Champ magnétique dans une charge RL

[invite5c1c4fba]

Bonjour à tous,

Voilà dans le cadre d'un stage, je dois réaliser une charge RL pour un banc d'endurance continu, dans le but de tester des disjoncteurs, des interrupteurs, des télérupteurs et contacteurs.

Cette charge doit être capable de fournir de 0 à 640 A ( par pas de 1A pour I<300A et par pas de 5 pour I>300A ), pour 9 niveaux de tensions 12, 24, 48, 60, 110, 125, 150, 250, 300. Le cahier des charges m'impose 3 constantes de temps différentes 1ms, 2ms et 2.5ms.

Donc je détermine le nombre et la valeur des résistances dont j'ai besoin par une simple loin d'ohm, celle de mes inductances par la formule taux = L/R. Après calculs, je me retrouve donc avec 16 résistances et 18 bobines. Voilà pour la petite introduction ( présentation du projet ).

Mon soucis, c'est que le cahier des charges du client m'impose d'utiliser des bobines à airs ( apparemment c'est à cause d'une des normes à appliquer ), outre les pertes, j'ai un gros soucis de rayonnement au niveau des bobines .

A cela, je vois deux grands axes de solution :

- Soit calculer le champ magnétique, dans le but de placer les bobines dans la charge de façon à ce que les champs se compensent. Mais dans le cas là une simple utilisation de la loi de Biot et Savart ne suffit plus ? Il me semble que je dois passer par le potentiel vecteur magnétique non ? Pour pouvoir déterminer la valeur du champ en tout point de l'espace. Et là, bonjour les calculs ! .
De plus si mes calculs sont bon, il n'y a que pour avoir un taux de 2.5ms que j'aurai deux bobines alimentées en même temps ... Donc il n'y aura seulement que dans ce cas où je pourrais éventuellement faire de la 'compensation' de champ.

- Soit d'isoler 'magnétiquement' ( je suis pas sur que ce soit le terme approprié ) chacune de mes bobines. Un de mes profs, m'avaient conseillé de calculer la profondeur de peau, pour ensuite déterminer l'épaisseur de l'isolant. Mais, il me semble que la profondeur de peau est inversement proportionnelle à la racine carré de la fréquence non ? Or je suis en continu ...

Voilà, j'ai fini mon roman. En espérant avoir été le plus clair possible ... Si vous avez des suggestions, idées ou questions, n'hésitez pas.

Michaël
-----

[PIXEL]

RIEN COMPRIS..... !

déjà , et pour commencer , une charge qui FOURNIT de l'énergie , ce doit être valable dans l'ANTI-UNIVERS , ou là ce sont les générateurs qui absorbent la puissance ...

bon , je vais revoir les derniers épisodes de FRINGE .

[invite5c1c4fba]

RIEN COMPRIS..... !

déjà , et pour commencer , une charge qui FOURNIT de l'énergie , ce doit être valable dans l'ANTI-UNIVERS , ou là ce sont les générateurs qui absorbent la puissance ...

bon , je vais revoir les derniers épisodes de FRINGE .

Je viens de me relire et en effet, il y a une grosse erreur ... C'est le banc d'endurance qui doit être capable de fournir les différents courants pour les 9 niveaux de tensions. Une alimentation fournira les différentes tensions, et c'est la charge qui permettra le réglage du courant (constante de temps et valeur ).

[xberger]

Il n'a pas été dis que la charge fournissée de l'énergie mais du courant et cela ne me semble pas être une erreur
on applique une tension et on obtient un courant en retour
c'est l'une des principales lois de l'électronique

Après concernant le problème, on est clairement dans de l'électrotechnique et de l'électromagnétisme.
Peut-être qu'un schéma de principe de ce banc d'endurance pourrait nous aider.

Si j'ai bien compris le but de ce banc est de faire des déclenchement à répétition de disjoncteurs et pour cela l'impulsion de déclenchement en courant doit être calibrée.

Cordialement

Xavier

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite5c1c4fba]

Oui, on est clairement dans ces deux domaines, j'ai posté ça ici, car c'est la section qui me paraissait être la plus adapté (ou alors j'ai mal vu ..).

