नवीन और सामान्य वाइंडिंग संरचनाएँ 10kV उच्च-वोल्टता उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर के लिए

1. उच्च-वोल्टेज उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर के लिए 10 kV वर्ग की नवीन वाइंडिंग संरचनाएँ

1.1 जोन और आंशिक रूप से पोट्ड वेंटिलेटेड संरचना

• दो U-आकार के फेराइट कोर को एक मैग्नेटिक कोर यूनिट बनाने के लिए जोड़ा जाता है, या श्रृंखला/श्रृंखला-समानांतर कोर मॉड्यूलों में आगे असेंबल किया जाता है। प्राथमिक और द्वितीयक बॉबिन क्रमशः कोर के बाएँ और दाएँ सीधे पैरों पर स्थापित किए जाते हैं, जहाँ कोर मेटिंग प्लेन एक सीमा परत के रूप में कार्य करता है। एक ही प्रकार की वाइंडिंग को एक ही तरफ ग्रुप किया जाता है। उच्च-आवृत्ति नुकसान को कम करने के लिए लिट्ज वायर वाइंडिंग सामग्री का प्राथमिक रूप से उपयोग किया जाता है।

• केवल उच्च-वोल्टेज वाइंडिंग (या प्राथमिक) को एपोक्सी रेजिन के साथ पूरी तरह से पोट्ड किया जाता है। प्राथमिक और कोर/द्वितीयक के बीच एक PTFE शीट डाला जाता है ताकि विश्वसनीय इन्सुलेशन सुनिश्चित किया जा सके। द्वितीयक सतह को इन्सुलेटिंग पेपर या टेप से लपेटा जाता है।

• वाइंडिंग और बाएँ और दाएँ पैरों पर द्वितीयक वाइंडिंग के बीच वेंटिलेशन चैनलों (अंतर) और चुंबकीय कोरों के बीच अंतर बनाए रखकर, यह डिजाइन ताप विसर्जन में महत्वपूर्ण सुधार करता है, जबकि वजन और लागत को कम करता है, साथ ही डाइएलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ को बनाए रखता है—इसे ≥10 kV अलगाव अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।

1.2 मॉड्यूलर डिजाइन और ग्राउंडेड लिट्ज वायर इलेक्ट्रिक फील्ड शील्डिंग

• उच्च-वोल्टेज और निम्न-वोल्टेज वाइंडिंग मॉड्यूलों को अलग-अलग पोट्ड किया जाता है और फिर कोर यूनिट पर असेंबल किया जाता है। मॉड्यूलों के बीच एयर गैप बनाए रखे जाते हैं ताकि असेंबली और शीतलन में सुविधा हो, और दोषों के दौरान नुकसान पहुँचे हुए मॉड्यूलों को व्यक्तिगत रूप से बदला जा सके, जिससे रखरखाव में सुधार होता है।

• उच्च-वोल्टेज वाइंडिंग के आंतरिक और बाहरी दोनों तरफ ग्राउंडेड लिट्ज वायर-आधारित इलेक्ट्रिक फील्ड शील्डिंग परतें पेश की जाती हैं। यह उच्च-आवृत्ति इलेक्ट्रिक फील्ड को मुख्य रूप से उच्च-डाइएलेक्ट्रिक-स्ट्रेंथ एपोक्सी-पोट्ड क्षेत्र के भीतर सीमित करता है, जिससे आंशिक डिसचार्ज (PD) का जोखिम महत्वपूर्ण रूप से कम हो जाता है, बिना इलेक्ट्रिक फील्ड दमन के लिए वाइंडिंग स्पेसिंग को अतिरिक्त रूप से बढ़ाने की आवश्यकता के बिना।

• लिट्ज वायर शील्डिंग परत को एक-बिंदु ग्राउंडिंग के साथ ओपन-सर्किट छोड़ा जा सकता है, जिससे इलेक्ट्रिक फील्ड शेपिंग होती है और बड़े एडी वायर नुकसान से बचा जा सकता है। वाइंडिंग और कोर के बीच वेंटिलेशन चैनल बनाए रखे जाते हैं, जिससे अर्ध-वेंटिलेटेड शीतलन और छोटा आकार साथ ही संभव होता है।

