PL200738B1

PL200738B1 - Transformator średniej częstotliwości

Info

Publication number: PL200738B1
Application number: PL362391A
Authority: PL
Inventors: Stefan Umbricht; Udo Sorg; Michael Steiner; Rolf Schifferli; Harry Reinhold; Matthias Berth
Original assignee: Bombardier Transp Gmbh
Priority date: 2000-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2009-01-30
Also published as: WO2002043085A1; ES2232684T3; ATE282242T1; PT1344230E; DE50104508D1; AU2002221887A1; EP1344230A1; DE10058080A1; PL362391A1; EP1344230B1

Abstract

Wynalazek dotyczy transformatora sredniej cz estotliwo sci, który przyk ladowo izoluje pier- wotne obwody po srednie pr adu sta lego od wtórnych obwodów po srednich pr ady sta lego w przekszta ltniku pr adu sta lego. Transformator sredniej cz estotliwo sci wed lug wynalazku ma dwucz esciowy rdze n oprócz pierwotnego uzwo- jenia i dzielonego uzwojenia wtórnego, przy czym pierwsza i druga cz es c dzielonego uzwo- jenia wtórnego s a wykonane po odpowiedniej stronie uzwojenia pierwotnego. Ka zde uzwoje- nie korzystnie z lo zone jest z zwi azki (14, 13) ukszta ltowanych przewodów (11) wydrazonych, które s a razem izolowane przez izolacj e (12) i przez które przep lywa ciek le ch lodziwo (10). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest transformator średniej częstotliwości, przeznaczony do stosowania w elektronice energetycznej z zakresu ś rednich czę stotliwo ś ci mocy, w szczególnoś ci przeznaczony do stosowania w szeregowo połączonym przetworniku średniej częstotliwości.

Z opisu DE 198 02 760 A1 znany jest współosiowy transformator z kablem współosiowym tworzącym uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne. Uzwojenia otaczają przy tym co najmniej jeden rdzeń, a każdy koniec kabla współosiowego ma zakończenie, które łączy obie żyły kabla współosiowego z przyłączem pierwotnym i przyłączem wtórnym, aby zapewnić izolację elektryczną i sterowanie polem elektrycznym. Korzystnie zastosowano wiele uzwojeń wyposażonych w zakończenia kabla i tworzą cych uzwojenie pierwotne oraz uzwojenie wtórne, przy czym za pomocą mostków łączą cych następuje szeregowe i/lub równoległe połączenie poszczególnych uzwojeń pierwotnych i/lub uzwojeń wtórnych oraz powstaje wspólne zewnętrzne przyłącze pierwotne i zewnętrzne przyłącze wtórne układu modułowego.

Z opisu DE 196 30 284 A1 (odpowiednik opisu EP 0 820 893 A3) znane jest, w systemie napę dzania pojazdu szynowego, sprzęganie dwóch systemów częściowych za pomocą co najmniej jednego transformatora. W każdym z tych dwóch systemów częściowych umieszczony jest przy tym co najmniej jeden czteroćwiartkowy nastawnik, co najmniej jeden kondensator obwodu pośredniego i co najmniej jeden falownik. Czteroćwiartkowy nastawnik pierwszego systemu częściowego jest poprzez system filtrów wejściowych dołączony do sieci napięcia przemiennego, a falownik drugiego systemu częściowego jest połączony z silnikiem napędowym. Czteroćwiartkowy nastawnik pierwszego systemu częściowego i falownik drugiego systemu częściowego pracują przy tym z małą częstotliwością w przybliżeniu 500 Hz, natomiast falownik pierwszego systemu częściowego i czteroćwiartkowy nastawnik drugiego systemu częściowego pracują w zakresie 8-20 kHz.

