Σχεδιασμός μετασχηματιστή

Ένας μετασχηματιστής μεταφέρει ηλεκτρική ισχύ από ένα κύκλωμα σε άλλο κύκλωμα χωρίς αλλαγή συχνότητας. Περιέχει πρωτογενή και δευτερεύουσα περιέλιξη. Η κύρια περιέλιξη συνδέεται με την κύρια τροφοδοσία και δευτερεύουσα στο απαιτούμενο κύκλωμα. Στο δικό μας κύκλωμα έργου , έχουμε λάβει τον σχεδιασμό ενός μονοφασικού μετασχηματιστή ισχύος 50 hertz χαμηλής ισχύος (10 KVA) σύμφωνα με τις απαιτήσεις μας στο έργο.

Ο μετασχηματιστής βασικά αποτελείται από τρεις τύπους:

1. Τύπος πυρήνα
2. Τύπος κελύφους
3. Τοροειδές

Στον πυρήνα, τύποι περιελίξεων περιβάλλουν ένα μέρος του πυρήνα ενώ στον πυρήνα τύπου κελύφους περιβάλλει περιελίξεις. Στον τύπο πυρήνα, υπάρχουν δύο κύριοι τύποι, ο τύπος E-I και ο τύπος U-T. Σε αυτό σχεδιασμός μετασχηματιστή , χρησιμοποιήσαμε τον τύπο πυρήνα E-I. Επιλέξαμε τον πυρήνα E-I καθώς η περιέλιξη είναι πολύ πιο εύκολη σε σύγκριση με τοροειδές, αλλά η απόδοση είναι πολύ υψηλή (95% -96%). Αυτό συμβαίνει επειδή η απώλεια ροής είναι πολύ μικρότερη στους τοροειδείς πυρήνες συγκριτικά.

Οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται στο έργο είναι

1. Μετασχηματιστής σειράς: Για την παροχή της απαιτούμενης τάσης ώθησης ή buck και
2. Μετασχηματιστής ελέγχου: Για ανίχνευση της τάσης εξόδου και για τροφοδοσία.

Τύποι σχεδίασης:

Εδώ παίρνουμε την αναφορά των δεδομένων περιέλιξης στον πίνακα εμαγιέ χαλκού και τις διαστάσεις του πίνακα σφραγίδων του μετασχηματιστή για να επιλέξουμε τις περιελίξεις εισόδου και εξόδου SWG και τον πυρήνα του μετασχηματιστή για συγκεκριμένες προδιαγραφές.

Η διαδικασία σχεδιασμού ακολουθείται με την προϋπόθεση ότι δίνονται οι ακόλουθες προδιαγραφές ενός μετασχηματιστή:

• Δευτερεύουσα τάση (Vs)
• Δευτερεύον ρεύμα (Is)
• Αναλογία στροφών (n2 / n1)

Από αυτές τις δεδομένες λεπτομέρειες υπολογίζουμε το πλάτος της γλώσσας, το ύψος στοίβας, τον τύπο πυρήνα, την περιοχή παραθύρου ως εξής: -

• Δευτερεύον Volt-Amps (SVA) = δευτερεύουσα τάση (Vs) * δευτερεύον ρεύμα (Is)
• Πρωτεύον Volt-Amps (PVA) = Secondary Volt-Amps (SVA) / 0,9 (υποθέτοντας την απόδοση του μετασχηματιστή ως 90%)
• Κύρια τάση (Vp) = Δευτερεύουσα τάση (Vs) / λόγος στροφών (n2 / n1)
• Πρωτεύον ρεύμα (Ip) = Πρωτεύον Volt-Amps (PVA) / Πρωτεύουσα τάση (Vp)
• Το απαιτούμενο εμβαδόν διατομής του πυρήνα δίνεται από: - Περιοχή πυρήνα (CA) = 1,15 * sqrt (Primary Volt-amps (PVA))
• Μεικτή περιοχή πυρήνα (GCA) = Περιοχή πυρήνα (CA) * 1.1
• Ο αριθμός στροφών στην περιέλιξη καθορίζεται από την αναλογία που δίνεται ως: - Στροφές ανά βολτ (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * περιοχή πυρήνα * συχνότητα * πυκνότητα ροής)

Δεδομένα περιέλιξης σε σύρμα χαλκού από σμάλτο

(@ 200A / cm²)

Διάσταση των σφραγίδων του μετασχηματιστή (Πίνακας πυρήνα):

Για λειτουργία με παροχή ρεύματος, η συχνότητα είναι 50 ΗΖ, ενώ η πυκνότητα ροής μπορεί να ληφθεί ως 1Wb / sq cm. για συνηθισμένες σφραγίδες από χάλυβα και 1,3Wb / sq cm για σφραγίδες CRGO, ανάλογα με τον τύπο που θα χρησιμοποιηθεί.

