ES2232684T3 - Transformador de frecuencia media. - Google Patents

Abstract

Transformador de frecuencia media con: un núcleo (K); un devanado primario (P); un devanado secundario (S1, S2) distribuido, en el que, respectivamente, una primera y una segunda parte del devanado secundario (S1, S2) están dispuestas en un lado del devanado primario (P); en el que entre la primera parte del devanado secundario (S1) y del devanado primario (P), así como entre la segunda parte del devanado secundario (S2) y del devanado primario (P) está dispuesto, respectivamente, un aislamiento (I), caracterizado porque el devanado primario (P), así como la primera y la segunda parte del devanado secundario (S1, S2) están conformados respectivamente por un mazo (14, 13) de conductores huecos (11) conformados, a través de los que fluye un líquido de refrigeración (10), estando aislados los conductores huecos (11) de cada mazo (14, 13) conjuntamente como un único conductor por medio de un aislante (12).

Description

Transformador de frecuencia media.

La presente invención se refiere al campo de la electrónica de potencia, en particular, al campo de los transformadores para aplicaciones en la electrónica de potencia en el intervalo de frecuencia media.

El estado de la técnica más cercano del documento EP 0680055A1 da a conocer un transformador de alta frecuencia con un núcleo, un devanado primario y un devanado secundario distribuido en el que, respectivamente, una primera y una segunda parte del devanado secundario están dispuestas en un lado del devanado primario. Entre la primera parte del devanado secundario y del devanado primario, así como entre la segunda parte del devanado secundario y del devanado primario está dispuesto, respectivamente, un aislamiento. El devanado primario presenta un devanado de refrigeración hueco para el paso de un líquido refrigerante. El devanado secundario puede presentar, asimismo, un devanado de refrigeración para el paso de un líquido refrigerante.

Del documento DE 19802760A1 se conoce un transformador coaxial con un cable coaxial que conforma un devanado primario y secundario. En este caso, al menos un núcleo rodea los devanados, y cada extremo del cable coaxial está provisto de un cierre del extremo del cable que une los dos conductores del cable coaxial con una conexión primaria y con una conexión secundaria, garantiza el aislamiento eléctrico y controla el campo eléctrico. Preferentemente están previstos varios devanados que conforman respectivamente un devanado primario y secundario y que están provistos de cierres del extremo del cable, en los que por medio de puentes de unión se realiza una conexión en serie y/o en paralelo de los devanados primarios individuales y/o de los devanados secundarios individuales, y se conforma una conexión primaria exterior común y una conexión secundaria exterior de la disposición modular.

Habitualmente se conoce del documento DE 19630284A1, que se corresponde con el documento EP 0 820 893 A3, el acoplamiento en un sistema motriz para un vehículo sobre carriles de dos subsistemas por medio de al menos un transformador. En este caso, en cada uno de los dos subsistemas está dispuesto al menos un regulador de cuatro cuadrantes, al menos un condensador de circuito intermedio y al menos un ondulador. El regulador de cuatro cuadrantes del primer subsistema está conectado a través de un sistema de filtro de entrada a la red de tensión alterna, y el ondulador del segundo subsistema está unido con un motor de accionamiento. En este caso, el regulador de cuatro cuadrantes del primer subsistema y el ondulador del segundo subsistema se sincronizan con una frecuencia inferior hasta aproximadamente 500 Hz, mientras que el ondulador del primer subsistema y el regulador de cuatro cuadrantes del segundo subsistema se operan en el intervalo entre 8 y 20 kHz.

