Estruturas Inovadoras e Comuns de Enrolamento para Transformadores de Alta Tensão e Alta Frequência de 10kV
1.Estruturas Inovadoras de Bobinamento para Transformadores de Alta Tensão e Alta Frequência de Classe 10 kV
1.1 Estrutura Ventilada Zonada e Parcialmente Potada
Dois núcleos de ferrite em forma de U são acoplados para formar uma unidade de núcleo magnético, ou montados em módulos de núcleo em série/paralelo. As bobinas primária e secundária são montadas nas pernas retas esquerda e direita do núcleo, respectivamente, com o plano de acoplamento do núcleo servindo como camada de fronteira. Enrolamentos do mesmo tipo são agrupados no mesmo lado. O fio Litz é preferido como material de enrolamento para reduzir as perdas de alta frequência.
Apenas o enrolamento de alta tensão (ou primário) é totalmente potado com resina epóxi. Uma folha de PTFE é inserida entre o primário e o núcleo/secundário para garantir isolamento confiável. A superfície secundária é envolvida com papel ou fita isolante.
Ao manter canais de ventilação (espaços entre os enrolamentos e entre os enrolamentos secundários nas pernas esquerda e direita) e espaços entre os núcleos magnéticos, este design melhora significativamente a dissipação de calor, enquanto reduz peso e custo, mantendo a resistência dielétrica—tornando-o adequado para aplicações de isolamento ≥10 kV.
1.2 Design Modular e Blindagem de Campo Elétrico com Fio Litz Aterrado
Módulos de enrolamento de alta e baixa tensão são potados separadamente e então montados na unidade de núcleo. Espaços de ar são mantidos entre os módulos para facilitar o montagem e o resfriamento, e módulos danificados podem ser substituídos individualmente durante falhas, melhorando a manutenibilidade.
Camadas de blindagem de campo elétrico baseadas em fio Litz aterrado são introduzidas nos lados interno e externo do enrolamento de alta tensão. Isso confina o campo elétrico de alta frequência principalmente na região potada com epóxi de alta resistência dielétrica, reduzindo significativamente o risco de descarga parcial (DP) sem necessidade de espaçamento excessivo de enrolamento apenas para supressão do campo elétrico.
A camada de blindagem de fio Litz pode ser deixada em circuito aberto com aterramento em um único ponto, alcançando a modelagem do campo elétrico enquanto evita perdas significativas por correntes de fôrça. Canais de ventilação são preservados entre os enrolamentos e o núcleo, permitindo resfriamento semi-ventilado e miniaturização simultaneamente.
1.3 Bobinamento Segmentado e Modelagem de Campo Elétrico
Mangas coaxiais e costelas de segmentação são adicionadas à bobina isolante, permitindo que os enrolamentos primário e secundário sejam entrelaçados em "grupos de segmentos". Isso reduz significativamente os gradientes de tensão entre camadas e a capacitância parasitária equivalente, suprimindo EMI conduzida e melhorando a uniformidade da distribuição de tensão.
O número de segmentos n e a contagem de camadas são determinados por fórmulas analíticas ou empíricas (por exemplo, n = −15,38·lg k₁ − 18,77, onde k₁ é o valor mínimo entre as razões de auto-capacitância e capacitância mútua primária/secundária), alcançando um equilíbrio ótimo entre volume, indutância de fuga e capacitância parasitária—ideal para operação de alta potência, alta tensão e alta frequência.
1.4 Bobinamento Compósito e Resfriamento Integrado a Água
O núcleo é dividido em duas zonas de bobinamento. É utilizada uma abordagem de bobinamento composto: o primeiro bobinamento composto (por exemplo, primário) é enrolado de camadas internas para externas, com cabos reservados; então, na segunda zona, o segundo bobinamento composto (por exemplo, secundário) é enrolado em sentido inverso usando os cabos reservados. Isso expande os espaços entre camadas e reduz a carga residual, aumentando a confiabilidade e a vida útil em alta tensão.
Fendas de alívio são usinadas na parede externa do núcleo para integrar canais de resfriamento a água sem contato, melhorando o desempenho térmico sem risco de danos mecânicos durante a montagem. O isolamento composto usa laminados de PI/PTFE dispostos em configuração escalonada para garantir distância de rastejo adequada e preenchimento de potagem de alta qualidade.
1.5 Novas Técnicas de Bobinamento e Caminhos de Controle de Perdas
A tecnologia de bobinamento PDQB (Ponte Diferencial Quadrática de Potência) é introduzida: através de topologia e layout de bobinamento otimizados, os efeitos de pele e proximidade—and, portanto, as perdas de alta frequência—são significativamente suprimidos. Isso atinge eficiência de acoplamento >99,5% em casos relatados, juntamente com capacidade de isolamento de 10 kV, indutância de fuga controlável e baixa capacitância distribuída—tornando-a adequada para aplicações de alta tensão e alta frequência personalizadas de 30–400 kW, 4–50 kHz.
2. Estruturas Comuns de Bobinamento para Transformadores de Alta Tensão e Alta Frequência de Classe 10 kV
2.1 Configurações Básicas de Bobinamento e Cenários de Aplicação
Cilíndrico multicamadas: processo de fabricação maduro; fácil de inserir isolamento entre camadas e canais de resfriamento; adequado para enrolamentos contínuos de média a alta tensão.
