Innovative & Common Winding Structures for 10kV High-Voltage High-Frequency Transformers Νεα και Συνηθισμένες Δομές Ανάτριψης για 10kV Υψηλής Τάσης Υψηλής Συχνότητας Μετατροπείς
1. Καινοτόμοι Τύλιγματα για Μετασχηματιστές Υψηλής Τάσης και Υψηλής Συχνότητας της Τάξης 10 kV
1.1 Δομή με Ζωνών και Μερικώς Εποξειδικής Πλήρωσης με Αερισμό
Δύο U-σχήματος πυρήνες από φερρίτη συναρμολογούνται για να σχηματίσουν μια μαγνητική πυρηνική μονάδα, ή περαιτέρω συναρμολογούνται σε σειρά/σειρά-παράλληλα πυρηνικά μονάδες. Οι βοβίνες πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τοποθετούνται αντίστοιχα στα αριστερά και δεξιά ευθεία πόδια του πυρήνα, με το επίπεδο σύνδεσης του πυρήνα να λειτουργεί ως διαχωριστική στοιβάδα. Τα τυλίγματα του ίδιου τύπου ομαδοποιούνται στην ίδια πλευρά. Προτιμάται ο αγωγός Litz ως υλικό τύλιγμα για τη μείωση των απωλειών υψηλής συχνότητας.
Μόνο το τύλιγμα υψηλής τάσης (ή πρωτεύον) πληρώνεται πλήρως με εποξειδική ρητίνη. Ένα φύλλο PTFE εισάγεται ανάμεσα στο πρωτεύον και τον πυρήνα/δευτερεύον για τη διασφάλιση αξιόπιστης μόνωσης. Η επιφάνεια του δευτερεύοντος περιτυλίγεται με μονωτικό χαρτί ή ταινία.
Διατηρώντας τα κανάλια αερισμού (διάκενα μεταξύ των τυλιγμάτων και μεταξύ των δευτερευόντων τυλιγμάτων στα αριστερά και δεξιά πόδια) και τα διάκενα μεταξύ των μαγνητικών πυρήνων, αυτό το σχέδιο βελτιώνει σημαντικά τη διασπορά θερμότητας ενώ μειώνει το βάρος και το κόστος, διατηρώντας παράλληλα τη διηλεκτρική αντοχή—καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές μόνωσης ≥10 kV.
1.2 Μοντουλωτό Σχέδιο και Ηλεκτρική Θωράκιση Πεδίου με Γειωμένο Αγωγό Litz
Τα μονάδες τύλιγμα υψηλής και χαμηλής τάσης πληρώνονται ξεχωριστά και στη συνέχεια συναρμολογούνται στην πυρηνική μονάδα. Διατηρούνται αερικά διάκενα μεταξύ των μονάδων για να διευκολυνθεί η συναρμολόγηση και η ψύξη, και τυχόν βλαβείς μονάδες μπορούν να αντικαθίστανται ατομικά κατά τη διάρκεια βλαβών, βελτιώνοντας τη συντηρησιμότητα.
Εισάγονται στρώσεις ηλεκτρικής θωράκισης πεδίου βασισμένες σε γειωμένο αγωγό Litz και στις δύο εσωτερικές και εξωτερικές πλευρές του τυλίγματος υψηλής τάσης. Αυτό περιορίζει το ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συχνότητας κυρίως μέσα στην περιοχή με υψηλή διηλεκτρική αντοχή που έχει πληρωθεί με εποξείδιο, μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο μερικών εκκενώσεων (PD) χωρίς να απαιτείται υπερβολική απόσταση των τυλιγμάτων αποκλειστικά για τον περιορισμό του ηλεκτρικού πεδίου.
Το στρώμα θωράκισης αγωγού Litz μπορεί να παραμείνει ανοιχτού κυκλώματος με γείωση σε ένα σημείο, επιτυγχάνοντας διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου ενώ αποφεύγει σημαντικές απώλειες επαγόμενων ρευμάτων. Διατηρούνται κανάλια αερισμού μεταξύ των τυλιγμάτων και του πυρήνα, επιτρέποντας ταυτόχρονα ημι-αεριζόμενη ψύξη και μικροσκέψιμο σχεδιασμό.
