DISPOSITIVO TRANSFORMADOR DE ALTA TENSIÓN PLANO.

Dispositivo transformador de alta tensión plano que incluye una bobina (4) primaria,

una bobina (6) secundaria y un núcleo (8, 10), caracterizado porque las capas (16) de bobina de la bobina (6) secundaria están fabricadas de lámina metálica devanada una sobre otra con una lámina (18) aislante interpuesta en una dirección que es esencialmente paralela al plano de la bobina (4) primaria

Dispositivo transformador de alta tensión plano.

Esta invención se refiere a un transformador de alta tensión plano. Más particularmente, se refiere a un transformador de alta tensión plano, en el que la bobina secundaria del transformador está diseñada esencialmente para superar o para reducir, en una medida considerable, las propiedades eléctricas no deseadas conocidas, tales como capacitancia parásita, inductancia parásita y los denominados efecto pelicular y efecto de proximidad.

Por motivos prácticos y de seguridad, la energía eléctrica normalmente se suministra al consumidor a una tensión relativamente baja. Siempre que se necesita energía eléctrica de alta tensión del orden de hasta unos pocos kilovatios (kW), es habitual, de manera local, transformar la tensión suministrada aumentándola hasta la tensión deseada. Por ejemplo, en el funcionamiento de filtros electrostáticos, puede estar implicada una potencia de desde unos cientos de vatios hasta varias decenas de kW con tensiones de más de 10 kilovoltios (kV).

Un transformador de alta tensión plano se da a conocer, por ejemplo, en el documento DE 4 022 243 A.

Según la técnica anterior, se usan transformadores de alta tensión convencionales que tienen un núcleo de placas de hierro estratificadas ricas en silicio para transformar la tensión aumentándola. Estos transformadores de alta tensión son adecuados para su uso con una frecuencia de red normal, que es normalmente de 50 ó 60 hercios (Hz).

Los transformadores de alta tensión de este tipo son relativamente grandes y pesados. El principal motivo es que el núcleo de hierro sólo puede admitir un flujo magnético limitado antes de alcanzar la saturación. Por tanto, la sección transversal del núcleo de hierro es decisiva para la magnitud de la potencia que el transformador de alta tensión puede suministrar. Como consecuencia del núcleo relativamente grande, los devanados del transformador de alta tensión serán más largos y por lo tanto grandes. Esto provoca el desarrollo de una pérdida de potencia resistiva considerable. El diámetro del hilo metálico de devanado debe aumentarse de este modo, lo que conlleva que el peso y la dimensión del transformador de alta tensión aumentan adicionalmente.

El flujo magnético en un núcleo de transformador viene dado por la fórmula:

donde B = flujo magnético en teslas, U = tensión de excitación pico en voltios, f = frecuencia en Hz y A_e = sección transversal efectiva del núcleo de transformador en m².

A partir de la fórmula parece que un flujo magnético en el núcleo de transformador es inversamente proporcional a la frecuencia.

Basándose en este hecho, se han desarrollado transformadores con núcleos de hierro, que presentan, en su funcionamiento a una frecuencia elevada, eficacia/rendimiento mejorado respecto a los transformadores de alta tensión que funcionan a la frecuencia de la red principal. El motivo del eficacia/rendimiento mejorado es que las dimensiones del núcleo de hierro pueden reducirse cuando la frecuencia aumenta.

Un método para suministrar una frecuencia relativamente alta al transformador incluye la denominada técnica de SMPS (Switched Mode Power Supply, fuente de alimentación conmutada). Según esta técnica, la potencia suministrada se transforma, preferiblemente, a una tensión de entrada de alta frecuencia de impulso cuadrado para el transformador de alta tensión.

Un transformador de alta tensión de un diseño conocido tiene, debido a su modo de funcionamiento, un número de espiras relativamente alto en su devanado secundario. Esto lleva a una capacitancia secundaria elevada porque los devanados con muchas capas de un hilo metálico de devanado relativamente delgado estarán distanciados una distancia promedio más pequeña que los de un transformador en el que el hilo metálico de devanado tenga un diámetro más grande.