Ως εκ τούτου

• Κύριες στροφές (n1) = Στροφές ανά βολτ (Tpv) * Κύρια τάση (V1)
• Δευτερεύουσες στροφές (n2) = Στροφές ανά βολτ (Tpv) * δευτερεύουσα τάση (V2) * 1,03 (Υποθέστε ότι υπάρχει πτώση 3% στις περιελίξεις του μετασχηματιστή)
• Το πλάτος της γλώσσας των ελασμάτων δίνεται περίπου από: -

Πλάτος γλώσσας (Tw) = Sqrt * (GCA)

Τωρινή πυκνότητα

Είναι η τρέχουσα φέρουσα ικανότητα ενός σύρματος ανά μονάδα διατομής. Εκφράζεται σε μονάδες Amp / cm². Ο παραπάνω πίνακας καλωδίων είναι για συνεχή βαθμολογία σε τρέχουσα πυκνότητα 200A / cm². Για μη συνεχή ή διακοπτόμενη λειτουργία του μετασχηματιστή μπορεί κανείς να επιλέξει υψηλότερη πυκνότητα έως 400Α / cm², δηλαδή διπλάσια από την κανονική πυκνότητα για να εξοικονομήσει το κόστος μονάδας. Επιλέγεται καθώς η αύξηση της θερμοκρασίας για τις διαλείπουσες λειτουργικές περιπτώσεις είναι μικρότερη για τις συνεχείς λειτουργικές περιπτώσεις.

Έτσι, ανάλογα με τις τρέχουσες πυκνότητες που επιλέξουμε, υπολογίζουμε τώρα τις τιμές των πρωτογενών και δευτερευόντων ρευμάτων που πρέπει να αναζητηθούν σε τραπεζικό καλώδιο για την επιλογή SWG: -

n1a = Πρωτεύον ρεύμα (Ip) υπολογισμένο / (τρέχουσα πυκνότητα / 200)

n2a = Υπολογιζόμενο δευτερεύον ρεύμα (Is) / (πυκνότητα ρεύματος / 200)

Για αυτές τις τιμές πρωτογενούς και δευτερογενούς ρεύματος επιλέγουμε τα αντίστοιχα SWG και στροφές ανά τετραγωνικό μέτρο από το τραπεζάκι. Στη συνέχεια προχωράμε στον υπολογισμό ως εξής: -

• Πρωτεύουσα περιοχή (pa) = Κύριες στροφές (n1) / (Πρωτεύουσες στροφές ανά τετραγωνικό μέτρο)
• Δευτερεύουσα περιοχή (sa) = Δευτερεύουσες στροφές (n2) / (Δευτερεύουσες στροφές ανά sqcm)
• Η συνολική περιοχή παραθύρου που απαιτείται για τον πυρήνα δίνεται από: -

Συνολική έκταση (TA) = Πρωτεύουσα περιοχή (pa) + Δευτερεύουσα περιοχή (sa)

• Απαιτείται επιπλέον χώρος για την πρώτη και η μόνωση μπορεί να ληφθεί ως 30% επιπλέον χώρος από αυτό που απαιτείται από την πραγματική περιοχή περιέλιξης. Αυτή η τιμή είναι κατά προσέγγιση και ενδέχεται να πρέπει να τροποποιηθεί, ανάλογα με την πραγματική μέθοδο περιέλιξης.

