Structures de bobinage innovantes et courantes pour les transformateurs haute tension à haute fréquence de 10 kV
1.Structures de bobinage innovantes pour les transformateurs haute tension à haute fréquence de classe 10 kV
1.1 Structure ventilée en zones et partiellement moulée
Deux noyaux ferrites en forme de U sont assemblés pour former une unité de noyau magnétique, ou encore assemblés en modules de noyaux en série/parallèle. Les bobines primaire et secondaire sont montées sur les pattes droite et gauche du noyau, respectivement, avec le plan de jonction du noyau servant de couche de délimitation. Les bobinages de même type sont regroupés du même côté. Le fil Litz est préféré comme matériau de bobinage pour réduire les pertes à haute fréquence.
Seul le bobinage haute tension (ou primaire) est entièrement moulé avec de la résine époxy. Une feuille de PTFE est insérée entre le primaire et le noyau/secondaire pour assurer une isolation fiable. La surface secondaire est enveloppée de papier isolant ou de ruban.
En conservant des canaux de ventilation (espaces entre les bobinages et entre les bobinages secondaires des pattes droite et gauche) et des espaces entre les noyaux magnétiques, cette conception améliore considérablement la dissipation thermique tout en réduisant le poids et le coût, tout en maintenant la résistance diélectrique - ce qui la rend adaptée aux applications d'isolement ≥10 kV.
1.2 Conception modulaire et blindage électrique du champ électrique par fil Litz mis à la terre
Les modules de bobinage haute et basse tension sont moulés séparément puis assemblés sur l'unité de noyau. Des espaces d'air sont maintenus entre les modules pour faciliter l'assemblage et le refroidissement, et les modules endommagés peuvent être remplacés individuellement en cas de panne, améliorant ainsi la maintenance.
Des couches de blindage électrique basées sur du fil Litz mis à la terre sont introduites à l'intérieur et à l'extérieur du bobinage haute tension. Cela confine principalement le champ électrique à haute fréquence dans la région moulée avec de la résine époxy à haute résistance diélectrique, réduisant considérablement le risque de décharge partielle (DP) sans nécessiter un espacement excessif des bobinages uniquement pour la suppression du champ électrique.
La couche de blindage en fil Litz peut être laissée en circuit ouvert avec un point de mise à la terre unique, permettant de façonner le champ électrique tout en évitant des pertes de courants de Foucault significatives. Les canaux de ventilation sont préservés entre les bobinages et le noyau, permettant un refroidissement semi-ventilé et une miniaturisation simultanée.
1.3 Bobinage segmenté et façonnage du champ électrique
Des manchons coaxiaux et des nervures de segmentation sont ajoutés à la bobine isolante, permettant aux bobinages primaire et secondaire d'être intercalés en "groupes de segments". Cela réduit considérablement les gradients de tension inter-couches et la capacité parasite équivalente, supprimant l'EMI conduite et améliorant l'uniformité de la distribution de la tension.
Le nombre de segments n et le nombre de couches sont déterminés par des formules analytiques ou empiriques (par exemple, n = −15,38·lg k₁ − 18,77, où k₁ est la valeur minimale parmi les rapports de capacité propre primaire/secondaire et de capacité mutuelle), atteignant un compromis optimal entre volume, inductance de fuite et capacité parasite - idéal pour les opérations à haute puissance, haute tension et haute fréquence.
1.4 Bobinages composites et refroidissement intégré par eau
Le noyau est divisé en deux zones de bobinage. Une approche de bobinage composite est utilisée : le premier bobinage composite (par exemple, primaire) est enroulé de l'intérieur vers l'extérieur avec des sorties réservées ; ensuite, dans la deuxième zone, le deuxième bobinage composite (par exemple, secondaire) est enroulé en sens inverse en utilisant les sorties réservées. Cela augmente les espaces inter-couches et réduit la charge résiduelle, améliorant la fiabilité et la durée de vie en haute tension.
Des rainures de soulagement sont usinées sur la paroi extérieure du noyau pour intégrer des canaux de refroidissement par eau non-contact, améliorant les performances thermiques sans risquer d'endommager mécaniquement l'assemblage. L'isolation composite utilise des stratifiés PI/PTFE disposés en configuration escalier pour assurer une distance de rampe adéquate et un remplissage de moulage de haute qualité.
1.5 Nouvelles techniques de bobinage et voies de contrôle des pertes
La technologie de bobinage PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) est introduite : grâce à une topologie et un agencement optimisés des bobinages, les effets de peau et de proximité - et donc les pertes à haute fréquence - sont considérablement réduits. Cela permet d'atteindre un rendement de couplage >99,5 % dans les cas rapportés, ainsi qu'une capacité d'isolement de 10 kV, une inductance de fuite contrôlable et une faible capacité distribuée - ce qui la rend adaptée aux applications haute tension à haute fréquence personnalisées de 30 à 400 kW, 4 à 50 kHz.
2. Structures de bobinage courantes pour les transformateurs haute tension à haute fréquence de classe 10 kV
2.1 Configurations de bobinage de base et scénarios d'application
Cylindrique multi-couches : processus de fabrication mature ; facile à insérer l'isolation inter-couches et les canaux de refroidissement ; adapté aux bobinages continus moyenne à haute tension.
