ES2716506T3 - Transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia - Google Patents

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Abstract

Transformador de Alta Tensión, Alta Frecuencia y Alta potencia que cuenta con núcleo (1) sobre que se dispone el arrollamiento primario (2) sobre el que se dispone de manera aislada un bobinado secundario (4) quedando todo el conjunto alojado y montado en un aislador (3), donde el aislador (3) está formado por dos partes o mitades (6) y (7) simétricas respecto de un plano vertical transversal, contando cada parte con un elemento tubular hueco (3.1) alojado en el interior de una carcasa exterior (3.2) de cada mitad del aislador, definiendo en cada parte un espacio anular (3.3) comprendido entre la pared exterior del elemento tubular (3.1) y la pared interior de la carcasa exterior (3.2), lugar donde se dispone el arrollamiento secundario o de alta tensión, presentando el aislador(3) en su carcasa exterior una ranura (5), que está situada a nivel de cero voltios, y a través de la cual penetra el aceite hacia el bobinado secundario.

Description

DESCRIPCIÓN
Transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia.
La presente invención se caracteriza por las características constructivas especiales que presenta particularmente el aislador sobre el que se monta el núcleo, la bobina primaria y la bobina secundaria, de manera que se logra un aislamiento suficiente entre ambos bobinados, un acoplamiento magnético máximo, y la posibilidad de refrigeración de los bobinados primario y secundario por medio de aceite, logrando un transformador que en un espacio muy reducido pueda adaptarse a las medidas de un tubo de rayos-x.
Por lo tanto, la presente invención se refiere al campo de los transformadores y, particularmente, a los transformadores de alta potencia, alta frecuencia y alta tensión.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Con el estado actual de la técnica, diseñar y construir un transformador de alta tensión o de alta frecuencia o de alta potencia, no representa ningún problema. Sin embargo, diseñar y construir un transformador que reúna estas tres características simultáneamente, representa un gran reto, debido a las necesidades contrapuestas de cada una de las características mencionadas con anterioridad.
Un transformador de alta tensión, requiere un grado elevado de aislamiento entre sus bobinados primario y secundario (gran distancia de separación entre los bobinados de alta y baja tensión o gran espesor de los aisladores). Esta separación entre bobinados disminuye el acoplamiento magnético entre ambos y, por lo tanto, aumenta la reactancia de dispersión, limitando la salida de potencia.
Un transformador de alta frecuencia requiere un muy buen acoplamiento entre los bobinados primario y secundario, para tener un rendimiento aceptable y para que la potencia de salida no se vea limitada por un acoplamiento poco eficaz (excesiva reactancia entre primario y secundario). Para cumplir con este requisito, se necesita que la distancia entre los bobinados primario y secundario sea lo menor posible (que es justo lo contrario de lo que se necesita para un transformador de alta tensión). Además, cuanto más alta sea la frecuencia de operación, mejor tiene que ser el acoplamiento, porque la reactancia entre los bobinados es directamente proporcional a la frecuencia.
Un transformador de alta potencia, requiere que la impedancia de los bobinados sea muy pequeña y que la reactancia entre ambos sea lo suficientemente baja como para no limitar la potencia de salida. Esta reactancia se minimiza cuando aumenta el acoplamiento entre los bobinados primario y secundario, es decir, cuando ambos bobinados están próximos entre sí (que es justo lo contrario de lo que se necesita para un transformador de alta tensión). Además, cuanto más alta sea la salida de potencia o la frecuencia de operación, mejor tiene que ser el acoplamiento, porque la reactancia entre los bobinados es directamente proporcional a la frecuencia.
En el estado de la técnica se conocen los siguientes documentos publicados:
- El documento US 5060253, que describe un suministro de potencia de alta tensión para tubos de rayos X en aparatos radiológicos. La invención se explica por el hecho de que los bobinados secundarios, los condensadores y los diodos del rectificador y los circuitos dobladores de tensión, están dispuestos todos en un recinto hecho de dos semi-anillos, mientras que el bobinado primario y el circuito magnético están dispuestos fuera del recinto. El documento US 5060253 describe un transformador de acuerdo con el preámbulo de la presente reivindicación 1. - El documento US 6115236 que describe un soporte modular para los elementos funcionales de una unidad de suministro de potencia de alta tensión.
- El documento US 5003452, que describe un dispositivo para el suministro de tubos de rayos X, los bobinados primario y secundario del transformador están bobinados en carretes circulares que están adaptados para ajustarse dentro de los dos semi-anillos.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un transformador que simultáneamente sea de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia, donde los requisitos de aislamiento, acoplamiento magnético sean tales que permitan conseguir los fines buscados, desarrollando un transformador como el que a continuación se describe y se expone en su esencialidad en la reivindicación primera.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención un transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia en un espacio muy reducido, de forma que pueda adaptarse a las medidas del tubo de rayos X, para poder ensamblarlo en un solo módulo, de forma que los niveles de potencial eléctrico coincidan entre ellos (instalación equipotencial) y de esta forma reducir el peso y volumen del conjunto con el fin de hacerlo más económico y eficaz.
