Innovativa & vanliga vindningsstrukturer för 10kV högspänningshögfrekventa transformatorer

1.Innovativa spolearrangemang för 10 kV-klass högspänningshögfrekventa transformatorer

1.1 Zonerad och delvis potterad ventilationsstruktur

• Två U-formade ferritkärnor förenas för att bilda en magnetisk kärnenhet, eller vidare sammansätts till serie/serie-parallella kärnmoduler. Primära och sekundära bobiner monteras på de vänstra och högra raka benen av kärnan, med kärnens föreningsplan som gränsyta. Spolar av samma typ grupperas på samma sida. Litztråd föredras som spolmaterial för att minska högfrekvensförluster.

• Endast den högspänningspolen (eller primären) är helt potterad med epoxidresin. En PTFE-skiva infogas mellan primären och kärnan/sekundären för att säkerställa tillförlitlig isolering. Sekundärens yta omsluts med isolerande papper eller band.

• Genom att behålla ventilationskanaler (gap mellan spolar och mellan sekundära spolar på de vänstra och högra benen) och gap mellan magnetiska kärnor, förbättrar detta design signifikant värmeavledning samtidigt som vikt och kostnad minskas, allt med bibehållen dielektrisk styrka—vilket gör det lämpligt för ≥10 kV-isoleringsapplikationer.

1.2 Modulär design och jordad litztråd elektrisk fältskydd

• Högspännings- och lågspänningspolmoduler potteras separat och monteras sedan på kärnenheten. Luftgap bevaras mellan modulerna för att underlätta montering och kylning, och skadade moduler kan individuellt bytas ut vid fel, vilket ökar underhållbarheten.

• Jordade litztrådbaserade elektriska fältskyddslager introduceras på både inre och yttre sidor av högspänningspolen. Detta begränsar den högfrekventa elektriska fältet främst till den högdielektriska styrke epoxidpottrade regionen, vilket signifikant minskar partialdischarge-risken utan att kräva överdriven spolavstånd endast för elektrisk fältkvävning.

• Litztrådsfältskyddslaget kan lämnas öppenlutat med enpunktjordning, vilket uppnår formning av elektriskt fält samtidigt som man undviker betydande virvelströmsförluster. Ventilationskanaler bevaras mellan spolar och kärnan, vilket möjliggör halvventilerad kylning och miniatyrisering samtidigt.

1.3 Segmenterade spolar och elektrisk fältskapning

• Axiala sleever och segmenteringsribbor tillfogas isolerande bobinen, vilket tillåter att primära och sekundära spolar interleafas i "segmentgrupper". Detta minskar signifikant spanningsgradienten mellan lager och ekvivalent parasit kapacitans, undertrycker konduktions-EMI och förbättrar spänningsdistributionens jämnhet.

• Antalet segment n och antalet lager bestäms via analytiska eller empiriska formler (t.ex., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, där k₁ är det lägsta värdet bland primär/sekundär självkapacitans och mutuell kapacitansförhållanden), vilket uppnår en optimal balans mellan volym, läckageinduktans och parasit kapacitans—idealt för högeffekt, högspänning, högfrekvens-operation.

1.4 Kompositspolar och integrerad vattenkylning

• Kärnan delas upp i två spolzoner. Ett kompositspolapproach används: den första kompositspolen (t.ex., primären) spolas från inre till yttre lager med reserverade ledningar; därefter, i den andra zonen, spolas den andra kompositspolen (t.ex., sekundären) åt motsatt håll med hjälp av de reserverade ledningarna. Detta expanderar gapen mellan lager och minskar restläge, vilket ökar högspänningsrelibilitet och livslängd.

• Lättningskanaler maskeras på den yttre kärnväggen för att integrera kontaktfria vattenkylningskanaler, vilket förbättrar termisk prestanda utan att riskera mekanisk skada under montering. Kompositisolering använder PI/PTFE-laminerade material i trappstegskonfiguration för att säkerställa tillräckligt krypavstånd och högkvalitativ pottering.

1.5 Nya spoltekniker och förlustkontrollmetoder

PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) spolteknik introduceras: genom optimerad spoltopologi och layout, undertrycks huds- och närhetseffekter—and thus high-frequency losses—are significantly suppressed. Detta uppnår kopplingseffektivitet >99.5% i rapporterade fall, tillsammans med 10 kV-isoleringsförmåga, kontrollerbar läckageinduktans och låg distribuerad kapacitans—vilket gör det lämpligt för anpassade 30–400 kW, 4–50 kHz högspänning-högfrekvens-applikationer.

2. Vanliga spolstrukturer för 10 kV-klass högspänningshögfrekventa transformatorer

2.1 Grundläggande spolkonfigurationer och applikationsscenario

• Fleralagscylindrisk: Mogen tillverkningsprocess; lätt att infoga lagsisolering och kylningskanaler; lämplig för medel till högspänning kontinuerliga spolar.

