Innovatív és általános tekercs szerkezetek 10kV magasfeszültségi magasfrekvenciás transzformátorokhoz

1. Innovatív tekercs szerkezetek 10 kV-os osztályú magfeszültségű, magfrekvenciás transzformerekhez

1.1 Zónázott és részlegesen öntött szellőztetett szerkezet

• Két U alakú ferritmag csatlakoztatása egy mágneses mag egységet formál, vagy további sorban/sorben-párhuzamosan kapcsolt modulokká összeállítható. A primáris és szekunder bobbinyalakítók a mag bal és jobb egyenes lábaira helyezkednek el, ahol a mágneses mag illeszkedési síkja a határvonal. Azonos típusú tekercsek csoportosítva vannak ugyanazon az oldalon. A Litz drótkészletet használják tekercsanyagként a magfrekvenciás veszteségek csökkentése érdekében.

• Csak a magfeszültségű tekercs (vagy primáris) van teljesen öntve epoxidreszennel. PTFE lapot helyeznek a primáris és a mag/szekunder közé, hogy megbízható izolációt biztosítsanak. A szekunder felületét izoláló papírral vagy szalaggal burkolják be.

• A szellőztetési csatornák megőrzése (tekercsek közötti és a bal és jobb lábon lévő szekunder tekercsek közötti rések) és a mágneses magok közötti rések jelentősen javítják a hővezetést, miközben csökkentik a súlyt és költséget, miközben fenntartják a dielektrikus erősséget – így alkalmas ≥10 kV izolációs alkalmazásokra.

1.2 Moduláris tervezés és földezett Litz dróttal ellátott elektromos mező védelem

• A magfeszültségű és alacsony feszültségű tekercsmodulok külön-külön öntve vannak, majd a mag egységre helyezik őket. A modulok közötti levegőrések segítik az összeszerelést és a hűtést, és a hibás modulokat egyenként cserélhetik, ami javítja a karbantartást.

• Földezett Litz drótból készült elektromos mező védelmi rétegeket vezetnek be a magfeszültségű tekercs belső és külső oldalán. Ez a magas frekvenciájú elektromos mezőt elsősorban a magdielektrikus erősségű epoxidreszennel öntött régióba korlátozza, jelentősen csökkentve a parciális levezetés (PD) kockázatát, anélkül, hogy túlzott tekercs távolságot igényelne a mező elnyomásához.

• A Litz drótból készült védelmi réteget nyitott áramkörben hagyhatják, egy ponton földelve, így elektromos mező alakítást érnek el, miközben elkerülik a jelentős vízszintes áramveszteségeket. A tekercsek és a mag közötti szellőztetési csatornák megőrzése lehetővé teszi a félig szellőztetett hűtést és a miniaturizációt is.

1.3 Szegmenses tekercs és elektromos mező alakítás

• Az izoláló bobbinhoz coaxiális henger és szegmentáló gerincet adnak, amely lehetővé teszi, hogy a primáris és szekunder tekercsek „szegmentcsoportokban” vegyesen helyezkedjenek el. Ez jelentősen csökkenti a rétegek közötti feszültséggradiens és a paraszitás kapacitást, elnyomja a vezetett EMI-t, és javítja a feszültségeloszlás egyenleteségét.

• A szegmentek száma n és a rétegszám analitikus vagy empirikus képleteken keresztül határozható meg (pl., n = −15,38·lg k₁ − 18,77, ahol k₁ a primáris/szekunder saját kapacitási és kölcsönös kapacitási arányok minimuma), így optimális kompromisszumot érnek el a térfogat, a kiugró induktivitás és a paraszitás kapacitás között – ideális a nagy teljesítményű, magfeszültségű, magfrekvenciás működésre.

1.4 Kompozit tekercsek és integrált vízhűtés

• A mag két tekercs zónára osztva van. Kompozit tekercs technikát alkalmaznak: az első kompozit tekercs (pl., primáris) a belső rétegből külsőig kerítve, majd a második zónában a második kompozit tekercs (pl., szekunder) fordított irányban kerítve. Ez kiterjeszti a rétegek közötti réseket, és csökkenti a maradék töltést, javítva a magfeszültségű megbízhatóságot és élettartamot.

