Estructures d'enrotllament innovadores i comunes per a transformadors d'alta tensió i alta freqüència de 10kV
1.Estructures d'enrotllament innovadors per transformadors d'alta tensió i alta freqüència de classe 10 kV
1.1 Estructura ventilada zonificada i parcialment envasada
Dos nuclis de ferrita en forma de U s'unen per formar una unitat de nucli magnètic, o es poden assemblar més endavant en mòduls de nuclis en sèrie o sèrie-paral·lel. Les bobines primària i secundària es montoen respectivament en les cames rectes esquerra i dreta del nucli, amb el pla de unió del nucli com a capa límit. Els enrotllaments del mateix tipus es grupegen al mateix costat. Es prefereix utilitzar fil Litz com a material d'enrotllament per reduir les pèrdues a alt freqüència.
Només l'enrotllament d'alta tensió (o primari) s'envasa completament amb resina epoxi. S'insereix una fulla de PTFE entre el primari i el nucli/secundari per assegurar un aïllament fiable. La superfície secundària es cobreix amb paper o cinta aïllant.
Mantenint els canals de ventilació (espais entre enrotllaments i entre els enrotllaments secundaris de les cames esquerra i dreta) i els espais entre els nuclis magnètics, aquest disseny millora significativament la dissipació de calor mentre redueix el pes i el cost, mantenint la resistència dielèctrica - fet que ho fa adequat per a aplicacions d'aïllament ≥10 kV.
1.2 Disseny modular i blindatge de camp elèctric amb fil Litz a terra
Els mòduls d'enrotllament d'alta i baixa tensió es van envasar separat i després s'assemblen a l'unitat de nucli. Es mantenen espais d'aire entre els mòduls per facilitar l'ensamblatge i la refrigeració, i els mòduls danysos es poden reemplaçar individualment en cas de fallida, augmentant la mantenibilitat.
Es introduixen capes de blindatge de camp elèctric basades en fil Litz a terra tant a l'interior com a l'exterior de l'enrotllament d'alta tensió. Això confina el camp elèctric d'alta freqüència principal a la regió d'envasat amb resina epoxi d'alta resistència dielèctrica, reduint significativament el risc de descàrregues parcials (DP) sense necessitat d'espai addicional entre enrotllaments només per a la supressió del camp elèctric.
La capa de blindatge de fil Litz es pot deixar en circuit obert amb aterrissatge en un sol punt, assolint la formació del camp elèctric mentre s'eviten pèrdues significatives de corrents de Foucault. Es preserven els canals de ventilació entre els enrotllaments i el nucli, permetent un refredament semiventilat i una miniaturització simultànies.
1.3 Enrotllament segmentat i formació de camp elèctric
S'afegeixen màniques coaxials i costelles de segmentació a la bobina aïllant, permetent que els enrotllaments primari i secundari s'intercalin en "grups de segments". Això redueix considerablement els gradients de tensió entre capes i la capacità parasità equivalent, suprimint l'EMI conduïda i millorant la distribució uniforme de la tensió.
El nombre de segments n i el nombre de capes es determinen mitjançant fórmules analítiques o empíriques (per exemple, n = −15,38·lg k₁ − 18,77, on k₁ és el valor mínim entre les raons de capacitàs pròpies i mútues del primari/secundari), assolint un equilibri òptim entre volum, inductància de fuga i capacità parasità - ideal per a operacions d'alta potència, alta tensió i alta freqüència.
1.4 Enrotllaments compostos i refrigeració integrada per aigua
El nucli es divideix en dues zones d'enrotllament. S'utilitza un enfocament d'enrotllament compost: el primer enrotllament compost (p. ex., primari) s'enrotlla de capes interiors a exteriors amb conductors reservats; després, en la segona zona, el segon enrotllament compost (p. ex., secundari) s'enrotlla en sentit invers utilitzant els conductors reservats. Això amplia els espais entre capes i redueix la càrrega residual, millorant la fiabilitat i la llargada de vida a alta tensió.
Es mecanitzen ranures de rellevament a la paret exterior del nucli per integrar canals de refrigeració per aigua sense contacte, millorant el rendiment tèrmic sense risc de dany mecànic durant l'ensamblatge. L'aïllament compost utilitza laminats de PI/PTFE disposats en configuració escalonada per assegurar una distància de reptació adequada i un ompliment d'envasat de qualitat.
1.5 Noves tècniques d'enrotllament i camins de control de pèrdues
Es presenta la tecnologia d'enrotllament PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): a través de la topologia i disposició d'enrotllament optimitzades, els efectes de pell i proximitat - i, per tant, les pèrdues d'alta freqüència - es reduïxen significativament. Això assolix una eficiència de couplat superior al 99,5% en casos informats, juntament amb una capacitat d'aïllament de 10 kV, inductància de fuga controlable i baixa capacità distribuïda - adequat per a aplicacions d'alta tensió i alta freqüència personalitzades de 30–400 kW, 4–50 kHz.
2. Estructures d'enrotllament comunes per transformadors d'alta tensió i alta freqüència de classe 10 kV
2.1 Configuracions bàsiques d'enrotllament i escenaris d'aplicació
Cilíndric multicolor: procés de fabricació madur; fàcil d'inserir aïllament i canals de refrigeració entre capes; adequat per a enrotllaments continus de mitja a alta tensió.
