SK2262017U1 - Kvapalinou chladený oddeľovací stredofrekvenčný výkonový transformátor toroidného vyhotovenia - Google Patents

Abstract

Kvapalinou chladený stredofrekvenčný výkonový oddeľovací transformátor vtoroidnom vyhotovení vyznačujúci sa tým, že medzi magnetický obvod (10) a primárnu cievku (30) je vložený kvapalinový chladič (20) pre odvod strát z magnetického obvodu (10), pričom sú dodržané požiadavky spojené s vysokou napäťovou pevnosťou na použitie ako oddeľovací transformátor (50). Navrhované riešenie umožňuje realizovať galvanický oddelené DC-DC meniče spínaných výkonových zdrojov. Chladiacou kvapalinou v tomto prípade nie je transformátorový olej, ale voda, resp. zmes nemrznúcej kvapaliny s vodou na použitie pri teplote okolia aj pri teplote pod bodom mrazu.

Description

Technické riešenie sa týka konštrukčného riešenia pre stredofrekvenčný výkonový transformátor v toroídnom vyhotovení s prispôsobením pre chladenie magnetického obvodu a čiastočne aj vinutia kvapalinou pri zachovaní požiadavky na vysokú napäťovú pevnosť a nízku hladinu čiastočných výbojov. Chladiacou kvapalinou v tomto prípade nie je transformátorový olej, ale voda resp. zmes nemrznúcej kvapaliny s vodou pre použitie pri teplote okolia a aj pri teplote pod bodom mrazu.

Doterajší stav techniky

Bezprostrednou súčasťou galvanicky oddelených DC-DC meničov vyššieho napätia a výkonu sú oddeľovacie transformátory. Navrhované riešenie umožňuje realizovať galvanicky oddelené DC-DC meniče spínaných výkonových zdrojov s vyšším výkonom (viac ako 40 kVA) použitím kvapalinou chladeného oddeľovacieho stredofrekvenčného výkonového transformátora. Aktívny záujem o spínané zdroje súvisí bezprostredne s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC) a výkonovými vlastnosťami, ktoré si vynucujú hľadanie nových konfigurácií meničov. Pozornosť je venovaná zvýšeniu merného výkonu meniča použitím vhodný ch technológií a aktívnych a pasívnych prvkov s nízkymi stratami. Samotné spínané zdroje sú charakteristické rozličnými schémami zapojení v závislosti od výstupného výkonu, napájacieho napätia a jeho tolerancii, výstupného napätia a jeho stability, celkovej účinnosti a pod. Vzhľadom na požadované rozmery a hmotnosť meničov sú tieto spínané vyššími frekvenciami, pričom aj predmetný oddeľovací transformátor musí pracovať pri vyššej frekvencii, ako stredofrekvenčný výkonový transformátor.

U väčšiny meničov stredných výkonov sú spínacie frekvencie od 10 do 30 kHz, v nasledujúcej dekáde zásluhou vývoja nových polovodičových prvkov to bude posun k frekvencii 50 kHz s perspektívou až 100 kHz. Pre tieto spínacie frekvencie musí byť navrhnutý materiál magnetického obvodu, vinutie a jeho izolačný systém Z dostupných materiálov je možné predmetné stredofrekvenčné výkonové transformátory realizovať použitím magneticky mäkkých materiálov z amorfných kovových materiálov (AKM), nanokryštalických materiálov (NKM), alebo feritov. Váiľadom na stúpajúce požiadavky na zvýšenie merného výkonu je použitie feritových jadier pre túto výkonovú triedu stredofrekvečného transformátora neaktuálne vzhľadom na rozmery a hmotnosť takéhoto stredofrekvečného transformátora. Podľa toho čo je komerčne na trhu dostupné, podľa tvaru jadier je možno použiť toroidné, alebo delené (rezané, tvaru „2C a na bočných hranách zlepené) jadrá ako z (AKM), tak z NKM. V podstatne širšom rozsahu sú dostupné toroidné jadrá z AKM, resp. NKM, avšak ich použitie je technologicky realizovateľné pre stredofrekvečné transformátory s max výkonom cca 40 50 kVA (závisle od frekvencie a hodnoty napätia resp. prevodu transformátora, izolačnej pevnosť a i.), vzhľadom na zhotoviteľnosť vinutí pri aplikácii núteného vzduchového chladenia. Požiadavky na ďalšie zvyšovanie výkonov spínaných zdrojov a tým aj parametrov magnetických obvodov odzrkadľujúce sa vo zvyšovaní výkonov predmetných transformátorov, generujú nové požiadavky, z ktorých je významná práve potreba zvýšenia výkonu, optimalizácia rozmerov a hmotnosti, čo je už ťažko realizovateľné s toroidnými tvarmi jadier, s prirodzeným chladením alebo núteným ofukovaním, a preto je potrebné pristúpiť k návrhu magnetického obvodu buď s iným tvarom jadier než toroidné tvary, alebo navrhnúť efektívnejší spôsob chladenia.

