Transformer Design

Un trasformatore trasferisce l'energia elettrica da un circuito a un altro senza un cambiamento di frequenza. Contiene avvolgimento primario e secondario. L'avvolgimento primario è collegato all'alimentazione principale e secondario al circuito richiesto. Nel nostro circuito di progetto , abbiamo preso il design di un trasformatore di potenza monofase da 50 hertz a bassa potenza (10 KVA) secondo il nostro requisito nel progetto.

Il trasformatore è fondamentalmente di tre tipi:

1. Tipo di nucleo
2. Tipo di shell
3. Toroidale

Nel nucleo, gli avvolgimenti di tipo circondano una parte del nucleo mentre nel tipo a guscio il nucleo circonda gli avvolgimenti. Nel tipo Core, ci sono due tipi principali: il tipo E-I e il tipo U-T. In questo progettazione del trasformatore , abbiamo utilizzato il tipo di nucleo E-I. Abbiamo scelto il nucleo E-I in quanto l'avvolgimento è molto più semplice rispetto al toroidale, ma l'efficienza è molto alta (95% -96%). È così perché la perdita di flusso è molto inferiore nei nuclei toroidali in confronto.

I trasformatori impiegati nel progetto sono

1. Trasformatore di serie: Per fornire la tensione boost o buck richiesta e
2. Trasformatore di controllo: Per rilevare la tensione di uscita e per l'alimentazione.

Formule di progettazione:

Qui prendiamo il riferimento dei dati di avvolgimento sulla tabella del filo di rame smaltato e le dimensioni della tabella di stampaggio del trasformatore per selezionare gli avvolgimenti di ingresso e di uscita SWG e il nucleo del trasformatore per determinate specifiche.

La procedura di progettazione viene seguita assumendo che siano fornite le seguenti specifiche di un trasformatore:

• Tensione secondaria (Vs)
• Corrente secondaria (Is)
• Rapporto giri (n2 / n1)

Da questi dati forniti calcoliamo la larghezza della linguetta, l'altezza della pila, il tipo di nucleo, l'area della finestra come segue: -

• Secondary Volt-Amp (SVA) = tensione secondaria (Vs) * corrente secondaria (Is)
• Volt-Amp primari (PVA) = Volt-Amp secondari (SVA) / 0.9 (ipotizzando l'efficienza del trasformatore pari al 90%)
• Tensione primaria (Vp) = Rapporto tensione secondaria (Vs) / spire (n2 / n1)
• Corrente primaria (Ip) = Volt-Amp primari (PVA) / Tensione primaria (Vp)
• L'area della sezione trasversale richiesta del nucleo è data da: - Area del nucleo (CA) = 1.15 * sqrt (Primary Volt-amp (PVA))
• Area centrale lorda (ACG) = Area centrale (CA) * 1.1
• Il numero di giri sull'avvolgimento è deciso dal rapporto dato come: - Giri per volt (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * area centrale * frequenza * densità di flusso)

Dati dell'avvolgimento su filo di rame smaltato

(@ 200A / cm²)

Dimensione degli stampaggi del trasformatore (tabella centrale):

Per il funzionamento con alimentazione di rete, la frequenza è 50HZ, mentre la densità di flusso può essere presa come 1Wb / cmq. per stampi in acciaio ordinari e 1,3Wb / cmq per gli stampaggi CRGO, a seconda del tipo da utilizzare.

Quindi

• Giri primari (n1) = Giri per volt (Tpv) * Voltaggio primario (V1)
• Giri secondari (n2) = Giri per volt (Tpv) * tensione secondaria (V2) * 1,03 (Supponiamo che ci sia una caduta del 3% negli avvolgimenti del trasformatore)
• La larghezza della linguetta dei lamierini è data approssimativamente da: -

Larghezza della lingua (Tw) = Sqrt * (GCA)

Densità corrente

È la capacità di trasporto di corrente di un filo per unità di area della sezione trasversale. È espresso in unità di Amp / cm². La tabella dei cavi sopra menzionata si riferisce a un valore nominale continuo con densità di corrente di 200 A / cm². Per la modalità di funzionamento non continua o intermittente del trasformatore si può scegliere una densità maggiore fino a 400A / cm², ovvero il doppio della densità normale per risparmiare il costo unitario. Si opta in quanto l'aumento di temperatura per i casi operativi intermittenti è inferiore per i casi operativi continui.

Quindi, a seconda delle densità di corrente scelte, ora calcoliamo i valori delle correnti primarie e secondarie che devono essere cercate nella tabella dei fili per la selezione di SWG: -

n1a = Corrente primaria (Ip) calcolata / (densità di corrente / 200)

n2a = Corrente secondaria (Is) calcolata / (densità di corrente / 200)

Per questi valori di correnti primarie e secondarie scegliamo il corrispondente SWG e Turns per sqcm dalla tabella dei fili. Quindi procediamo a calcolare come segue: -

• Area primaria (pa) = Giri primari (n1) / (Giri primari per cmq)
• Area secondaria (sa) = Giri secondari (n2) / (Giri secondari per cmq)
• L'area totale della finestra richiesta per il nucleo è data da: -

Area totale (TA) = Area primaria (pa) + Area secondaria (sa)

• Lo spazio aggiuntivo richiesto per il primo e l'isolamento possono essere considerati come il 30% di spazio in più rispetto a quanto richiesto dall'area di avvolgimento effettiva. Questo valore è approssimativo e potrebbe dover essere modificato, a seconda del metodo di avvolgimento effettivo.