Además, por la publicación de "Aachener Beiträge des ISEA", Tomo 9, "Optimierte Auslegung induktiver Bauelemente für den Mittelfrequenzbereich", se conoce el hecho de que las bobinas de choque y los transformadores para aplicaciones en la electrónica de potencia moderna en el intervalo de frecuencia media, es decir, de 1 kHz a 100 kHz, generan potencias perdidas considerables en el devanado y en el núcleo magnético, que han de ser disipadas por medio de la superficie de los componentes. Este tipo de transformaciones se usan por encima de 1 kW en conexión en puente parcial o total para la división de potencial y ajuste de tensión. En las investigaciones descritas se usan diferentes formas constructivas para el núcleo, por ejemplo núcleo en "E", núcleo ETD, núcleo en "U", núcleo en "I", núcleo PM (módulo "potcore"), núcleo RM (módulo rectangular) y núcleo recubierto, así como en modo constructivo plano un núcleo con ventanas de devanado que están rellenas de cinta de cobre. En este caso se ha determinado que el transformador coaxial convencional mencionado anteriormente ofrece los mejores resultados. El mayor problema venía dado por la distribución no uniforme del calor de pérdidas, ya que en todas las formas de realización convencionales se conforman puntos calientes que pueden llevar a un sobrecalentamiento local. En los transformadores convencionales investigados, así pues, se llevó a cabo una refrigeración por medio de la extracción del calor por medio de radiación y convección libre, así como, parcialmente, por medio de la conformación de un ventilador adicional. Sin embargo, para el auténtico problema fundamental de la extracción de la potencia perdida que se genera, no se ha propuesto ninguna solución, simplemente se daba un resultado relativo a la minimización de la potencia perdida.

Sin embargo, en cada una de estas formas de realización convencionales siempre resulta costoso el hecho de conformar un transformador de frecuencia media, puesto que el tamaño y el peso del transformador son siempre elevados, y como consecuencia del problema con la extracción de la potencia perdida, se ha de llegar a compromisos al diseñar el transformador.

Debido a ello, el objetivo de la presente invención es conformar un transformador de frecuencia media, que se pueda usar, por ejemplo, en el campo de la electrónica de potencia para la separación de potencial y para el ajuste de tensión, que genere menos potencia perdida, en el que sea posible una extracción sin problemas de la potencia perdida, y que presente un tamaño constructivo reducido y un peso reducido en comparación con el estado de la técnica.

Según la invención, este objetivo se alcanza por medio de un transformador de frecuencia media con las características de la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se indican variantes ventajosas de la invención.

El transformador de frecuencia intermedia conforme a la invención presenta una combinación de un buen rendimiento, dispersión reducida como consecuencia del devanado de capas múltiples, un aislamiento análogo a los motores o generadores, un devanado con conductores huecos a través de los que fluye agua, núcleos con placas de refrigeración en la parte frontal así como relaciones de devanado variables.

Gracias a ello, se puede sustituir el transformador coaxial preferido convencionalmente, es decir, se puede llevar a cabo una realización más ligera, más pequeña y más barata por medio del uso de un transformador de frecuencia intermedia conforme a la invención. Adicionalmente, este transformador de frecuencia media conforme a la invención presenta una relación de devanado más flexible, y es posible un montaje adicional de un devanado de alimentación adicional en la parte de alta tensión.

Otros objetivos, ventajas y características de la presente invención se ponen de manifiesto a partir de la siguiente descripción de un ejemplo de realización preferido de la invención conjuntamente con el dibujo.

Se muestra:

Fig. 1: una representación de la estructura básica de un convertidor CC/CC de conexión lógica, en el que se puede usar el transformador de frecuencia media conforme a la invención,

Fig. 2a: una representación esquemática de una disposición de devanado sencilla convencional, y Fig. 2b una representación esquemática de otra disposición de devanado distribuida, tal y como se puede usar en el transformador de frecuencia media conforme a la invención,

Fig. 3a y 3b: una vista en planta desde arriba y una vista de la sección transversal de un transformador de frecuencia media conforme a la invención con un devanado distribuido,

Fig. 4: una representación gráfica de las dimensiones exteriores de un transformador de frecuencia media para una constante L_{\sigma} como función del número de espiras N,

Fig. 5: una representación gráfica del peso del núcleo como función del número de espiras N,

Fig. 6: una representación gráfica de la potencia perdida total como función del número de espiras N,

Fig. 7: una representación gráfica del volumen total del transformador de frecuencia media V_{Transformador} como una función del número de espiras N,

Fig. 8a y 8b: una representación de devanados conductores conformados con conductores huecos,

Fig. 9 una representación de la sección transversal de un transformador de frecuencia media conforme a la invención,

Fig. 10 una vista en sección transversal de un núcleo que se puede usar en el transformador de frecuencia media conforme a la invención,

Fig. 11 una representación tridimensional de un ejemplo de realización de un transformador de frecuencia media conforme a la invención conjuntamente con un dispositivo para la refrigeración del núcleo,

A continuación de describe con más detalle la construcción de un transformador de frecuencia media conforme a la invención a partir de un ejemplo de realización preferido, así como variantes de este ejemplo de realización.