Una bobina secundaria relativamente grande, un núcleo de transformador grande y entrehierros aislantes necesarios, en particular alrededor de la bobina secundaria, también dan como resultado transformadores de alta tensión de este tipo que tienen una inductancia de acoplamiento relativamente alta. El motivo es que una distancia relativamente grande entre los devanados primario y secundario da como resultado un mal acoplamiento magnético entre ellos.

Del mismo modo que la capacitancia secundaria y en combinación con la capacitancia secundaria, esta inductancia de acoplamiento parásita involuntaria y esencialmente inevitable afectará a la corriente en el transformador. Puesto que la inductancia reduce la corriente de alta frecuencia, reducirá la corriente entre los devanados primario y secundario. Los transformadores de alta tensión de este tipo presentan, por tanto, un ancho de banda relativamente estrecho, es decir, la frecuencia de excitación más alta a la que el transformador de alta tensión puede funcionar.

SMPS es una técnica ampliamente conocida para conseguir una eficacia mejorada en la transformación de tensión hasta del orden de 1 kV. Con tensiones más altas es necesario adaptar el transformador por medio de técnicas conocidas en sí mismas, como multiplicación de tensión, transformadores de alta tensión conectados en serie, técnica de devanado estratificado o la denominada conmutación resonante para compensar un ancho de banda relativamente estrecho en un transformador de alta tensión.

Estas técnicas tienen en común, sin embargo, que superan los inconvenientes sólo hasta cierto punto, mientras que al mismo tiempo complican y por tanto aumentan el coste del transformador de alta tensión completo.

El denominado transformador plano se usa cada vez más como transformador de baja tensión. Un transformador plano normalmente incluye al menos una placa de circuito impreso, en la que los devanados se han grabado en la capa de cobre de la placa de circuito, y en la que, normalmente, un núcleo de ferrita rodea los devanados. Debido al uso del devanado de forma plana de las placas de circuito, los núcleos de ferrita de este tipo son relativamente bajos y alargados y, por tanto, se denominan núcleos planos.

El transformador plano presenta características favorables por ser fácil de fabricar y tener una inductancia de acoplamiento parásita pequeña ya que los devanados están dispuestos relativamente próximos entre sí. Los devanados planos tienen normalmente una capacitancia parásita relativamente baja. Esto conlleva que el transformador plano generalmente presenta un ancho de banda muy bueno.

Un transformador de alta tensión plano debe estar dotado de un número de espiras relativamente alto en el devanado secundario. Si todo este devanado secundario se dispone en una placa de circuito, el área requerida para los devanados será relativamente grande. Las condiciones de producción y técnicas limitan el tamaño del núcleo de ferrita. Por tanto, es necesario dividir el devanado secundario en varias capas, una sobre otra. Una solución de este tipo implica que se generará una capacitancia secundaria parásita considerable, haciendo imposible el uso, para fines prácticos, de transformadores planos como transformadores de alta tensión.

La invención tiene como objetivo remediar o reducir al menos uno de los inconvenientes de la técnica anterior.

El objetivo se consigue según la invención tal como se define en la reivindicación independiente 1 y a través de las características especificadas en la descripción posterior y en las siguientes reivindicaciones dependientes.

Para usar un transformador plano como un transformador de alta tensión a una frecuencia de excitación de SMPS normalmente alta, es necesario reducir la capacitancia secundaria parásita en una medida considerable.

A partir de la teoría eléctrica conocida puede mostrarse que la capacitancia total entre capacitancias conectadas en serie es igual a:

Si todas las capacitancias son iguales, la fórmula se simplifica a:

Si, por ejemplo, se colocan 40 conductores en cinco capas, una encima de otra, con 8 conductores en cada... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo transformador de alta tensión plano que incluye una bobina (4) primaria, una bobina (6) secundaria y un núcleo (8, 10), caracterizado porque las capas (16) de bobina de la bobina (6) secundaria están fabricadas de lámina metálica devanada una sobre otra con una lámina (18) aislante interpuesta en una dirección que es esencialmente paralela al plano de la bobina (4) primaria.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la bobina (4) primaria está formada por una hoja de cobre sobre una placa (2) de circuito.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo (8, 10) comprende un seminúcleo (8) superior y un seminúcleo (10) inferior.

4. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo (8, 10) está fabricado de un material ferromagnético.