Ponadto z publikacji Aachener Beitrage des ISEA, tom 9, „Optimierte Auslegung induktiver Bauelemente far den Mittelfrequenzbereich” wiadomo, że dławiki i transformatory do stosowania w nowoczesnych układach elektroniki energetycznej w zakresie średnich częstotliwości, to znaczy 1-100 kHz powodują znaczne straty mocy w uzwojeniu i w rdzeniu magnetycznym, które muszą być odprowadzane przez powierzchnię elementów konstrukcyjnych. Transformatory tego rodzaju stosuje się powyżej 1 kW w układzie połowy mostka lub pełnego mostka do rozdzielania i dostosowywania napięcia. W opisanych badaniach stosowano różne kształty rdzenia, np. rdzenie E, ETD, U, l, PM (Potcore-Modul), RM (moduł prostokątny) i rdzenie kubkowe z oknami na uzwojenia, które są wypełnione taśmą miedzianą. Stwierdzono przy tym, że wspomniany powyżej, znany transformator współosiowy zapewnia najlepsze wyniki. Główny problem stanowił nierównomierny podział strat ciepła, ponieważ przy wszystkich dotychczasowych rozwiązaniach powstawały gorące punkty, które mogły prowadzić do lokalnego przegrzewania. Przy badaniach znanych transformatorów chłodzenie polegało na odprowadzaniu ciepła przez promieniowanie i swobodne unoszenie oraz częściowo przez wykonanie dodatkowych dmuchaw. Nie zaproponowano jednak żadnego właściwego rozwiązania tego problemu, a podano jedynie wynik dotyczący zmniejszenia do minimum strat mocy.

W każdym ze znanych rozwiązań problemy z odprowadzaniem ciepła prowadzą do niezbędnych konstrukcyjnych kompromisów. Znane transformatory są zawsze duże i ciężkie, a zatem i kosztowne.

Celem wynalazku jest opracowanie transformatora średniej częstotliwości, do stosowania w elektronice energetycznej do rozdzielania i dostosowywania napięcia, w szczególności w szeregowo połączonym przetworniku średniej częstotliwości, który dzięki łatwiejszemu odprowadzaniu ciepła powodowałby mniejsze straty ciepła, a ponadto który byłby mniejszy i lżejszy w porównaniu ze znanymi rozwiązaniami.

Transformator średniej częstotliwości, mający rdzeń, pierwotne uzwojenie i dzielone wtórne uzwojenie, przy czym pierwsza i druga część wtórnego uzwojenia jest usytuowana po jednej stronie pierwotnego uzwojenia, natomiast pomiędzy pierwszą częścią wtórnego uzwojenia a pierwotnym uzwojeniem, jak również pomiędzy drugą częścią wtórnego uzwojenia a pierwotnym uzwojeniem jest umieszczona izolacja, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwotne uzwojenie jak również pierwsza i druga część wtórnego uzwojenia są utworzone z wiązki ukształtowanych wydrążonych przewodów, przez które przepływa chłodząca ciecz, przy czym wydrążone przewody każdej wiązki jako pojedynczy przewód są izolowane przez izolację, zaś rdzeń złożony jest z dwóch połówek, które są usytuowane obok siebie w płaszczyźnie, w której znajdują się obok siebie pierwotne uzwojenie i wtórne uzwojenie.

PL 200 738 B1

Korzystnie, uzwojenie pierwotne jest również wykonane jako uzwojenie dzielone, w którym pierwsza i druga część pierwotnego uzwojenia są usytuowane obok siebie w płaszczyźnie, w której usytuowana jest również pierwsza i druga część wtórnego uzwojenia.

W szczególnoś ci, przy stosunku przeł o ż enia 1,36 strona pierwotna ma 16 zwojów, a strona wtórna 12 zwojów.

W szczególnoś ci, wią zka ukształ towanych przewodów we wtórnym uzwojeniu oraz wią zka ukształtowanych przewodów w pierwotnym uzwojeniu ma co najmniej jeden wydrążony przewód, przy czym liczba wydrążonych przewodów może być różna w wiązkach ukształtowanych przewodów we wtórnym uzwojeniu i w wiązkach ukształtowanych przewodów w pierwotnym uzwojeniu.

Wydrążone przewody złożone są, ewentualnie, z wydrążonego kształtownika aluminiowego.

Chłodzącą ciecz stanowi, w szczególności, woda dejonizowana.

Korzystnie, rdzeń jest złożony z wielu cienkich warstw materiału, które przebiegają prostopadle do płaszczyzny usytuowania uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Pomiędzy połówkami rdzenia znajduje się, ewentualnie, wąska szczelina powietrzna.

W szczególności, szczelina powietrzna ma szerokość kilkudziesięciu mikrometrów.

Korzystnie, na stronie czołowej rdzenia znajdują się chłodzące rury do chłodzenia rdzenia.