El transformador de frecuencia media MFT conforme a la invención, tal y como se muestra en la Fig. 1, puede ser parte de un convertidor CC/CC de conexión lógica en cada uno de los numerosos módulos que están conectados en serie en el primario. Cada módulo comprende un regulador de cuatro cuadrantes (4QS), un primer circuito intermedio de CC y un convertidor CC/CC resonante. Los circuitos intermedios primarios de CC están separados de potencial respecto a los circuitos intermedios secundarios de CC por medio del transformador de frecuencia media MFT conforme a la invención (aproximadamente 6 a 20 kHz), el cual es parte del convertidor
CC/CC.

El convertidor CC/CC mostrado en la Fig. 1 funciona como un convertidor de resonancia en serie (SRC). En el transformador de frecuencia media MFT conforme a la invención, por medio de la conexión resonante en serie que está conformada por un condensador de resonancia C_{R} y la inducción de dispersión del transformador de frecuencia media MFT se genera una corriente aproximadamente en forma
sinusoidal.

La función no regulada del convertidor CC/CC requiere en tanto que sea posible un estrecho acoplamiento entre el primario y el secundario. Para cumplir con este requerimiento se ha de conseguir una inducción de dispersión lo más reducida posible del transformador de frecuencia media MFT.

La inducción de dispersión resulta a partir del flujo magnético, que no rodea completamente los devanados primarios y secundarios, o bien no rodea completamente todas las espiras en el devanado que generan el flujo. La inducción de dispersión, en este caso, es una función de la energía magnética en el espacio para arrollamientos:

\frac{1}{2}\cdot L_{\sigma}\cdot I^{2} =\frac{\mu_{0}}{2}\cdot \int \overline{H}^{2}\cdot dV

Bajo la condición de que exista un campo homogéneo entre los devanados primarios y secundarios, se puede deducir la siguiente ecuación para la inductividad de dispersión:

L_{\sigma}= \frac{\mu_{0}\cdot I_{w}\cdot N^{2}}{p^{2}\cdot h_{w}}\cdot\left(\frac{b_{w\_total}}{3}+b_{iso\_total}\right)

en la que I_{w} es la longitud media de la espira, N el número de espiras, h_{w} la altura del devanado, b_{\_total} la anchura total de los devanados en la ventana del devanado (b_{p} + b_{s}), b_{iso\_total} el grosor de aislamiento total del devanado intermedio dentro de la ventana del devanado, y p el número de cámaras entre las secciones del devanado dentro de la ventana del devanado.

Según la ecuación anterior, la inducción de dispersión aumenta con el cuadrado del número de espiras. Cuando se ha de reducir L_{\sigma} reduciendo el número de espiras, aumentan las pérdidas del núcleo, mientras que disminuirán las pérdidas en el devanado.

Al observar la ecuación anterior se puede reconocer que es posible reducir la inducción de dispersión de un modo significativo usando para ello una disposición distribuida de devanado, ya que L_{\sigma} es proporcional a 1/p^{2}.

Por esta razón, en el transformador de frecuencia media conforme a la invención se usa una disposición de devanado distribuida.

A continuación se describe el transformador de frecuencia media conforme a la invención con disposición de devanado distribuida en el ejemplo de un transformador de frecuencia media de 340 kW.

El transformador de frecuencia media conforme a la invención, comparado con el transformador convencional usado, es pequeño en su tamaño constructivo, reducido en peso, presenta una inducción de dispersión muy reducida con un aislamiento muy elevado, pérdidas de núcleo reducidas, pérdidas de devanado reducidas y una relación de devanado variable.