Podstata technického riešenia

Požadované zvýšenie výkonu pri zachovaní toroidnej konštrukcie je možné dosiahnuť implementovamm kvapalinového chladenia s dôrazom na odvedenie tepla z jadrá (jadier) stredofrekvečného výkonového transformátora. Podstata technického riešenia spočíva v tom, že medzi toroidné jadro (jadrá) a vinutie primárnej cievky je vložený navrhnutý kvapalinový chladič, vyrobený z polotovaru medenej trubky. V závislosti od výkonu transformátora závisí aj počet jednotlivých jadier magnetického obvodu a tým aj veľkosť navrhnutého kvapalinového chladiča toroidných jadier transformátora. Medzi jadrom (jadrami) a kvapalinovým chladičom, obdobne kvapalinovým chladičom a vinutím je izolačná medzera v závislosti od požadovanej napäťovej pevnosti. Požiadavka na zvýšenú izolačnú pevnosť a min. úroveň čiastočných výbojov, vyhotovenie ako oddeľovací transformátor, je zaistená umiestneným jednotlivých komponentov v plášti a zaliatím polyuretánovou (prípadne epoxidovou) živicou. Dimenzovanie jadier, ale aj primárneho vinutia je ovplyvnené dosiahnutým odvodom tepla pomocou navrhnutého kvapalinového chladiča, prietoku chladiacej kvapaliny chladičom ale aj jeho teplotou.

SK226-2017 U1

Prehľad obrázkov na výkresoch • Obr. 1: Spôsob vyhotovenia kvapalinového chladiča • Obr. 2: Pohľad na principiálne znázornenie konštrukčného riešenia kvapalinou (vodou) chladeného oddeľovacieho stredofrekvenčného výkonového transformátor toroidného vyhotovenia

Príklady uskutočnenia

Na obr. 1 a 2 je znázornený konkrétny príklad realizovania technického riešenia pre realizáciu stredofrekvenčného výkonového transformátora, s kvapalinových vzduchovým chladením Transformátor pozostáva z viacerých hlavných častí: magnetický obvod h0, kvapalinový chladič 20, primárna cievka 30, sekundárna cievka (cievky) 40 a plášť transformátora 50.

Magnetický obvod 10 je tvorený dvojicou (prípadne trojicou, 4, 5 ...n) toroidných jadier z nanokryštalického materiálu, jadrá sú ovinuté izoláciou 11, z vonkajšej strany magnetického obvodu 10 je umiestený kvapalinový chladič 20, s konektormi 21 a 22 pre vstup a výstup chladiaceho média, chladič 20 je taktiež opradený izoláciou 61. Ďalšou vrstvou 30 je primárna cievka (prípadne viacero cievok) tvorená vinutím z vysoko frekvenčného zväzkového vodiča so vstupnou svorkou 31 a výstupnou svorkou 32. Nasleduje sekundárna cievka (prípadne viacero cievok) tvorená vinutím z vysokofrekvenčného zväzkového vodiča so vstupnou svorkou 41 a výstupnou svorkou 42. Medzi jednotlivé vrstvy sú vkladané magneticky nevodivé dištance 62 uspôsobené tak aby bolo dodržané požadované umiestnenie a vzdialenosť jednotlivých vrstiev 10 až 50. Takto vyhotovený transformátor je vo vákuu zaliati izolačnou hmotou (napr. polyuretánová alebo epoxidová živica).

Priemyselná využiteľnosť

Konštrukčné riešenie kvapalinou chladeného stredofrekvenčného výkonového oddeľovacieho transformátora možno využívať pre stavbu DC-DC meničov vyššieho výkonu pre kompletovanie meničov pomocných pohonov rušňov, stabilizovaných výkonových prúdových zdrojov pre napájanie magnetických systémov synchrotrónov, v napájacích systémov nepretržitého napájania a pri výrobe elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov, prinášajúc výraznú úsporu rozmerov a hmotnosti samotných transformátorov, oproti riešeniam s transformátormi realizovanými pri priemy s elnej frekvencii.

Claims (1)

1. Kvapalinou chladený stredofrekvenčný výkonový oddeľovací transformátor v toroidnom vyhotovení, vyznačujúci sa tým, že medzi magnetický obvod (10) a primárnu cievku (30) je vložený kva5 palmový chladič (20) pre odvod strát z. magnetického obvodu (10).