Ewentualnie, izolację stanowi izolacja, przy której każde uzwojenie na całej swej długości jest wielokrotnie owinięte taśmą z miki, a uzwojenie pierwotne i wtórne są połączone i impregnowane podciśnieniowo żywicą impregnującą oraz utwardzane.

W szczególności, ż ywicę impregnującą stanowi modyfikowana ż ywica epoksydowa.

Transformator średniej częstotliwości według wynalazku łączy w sobie dobrą sprawność i małe rozproszenie energii. Można nim zastąpić znany transformator współosiowy. Przez zastosowanie transformatora średniej częstotliwości według wynalazku realizowana konstrukcja może być lżejsza, mniejsza i tańsza. Ponadto, transformator średniej częstotliwości według wynalazku ma elastyczny stosunek uzwojeń, a dodatkowo możliwe jest zastosowanie dodatkowego urządzenia zasilającego po stronie wysokiego napięcia.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony, w przykładach wykonania, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia podstawową konstrukcję elektronicznie przełączalnego przekształtnika prądu stałego, w którym można zastosować transformator średniej częstotliwości według wynalazku, fig. 2a schematycznie znany zwykły układ uzwojeń, fig. 2b - schematycznie układ uzwojenia dzielonego, jaki można zastosować w transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku, fig. 3a i 3b - w widoku z góry przekrój poprzeczny transformatora średniej częstotliwości według wynalazku z uzwojeniem dzielonym, fig. 4 - graficznie zewnętrzne wymiary transformatora średniej częstotliwości dla stałej indukcyjności rozproszenia w funkcji liczby zwojów N, fig. 5 - graficznie ciężar rdzenia w funkcji liczby zwojów N, fig. 6 - graficznie całkowitą moc strat w funkcji liczby zwojów N, fig. 7 - graficznie całkowitą objętość VTrafo transformatora średniej częstotliwości w funkcji liczby zwojów N, fig. 8a i b - uzwojenia z ukształtowanych przewodów wydrążonych, fig. 9 - w przekroju poprzecznym transformator ś redniej częstotliwości według wynalazku, fig. 10 - przekrój poprzeczny rdzenia stosowanego w transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku, oraz fig. 11 przedstawia trójwymiarowo przykład wykonania transformatora średniej częstotliwości według wynalazku w połączeniu z urządzeniem do chłodzenia rdzenia.

Transformator MFT średniej częstotliwości według wynalazku może być, jak pokazano na fig. 1, częścią elektronicznie przełączalnego przekształtnika prądu stałego w każdym z licznych modułów, które są połączone szeregowo po stronie pierwotnej. Każdy moduł zawiera czteroćwiartkowy nastawnik (4QS), pierwotny obwód pośredni prądu stałego i rezonansowy przekształtnik prądu stałego. Pierwotne obwody pośrednie prądu stałego są oddzielone potencjałowo od wtórnych obwodów prądu stałego przez transformator średniej częstotliwości MFT według wynalazku (w przybliżeniu 6-20 kHz), który jest częścią przekształtnika prądu stałego.

Pokazany na fig. 1 przekształtnik prądu stałego działa jako szeregowy konwerter rezonansowy (SRC). W transformatorze MFT średniej częstotliwości według wynalazku za pomocą szeregowego obwodu rezonansowego, który jest utworzony z rezonansowego kondensatora CR i indukcyjności rozproszenia transformatora MFT średniej częstotliwości, wytwarzany jest prąd o przebiegu w przybliżeniu sinusoidalnym.

Nieregulowane działanie przekształtnika prądu stałego wymaga w miarę możliwości ścisłego sprzężenia pomiędzy stronami pierwotną i wtórną. Aby spełnić ten warunek, trzeba osiągnąć możliwie małą indukcyjność rozproszenia transformatora MFT średniej częstotliwości.

PL 200 738 B1

Indukcyjność rozproszenia wynika ze strumienia magnetycznego, który nie jest całkowicie zamykany przez uzwojenia pierwotne i wtórne albo nie jest całkowicie obejmowany przez wszystkie zwoje w uzwojeniu, które wytwarza ten strumień. Indukcyjność rozproszenia jest przy tym funkcją energii magnetycznej w obszarze uzwojenia:

1. ι · I² = .Η⁰ ί H² · dV 2 ^σ 2

Pod warunkiem, że pomiędzy uzwojeniami pierwotnym i wtórnym istnieje jednorodne pole, można wyprowadzić następujący wzór na indukcyjność rozproszenia

I = ^μ0 · ^lw · ^N | ^bw_całk. + b p² · ^hw l ³ _ przy czym l_w oznacza średnią długość zwoju, N oznacza liczbę zwojów, h_w oznacza wysokość zwoju, b_w=catk. oznacza całkowitą szerokość uzwojeń w oknie uzwojeń (b_p+b_s), b_iso__całk. oznacza całkowitą grubość izolacji międzyuzwojeniowej w oknie uzwojeń, a p oznacza liczbę przestrzeni pomiędzy odcinkami uzwojeń wewnątrz okna uzwojeń.

Według powyższego równania indukcyjność rozproszenia zwiększa się z kwadratem liczby zwojów. Kiedy indukcyjność rozproszenia powinna zmniejszać się, ponieważ zmniejsza się liczba zwojów, wzrastają straty w rdzeniu, natomiast maleją straty w uzwojeniu.

Przy rozważaniu powyższego równania widać, że możliwe jest znaczne zmniejszenie indukcyjności rozproszenia, jeżeli zastosuje się podzielony układ uzwojenia, ponieważ indukcyjność rozproszenia jest proporcjonalna do 1/p².

Z tego względu w transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku stosuje się taki podzielony układ uzwojeń.

Poniżej opisany jest transformator średniej częstotliwości według wynalazku z rozdzielonym układem uzwojeń na przykładzie transformatora średniej częstotliwości o mocy 340 kW.

Transformator średniej częstotliwości według wynalazku w porównaniu z dotychczasowym transformatorem ma małe wymiary, niewielki ciężar, posiada bardzo małą indukcyjność rozproszenia przy dobrej izolacji, małe straty w rdzeniu, małe straty w uzwojeniu oraz zmienny stosunek uzwojeń.

Poniżej w odniesieniu do fig. 2 opisano konstrukcję dzielonego układu uzwojeń w transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku. Konstrukcja ta oprócz zmniejszonej indukcyjności rozproszenia ma dalsze zalety:

- mniejsze natężenie pola w oknie uzwojeń powoduje mniejsze straty na skutek wypierania prądu, oraz

- straty w uzwojeniu przy stałej grubości przewodu i częstotliwości są mniejsze.

Figura 2a przedstawia, w przekroju poprzecznym, okno uzwojeń w dotychczasowym zwykłym układzie uzwojeń z p = 1, natomiast fig. 2b przedstawia okno uzwojeń z dzielonym uzwojeniem według wynalazku z p = 2.

Na fig. 2a wewnątrz rdzenia K usytuowane jest pierwotne uzwojenie P o grubości bP w sąsiedztwie wtórnego uzwojenia S o grubości bS. Oba uzwojenia P i S mają wysokość hW i są oddzielone od siebie izolacją o szerokości biso.

W dzielonym układzie uzwojeń według wynalazku, pokazanym na fig. 2b, wewnątrz rdzenia K po obu stronach pierwotnego uzwojenia P umieszczone są natomiast części S1 i S2 uzwojenia wtórnego. Te części S1 i S2 uzwojenia wtórnego mają przy tym każde grubość bs/2, zaś uzwojenie pierwotne ma grubość bP, podczas gdy odstęp pomiędzy częściami S1, P, S2 uzwojenia jest zawsze odstępem na grubość biso izolacji. Wysokość wszystkich uzwojeń jest zawsze równa wysokości hW uzwojenia. Poprzez przedstawiony podział według wynalazku pomimo nieco większych wymiarów osiąga się zamierzoną małą indukcyjność rozproszenia bez znacznego wzrostu ciężaru.

Odstęp biso izolacji jest wypełniony materiałem izolacyjnym, np. żywicą, ewentualnie z dodatkiem miki, jak to się stosuje przy izolowaniu silników i prądnic.

Aby optymalnie wykorzystać magnetyczny materiał rdzenia, który jest stosunkowo drogi, w korzystnym przykładzie realizacji wybrano uzwojenie obwodowe o kwadratowym przekroju rdzenia.

