Ogólna dyskusja na temat transformatora wysokiego napięcia do przetwornicy

Hej,

Planuję nawinąć transformator wysokiego napięcia (rzędu 10kV 50W) do przetwornicy.

Niestety za wiele informacji nie potrafiłem znaleźć na temat technik nawojowych takich transformatorów w internecie, dlatego otwieram ten temat by podyskutować na temat nawijania takich transformatorów.

Aktualnie planuję użyć Rdzeni na bazie Mn-Zn typu UU, karkas z poliacetalu, drut nawojowy o średnicy 0.112 GR2 i izolacja z taśmy poliestrowej 54mm.
Jednak tutaj mam problem, ponieważ chce nawijać warstwę o szerokości około 10cm, taśma ma tylko 54mm, więc będę musiał nawijać na "zakładkę" czy jak to inaczej nazwać. Pytanie czy w ogóle jest to dopuszczalne?

Inna sprawa to czym lakierować poszczególne warstwy? oraz czym zabezpieczyć krawędzie karkasu? (Karkas będzie jednak wydrążoną laską poliacetalu, więc przydało by się to jakoś zabezpieczyć).

Ogólnie zachęcam do dzielenia się swoimi postrzerzeniami i doświadczeniem związanym z nawijaniem tranfsormatorów na wysokie napięcie.

Gotowiec jest napewno prostszy i nawet bezpieczniejszy, jednak tutaj chodzi o kształcenie się.
W końcu gotowy transformator to ograniczenia, nie jestem w stanie dobrać jego parametrów a mam do skończenia projekt, gdzie będę potrzebować 10kV ale z mocą 2kW. Tak, więc takie maleństwo zasilane z zasilacza laboratoryjnego traktuje jako zabawkę do nauki.

To po pierwsze, trzeba uważać, żeby nie doszło do przebicia z tych 10kV np. do rdzenia - pomyśl, jak rozmieścić uzwojenie, żeby do rdzenia (i wszystkiego w otoczeniu, co nie jest dobrym izolatorem) było daleko. Po drugie, to uzwojenie pewnie będzie miało sporą pojemność i sporą indukcyjność rozproszenia (część indukcyjności odpowiadająca strumieniowi magnetycznemu, który omija drugą cewkę transformatora) - wypada policzyć jedno i drugie, oraz ich wpływ na działanie przetwornicy.

Izolację do rdzenia (czyli w sumie karkas) chce zrobić poliacetylenu, który ma dobre właściwości izolacyjne, a uzwojenie nie chce zaczynać na skraju karkasu tylko dać około 2cm zapasu.
Brałem pod uwagę bardzo dużą indukcyjność po stronie wtórnej, ale to wykorzystam robiąc układ rezonansowy dzięki kondensatorowi po pierwotnej stronie.
Co do pojemności to raczej będą malutkie bo sam karkas chce w miare gruby (0.5 do 1 cm, ale może to przesacowuje) oraz uzwojenie pierwotne dam na dystansie, jednak na znacznie mniejszym.

Obliczenie indukcyjności rozproszenia widzianej z strony pierwotnej jest raczej czymś karkołomnym i zamierzam zmierzyć indukcyjność dopiero po nawinięciu (zwierając uzwojenie wtórne i mierząc indukcyjność strony pierwotnej).

Jeżeli nie bedziesz nawijał "cebuli" czyli wąskiego uzwojenia jak w starych telewizorach to musisz podzielić uzwonenie na sekcje i odpowiednio je połączyć. Głównym problemem przy projektowaniu trafo wysokiego napięcia jest rozkład pola elektrycznego w uzwojeniach. Jeżeli masz 5 warstw i nawijasz je prawo-lewo, lewo prawo bez przerwy to pomiedzy początkiem a końcem uzwojenia będziesz miał 10kV, które musisz zaizolować, Przyjmując 5 warstw drutu DNE0.12 i przerwy izolacyjne między warstwami o tej samej grubości to sumarycznie będziesz miał około 10x0.12mm-1.2mm i przyłożone napięcie początek koniec równe 10kV. To jest jedynie kwestia "zmęczenia" izolacji kiedy odmówi posłuszeństwa i nastapi przebicie. Własnie z tego powodu uzwojenia WN w trafo przetwornic w oscyloskopach lub telewizorach CRT o małych przekątnych miały uzwojenie wtórne w kształcie cebuli czyli wiele krótkich wartw. Tak by zwiększając ich liczbę maksymalnie fizycznie rozdzielić początek z końcem.
Inną metodą stosowaną do dłuższych warstw jest nawinięcie trafo wieloma pojedynczymi warstwami a nastepnie łączenie ich tak by naksymalnie ograniczyć napięcia między końcami. tak były wykonywane uzwojenia w trafopowielaczach dużych telewizorów CRT. Dodatkowo między końcówki warstw dodawano diody prostownika WN gdyż korzystając ze zmniejszenia napięć początek koniec uzwojenia można było zastosować diody o Umax nieco wyzszym od maksymalnego napięcia pojedynczej sekcji. Inaczej na wyjściu trzeba było zastosować diodę wysokiego napięcia typowo np. 25kV a ona także musiała spełniać szereg wymagań dotyczących fizycznej geometrii by wyładowanie nie przeniosło się po zbyt krótkiej obudowie.
W przetwornicach zaporowych zasialczy sieciowych uzwojenie pierwotne z tego samego powodu dzieli się zwykle na dwie sekcje by poprawić rozkład pola elektrycznego w uzwojeniach. Co ma także wpływ na zmniejszenie pojemności międzyuzwojeniowej.
I jeszcze jedno, podciśnieniowe zalanie uzwojeń lakierem to nie przywilej i fanaberia lecz konieczność. Podobnie marginesy.

