Witboek

Ontwerpuitdaging – Klein volume versus spanningsbestendigheid in kleine scheidingstransformatoren

Scheidingstransformatoren worden in veel toepassingen gebruikt om circuits, apparatuur en mensen te beschermen tegen schokken door gevaarlijke spanningen en de daaruit voortvloeiende stromen.

Ze zorgen voor inductieve koppeling, d.w.z. signaal- of vermogensoverdracht tussen verschillende spanningsniveaus, waardoor ze bestand zijn tegen hoge spanningen tussen de niveaus. Scheidingstransformatoren zijn normaal gesproken nodig in toepassingen zoals medische apparatuur of spoorwegen.

Over het algemeen bestaat het ontwerp van een scheidingstransformator uit een zachtmagnetische transformatorkern, ten minste twee wikkelingen, behuizingen en – relevant voor deze onderdelen – aansluit-/aansluitelementen en gieten. Voor een efficiënte transmissie zijn hoge koppelingsfactoren vereist, wat een nauwe opstelling met korte afstanden tussen de wikkelingen en de kern noodzakelijk maakt. Componenten die hoge spanningen kunnen weerstaan, vereisen doorgaans grotere afstanden tussen de geleidende delen, d.w.z. tussen draad en draad en tussen draad en kern. Dit vormt een duidelijke uitdaging voor de ontwerper om beide eisen in evenwicht te brengen.

Wat het ontwerp en de productieprocessen betreft, moeten we deze in drie afzonderlijke taken opsplitsen:

  1. Het lichaam van het onderdeel, waar verschillende elementen van verschillende materialen worden geassembleerd en geïsoleerd;
  2. De ruimte buiten (in de lucht) van het lichaam, inclusief aansluitingen en bevestigingselementen van het onderdeel;
  3. Het oppervlak van het lichaam dat in contact staat met de omgeving

1. De behuizing van het onderdeel – focus op consistente isolatie

Bij het ontwerpen van een scheidingstransformator moet u zorgen voor voldoende afstand tussen geleidende delen en het juiste isolatiemateriaal dat deze afstand opvult. Hoge spanningen creëren een hoog elektrisch veld in het isolatiemateriaal. Boven een bepaalde veldsterkte zal er stroom vloeien door paden in het materiaal die door chemische verouderingsprocessen geleidend worden. Dit zal leiden tot defecten aan de component. Daarom moet de isolatielaag dik genoeg zijn om de veldsterkte onder alle omstandigheden ruim onder de drempelwaarde te houden. De lokale veldsterkte is echter niet homogeen en hangt ook af van de vorm van de geleidende elementen die als elektroden fungeren. Zo is de veldsterkte hoger aan de scherpe randen van geleiders.

Luchtinsluitingen in de gietmassa of tussen de gietmassa en de geleidende elementen vormen een risico. Zelfs als de afstand tussen de geleidende delen met verschillende spanningsniveaus is opgevuld met voldoende isolatiemateriaal om de spanning te weerstaan, overschrijdt de veldsterkte binnen de luchtinsluitingen gemakkelijk de drempelwaarde voor lucht. De lucht wordt geïoniseerd, er ontstaat gloeien en de gietmassa wordt vernield totdat er een doorbraak optreedt.

Er zijn drie potentiële risico’s voor dergelijke luchtinsluitingen:
  • Luchtbellen in de gietmassa. Vacuümgieten is vaak verplicht om te voldoen aan industrienormen en certificeringen. Het proces is echter niet consistent binnen de industrie. Het is niet voldoende om na het vullen van de gietmassa een vacuüm toe te passen. Om luchtinsluitingen te elimineren, moet de gietmassa onder vacuüm worden gevuld en moet er normale of zelfs overdruk worden toegepast voordat de gietmassa uithardt.
  • Resterende holtes, zelfs wanneer vacuümvergieten nauwkeurig wordt toegepast. Deze komen vooral voor in dichte structuren, waar lucht niet volledig met vacuüm kan worden verwijderd, of waar vacuümholtes door de constructie worden gestabiliseerd. Deze laatste kunnen na verloop van tijd met gas worden gevuld. Daarom moet de constructie lucht gemakkelijk kunnen verwijderen en moet de vergietmassa overal toegankelijk zijn.
  • Verlies van de hechting tussen de gietmassa en de constructie-elementen tijdens het gebruik en het ontstaan van luchtlagen ertussen. De gietmassa of lijmen moeten compatibel zijn met de andere materialen in het onderdeel en deze materiaalcombinatie moet geschikt zijn voor de bedrijfsomstandigheden, zoals temperatuurschommelingen, schokken of mechanische belasting en trillingen.

