Como podo determinar o número de voltas por espira e o grosor do fío para un transformador?

Como podo determinar o número de voltas por espira e o tamaño do cable para un transformador?

Determinar o número de voltas e o tamaño do cable para as espiras dun transformador require considerar a tensión, a corrente, a frecuencia, as características do núcleo e os requisitos da carga. A continuación, atopanse os pasos detallados e as fórmulas:

I. Definir Parámetros Básicos do Transformador

1. Tensión de Entrada/Saída (V1,V2): Tensións primaria e secundaria (en volts).

2. Potencia Nominal (P): Capacidade do transformador (en VA ou watts).

3. Frecuencia de Operación (f): Xeralmente 50 Hz ou 60 Hz.

4. Parámetros do Núcleo:

• Material do núcleo (por exemplo, acero silicio, ferrita)

• Área efectiva de sección transversal do núcleo (A, en m²)

• Densidade máxima de fluxo (Bmax, en T)

• Lonxitude total do camiño magnético (le, en m)

II. Calcular Voltas das Espiras

1. Fórmula da Relación de Voltas

Onde N1 e N2 son as voltas das espiras primaria e secundaria.

2. Cálculo de Tensión por Vuelta

Usando a Lei de Indución de Faraday:

Reordenado para resolver N:

Parámetros:

• V: Tensión da espira (primaria ou secundaria)

• Bmax: Densidade máxima de fluxo (ver datasheets do material do núcleo, por exemplo, 1.2–1.5 T para acero silicio)

• A: Área efectiva de sección transversal do núcleo (en m²)

Exemplo:
Proxectar un transformador de 220V/110V, 50Hz, 1kVA con núcleo de acero silicio (Bmax=1.3T,A=0.01m2):

III. Determinar o Tamaño do Cable

1. Calcular Corrente da Espira

2. Cálculo da Área Transversal do Cable

Baseándose na densidade de corrente (J, en A/mm²):

• Directrices de Densidade de Corrente:

• Transformadores estándar: J=2.5∼4A/mm2

• Transformadores de alta frecuencia ou alta eficiencia: J=4∼6A/mm2 (ten en conta o efecto de pele)

3. Cálculo do Diámetro do Cable

IV. Validación e Optimización

Validación da Pérdida do Núcleo:
Asegurar que o núcleo opere dentro dos límites seguros de Bmax para evitar a saturación:

(k: coeficiente do material, Ve: volume do núcleo)

Utilización da Área da Ventana:
A área transversal total do cable debe caber dentro da área da ventana do núcleo (Awindow):

(Ku: factor de recheo da ventana, xeralmente 0.2–0.4)

Comprobación do Aumento de Temperatura:
Asegurar que a densidade de corrente do cable cumpra coas rexistradas de aumento de temperatura (xeralmente ