Transformador de alto voltaje.

Transformador de alto voltaje (1) para un acoplamiento en cascada,

en el que el transformador de alto voltaje (1)comprende un devanado primario (8), un devanado de alto voltaje (16) y un núcleo de transformador (4), y en el quelos devanados primario y de alto voltaje (8, 16) rodean concéntricamente por lo menos una parte del núcleo detransformador (4), y en el que el transformador de alto voltaje (1) está provisto de un devanado secundario (24)separado del devanado de alto voltaje (16), comprendiendo el devanado de alto voltaje (16), que tiene un número deespiras mayor que el devanado primario (8) y el devanado secundario (24), una única capa o más capas individualesconectadas en paralelo, y en el que un devanado secundario (241) de un primer transformador (21) está conectadoen serie con un devanado primario (82) de un segundo transformador (22), en el que el devanado de alto voltaje (161)de un primer transformador (21) está conectado en serie con un devanado de alto voltaje (162) del segundotransformador (22).

Transformador de alto voltaje.

La presente invención se refiere a un transformador de alto voltaje. Más particularmente, trata sobre un transformador de alto voltaje para una conexión en cascada, donde el transformador de alto voltaje comprende un devanado primario, un devanado de alto voltaje y un núcleo de transformador, y en donde el devanado primario y el devanado de alto voltaje rodean por lo menos una parte del núcleo del transformador.

En la descripción se usa la expresión “buenas cualidades de alta frecuencia”. Con la misma se pretende significar que un denominado “transformador de impulsos” presenta una inductancia de acoplamiento relativamente baja entre los devanados primario y secundario, un denominado “efecto pelicular” y un denominado “efecto de proximidad” relativamente bajos en los devanados a frecuencias relativamente altas, una capacidad parásita relativamente baja internamente en los devanados y una capacidad relativamente baja entre devanados y entre devanados y el núcleo del transformador. Esto concierne particularmente al devanado de alto voltaje. Dichos parámetros físicos son bien conocidos para una persona con amplios conocimientos en la materia y por lo tanto no se explican adicionalmente.

Para un transformador de impulsos que se haga funcionar cerca de la saturación, lo cual es típico de los inversores, se usa la expresión práctica:

U = 4Bs*f*n* Ae donde Bs = densidad de flujo magnético (saturación) , U = el valor superior del voltaje sobre el devanado, f = frecuencia de trabajo, n = número de espiras y Ae = sección transversal efectiva del núcleo del transformador.

A partir de la expresión se deduce que se puede lograr un alto voltaje de salida a una frecuencia elevada, con una alta intensidad del campo de saturación, una gran sección transversal del hierro y muchas espiras.

En caso de que haya poco espacio disponible, normalmente resulta más sencillo incrementar la frecuencia. Para evitar pérdidas demasiado grandes por corrientes de Foucault se deben usar entonces materiales de núcleo que presenten una baja conductividad eléctrica, tales como ferrita, polvo de hierro o los denominados “núcleos enrollados con cinta”.

Un método para alimentar el transformador a una frecuencia relativamente alta comprende una técnica denominada SMPS - (Fuente de Alimentación en Modo Conmutado) . De acuerdo con esta técnica, la potencia de entrada se convierte en un voltaje de entrada de alta frecuencia de impulsos preferentemente cuadrados, para el transformador de alto voltaje.

Como se ha mencionado, un transformador de alto voltaje de la técnica anterior tiene, debido a su modo de funcionamiento, un número relativamente alto de espiras en el devanado secundario. Esto provoca un aumento de la capacidad secundaria en la medida en la que los devanados con muchas capas de hilo de devanado relativamente delgado presentan una distancia media mutua entre ellos, menor que en un transformador en donde el hilo del devanado sea de diámetro mayor.

Las muchas espiras del devanado secundario requieren relativamente mucho espacio, y por lo tanto conducen a que el núcleo del transformador y el devanado primario sean relativamente grandes. Adicionalmente, se requieren grandes distancias de aislamiento entre el devanado de alto voltaje, el devanado primario y el núcleo del transformador. Por lo tanto, el hecho de que el transformador sea relativamente grande deriva en un aumento de las pérdidas en los devanados del transformador y también en que los transformadores de alto voltaje de este tipo presenten un factor de acoplamiento relativamente bajo. Un factor de acoplamiento bajo se puede modelizar como una inductancia de acoplamiento relativamente grande. El motivo es que una distancia relativamente grande entre los devanados primario y secundario conduce a un acoplamiento magnético deficiente entre ellos.

Esta inductancia de acoplamiento parásita no intencionada y, por lo general, inevitable, influirá, de la misma manera que la capacidad secundaria y en combinación con dicha capacidad secundaria, en la corriente del transformador. Al limitarse la corriente de alta frecuencia por la inductancia de acoplamiento, y también que la mayor parte de esta corriente se usa para impulsar una capacidad parásita interna en el devanado secundario, surge una clara limitación en la salida de potencia del devanado secundario a altas frecuencias. Por lo tanto, los transformadores de alta frecuencia de este tipo presentan un ancho de banda relativamente estrecho, es decir, la frecuencia impulsora más alta a la que puede funcionar el transformador de alta frecuencia.

La técnica conocida de SMPS de bajo voltaje puede producir voltajes de hasta del orden de 1 kV. Con voltajes superiores, es necesario adaptar el transformador por medio de técnicas conocidas de por sí, como multiplicación de voltaje, transformadores de alta frecuencia acoplados en cascada, técnicas de devanados por capas o la denominada “conmutación resonante” para compensar el ancho de banda relativamente estrecho en un transformador de alta frecuencia.

Es común de todas estas técnicas que las mismas superan únicamente en cierto grado los inconvenientes, al mismo tiempo que complican y por lo tanto elevan el precio del convertidor completo de alta frecuencia.

Se conoce la reducción del número de capas en un transformador para poder lograr propiedades mejoradas del mismo. La patente US no 7.274.281 trata sobre un transformador para una lámpara de descarga, tal como un tubo fluorescente, en donde el transformador está provisto de dos devanados primarios conectados en serie que pueden estar constituidos por una capa de devanado.

La patente US no 1.680.910 describe un transformador para conexión en cascada. No obstante, este no es adecuado para SMPS puesto que presenta una alta capacidad en los devanados y un bajo factor de acoplamiento.

La patente US no 4.518.941 muestra un transformador que es adecuado para SMPS pero en el que la relación nominal del transformador es de uno a uno. El transformador según este documento no resulta adecuado como transformador de alto voltaje.

La patente US no 3.678.429 muestra un transformador de alto voltaje para acoplamiento en cascada, en donde, además de un devanado primario y un devanado secundario, hay dispuesto un devanado para el acoplamiento en cascada. Debido al diseño del devanado de alto voltaje, el transformador según la patente US no 3.678.429 no es adecuado para SMPS.

La patente US no 3.579.078 se refiere a un transformador de una sola etapa acoplado a un denominado “Cuadriplicador de Voltaje”. No obstante, el transformador no soluciona el problema técnico relevante en la medida en la que no se logra un voltaje suficientemente alto en una sola etapa.

A partir del documento WO 2007045275 se conoce el uso de dos devanados secundarios para acoplamiento en cascada con un denominado “convertidor flyback” para lograr un voltaje de salida estable en cada etapa de la cascada.

La patente US no 4.023.091 da a conocer un transformador de alto voltaje para acoplamiento en cascada, en donde el transformador de alto voltaje comprende un devanado primario, un devanado de alto voltaje, y un núcleo de transformador, y en donde los devanados primario y de alto voltaje rodean concéntricamente por lo menos una parte del núcleo del transformador, y donde el transformador de alto voltaje está provisto de un devanado secundario separado con respecto al devanado de alto voltaje, ya que el devanado de alto voltaje comprende una única capa o más capas individuales conectadas en paralelo.

La técnica anterior no presenta transformadores que tengan propiedades adecuadas de alto voltaje y que al mismo tiempo sean adecuados para acoplamiento en cascada.

El objetivo de la invención es remediar o reducir por lo menos uno de los inconvenientes de la técnica anterior.

El objetivo se logra según la invención por medio de las características que se exponen en la descripción de más abajo y en las reivindicaciones sucesivas. Se proporciona un transformador de alto voltaje para acoplamiento en cascada en donde el transformador de alto voltaje comprende un devanado primario, un devanado de alto voltaje y un núcleo del transformador, y donde los devanados primario y de alto voltaje rodean concéntricamente por lo menos una parte del núcleo del transformador, y donde el transformador de alto voltaje está provisto de un devanado secundario en la medida en la que el devanado de alto voltaje comprende una única capa o más capas individuales conectadas en paralelo, y en donde un devanado secundario de un primer transformador... [Seguir leyendo]

1. Transformador de alto voltaje (1) para un acoplamiento en cascada, en el que el transformador de alto voltaje (1) comprende un devanado primario (8) , un devanado de alto voltaje (16) y un núcleo de transformador (4) , y en el que 5 los devanados primario y de alto voltaje (8, 16) rodean concéntricamente por lo menos una parte del núcleo de transformador (4) , y en el que el transformador de alto voltaje (1) está provisto de un devanado secundario (24) separado del devanado de alto voltaje (16) , comprendiendo el devanado de alto voltaje (16) , que tiene un número de espiras mayor que el devanado primario (8) y el devanado secundario (24) , una única capa o más capas individuales conectadas en paralelo, y en el que un devanado secundario (241) de un primer transformador (21) está conectado en serie con un devanado primario (82) de un segundo transformador (22) , en el que el devanado de alto voltaje (161) de un primer transformador (21) está conectado en serie con un devanado de alto voltaje (162) del segundo transformador (22) .

2. Transformador de alto voltaje en cascada (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el devanado de alto 15 voltaje (161) del primer transformador (21) coopera con un primer multiplicador de voltaje (561) .

3. Transformador de alto voltaje (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque entre los devanados primario y de alto voltaje (8, 16) está prevista una abertura a través de los mismos para fluido refrigerante.

4. Transformador de alto voltaje (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el devanado de alto voltaje (16) está posicionado entre el devanado primario (8) y el devanado secundario (24) .