Oczywiście możliwe jest również podzielenie przykładowo też uzwojenia pierwotnego, jak to pokazano na fig. 3a i 3b (widok z góry i widok z boku). Powstaje wtedy następująca kolejność warstw, jeśli uwzględnić również chłodzenie: chłodzenie CS uzwojenia wtórnego o grubości bCS, uzwojenie wtórne S1 o grubości bW, izolacja I o grubości biso, uzwojenie pierwotne P1 o grubości bw, chłodzenie CS

PL 200 738 B1 uzwojenia pierwotnego o grubości bCP, uzwojenie pierwotne P2 o grubości bW, izolacja I o grubości biso, uzwojenie wtórne S2 o grubości bW oraz chłodzenie CS uzwojenia wtórnego o grubości bCS.

Na fig. 3b przez hka oznaczono całkowitą wysokość rdzenia, przez bka oznaczono całkowitą szerokość rdzenia, a bk oznacza szerokość okna uzwojenia. Szerokość okna uzwojenia jest przy tym określona przez grubość poszczególnych części składowych uzwojenia oraz grubość rdzenia K.

Przy zastosowaniu opisanego powyżej dzielonego układu uzwojeń według wynalazku w połączeniu z chłodzeniem uzwojenia pierwotnego i wtórnego można zrealizować zmniejszoną indukcyjność rozproszenia przy optymalnym wykorzystaniu materiału rdzenia oraz przy lepszym odprowadzaniu ciepła.

Figura 4 przedstawia zewnętrzne wymiary transformatora średniej częstotliwości, opisanego powyżej, ze stałą indukcyjnością rozproszenia L_σ jako funkcją liczby zwojów N. Jak pokazano na fig. 4, całkowita wysokość rdzenia hka rośnie bardzo szybko, kiedy zwiększa się liczba zwojów N, natomiast całkowita szerokość rdzenia bka i zewnętrzna średnica dwa uzwojenia zmniejsza się jedynie nieznacznie. Na podstawie tych krzywych wykreślonych w funkcji liczby zwojów N można teraz w zależności od liczby zwojów N określić dla danej krzywej optymalną wartość całkowitej szerokości rdzenia bka, zewnętrzną średnicę dwa uzwojenia oraz całkowitą wysokość rdzenia hka.

Z fig. 5, gdzie pokazano ciężar rdzenia w funkcji liczby zwojów N, widać, że minimalny ciężar mk rdzenia uzyskuje się wtedy, gdy wybierze się liczbę zwojów N = 22.

Silne zmniejszenie całkowitej wysokości rdzenia hka bez wartego wzmianki zwiększenia całkowitej szerokości rdzenia bka i zewnętrznej średnicy dwa uzwojenia można zasadniczo osiągnąć przez wybranie mniejszej liczby zwojów N. Zwiększony przy tym o 10% ciężar rdzenia mk można zaakceptować, jak pokazano na fig. 5 (mk.ok).

Figura 6 przedstawia całkowitą moc strat PAl + Pvk w funkcji liczby zwojów N, przy czym PAl oznacza straty w uzwojeniu, a Pvk oznacza straty w rdzeniu. Widać, że zmniejszenie liczby zwojów z N = 22 do N = 16 nie ma żadnego wpływu na moc strat. Wyraźne zwiększenie strat energii zaczyna się dopiero przy N < 12.

Ponadto na fig. 7 pokazano całkowitą objętość VTrafo transformatora średniej częstotliwości jako funkcję liczby zwojów N. Objętość VTrafo transformatora średniej częstotliwości oblicza się w przybliżeniu następująco: V_Trafo = b_ka x d_wa x h_ka. Jak wynika z fig. 7, całkowita objętość V_Trafo transformatora średniej częstotliwości przy N=16 jest optymalna (VTrafo.opt = 8,1 l).

Z fig. 4-7 wynika, że korzystnie wybiera się liczbę zwojów N=16. Jednakże dla fachowca jest oczywiste, że w zależności od wymagań stawianych transformatorowi średniej częstotliwości można wybrać również inne wartości N, jeżeli tylko wymagania te (np. wielkość, objętość,...) są spełnione.

Poniżej opisana zostanie dokładniej pokazana na fig. 3a i 3b izolacja I oraz jej konstrukcja i skład.

Jako izolacja l, umieszczona pomiędzy częściami P1, P2, S1, S2 uzwojenia pierwotnego i uzwojenia wtórnego konieczny jest system izolacyjny posiadający następujące właściwości:

- napięcie izolacji do 30 kV,

- niezwykle długa żywotność, oraz

- materiał odporny na częściowe wyładowania.