• Lefúrva a külső magfalra nemkapcsolódó vízhűtő csatornákat, javítva a hővezetést, anélkül, hogy mechanikai kárt okozna az összeszerelés során. A kompozit izoláció PI/PTFE lamineket lépcsős konfigurációban helyezi el, hogy megfelelő húzódási távolságot és minőségi öntött kitöltést biztosítson.

1.5 Új tekercs technikák és veszteség-ellenőrzési útvonalak

Bevezetik a PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) tekercs technológiát: optimalizált tekercs topológia és elrendezés révén jelentősen csökkentik a bőrszint és közelségi hatásokat, és ezzel a magfrekvenciás veszteségeket. Ez >99,5%-os kölcsönzeti hatékonyságot, 10 kV izolációs képességet, ellenálló kiugró induktivitást és alacsony elosztott kapacitást ér el, ami alkalmas testreszabott 30–400 kW, 4–50 kHz magfeszültségű, magfrekvenciás alkalmazásokra.

2. Gyakori tekercs szerkezetek 10 kV-os osztályú magfeszültségű, magfrekvenciás transzformerekhez

2.1 Alapvető tekercs konfigurációk és alkalmazási esetek

• Többrétegű hengeres: érett gyártási folyamat; könnyű a rétegek közötti izoláció és hűtési csatornák beillesztése; alkalmas közép- és magfeszültségű folyamatos tekercsre.

• Több szegmenses rétegzett: több axiális szegmens, izoláló papírgyűrűkkel elválasztva; hatékonyan csökkenti a rétegek közötti feszültséggradiens és a mező koncentrációt; gyakran használják a magfeszültségű tekercsekben a parciális levezetés enyhítésére.

• Folyamatos (lemezalakú): több lemez alakú szekció axiálisan raktárva; jó mechanikai erősséggel és hővezetési tulajdonságokkal rendelkezik; alkalmas nagy kapacitású/nagyobb feszültségű alkalmazásokra.

• Dupla lemez: két lemez per csoport, sorban/párhuzamosan csatlakoztatva; ideális nagy áramú vagy speciális célokra szolgáló magfeszültségű tekercsre.

• Helyes: egyetlen/kettő/négyhelyes; egyszerű szerkezet; alkalmas nagy áramú alacsony feszültségű tekercsre vagy terhelés alatt változtatható tekercsre; korlátozott tekercsfordulatszámmal rendelkezik.

• Aluminium foliás hengeres: Egy forduló rétegenként aluminiumfoliával; magas térhasználat és automatizálással kompatibilis; kisebb-méretű KV cirkulációkhoz alkalmas.

Ezek a szabványos KV cirkulációs szerkezetek energiaátalakítókban, gyakran alkalmazkodnak vagy fejlesztenek 10 kV-os osztályú magfeszültségű, magfrekvenciás transzformátorokon, hogy növeljék a izolációt és a hővezetési teljesítményt.

2.2 Tipikus cirkulációs elrendezések és folyamatok magfeszültségű, magfrekvenciás alkalmazásokhoz

• Koncentrikus hengeres (réteges) elrendezés: A KV cirkuláció belül, az alacsony feszültségű (LV) kívül (vagy fordítva); többrétegű tervezés rétegek közötti izolációval a nagy potenciális különbségek elosztására; a szegmenses elrendezés optimalizálhatja az elektromos mező eloszlását és a PD teljesítményt.

• Szegmentáció és váltakozás: A KV cirkulációt több tekercsre bontják és szakaszosan/hangolással helyezik el, hogy csökkentsék a rétegek közötti feszültség-gradiensét és a parasitikus kapacitást, csillapítsák a vezetett EMI-t, és javítsák a feszültség egyenletességét.

