Estruturas de Enrolamento Innovadoras e Comúns para Transformadores de Alta Voltagem e Alta Frecuencia de 10kV

1.Estructuras innovadoras de bobinado para transformadores de alta tensión y alta frecuencia de clase 10 kV

1.1 Estructura ventilada zonada e parcialmente encapsulada

• Dúas núcleos de ferrita en forma de U son acoplados para formar unha unidade de núcleo magnético, ou incluso assemblados en módulos de núcleo en serie/serie-paralelo. As bobiñas primaria e secundaria montanse nas pernas dereitas e esquerdas do núcleo, respectivamente, co plano de acoplamento do núcleo como capa de fronteira. Os bobinados do mesmo tipo agrúpanse no mesmo lado. Preférese o fío Litz como material de bobinado para reducir as perdas de alta frecuencia.

• Só o bobinado de alta tensión (ou primario) está totalmente encapsulado con resina epoxi. Insértase unha lámida de PTFE entre o primario e o núcleo/secundario para asegurar un aillado fiable. A superficie secundaria envólvese con papel aislante ou cinta.

• Ao manter os canles de ventilación (espaços entre bobinados e entre bobinados secundarios nas pernas dereita e esquerda) e os espaços entre núcleos magnéticos, este deseño mellora significativamente a dissipación de calor mentres reduce o peso e o custo, mantendo a resistencia dieléctrica—faiendoo adecuado para aplicacións de aillamento ≥10 kV.

1.2 Deseño modular e escudo de campo eléctrico con fío Litz aterrado

• Os módulos de bobinado de alta e baixa tensión encapsúlanse separadamente e despois assemblanse na unidade de núcleo. Mantéñense espazos de aire entre módulos para facilitar o montaxe e o refrixeramento, e os módulos danados poden substituírse individualmente durante as fallos, mellorando a manutención.

• Introdúcense capas de escudo de campo eléctrico baseadas en fío Litz aterrado nos lados interior e exterior do bobinado de alta tensión. Esto confina o campo eléctrico de alta frecuencia principalmente na rexión de encapado con resina epoxi de alta resistencia dieléctrica, reducindo significativamente o risco de descarga parcial (DP) sen requiren espazos de bobinado excesivos só para a supresión do campo eléctrico.

• A capa de escudo de fío Litz pode deixarse en circuito aberto con aterramento de punto único, logrando a conformación do campo eléctrico mentres se evitan perdas significativas por correntes de Foucault. Mantéñense os canles de ventilación entre os bobinados e o núcleo, permitindo o refrixeramento semiventilado e a miniaturización simultáneamente.

1.3 Bobinado segmentado e conformación de campo eléctrico

• Añádense mangas coaxiais e costillas de segmentación á bobiña aislante, permitindo que os bobinados primario e secundario intercalem en "grupos de segmentos". Isto reduce significativamente os gradientes de tensión entre capas e a capacitancia parasitaria equivalente, suprimindo a EMI conducida e mellorando a uniformidade da distribución de tensión.

• O número de segmentos n e o número de capas determinan mediante fórmulas analíticas ou empíricas (por exemplo, n = −15.38·lg k₁ − 18.77, onde k₁ é o valor mínimo entre as razóns de capacitancia propia primaria/secundaria e capacitancia mutua), logrando un compromiso óptimo entre volume, inductancia de fuga e capacitancia parasitaria—ideal para operación de alta potencia, alta tensión e alta frecuencia.

1.4 Bobinados compósitos e refrixeramento integrado por auga

• O núcleo divide-se en dúas zonas de bobinado. Empregase un enfoque de bobinado compósito: o primeiro bobinado compósito (por exemplo, primario) bótese desde as capas interiores ata as exteriores reservando as ligazóns; despois, na segunda zona, bótese o segundo bobinado compósito (por exemplo, secundario) en sentido inverso utilizando as ligazóns reservadas. Isto expande os espazos entre capas e reduce a carga residual, mellorando a fiabilidade e a vida útil de alta tensión.

• Machéanse ranuras de alivio na parede externa do núcleo para integrar canles de refrixeramento por auga non contacto, mellorando o rendemento térmico sen arriscar danos mecánicos durante o montaxe. O aislamento compósito usa laminados de PI/PTFE dispostos en configuración escalonada para asegurar unha distancia de reptación adecuada e un encapado de alta calidade.

1.5 Novas técnicas de bobinado e vías de control de perdas

Introdúcese a tecnoloxía de bobinado PDQB (Puente Cuadratura Diferencial de Potencia): a través dunha topoloxía e disposición optimizadas de bobinado, supréñense significativamente os efectos de piel e proximidade, e, polo tanto, as perdas de alta frecuencia. Isto logra unha eficiencia de acoplamento >99.5% en casos informados, xunto coa capacidade de aillamento de 10 kV, inductancia de fuga controlable e baixa capacitancia distribuída—faiendoo adecuado para aplicacións de alta tensión e alta frecuencia personalizadas de 30–400 kW, 4–50 kHz.

2. Estructuras comúns de bobinado para transformadores de alta tensión e alta frecuencia de clase 10 kV

2.1 Configuracións básicas de bobinado e escenarios de aplicación

• Cilíndrica multi-capa: proceso de fabricación maduro; fácil de inserir aislamiento entre capas e canles de refrixeramento; adecuada para bobinados continuos de media a alta tensión.