Multicamadas segmentadas: múltiplos segmentos axiais separados por anéis de papel isolante; reduz efetivamente o gradiente de tensão entre camadas e a concentração de campo; comumente usado em enrolamentos de alta tensão para mitigar descargas parciais.
Contínuo (tipo disco): composto por várias seções de disco empilhadas axialmente; oferece boa resistência mecânica e desempenho térmico; adequado para aplicações de alta capacidade/tensão mais elevada.
Duplo disco: dois discos por grupo, conectados em série/paralelo; ideal para enrolamentos de alta tensão de alta corrente ou de propósito especial.
Helicoidal: hélice simples/dupla/quádrupla; estrutura simples; adequado para enrolamentos de baixa tensão de alta corrente ou enrolamentos com troca de passo sob carga; limitado em número de voltas.
Folha de alumínio cilíndrica: uma volta por camada usando folha de alumínio; alta utilização do espaço e amigável à automação; adequado para enrolamentos HV de pequeno a médio porte.
Estas são estruturas padrão de enrolamento HV em transformadores de potência e são frequentemente adaptadas ou melhoradas para transformadores de alta tensão e alta frequência de classe 10 kV para melhorar o isolamento e o desempenho térmico.
2.2 Disposições e Processos Típicos de Enrolamento para Aplicações de Alta Tensão e Alta Frequência
Arranjo cilíndrico (em camadas) concêntrico: enrolamento HV no interior, LV no exterior (ou vice-versa); design multicamadas com isolamento intercamadas para distribuir as diferenças de potencial elevadas; layout segmentado pode ser usado para otimizar a distribuição do campo elétrico e o desempenho de PD.
Segmentação e intercalação: enrolamento HV dividido em múltiplos bobinas e disposto de forma escalonada/segmentada para reduzir o gradiente de tensão entre camadas e capacitância parasita, suprimir EMI conduzida e melhorar a uniformidade da tensão.
Escudo de Faraday e escudo eletrostático: folha de cobre ou camadas condutoras colocadas entre primário/secundário ou ao redor dos enrolamentos, aterradas em um único ponto, para reduzir a capacitância de modo comum e o ruído de acoplamento; o escudo deve corresponder à largura do enrolamento e evitar arestas afiadas que possam perfurar o isolamento.
Otimização de condutores e densidade de corrente: fios Litz, condutores trançados ou folha de cobre são preferidos para secundários de alta tensão/corrente elevada para suprimir efeitos de pele/proximidade, reduzir a resistência AC (Rac) e perdas de cobre; a densidade de corrente (J) e o aumento de temperatura são controlados dentro dos limites da janela e regulamentações de segurança.
Design de isolamento e rastreamento: uso de barreiras, margens de extremidade, terminais revestidos e isolamento combinado intercamadas/interenrolamentos; a distância de rastreamento e a clareza são projetadas de acordo com o grau de poluição e a classe de tensão; a impregnação/potting a vácuo pode ser aplicada para aumentar a resistência dielétrica e a condutividade térmica.
Essas considerações de disposição e processo estão intimamente ligadas ao equilíbrio do nível de isolamento, parâmetros parasitas e potência nominal—fundamental para alcançar confiabilidade de isolamento de 10 kV na prática de engenharia.
2.3 Métodos de Implementação para Saída Secundária de Alta Tensão (Fortemente Dependente da Estrutura do Enrolamento)
Retificação de multiplicador de tensão: retificação de dupla tensão em várias etapas no lado do retificador reduz significativamente o estresse de tensão e a capacitância parasita por estágio de enrolamento, facilitando o design de isolamento. No entanto, é sensível a transientes de carga/curtos-circuitos e propenso a correntes de surto. Na prática, geralmente não mais de duas etapas são usadas, exigindo estratégias de limitação de corrente e proteção.
Combinação em série/paralelo: o secundário é dividido em múltiplos pacotes de bobinas, que são conectados internamente ou pós-retificador em série/paralelo para atingir a tensão/potência desejada. Todos os pacotes compartilham o mesmo circuito magnético, facilitando o design modular e o balanceamento de tensão—ideal para saída de alta potência.
Ambos os métodos requerem design integrado com segmentação de enrolamento, escudos e janelas de isolamento para equilibrar o estresse de tensão, eficiência, EMI e desempenho térmico.
2.4 Diretrizes de Seleção Estrutural (Referência Rápida de Engenharia)
Priorizando uniformidade do campo elétrico e controle de PD: prefira enrolamentos HV segmentados ou contínuos (tipo disco), combinados com escudos de Faraday, margens de extremidade e barreiras; recomenda-se impregnação/potting a vácuo quando necessário.
Priorizando corrente elevada e baixa perda de cobre: use fios Litz ou folha de cobre para o secundário; empregue enrolamento intercalado ou tipo sanduíche internamente para minimizar a indutância de fuga e Rac; reforce o escudo externo e o isolamento.
Priorizando montagem e manutenibilidade: adote pacotes modulares de bobinas secundárias com conexões em série/paralelo para fácil balanceamento de tensão, testes e isolamento de falhas; selecione retificação de multiplicador de tensão (≤2 etapas) ou combinação em série/paralelo no lado do retificador com base nos requisitos de potência e transitórios.
