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Dimensionnement d'Un Transformateur HF
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ENSEIRB - Filière Electronique - 2ème année 2009-2010 S. Azzopardi
TP : Dimensionnement d’un transformateur HF 1. Avant propos Les spécifications électriques du transformateur et les conditions environnementales dans lesquelles il doit fonctionner étant connues, le dimensionnement consiste à définir : - le noyau magnétique à utiliser - la constitution des enroulements (nature du fil pour chaque enroulement nombre de spires
par couche. nombre de couches, type de bobinage, nature du diélectrique à utiliser entre couches ou entre enroulements).
2. Objectif Le principal objectif de cette séance de travaux pratiques est donc le dimensionnement d’un transformateur HF à partir d’un cahier des charges de convertisseur FLYBACK fonctionnant en limite entre la démagnétisation complète et la démagnétisation incomplète. Seuls seront abordés ici :
- le bobinage de deux enroulements (sans stratégie d’enroulement, ni utilisation d’un diélectrique)
- la caractérisation du transformateur en fréquence (obtention de LS, LP, α et k), - la non saturation du matériau magnétique pour le courant de travail donné.
Le calcul des pertes « cuivre » et de pertes « fer » ne sera pas abordé. 3. Exemple de méthodologie de dimensionnement L'organigramme de la figure suivante décrit une méthodologie simplifiée de dimensionnement de transformateur faisant appel à une procédure itérative pour convertisseur haute fréquence sans prendre en compte les pertes cuivre et les pertes fer.
Méthodologie de dimensionnement des transformateurs HF
ENSEIRB - Filière Electronique - 2ème année 2009-2010 S. Azzopardi 4. Cahier des charges Chaque binôme devra bobiner un transformateur complet, tester la non saturation du matériau magnétique et caractériser ce dernier à l’aide de l’impédance-mètre HP 4194.
Conditions de fonctionnement Valeurs Fréquence de découpage (kHz) 200
Tension d’entrée (V) 311 Tension de sortie (V) 15
Courant moyen dans la charge (A) 3 Courant maximum au primaire (A) 0,606 Courant efficace au primaire (A) 0,247
Inductance du primaire (mH) 1,28 Courant maximum au secondaire (A) 12 Courant efficace au secondaire (A) 4,90
Rapport de transformation np/ns 19,81 Cahier des charges du transformateur (voir annexe pour les conditions de fonctionnement)
4.1.Le bobinage de deux enroulements
On connait Lm et immax. On calcule Lm.immax²
On trace un trait horizontal d’ordonnée Lm.immax². Cette droite rencontre plusieurs types de noyaux. Le choix de l’un d’entre eux est un choix de disponibilité. On a toutefois intérêt à utiliser celui qui présente le minimum d’entrefer.
Il faut noter que les abaques des fabricants permettent de choisir le type de noyau et la valeur de la largeur de l’entrefer. Contrairement à la figure suivante où le circuit magnétique ne présente qu’un entrefer e, dans la plupart des cas une ligne d’induction rencontre deux zones de perméabilité µ0. La largeur e déterminée sur l’abaque correspond à la somme des largeurs de ces zones. NB : le papier standard a une épaisseur de 0,1mm.
Choix du nombre de spire : si l’on connait la valeur de l’inductance spécifique Al alors
lALn =
Sinon 00
r
e
Aµµle
Ln+
= avec µ0 = 4π. 10-7H/m et µr = 1800
Choix du diamètre du fil : règle de métier : 4 à 8A/mm² (πS2d = )
On vérifie que l’enroulement loge dans la fenêtre de bobinage. Cette vérification peut être faite par une approche basée sur un calcul d’occupation de la fenêtre de bobinage, non prise en compte dans cette étude.
ENSEIRB - Filière Electronique - 2ème année 2009-2010 S. Azzopardi 4.2.La caractérisation du transformateur en fréquence (obtention de LS, LP, α et k) Une fois que le transformateur est câblé, il faut le caractériser afin de voir si les relevés expérimentaux sont proches de ceux théoriques. - Le secondaire étant ouvert (sortie à vide), on applique v1 au primaire. On mesure alors
(1-k²)LP + k²LP = LP - Le secondaire étant en court-circuit, on applique v1 au primaire. Le transformateur Idéal
ramène un court-circuit aux bornes de son primaire et on mesure alors (1-k²)LP, inductance de fuite vue du primaire
- Le primaire étant ouvert, on applique v2 au secondaire, on mesure alors LS
L’ensemble de ces mesures permet de connaître les valeurs de LP, LS, k et α ce qui caractérise complètement le transformateur. 4.3.Non saturation du matériau magnétique pour le courant de travail donné L’enroulement à tester est inséré dans le circuit ci-dessous afin de vérifier si le courant de travail maximum est acceptable par l’inductance ainsi bobinée. Si ce n’est pas le cas, il faudra insérer un entrefer dans le circuit magnétique.
Circuit de test pour vérifier la non saturation du matériau magnétique
ENSEIRB - Filière Electronique - 2ème année 2009-2010 S. Azzopardi
Annexes
Abaque e=f(L.I²) des noyau RMx/i -3F3
Seuls les noyaux RM6S/I, RM8/I et RM10/I sont disponibles
ENSEIRB - Filière Electronique - 2ème année 2009-2010 S. Azzopardi Paramètres effectifs de noyaux magnétiques RM
RM6S/I
RM8/I
RM10/I
Valeur de l’inductance spécifique Al pour différentes épaisseur d’entrefer
Cahier des charges et formes du FLYBACK étudié :
RM 6S/I 8/I 10/I le (mm) 29,2 38,4 44,6
Ae (mm²) 37 63 96,6
Courbes obtenues à partir de l’application : http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/spw_smps_e.html
ENSEIRB - Filière Electronique - 2ème année 2009-2010 S. Azzopardi
Courant efficace au primaire : 3t
LV
T1i
3on
2
P
in2peff ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Courant efficace au secondaire :
( ) ( ) ( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−
+−−+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ += 2
on21
S
Don02on1
22
3on
31
2
S
Don02S tt
LVVIttItt
31
LVV
T1i
eff
avec onS
Don0on
p
in
s
p2 t
LVVt
LV
nn
I ++= et Vdon = 0,7V
Expression de l’inductance primaire : ( )Don00
2in
2on
LP VVVV
TtR
21L
+=
Noms : 2009-2010
CARACTERISATION DU TRANSFORMATEUR HF
Lm.immax² : Choix du noyau : Valeur de l’entrefer (théorique) : Diamètre du fil pour l’enroulement primaire : Nombre de spires de l’enroulement primaire : Diamètre du fil pour l’enroulement secondaire : Nombre de spires de l’enroulement secondaire : Valeur (mesurée) Lp : Valeur (mesurée) Lm : Valeur (mesurée) Ls : Valeur (mesurée) k : Valeur (mesurée) α : Valeur (mesurée) de immax pour la saturation :