Area della finestra (Wacal) = Area totale (TA) * 1.3

Per il valore calcolato sopra della larghezza della linguetta, scegliamo il numero del nucleo e l'area della finestra dalla tabella principale assicurandoci che l'area della finestra scelta sia maggiore o uguale all'area del nucleo lorda. Se questa condizione non è soddisfatta si opta per una maggiore larghezza della linguetta garantendo la stessa condizione con una corrispondente diminuzione dell'altezza della pila in modo da mantenere approssimativamente costante l'area lorda del nucleo.

Così otteniamo la larghezza della lingua disponibile (Twavail) e l'area della finestra ((avail) (aWa)) dalla tabella principale

• Altezza pila = Area interna lorda / Larghezza linguetta ((disponibile) (atw)).

Ai fini delle dimensioni precedenti disponibili in commercio, approssimiamo il rapporto tra l'altezza della pila e la larghezza della linguetta alle cifre seguenti più vicine di 1,25, 1,5, 1,75. Nel caso peggiore prendiamo il rapporto uguale a 2. Tuttavia si può prendere qualsiasi rapporto fino a 2 che richiederebbe di crearne uno proprio.

Se il rapporto è maggiore di 2 selezioniamo una larghezza della lingua maggiore (aTw) garantendo tutte le condizioni come sopra.

• Altezza pila (ht) / larghezza lingua (aTw) = (un certo rapporto)
• Altezza pila modificata = Larghezza linguetta (aTw) * Valore più vicino del rapporto standard
• Area interna lorda modificata = Larghezza linguetta (aTw) * Altezza pila modificata.

La stessa procedura di progettazione si applica al trasformatore di controllo, dove dobbiamo assicurarci che l'altezza della pila sia uguale alla larghezza della linguetta.

Quindi troviamo il numero di core e l'altezza dello stack per le specifiche fornite.

Progettare un trasformatore utilizzando un esempio:

• I dettagli forniti sono i seguenti: -
• Sec. tensione (Vs) = 60V

Corrente sec (Is) = 4.44A

• Giri per rapporto (n2 / n1) = 0,5

Ora dobbiamo fare i calcoli come segue: -

• Sec. Volt-Amp (SVA) = Vs * Is = 60 * 4,44 = 266,4 VA
• Prim.Volt-Amp (PVA) = SVA / 0.9 = 296.00VA
• Tensione primaria (Vp) = V2 / (n2 / n1) = 60 / 0,5 = 120V
• Corrente primaria (Ip) = PVA / Vp = 296,0 / 120 = 2,467A
• Core Area (CA) = 1,15 * sqrt (PVA) = 1,15 * sqrt (296) = 19,785 cm²
• Area centrale lorda (ACG) = CA * 1,1 = 19,785 * 1,1 = 21,76 cm²
• Giri per volt (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * frequenza CA * * Densità di flusso) = 1 / (4,44 * 10-4 * 19,785 * 50 * 1) = 2,272 giri per volt
• Giri primari (N1) = Tpv * Vp = 2,276 * 120 = 272,73 giri
• Giri sec. (N2) = Tpv * Vs * 1,03 = 2,276 * 60 * 1,03 = 140,46 giri
• Larghezza della lingua (TW) = Sqrt * (GCA) = 4.690 cm
• Stiamo scegliendo la densità di corrente come 300A / cm², ma la densità di corrente nella tabella dei fili è data per 200A / cm², quindi
• Valore di ricerca corrente primaria = Ip / (densità di corrente / 200) = 2.467 / (300/200) = 1.644A
• Valore di ricerca della corrente secondaria = Is / (densità di corrente / 200) = 4.44 / (300/200) = 2.96A

Per questi valori di correnti primarie e secondarie scegliamo il corrispondente SWG e Turns per sqcm dalla tabella dei fili.

SWG1 = 19 SWG2 = 18

Giri per cmq di primario = 87,4 cm² giri per cmq di secondario = 60,8 cm²

• Area primaria (pa) = n1 / giri per cmq (primario) = 272,73 / 87,4 = 3,120 cm²
• Area secondaria (sa) = n2 / giri per cmq (secondaria) = 140,46 / 60,8 = 2,310 cm²
• Area totale (at) = pa + sa = 3.120 + 2.310 = 5.430 cm²
• Area della finestra (Wa) = area totale * 1,3 = 5,430 * 1,3 = 7,059 cm²

Per il valore calcolato sopra della larghezza della linguetta, scegliamo il numero del nucleo e l'area della finestra dalla tabella principale assicurandoci che l'area della finestra scelta sia maggiore o uguale all'area del nucleo lorda. Se questa condizione non è soddisfatta si opta per una maggiore larghezza della linguetta garantendo la stessa condizione con una corrispondente diminuzione dell'altezza della pila in modo da mantenere approssimativamente costante l'area lorda del nucleo.