Multi-segment superposé : plusieurs segments axiaux séparés par des anneaux de papier isolant ; réduit efficacement le gradient de tension inter-couches et la concentration du champ ; couramment utilisé dans les bobinages HT pour atténuer la décharge partielle.
Continu (type disque) : composé de plusieurs sections de disques empilés axialement ; offre une bonne résistance mécanique et des performances thermiques ; adapté aux applications de grande capacité/tension plus élevée.
Double-disque : deux disques par groupe, connectés en série/parallèle ; idéal pour les bobinages HT à haut courant ou à usage spécial.
Hélicoïdal : simple/double/quadruple hélice ; structure simple ; adapté aux bobinages LV à haut courant ou aux bobinages à changement de pas sous charge ; limité en nombre de spires.
Feuille d'aluminium cylindrique : Un tour par couche en utilisant de la feuille d'aluminium ; haute utilisation de l'espace et convivial pour l'automatisation ; adapté aux enroulements HV de petite à moyenne taille.
Ce sont des structures d'enroulement HV standard dans les transformateurs de puissance et sont souvent adaptées ou améliorées pour les transformateurs haute fréquence de classe 10 kV afin d'améliorer l'isolation et les performances thermiques.
2.2 Dispositions typiques des enroulements et processus pour les applications haute tension haute fréquence
Disposition concentrique cylindrique (en couches) : Enroulement HV à l'intérieur, LV à l'extérieur (ou vice versa) ; conception multi-couches avec isolation inter-couches pour répartir les différences de potentiel élevées ; une disposition segmentée peut être utilisée pour optimiser la distribution du champ électrique et les performances de PD.
Segmentation et entrelacement : L'enroulement HV est divisé en plusieurs bobines et disposé de manière décalée/segmentée pour réduire le gradient de tension inter-couche et la capacité parasite, supprimer l'EMI conduite et améliorer l'uniformité de la tension.
Bouclier de Faraday et bouclier électrostatique : Des feuilles de cuivre ou des couches conductrices placées entre primaire/secondaire ou autour des enroulements, mis à la terre en un seul point, pour réduire la capacité en mode commun et le bruit de couplage ; le bouclier doit correspondre à la largeur de l'enroulement et éviter les arêtes vives qui pourraient percer l'isolation.
Optimisation du conducteur et de la densité de courant : Le fil Litz, les conducteurs tressés ou la feuille de cuivre sont préférés pour les secondaires HV/haute intensité pour supprimer les effets de peau/proximité, réduire la résistance AC (Rac) et la perte de cuivre ; la densité de courant (J) et l'augmentation de température sont contrôlées dans les limites de la fenêtre et des réglementations de sécurité.
Conception de l'isolation et de la distance de rampement : Utilisation de barrières, de marges de fin, de bornes gainées et d'isolation inter-couche/inter-enroulement combinée ; la distance de rampement et l'écartement sont conçus selon le degré de pollution et la classe de tension ; l'imprégnation sous vide/coulage peut être appliquée pour renforcer la résistance diélectrique et la conductivité thermique.
Ces considérations de disposition et de processus sont étroitement liées à l'équilibre entre le niveau d'isolation, les paramètres parasites et la puissance nominale - clés pour atteindre une isolation fiable de 10 kV en pratique ingénierie.
2.3 Méthodes de mise en œuvre pour la sortie secondaire haute tension (fortement dépendante de la structure d'enroulement)
Rectification par multiplicateur de tension : La multiplication de tension en plusieurs étages sur le côté rectifieur réduit considérablement la contrainte de tension et la capacité parasite par étape d'enroulement, facilitant la conception de l'isolation. Cependant, elle est sensible aux transitoires de charge/courts-circuits et sujette aux courants de surintensité. En pratique, on utilise généralement pas plus de deux étages, nécessitant des stratégies de limitation de courant et de protection.
Combinaison série/parallèle : Le secondaire est divisé en plusieurs paquets de bobines, qui sont connectés en série/parallèle internement ou post-rectification pour atteindre la tension/puissance souhaitée. Tous les paquets partagent le même circuit magnétique, facilitant la conception modulaire et l'équilibrage de la tension - idéal pour la sortie haute puissance.
Les deux méthodes nécessitent une conception intégrée avec la segmentation des enroulements, le blindage et les fenêtres d'isolation pour équilibrer la contrainte de tension, l'efficacité, l'EMI et les performances thermiques.
2.4 Directives de sélection structurale (référence rapide d'ingénierie)
Priorité à l'uniformité du champ électrique et au contrôle des PD : Préférez les enroulements HV segmentés ou continus (de type disque), combinés avec un blindage de Faraday, des marges de fin et des barrières ; l'imprégnation sous vide/coulage est recommandée si nécessaire.
Priorité à l'intensité élevée et à la faible perte de cuivre : Utilisez du fil Litz ou de la feuille de cuivre pour le secondaire ; utilisez un enroulement entrelacé ou en sandwich internement pour minimiser l'inductance de fuite et Rac ; renforcez le blindage externe et l'isolation.
Priorité à l'assemblage et à la maintenance : Adoptez des paquets de bobines secondaires modulaires avec des connexions en série/parallèle pour faciliter l'équilibrage de la tension, les tests et l'isolement des défauts ; sélectionnez la rectification par multiplicateur de tension (≤2 étages) ou la combinaison en série/parallèle sur le côté rectifieur en fonction des exigences de puissance et de transitoire.