En particular, la construcción de la disposición de devanado distribuida en el transformador de frecuencia media conforme a la invención se describe a continuación tomando como referencia la Fig. 2. Esta construcción trae consigo, aparte de la menor inducción de dispersión, otras ventajas:

-

Una menor intensidad de campo en el interior de la ventana de devanado lleva a menores pérdidas por medio del efecto Kelvin.

-

Las pérdidas en un devanado con un grosor de conductor y una frecuencia constante son menores.

La Fig. 2a muestra en sección transversal una ventana de devanado de una disposición de devanado sencilla convencional con p = 1, mientras que la Fig. 2b ilustra una ventana de devanado con un devanado distribuido conforme a la invención con p = 2.

En la Fig. 2a, en el interior de un núcleo K está dispuesto un devanado primario P con un grosor b_{p} contiguo a un devanado secundario S con un grosor b_{s}. Los dos devanados P y S presentan una altura de devanado h_{w} y están separados entre sí por medio de un aislamiento con un grosor b_{iso}.

En la disposición distribuida de devanado conforme a la invención mostrada en la Fig. 2b, por el contrario, en el interior del núcleo K están dispuestos a los dos lados de un devanado primario P partes del devanado secundario S_{1} y S_{2}. En este caso, las partes del devanado secundario S_{1} y S_{2} poseen, respectivamente, un grosor de b_{s}/2, y el devanado primario posee un grosor b_{p}, mientras que la distancia entre las partes del devanado S_{1}, P, S_{2}, es respectivamente una distancia de aislamiento b_{iso}. La altura de todos los devanados tiene el valor, respectivamente, de una altura de devanado h_{W}.

Por medio de la división previa conforme a la invención, así pues, a pesar de unas dimensiones ligeramente superiores, se consigue el objetivo de una menor inducción de dispersión, sin que aumente el peso de un modo considerable.

La distancia de aislamiento b_{iso} está rellenada con un material aislante, por ejemplo resina con o sin adición de mica, tal y como usa en el aislamiento de motores o generadores.

Para utilizar de un modo óptimo el material del núcleo magnético, que es relativamente caro, en el ejemplo de realización preferido se ha seleccionado un devanado en forma circular con sección transversal cuadrada.

Naturalmente, también es posible, por ejemplo, dividir el devanado primario, tal y como se muestra en las Fig. 3a y 3b (vista en planta desde arriba y vista lateral). Entonces se produce la siguiente secuencia de capas cuando la refrigeración también se considera: refrigeración del devanado secundario CS con un grosor b_{CS}, devanado secundario S_{1} con un grosor b_{W}, aislamiento I con un grosor b_{iso}, devanado primario P_{1} con un grosor b_{W}, refrigeración de devanado primario C_{S} con un grosor B_{CP}, devanado primario P_{2} con un grosor b_{W}, aislamiento I con un grosor b_{iso}, devanado secundario S_{2} con un grosor b_{W}, así como refrigeración del devanado secundario CS con un grosor
b_{CS}.

En la Fig. 3b, h_{ka} designa la altura total del núcleo, b_{ka} la anchura total del núcleo y b_{k} la anchura de la ventana del devanado. En este caso, la anchura de la ventana del devanado está fijada por el grosor de cada una de las partes constitutivas del devanado, así como por la anchura del núcleo K.

Por medio de esta disposición de devanado distribuida conforme a la invención, descrita anteriormente, en combinación con las refrigeraciones del devanado primario y secundario se puede realizar un inducción de dispersión reducida con una utilización óptima del material del núcleo, así como con una mejor extracción del calor de pérdidas.

La Fig. 4 muestra la dimensión exterior de un transformador de frecuencia media, tal y como se ha descrito anteriormente, con una inducción de dispersión constante L_{\sigma} como función del número de espiras N. Tal y como se puede ver a partir de la Fig. 4, una altura total del núcleo h_{ka} aumentará muy rápidamente cuando se incremente el número de espiras N, mientras que una anchura total del núcleo b_{ka} y un diámetro de devanado exterior d_{wa} disminuirán sólo ligeramente. A partir de estas curvas que están representadas como función del número de espiras N, se puede determinar ahora, dependiendo del número de espiras N para la curva correspondiente, un valor óptimo para la anchura total del núcleo b_{ka}, del diámetro de devanado exterior d_{wa}, así como de la altura total del núcleo h_{ka}.