• Faraday-féle és elektrosztatikai védelem: Ruházat vagy vezető rétegeket helyeznek a primáris/sekundáris közé vagy a cirkuláció körül, amelyeket egy ponton kötnek a földre, hogy csökkentsék a közös módú kapacitást és a zajt; a védelemnek meg kell felelnie a cirkuláció szélességének, és elkerülnie kell a hegyes éleket, amelyek megbírhatatlanul ronthatják az izolációt.

• Vezető és áramszűrő optimalizálás: Litz drótkészletek, szálolt vezetők vagy kuporfóliák preferáltak a KV/magáramú sekundáris cirkulációkhoz, hogy csökkentsék a bőr- és közelségi hatásokat, csökkentsék az AC-ellenállást (Rac) és a kuporveszteséget; az áramszűrő (J) és a hőemelkedés a keret és a biztonsági előírások határértékein belül tartós.

• Izoláció és húzódási tervezés: Akadályok, vég margók, nyüzsgő terminálok és kombinált rétegközi/cirkulációközi izoláció használata; a húzódási távolság és a tisztítás a szennyezési fok és feszültség osztályának megfelelően tervezve van; vakuum impregnáció/potting alkalmazható, hogy növelje a dielektrikus erősséget és a hővezetési képességet.

Ezek az elrendezési és folyamati megfontolások szorosan összefüggnek az izolációs szint, a parasitikus paraméterek és a teljesítményarány kiegyensúlyozásával—kulcsfontosságú a megbízható 10 kV-os izoláció eléréséhez a mérnöki gyakorlatban.

2.3 Implementációs módszerek a magfeszültségű sekundáris kimenethez (erősen függ a cirkulációs szerkezettől)

• Feszültség-szorzó rectifikáció: Többszakaszos feszültség duplázása a rectifikátor oldalon jelentősen csökkenti a feszültség stressz és parasitikus kapacitást minden cirkulációs szakaszon, enyhítve az izolációs tervezést. Azonban érzékeny a terhelési tranzienst/rövidzárlatra és hajlamos a súlyos áramokra. Gyakorlatilag legfeljebb két szakasz használható, ami áramkorlátozó és védelmi stratégiákat igényel.

• Soros/párhuzamos kombináció: A sekundáris több tekercs-csomagra bontják, amelyeket belül vagy a rectifikáció után sorban/párhuzamosan kötnek össze, hogy elérjék a kívánt feszültséget/teljesítményt. Minden csomag ugyanazon a mágneses körben részesedik, modularitást és feszültség egyensúlyozást tesz lehetővé—ideális a nagy teljesítményű kimenethez.

Mindkét módszer integrált tervezést igényel a cirkulációs szegmentálással, védelemmel és izolációs ablakkal, hogy kiegyensúlyozza a feszültség stressz, hatékonyság, EMI és hőteljesítményt.

2.4 Szerkezeti kiválasztási iránymutatók (Gyors mérnöki referenciák)

• Elektromos mező egyenletesség és PD-irányítás előtérbe állítása: Segmenses vagy folyamatos (lemez típusú) KV cirkulációk, Faraday-védéssel, vég margókkal és akadályokkal; szükség esetén ajánlott a vakuum impregnáció/potting.

• Magas áram és alacsony kuporveszteség előtérbe állítása: Litz drótkészleteket vagy kuporfóliát használjanak a sekundáris cirkulációhoz; használjanak váltakozó vagy szendviczszerű cirkulációt belül, hogy minimalizálják a szivárgás induktanciát és Rac-ot; erősítsék a külső védést és izolációt.

• Összeállítás és karbantartás előtérbe állítása: Használjon moduláris sekundáris tekercs-csomagokat soros/párhuzamos kapcsolatokkal, könnyű feszültség egyensúlyozáshoz, teszteléshez és hibaizolációhoz; válasszon feszültség-szorzó rectifikációt (≤2 szakasz) vagy soros/párhuzamos kombinációt a rectifikátor oldalán a teljesítmény és tranzienst igényeinek megfelelően.