1.3 खंडित वाइंडिंग और इलेक्ट्रिक फील्ड शेपिंग

• इन्सुलेटिंग बॉबिन में कोअक्सियल स्लीव और खंडित रिब जोड़े जाते हैं, जिससे प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग को "खंड समूहों" में एक साथ लगाया जा सकता है। यह लेयर-से-लेयर वोल्टेज ग्रेडिएंट और समकक्ष परजीवी क्षमता को महत्वपूर्ण रूप से कम करता है, जिससे व्याप्त EMI दमन होता है और वोल्टेज वितरण एकसमानता में सुधार होता है।

• खंडों की संख्या n और लेयर की संख्या विश्लेषणात्मक या अनुभवजन्य सूत्रों (जैसे, n = −15.38·lg k₁ − 18.77, जहाँ k₁ प्राथमिक/द्वितीयक स्व-क्षमता और पारस्परिक क्षमता अनुपातों में न्यूनतम मान है) के माध्यम से निर्धारित की जाती है, जिससे आयतन, लीकेज इंडक्टेंस और परजीवी क्षमता के बीच एक इष्टतम बार-बार उपयोग किया जाता है—उच्च शक्ति, उच्च-वोल्टेज, उच्च-आवृत्ति संचालन के लिए आदर्श।

1.4 संयुक्त वाइंडिंग और एकीकृत जल शीतलन

• कोर को दो वाइंडिंग जोनों में विभाजित किया जाता है। संयुक्त वाइंडिंग दृष्टिकोण का उपयोग किया जाता है: पहली संयुक्त वाइंडिंग (उदाहरण के लिए, प्राथमिक) अंतर्दिशा से बाहरी लेयर तक वाइंड की जाती है, लीड्स आरक्षित किए जाते हैं; फिर, दूसरे जोन में, दूसरी संयुक्त वाइंडिंग (उदाहरण के लिए, द्वितीयक) आरक्षित लीड्स का उपयोग करके विपरीत दिशा में वाइंड की जाती है। यह लेयर-से-लेयर अंतर को बढ़ाता है और अवशिष्ट चार्ज को कम करता है, जिससे उच्च-वोल्टेज की विश्वसनीयता और लंबाई में सुधार होता है।

• बाहरी कोर दीवार पर राहत स्लॉट मशीनी रूप से बनाए जाते हैं ताकि नॉन-कंटैक्ट जल-शीतलन चैनलों को एकीकृत किया जा सके, जिससे थर्मल प्रदर्शन में सुधार होता है, बिना असेंबली के दौरान मैकेनिकल नुकसान के खतरे के बिना। संयुक्त इन्सुलेशन PI/PTFE लैमिनेट्स का उपयोग करके स्टेप्ड व्यवस्था में किया जाता है ताकि पर्याप्त क्रीपेज दूरी और उच्च-गुणवत्ता का पोट्टिंग फिल निश्चित किया जा सके।

1.5 नवीन वाइंडिंग तकनीकें और नुकसान नियंत्रण मार्ग

PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) वाइंडिंग तकनीक पेश की गई है: विश्लेषित वाइंडिंग टोपोलॉजी और लेआउट के माध्यम से, स्किन और प्रोक्सिमिटी प्रभाव—और इस प्रकार उच्च-आवृत्ति नुकसान—को महत्वपूर्ण रूप से दबाया जाता है। रिपोर्ट किए गए मामलों में >99.5% की कप्लिंग दक्षता, 10 kV अलगाव क्षमता, नियंत्रित लीकेज इंडक्टेंस और निम्न वितरित क्षमता—30–400 kW, 4–50 kHz उच्च-वोल्टेज उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित किया जाने वाला बनाता है।

2. 10 kV वर्ग के उच्च-वोल्टेज उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर के लिए सामान्य वाइंडिंग संरचनाएँ

2.1 मूल वाइंडिंग विन्यास और अनुप्रयोग परिदृश्य

• बहु-लेयर सिलिंड्रिकल: परिपक्व विनिर्माण प्रक्रिया; लेयर-से-लेयर इन्सुलेशन और शीतलन चैनल डालना आसान; मध्यम-उच्च वोल्टेज के लिए लगातार वाइंडिंग के लिए उपयुक्त।

