Strutture avvolgimenti innovative e comuni per trasformatori ad alta tensione e alta frequenza da 10kV

1.Strutture di avvolgimento innovative per trasformatori ad alta tensione e alta frequenza di classe 10 kV

1.1 Struttura ventilata parzialmente pottata e suddivisa in zone

• Due nuclei ferriti a U vengono accoppiati per formare un'unità di nucleo magnetico, o ulteriormente assemblati in moduli di nucleo in serie/parallelo. Le bobine primarie e secondarie sono montate sulle gambe dritte del nucleo, a sinistra e a destra rispettivamente, con il piano di accoppiamento del nucleo che serve come strato di confine. Gli avvolgimenti dello stesso tipo sono raggruppati sullo stesso lato. Il filo Litz è preferito come materiale di avvolgimento per ridurre le perdite ad alta frequenza.

• Solo l'avvolgimento ad alta tensione (o primario) è completamente pottato con resina epossidica. Una lamina di PTFE viene inserita tra il primario e il nucleo/secondario per garantire un'isolazione affidabile. La superficie secondaria è avvolta con carta o nastro isolante.

• Mantenendo canali di ventilazione (spazi tra gli avvolgimenti e tra gli avvolgimenti secondari sulle gambe sinistra e destra) e spazi tra i nuclei magnetici, questa progettazione migliora significativamente la dissipazione del calore, riduce il peso e il costo, mantenendo la resistenza dielettrica - rendendola adatta per applicazioni di isolamento ≥10 kV.

1.2 Progettazione modulare e schermatura del campo elettrico con filo Litz a terra

• I moduli di avvolgimento ad alta e bassa tensione vengono pottati separatamente e poi assemblati sull'unità del nucleo. Vengono mantenuti spazi d'aria tra i moduli per facilitare l'assemblaggio e il raffreddamento, e i moduli danneggiati possono essere sostituiti individualmente in caso di guasti, migliorando la manutenibilità.

• Sono introdotti strati di schermatura del campo elettrico basati su filo Litz a terra su entrambi i lati interni e esterni dell'avvolgimento ad alta tensione. Questo confina il campo elettrico ad alta frequenza principalmente all'interno della regione pottata con resina epossidica a elevata resistenza dielettrica, riducendo significativamente il rischio di scariche parziali (PD) senza richiedere uno spazio di avvolgimento eccessivo solo per la soppressione del campo elettrico.

• Lo strato di schermatura del filo Litz può essere lasciato aperto con un singolo punto di terra, ottenendo la modellazione del campo elettrico mentre si evitano perdite di corrente indotta significative. Vengono mantenuti canali di ventilazione tra gli avvolgimenti e il nucleo, consentendo un raffreddamento semi-ventilato e una miniaturizzazione simultanea.

1.3 Avvolgimento segmentato e modellazione del campo elettrico

• A bobina isolante vengono aggiunte maniche coassiali e costole di segmentazione, permettendo agli avvolgimenti primari e secondari di essere intercalati in "gruppi di segmenti". Questo riduce notevolmente i gradienti di tensione interstrato e la capacità parassita equivalente, sopprimendo l'EMI condotto e migliorando l'uniformità della distribuzione della tensione.

• Il numero di segmenti n e il conteggio degli strati vengono determinati tramite formule analitiche o empiriche (ad esempio, n = −15,38·lg k₁ − 18,77, dove k₁ è il valore minimo tra auto-capacità primaria/secondaria e rapporti di capacità reciproca), ottenendo un ottimale equilibrio tra volume, induzione di fuga e capacità parassita - ideale per operazioni ad alta potenza, alta tensione e alta frequenza.

1.4 Avvolgimenti compositi e raffreddamento a acqua integrato

• Il nucleo viene diviso in due zone di avvolgimento. Viene utilizzato un approccio di avvolgimento composito: il primo avvolgimento composito (ad esempio, primario) viene avvolto dagli strati interni agli esterni con cavi di uscita riservati; quindi, nella seconda zona, il secondo avvolgimento composito (ad esempio, secondario) viene avvolto al contrario utilizzando i cavi di uscita riservati. Questo espande gli spazi interstrato e riduce la carica residua, migliorando l'affidabilità e la durata a alta tensione.

• Vengono meccanizzate scanalature di sollevamento sulla parete esterna del nucleo per integrare canali di raffreddamento a acqua non a contatto, migliorando le prestazioni termiche senza rischiare danni meccanici durante l'assemblaggio. L'isolamento composito utilizza laminati PI/PTFE disposti in configurazione scalare per garantire una distanza di rampante adeguata e un impasto di alta qualità.

1.5 Nuove tecniche di avvolgimento e percorsi di controllo delle perdite

Viene introdotta la tecnologia di avvolgimento PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): attraverso una topologia e disposizione ottimizzate dell'avvolgimento, gli effetti di pelle e prossimità - e quindi le perdite ad alta frequenza - vengono notevolmente ridotti. Ciò consente di ottenere un'efficienza di accoppiamento >99,5% nei casi riportati, insieme alla capacità di isolamento a 10 kV, induzione di fuga controllabile e capacità distribuita bassa - rendendola adatta per applicazioni ad alta tensione e alta frequenza personalizzate da 30 a 400 kW, 4-50 kHz.

2. Strutture di avvolgimento comuni per trasformatori ad alta tensione e alta frequenza di classe 10 kV

2.1 Configurazioni di avvolgimento di base e scenari di applicazione

• Cilindrico multi-strato: processo di produzione maturo; facile da inserire isolamenti interstrato e canali di raffreddamento; adatto per avvolgimenti continui a media-alta tensione.

