Phương pháp thiết kế máy biến áp nhỏ

Quy trình thiết kế cho dòng sản phẩm tiêu chuẩn TES1-A (máy biến áp một pha loại nhỏ) của chúng tôi, được giới thiệu dưới đây.
Việc tính toán đòi hỏi một chút kiên nhẫn, nhưng chúng tôi đã cố gắng trình bày đơn giản và dễ hiểu.
Nếu bạn tham khảo ví dụ thiết kế  dưới đây , bạn sẽ có thể thiết kế máy biến áp của riêng mình.

1.Chuẩn bị thiết kế

Làm rõ các thông số kỹ thuật của máy biến áp bạn đang thiết kế.

<Ví dụ thiết kế>
・ Công suất: 20VA
・ Tần số: 50Hz
・ Điện áp sơ cấp: 100V
・ Điện áp thứ cấp: 20V
・ Dòng điện thứ cấp: 1A
・ Cấp chịu nhiệt: Cấp A
(Nhiệt độ tối đa cho phép: 105 ° C,
Giới hạn nhiệt độ tăng: 55 ° C trở xuống)
* Cấp chịu nhiệt của dòng sản phẩm: cấp A (cấp tiêu chuẩn).
2. Lựa chọn lõi sắt
Công suất quyết định kích thước lõi sắt và độ dày của sản phẩm.
(Bảng 1: Xem dữ liệu lõi sắt / khung theo công suất)
Vật liệu là thép tấm silicon không định hướng.
 ・ Vì công suất là 20VA nên theo bảng 1 ta chọn được lõi sắt dưới đây
Lõi: EI-60
Độ dày ngăn xếp: 25 mm
Chất liệu: 50A600A
3.1 Xác định số vòng quấn cuộn sơ cấp
 
Nó được tính theo công thức sau.
displaystyle N_{1} = frac{sqrt{2} times E_{1}}{2 pi times f times A_{e} times B_{m}}  (3.1)
N1: Số vòng dây sơ cấp
E1: Điện áp sơ cấp (V)
f: Tần số (Hz)
Ae: Tiết diện lõi sắt (m2) (theo Bảng 1)
Bm: Mật độ từ thông tối đa (T) [Giá trị tham chiếu: 1,4T]

 ・áp dụng công thức（3・1）

displaystyle N_{1} = frac{sqrt{2} times 100}{2 pi times 50 times 0.5 times 10^{-3} times 1.4} = 643

làm tròn 650 vòng
4. Xác định số vòng dây cuộn thứ cấp
 
Nó được tính theo công thức sau.
 
displaystyle N_{2} = frac{E_{2} + V_{varepsilon}}{E_{1}} times N_{1}  (4.1)
 
N2: Cuộn thứ cấp E2: Điện áp thứ cấp (V)
Vε: Sụt áp bên trong máy biến áp khi chạy tải định mức(V)
  

・áp dụng công thức（4・1）

displaystyle N_{2} = frac{20 + 2}{100} times 650 = 143

 thường thiết kế để xụt áp đầu ra10% nên lấy Vε=2V
5. Xác định đường kính dây quấn cuộn sơ cấp
5-1 、 Tính toán dòng điện sơ cấp
Nó được tính theo công thức sau.
displaystyle I_{1} = frac{P}{E_{1}} (5.1)
I1: Dòng sơ cấp (A) P: Công suất (VA)
E1: Điện áp sơ cấp (V)
 
5-2, Khái niệm cơ bản về tính toán đường kính dây quấn cuộn sơ cấp
Trước hết hãy xem lại khái niệm về đường kính dây quấn, dòng điện và mật độ dòng điện.
・ Mối quan hệ giữa đường kính cuộn dây và diện tích mặt cắt ngang
displaystyle S = frac{pi times phi d^{2}}{4} (5.2)
· Mật độ dòng điện 
displaystyle delta = frac{I}{S}  (5 ・ 3)
Thay phương trình (5.2) vào phương trình (5.3)
displaystyledelta =frac{displaystyle I}{displaystyle frac{pi times phi d^{2}}{4}}  (5 ・ 4)
Vì vậy, 
displaystyle phi d = 2 times sqrt {frac{I}{pi times delta}}   (5 ・ 5)
 
φd: Đường kính cuộn dây (mm) S: Tiết diện của dây dẫn điện (mm ^ 2)
I: Dòng điện (A) δ: Mật độ dòng điện (A / mm ^ 2)

・áp dụng công thức（4・1）

  displaystyle I_{1} = frac{20}{100} = 0.2

dòng điện cuộn thứ cấp

   displaystyle I_{2} = frac{20}{20} = 1

 

 
 5-3、Tính toán đường kính dây quấn cuộn sơ cấp

được tính theo công thức（5・5）.

