Високоволтов високочестотен електронен трансформатор Даниел Георгиев, Крум Бешински

Високоволтовите (с напрежение над 10 kV) и големи мощности (над 10 kVA) токозахранващи устройства намират широко приложение в промишлеността, което включва използването им в апаратури за медицинска диагностика, в самолетната индустрия и също така в системите за пречистване на въздуха от вредни емисии в промишлени предприятия и електрически централи. Конвенционалните високоволтови токозахранващи устройства се изграждани на базата на нискочестотно управление и нискочестотни трансформатори, което довежда до големи размери и тегло на захранващите устройства. Последните нововъведения и открития в областта на силовата електроника позволява да се създадат нови преобразувателни токозахранващи устройства които използват високи работни честоти и високочестотни трансформатори. Това от своя страна допринася до намаляването на размера и общото тегло на устройствата. Това предимство намира широко приложение особено в устройства където размера и теглото са от първостепенно значение.

В представения проект за високочестотен високоволтов захранващ източник, изходното напрежение U_изх=100kV може да се постигне по два основни метода:

- чрез използването на трансформатор при който по-ниското изходно напрежение се изправя и умножава от умножител на напрежение.

- чрез трансформатор и изправител на променливо напрежение на изхода на който се получава директно U_out=100 kV.

• 
  U_in = 500 V, U_out1 = 30 kV, I_out1 = 1 A, P_out1=30 kVA, f =20 kHz (работна честота);
  
• 
  U_in = 500 V, U_out2 = 100 kV, I_out2 = 0.3 A, P_out2=100 kVA, f =20 kHz (работна честота);
  

Също така е представена модел и симулация на работата на проектирания трансформатор при така зададените му параметри на работа със специализирания софтуер за симулация на електронни схеми Pspice.

При проектирането на високоволтовия трансформатор са взети под внимание следните особености:

• 
  изисквания към високоволтова изолация,
  
• 
  избор на материал, форма, и място за разположение на намотките в сърцевината,
  
• 
  паразитни капацитети и индуктивност,
  
• 
  ефект „корона”,
  
• 
  охлаждане на трансформатора.
  

1. 
   Изисквания към високоволтовата изолация.
   

Обикновените изолационни материали имат диелектрична якост от порядъка на единици kV/mm. Някои специални изолационни материали имат много добри изолационни качества и имат диелектрична якост от порядъка на 10-40 kV/mm. Такъв тип е изолационния материал Nomex^® Type 410 който представлява изолационна хартия, която осигурява диелектрична якост до 32 kV/mm. Този материал е избран в описания трансформатор за изолация между слоевете на трансформатора с дебелина от 0,25mm. За по добра изолация от околната среда и за да се предотврати ефекта „корона” е възможно поместването на трансформатора в трансформаторно масло което има по-голяма диелектрична якост от въздуха и освен това спомага за охлаждането му.

2. 
   Избор на материал и сърцевина за трансформатора.
   

3. 
   Паразитни капацитети и индуктивности.
   

4. 
   Намотки и загуби в сърцевината.
   

Основните технически характеристики на проектирания трансформатор във двата му варианта с работно изходно напрежение U_out1 = 30 kV и U_out2 = 100 kV, които са получени на базата на описната методика за изчисление на импулсни трансформатори [2], са показани в Таблица 1.

Трансформатор Параметри	Uout1 = 30 kV Iout1 = 1 Pout1=30 kVA	Uout2 = 100 kV Iout2 = 0.3 A Pout1=30 kVA
Брой навивки на първичната намотка N1	10	10
Брой навивки на вторичната намотка N2	600	2000
Дебелина на изолацията между първичната и вторичната намотка	0.25 mm	0.8 mm
Допустима мощност на разсейване	111 W	111 W
Загуби в медните проводници	57.1 W	26.4 W
Загуби във от вихрови токове (загуби във ферита)	32.8 W	44.5 W
Тегло на проводника в първичната намотка	0.14 kg	0.14 kg
Тегло на проводника във вторичната намотка	0.18 kg	0.64 kg
Общо тегло	5.32 kg	5.74 kg

Основното в модела на трансформатор за PSpice е моделирането на сърцевината на трансформатора. Нейният модел се задава с чрез свързващия елемент K_break за нелинейни електромагнитни системи. В използвания модел, K_break свързва две индуктивности, L1 и L2, като по този начин формира модела на трансформатора. L1 и L2 представляват съответно първичната и вторичната намотка на трансформатора, със съответния брой навивки.

Параметрите А, С и К са параметри на PSpice и тяхното получаване е труден и дълъг процес, тъй като се определят опитно. Те определят хистерезисната крива на трансформатора. Параметърът А определя наклонът на В-Н кривата, параметърът С определя началната магнитна проницаемост, а параметърът К определя колко разтворена е хистерезисната крива. Техният подбор се осъществява опитно, до постигане на желаната форма и размах на В-Н кривата.

Симулираната хистеризната крива на трансформатора съпоставена с кривата от справочните данни на сърцевината са показани съответно на фиг. 3

5. 
   Симулационни резултати илюстриращи работата на трансформатора.
   

На фигура 4, са показани симулационните резултати за трансформатора с изходно напрежение 30 kV.

На фигурa 5 са показани симулационните резултати за трансформатора с изходно напрежение 100 kV.

Фиг. 5. Ефективна стойност на мощността върху товарното съпротивление.

Представения доклад показва едно от основните преимущества на токозахранващите устройства работещи при високи честоти, а именно постигането на малки геометрични размери и маса на основния силов трансформатор в сравнение с конвенционално изпълнение.

От резултатите при симулации, може да се обобщи, че общите загуби при модела на високочестотен трансформатор на 30кV и 100кV са приблизително еднакви. Недостатък при високо напрежение (100кV) е, че се появяват сериозни проблеми при високоволтова изолация. Това налага да се предпочете варианта при по-ниско напрежение ( 30кV ) на високочестотен трансформатор.

литература:

[1]. John C. Fothergill, Philip W. Devine, and Paul W. Lefley “A Novel Prototype Design for a Transformer for High Voltage, High Frequency, High Power Use” Ieee Transactions on Power Delivery,vol.16 No1, Jan. (2001)

[2]. Van den Bossche A., Valchev V.C. “Transformers and Inductors for Power Electronics”, CRC Press, Boca Ration, FL, USA (2005)

[3]. T.Filchev, D.Cook, P. Wheeler, A. Van den Bosche, V. Valchev “High Power, High Volatge, High Frequency Transformer / Rectifier for HV Industrial Aplications” EPE 2008 Poznan, Poland

Крум Бешински, студент спец. „Електроника” при ЕФ на ТУ-Варна, ул. „Студентска” № 1, e-mail: k_beshinski@mail.ru

За трансформатор с напрежение на вторичната намотка 30kV и 100кV (стойността в скоби).

R1 1 2 0.3

L1 2 0 10

L2 4 0 634 (2050)

K12 L1 L2 0.9999 CMOD

.MODEL CMOD CORE (AREA=2700 PATH=754 GAP=0.1 MS=1.9E+3 A=45 C=0.2 K=155)

R2 4 6 22

C1 4 6 10u

RL 6 0 30k

.TRAN 1US 1msS

.PRINT TRAN V(4) I(RL)

.PROBE