Jako tego rodzaju materiał i system izolacyjny można przykładowo stosować Micadur®, bazujący na technice izolowania przez impregnowanie podciśnieniowe ABB, ale również inne materiały i systemy izolacyjne, jeżeli mają one powyższe właściwości.

Tego rodzaju izolacja złożona jest z kombinacji syntetycznej żywicy i nieorganicznych materiałów izolujących. Izolacja taka jest wytwarzana następująco. Wstęgę miki owija się przykładowo wokół jednego lub kilku ukształtowanych przewodów. Stanowi ona izolację uzwojenia dla transformatora średniej częstotliwości według wynalazku.

Poniżej objaśnione zostaną w skrócie etapy wytwarzania tego rodzaju izolacji. Po wykonaniu pierwotnego uzwojenia P na całej jego długości owija się je kilka razy taśmą izolującą. Taśma ta złożona jest z cienkiej tkaniny szklanej oraz papieru z miki. Liczba warstw tej taśmy zależy przy tym od żądanego napięcia izolacji i ma w przypadku przedstawionego przykładu transformatora średniej częstotliwości grubość 5 mm. Następnie pierwotne i wtórne uzwojenia P, S1, S2 łączy się ze sobą i przeprowadza się operację podciśnieniowego impregnowania. W charakterze żywicy impregnującej stosuje się przy tym przykładowo zmodyfikowaną żywicę epoksydową. Po całkowitym stwardnieniu izolacja l zachowuje swój kształt. Następnie na powierzchni izolacji l tworzy się powłokę o małej rezystancji elektrycznej, aby uniknąć napięć powierzchniowych, które byłyby niebezpieczne podczas eksploatacji.

PL 200 738 B1

W obszarze dołączenia wysokiego napię cia nakł ada się powł okę o charakterystyce rezystancji zależ nej od napięcia (10⁶-10¹² om).

Poniżej opisane jest dokładniej ukształtowanie uzwojenia.

Ze względu na wysoką częstotliwość pracy transformatora średniej częstotliwości, mianowicie w przybliż eniu w zakresie 6-20 kHz, trzeba uwzglę dniać straty na prą dy wirowe (straty rozproszenia i straty blisko ś ci). Pewne moż liwoś ci zmniejszenia tych strat w uzwojeniach transformatorów ś redniej częstotliwości zostaną omówione poniżej.

Przez podzielenie uzwojenia na dwie części wartość szczytowa natężenia pola magnetycznego w dzielonym uzwojeniu, jak pokazano na fig. 2b, wynosi w przybliż eniu połowę wartości szczytowej w uzwojeniu z tylko jedną częścią, jak pokazano na fig. 2a. Ponieważ straty na prądy wirowe są proporcjonalne do kwadratu strumienia magnetycznego, zatem straty w poszczególnych częściach dzielonego uzwojenia można zmniejszyć do jednej czwartej strat w uzwojeniu niedzielonym.

Poniżej jest teraz omówiony kształt uzwojenia z uwzględnieniem powstających strat ciepła.

Przy stosowaniu uzwojenia z ukształtowanych przewodów zamiast konwencjonalnego uzwojenia foliowego stwierdzono, że moc strat wewnątrz uzwojenia w przykładowym transformatorze średniej częstotliwości rośnie ze współczynnikiem 4. Uzwojenie z przewodów wydaje się zatem na pierwszy rzut oka mniej odpowiednie niż uzwojenie foliowe. Korzystnie jednak w transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku pomimo większych strat stosuje się uzwojenie z ukształtowanych przewodów zamiast uzwojenia foliowego, ponieważ może być ono wyraźnie łatwiej chłodzone, co z kolei kompensuje większą moc strat i prowadzi do znacznie mniejszych różnic temperatury w uzwojeniu przewodowym.