Multicapa estratificada: diversos segments axials separats per anells de paper aïllant; redueix efectivament el gradient de tensió i la concentració de camp entre capes; sovint utilitzat en enrotllaments d'alta tensió per mitigar les descàrregues parcials.
Continu (de disc): compost per diverses seccions de disc apilades axialment; ofereix una bona resistència mecànica i rendiment tèrmic; adequat per a aplicacions d'alta capacitat/alta tensió.
Doble disc: dos discs per grup, connectats en sèrie o paral·lel; ideal per a enrotllaments d'alta tensió d'alta corrent o especials.
Helicoidal: simple/doble/cuadruple hélix; estructura simple; adequat per a enrotllaments de baixa tensió d'alta corrent o enrotllaments de canvi de toma sobrecarregats; limitat en el nombre de voltes.
Fita d’alumini cilíndrica: Una volta per capa utilitzant fita d’alumini; alta utilització de l’espai i amigable amb l’automatització; adequada per a enrotllaments HV de petita a mitjana escala.
Aquests són els enrotllaments HV estàndard en transformadors de potència i sovint es adapten o milloren per a transformadors de freqüència alta de classe 10 kV per millorar l’aïllament i el rendiment tèrmic.
2.2 Disposicions típiques d’enrotllaments i processos per a aplicacions de tensió alta i freqüència alta
Disposició cònica (en capes): enrotllament HV a l’interior, LV a l’exterior (o viceversa); disseny multicapa amb aïllament intercapa per distribuir les diferències de potencial altes; es pot utilitzar una disposició segmentada per optimitzar la distribució del camp elèctric i el rendiment PD.
Segmentació i intercalació: l’enrotllament HV es divideix en múltiples bobines i s’organitza de manera escalonada/segmentada per reduir el gradient de tensió entre capes i la capacitance parasitària, suprimir l’EMI conduïda i millorar la uniformitat de la tensió.
Escudament Faraday i electroestàtic: fites de cobre o capes conductores col·locades entre primari/secundari o al voltant dels enrotllaments, anclades a un sol punt, per reduir la capacitance comú i el soroll de couplage; l’escudament ha de coincidir amb l’amplada de l’enrotllament i evitar arestes agudes que puguin perforar l’aïllament.
Optimització del conductor i la densitat de corrent: es prefereix fil Litz, conductors trenquits o fites de cobre per a segundaris de HA/corrent alt per suprimir els efectes de superfície i proximitat, reduir la resistència AC (Rac) i la pèrdua de cobre; la densitat de corrent (J) i l’augment de temperatura es controlen dins dels límits de la finestra i les normatives de seguretat.
Disseny d’aïllament i distància de reptació: utilització de barreres, marges finals, terminals embolcallats i aïllament combinat intercapa/inter-enrotllament; la distància de reptació i el clar s’han dissenyat segons el grau de contaminació i la classe de tensió; es pot aplicar impregnació/potting a vaixell per augmentar la resistència dielèctrica i la conductivitat tèrmica.
Aquestes consideracions de disposició i procés estan estretament vinculades a l’equilibri entre el nivell d’aïllament, els paràmetres parasitàris i la potència nominal—essencials per aconseguir una aïllament de 10 kV fiable en la pràctica enginyerística.
2.3 Mètodes d’implementació per a la sortida secundària de tensió alta (fortament dependent de l’estructura de l’enrotllament)
Rectificació de multiplicador de tensió: la duplicació de tensió multietapa al costat del rectificador redueix significativament l’estressament de la tensió i la capacitance parasitària per etapa d’enrotllament, facilitant el disseny de l’aïllament. Tanmateix, és sensible als transitoris de càrrega/curts circuits i propens a corrents d’impuls. En la pràctica, normalment no s’utilitzen més de dues etapes, necessitant estratègies de limitació de corrent i protecció.
Combinació en sèrie/paral·lel: el secundari es divideix en diversos paquets de bobines, que es connecten internament o post-rectificador en sèrie/paral·lel per aconseguir la tensió/potència desitjada. Tots els paquets comparteixen el mateix circuit magnètic, facilitant el disseny modular i l’equilibri de tensió—ideal per a sortides de potència alta.
Ambdós mètodes requereixen un disseny integrat amb la segmentació de l’enrotllament, l’escudament i les finestres d’aïllament per equilibrar l’estressament de la tensió, l’eficiència, l’EMI i el rendiment tèrmic.
2.4 Directrius de selecció estructural (referència ràpida d’enginyeria)
Prioritzant la uniformitat del camp elèctric i el control de PD: preferir enrotllaments HV segmentats o continus (de tipus disc), combinats amb escudament Faraday, marges finals i barreres; es recomana l’impregnació a vaixell/potting quan sigui necessari.
Prioritzant corrent alt i pèrdua baixa de cobre: utilitzar fil Litz o fites de cobre per al secundari; utilitzar enrotllaments intercalats o en sandwich internament per minimitzar la inductància de fuga i Rac; reforçar l’escudament exterior i l’aïllament.
Prioritzant la montatge i mantenibilitat: adoptar paquets de bobines secundàries modulares amb connexions en sèrie/paral·lel per facilitar l’equilibri de tensió, la prova i l’isolament de falles; seleccionar la rectificació de multiplicador de tensió (≤2 etapes) o la combinació en sèrie/paral·lel al costat del rectificador basant-se en els requisits de potència i transitori.
