Transformateurs HF à  enroulements - Identification expérimentale

Ce dossier est la suite du dossier . Tous deux visent, principalement, les transformateurs à n enroulements transmettant de 1 W à 10 kW et fonctionnant entre 10 kHz et 10 MHz. Le dossier  présente des circuits équivalents à constantes localisées, exploitables par les logiciels de simulation électronique, qui traduisent le comportement électrique de ces composants. Dans le présent dossier , des méthodes permettant d’identifier tous les éléments de ces circuits sont décrites. Elles s’appuient exclusivement sur des mesures d’impédances ne necessitant aucun démontage du composant.

Les transformateurs sont présents dans de très nombreux domaines de l’électricité et de l’électronique. Ces composants passifs permettent d’adapter, avec un fort rendement énergétique, les niveaux de tension et de courants aux besoins de l’utilisation et, qui plus est, ils procurent une isolation galvanique entre leur entrée et leur sortie. Ces deux propriétés, jointes au fait qu’il peuvent temporairement stocker de l’énergie, en font des composants clés de l'électronique de puissance. Dans le dossier , nous avons appris à décrire le comportement électrique de ces composants, dans toutes les conditions rencontrées en électronique, par des circuits équivalents à constantes localisées. Bien que ces circuits concernent essentiellement les transformateurs utilisés dans les convertisseurs de l’électronique de puissance, la généralité des approches adoptées est telle qu’ils ont déjà été appliqués avec succès à des domaines très éloignés de celui des convertisseurs comme la réponse d’un transformateur de 1 MVA aux ondes de foudre ou la réponse fréquentielle d’une tête de lecture submillimétrique de disque dur.

La représentation obtenue ne constitue pas une modélisation complète du composant. Elle permet ni de savoir comment il rayonne, ni quelle température atteignent les enroulements ni comment se répartit le courant entre les brins d’un fil de Litz. En revanche, ce circuit constitue une représentation synthétique et précise du comportement électrique du composant au sein d’un montage, bien utile dans de nombreuses circonstances. Il présente notamment l’avantage d’être compatible avec l’utilisation de tous les logiciels de simulation électronique comme PSpice, Simplorer, Portunus,..., (cf. ). Avec lui, on peut étudier le comportement temporel du composant au sein de n’importe quel montage électronique.

Dans ce dossier, nous allons montrer comment on identifie les éléments de ces circuits équivalents, en partant de mesures d’impédances relevées sans démonter le composant. Tous les aspects pratiques de cette identification sont abordés : quels paramètres mesurer, quel matériel de mesure choisir, comment s’assurer de la qualité des mesures, quelle précision espérer dans le meilleur des cas. Toutes ces questions sont abordées. Pour illustrer la démarche, deux transformateurs sont identifiés. Un transformateur à deux enroulements, présentant des impédances faciles à mesurer, illustre l’identification de la partie magnétique. Cet exemple montre aussi comment on peut tenir compte de la variation fréquentielle d’une inductance.

Pour conclure ce dossier, nous procédons à l’identification complète (incluant celle du couplage capacitif) d’un transformateur à trois enroulements, dont les impédances sont difficiles à mesurer. Cette étude met l’accent sur les limites expérimentales, sur les précautions permettant de les repousser aussi loin que possible et sur la précision obtenue. Une très bonne précision est obtenue, du continu jusqu’à 30 MHz, avec un circuit défini par seulement 29 paramètres. Toutefois, lorsque l'exigence de précision est moins pressante ou que le domaine fréquenciel à couvrir est moins large, l'identification présentée peut-être arrêtée avant la fin. Le circuit obtenu se caractérise alors par moins de paramètres.

Afin d’éviter ou de limiter la construction de prototypes, on peut envisager d’étudier un transformateur en le simulant à l’aide d’un logiciel à éléments finis ou en résolvant des équations de façon analytique. Dans les deux cas, il faut savoir comment conclure une telle étude. Pour parvenir à des conclusions pratiques, connaître un champ ou une énergie ne suffit pas. En revanche, déduire de ces études les valeurs des éléments du circuit équivalent ouvre la possibilité d’exploiter ce circuit dans une simulation électronique pour prévoir le comportement du composant dans les conditions où il est utilisé. Le circuit équivalent apparaît ainsi comme le maillon irremplaçable par lequel les études électromagnétiques communiquent efficacement avec la simulation électronique. Plus précisément, les diagrammes de Bode d’impédances (que nous relevons expérimentalement dans ce dossier) peuvent être déduits d’études (informatiques ou analytiques) d’électromagnétisme. Les méthodes d’identification expérimentale exposées ici, qui s’appuient sur ces diagrammes, peuvent être utilisées pour conclure les calculs d’électromagnétisme par les valeurs des éléments du circuit équivalent .