ساختارهای پیچشی نوآورانه و معمول برای ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با ولتاژ ۱۰ کیلوولت

۱.ساختارهای پیچیدن نوآورانه برای ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با ولتاژ ۱۰ کیلوولت

۱.۱ ساختار منطقه‌ای و جزئیات پوشش داده شده تهویه شده

• دو هسته فریت U-شکل با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا یک واحد هسته مغناطیسی را تشکیل دهند، یا به صورت مدول‌های هسته سری/سری-موازی ترکیب می‌شوند. بابین‌های اصلی و ثانویه به ترتیب روی پاهای مستقیم چپ و راست هسته نصب می‌شوند، با صفحه ترکیب هسته به عنوان لایه مرزی. پیچیدن‌های هم‌نوع در یک طرف گروه‌بندی می‌شوند. برای کاهش زیان‌های فرکانس بالا، استفاده از سیم لیتز ترجیح داده می‌شود.

• فقط پیچیدن ولتاژ بالا (یا اصلی) به طور کامل با رزین اپوکسی پوشش داده می‌شود. یک برگ PTFE بین اصلی و هسته/ثانویه قرار داده می‌شود تا عایق‌بندی قابل اعتماد را تضمین کند. سطح ثانویه با کاغذ یا باند عایق‌بندی پوشش داده می‌شود.

• با حفظ کانال‌های تهویه (فاصله بین پیچیدن‌ها و بین پیچیدن‌های ثانویه روی پاهای چپ و راست) و فواصل بین هسته‌های مغناطیسی، این طراحی به طور قابل توجهی تبدیل حرارتی را بهبود می‌بخشد، در حالی که وزن و هزینه را کاهش می‌دهد، در حالی که مقاومت الکتریکی را حفظ می‌کند - این طراحی برای کاربردهای عایق‌بندی ≥۱۰ کیلوولت مناسب است.

۱.۲ طراحی ماژولار و محافظت الکتریکی با سیم لیتز زمین‌دار

• ماژول‌های پیچیدن ولتاژ بالا و پایین به طور جداگانه پوشش داده شده و سپس روی واحد هسته نصب می‌شوند. فاصله‌های هوایی بین ماژول‌ها برای تسهیل مونتاژ و خنک‌سازی حفظ می‌شوند، و ماژول‌های آسیب‌دیده در مواقع خرابی می‌توانند به طور انفرادی جایگزین شوند، که نگهداری را افزایش می‌دهد.

• لایه‌های محافظت الکتریکی مبتنی بر سیم لیتز زمین‌دار در داخل و خارج پیچیدن ولتاژ بالا معرفی می‌شوند. این عمل میدان الکتریکی فرکانس بالا را به طور اصلی در منطقه پوشش داده شده با رزین اپوکسی با مقاومت الکتریکی بالا محدود می‌کند، که بدون نیاز به فاصله پیچیدن‌ها فقط برای کاهش میدان الکتریکی، خطر تخلیه جزئی (PD) را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

• لایه محافظت سیم لیتز می‌تواند با یک نقطه زمین‌دار باز بماند، که شکل‌دهی میدان الکتریکی را در حالی که از ایجاد گردش‌های القایی قابل توجه جلوگیری می‌کند. کانال‌های تهویه بین پیچیدن‌ها و هسته حفظ می‌شوند، که به خنک‌سازی نیمه‌تهویه و کوچک‌سازی به طور همزمان کمک می‌کند.

۱.۳ پیچیدن تقسیم‌بندی شده و شکل‌دهی میدان الکتریکی

• منشورهای همرس و ریب‌های تقسیم‌بندی شده به بابین عایق‌بندی اضافه می‌شوند، که اجازه می‌دهد پیچیدن‌های اصلی و ثانویه به صورت "گروه‌های تقسیم‌بندی شده" با یکدیگر ترکیب شوند. این عمل به طور قابل توجهی گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها و ظرفیت پارازیتی معادل را کاهش می‌دهد، که EMI منتقل شده را کاهش می‌دهد و یکنواختی توزیع ولتاژ را بهبود می‌بخشد.

• تعداد تقسیم‌ها n و تعداد لایه‌ها از طریق فرمول‌های تحلیلی یا تجربی (مثلاً n = −۱۵.۳۸·lg k₁ − ۱۸.۷۷، که k₁ حداقل مقدار نسبت ظرفیت خودی اصلی/ثانویه و ظرفیت متقابل است) تعیین می‌شود، که توازن بهینه بین حجم، القای نشتی و ظرفیت پارازیتی را به دست می‌آورد - ایده‌آل برای عملکرد با توان بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا.