Quindi otteniamo la larghezza della lingua disponibile (Twavail) e l'area della finestra ((avail) (aWa)) dalla tabella principale:

• Quindi larghezza della lingua disponibile (atw) = 3,81 cm
• Superficie finestra disponibile (AWA) = 10,891 cm²
• Numero core = 16
• Altezza pila = gca / atw = 21,99 / 3,810 = 5,774 cm

Per motivi di prestazioni, approssimiamo il rapporto tra l'altezza dello stack e la larghezza della linguetta (aTw) alle cifre seguenti più vicine di 1,25, 1,5 e 1,75. Nel caso peggiore assumiamo il rapporto pari a 2.

Se il rapporto è maggiore di 2 selezioniamo una larghezza della lingua maggiore garantendo tutte le condizioni come sopra.

• Altezza pila (ht) / larghezza linguetta (aTw) = 5,774 / 3,81 = 1,516
• Altezza pila modificata = Larghezza linguetta (aTw) * Valore più vicino del rapporto standard = 3,810 * 1,516 = 5,715 cm
• Area centrale lorda modificata = Larghezza linguetta (aTw) * Altezza pila modificata = 3,810 * 5,715 = 21,774 cm²

Quindi troviamo il numero di core e l'altezza dello stack per le specifiche fornite.

Progettazione di un piccolo trasformatore di controllo con esempio:

I dettagli forniti sono i seguenti: -

• Sec. tensione (Vs) = 18V
• Sec corrente (Is) = 0,3A
• Giri per rapporto (n2 / n1) = 1

Ora dobbiamo fare i calcoli come segue: -

• Sec. Volt-Amp (SVA) = Vs * Is = 18 * 0,3 = 5,4 VA
• Prim.Volt-Amp (PVA) = SVA / 0.9 = 5.4 / 0.9 = 6VA
• Prim. Tensione (Vp) = V2 / (n2 / n1) = 18/1 = 18V
• Prim. corrente (Ip) = PVA / Vp = 6/18 = 0,333A
• Core Area (CA) = 1,15 * sqrt (PVA) = 1,15 * sqrt (6) = 2,822 cm²
• Area cross core (GCA) = CA * 1,1 = 2,822 * 1,1 = 3,132 cm²
• Giri per volt (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * frequenza CA * * Densità di flusso) = 1 / (4,44 * 10-4 * 2,822 * 50 * 1) = 15,963 giri per volt
• Prim. Giri (N1) = Tpv * Vp = 15,963 * 18 = 287,337 giri
• Sec. Giri (N2) = Tpv * Vs * 1,03 = 15,963 * 60 * 1,03 = 295,957 giri
• Larghezza della lingua (TW) = Sqrt * (GCA) = sqrt * (3.132) = 1.770 cm

Stiamo scegliendo la densità di corrente come 200A / cm², ma la densità di corrente nella tabella dei fili è data per 200A / cm², quindi

• Valore di ricerca della corrente primaria = Ip / (densità di corrente / 200) = 0,333 / (200/200) = 0,333A
• Valore di ricerca della corrente secondaria = Is / (densità di corrente / 200) = 0,3 / (200/200) = 0,3A

Per questi valori di correnti primarie e secondarie scegliamo il corrispondente SWG e Turns per Sq. cm dal tavolo filo.

SWG1 = 26 SWG2 = 27

Giro per mq. cm di primario = 415 giri Giri per mq. cm di secondario = 504 giri

• Area primaria (pa) = n1 / giri per cmq (primario) = 287,337 / 415 = 0,692 cm²
• Area secondaria (sa) = n2 / giri per cmq (secondaria) = 295,957 / 504 = 0,587 cm²
• Area totale (at) = pa + sa = 0,692 + 0,587 = 1.280 cm²
• Area della finestra (Wa) = area totale * 1.3 = 1.280 * 1.3 = 1.663 cm²

Per il valore calcolato sopra della larghezza della linguetta, scegliamo il numero del nucleo e l'area della finestra dalla tabella principale assicurandoci che l'area della finestra scelta sia maggiore o uguale all'area del nucleo lorda. Se questa condizione non è soddisfatta si opta per una maggiore larghezza della linguetta garantendo la stessa condizione con una corrispondente diminuzione dell'altezza della pila in modo da mantenere approssimativamente costante l'area lorda del nucleo.

Così otteniamo la larghezza della lingua disponibile (Twavail) e l'area della finestra ((avail) (aWa)) dalla tabella principale

• Quindi larghezza della lingua disponibile (atw) = 1,905 cm
• Area finestra disponibile (AWA) = 18,969 cm²
• Numero core = 23
• Altezza dello stack = gca / atw = 3,132 / 1,905 = 1,905 cm

Quindi il trasformatore di controllo è progettato.