Przy uzwojeniu 10kV w 5 warstwach na zmianę prawo-lewo i lewo-prawo między końcami sąsiednich warstw będzie napięcie 4kV. Wystarczy nawijać wszystko w jedną stronę, żeby zmniejszyć je do 2kV, tylko jakoś trzeba przepuścić przewód od końca warstwy do początku następnej, on musi mieć izolację na te 2kV od obu warstw. Ale są materiały, które wytrzymują do 60kV/mm i więcej - zobacz w Wikipedii EN:Dielectric strength#Breakdown field strength i DE:Durchschlagsfestigkeit#Materialwerte - rekord to 510kV/mm dla PET.

I zolator jaki chce urzyć to taśma poliestrowa:
http://sklep.remagas.pl/pl/glowna/tasmy/tasmy-izolacyjne-poliestrowe/tasma-54mm-detail

Według noty katalogowej jej wytrzymałość to 5500kV na 1mils. Jeśli założę by szerokość uzwojenia nie przekraczała 5 cm to będę w stanie zrobić przekładkę z nie przerwanej izolacji z zapasem po 2mm na bokach. Dodatkowo mogę nawinąć 2 warstwy taśmy dla świętego spokoju.

W takim wypadku potrzebowałbym około 10 warstw gdzie różnica potencjałów pomiędzy warstwami była by nie większa niż 3000V(dla nawijania lewa-prawa-prawa-lewa) lub 1500V (dla nawijania lewa-prawa-lewa-prawa). Podwójna warstwa izolacji pozwoliła by mi równierz na zastosowanie nawijania lewa-prawa-lewa-prawa.

Zastanawia mnie wymaganie lakieru, a dokładnie jego wygazowanie. O dziwo z izolacją nie powinno być problemu. Podwójna przekładka daje już sama w sobie izolację ponad 10KV!
Dodatkowo zastosowanie przewodu o średnicy 0,112 grupy 2 daje izolacje o wysokości 2700V na każdy zwój:
http://www.elektrisola.com/enamelled-wire/technical-data-by-size/iec-60-317.html
W tym wypadku lakier nie powinien mieć tylko fukncji unieruchomienia uzwojeń?

Według noty katalogowej jej wytrzymałość to 5500kV na 1mils.

Gdyby tak tam napisali (a nie ty błędnie odczytałeś), to byłby to błąd w druku - Wikipedia jako górną granicę dla poliestru podaje 150kV/mm, czyli 3800V/mil (nie kV!). 5500V/mil, które podają, to i tak jest dużo, jakkolwiek cienkie warstwy izolatora potrafią wytrzymywać więcej - może Wikipedia podaje dla grubszej, w nocie katalogowej dla 2mil jest 3500V/mil i to już jest w zakresie "wikipediowym".

Tam podają typowe napięcie przebicia, a nie dozwolone napięcie pracy - to ostatnie powinno być znacznie (co najmniej 2X) mniejsze od minimalnego napięcia przebicia - inaczej pewnie długo nie podziała, jakieś "zmęczenie" materiału zmniejszy wytrzymałość i dojdzie do przebicia. Tam zresztą jest uwaga Typical properties are not recommended for specification purposes. Product specifications will be provided upon request.

będę w stanie zrobić przekładkę z nie przerwanej izolacji z zapasem po 2mm na bokach

Zapas 2mm? A jakiej długości iskrę potrafi dać 10kV po powierzchni takiej taśmy? Myślisz, że tylko 4-5mm?

Poza tym, uwaga na wszelkie "ostrza" - potrafią znacznie zmniejszać napięcie przebicia zarówno odstępu w powietrzu, jak i izolatora.

Literówke machnąłem, zdarza się. Oczywiście chodziło o 5500V

Zapas 2mm daje mi to, że cała warstwa uzwojenia jest pod jednolitą warstwą izolatora. Nie zamierzam rezygnować z dodatkowych izolatorów dystansowych na skraju karkasu oraz sam karkas będzie miał przynajmniej 2cm zapasu na skraju by creepage nie był za mały i nieszło przebicia do rdzenia.

Ja też bardzo dobrze rozumię, że dane w katalogach są graniczne, dlatego zamierzam użyć większej średnicy przewodu z grupy 2 (grubsza warstwa lakieru izolacyjnego) oraz podwójną izolację + lakier lub żywicę.