En la Fig. 5, que muestra el peso del núcleo como función del número de espiras N, se puede ver que se alcanza un peso mínimo del núcleo m_{k} cuando se selecciona N = 22 como el número de espiras N.

Se puede conseguir una importante reducción de la altura total del núcleo h_{ka} sin que se produzca un incremento significativo de la anchura total del núcleo b_{ka} y del diámetro exterior del devanado d_{wa} fundamentalmente por medio de la elección de un menor número de espiras N. El peso de núcleo m_{k} un 10% mayor que se produce en este caso se puede aceptar, tal y como se muestra en la Fig. 5 (m_{k.ok}).

La Fig. 6 ilustra la potencia perdida total P_{AI} + P_{vk} como función del número de espiras N, en la que P_{AI} indica las pérdidas del devanado, y P_{vk} indica las pérdidas del núcleo. Se puede ver que no hay ninguna influencia sobre la potencia perdida cuando el número de espiras se reduce desde N = 22 a N = 16. Un aumento importante de la pérdida de energía comienza con N < 12. Adicionalmente, la Fig. 7 muestra un volumen total del transformador de frecuencia media V_{Transformador} como función del número de espiras N. El volumen del transformador de frecuencia media V_{Transformador} se calcula aproximadamente de la siguiente manera: V_{Transformador} = b_{ka} \cdot d_{wa} \cdot h_{ka}. Tal y como se puede ver a partir de la Fig. 7, el volumen total del transformador de frecuencia media V_{Transformador} se hace óptimo para N = 16 (V_{Transformador.opt} = 8,1 litros).

Con ello, de las Fig. 4 a 7 se desprende el hecho de que, de un modo ventajoso, se escoge el número de espiras N = 16. Sin embargo, para un especialista es evidente que dependiendo de los requisitos que haya de cumplir el transformador de frecuencia media también se pueden escoger otros valores para N, siempre y cuando sólo se cumplan estos requisitos (por ejemplo tamaño, volumen, ...).

A continuación se entra con más detalle de un modo más preciso en el aislamiento I mostrado en particular en las Fig. 3a y 3b, y en su construcción y montaje.

Como aislamiento, que está dispuesto entre las partes del devanado primario y secundario P_{1}, P_{2}, S_{1}, S_{2}, se requiere un sistema de aislamiento que posea las siguientes características:

- Tensiones de aislamiento de hasta 30 kV

- vida útil extraordinariamente elevada

- material resistente a la descarga parcial

Como material de este tipo y sistema de aislamiento se puede usar, por ejemplo, Micadur®, tomando como base la tecnología de impregnado por presión al vacío de ABB, si bien también se pueden usar otros materiales y sistemas de aislamiento, en tanto que presenten las características mencionadas anteriormente.

Un aislamiento de este tipo está formado por una combinación de resina sintética y material aislante inorgánico. La fabricación de un aislamiento de este tipo se realiza de la siguiente manera. Una cinta micácea se arrolla por ejemplo alrededor de uno o varios conductores preformados. Ésta representa el aislamiento de las espiras para el transformador de frecuencia media conforme a la invención.

A continuación se explican brevemente las etapas de fabricación para un aislamiento de este tipo. Después de la fabricación del devanado primario P, éste se arrolla a lo largo de toda su longitud varias veces con una cinta de aislamiento. Esta cinta está hecha de un fino tejido de vidrio y un papel de mica. El número de capas de cinta depende en este caso de la tensión de aislamiento deseada, y posee en el caso del ejemplo anterior, para un transformador de frecuencia media, un grosor de 5 mm. A continuación se unen los devanados primarios y secundarios, P_{1}, S_{1}, S_{2} y se tratan con un proceso de impregnado por presión al vacío. Como resina de impregnado se usa en este caso, por ejemplo, una resina epoxi modificada. Después de un endurecimiento completo, el aislamiento I mantiene su forma. Finalmente, se aplica una capa con menor resistencia eléctrica sobre la superficie del aislamiento I, para evitar tensiones superficiales que serían peligrosas durante el funcionamiento. En la región de la unión de alta tensión se aplica un recubrimiento con una curva característica de la resistencia que depende de la tensión (10^{6} a 10^{12} \Omega).

