Analyse und Design eines Mittel-Frequenz-Transformators (MFT) unter Berücksichtigung der Standards für Mittelspannung

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Mittel-Frequenz-Transformator (MFT) für eine Leistung von 400 kW und für den Anschluss ans Mittelspannungsnetz entworfen und untersucht. Ziel war die Entwicklung eines Transformator-Designs, das definierte Anforderungen an die Streuinduktivität und die Hauptfeldinduktivität erfüllt und für den Einsatz in einem Solid-State Transformator (SST) geeignet ist. Die elektromagnetische Auslegung des MFT erfolgte auf Basis eines Ferritkernkonzeptes unter Berücksichtigung der Dimensionierung des magnetischen Kreises sowie der Litz-Wicklungen. Zur Analyse des elektromagnetischen Verhaltens wurden Finite-Elemente-Simulationen in Ansys Maxwell3D durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Transformator im vorgesehenen Betriebsbereich die geforderten Induktivitäten einhält, keine magnetische Sättigung auftritt und somit ein stabiler Betrieb gewährleistet wäre. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der auftretenden Verluste. Die Simulation konnte jedoch nur zum Teil die erwarteten Verlustleistungen bestätigen, insbesondere traten Abweichungen bei den Kernverlusten und der Ermittlung der Wicklungsresistanz auf, dessen Ursachen im Rahmen dieser Arbeit nicht eindeutig geklärt werden konnten. Zusätzlich wurden zwei Isolationskonzepte für die Primärwicklung entwickelt und bewertet. Neben einer Epoxidharz-Isolierung wurde eine Ölisolierung betrachtet. Beide Konzepte wurden hinsichtlich ihrer elektrischen Spannungsfestigkeit sowie ihres thermischen Verhaltens untersucht. Die thermische Analyse erfolgte mittels CFD-Simulationen in Ansys Icepak. Dabei zeigte sich, dass ein sicherer Betrieb grundsätzlich für beide Isolationskonzepte möglich ist, sofern geeignete Kühlmaßnahmen eingesetzt werden, z.B. anhand eines Lüfters. Abschließend wurde ein kurzer Ausblick für ein nanokristallines Kerndesign gegeben.

As part of this thesis, a medium-frequency transformer (MFT) was designed and analyzed for a power rating of 400 kW and for connection to the medium-voltage grid. The objective was to develop a transformer design that meets defined requirements for leakage inductance and main-field inductance and is suitable for use in a semiconductor transformer (SST). The electromagnetic design of the MFT was based on a ferrite core concept, taking into account the dimensioning of the magnetic circuit and the Litz windings. Finite element simulations were performed in Ansys Maxwell3D to analyze the electromagnetic behavior. The results showed that the transformer meets the required inductances within the intended operating range, that no magnetic saturation occurs, and that stable operation would thus be ensured. Another focus was on investigating the losses that occur. However, the simulation could only partially confirm the expected power losses, in particular, deviations occurred in the core losses and the determination of the winding resistance, the causes of which could not be clearly elucidated within the scope of this work. Furthermore, two insulation concepts for the primary winding were developed and evaluated. In addition to epoxy resin insulation, oil insulation was also considered. Both concepts were examined in terms of their electrical dielectric strength and thermal behavior. The thermal analysis was performed using CFD simulations in Ansys Icepak. The results showed that safe operation is fundamentally possible for both insulation concepts, provided that suitable cooling measures are implemented, e.g., using a fan. Finally, a brief outlook on a nanocrystalline core design was provided.