Jako przewody do takiego uzwojenia z uformowanych przewodów stosuje się w transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku korzystnie przewody wydrążone, przykładowo wydrążony kształtownik aluminiowy 5x5 mm, jak pokazano na fig. 8a i 8b. Do rozprowadzenia lub odprowadzenia ciepła powstającego na skutek przepływu prądu przez wydrążony przewód 11 przepuszcza się zdejonizowaną wodę chłodzącą 10. Dzięki takiemu bardzo skutecznemu systemowi chłodzenia uzyskuje się bardzo mały opór cieplny i możliwe jest stosowanie większych gęstości prądu w wydrążonym przewodzie 11. Obliczoną wysokość uzwojenia hw najlepiej jest stosować przy pojedynczo pakietowanym uzwojeniu i przy N = 16, kiedy w przypadku strony pierwotnej izolowane są trzy wydrążone przewody 11 razem za pomocą izolacji 12, a taka wiązka jest razem stosowana jako przewód 13. Przy stosunku przełożenia lub stosunku liczby zwojów 1,36, przykładowo przy napięciu po stronie pierwotnej UDCp = 3,8 kV i napięciu po stronie wtórnej UDCs = 2,8 kV, po stronie wtórnej potrzeba 12 zwojów. W celu najlepszego wykorzystania obliczonej wysokości uzwojenia hw po stronie wtórnej stosuje się zatem wiązkę 14 złożoną z czterech ukształtowanych przewodów. Fig. 8a i 8b przedstawiają ostateczny układ uzwojeń, przy czym rzeczywisty obszar 15 przewodzenia prądu, który jest określony przez głębokość wnikania δ, zakreskowano.

Korzystnie średnica wewnętrzna wydrążonego przewodu 11 w celu spełnienia wymagań powinna mieć powierzchnię przekroju poprzecznego 3x3 mm, co jest wystarczające, kiedy trzy przewody są umieszczone równolegle.

Na fig. 9 transformator średniej częstotliwości według wynalazku jest jeszcze raz pokazany w widoku z boku, aby pokazać schematycznie jego konstrukcję .

Niezależnie od opisanych powyżej części składowych transformatora średniej częstotliwości, również rdzeń przyczynia się znacznie do sprawności transformatora średniej częstotliwości według wynalazku.

Konstrukcja rdzenia bardzo zależy od tolerancji produkcyjnych. Wymagane są tolerancje produkcyjne ±5 mm. Uzwojenia mogą być przy tym wykonywane zarówno jako okrągłe jak i jako owalne.

Jako materiał na rdzeń stosuje się przykładowo nanokrystaliczny stop o następujących właściwościach:

- wysoka indukcyjność nasycenia,

- niewielkie wymiary oraz mały ciężar przy około 6-20 kHz, dzięki dużemu użytkowemu skokowi indukcji,

- mał e straty przy bardzo mał ej zależ noś ci od temperatury lub nawet z ujemnym współ czynnikiem temperaturowym przy około 6-20 kHz, oraz

- mechaniczna stabilność powlekanego rdzenia.

PL 200 738 B1

Tego rodzaju materiałem może przykładowo być Vitroperm 500F z firmy Vacuumschmelze GmbH, ale również inny dostępny na rynku materiał o wspomnianych powyżej właściwościach, np. Ferrite lub Metglas z firmy Honeywell.

Rdzeń z materiału o opisanych powyżej właściwościach umieszczany jest w cienkich warstwach. Taśma ma grubość w przybliżeniu 20-50 μm, a przewodność cieplna zależy od kierunku taśm. Odprowadzanie ciepła wytwarzanego w rdzeniu jest możliwe tylko w kierunku wzdłużnym warstw rdzenia, ponieważ w kierunku poprzecznym przewodność cieplna jest bardzo zła, jak to pokazano na fig. 10. Rdzeń K złożony jest z cienkich warstw materiału i posiada chłodzący korpus WSa, WSi. Ponadto na zewnątrz chłodzących korpusów WSi, WSa umieszczone są rurki chłodzące, za pomocą których chłodzone są chłodzące korpusy WSi, WSa.

Aby w obu połówkach rdzenia otrzymać wyrównane opory magnetyczne, a przez to wyrównaną indukcję, pomiędzy obiema połówkami rdzenia można zastosować wąską szczelinę powietrzną przykładowo rzędu kilkudziesięciu mikrometrów, której jednak nie pokazano na fig. 10.

