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 10 ¹⁰ Ohm. m, de préférence comprise entre 10 ^"6 et 10 ¹⁰ Ohm. m, plus préférentiellement comprise entre 10 ^~6 et 10 ¹⁰ 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 10 ¹⁰ Ohm.m ; et

- isolant s'il possède une résistivité supérieure à 10 ¹⁰ 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 cm ² .

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 10 ¹⁰ Ohm. m, de préférence inférieure ou égale à 10 ⁶ 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 10 ¹⁰ Ohm. m, de préférence comprise entre 10 ^"6 et 10 ⁶ Ohm. m.

De préférence, la couche conductrice 42, 44 est formée par un matériau conducteur faible possédant une résistivité comprise entre 10 ^"6 et 10 ¹⁰ Ohm. m, de préférence comprise entre 10 ^"6 et 10 ⁶ 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.