・áp dụng công thức（5・5）

displaystyle phi d_{1} = 2 times sqrt {frac{0.2}{pi times 3}} = 0.2913

※mật độ dòng điện δ : 3A/mm2
 

5-4、Tính toán đường kính dây quấn cuộn thứ cấp
Dựa trên ý tưởng tương tự như 5-3 ở trên, nó được tính theo công thức (5 ・ 5).

  

Thay thế vào công thức (5 ・ 5).

displaystyle phi d_{2} = 2 times sqrt {frac{0.2}{pi times 3}} = 0.6514

よって0.65φ
6. Tính toán điện trở dây quấn

displaystyle r = rho frac{l}{S}（Ω）　（6・1）

L = ((W + D) times 2 + T times 8) times N times 10^{-3} （m）　（6・2）

ρ: Điện trở suất của dây dẫn (Ω ･ mm ^ 2 / m) [0,01724 ở 20 ° C]L: Chiều dài cuộn dây (m) W, D, * T: Kích thước bobin (mm) Xem Hình 1

* Kích thước T của cuộn sơ cấp = T/4
* Kích thước T của cuộn dây thứ cấp = 3T/4

  

・ Thay thế vào công thức (6.1) và (6.2).
1) Điện trở cuộn sơ cấp

L_{1} = ((22.5 + 26.6) times 2 + 2.1 times 8) times 650 times 10^{-3} = 74.8mdisplaystyle r_{1} = 0.01724 frac{74.8}{0.066} = 19.5Ω

2) Điện trở cuộn dây thứ cấp

L_{2} = ((22.5 + 26.6) times 2 + 6.3 times 8) times 143 times 10^{-3} = 21.2m

displaystyle r_{2} = 0.01724 frac{21.2}{0.332} = 1.1　Ω
7. Tính toán tổn hao đồng
Tính tổn hao do điện trở dây quấn.

P_{c} = r_{1} times {I_1}^2 + r_{2} times {I_2}^2（W）　（7・1）

Pc:tổn hao (W)

・ Thay thế vào công thức (7.1).

P_{c} = 19.5 times {0.2}^2 + 1.1 times {1}^2 = 2 W
8. Tính toán tổn hao sắt từ

Ｐf＝Ｐa×Ｐb (W) （8・1）

Pf：tổn hao sắt từ(W)
Ｐa：tổn hao sắt từ/1kg(W/kg)
Ｐb：khối lượng lõi thép(kg)

・ Thay thế vào công thức (8.1).

Ｐf ＝ 4.8×0.46 2.2 W

* Tổn thất sắt được giả định là 4,8W / kg dựa trên đặc tính tổn thất sắt khi mật độ từ thông lớn nhất là 1,4T.
* Khối lượng lõi sắt được thể hiện trong Bảng 1.

9.Tính toán biến động điện áp

displaystyle varepsilon = frac{P_{c}}{P} times 100 　（％）　（9・1）

 

  ・ Thay thế vào công thức (9.1).

displaystyle varepsilon = frac{2}{20} times 100 = 10  ％

10. Tính toán hiệu 

displaystyle eta = frac{P}{P + P_{c} + R_{f}} times 100 （％）　（10・1）

  

・ Thay thế vào công thức (9.1).

displaystyle eta = frac{20}{20 + 2 + 2.2} times 100 = 82.6％

Đã xác định được lõi sắt được sử dụng, đường kính cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp và số vòng dây. Thiết kế hoàn tất.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Bảng 1 Dữ liệu lõi sắt / bobin theo công suất

Model
TES1-		 Công suất(VA) thông tin lõi sắt kich thước bobin
lõi sắt độ dày tiết diện khối lượng(kg) W Ｄ T
名称 (mm) （m2) (mm) (mm) (mm)
0.5 0.5 EI-28 11 0.088×10-3 0.042 10 13.4 4.2
1 1 EI-35 10 0.096×10-3 0.056 12.3 12.3 6
2 2 EI-38 13 0.14×10-3 0.091 13.8 15.4 5.6
5 5 EI-41 13 0.17×10-3 0.1 15.5 15.4 6.4
10 10 EI-48 20 0.32×10-3 0.24 18.9 22.7 6
15 15 EI-57 23 0.44×10-3 0.38 21.5 25.7 7.6
20 20 EI-60 25 0.50×10-3 0.46 22.5 26.6 8.4
25 25 EI-60 30 0.60×10-3 0.55 22.5 31.6 8.4
30 30 EI-66 25 0.55×10-3 0.56 24.5 27.2 8.4
35 35 EI-66 30 0.66×10-3 0.67 25.6 32 8.4
40 40 EI-66 35 0.77×10-3 0.78 25.6 38 8.8
50 50 EI-66 40 0.88×10-3 0.89 24.8 42.8 8.8
60 60 EI-76.2 35 0.89×10-3 1 28.6 38 10.4
75 75 EI-76.2 40 1.02×10-3 1.2 28.6 43 10.4