۱.۴ پیچیدن‌های مرکب و خنک‌سازی آبی یکپارچه

• هسته به دو منطقه پیچیدن تقسیم می‌شود. رویکرد پیچیدن مرکب استفاده می‌شود: پیچیدن مرکب اول (مثلاً اصلی) از لایه‌های داخلی به خارجی با ذخیره‌سازی سیم‌های خروجی پیچیده می‌شود؛ سپس در منطقه دوم، پیچیدن مرکب دوم (مثلاً ثانویه) با استفاده از سیم‌های خروجی ذخیره شده به طور معکوس پیچیده می‌شود. این عمل فاصله بین لایه‌ها را افزایش می‌دهد و بار باقی‌مانده را کاهش می‌دهد، که قابلیت اطمینان ولتاژ بالا و عمر مفید را افزایش می‌بخشد.

• شکاف‌های تخفیف در دیواره خارجی هسته برای یکپارچه‌سازی کانال‌های خنک‌سازی آبی بدون تماس تراشیده می‌شوند، که عملکرد حرارتی را بهبود می‌بخشد بدون اینکه خطر آسیب مکانیکی در مونتاژ را ایجاد کند. عایق‌بندی مرکب از لاminent‌های PI/PTFE در یک ساختار پله‌ای تنظیم می‌شود تا فاصله کریپاژ کافی و پرکردن پوشش داده شده با کیفیت بالا را تضمین کند.

۱.۵ تکنیک‌های پیچیدن نوآورانه و مسیرهای کنترل زیان

تکنولوژی پیچیدن PDQB (پل چهارگانه تفاضلی توان) معرفی می‌شود: از طریق توپولوژی و طرح پیچیدن بهینه، اثرات پوستی و نزدیکی - و بنابراین زیان‌های فرکانس بالا - به طور قابل توجهی کاهش می‌یابند. این عمل کارایی جفت‌سازی >۹۹.۵٪ در موارد گزارش شده، همراه با قابلیت عایق‌بندی ۱۰ کیلوولت، القای نشتی قابل کنترل و ظرفیت پخش شده پایین - این تکنولوژی برای کاربردهای ولتاژ بالا و فرکانس بالا با توان ۳۰-۴۰۰ کیلووات و فرکانس ۴-۵۰ کیلوهرتز مناسب است.

۲. ساختارهای پیچیدن معمولی برای ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با ولتاژ ۱۰ کیلوولت

۲.۱ ساختارهای پیچیدن پایه و سناریوهای کاربرد

• استوانه‌ای چند لایه: فرآیند تولید پیشرفته؛ راحت برای قرار دادن عایق‌بندی بین لایه‌ها و کانال‌های خنک‌سازی؛ مناسب برای پیچیدن‌های پیوسته ولتاژ متوسط تا بالا.

• لایه‌ای چند بخشی: چند بخش محوری با حلقه‌های کاغذ عایق‌بندی جدا شده؛ به طور موثر گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها و تمرکز میدان را کاهش می‌دهد؛ معمولاً در پیچیدن‌های ولتاژ بالا برای کاهش تخلیه جزئی استفاده می‌شود.

• پیوسته (نوع دیسک): از چند بخش دیسکی به صورت محوری تراشیده شده؛ مقاومت مکانیکی و عملکرد حرارتی خوبی دارد؛ مناسب برای کاربردهای توان بالا/ولتاژ بالاتر.

• دو دیسکی: دو دیسک در هر گروه، به صورت سری/موازی متصل می‌شوند؛ ایده‌آل برای پیچیدن‌های ولتاژ بالا با جریان بالا یا کاربردهای خاص.

• مارپیچی: مارپیچ تک/دوقطبی/چهارقطبی؛ ساختار ساده؛ مناسب برای پیچیدن‌های ولتاژ پایین با جریان بالا یا پیچیدن‌های تغییر دهنده تاپ‌درحال-بار؛ محدودیت در تعداد دور.

• نوار آلومینیوم استوانه‌ای: یک دور در هر لایه با استفاده از نوار آلومینیوم؛ کاربرد بالا در فضای محدود و دوستانه برای خودکارسازی؛ مناسب برای پیچیده‌های HV کوچک تا متوسط.

این ساختارهای استاندارد پیچیده HV در ترانسفورماتورهای قدرت هستند و غالباً برای ترانسفورماتورهای فرکانس بالا ۱۰ kV بهبود یافته یا تطبیق داده می‌شوند تا عایق بندی و عملکرد حرارتی را افزایش دهند.

۲.۲ گسترش‌ها و فرآیندهای معمول برای کاربردهای فرکانس بالا با ولتاژ بالا

• ترتیب استوانه‌ای هم‌مرکز (لایه‌ای): پیچیده HV در داخل، LV در خارج (یا برعکس)؛ طراحی چند لایه با عایق بندی بین لایه‌ها برای توزیع اختلافات بالقوه بالا؛ ممکن است از طرح تقسیم‌بندی شده برای بهینه‌سازی توزیع میدان الکتریکی و عملکرد PD استفاده شود.