• बहु-खंडित लेयर: अक्षीय खंड जो इन्सुलेटिंग पेपर रिंगों द्वारा अलग किए गए हैं; लेयर-से-लेयर वोल्टेज ग्रेडिएंट और क्षेत्र संकेंद्रण को प्रभावी रूप से कम करता है; आंशिक डिसचार्ज को रोकने के लिए HV वाइंडिंग में आमतौर पर उपयोग किया जाता है।

• लगातार (डिस्क-टाइप): अक्षीय रूप से ढेर लगाए गए बहु-डिस्क खंडों से बना; अच्छी यांत्रिक शक्ति और थर्मल प्रदर्शन प्रदान करता है; उच्च-क्षमता/उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त।

• डबल-डिस्क: प्रत्येक समूह में दो डिस्क, श्रृंखला/समानांतर में जोड़े गए; उच्च-करंट या विशेष-उद्देश्य HV वाइंडिंग के लिए आदर्श।

• हेलिकल: एकल/द्विगुण/चतुर्गुण हेलिक्स; सरल संरचना; उच्च-करंट LV वाइंडिंग या लोड-पर-टैप-चेंजिंग वाइंडिंग के लिए उपयुक्त; टर्न काउंट में सीमित।

• एल्युमिनियम फ़ोइल सिलेंड्रिकल: प्रत्येक परत के लिए एक चक्कर एल्युमिनियम फ़ोइल का उपयोग करके; उच्च स्थान उपयोग और स्वचालन-अनुकूल; छोटे से मध्यम एचवी वाइंडिंग के लिए उपयुक्त।

ये पावर ट्रांसफॉर्मर में मानक एचवी वाइंडिंग संरचनाएं हैं और अक्सर 10 किलोवोल्ट-वर्ग के उच्च-वोल्टेज उच्च-आवृत्ति ट्रांसफॉर्मरों के लिए आइसोलेशन और थर्मल प्रदर्शन में सुधार के लिए अनुकूलित या सुधार किए जाते हैं।

2.2 उच्च-वोल्टेज उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए आम वाइंडिंग लेआउट और प्रक्रियाएं

• संकेंद्रित सिलेंड्रिकल (परतबद्ध) व्यवस्था: भीतरी एचवी वाइंडिंग, बाहरी एलवी (या इसके विपरीत); बहु-परत डिजाइन जिसमें परतों के बीच आइसोलेशन उच्च वोल्टेज अंतरों को वितरित करने के लिए; विद्युत क्षेत्र वितरण और PD प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए विभाजित लेआउट का उपयोग किया जा सकता है।

• विभाजन और इंटरलीविंग: एचवी वाइंडिंग को एक से अधिक कोइलों में विभाजित किया जाता है और लगातार/विभाजित ढंग से व्यवस्थित किया जाता है ताकि परतों के बीच वोल्टेज ग्रेडिएंट और पारजीवी क्षमता को कम किया जा सके, चालित EMI को दबाया जा सके, और वोल्टेज एकसमानता में सुधार किया जा सके।

• फाराडे और विद्युत स्टैटिक शील्डिंग: प्राथमिक/द्वितीयक या वाइंडिंग के बीच तांबे की फ़ोइल या चालक परतों को एक बिंदु पर ग्राउंड किया जाता है, सामान्य-मोड क्षमता और कप्लिंग शोर को कम करने के लिए; शील्डिंग को वाइंडिंग की चौड़ाई के अनुरूप और आइसोलेशन को छेदने वाले तेज किनारों से बचना चाहिए।

• चालक और विद्युत घनत्व का अनुकूलन: एचवी/उच्च-करंट द्वितीयक के लिए लिट्ज वायर, तारी चालक, या तांबे की फ़ोइल पसंद की जाती है ताकि स्किन/प्रोक्सिमिटी प्रभावों को दबाया जा सके, AC प्रतिरोध (Rac) और तांबे की हानि को कम किया जा सके; विद्युत घनत्व (J) और ताप वृद्धि को विंडो और सुरक्षा नियमों की सीमाओं के भीतर नियंत्रित किया जाता है।