Περιοχή παραθύρου (Wacal) = Συνολική έκταση (TA) * 1.3

Για την παραπάνω υπολογισμένη τιμή πλάτους γλωσσών, επιλέγουμε τον αριθμό πυρήνα και την περιοχή παραθύρου από τον πυρήνα του πίνακα, διασφαλίζοντας ότι η επιλεγμένη περιοχή παραθύρου είναι μεγαλύτερη ή ίση με την ακαθάριστη περιοχή πυρήνα. Εάν αυτή η συνθήκη δεν ικανοποιείται, πηγαίνουμε για υψηλότερο πλάτος γλωττίδας διασφαλίζοντας την ίδια κατάσταση με αντίστοιχη μείωση στο ύψος της στοίβας, έτσι ώστε να διατηρείται περίπου σταθερή ακαθάριστη περιοχή πυρήνα.

Έτσι παίρνουμε διαθέσιμο πλάτος γλώσσας (Twavail) και περιοχή παραθύρου ((avail) (aWa)) από τον πίνακα πυρήνα

• Ύψος στοίβας = Μεικτή περιοχή πυρήνα / Πλάτος γλώσσας ((διαθέσιμο) (atw)).

Για σκοπούς μεγέθους που διατίθενται στο εμπόριο παλαιότερα, προσεγγίζουμε την αναλογία ύψους στοίβας προς πλάτος γλώσσας στα πλησιέστερα ακόλουθα σχήματα 1,25, 1,5, 1,75. Στη χειρότερη περίπτωση παίρνουμε την αναλογία ίση με 2. Ωστόσο, μπορεί να ληφθεί οποιαδήποτε αναλογία έως και 2 που θα απαιτούσε να γίνουν δικά τους.

Εάν ο λόγος είναι μεγαλύτερος από 2, επιλέγουμε υψηλότερο πλάτος γλώσσας (aTw) διασφαλίζοντας όλες τις συνθήκες όπως παραπάνω.

• Ύψος στοίβας (ht) / πλάτος γλώσσας (aTw) = (κάποια αναλογία)
• Τροποποιημένο ύψος στοίβας = Πλάτος γλώσσας (aTw) * Πλησιέστερη τιμή τυπικής αναλογίας
• Τροποποιημένη ακαθάριστη περιοχή πυρήνα = Πλάτος γλώσσας (aTw) * Τροποποιημένο ύψος στοίβας.

Η ίδια διαδικασία σχεδιασμού ισχύει για τον μετασχηματιστή ελέγχου, όπου πρέπει να διασφαλίσουμε ότι το ύψος στοίβας ισούται με το πλάτος της γλώσσας.

Έτσι, βρίσκουμε τον αριθμό πυρήνα και το ύψος στοίβας για τις δεδομένες προδιαγραφές.

Σχεδιασμός μετασχηματιστή χρησιμοποιώντας ένα παράδειγμα:

• Οι δοθείσες λεπτομέρειες έχουν ως εξής: -
• Δευτ. τάση (Vs) = 60V

Sec ρεύμα (Is) = 4.44A

• Στροφές ανά αναλογία (n2 / n1) = 0,5

Τώρα πρέπει να υπολογιστούμε ως εξής: -

• Sec. Volt-Amps (SVA) = Vs * Is = 60 * 4.44 = 266.4VA
• Prim.Volt-Amps (PVA) = SVA / 0,9 = 296,00VA
• Prim. Τάση (Vp) = V2 / (n2 / n1) = 60 / 0,5 = 120V
• Prim.current (Ip) = PVA / Vp = 296.0 / 120 = 2.467A
• Περιοχή πυρήνα (CA) = 1,15 * sqrt (PVA) = 1,15 * sqrt (296) = 19,785 cm²
• Μεικτή περιοχή πυρήνα (GCA) = CA * 1,1 = 19,785 * 1,1 = 21,76 cm²
• Στροφές ανά βολτ (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * CA * συχνότητα * Πυκνότητα ροής) = 1 / (4,44 * 10-4 * 19,785 * 50 * 1) = 2,272 στροφές ανά βολτ
• Prim.Turns (N1) = Tpv * Vp = 2.276 * 120 = 272.73 στροφές
• Sec.Turns (N2) = Tpv * Vs * 1.03 = 2.276 * 60 * 1.03 = 140.46 στροφές
• Πλάτος γλώσσας (TW) = Sqrt * (GCA) = 4,690 cm
• Επιλέγουμε την τρέχουσα πυκνότητα ως 300A / cm², αλλά η τρέχουσα πυκνότητα στον τραπεζικό πίνακα δίνεται για 200A / cm², τότε
• Κύρια τρέχουσα τιμή αναζήτησης = Ip / (τρέχουσα πυκνότητα / 200) = 2.467 / (300/200) = 1.644A
• Δευτερεύουσα τρέχουσα τιμή αναζήτησης = Is / (τρέχουσα πυκνότητα / 200) = 4,44 / (300/200) = 2,96A

Για αυτές τις τιμές πρωτογενούς και δευτερογενούς ρεύματος επιλέγουμε τα αντίστοιχα SWG και στροφές ανά τετραγωνικό μέτρο από το τραπεζάκι.