• تقسیم‌بندی و آمیخته‌سازی: پیچیده HV به چند پیچه تقسیم شده و به صورت پرتکه/تقسیم‌بندی شده تنظیم می‌شود تا گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها و ظرفیت پارازیتی را کاهش دهد، EMI منتقل شده را کاهش دهد و یکنواختی ولتاژ را بهبود بخشد.

• پوشش فارادی و الکترواستاتیک: نوار مس یا لایه‌های رسانا بین اصلی/ثانویه یا دور پیچیده‌ها قرار داده می‌شود، در یک نقطه زمین شده تا ظرفیت مشترک و نویز جفت‌شده را کاهش دهد؛ پوشش باید با عرض پیچیده مطابقت داشته باشد و لبه‌های تیزی که می‌توانند عایق بندی را سوراخ کنند را اجتناب کند.

• بهینه‌سازی هادی و چگالی جریان: سیم Litz، هادی‌های متشکل یا نوار مس برای ثانویه‌های HV/جریان بالا ترجیح داده می‌شود تا اثرات پوستی/نزدیکی را کاهش دهد، مقاومت AC (Rac) و ضرر مس را کاهش دهد؛ چگالی جریان (J) و افزایش دما در حدود پنجره و محدوده‌های ایمنی کنترل می‌شوند.

• طراحی عایق بندی و لغزش: استفاده از موانع، حاشیه‌های انتهایی، پایانه‌های پوشیده شده و عایق بندی ترکیبی بین لایه‌ها/پیچیده‌ها؛ فاصله لغزش و شکاف بر اساس درجه آلودگی و کلاس ولتاژ طراحی می‌شود؛ ترکیبی شدن تحت فشار و ریخته‌گری ممکن است برای افزایش مقاومت دی‌الکتریک و هدایت حرارتی اعمال شود.

این ملاحظات طرح و فرآیند به طور محکم با تعادل سطح عایق بندی، پارامترهای پارازیتی و نرخ توان مرتبط است—کلیدی برای دستیابی به عایق بندی قابل اعتماد ۱۰ kV در عمل مهندسی.

۲.۳ روش‌های اجرایی برای خروجی ثانویه با ولتاژ بالا (وابسته به ساختار پیچیده)

• مستطیل‌سازی مضاعف: مستطیل‌سازی چند مرحله‌ای در سمت مستطیل‌سازی به طور قابل توجهی تنش ولتاژ و ظرفیت پارازیتی هر مرحله پیچیده را کاهش می‌دهد، طراحی عایق بندی را آسان می‌کند. با این حال، حساس به ترانزیت‌های بار/کوتاه شدن و معرض جریان‌های سریع است. در عمل، معمولاً از حداکثر دو مرحله استفاده می‌شود که نیازمند استراتژی‌های محدود کننده جریان و محافظت است.

• ترکیب سری/موازی: ثانویه به چند بسته پیچه تقسیم می‌شود که در داخل یا پس از مستطیل‌سازی به صورت سری/موازی متصل می‌شوند تا ولتاژ/توان مورد نظر را به دست آورند. تمام بسته‌ها از همان مدار مغناطیسی بهره می‌برند، طراحی ماژولار و تعادل ولتاژ را تسهیل می‌کنند—ایده‌آل برای خروجی با توان بالا.

هر دو روش نیازمند طراحی یکپارچه با تقسیم‌بندی پیچیده، پوشش و پنجره‌های عایق بندی برای تعادل تنش ولتاژ، کارایی، EMI و عملکرد حرارتی هستند.

۲.۴ رهنمودهای انتخاب ساختار (مرجع سریع مهندسی)

• اولویت دادن به یکنواختی میدان الکتریکی و کنترل PD: ترجیح به پیچیده‌های HV تقسیم‌بندی شده یا مداوم (نوع دیسک)، با پوشش فارادی، حاشیه‌های انتهایی و موانع؛ ترکیبی شدن تحت فشار و ریخته‌گری در صورت لزوم توصیه می‌شود.

• اولویت دادن به جریان بالا و کم‌ترین ضرر مس: استفاده از سیم Litz یا نوار مس برای ثانویه؛ استفاده از پیچیده‌های آمیخته یا ساندویچ در داخل برای کاهش القای نشتی و Rac؛ تقویت پوشش و عایق بندی خارجی.

• اولویت دادن به مونتاژ و نگهداری: اتخاذ بسته‌های پیچه ثانویه ماژولار با اتصالات سری/موازی برای تعادل ساده ولتاژ، تست و جدا کردن خطا؛ انتخاب مستطیل‌سازی مضاعف (≤2 مرحله) یا ترکیب سری/موازی در سمت مستطیل‌سازی بر اساس نیازهای توان و ترانزیت.