Innovative & Almindelige Vindingstrukturer for 10kV Højspænding Højfrekvens-transformatorer

1.Innovative Winding Structures for 10 kV-Class High-Voltage High-Frequency Transformers

1.1 Zoned and Partially Potted Ventilated Structure

• To firenformed U-formede ferritekerner sættes sammen for at danne en magnetisk kerneenhed, eller monteres yderligere til serie/serie-parallelle kernemoduler. Primære og sekundære bobiner monteres på de venstre og højre rette ben af kernen, med kernen samleplanen som grænseflade. Vandinger af samme type grupperes på samme side. Litztråd foretrækkes som vindingmateriale for at reducere højfrekvens tab.

• Kun den højspanningsvinding (eller primær) er fuldt potet med epoxihårde. En PTFE plade indsættes mellem primæren og kernen/sekundæren for at sikre pålidelig isolation. Sekundæroverfladen er omgivet med isolerende papir eller bånd.

• Ved at bevare ventilationskanaler (mellemrum mellem vindinger og mellem sekundærvindinger på venstre og højre ben) og mellemrum mellem magnetiske kerner, forbedrer denne design betydeligt varmeafledning, mens det reducerer vægt og omkostninger, alt mens det opretholder dielektrisk styrke—gør det passende til ≥10 kV-isolering anvendelser.

1.2 Modular Design and Grounded Litz Wire Electric Field Shielding

• Højspannings- og lavspændingsvindingmoduler er separat potet og derefter monteret på kernenhet. Luftmellemrum bevares mellem moduler for at lette montering og køling, og skadede moduler kan individuelt erstattes under fejl, hvilket øger vedligeholdbarhed.

• Baseret på jordet Litztråd introduceres elektriske feltskjoldlag på både indersiden og udenside af højspanningsvindingen. Dette begrænser højfrekvenselektriske felt primært inden for højdielektrisk styrke epoxy-potet region, hvilket betydeligt reducerer risikoen for delvis udladning (PD) uden at kræve overdreven vindingafstand kun for elektriske feltundertrykkelse.

• Litztråd shieldlag kan efterlades åbne-kredsløb med enkelt-point jordforbindelse, formgivning af elektriske felt, mens undgår betydelige eddystrøm tab. Ventilationskanaler bevares mellem vindinger og kernen, hvilket gør det muligt at halvventileret køling og miniaturisering samtidig.

1.3 Segmented Winding and Electric Field Shaping

• Coaxiale slanger og segmentering ribs er tilføjet til isolerende bobin, der tillader primære og sekundære vindinger at være interlaced i "segmentgrupper." Dette reducerer betydeligt lag-voltage gradienter og ekvivalent parasit kapacitance, undertrykker ledet EMI og forbedrer voltage distribution uniformitet.

• Antallet af segmenter n og lag antal bestemmes via analytiske eller empiriske formler (f.eks., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, hvor k₁ er den laveste værdi blandt primær/sekundær selvkapacitance og gensidig kapacitance forhold), opnår en optimal balance mellem volumen, leckage induktance, og parasit kapacitance—ideel for høje effekt, højspanning, høj frekvens drift.

1.4 Composite Windings and Integrated Water Cooling

• Kernen er delt i to vindingzoner. En komposit vindingmetode bruges: den første komposite vinding (f.eks., primær) er vindet fra indtil udover lag med reserverede leads; dernæst, i den anden zone, den anden komposite vinding (f.eks., sekundær) er vindet i modsat retning ved hjælp af de reserverede leads. Dette udvider lag mellemrum og reducerer restcharge, forbedrer højspannings pålidelighed og levetid.

• Lettningskanaler er maskineret på den ydre kernvæg for at integrere kontaktløse vandkøling kanaler, forbedrer termisk ydeevne uden at risikere mekanisk skade under montering. Komposit isolation bruger PI/PTFE laminater arrangeret i trin konfiguration for at sikre tilstrækkelig glideafstand og høj kvalitet potet fylling.

1.5 Novel Winding Techniques and Loss Control Pathways

PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) vinding teknologi introduceres: gennem optimeret vinding topologi og layout, hud og nærheds effekter—and thus højfrekvens tab—are betydeligt undertrykt. Dette opnår kobling effektivitet >99.5% i rapporterede tilfælde, sammen med 10 kV isolering kapacitet, kontrollerbar leckage induktance, og lav distribueret kapacitance—gør det passende for specialdesignet 30–400 kW, 4–50 kHz højspanning højfrekvens applikationer.

2. Common Winding Structures for 10 kV-Class High-Voltage High-Frequency Transformers

2.1 Basic Winding Configurations and Application Scenarios

• Flere lag cylinderformet: Modent produktion process; nemt at indsætte lag mellemrum isolation og kølingskanaler; passende til medium til høj spænding kontinuerlige vindinger.

• Flere segmenter lagret: Flere axiale segmenter adskilt af isolerende papirringe; effektivt reducerer lag voltage gradient og felt koncentration; ofte anvendt i HV vindinger for at mildne delvis udladning.