A continuación se explica con más detalle la conformación del devanado.

Como consecuencia de la elevada frecuencia de funcionamiento del transformador de frecuencia media, en concreto, aproximadamente en el intervalo de 6 a 20 kHz, se han de tener en cuenta pérdidas por corrientes parásitas (pérdidas de dispersión y de proximidad). Algunas posibilidades para la disminución de estas pérdidas en los devanados del transformador de frecuencia media se discuten a continuación.

Por medio de una división del devanado en dos secciones, el valor máximo de la intensidad de campo magnético en un devanado distribuido, tal y como se muestra en la Fig. 2b, tiene un valor que es aproximadamente la mitad del valor máximo en un devanado con sólo una espira, tal y como se muestra en la Fig. 2a. Puesto que las pérdidas por corrientes parásitas son proporcionales al cuadrado del flujo magnético, se pueden reducir las pérdidas en un devanado distribuido individual a un cuarto de la disposición sencilla.

A continuación se discute ahora la conformación del devanado teniendo en cuenta el calor de pérdidas que se produce.

Al usar un devanado conductor conformado en lugar de un devanado con hojas de plástico, se comprobó que la potencia perdida en el interior del devanado se eleva en el transformador de frecuencia media del ejemplo en un factor 4. Como consecuencia de esto, el devanado conductor, a primera vista, parece menos indicado que el devanado con hojas de plástico. De un modo preferido, sin embargo, se usa a pesar de ello en el transformador de frecuencia media conforme a la invención, a pesar de las mayores pérdidas, un devanado conductor conformado en lugar del devanado con hojas de plástico, ya que éste se puede refrigerar de un modo considerablemente más sencillo, lo que, con ello, vuelve a compensar una mayor potencia perdida, y lleva a diferencias de temperaturas en el devanado conductor fundamentalmente más reducidas.

Como conductor para un devanado conductor conformado de esta manera se usa en el transformador de frecuencia media conforme a la invención, preferentemente, un conductor hueco, por ejemplo un perfil hueco de aluminio de 5*5 mm, tal y como se muestra en las Fig. 8a y 8b. Para la distribución o bien la extracción del calor que se produce por medio del flujo de corriente, se conduce agua de refrigeración 10 desionizada a través de un conductor hueco 11. Como consecuencia de este sistema de refrigeración muy eficiente se produce una resistencia térmica muy reducida, y es posible permitir mayores densidades de corriente en el interior del conductor hueco 11. La altura calculada del devanado h_{w} se usa en un devanado sencillo de capas múltiples y N = 16 del modo más adecuado cuando para el primario se aíslan conjuntamente tres conductores huecos 11 con un aislamiento 12, y este mazo se toma conjuntamente como un conductor 13. Con una relación de transmisión o de devanado de 1,36 (por ejemplo, con una tensión del primario U_{DCp} = 3,8 kV y una tensión del secundario de U_{DCs} = 2,8 kV) son necesarias 12 espiras en el secundario. Para el mejor uso de la altura calculada del devanado h_{w}, se usa en el secundario, así pues, un mazo 14 de cuatro conductores conformados. La Fig. 8a y 8b muestran la disposición final del devanado, en el que la región real de conducción de corriente 15, que viene dada por la profundidad de penetración \delta, está mostrada de modo rayado.

Preferentemente, el diámetro interior de un conductor 11, para el cumplimiento con los requisitos, debería presentar una región de sección transversal de 3*3 mm, lo cual es suficiente cuando están dispuestos 3 conductores en paralelo.

En la Fig. 9 se muestra de nuevo el transformador de frecuencia media conforme a la invención en una vista lateral, para conseguir una visión general de su construcción.

Además de las partes constitutivas del transformador de frecuencia media descritas anteriormente, también el núcleo contribuye de un modo significativo a la eficacia del transformador de frecuencia media conforme a la invención.