J'ai joint un schéma de principe qui résume un peu le montage, il n'est pas complet, il manque les divers appareils de mesure, les contacteurs pour court-circuiter certains pôles des 3 produits dans le cas où il faudrait tester des produits tripolaires ...

En fait, le banc doit d'une part, permettre de tester l'endurance électriques dans le but de voir l'aptitude du produit à supporter les contraintes mécaniques, électriques et thermiques, dans le cas d'un usage normal. Pour cela, on réalise une série de fermeture et d'ouverture à courant nominal.
Et d'autre part le pouvoir de coupure et de fermeture, pour valider leur capacité à établir et couper les courants (facteur du courant nominal) sans soucis.

Mais dans ces deux essais et comme tu as dit, on doit calibrer l'impulsion de déclenchement en courant.

Si vous avez des questions n'hésitez pas.

Michaël

[Tropique]

Dans ce cas-ci, le couplage ne devrait pas être un gros souci: les lignes de champ divergent rapidement en fonction de la distance, et l'impact de l'inductance mutuelle sur la self résultante d'un ensemble de bobines sera faible, pour peu que quelques précautions soient prises.

Ce n'est pas comme dans le cas d'un ampli accordé où un k de 0.001 fait apparaitre des signaux de niveau inacceptable en amont de la chaine.

Il suffit d'alterner les axes d'orientation de manière successive dans les trois directions de l'espace: exemple, la première a son axe vertical en Z, la deuxième en Y, la troisième en X et à la quatrième, on recommence: il y a un couplage théorique possible avec la première, mais on sera déjà tellement éloigné que l'erreur éventuelle se confondra avec les tolérances générales.

Autre possibilté, utiliser certains schémas d'orientation, à 57° p.ex. qui éliminent également les couplages.

[PA5CAL]

Bonjour

Une solution pour réduire les fuites magnétiques et les inductances mutuelles consiste à fabriquer des bobines toriques à spires jointives. Une réalisation soignée est possible par forgeage du conducteur afin d'adapter son profil en fonction de la position dans la bobine.

[invite5c1c4fba]

Merci de vos deux réponses.

Tropique : J'y ai pensé, mais ce qui me gêne vraiment ce n'est pas tant le rayonnement interne et son influence sur les autres bobines. Mais surtout le rayonnement externe, car bon à 640 A, on risque d'en avoir pas mal.

Pa5CAL : Pour le coup, je fais appel à un fabriquant pour la conception de mes bobines, je lui donne la valeur de l'inductance que je veux, le courant max qu'elle doit supporter et lui me fais un devis. Mais je suppose qu'ils utilisent cette technique ou tout du moins une similaire.

[PA5CAL]

Pa5CAL : Pour le coup, je fais appel à un fabriquant pour la conception de mes bobines, je lui donne la valeur de l'inductance que je veux, le courant max qu'elle doit supporter et lui me fais un devis. Mais je suppose qu'ils utilisent cette technique ou tout du moins une similaire.

Il va te faire une proposition, c'est sûr. Mais si les spécifications que tu lui donnes n'incluent pas les caractéristiques magnétiques dont tu nous as fait part, je doute fort qu'il s'embête à faire ce que j'ai indiqué. Tu risques de te voir proposer de simples bobines droites, à air ou montées sur un noyau en fer fermé ou ouvert.

[invite5c1c4fba]

Il va te faire une proposition, c'est sûr. Mais si les spécifications que tu lui donnes n'incluent pas les caractéristiques magnétiques dont tu nous as fait part, je doute fort qu'il s'embête à faire ce que j'ai indiqué. Tu risques de te voir proposer de simples bobines droites, à air ou sur un noyau en fer fermé ou ouvert.

Justement, j'ai eu pas mal de conversations téléphoniques avec lui, et nous avons parlé de mes problèmes de champ ... Lui m'a conseillé d'utiliser des bobines à noyau de fer, chose que je ne peux pas faire, car la norme de mon projet m'oblige à l'utilisation d'inductances à air ... Nous avons aussi parler de l'isolation, mais lui me dit que l'on va canaliser les lignes de champs et de ce fait faire varier la valeur de la bobine.