• Kontinuerlig (disk-type): Består af flere disk sektioner stakket aksialt; giver god mekanisk styrke og termisk ydeevne; passende til høj kapacitet/højere spænding applikationer.

• Dobbelt-disk: To disker per gruppe, forbundet i serie/parallell; ideel for høj strøm eller speciel formål HV vindinger.

• Helisk: Enkel/dobbelt/firefold helix; simpel struktur; passende til høj strøm LV vindinger eller på-lasted tap-changing vindinger; begrænset i omdrejnings antal.

• Aluminiumfolie cylindriske: Et omslag pr. lag ved hjælp af aluminiumsfolie; høj pladsudnyttelse og velegnet til automatisering; egnet til små til mellemstore HV-viklinger.

Dette er standard HV-viklingsstrukturer i strømtransformatorer og bliver ofte tilpasset eller forbedret for 10 kV-klasse højspændingshøjfrekvens-transformatorer for at forbedre isolation og termisk ydeevne.

2.2 Typiske viklingslayout og processer for højspændingshøjfrekvensanvendelser

• Koncentrisk cylindrisk (laget) opstilling: HV-vikling indeni, LV udenfor (eller omvendt); flerlaget design med isolering mellem lagene for at fordele høje potentiafdifferencer; segmenteret layout kan bruges for at optimere elektriske feltfordeling og PD-ydeevne.

• Segmentering og interkalering: HV-vikling opdelt i flere spoler og arrangeret i et skaklad/segmenteret mønster for at reducere spændingsgradienten mellem lagene og parasit kapacitance, undertrykke overførte EMI, og forbedre spændingsuniformitet.

• Faraday- og elektrostatisk skjerming: Kobberfolie eller ledende lag placeret mellem primær/sekundær eller omkring viklinger, jordet på et enkelt punkt, for at reducere almindelig kapacitance og koblingsstøj; skjermingen skal matche viklingsbredde og undgå skarpe kanter, der kunne bore gennem isolationen.

• Ledere og strømtæthedsoptimering: Litz tråd, strandede ledere, eller kobberfolie foretrækkes for HV/højstrøm sekundære for at undertrykke skins/proksimalitets effekter, reducere AC-modstand (Rac) og kobbertab; strømtæthed (J) og temperaturstigning kontrolleres inden for vindues- og sikkerhedsreguleringsgrænser.

• Isolation og glideafstand design: Brug af barrierer, end margins, slevede terminaler, og kombineret inter-lag/inter-viklingsisolation; glideafstand og klarhed er designet i henhold til forurening grad og spændingsklasse; vakuumimpregnation/potting kan anvendes for at forbedre dielektrisk styrke og termisk ledeevne.

Disse layout- og procesovervejelser er tæt knyttet til at balancere isolationsniveau, parasit parametre, og effektforbrug—vigtigt for at opnå pålidelig 10 kV-isolation i ingeniørpraksis.

2.3 Implementeringsmetoder for højspændings sekundær output (stærkt afhængig af viklingsstruktur)

• Spændingsmultiplikator rektifikation: Flersidig spændingsdobbeltning på rektifieringsiden reducerer betydeligt spændingsstress og parasit kapacitance per viklingsstage, hvilket letter isolation design. Imidlertid er det følsomt over for lasttransienter/kortslutninger og udsat for strømstød. I praksis bruges typisk ikke mere end to trin, som kræver strømbegrænsning og beskyttelsesstrategier.

• Serie/parallell kombination: Sekundæren er opdelt i flere spoelpakker, som er intern eller efter rektificering forbundet i serie/parallell for at opnå ønsket spænding/effekt. Alle pakker deler den samme magnetiske kredsløb, hvilket gør det muligt at faciliter modulært design og spændingsbalancer—ideelt for høj effekt output.

Begge metoder kræver integreret design med viklingssegmentering, skjerming, og isolationsvinduer for at balancere spændingsstress, effektivitet, EMI, og termisk ydeevne.

2.4 Strukturelle valgvejledninger (hurtig ingeniørreference)

• Prioritering af elektriske feltets uniformitet og PD-kontrol: Foretræk segmenteret eller kontinuerlig (disk-type) HV-viklinger, kombineret med Faraday-skjerming, end margins, og barrierer; vakuumimpregnation/potting anbefales, når det er nødvendigt.

• Prioritering af høj strøm og lav kobbertab: Brug Litz tråd eller kobberfolie til sekundær; anvend interkalerede eller sandwich viklinger intern for at minimere leckage induktance og Rac; forstærk yderskjerming og isolation.

• Prioritering af montering og vedligeholdelse: Brug modulære sekundære spoelpakker med serie/parallell forbindelser for let spændingsbalancer, test, og fejlisolering; vælg spændingsmultiplikator rektifikation (≤2 trin) eller serie/parallell kombination på rektifieringsiden baseret på effekt og transient krav.