SWG1 = 19 SWG2 = 18

Στροφή ανά τετραγωνικό μέτρο πρωτογενούς = 87,4 cm² στροφές ανά τετραγωνικό δευτερόλεπτο = 60,8 cm²

• Κύρια περιοχή (pa) = n1 / στροφές ανά τετραγωνικό μέτρο (πρωτεύουσα) = 272,73 / 87,4 = 3,120 cm²
• Δευτερεύουσα περιοχή (sa) = n2 / στροφές ανά sqcm (δευτερεύουσα) = 140,46 / 60,8 = 2,310 cm²
• Συνολική έκταση (σε) = pa + sa = 3.120 + 2.310 = 5.430 cm²
• Περιοχή παραθύρου (Wa) = συνολική επιφάνεια * 1,3 = 5,430 * 1,3 = 7,059 cm²

Για την παραπάνω υπολογισμένη τιμή πλάτους γλωσσών, επιλέγουμε τον αριθμό πυρήνα και την περιοχή παραθύρου από τον πυρήνα του πίνακα, διασφαλίζοντας ότι η επιλεγμένη περιοχή παραθύρου είναι μεγαλύτερη ή ίση με την ακαθάριστη περιοχή πυρήνα. Εάν αυτή η συνθήκη δεν ικανοποιείται, πηγαίνουμε για υψηλότερο πλάτος γλωττίδας διασφαλίζοντας την ίδια κατάσταση με αντίστοιχη μείωση στο ύψος της στοίβας, έτσι ώστε να διατηρείται περίπου σταθερή ακαθάριστη περιοχή πυρήνα.

Έτσι παίρνουμε διαθέσιμο πλάτος γλώσσας (Twavail) και περιοχή παραθύρου ((avail) (aWa)) από τον πίνακα πυρήνα:

• Έτσι, το πλάτος της γλώσσας είναι διαθέσιμο (atw) = 3,81 εκατοστά
• Διαθέσιμη περιοχή παραθύρου (αναμονή) = 10.891 cm²
• Αριθμός πυρήνα = 16
• Ύψος στοίβας = gca / atw = 21,99 / 3,810 = 5,777 cm

Για λόγους απόδοσης, προσεγγίζουμε την αναλογία ύψους στοίβας προς πλάτος γλωττίδας (aTw) στα πλησιέστερα ακόλουθα σχήματα 1,25, 1,5 και 1,75. Στη χειρότερη περίπτωση παίρνουμε την αναλογία ίση με 2.

Εάν η αναλογία είναι μεγαλύτερη από 2, επιλέγουμε υψηλότερο πλάτος γλώσσας διασφαλίζοντας όλες τις συνθήκες όπως παραπάνω.

• Ύψος στοίβας (ht) / πλάτος γλώσσας (aTw) = 5.774 / 3.81 = 1.516
• Τροποποιημένο ύψος στοίβας = Πλάτος γλώσσας (aTw) * Πλησιέστερη τιμή τυπικής αναλογίας = 3,810 * 1,516 = 5,715 εκατοστά
• Τροποποιημένη ακαθάριστη περιοχή πυρήνα = Πλάτος γλώσσας (aTw) * Τροποποιημένο ύψος στοίβας = 3.810 * 5.715 = 21.774 cm²

Έτσι, βρίσκουμε τον αριθμό πυρήνα και το ύψος στοίβας για τις δεδομένες προδιαγραφές.

