement of inductance at the primary circuit L 1so , the second measurement of inductance at the primary circuit L 1ss , and the third measurement of inductance at the primary circuit secondary circuit L 2 '' of inductance measured at the secondary circuit with the primary circuit open, are such that:
with
where A is a real number greater than 10, in particular greater than 50, in particular less than or equal to 100, and N is the transformation ratio of the electric transformer.
Un objectif de l'invention est ainsi de réaliser un transformateur électrique, en configurant comme souhaité la répartition de l'inductance de fuite dudit transformateur électrique, notamment en concentrant ladite inductance de fuite au circuit primaire. A cette fin, on réalise un circuit magnétique équivalent du transformateur électrique, en fonction de sa géométrie, comme représenté sur la
En référence à la
Partant du schéma magnétique équivalent de la
D'autres critères géométriques peuvent être pris en compte dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de réalisation d'un transformateur électrique selon un exemple de l'invention, dont la position de l'entrefer, le nombre et les dimensions des jambes du noyau magnétique, par exemple, pour influer sur la répartition des reluctances équivalentes R1, R2, R3, de façon à obtenir une répartition souhaitée de la valeur des inductances de fuite dans le transformateur électrique. Par exemple, on peut analyser le circuit magnétique équivalent de la
Il faut choisir une géométrie de noyau magnétique telle que l'entrefer soit encadré, de part et d'autre, par un enroulement appartenant au bobinage secondaire, en vue de minimiser l'inductance de fuite au circuit secondaire LLK2. En analysant le circuit magnétique équivalent de la
En référence aux
L'exemple détaillé ci-après concerne plus particulièrement la réalisation d'un transformateur électrique à inductance de fuite intégrée concentrée au circuit primaire, ayant un noyau magnétique F de type E ou de type EI.The example detailed below relates more particularly to the production of an electric transformer with integrated leakage inductance concentrated in the primary circuit, having a magnetic core F of type E or type EI.
Pour réaliser un transformateur électrique avec une valeur d'inductance magnétisante LM souhaitée et la valeur de l'inductance de fuite souhaitée et concentrée au circuit primaire, on met en oeuvre les équations développées ci-après.
avec :
- N1 est le nombre d'enroulements primaires ;
- µ0 est la perméabilité de l'air ;
- S est la surface effective de section magnétique du transformateur électrique ;
- e est l'épaisseur de l'entrefer G du transformateur électrique.
avec Rgap est la reluctance de l'entrefer G.
avec :
- Rfuite est la reluctance de fuite du transformateur électrique ;
- Lf1 est la valeur souhaitée de l'inductance de fuite du transformateur électrique au circuit primaire ;
- LM est la valeur souhaitée de l'inductance magnétisante du transformateur électrique.
with:
- N1 is the number of primary windings;
- µ 0 is the permeability of air;
- S is the effective magnetic sectional area of the electric transformer;
- e is the thickness of the air gap G of the electrical transformer.
with R gap is the reluctance of the gap G.
with:
- Rleakage is the leakage reluctance of the electric transformer;
- Lf1 is the desired value of the leakage inductance of the electric transformer in the primary circuit;
- L M is the desired value of the magnetizing inductance of the electric transformer.
La réluctance de fuite Rfuite entre les enroulements primaire 1 et secondaire 2 prend en compte les zones S1, S2 entre les enroulements primaires 1 et les enroulements secondaires 2.The leakage reluctance Rleak between the primary 1 and secondary 2 windings takes into account the areas S1, S2 between the
Dès lors, pour un transformateur électrique ayant un noyau magnétique F de type E ou de type EI, avec une profondeur de noyau magnétique notée m, la réluctance de fuite Rfuite peut être estimée au moyen de l'équation suivante :
où h est la distance séparant les enroulements primaire 1 et secondaire 2 et I la largeur des zones S1, S2, comme indiqué sur la
where h is the distance separating the primary 1 and secondary 2 windings and I the width of the zones S1, S2, as indicated on the
Certains transformateurs électriques, notamment ayant un noyau magnétique de type PQ, ont une profondeur de noyau magnétique ayant une valeur non constante. Dans ce cas, une valeur efficace estimée de la profondeur de noyau magnétique peut être utilisée pour mettre en œuvre le procédé de réalisation d'un transformateur électrique selon un exemple de l'invention.Certain electrical transformers, in particular having a magnetic core of the PQ type, have a magnetic core depth having a non-constant value. In this case, an estimated effective value of the depth of the magnetic core can be used to implement the method of making an electrical transformer according to an example of the invention.
Pour une autre géométrie de transformateur électrique selon laquelle les enroulements du circuit primaire sont répartis sur deux portions haute et basse, de part et d'autre des enroulements secondaires, la distance calculée h peut être calculée comme correspondant à la somme des deux distances respectives entre chaque portion d'enroulements du circuit primaire et les enroulements du circuit secondaire, repartie de façon symétrique.For another geometry of an electrical transformer according to which the windings of the primary circuit are distributed over two upper and lower portions, on either side of the secondary windings, the calculated distance h can be calculated as corresponding to the sum of the two respective distances between each portion of windings of the primary circuit and the windings of the secondary circuit, distributed symmetrically.
Des outils de simulation connus peuvent par ailleurs être mis en œuvre pour analyser la valeur de la réluctance de fuite Rfuite du transformateur électrique à réaliser.Known simulation tools can also be used to analyze the value of the leakage reluctance Rleak of the electrical transformer to be produced.
Pour concevoir et réaliser un transformateur électrique, conformément à l'invention, notamment un transformateur électrique dans lequel la valeur de l'inductance de fuite est concentrée au circuit primaire, il convient par conséquent de mettre en œuvre les étapes ci-dessous, en référence à la
D'abord, on définit (étape E1) la valeur souhaitée de l'inductance de fuite Lf1 et celle de l'inductance magnétisante LM du transformateur électrique à réaliser. Ensuite, il convient de choisir (étape E2) une géométrie de noyau magnétique, par exemple, selon l'exemple de la
Le cas échéant, des ajustements de la disposition des enroulements primaires 1 et/ou secondaires 2 peuvent être réalisés en fonction de mesures effectives des inductances de fuite et de l'inductance magnétisante sur le transformateur électrique ainsi réalisé. Ces mesures complémentaires permettent d'ajuster finement la distance h pour atteindre la valeur souhaitée d'inductance de fuite au primaire de façon encore plus précise.If necessary, adjustments to the arrangement of the primary 1 and / or secondary 2 windings can be made as a function of actual measurements of the leakage inductances and of the magnetizing inductance on the electrical transformer thus produced. These additional measurements make it possible to finely adjust the distance h to reach the desired value of primary leakage inductance even more precisely.
Claims (8)
sont telles que :
are such that:
pour déterminer la valeur de l'épaisseur e de l'entrefer (G) requise, correspondant à la valeur souhaitée de l'inductance magnétisante LM.Method according to claim 5, in which the equation is implemented:
to determine the value of the thickness e of the air gap (G) required, corresponding to the desired value of the magnetizing inductance L M.
et
pour déterminer (E5) la valeur de la reluctance de fuite (Rfuite) du transformateur électrique.Method according to claim 5 or 6, in which the equations are implemented:
and
to determine (E5) the value of the leakage reluctance (Rleak) of the electric transformer.
pour déterminer (E6) la valeur de la distance h entre les enroulements primaires (1) et les enroulements secondaires (2).Method according to one of claims 5 to 7, in which the equation is implemented:
to determine (E6) the value of the distance h between the primary windings (1) and the secondary windings (2).
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