A jeśli chodzi o wartość przebicia w powietrzu to zależy od wielu rzeczy Gorsze raczej są wyładowania pełzające na izolatorze wynikające z zanieczyszczeń i nierówności, zwłaszcza że nie chce tego zalewać olejem.

Ten przykład z 5. warstwami to jedynie taka figura stylistyczna . Chodziło mi jedynie o nakreślenie dwóch stosowanych rozwiązań w wykonaniu trafo WN.
Celem uzupełnienia. Nawet dzisiaj transformatory mocy WN wykonuje się jako papierowo-olejowe. Nie wynika to z zamiłowania do oleju transformatorowego, który jest dioksyną. Papier jako izolacja jest dobry na wszystko. Przede wszystkim ma stabilne parametry izolacyjne w czasie czego nie można powiedzieć o izolacjach na bazie tworzyw sztucznych. Te może i są odporne na 5kV/mils ale jak długo? Z doświadczeń wynika, że niezbyt długo i dlatego podstawą izolacji jest odgazowana żywica - lakier.
Dawno temu rozbierałem kondensatory styrofleksowe na 5kV. Warstwa izolacyjna miała zdecydowanie więcej jak 1-2mils.
Dobrą izolację zapewniają druty nawojowe albo lica z izolacją typu TEX-E. Swego czasu używałem drutu w tej izolacji do konstrukcji trafo WN zapłonnika lamp HID a w nich występuje napięcie zapłonu rzędu 5kV.

Trochę mi się pomysł posypał bo zamiast rdzenia UU o wysokości okna wewnątrz 6-7cm mam rdzeń o wysokości okna... 4cm... Ale jak to ja nie dam rady

Przynajmniej w tym wypadku będzie 20 warstw po około 110 uzwojeń na warstwę co da stosunkowo niewielkie napięcie między warstwami. Teraz w sumie ważne jest by wymyślić sensowny sposób wyprowadzenia zacisków na zewnątrz tak by była jak największa izolacja między nimi.

Więdzej warstw lepiej, dla uzwojenia prawo-lewo-prawo czyli bez podziału. Możesz zastosować przynajmniej podwójne warstwy izolacyjne jeżeli taśma jest bardzo cienka.
Na jednej kolumnie nawijasz pierwotne, na drugiej wtórne. Koniec wtórnego robisz zawijając ostatnie warstwy taśmą kaptonową a drut dolutowujesz do cienkiej folii miedzianej. Na jej końcu wycinasz półokragły kształt by nie było ostrych krawędzi i do niego dolutowujesz przewód łączący z płytką albo tym czym chcesz. Ważne by lutowania nie miały wystających "ostrzy" drutów. Ostatnie warstwy kaptonowe zabezpieczą trafo przed lutowaniem a także wzmocnią mocowanie ostatniego odcinka. Kapton jest bardzo dobrą izolacją WN. Możesz też pod warstwami kaptonu zlutować kroplowo drut z licą przewodu wyprowadzającego.
To co opisałem nie jest przebłyskiem geniuszu lecz opisuję jak wyglądały trafo WN w małych telewizorach CRT z WN rzędu 8-12kV. Skoro w nich działało to będzie i tutaj.

Kilka uwag:
1) Wytrzymałość na przebicie np. taśmy kaptonowej, żywicy spada wraz ze wzrostem grubości warstwy izolacyjnej i to nie w sposób liniowy. Przykładowo warstwa izolacyjna o grubości 0,1mm może mieć wytrzymałość 50kV/mm a przy grubości 1mm będzie to już 20kV/mm. Warto to wziąć po uwagę podczas różnych obliczeń.

2) Transformator HV zalewa się nie dlatego, że taśma kaptonowa czy papier nie wytrzymają konkretnego natężenia pola tylko dlatego, że w powietrzu następują wyładowania koronowe, które "kłują" tą izolację i stopniowo degradują, z czasem powodując przebicie.

To co opisałeś powyżej jest ciekawe, jednak podejrzewam, że zakłada że jedno wyprowadzeń (dolne) jest podłączone do rdzenia, czego nie chce aktualnie w tym transformatorze.

Zrodził się pomysł, by jednak zalać transformator olejem próżniowo. Argumentem do takiego rozwiązania jest fakt, że gaz pomiędzy warstwami ma tendencję do łatwiejszego jonizowania się niż gaz dookoła, co może skutkować zapaleniem się łuku (plazmy) i przepaleniem izolacji.
W sumie wspominaliście o takiej możliwości.

Teraz mam pytanie Jak nawinąć warstwy by dobrze to nasycić olejem? Dostęp do komór próżniowych mam i to z głęboką próżnią (poniżej 10^-3 Torr).
Jeśli będę nawijać izolację (poliestrową) z zapasem przyklejonym do karkasu to czy olej dostanie się do przestrzeni między izolacją?

Jeśli chcesz zrobić transformator olejowy to warstwy powinieneś poprzekładać raczej papierem który potem zaimpregnuje się olejem w próżni.

Pomyśl o jakiejś żywicy dwuskładnikowej o niskiej lepkości. Musisz tak nawinąć żeby powietrze miało jak wyjść podczas impregnacji.