• Multi-segmentada en capas: múltiples segmentos axiais separados por aneis de papel aislante; reduce eficazmente o gradiente de tensión entre capas e a concentración de campo; comúnmente utilizada en bobinados HV para mitigar a descarga parcial.

• Continua (tipo disco): composta por múltiples seccións de disco apiladas axialmente; ofrece boa resistencia mecánica e rendemento térmico; adecuada para aplicacións de alta capacidade/alta tensión.

• Doble disco: dous discos por grupo, conectados en serie/paralelo; ideal para bobinados HV de alta corrente ou propósitos especiais.

• Helicoidal: simple, dobre, cuádrupla hélice; estructura simple; adecuada para bobinados LV de alta corrente ou bobinados de cambio de toma sobrecarga; limitada en número de voltas.

• Folha de aluminio cilíndrica: unha volta por capa usando folha de aluminio; alta utilización do espazo e amigable coa automatización; adecuado para enroscados HV de pequeno a medio tamaño.

Estas son estruturas estándar de enroscados HV en transformadores de potencia e adoitan adaptarse ou mellorarse para transformadores de alta frecuencia de clase 10 kV para mellorar o aislamento e o rendemento térmico.

2.2 Disposicións e procesos típicos de enroscado para aplicacións de alta tensión e alta frecuencia

• Disposición cilíndrica concéntrica (en capas): enroscado HV no interior, LV no exterior (ou viceversa); deseño multicapa con aislamento intercapa para distribuír as diferenzas de potencial elevadas; pódese empregar unha disposición segmentada para optimizar a distribución do campo eléctrico e o rendemento PD.

• Segmentación e entrelazado: o enroscado HV dividido en múltiples bobinas e disposto de forma escalonada/segmentada para reducir o gradiente de tensión intercapa e a capacitancia parasita, suprimir a EMI conducida e mellorar a uniformidade da tensión.

• Escudo Faraday e escudo electrostático: folha de cobre ou capas condutoras colocadas entre primario/secundario ou arredor dos enroscados, terra en un único punto, para reducir a capacitancia de modo común e o ruido de acoplamento; o escudo debe coincidir coa anchura do enroscado e evitar bordos agudos que poden perforar o aislamento.

• Optimización do conductor e densidade de corrente: prefírese o fío Litz, conductores multihilo ou folha de cobre para secundarios de alta tensión/corrente elevada para suprimir os efectos de superficie/proximidade, reducir a resistencia AC (Rac) e a perda de cobre; a densidade de corrente (J) e o aumento de temperatura controláronse dentro dos límites da xanela e das normas de seguridade.

• Deseño de aislamento e deslizamento: uso de barreras, márgenes finais, terminais forrados e aislamento combinado intercapa/interenroscado; a distancia de deslizamento e a separación deseñáronse segundo o grao de contaminación e a clase de tensión; pódese aplicar impregnación/potting ao vacío para mellorar a resistencia dieléctrica e a conductividade térmica.

Estas consideracións de disposición e proceso están estreitamente ligadas ao equilibrio do nivel de aislamento, parámetros parasitos e calificación de potencia—clave para lograr un aislamento confiable de 10 kV na práctica de enxeñaría.

2.3 Métodos de implementación para saída secundaria de alta tensión (fortemente dependente da estrutura do enroscado)

• Rectificación multiplicadora de tensión: a duplicación de tensión en múltiples etapas no lado rectificador reduce significativamente o estrés de tensión e a capacitancia parasita por etapa de enroscado, facilitando o deseño do aislamento. No obstante, é sensible a transitorios/cortocircuitos de carga e propenso a correntes de sobretensión. Na práctica, non se usan habitualmente máis de dúas etapas, requirindo estratexias de limitación de corrente e protección.

• Combinación en serie/paralelo: o secundario divide-se en múltiples paquetes de bobinas, que se conectan internamente ou posrectificador en serie/paralelo para lograr a tensión/potencia desexada. Todos os paquetes comparten o mesmo circuito magnético, facilitando o deseño modular e o equilibrio de tensión—ideal para saída de alta potencia.

Ambos métodos requiren un deseño integrado con segmentación de enroscado, escudos e ventanas de aislamento para equilibrar o estrés de tensión, a eficiencia, a EMI e o rendemento térmico.

2.4 Directrices de selección estrutural (referencia rápida de enxeñaría)

• Priorizando a uniformidade do campo eléctrico e o control PD: prefírese enroscados HV segmentados ou continuos (tipo disco), combinados con escudo Faraday, márgenes finais e barreras; recomendase a impregnación/potting ao vacío cando sexa necesario.

• Priorizando corrente elevada e baixa perda de cobre: usar fío Litz ou folha de cobre para secundário; empregar enroscado entrelazado ou tipo sándwich internamente para minimizar a inductancia de fuga e Rac; reforzar o escudo externo e o aislamento.

• Priorizando a montaxe e a manutención: adoptar paquetes modulares de bobinas secundarias con conexións en serie/paralelo para facilitar o equilibrio de tensión, as probas e a isolación de fallos; seleccionar rectificación multiplicadora de tensión (≤2 etapas) ou combinación en serie/paralelo no lado rectificador baseándose nos requisitos de potencia e transitorios.