[PA5CAL]

Nous avons aussi parler de l'isolation, mais lui me dit que l'on va canaliser les lignes de champs et de ce fait faire varier la valeur de la bobine.

... pas compris. Selon lui, qu'est-ce qui va faire varier la valeur de l'inductance ? Dans quel cas de figure ?

[PA5CAL]

Lui m'a conseillé d'utiliser des bobines à noyau de fer, chose que je ne peux pas faire

Ce n'est pas lui qui décide de ce dont tu as besoin. Ne te laisse pas faire.

Les bobines à air toriques répondent au problème, mais s'il ne veut pas (ou ne peut pas) les réaliser ni te proposer une autre solution qui te convienne, alors change de fournisseur.

[Tropique]

Justement, j'ai eu pas mal de conversations téléphoniques avec lui, et nous avons parlé de mes problèmes de champ ... Lui m'a conseillé d'utiliser des bobines à noyau de fer, chose que je ne peux pas faire, car la norme de mon projet m'oblige à l'utilisation d'inductances à air ... Nous avons aussi parler de l'isolation, mais lui me dit que l'on va canaliser les lignes de champs et de ce fait faire varier la valeur de la bobine.

Si ce sont les fuites externes qui te dérangent, il n'y a pas de solution miracle: soit des selfs cylindriques "classiques", et beaucoup, beaucoup d'espace, soit des selfs toriques comme l'a proposé Pascal, mais avec une pénalité sur le poids de cuivre, les pertes et le le volume.

Si tu essayes d'enfermer tes selfs dans un blindage, qu'il soit conducteur, magnétique ou les deux, tu vas perturber les bobines, ou alors il faut que le volume du blindage soit beaucoup plus important que la self.

L'un dans l'autre, les selfs toriques sont probablement le meilleur compromis, même si dans l'absolu, c'est moins efficace qu'une self cylindrique ayant un facteur de fome optimal: le volume, tu n'y échapperas pas, le poids de cuivre est une considération financière mineure dans un tel cas, et les pertes sont sans importance puisque tu devras mettre des résistances de toutes manières.

[invite5c1c4fba]

... pas compris. Selon lui, qu'est-ce qui va faire varier la valeur de l'inductance ? Dans quel cas de figure ?

Ba au départ j'avais pensé, à 'isoler magnétiquement' les bobines des résistances, comme ça, j'avais uniquement un rayonnement interne dans les bobines, ce qui ne me posait pas de soucis vu qu'elles sont alimentées une par une. Puis faire la même chose mais en 'isolant magnétiquement' chacune des différentes bobines des autres. Dans le sens, ou je blindai chacune des bobines séparément, de sorte de n'avoir qu'un rayonnement dans la bobine utilisée et dans le cas où je devais en utiliser plusieurs (2 max), je n'avais pas de soucis.

Mais lui me dit, dans les deux cas, que l'on va donc changer les lignes de champs donc faire varier le B. Si on fait varier le champ B, on fait donc varier le champ électrique E, Du coup la f.e.m va changer et la valeur de L aussi.

Ce n'est pas lui qui décide de ce dont tu as besoin. Ne te laisse pas faire.

Les bobines à air toriques répondent au problème, mais s'il ne veut pas (ou ne peut pas) les réaliser ni te proposer une autre solution qui te convienne, alors change de fournisseur.

Pour le coup, il me fait un devis pour des bobines à air, je ne lui ai pas laisser le choix... De toute façon, je n'aurai pas vraiment le choix de changer de fournisseur, si eux ne peuvent pas me les fabriquer. Mais lui me parle d'un cas ou deux, qu'il n'est pas sûr de pouvoir usiner. Pour le reste il n'y a pas de soucis.

Si ce sont les fuites externes qui te dérangent, il n'y a pas de solution miracle: soit des selfs cylindriques "classiques", et beaucoup, beaucoup d'espace, soit des selfs toriques comme l'a proposé Pascal, mais avec une pénalité sur le poids de cuivre, les pertes et le le volume.

Je n'ai pas encore les tailles de mes bobines, mais je ne peux pas me permettre vis à vis du client de lui fournir une caisse de charge de 3m/3m/3m (j'exagère volontairement). C'est pour ça, n'ayant pas la science infuse, que je suis venu demander conseil ici.