El transformador, va sumergido en aceite (mineral o vegetal), que tiene dos objetivos principales: sirve como aislador eléctrico y como refrigerante de los elementos eléctricos y magnéticos del transformador.
El transformador de acuerdo con la presente invención se define por la presente reivindicación 1.
Debido a la configuración descrita, se consigue lo siguiente:
- El bobinado primario y el bobinado secundario ocupan longitudinalmente el mismo espacio, lo que maximiza el acoplamiento magnético entre los bobinados y por lo tanto también se minimiza la reactancia entre ellos, lo que permite maximizar la salida de potencia.
- Permite disponer el rectificador, el filtro y divisor resistivo del bobinado secundario muy juntos entre sí por ser circuitos equipotenciales y tener el mismo potencial a lo largo de ellos.
- La distancia entre el bobinado primario y el secundario queda minimizada por medio del elemento tubular hueco que separa ambos bobinados lo que permite un buen acoplamiento magnético sin perder aislamiento.
- La geometría de la carcasa exterior de cada mitad del aislador proporciona una ranura situada en el nivel de cero voltios donde no se necesita un gran aislamiento y sin embargo permite que el aceite entre en contacto con el bobinado secundario.
EXPLICACIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un conjunto de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
En la figura 1A, se muestra una representación en vista frontal del transformador objeto de la invención.
En la figura 1B se muestra la sección obtenida al cortar el transformador de la figura 1A por un plano A-A. En la figura 1C se muestra la sección obtenida al cortar el transformador por un plano C-C.
En la figura 1D se muestra la sección obtenida al cortar el transformador por un plano B-B.
En la figura 2 se muestra la representación del transformador en perspectiva.
En la figura 3 se muestra una representación axionométrica de una de las mitades del aislador.
En la figura 4.1 se muestra la vista lateral de una de las mitades del aislador.
En la figura 4.2 se muestra la sección obtenida al cortar el aislador por un plano D-D.
FORMA DE REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras se describe seguidamente una forma de realización preferente de la invención propuesta.
En las figuras 1A, 1B, 1C y 1D es posible observar un núcleo magnético (1) sobre el que se dispone el bobinado primario (2) contando con un aislamiento básico de baja tensión entre ellos, porque ambos funcionan muy próximos a cero voltios, que es el nivel de tierra de seguridad (GND).
El conjunto de bobinado primario (2) y núcleo magnético (1) queda alojado en el interior de un elemento tubular hueco (8) definido en el aislador (3) del transformador, y sobre dicho elemento tubular hueco (8) se dispone el bobinado secundario (4). Como se puede observar, tanto el núcleo magnético (1) como el primario (2), están en contacto directo y permitiendo el flujo del aceite a través de ellos, para poder evacuar con facilidad el calor producido por las pérdidas de funcionamiento del transformador.
En la figura 1B se muestra que el bobinado secundario (4) está dividido en distintas secciones bobinadas en carretes independientes (4.1 a 4.8), cuya tensión es rectificada, filtrada y conectada en serie para sumar todas las tensiones de cada carrete por medio del rectificador (9) y filtro (10). El divisor resistivo (11), es para tomar una muestra de la tensión de salida y realimentarlo al circuito de control, de esta forma tendremos el control absoluto y preciso de la tensión de salida.
En esta misma figura, se observa que la tensión de cero voltios (nivel de tierra o GND), está fijada justo en el centro del secundario (entre los carretes 4.4 y 4.5), donde el aislador (3) tiene una apertura (5) para permitir que el de aceite fluya al interior del aislador (3) y de esta forma aislar y refrigerar la circuitería del secundario, que está situada en el lado de la alta tensión. Esta apertura no perjudica al aislamiento del transformador, porque está hecha en la zona de muy baja tensión, donde el aislamiento del aceite es suficiente.
También podemos observar, que la tensión del transformador decrece de forma progresiva, así para un transformador de 150 KV y con polaridad negativa hacia el lado izquierdo, alcanza un valor mínimo de -75 kV en el extremo izquierdo. De la misma forma progresiva, va creciendo linealmente con polaridad positiva hacia el lado derecho del transformador, alcanzando un valor máximo de 75 kV en el extremo derecho. De esta forma, tendremos -75 kV en el lado izquierdo, creciendo linealmente hasta los 75 kV en el lado derecho, lo que nos da una diferencia de potencial total de 150 kV entre ambos extremos, con el potencial de cero voltios (tierra o GND) en el centro del transformador.
Tanto el rectificador (9), como el filtro (10), como el divisor resistivo (11), tienen los mismos valores de potencial a lo largo de ellos. Esto significa, que no hay apenas diferencia de potencial entre ellos y permite situarlos muy juntos entre sí, por ser circuitos equipotenciales.
Se puede observar que el bobinado primario (2) y el bobinado secundario (4) formado por los carretes (4.1) a (4.8) ocupan longitudinalmente el mismo espacio para maximizar el acoplamiento magnético entre ellos y por lo tanto minimizar la reactancia entre ellos, lo que nos permitirá maximizar la potencia de salida.