• Flerasegmenterad lagerad: Flera axiella segment separerade av isolerande pappersringar; effektivt minskar lagspänningsgradienten och fältkoncentration; vanligtvis används i HV-spolar för att minska partialdischarge.

• Kontinuerlig (diskformad): Består av flera disksektioner staplade axiellt; erbjuder god mekanisk styrka och termisk prestanda; lämplig för högeffekt/högre spänningss applikationer.

• Dubbel-disk: Två diskar per grupp, anslutna i serie/parallell; ideal för högström eller speciella ändamålshöga spänningspoler.

• Helisk: Enkel/dubbel/fyrhelix; enkel struktur; lämplig för högström LV-spolar eller belastningstillkoplingsspolar; begränsad i antal varv.

• Aluminiumfolie cylinderformad: En vridning per lager med aluminiumfolie; hög utrymmesutnyttjande och automatiseringsvänlig; lämplig för små till medelstora HV-vindningar.

Dessa är standard HV-vindningsstrukturer i strömförstärkare och anpassas ofta eller förbättras för 10 kV-klass högspänningshögfrekventa transformer för att förbättra isolering och termisk prestanda.

2.2 Typiska vindningslayouter och processer för högspänningshögfrekventa tillämpningar

• Koncentrisk cylinderformad (lager) upplägg: HV-vindning inuti, LV utanför (eller vice versa); flerlagd design med mellanlagisolering för att fördela höga potentialskillnader; segmenterat layout kan användas för att optimera elektriska fältfördelning och PD-prestanda.

• Segmentering och växlingsordning: HV-vindning delas upp i flera spolar och ordnas i stegvis/segmenterad form för att minska spänningsgradienten mellan lager och parasit kapacitans, undertrycka led EMI, och förbättra spänningsjämnhet.

• Faraday- och elektrostatiske sköldar: Kopparfolie eller ledande lager placeras mellan primär/sekundär eller runt vindningar, jordade vid en enda punkt, för att minska gemensam-läge kapacitans och kopplingsbrus; sköldar måste matcha vindningsbredd och undvika skarpa kanter som kan tränga igenom isoleringen.

• Ledare och strömtdichetsoptimering: Litz-tråd, strängda ledare eller kopparfolie föredras för HV/högström sekundära för att undertrycka skin/proximity-effekter, minska AC-motstånd (Rac) och kopparförluster; strömtäthet (J) och temperaturökning kontrolleras inom fönster och säkerhetsregleringsgränser.

• Isolering och krypavståndsdesign: Användning av barriärer, ändmarginaler, sleevade terminaler och kombinerad mellanlag/mellanvindningsisolering; krypavstånd och frihetsavstånd är utformade enligt föroreningsgrad och spänningsklass; vakuumimpregnation/potting kan appliceras för att förbättra dielektrisk styrka och termisk ledningsförmåga.

Dessa layout- och processöverväganden är nära knutna till balansering av isoleringsnivå, parasitparametrar och effektklass—nyckel för att uppnå tillförlitlig 10 kV-isoleringsnivå i ingenjörsvana.

2.3 Implementeringsmetoder för högspänningssekundär utmatning (starkt beroende på vindningsstruktur)

• Spänningsmultiplicatorrektifiering: Flerstegs spänningsdubbling på rektifieringsidan minskar betydligt spänningsbelastning och parasit kapacitans per vindningssteg, vilket underlättar isoleringsdesign. Men den är känslig för belastningstransienter/kortslut och benägen för spänningstoppar. I praktiken används normalt inte mer än två steg, vilket kräver strömbegränsning och skyddsstrategier.

• Serier/parallellkombination: Sekundären delas upp i flera spolkopplingar, som är interna eller efter rektifiering kopplade i serie/parallell för att uppnå önskad spänning/effekt. Alla paket delar samma magnetiska krets, vilket underlättar modulär design och spänningsbalansering—idealisk för högeffektutmatning.

Båda metoderna kräver integrerad design med vindningssegmentering, sköldning och isoleringsfönster för att balansera spänningsbelastning, effektivitet, EMI och termisk prestanda.

2.4 Riktlinjer för strukturell val (snabb ingenjörsreferens)

• Prioritering av elektriska fältets jämnhet och PD-styrning: Välj segmenterade eller kontinuerliga (diskformade) HV-vindningar, kombinerade med Faraday-sköld, ändmarginaler och barriärer; rekommenderar vakuumimpregnation/potting när det behövs.

• Prioritering av hög ström och låga kopparförluster: Använd Litz-tråd eller kopparfolie för sekundär; använd växlingsordnad eller sandwich-vindning internt för att minimera läckageinduktans och Rac; förstärk yttre sköldning och isolering.

• Prioritering av montering och underhållbarhet: Anta modulära sekundära spolkopplingar med serie/parallellkoppling för enkel spänningsbalansering, testning och felisolering; välj spänningsmultiplicatorrektifiering (≤2 steg) eller serie/parallellkombination på rektifieringsidan baserat på effekt och transientskrav.