La construcción del núcleo depende fuertemente de las tolerancias de fabricación. Se requieren tolerancias de fabricación de \pm 5 mm. Los devanados, así pues, se pueden fabricar tanto de modo circular como ovalado.

Como material para el núcleo se usa, por ejemplo, una aleación nano-cristalina que presenta las siguientes características:

-

elevada inducción de saturación

-

reducido tamaño constructivo, así como un peso reducido a aproximadamente 6 a 20 kHz por medio de una elevación de inducción útil elevada

-

pérdidas reducidas con dependencia muy reducida de la temperatura, o incluso coeficientes de temperatura negativos a aproximadamente 6 a 20 kHz

-

estabilidad mecánica de los núcleos recubiertos.

Un material de este tipo puede ser, por ejemplo Vitroperm 500F de Vacuumschmelze GMBH, si bien también puede ser otro material disponible en el mercado con las características mencionadas anteriormente, por ejemplo ferrita o vidrio "met" de Honeywell.

Un núcleo hecho de un material con las características descritas anteriormente está dispuesto en capas delgadas. La cinta tiene un grosor de aproximadamente 20 a 50 \mum, y la conductividad térmica depende de la dirección de las cintas. La eliminación del calor generado en el núcleo sólo es posible en la dirección longitudinal de las capas del núcleo, ya que en la dirección transversal la conductividad térmica es muy mala, tal y como se muestra en la Fig. 10. El núcleo K está hecho de capas de material delgadas, y presenta respectivamente un cuerpo de refrigeración WS_{a}, WS_{I}. Adicionalmente, en el exterior de los cuerpos de refrigeración WS_{i}, WS_{a} están dispuestos tubos de refrigeración, por medio de los que se lleva a cabo una refrigeración de los cuerpos de refrigeración WS_{i}, WS_{a}.

Para conseguir en las dos mitades del núcleo resistencias magnéticas compensadas, y como consecuencia de ello, una inducción compensada, se puede prever entre las dos mitades del núcleo una ranura de aire delgada, por ejemplo, de algunos 10 \mum, que en la Fig. 10, sin embargo, no se puede reconocer.

En la Fig. 11 se muestra una representación tridimensional del transformador de frecuencia media conforme a la invención mostrado en la Fig. 10 conjuntamente con una forma de realización preferida de un dispositivo para la refrigeración del núcleo. En el centro de la disposición se encuentra el núcleo K de dos partes con el devanado W. En la parte frontal del núcleo están dispuestos tubos de refrigeración KR a través de los que fluye agua de refrigeración, y realizan una contribución considerable a la refrigeración del núcleo K. Los extremos de estos tubos de refrigeración KR son extraídos, por ejemplo, en un ángulo de 90º de modo perpendicular respecto a la superficie frontal correspondiente del núcleo, y pasan orificios pasantes en las placas de cubierta P, que sirven para el atornillado del núcleo K revestido y del devanado W. Adicionalmente, para el transformador de frecuencia media conforme a la invención están conformados adicionalmente soportes y conexiones que, sin embargo, no están representadas en la Fig. 11 por simplicidad.

Con ello, con el transformador de frecuencia media conforme a la invención se puede conseguir de un modo fiable un aislamiento de circuitos intermedios primarios de CC respecto a circuitos intermedios secundarios de CC, con un tamaño menos, un peso menor y menores costes de lo que hasta ahora era habitual.

Resumiendo, la presente invención da a conocer un transformador de frecuencia media, que por ejemplo en un convertidor CC/CC aísla circuitos intermedios primarios de CC respecto a circuitos intermedios secundarios de CC. El transformador de frecuencia intermedia conforme a la invención presenta un núcleo de dos partes, así como un devanado primario y un devanado secundario dividido, en el que una primera y una segunda parte del devanado secundario dividido están conformadas respectivamente en una parte del devanado primario. Cada devanado está formado preferentemente por un mazo de conductores huecos conformados que están aislados conjuntamente y por los que fluye un líquido refrigerante.