En las figuras 2, 3, 4.1 y 4.2 se pueden observar las características constructivas que presenta el aislador (3) que como puede observarse comprende dos mitades o partes (6) y (7), que son simétricas con respecto a un plano vertical al aislador (3), donde cada una de las partes o mitades (6) y (7) comprende un elemento tubular hueco (3.1) donde se aloja el conjunto formado por el núcleo (1) y el bobinado primario (2), envolviendo al elemento tubular hueco hay una carcasa exterior (3.2), y conectado un extremo del elemento tubular hueco con la carcasa exterior (3.2), de manera que el espacio interior del elemento tubular hueco (3.1) se conecta con exterior y entre el elemento tubular hueco (3.1) y la carcasa exterior (3.2) se define un espacio anular (3.3), que es sobre el que se dispone el bobinado secundario (4).
Otra característica del aislador (3) y, particularmente, del elemento tubular (3.1) de cada mitad (6) y (7), es que presenta una longitud tal que en uno de sus extremos o borde libre (3.4) sobresale del borde libre (3.5) de la carcasa exterior (3.2) (figura 4.2), de manera que al acoplar ambas mitades (6) y (7) haciendo que contacten los bordes libres (3.4) de los elementos tubulares huecos (3.1), entre los bordes libres (3.4) de las carcasas exteriores (3.2), se define un hueco o ranura (5) (figura 2), a través de la cual penetra el aceite de refrigeración al bobinado secundario (4) alojado en el espacio anular (3.3).
El aislamiento entre el bobinado primario (2) y el secundario (4) se consigue por el elemento tubular (8) formado por los elementos tubulares huecos (3.1) de cada mitad (6) y (7) del aislador (3). El espesor de los elementos tubulares huecos (3.1) es tal que permite por un lado el aislamiento entre ambos bobinados, y por otro lado un buen acoplamiento magnético.
La carcasa exterior (3.2) de cada una de las mitades del aislador (3) permite aislar el bobinado secundario (4) y definir una ranura a través de la cual fluya el aceite a través de la circuitería del bobinado secundario (4).
Con las características descritas se ha podido conseguir entre otros un transformador de alta tensión (150 kV), alta frecuencia (entre 50 kHz y 150 kHz) y alta potencia (80 kW), en un espacio muy reducido, de forma que pueda adaptarse a las medidas del tubo de rayos X, para poder ensamblarlo en un solo módulo, de forma que los niveles de potencial eléctrico coincidan entre ellos (montaje equipotencial) y de esta forma reducir el peso y volumen del conjunto con el fin de hacerlo más económico y eficaz.
Habiendo descrito suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, dentro del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia que comprende un aislador (3), un núcleo (1) sobre que se dispone el bobinado primario (2), sobre el que se dispone de manera aislada un bobinado secundario (4), quedando todo el conjunto del núcleo y los bobinados alojado y montado en el aislador (3), en el que el aislador (3) está formado por dos partes o mitades (6, 7) que son simétricas con respecto a un plano vertical transversal y que están acopladas entre sí, contando cada parte o mitad con un elemento tubular hueco único (3.1) alojado en el interior de una carcasa exterior (3.2) de cada parte o mitad del aislador y con un extremo del elemento tubular hueco (3.1) conectado con la carcasa exterior (3.2), de manera que el espacio interior del elemento tubular hueco (3.1) esté conectado con el exterior y se defina en cada parte o mitad un espacio anular (3.3) comprendido entre la pared exterior del elemento tubular (3.1) y la pared interior de la carcasa exterior (3.2), donde se dispone el bobinado secundario,
en el que el bobinado primario (2) está dispuesto en el interior de los elementos tubulares huecos (3.1), caracterizado porque
el elemento tubular hueco (3.1) de cada parte o mitad del aislador (3) cuenta con la particularidad de que su extremo libre (3.4) sobresale con respecto al borde libre (3.5) de la carcasa exterior (3.2), de tal manera que al acoplar las dos mitades (6, 7) del aislador (3), quedan en contacto los extremos libres (3.4) de los elementos tubulares huecos (3.1), mientras que entre las dos carcasas exteriores (3.2) se define una ranura (5), que está situada a nivel de cero voltios, y a través de la cual penetra el aceite hacia el bobinado secundario (4).
2. Transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el bobinado secundario (4) está dividido en diferentes secciones bobinadas (4.1 a 4.8) que están bobinadas en carretes independientes y cuya tensión es rectificada, filtrada y conectada en serie para sumar todas las tensiones de cada sección bobinada por medio del rectificador (9) y un filtro (10) del transformador montados junto al bobinado secundario.
3. Transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque cuenta adicionalmente con un divisor resistivo (11) montado junto al rectificador (9) y el filtro (10).
4. Transformador de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bobinado primario (2) y el bobinado secundario (4) están dispuestos co-axialmente adyacentes entre sí.
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