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 جزئاً رزین‌پوش

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

• فقط پیچیده ولتاژ بالا (یا اولیه) به طور کامل با رزین اپوکسی پوشانده می‌شود. یک برگ PTFE بین اولیه و هسته/ثانویه قرار داده می‌شود تا عایق‌بندی قابل اطمینان را تضمین کند. سطح ثانویه با کاغذ یا نوار عایق‌بندی پوشانده می‌شود.

• با حفظ کانال‌های تهویه (فضا بین پیچیده‌ها و بین پیچیده‌های ثانویه روی پاهای چپ و راست) و فضاهای بین هسته‌های مغناطیسی، این طراحی به طور قابل توجهی تبدیل حرارتی را بهبود می‌بخشد در حالی که وزن و هزینه را کاهش می‌دهد، همه این‌ها در حالی که مقاومت الکتریکی را حفظ می‌کند—که آن را برای کاربردهای عایق‌بندی ≥۱۰ کیلوولت مناسب می‌کند.

۱.۲ طراحی ماژولی و پوشش میدان الکتریکی با سیم لیتز زمین‌دار

• ماژول‌های پیچیده ولتاژ بالا و پایین به طور جداگانه رزین‌پوش شده و سپس روی واحد هسته نصب می‌شوند. فضاهای هوایی بین ماژول‌ها برای تسهیل مونتاژ و خنک‌سازی حفظ می‌شوند و در صورت خرابی، ماژول‌های خراب به طور جداگانه قابل تعویض هستند، که نگهداری را افزایش می‌دهد.

• لایه‌های پوشش میدان الکتریکی مبتنی بر سیم لیتز زمین‌دار در داخل و خارج پیچیده ولتاژ بالا معرفی می‌شوند. این میدان الکتریکی فرکانس بالا را به طور اصلی در منطقه رزین‌پوش با مقاومت الکتریکی بالا محدود می‌کند، که به طور قابل توجهی خطر تخلیه جزئی (PD) را بدون نیاز به فاصله‌گذاری بیش از حد فقط برای سرکوب میدان الکتریکی کاهش می‌دهد.

• لایه پوششی سیم لیتز می‌تواند با زمین‌کردن تک نقطه در مدار باز باقی بماند، که شکل‌دهی میدان الکتریکی را بدون ایجاد زیان‌های چرخه‌ای قابل توجه انجام می‌دهد. کانال‌های تهویه بین پیچیده‌ها و هسته حفظ می‌شوند، که خنک‌سازی نیمه‌تهویه‌ای و کوچک‌سازی را به طور همزمان امکان‌پذیر می‌کند.

۱.۳ پیچیده‌های تقسیم‌بندی‌شده و شکل‌دهی میدان الکتریکی

• مانت‌های همرس و ریب‌های تقسیم‌بندی به بابین عایق‌بندی اضافه می‌شوند، که اجازه می‌دهد پیچیده‌های اولیه و ثانویه به صورت "گروه‌های تقسیم‌بندی" درهم‌پیچ شوند. این عمل به طور قابل توجهی گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها و ظرفیت پارازیتی معادل را کاهش می‌دهد، EMI منتقله را سرکوب می‌کند و یکنواختی توزیع ولتاژ را بهبود می‌بخشد.

• تعداد بخش‌ها n و تعداد لایه‌ها از طریق فرمول‌های تحلیلی یا تجربی (مثلاً n = −۱۵.۳۸·lg k₁ − ۱۸.۷۷، که در آن k₁ کمترین مقدار بین نسبت‌های ظرفیت خودی اولیه/ثانویه و ظرفیت متقابل است) تعیین می‌شود، که یک تعادل بهینه بین حجم، القای نشتی و ظرفیت پارازیتی را ایجاد می‌کند—ایdeal برای عملکرد با توان بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا.

۱.۴ پیچیده‌های ترکیبی و خنک‌سازی آبی یکپارچه

• هسته به دو منطقه پیچیده تقسیم می‌شود. رویکرد پیچیده ترکیبی استفاده می‌شود: اولین پیچیده ترکیبی (مثلاً اولیه) از لایه‌های داخلی به خارجی پیچیده می‌شود با ذخیره‌سازی سیم‌های خروجی؛ سپس در منطقه دوم، دومین پیچیده ترکیبی (مثلاً ثانویه) با استفاده از سیم‌های خروجی ذخیره‌شده به صورت معکوس پیچیده می‌شود. این عمل فواصل 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 بیرونی هسته برای یکپارچه‌سازی کانال‌های خنک‌سازی آبی غیرتماسی تراشیده می‌شوند، که عملکرد حرارتی را بهبود می‌بخشد بدون اینکه خطر آسیب مکانیکی در مونتاژ وجود داشته باشد. عایق‌بندی ترکیبی از لاminent‌های PI/PTFE در یک تنظیم پله‌ای استفاده می‌شود تا فاصله کرپیج کافی و پرکردن رزین با کیفیت بالا را تضمین کند.

۱.۵ تکنیک‌های پیچیدن نوآورانه و مسیرهای کنترل زیان

تکنولوژی پیچیدن PDQB (پل تفاضلی چهارگانه توان) معرفی می‌شود: از طریق توپولوژی و طرح پیچیده بهینه، اثرات پوست و نزدیکی—و بنابراین زیان‌های فرکانس بالا—به طور قابل توجهی سرکوب می‌شوند. این عمل در موارد گزارش‌شده به کارایی همپوشانی >۹۹.۵٪، قابلیت عایق‌بندی ۱۰ کیلوولت، القای نشتی قابل کنترل و ظرفیت پخش‌شده کم می‌رسد—که آن را برای کاربردهای سفارشی ۳۰–۴۰۰ کیلووات، ۴–۵۰ کیلوهرتز با ولتاژ و فرکانس بالا مناسب می‌کند.