Claims (15)

1. Transformador de frecuencia media con:

un núcleo (K);

un devanado primario (P);

un devanado secundario (S_{1}, S_{2}) distribuido, en el que, respectivamente, una primera y una segunda parte del devanado secundario (S_{1}, S_{2}) están dispuestas en un lado del devanado primario (P); en el que entre la primera parte del devanado secundario (S_{1}) y del devanado primario (P), así como entre la segunda parte del devanado secundario (S_{2}) y del devanado primario (P) está dispuesto, respectivamente, un aislamiento (I),

caracterizado porque el devanado primario (P), así como la primera y la segunda parte del devanado secundario (S_{1}, S_{2}) están conformados respectivamente por un mazo (14, 13) de conductores huecos (11) conformados, a través de los que fluye un líquido de refrigeración (10), estando aislados los conductores huecos (11) de cada mazo (14, 13) conjuntamente como un único conductor por medio de un aislante (12).

2. Transformador de frecuencia media según la reivindicación 1, en el que el devanado primario también esta conformado como devanado distribuido, en el que una primera y una segunda parte del devanado primario (P_{1}, P_{2}) están conformadas en el plano una junto a la otra, en el que están dispuestas asimismo la primera y la segunda parte del devanado secundario (S_{1}, S_{2}).

3. Transformador de frecuencia media según la reivindicación 1 ó 2, en el que para una relación de transmisión de 1,36, el lado primario presenta 16 espiras y el lado secundario presenta 12 espiras.

4. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que un mazo (14) de conductores conformados en el devanado secundario (S_{1}, S_{2}), así como un mazo (13) de conductores conformados en el devanado primario (P; P_{1}, P_{2}) presentan respectivamente uno o varios conductores huecos, pudiendo ser diferente el número de los conductores huecos entre el mazo (14) de conductores conformados en el devanado secundario (S_{1}, S_{2}) y el mazo (13) de conductores conformados en el devanado primario (P; P_{1}, P_{2}).

5. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los conductores huecos están formados por un perfil hueco de aluminio.

6. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que como líquido de refrigeración (10) se usa agua desionizada.

7. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que como material para el núcleo (K) se usa una aleación nano-cristalina con una elevada densidad de flujo de saturación, reducido tamaño constructivo, reducido peso, reducidas pérdidas con una dependencia respecto a la temperatura muy reducida o coeficientes de temperatura negativos, y estabilidad mecánica, o bien ferrita con características correspondientes.

8. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el núcleo (K) está formado por un gran número de capas de material delgadas, que se extienden perpendicularmente respecto al plano de disposición de los devanados primarios y secundarios (P; P_{1}, P_{2}, S_{1}, S_{2}).

9. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el núcleo (K) está hecho de dos mitades que se encuentran en el plano en el que están dispuestos uno junto al otro el devanado primario y el secundario (P; P_{1}, P_{2}, S_{1}, S_{2}), y entre estas mitades del núcleo está conformada una ranura de aire delgada.

10. Transformador de frecuencia media según la reivindicación 9, en el que la ranura de aire presenta una anchura de unos 10 \mum.

11. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones precedentes 1 a 10, en el que en la parte frontal del núcleo (K) están dispuestos tubos de refrigeración (KR) para la refrigeración del núcleo (K).

12. Transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones precedentes 1 a 11, en el que el aislamiento (I) entre el devanado primario y el devanado secundario (P; P_{1}, P_{2}, S_{1}, S_{2}) es un aislamiento de alta tensión que presenta tensiones de aislamiento de hasta 30 kV y es resistente a la descarga
parcial.

13. Transformador de frecuencia media según la reivindicación 12, en el que como aislamiento se usa un aislamiento en el que el devanado correspondiente está arrollado a lo largo de toda su longitud varias veces con una cinta micácea, y los devanados primarios y secundarios (P; P_{1}, P_{2}, S_{1}, S_{2}) están unidos e impregnados por presión al vacío por medio de una resina de impregnación y endurecidos.

14. Transformador de frecuencia media según la reivindicación 13, en el que como resina de impregnación se usa una resina epoxi modificada.

15. Convertidor de CC/CC con un transformador de frecuencia media según una de las reivindicaciones 1 a 14, que aísla circuitos intermedios primarios de CC respecto a circuitos intermedios secundarios de CC.