• आइसोलेशन और क्रीपेज डिजाइन: बाधाओं, अंतिम मार्जिन, स्लीव्ड टर्मिनल, और संयुक्त इंटर-परत/इंटर-वाइंडिंग आइसोलेशन का उपयोग; क्रीपेज दूरी और क्लियरेंस को प्रदूषण डिग्री और वोल्टेज वर्ग के अनुसार डिजाइन किया जाता है; वैक्यूम इम्प्रेग्नेशन/पोटिंग का उपयोग दीवारी शक्ति और थर्मल चालकता में सुधार के लिए किया जा सकता है।

ये लेआउट और प्रक्रिया के मामले आइसोलेशन स्तर, पारजीवी पैरामीटर्स, और पावर रेटिंग के संतुलन के निकट हैं—इंजीनियरिंग अभ्यास में 10 किलोवोल्ट आइसोलेशन प्राप्त करने की कुंजी हैं।

2.3 उच्च-वोल्टेज द्वितीयक आउटपुट के लिए लागू करने की विधियाँ (वाइंडिंग संरचना पर अधिकाधिक निर्भर)

• वोल्टेज गुणक रेक्टिफिकेशन: रेक्टिफायर पक्ष पर बहु-चरणीय वोल्टेज डबलिंग वोल्टेज तनाव और पारजीवी क्षमता को प्रत्येक वाइंडिंग चरण पर काफी कम करता है, आइसोलेशन डिजाइन को आसान बनाता है। हालांकि, यह लोड ट्रांसिएंट/शॉर्ट सर्किट के प्रति संवेदनशील होता है और अचानक आने वाले विद्युत धारा के प्रति प्रवृत्त होता है। वास्तविक अभ्यास में, आमतौर पर दो से अधिक चरणों का उपयोग नहीं किया जाता है, जिसके लिए धारा-सीमित और सुरक्षा रणनीतियों की आवश्यकता होती है।

• श्रृंखला/समानांतर संयोजन: द्वितीयक को एक से अधिक कोइल पैक में विभाजित किया जाता है, जिन्हें आंतरिक या रेक्टिफायर के बाद श्रृंखला/समानांतर में जोड़ा जाता है ताकि वांछित वोल्टेज/पावर प्राप्त किया जा सके। सभी पैक समान चुंबकीय परिपथ साझा करते हैं, मॉड्यूलर डिजाइन और वोल्टेज वितरण को सुगम बनाते हैं—उच्च-पावर आउटपुट के लिए आदर्श है।

दोनों विधियों के लिए वाइंडिंग विभाजन, शील्डिंग, और आइसोलेशन विंडो के साथ संयुक्त डिजाइन की आवश्यकता होती है ताकि वोल्टेज तनाव, दक्षता, EMI, और थर्मल प्रदर्शन का संतुलन बना रहे।

2.4 संरचनात्मक चयन दिशानिर्देश (त्वरित इंजीनियरिंग संदर्भ)

• विद्युत क्षेत्र की एकसमानता और PD नियंत्रण को प्राथमिकता देना: विभाजित या निरंतर (डिस्क-प्रकार) एचवी वाइंडिंग, फाराडे शील्डिंग, अंतिम मार्जिन, और बाधाओं के साथ; जब आवश्यक हो, तो वैक्यूम इम्प्रेग्नेशन/पोटिंग की सिफारिश की जाती है।

• उच्च विद्युत धारा और कम तांबे की हानि को प्राथमिकता देना: द्वितीयक के लिए लिट्ज वायर या तांबे की फ़ोइल का उपयोग करें; लीकेज इंडक्टेंस और Rac को न्यूनतम करने के लिए आंतरिक रूप से इंटरलीव्ड या सैंडविच वाइंडिंग का उपयोग करें; बाहरी शील्डिंग और आइसोलेशन को मजबूत करें।

• संयोजन और रखरखाव को प्राथमिकता देना: वोल्टेज वितरण, परीक्षण, और दोष अलगाव के लिए आसानी के लिए श्रृंखला/समानांतर कनेक्शन के साथ मॉड्यूलर द्वितीयक कोइल पैक को अपनाएं; वोल्टेज गुणक रेक्टिफिकेशन (≤2 चरण) या रेक्टिफायर पक्ष पर श्रृंखला/समानांतर संयोजन का चयन पावर और ट्रांसिएंट आवश्यकताओं के आधार पर किया जाए।