De ingenieur moet als onderdeel van het ontwikkelingsproces gedeeltelijke ontladingstests uitvoeren om gloeien te detecteren, zo vaak als vereist is als standaardtests, naast de normale hoogspanningsdoorsteektests. Dit moet ook worden gedaan na de simulatie van de bedrijfsomstandigheden.

Normen definiëren minimale luchtafstanden en bijbehorende testspanningen afhankelijk van de toepassing, de nominale spanning en de veiligheidseisen.

2. Ruimte buiten – lucht afstand

Ten minste de verbindingselementen (aansluitingen) komen in contact met lucht. De drempelveldsterkte van lucht is veel lager dan die van isolatiemateriaal – er is dus een grote afstand (de zogenaamde luchtafstand) tussen de aansluitingen nodig. Normen definiëren minimale luchtafstanden en bijbehorende testspanningen, afhankelijk van de toepassing, de nominale spanning en de veiligheidseisen. Uiteindelijk bepaalt de luchtafstand de minimale afmeting van een component voor een bepaalde toepassing en spanning.

3. De oppervlakken – kruipafstand

Het oppervlak van componenten tussen contactpunten kan verontreinigd zijn met stof, gecondenseerde vloeistoffen enz., waardoor de drempelspanning onder die van lucht daalt. Daarom moet de minimale afstand van het kortste pad langs oppervlakken tussen te scheiden contactpunten (de zogenaamde kruipafstand) groter zijn dan de luchtafstand.

Ook hier bepalen normen de vereiste kruipafstand, afhankelijk van de toepassing en de omgevingsomstandigheden, waaronder de verontreinigingsklasse en de nominale spanning. Wat het ontwerp van componenten betreft, moet het pad langs het oppervlak van de component tussen de elektrische contacten zo lang mogelijk worden gemaakt. Dit kan worden bereikt door vinnen toe te voegen. Het is een uitdaging voor de ontwerper om de positie van de aansluitingen en, indien nodig, vinnen of soortgelijke elementen op een ruimtebesparende manier te plaatsen, waarbij tegelijkertijd moet worden voldaan aan de ruimte- en aansluitingsvereisten van de transformator.

Ondersteuning bij uw scheidingstransformatorbehoeften

Ons Magnetic Products Technology Centre beschikt over de expertise, kennis en gespecialiseerde apparatuur om u te ondersteunen bij de verschillende uitdagingen die zich voordoen bij het gebruik van scheidingstransformatoren.

Blijf op de hoogte van innovaties en technologie

Lees meer over hoe onze ingenieurs en leveranciers samenwerken om nieuwe innovatieve technologieën in te zetten voor het oplossen van praktische uitdagingen.

U kunt zich op elk moment uitschrijven. Lees onze privacyverklaring .

Er is een fout opgetreden tijdens het verzenden van het formulier. Probeer het opnieuw.

Meld u aan om het volgende te ontvangen:
  • Informatie over productreleases
  • Regelmatig inzicht in nieuwe technologieën
  • Uitnodigingen voor webinars en evenementen
  • Whitepapers en casestudy’s
  • Tips en trucs van onze experts
  • Nieuws en trends uit de branche

Door u aan te melden, krijgt u toegang tot de nieuwste techno­logische hoogtepunten en deskundig advies