Si tu essayes d'enfermer tes selfs dans un blindage, qu'il soit conducteur, magnétique ou les deux, tu vas perturber les bobines, ou alors il faut que le volume du blindage soit beaucoup plus important que la self.

Bon ça m'enlève une de mes solutions, car certaines self vont être imposantes donc si en plus elles prennent le double de place à cause du blindage ...

L'un dans l'autre, les selfs toriques sont probablement le meilleur compromis, même si dans l'absolu, c'est moins efficace qu'une self cylindrique ayant un facteur de forme optimal: le volume, tu n'y échapperas pas, le poids de cuivre est une considération financière mineure dans un tel cas, et les pertes sont sans importance puisque tu devras mettre des résistances de toutes manières.

Je vais ajouter un schéma de principe que j'ai prévu pour la charge, ainsi que les valeurs de mes composants, peut-être cela vous aidera à y voir un peu plus clair. Et puis, sait-on jamais que j'ai fais une erreur, ou que le schéma puisse être simplifié ...

Edit : est ce qu'un modo ou admin, peut supprimer le message précédent ? J'ai fais une erreur de clic, du coup ça a posté, alors que je n'avais pas fini de répondre. Merci

[PA5CAL]

Ba au départ j'avais pensé, à 'isoler magnétiquement' les bobines des résistances, comme ça, j'avais uniquement un rayonnement interne dans les bobines, ce qui ne me posait pas de soucis vu qu'elles sont alimentées une par une. Puis faire la même chose mais en 'isolant magnétiquement' chacune des différentes bobines des autres. Dans le sens, ou je blindai chacune des bobines séparément, de sorte de n'avoir qu'un rayonnement dans la bobine utilisée et dans le cas où je devais en utiliser plusieurs (2 max), je n'avais pas de soucis.

Mais lui me dit, dans les deux cas, que l'on va donc changer les lignes de champs donc faire varier le B. Si on fait varier le champ B, on fait donc varier le champ électrique E, Du coup la f.e.m va changer et la valeur de L aussi.

Il devait donc parler de bobines droites.

L'intérêt des bobines toriques, c'est que le champ magnétique est confiné à l'intérieur du tore (il est nul à l'extérieur). En conséquence, le fait de mettre plusieurs bobines côte à côte ou de réaliser un blindage extérieur n'a quasiment aucune influence sur la valeur des inductances.

[invite5c1c4fba]

Il devait donc parler de bobines droites.

L'intérêt des bobines toriques, c'est que le champ magnétique est confiné à l'intérieur du tore (il est nul à l'extérieur). En conséquence, le fait de mettre plusieurs bobines côte à côte ou de réaliser un blindage extérieur n'a quasiment aucune influence sur la valeur des inductances.

Je me suis penché un peu plus sur le cas des bobines toriques et oui en effet ce serait la solution! Maintenant reste à voir, en fonction de la valeur de L et le courant que celle-ci doit supporter, la taille de la bobine et si c'est réalisable. Et comme l'a dit Tropique je peux m'affranchir des pertes avec des résistances.

Mais une question me turlupine quand même ... Avec ce type de bobine on a donc plus aucun rayonnement externe c'est bien ça ? Du coup je n'ai plus de problème si j'approche un écran de PC à proximité, je n'ai plus besoin de blindage ... Y a donc forcément un inconvénient, non ?

[PA5CAL]

Et comme l'a dit Tropique je peux m'affranchir des pertes avec des résistances.

Attention, les défauts de circuits magnétiques ne sont pas toujours assimilables à des résistances. En effet, les pertes d'énergie peuvent se caractériser par une déformation non-linéaire des courants et tensions.

Mais une question me turlupine quand même ... Avec ce type de bobine on a donc plus aucun rayonnement externe c'est bien ça ? Du coup je n'ai plus de problème si j'approche un écran de PC à proximité, je n'ai plus besoin de blindage ... Y a donc forcément un inconvénient, non ?

Il n'y a « quasiment plus » de rayonnement à l'extérieur, mais en fonction de la qualité de réalisation, il y en restera toujours un peu. Il faudrait donc voir à quels niveaux peuvent se situer les perturbations générées et la sensibilité de l'écran de PC pour conclure.