Σχεδιασμός ενός μικρού μετασχηματιστή ελέγχου με παράδειγμα:

Οι δοθείσες λεπτομέρειες έχουν ως εξής: -

• Δευτ. τάση (Vs) = 18V
• Sec ρεύμα (Is) = 0,3A
• Στροφές ανά αναλογία (n2 / n1) = 1

Τώρα πρέπει να υπολογιστούμε ως εξής: -

• Sec. Volt-Amps (SVA) = Vs * Is = 18 * 0.3 = 5.4VA
• Prim.Volt-Amps (PVA) = SVA / 0,9 = 5,4 / 0,9 = 6VA
• Περιποιημένος. Τάση (Vp) = V2 / (n2 / n1) = 18/1 = 18V
• Περιποιημένος. ρεύμα (Ip) = PVA / Vp = 6/18 = 0,333A
• Περιοχή πυρήνα (CA) = 1,15 * sqrt (PVA) = 1,15 * sqrt (6) = 2,822 cm²
• Διασταυρούμενη περιοχή (GCA) = CA * 1,1 = 2,822 * 1,1 = 3,132 cm²
• Στροφές ανά βολτ (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * CA * συχνότητα * Πυκνότητα ροής) = 1 / (4,44 * 10-4 * 2,822 * 50 * 1) = 15,963 στροφές ανά βολτ
• Περιποιημένος. Στροφές (N1) = Tpv * Vp = 15.963 * 18 = 287.337 στροφές
• Sec.Turns (N2) = Tpv * Vs * 1.03 = 15.963 * 60 * 1.03 = 295.957 στροφές
• Πλάτος γλώσσας (TW) = Sqrt * (GCA) = sqrt * (3.132) = 1.770 cm

Επιλέγουμε την τρέχουσα πυκνότητα ως 200A / cm², αλλά η τρέχουσα πυκνότητα στο συρματόπλεγμα δίνεται για 200A / cm², τότε

• Κύρια τρέχουσα τιμή αναζήτησης = Ip / (τρέχουσα πυκνότητα / 200) = 0,333 / (200/200) = 0,333A
• Δευτερεύουσα τρέχουσα τιμή αναζήτησης = Is / (τρέχουσα πυκνότητα / 200) = 0,3 / (200/200) = 0,3A

Για αυτές τις τιμές πρωτογενούς και δευτερογενούς ρεύματος επιλέγουμε τα αντίστοιχα SWG και Turns ανά Sq. cm από το τραπεζάκι.

SWG1 = 26 SWG2 = 27

Στροφή ανά τετραγωνικό. cm πρωτογενούς = 415 στροφές στροφές ανά τετραγωνικό. cm δευτερεύοντος = 504 στροφές

• Κύρια περιοχή (pa) = n1 / στροφές ανά τετραγωνικό μέτρο (πρωτεύουσα) = 287.337 / 415 = 0.692 cm²
• Δευτερεύουσα περιοχή (sa) = n2 / στροφές ανά sqcm (δευτερεύουσα) = 295.957 / 504 = 0.587 cm²
• Συνολική έκταση (σε) = pa + sa = 0,692 + 0,587 = 1,280 cm²
• Περιοχή παραθύρου (Wa) = συνολική επιφάνεια * 1,3 = 1,280 * 1,3 = 1,663 cm²

Για την παραπάνω υπολογισμένη τιμή πλάτους γλωσσών, επιλέγουμε τον αριθμό πυρήνα και την περιοχή παραθύρου από τον πυρήνα του πίνακα, διασφαλίζοντας ότι η επιλεγμένη περιοχή παραθύρου είναι μεγαλύτερη ή ίση με την ακαθάριστη περιοχή πυρήνα. Εάν αυτή η συνθήκη δεν ικανοποιείται, πηγαίνουμε για υψηλότερο πλάτος γλωττίδας διασφαλίζοντας την ίδια κατάσταση με αντίστοιχη μείωση στο ύψος της στοίβας, έτσι ώστε να διατηρείται περίπου σταθερή ακαθάριστη περιοχή πυρήνα.

Έτσι παίρνουμε διαθέσιμο πλάτος γλώσσας (Twavail) και περιοχή παραθύρου ((avail) (aWa)) από τον πίνακα πυρήνα

• Έτσι, το πλάτος της γλώσσας είναι διαθέσιμο (atw) = 1,905 εκατοστά
• Διαθέσιμη περιοχή παραθύρου (αναμονή) = 18,969 cm²
• Αριθμός πυρήνα = 23
• Ύψος στοίβας = gca / atw = 3.132 / 1.905 = 1.905cm

Εξ ου και το μετασχηματιστής ελέγχου είναι σχεδιασμένο.