۲. ساختارهای پیچیده معمول برای ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با ولتاژ ۱۰ کیلوولت

۲.۱ پیکربندی‌های پیچیده اساسی و سناریوهای کاربرد

• استوانه‌ای چندلایه: فرآیند تولید پیشرفته؛ قابلیت قرار دادن عایق‌بندی بین لایه‌ها و کانال‌های خنک‌سازی را فراهم می‌کند؛ برای پیچیده‌های ولتاژ متوسط تا بالا مناسب است.

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

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

• دیسک دوگانه: دو دیسک در هر گروه، به صورت سری/موازی متصل می‌شوند؛ برای پیچیده‌های HV با جریان بالا یا کاربردهای خاص مناسب است.

• مارپیچ: مارپیچ تک/دوقلو/چهارگانه؛ ساختار ساده؛ برای پیچیده‌های LV با جریان بالا یا پیچیده‌های تغییر تاپ در حالت بار محدود است.

• نوار آلومینیومی استوانه‌ای: یک دور در هر لایه با استفاده از نوار آلومینیوم؛ با فضای کاربردی بالا و دوستدار خودکار؛ مناسب برای پیچش‌های HV کوچک تا متوسط.

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

۲.۲ ساختارهای پیچشی معمول و فرآیندهای آن برای کاربردهای فرکانس بالا و ولتاژ بالا

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

• تقسیم‌بندی و میان‌گیری: پیچش HV به چند سیم پیچ تقسیم شده و به صورت پله‌ای/تقسیم‌بندی شده ترتیب داده می‌شود تا گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها و ظرفیت پارازیتی را کاهش دهد، EMI منتقل شده را مهار کند و یکنواختی ولتاژ را بهبود بخشد.

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

• بهینه‌سازی هادی و چگالی جریان: سیم لیتز، هادی‌های پیچیده یا نوار مس برای ثانویه‌های HV/جریان بالا ترجیح داده می‌شود تا اثرات پوست و نزدیکی را مهار کند، مقاومت AC (Rac) و ضرر مس را کاهش دهد؛ چگالی جریان (J) و افزایش دما در محدوده و مقررات ایمنی کنترل می‌شوند.

• طراحی عایق بندی و خزنده: استفاده از موانع، حاشیه‌های انتهایی، پایانه‌های لوله‌دار و عایق بندی ترکیبی بین لایه‌ها و بین پیچش‌ها؛ فاصله خزنده و اختلاف ولتاژ طبق درجه آلودگی و کلاس ولتاژ طراحی می‌شود؛ ممکن است از ترسیب خلاء/پوتینگ برای افزایش مقاومت دی الکتریک و هدایت حرارتی استفاده شود.

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

۲.۳ روش‌های اجرایی برای خروجی ثانویه ولتاژ بالا (به طور قوی وابسته به ساختار پیچش)

• مستطیل‌بندی مضاعف: مستطیل‌بندی چند مرحله‌ای روی سمت مستطیل‌بندی به طور قابل توجهی تنش ولتاژ و ظرفیت پارازیتی هر مرحله پیچش را کاهش می‌دهد، طراحی عایق بندی را تسهیل می‌کند. با این حال، به تغییرات بار/کوتاه‌شدن حساس است و می‌تواند به جریان‌های پرش شدید. در عمل، معمولاً از حداکثر دو مرحله استفاده می‌شود، نیاز به استراتژی‌های محدودکننده جریان و محافظت.

• ترکیب سری/موازی: ثانویه به چند بسته سیم پیچ تقسیم می‌شود که داخل یا پس از مستطیل‌بندی 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 می‌کند—ایده‌آل برای خروجی توان بالا.

هر دو روش نیاز به طراحی یکپارچه با تقسیم‌بندی پیچش، پوشش و پنجره‌های عایق بندی برای تعادل تنش ولتاژ، کارایی، EMI و عملکرد حرارتی دارد.

۲.۴ رهنمودهای انتخاب ساختار (مرجع مهندسی سریع)

• اولویت دادن به یکنواختی میدان الکتریکی و کنترل PD: ترجیح دادن پیچش‌های HV تقسیم‌بندی شده یا پیوسته (نوع دیسک)، ترکیب با پوشش فارادی، حاشیه‌های انتهایی و موانع؛ ترسیب خلاء/پوتینگ در صورت لزوم توصیه می‌شود.

• اولویت دادن به جریان بالا و ضرر مس کم: استفاده از سیم لیتز یا نوار مس برای ثانویه؛ استفاده از پیچش‌های میان‌گیری یا ساندویچ داخلی برای کمیندی ایندکتانس نشتی و Rac؛ تقویت پوشش و عایق بندی خارجی.

• اولویت دادن به مونتاژ و نگهداری: اتخاذ بسته‌های سیم پیچ ثانویه ماژولار با اتصالات سری/موازی برای تعادل آسان ولتاژ، تست و جداسازی خطای؛ انتخاب مستطیل‌بندی مضاعف (≤۲ مرحله) یا ترکیب سری/موازی روی سمت مستطیل‌بندی بر اساس نیازهای توان و گذرا.