Les principaux inconvénients sont la difficulté de fabrication, et l'encombrement et la fixation du composant (un tore n'est pas facile à caser dans une boîte carrée).

.

[invite5c1c4fba]

Attention, les défauts de circuits magnétiques ne sont pas toujours assimilables à des résistances. En effet, les pertes d'énergie peuvent se caractériser par une déformation non-linéaire des courants et tensions.

Il n'y a « quasiment plus » de rayonnement à l'extérieur, mais en fonction de la qualité de réalisation, il y en restera toujours un peu. Il faudrait donc voir à quels niveaux peuvent se situer les perturbations générées et la sensibilité de l'écran de PC pour conclure.

Les principaux inconvénients sont la difficulté de fabrication, et l'encombrement et la fixation du composant (un tore n'est pas facile à caser dans une boîte carrée).

Mais alors sans avoir la bobine torique dans les mains, pour pouvoir faire des tests, il est impossible de déterminer ces différents paramètres ? Comme savoir quel est le champ magnétique résiduel,externe, pour prévoir ou non des protections ? Prédire s'il va y avoir déformation non-linéaire ou non du courant et de la tension ?

[PA5CAL]

On peut assez précisément déterminer la valeur de l'inductance par le calcul.

Concernant, les champs résiduels extérieurs, ils dépendent de la qualité de fabrication. Théoriquement leur valeur est nulle, et ce qu'on obtient en pratique devrait pouvoir être indiqué par le fabricant (en effectuant des mesures de contrôle par exemple). À l'inverse, on peut définir dans le cahier des charges un niveau limite pour des conditions d'utilisations définies, et le fabricant doit se débrouiller pour réaliser le composant en conséquence. Quoi qu'il en soit, cette caractéristique relève du savoir-faire du fabricant.

Malheureusement, si tu ne peux t'adresser qu'à un fabricant qui ne fait pas ce genre de bobine habituellement, alors il faudra déterminer cette caractéristique sur un banc de test après avoir fait fabriquer une ou plusieurs bobines, et concevoir le blindage éventuellement nécessaire par la suite.


Les déformations non-linéaires apparaissent à cause des défauts de la courbe B=f(H) du noyau magnétique (saturation, hystérésis) et des phénomènes de résonance à certaines fréquences. La connaissance des caractéristiques du noyau utilisé peut donc déjà donner une indication précise du résultat. Ou inversement, ce que le cahier des charges réclame mène le fabricant à choisir un noyau (dimensions, matériau) qui convient.

[invite5c1c4fba]

Les déformations non-linéaires apparaissent à cause des défauts de la courbe B=f(H) du noyau magnétique (saturation, hystérésis) et des phénomènes de résonance à certaines fréquences. La connaissance des caractéristiques du noyau utilisé peut donc déjà donner une indication précise du résultat. Ou inversement, ce que le cahier des charges réclame mène le fabricant à choisir un noyau (dimensions, matériau) qui convient.

C'est bien ce qu'il me semblait, les bobines toriques on forcément un noyau magnétique ... Or je dois utiliser uniquement des bobines à air ... Je vais continuer de chercher sur internet voir ce qu'il est possible de faire.

[PA5CAL]

C'est bien ce qu'il me semblait, les bobines toriques on forcément un noyau magnétique

Non. Le qualificatif « torique » ne concerne que la forme du bobinage, et ne présume pas de la nature du matériau constituant l'intérieur du tore.

Si j'ai parlé ici de non-linéarité, c'était pour évoquer de manière générale un inconvénient des noyaux magnétiques qu'on n'avait pas rappelé ici.

Mais il va sans dire que ma suggestion de bobines toriques à spires jointives s'entendait sans noyau ferreux. Les spires peuvent parfaitement être bobinées sur un support présentant une susceptibilité magnétique proche de 0, voire creux et rempli d'air.

PS: j'ai déjà réalisé des bobines toriques sur PVC et sur bois.

[invite5c1c4fba]

Non. Le qualificatif « torique » ne concerne que la forme du bobinage, et ne présume pas de la nature du matériau constituant l'intérieur du tore.