Na fig. 11 przedstawiono trójwymiarowo transformator średniej częstotliwości według wynalazku, pokazany w połączeniu z korzystną postacią wykonania urządzenia do chłodzenia rdzenia. W środku układu usytuowany jest dwuczęściowy rdzeń K z uzwojeniem W. Po stronie czołowej rdzenia umieszczone są chłodzące rurki KR, przez które przepływa woda chłodząca i które znacznie przyczyniają się do chłodzenia rdzenia K. Końce tych chłodzących rurek KR są przykładowo wyprowadzone pod kątem 90° prostopadle do danej powierzchni czołowej rdzenia i przechodzą przez przelotowe otwory w przykrywającej płycie P, które służą do skręcenia warstwowego rdzenia K i uzwojenia W. Dodatkowo, dla transformatora średniej częstotliwości według wynalazku wykonano jeszcze mocowania i przyłącza, które jednak dla uproszczenia nie są przedstawione na fig. 11.

W transformatorze średniej częstotliwości według wynalazku można zatem niezawodnie uzyskać izolowanie pierwotnych pośrednich obwodów prądu stałego od wtórnych pośrednich obwodów prądu stałego przy wymiarach, ciężarze i kosztach mniejszych niż dotychczas.

Claims

1. Transformator średniej częstotliwości, mający rdzeń, pierwotne uzwojenie i dzielone wtórne uzwojenie, przy czym pierwsza i druga część wtórnego uzwojenia jest usytuowana po jednej stronie pierwotnego uzwojenia, natomiast pomiędzy pierwszą częścią wtórnego uzwojenia a pierwotnym uzwojeniem, jak również pomiędzy drugą częścią wtórnego uzwojenia a pierwotnym uzwojeniem jest umieszczona izolacja, znamienny tym, że pierwotne uzwojenie (P) jak również pierwsza i druga część wtórnego uzwojenia (S1, S2) są utworzone z wiązki (13, 14) ukształtowanych wydrążonych przewodów (11), przez które przepływa chłodząca ciecz (10), przy czym wydrążone przewody (11) każdej wiązki (13,14) jako pojedynczy przewód są izolowane przez izolację (12), zaś rdzeń (K) złożony jest z dwóch połówek, które są usytuowane obok siebie w płaszczyźnie, w której znajdują się obok siebie pierwotne uzwojenie (P) i wtórne uzwojenie (S1, S2).

2. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie pierwotne jest również wykonane jako uzwojenie dzielone, w którym pierwsza i druga część pierwotnego uzwojenia (P1, P2) są usytuowane obok siebie w płaszczyźnie, w której usytuowana jest również pierwsza i druga część wtórnego uzwojenia (S1, S2).

3. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że przy stosunku przełożenia 1,36 strona pierwotna ma 16 zwojów, a strona wtórna 12 zwojów.

4. Transformator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wiązka (14) ukształtowanych przewodów we wtórnym uzwojeniu (S1, S2) oraz wiązka (13) ukształtowanych przewodów w pierwotnym uzwojeniu (P, P1, P2) ma co najmniej jeden wydrążony przewód, przy czym liczba wydrążonych przewodów może być różna w wiązkach (14) ukształtowanych przewodów we wtórnym uzwojeniu (S1, S2) i w wiązkach (13) ukształtowanych przewodów w pierwotnym uzwojeniu (P, P1, P2).

5. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że wydrążone przewody złożone są z wydrążonego kształtownika aluminiowego.

6. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodzącą ciecz (10) stanowi woda zdejonizowana.

PL 200 738 B1

7. Transformator wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e rdzeń (K) jest zł o ż ony z wielu cienkich warstw materiału, które przebiegają prostopadle do płaszczyzny usytuowania uzwojenia pierwotnego i wtórnego (P, P1, P2, S1, S2).

8. Transformator wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e pomiędzy poł ówkami rdzenia (K) znajduje się wąska szczelina powietrzna.

9. Transformator według zastrz. 8, znamienny tym, że szczelina powietrzna ma szerokość kilkudziesięciu mikrometrów.

10. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że na stronie czołowej rdzenia (K) znajdują się chłodzące rurki (KR) do chłodzenia rdzenia (K).

11. Transformator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że izolację stanowi izolacja, przy której każde uzwojenie na całej swej długości jest wielokrotnie owinięte taśmą z miki, a uzwojenie pierwotne i wtórne (P, P1, P2, S1, S2) są połączone i zaimpregnowane podciśnieniowo żywicą impregnującą oraz utwardzone.

12. Transformator według zastrz. 11, znamienny tym, że żywicę impregnującą stanowi modyfikowana żywica epoksydowa.