1.3 Τμηματικά Τυλίγματα και Διαμόρφωση Ηλεκτρικού Πεδίου
Προστίθενται ομόαξονα μανίκια και διαμερισμοί στη μονωτική βοβίνα, επιτρέποντας στα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματα να εναλλάσσονται σε «ομάδες τμημάτων». Αυτό μειώνει σημαντικά τις διαστρωματικές κλίσεις τάσης και την ισοδύναμη παρασιτική χωρητικότητα, περιορίζοντας τον διαφερόμενο ΗΜΠ και βελτιώνοντας την ομοιόμορφη κατανομή τάσης.
Ο αριθμός των τμημάτων n και ο αριθμός στρωμάτων καθορίζονται μέσω αναλυτικών ή εμπειρικών τύπων (π.χ. n = −15.38·lg k₁ − 18.77, όπου k₁ είναι η ελάχιστη τιμή μεταξύ των λόγων αυτοχωρητικότητας πρωτεύοντος/δευτερεύοντος και αμοιβαίας χωρητικότητας), επιτυγχάνοντας ισορροπία μεταξύ όγκου, διαρροής επαγωγικότητας και παρασιτικής χωρητικότητας—ιδανικό για εφαρμογές υψηλής ισχύος, υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας.
1.4 Σύνθετα Τυλίγματα και Ενσωματωμένη Ψύξη με Νερό
Ο πυρήνας χωρίζεται σε δύο ζώνες τύλιγμα. Χρησιμοποιείται μια σύνθετη προσέγγιση τύλιγμα: το πρώτο σύνθετο τύλιγμα (π.χ. πρωτεύον) τυλίγεται από εσωτερικά προς εξωτερικά στρώματα με τους ακροδέκτες να παραμένουν διαθέσιμοι· στη συνέχεια, στη δεύτερη ζώνη, το δεύτερο σύνθετο τύλιγμα (π.χ. δευτερεύον) τυλίγεται αντίστροφα χρησιμοποιώντας τους διαθέσιμους ακροδέκτες. Αυτό επεκτείνει τα διάκενα μεταξύ στρωμάτων και μειώνει το υπόλοιπο φορτίο, βελτιώνοντας την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής υψηλής τάσης.
Κοπές απελευθέρωσης μηχανουργούνται στο εξωτερικό τοίχωμα του πυρήνα για την ενσωμάτωση μη επαφικών καναλιών ψύξης με νερό, βελτιώνοντας τη θερμική απόδοση χωρίς κίνδυνο μηχανικής βλάβης κατά τη συναρμολόγηση. Η σύνθετη μόνωση χρησιμοποιεί πολυϊμίδιο/PTFE επιστρώματα διατεταγμένα σε σκαλωτή διάταξη για τη διασφάλιση επαρκούς απόστασης διαρροής και ποιοτικής πλήρωσης με εποξείδιο.
1.5 Καινούριες Τεχνικές Τύλιγμα και Διαδρομές Ελέγχου Απωλειών
Εισάγεται η τεχνολογία τύλιγμα PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): μέσω βελτιστοποιημένης τοπολογίας και διάταξης τύλιγμα, οι επιδράσεις δέρματος και πλησιάζοντας—και ως εκ τούτου οι απώλειες υψηλής συχνότητας—υποτάσσονται σημαντικά. Αυτό επιτυγχάνει απόδοση σύζευξης >99,5% σε αναφερόμενες περιπτώσεις, μαζί με δυνατότητα μόνωσης 10 kV, ελεγχόμενη διαρροή επαγωγικότητας και χαμηλή κατανεμημένη χωρητικότητα—καθιστώντας το κατάλληλο για προσαρμοσμένες εφαρμογές υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας 30–400 kW, 4–50 kHz.
2. Κοινές Διαμορφώσεις Τύλιγμα για Μετασχηματιστές Υψηλής Τάσης και Υψηλής Συχνότητας της Τάξης 10 kV
2.1 Βασικές Διαμορφώσεις Τύλιγμα και Σενάρια Εφαρμογής
Πολύστρωτος κυλινδρικός: Ώριμη διαδικασία παραγωγής· εύκολη εισαγωγή μεταξύστρωτης μόνωσης και καναλιών ψύξης· κατάλληλος για μεσαίας-υψηλής τάσης συνεχή τυλίγματα.