• Multi-segmenti stratificati: più segmenti assiali separati da anelli di carta isolante; riduce efficacemente il gradiente di tensione interstrato e la concentrazione del campo; comunemente utilizzato negli avvolgimenti ad alta tensione per mitigare le scariche parziali.

• Continuo (tipo disco): composto da più sezioni a disco sovrapposte assialmente; offre buona resistenza meccanica e prestazioni termiche; adatto per applicazioni ad alta capacità/tensione superiore.

• Doppio disco: due dischi per gruppo, collegati in serie/parallelo; ideale per avvolgimenti ad alta tensione ad alta corrente o a scopo speciale.

• Elica: elica singola/doppia/quadrupla; struttura semplice; adatta per avvolgimenti a bassa tensione ad alta corrente o per avvolgimenti a cambio di tappa sotto carico; limitata nel numero di spire.

• Lamiera di alluminio cilindrica: un giro per strato utilizzando la lamiera di alluminio; alta utilizzazione dello spazio e favorevole all'automazione; adatta per avvolgimenti HV di piccole e medie dimensioni.

Questi sono gli schemi standard di avvolgimento HV nei trasformatori di potenza e vengono spesso adattati o migliorati per i trasformatori ad alta frequenza di classe 10 kV per migliorare l'isolamento e le prestazioni termiche.

2.2 Disposizioni tipiche e processi di avvolgimento per applicazioni ad alta tensione e alta frequenza

• Disposizione cilindrica concentrica (a strati): avvolgimento HV interno, LV esterno (o viceversa); progettazione a multi-strati con isolamento interstratificale per distribuire le differenze di potenziale elevate; può essere utilizzata una disposizione segmentata per ottimizzare la distribuzione del campo elettrico e le prestazioni PD.

• Segmentazione e intrecciatura: l'avvolgimento HV è diviso in più bobine e disposto in modo sfalsato/segmentato per ridurre il gradiente di tensione interstratificale e la capacità parassita, sopprimere l'EMI condotta e migliorare l'uniformità della tensione.

• Schermatura di Faraday e schermatura elettrostatica: fogli di rame o strati conduttori posizionati tra primario/secondario o intorno agli avvolgimenti, collegati a terra in un singolo punto, per ridurre la capacità comune e il rumore di accoppiamento; lo schermo deve corrispondere alla larghezza dell'avvolgimento ed evitare bordi taglienti che potrebbero perforare l'isolamento.

• Ottimizzazione del conduttore e della densità di corrente: si preferisce filo Litz, conduttori a fascio o lamiera di rame per secondari ad alta tensione/corrente elevata per sopprimere gli effetti di pelle e di vicinanza, ridurre la resistenza AC (Rac) e la perdita di rame; la densità di corrente (J) e l'aumento di temperatura sono controllati entro i limiti della finestra e delle normative di sicurezza.

• Progettazione dell'isolamento e della distanza di rampa: utilizzo di barriere, margini terminali, terminali rivestiti e isolamento combinato interstratificale/interavvolgimento; la distanza di rampa e il clearance sono progettati in base al grado di inquinamento e alla classe di tensione; può essere applicata l'impregnazione al vuoto/la colata per migliorare la resistenza dielettrica e la conducibilità termica.

Queste considerazioni sulla disposizione e sul processo sono strettamente legate all'equilibrio tra il livello di isolamento, i parametri parassiti e la potenza nominale—chiave per ottenere un affidabile isolamento da 10 kV nella pratica ingegneristica.

2.3 Metodi di implementazione per l'uscita secondaria ad alta tensione (fortemente dipendenti dalla struttura dell'avvolgimento)

• Rettifica moltiplicatrice di tensione: la rettifica multi-stadio di doppia tensione sul lato rettificatore riduce significativamente lo stress di tensione e la capacità parassita per ogni stadio di avvolgimento, facilitando il progetto dell'isolamento. Tuttavia, è sensibile ai transitori di carico/cortocircuiti e soggetta a correnti di impulso. In pratica, non vengono solitamente utilizzati più di due stadi, richiedendo strategie di limitazione di corrente e protezione.

• Combinazione in serie/parallelo: il secondario viene suddiviso in più pacchetti di bobine, che vengono internamente o post-rettifica collegati in serie/parallelo per ottenere la tensione/potenza desiderata. Tutti i pacchetti condividono lo stesso circuito magnetico, facilitando il progetto modulare e l'equilibrio della tensione—ideale per l'uscita ad alta potenza.

Entrambi i metodi richiedono un progetto integrato con segmentazione dell'avvolgimento, schermatura e finestre di isolamento per bilanciare lo stress di tensione, l'efficienza, l'EMI e le prestazioni termiche.

2.4 Linee guida per la selezione strutturale (rapido riferimento ingegneristico)

• Priorità alla uniformità del campo elettrico e al controllo PD: preferire avvolgimenti HV segmentati o continui (tipo disco), combinati con schermatura di Faraday, margini terminali e barriere; consigliata l'impregnazione al vuoto/la colata quando necessario.

• Priorità a corrente elevata e bassa perdita di rame: utilizzare filo Litz o lamiera di rame per il secondario; adottare avvolgimento intrecciato o a sandwich internamente per minimizzare l'induttanza di fuga e Rac; rafforzare lo schermo esterno e l'isolamento.

• Priorità all'assemblaggio e manutenibilità: adottare pacchetti di bobine secondarie modulari con connessioni in serie/parallelo per facilitare l'equilibrio della tensione, i test e l'isolamento dei guasti; scegliere la rettifica moltiplicatrice di tensione (≤2 stadi) o la combinazione in serie/parallelo sul lato rettificatore in base alle esigenze di potenza e transitori.