Si j'ai parlé ici de non-linéarité, c'était pour évoquer de manière générale un inconvénient des noyaux magnétiques qu'on n'avait pas rappelé ici.

Mais il va sans dire que ma suggestion de bobines toriques à spires jointives s'entendait sans noyau ferreux. Les spires peuvent parfaitement être bobinées sur un support présentant une susceptibilité magnétique proche de 0, voire creux et rempli d'air.

PS: j'ai déjà réalisé des bobines toriques sur PVC et sur bois.

Donc en prenant ce style de bobine torique 'à air', je m'épargne donc les soucis de non-linéarité du courant et de la tension. J'évite un maximum le rayonnement, vu qu'il y aura toujours un peu de résiduel, mais faible voir très faible si j'ai bien compris. C'est bien ça ?

Pour avoir un ordre d'idée, te souviens-tu de la taille, de la valeur et de l'ampérage des bobines que t'as fait sur PVC et bois ?

[PA5CAL]

Donc en prenant ce style de bobine torique 'à air', je m'épargne donc les soucis de non-linéarité du courant et de la tension. J'évite un maximum le rayonnement, vu qu'il y aura toujours un peu de résiduel, mais faible voir très faible si j'ai bien compris. C'est bien ça ?

Oui

Pour avoir un ordre d'idée, te souviens-tu de la taille, de la valeur et de l'ampérage des bobines que t'as fait sur PVC et bois ?

Je n'ai plus ces bobines, mais j'ai retrouvé le papier donnant les caractéristiques de l'une d'elles :

Noyau en bois (assemblage chevillé):
- H = 3 cm
- E = 2 cm
- D_moy ≈10 cm

Bobine :
- cuivre forgé
- section ≈ 25 mm²
- courant maxi ≈ 100 A
- N = 30 tours
- isolant : papier imbibé

Inductance :
- L ≈ 2µH

[invite5c1c4fba]

Oui

Je n'ai plus ces bobines, mais j'ai retrouvé le papier donnant les caractéristiques de l'une d'elles :

Noyau en bois (assemblage chevillé):
- H = 3 cm
- E = 2 cm
- D_moy ≈10 cm

Bobine :
- cuivre forgé
- section ≈ 25 mm²
- courant maxi ≈ 100 A
- N = 30 tours
- isolant : papier imbibé

Inductance :
- L ≈ 2µH

Merci pour les infos et tous les renseignements ! Je vais de ce pas voir avec mon fournisseur s'il peut me fabriquer ou non des bobines toriques à air. Sinon je vais devoir trouver un autre fournisseur. Je ne sais pas si on peut citer des noms .... Mais mon fournisseur actuel est Transfosmary.

[invite5c1c4fba]

Bonjour à tous,

Je reviens à nouveau vers vous car après calculs, il apparait que j'aurais besoin de bobine torique à air allant de 2.4 H à 18.3 µH, jusque là je pense que c'est faisable, mais devant supporter pas loin de 640 A ... Je n'ai pas fais de calculs de dimensionnement, mais pour 640A, va me falloir une grosse épaisseur de cuivre ...

[PA5CAL]

Puisqu'ici la résistance interne des bobines ne semble pas critique, le courant limite n'est pas tant une question d'épaisseur de cuivre que de température de fonctionnement.

La question à se poser est donc la façon dont pourrait être dissipée la chaleur produite par les 640A, en jouant sur la forme du conducteur et/ou sur les systèmes de refroidissement (ailettes de refroidissement, ventilation forcée, circulation d'eau ou de liquide calo-porteur, ...).

[invite5c1c4fba]

Puisqu'ici la résistance interne des bobines ne semble pas critique, le courant limite n'est pas tant une question d'épaisseur de cuivre que de température de fonctionnement.

La question à se poser est donc la façon dont pourrait être dissipée la chaleur produite par les 640A, en jouant sur la forme du conducteur et/ou sur les systèmes de refroidissement (ailettes de refroidissement, ventilation forcée, circulation d'eau ou de liquide calo-porteur, ...).

Merci ! Je planche déjà sur cette question étant donné l'utilisation des résistances et vu les valeurs de certaines et donc les puissances misent en jeu ...