Πολύτμητος στρωματικός: Πολλά αξονικά τμήματα διαχωρισμένα με δακτυλίους μονωτικού χαρτιού· μειώνει αποτελεσματικά τη διαστρωματική κλίση τάσης και τη συγκέντρωση πεδίου· χρησιμοποιείται συχνά σε τυλίγματα ΥΤ για την εξάλειψη μερικών εκκενώσεων.
Συνεχής (δισκοειδής): Αποτελείται από πολλές δισκοειδείς ενότητες που στοιβάζονται αξονικά· προσφέρει καλή μηχανική αντοχή και θερμική απόδοση· κατάλληλος για εφαρμογές υψηλής ισχύος/υψηλότερης τάσης.
Διπλός δίσκος: Δύο δίσκοι ανά ομάδα, συνδεδεμένοι σε σειρά/παράλληλα· ιδανικός για τυλίγματα ΥΤ υψηλού ρεύματος ή ειδικού σκοπού.
Ελικοειδής: Μονή/διπλή/τετραπλή έλικα· απλή δομή· κατάλληλη για τυλίγματα ΥΤ υψηλού ρεύματος ή τυλίγματα μεταβλητής τάσης υπό φορτίο· περιορισμένος στον αριθμό σπειρών.
Αλουμινίου φοίλη κυλινδρική: Ένας γύρος ανά επίπεδο με αλουμινίου φοίλη· υψηλός βαθμός εκμετάλλευσης του χώρου και φιλική προς την αυτοματοποίηση· κατάλληλη για μικρές-μεσαίες HV πλεξίδες.
Είναι πρότυπες δομές HV πλεξίδων σε ηλεκτρικούς μετατροπείς και συχνά προσαρμόζονται ή βελτιώνονται για μετατροπείς υψηλής συχνότητας κλάσης 10 kV για την ενίσχυση της απομόνωσης και της θερμικής απόδοσης.
2.2 Τυπικές Διατάξεις και Διαδικασίες Πλεξίδων για Εφαρμογές Υψηλής Τάσης και Υψηλής Συχνότητας
Κυλινδρική (επίπεδη) διάταξη: Η HV πλεξίδα εσωτερικά, η LV εξωτερικά (ή αντίστροφα)· πολυεπίπεδη σχεδίαση με απομόνωση μεταξύ επιπέδων για την κατανομή υψηλών δυναμικών διαφορών· η τμηματοποιημένη διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου και της απόδοσης PD.
Τμηματοποίηση και εναλλαγή: Η HV πλεξίδα χωρίζεται σε πολλαπλά κατανεμημένα κατώλους και τοποθετείται σε στεγνωτό/τμηματοποιημένο τρόπο για τη μείωση του διαταραχής της τάσης μεταξύ επιπέδων και της παρασιτικής χωρητικότητας, την κατασταλαγή της EMI και τη βελτίωση της ομοιομορφίας της τάσης.
Προστασία Faraday και ηλεκτροστατική απομόνωση: Φοίλη ασημένιου ή συμπεριφερόμενα επίπεδα τοποθετούνται μεταξύ πρωτεύουσας/δευτερεύουσας ή γύρω από τις πλεξίδες, εδραιωμένη σε μία μονάδα, για τη μείωση της κοινής χωρητικότητας και της συνδυασμένης ηχονοίσης· η προστασία πρέπει να ταιριάζει στο πλάτος της πλεξίδας και να αποφεύγει οξείες άκρες που θα μπορούσαν να διαρρήξουν την απομόνωση.
Βελτιστοποίηση του ηγεμονικού και της πυκνότητας ροής: Οι Litz wire, οι πολυστρωτοί ηγεμόνες ή η φοίλη ασημένιου είναι προτιμότερες για HV/υψηλή ροή δευτερεύουσες για την καταστολή των σκιν και προσεγγιστικών επιδράσεων, τη μείωση της AC αντίστασης (Rac) και της απώλειας ασημενίου· η πυκνότητα ροής (J) και η θερμική αύξηση ελέγχονται εντός των ορίων παραθύρου και ασφάλειας.
Απομόνωση και σχεδιασμός κρίματος: Χρήση παρακώλυσης, άκρων, ενδυμένων καταλόγων και συνδυασμένης απομόνωσης μεταξύ επιπέδων/πλεξίδων· το κρίμα και η απόσταση σχεδιάζονται σύμφωνα με το βαθμό ρύπανσης και την κλάση τάσης· η ένταση στην κενότητα/κατασκευή μπορεί να εφαρμοστεί για την ενίσχυση της διελκτικής αντοχής και της θερμικής διαχυτικότητας.
Αυτές οι διατάξεις και διαδικασίες σχετίζονται στενά με την ισορροπία του επιπέδου απομόνωσης, των παρασιτικών παραμέτρων και της ισχύος—κλειδί για την επίτευξη αξιόπιστης απομόνωσης 10 kV στην επιστημονική πρακτική.
2.3 Μέθοδοι Εφαρμογής για Υψηλή Τάση Δευτερεύουσας Εξόδου (Εξάρτητη από τη Δομή Πλεξίδας)
Πολλαπλασιασμός τάσης και ορθογωνία: Πολυστάδιος πολλαπλασιασμός τάσης στην πλευρά της ορθογωνίας μειώνει σημαντικά τον άνευ στρες και παρασιτική χωρητικότητα ανά στάδιο πλεξίδας, ευκολύνοντας τον σχεδιασμό απομόνωσης. Ωστόσο, είναι ευαίσθητη σε επιβαρύνσεις/σύντομες συνδέσεις και ευάλωτη σε ένταξη ροής. Στην πράξη, συνήθως χρησιμοποιούνται μέχρι δύο στάδια, απαιτούν στρατηγικές περιορισμού ροής και προστασίας.
Συνδυασμός σε σειρά/παράλληλα: Η δευτερεύουσα χωρίζεται σε πολλά πακέτα κατώλους, τα οποία εσωτερικά ή μετά την ορθογωνία συνδέονται σε σειρά/παράλληλα για την επίτευξη της επιθυμητής τάσης/ισχύος. Όλα τα πακέτα μοιράζονται τον ίδιο μαγνητικό κύκλο, διευκολύνοντας το μοντουλάριο σχεδιασμό και την ισορροπία τάσης—τέλειο για υψηλή ισχύ.
Και οι δύο μεθόδοι απαιτούν ολοκληρωμένο σχεδιασμό με τμηματοποίηση πλεξίδων, προστασία και παράθυρα απομόνωσης για την ισορροπία του στρες τάσης, της απόδοσης, της EMI και της θερμικής απόδοσης.
2.4 Οδηγίες Επιλογής Δομής (Γρήγορη Τεχνική Αναφορά)
Προτεραιότητα στην ομοιομορφία του ηλεκτρικού πεδίου και τον έλεγχο PD: Προτιμούνται τμηματοποιημένες ή συνεχείς (δίσκο-τύποι) HV πλεξίδες, σε συνδυασμό με προστασία Faraday, άκρα και παρακώλυση· συνιστάται η ένταση στην κενότητα/κατασκευή όταν απαιτείται.
Προτεραιότητα στην υψηλή ροή και τη μικρή απώλεια ασημενίου: Χρήση Litz wire ή φοίλη ασημενίου για δευτερεύουσα· εφαρμογή εναλλαγής ή sandwich πλεξίδων εσωτερικά για τη μείωση της παρασιτικής αυτοενδυσμότητας και Rac· ενίσχυση της εξωτερικής προστασίας και απομόνωσης.
Προτεραιότητα στη συναρμολόγηση και την επισκευή: Αποδοχή μοντουλάριων πακέτων δευτερεύουσας πλεξίδας με σειρά/παράλληλες συνδέσεις για εύκολη ισορροπία τάσης, δοκιμές και απομόνωση παραβιάσεων· επιλογή πολλαπλασιασμού τάσης (≤2 στάδια) ή συνδυασμού σε σειρά/παράλληλα στην πλευρά της ορθογωνίας βάσει της ισχύος και των προσωρινών απαιτήσεων.
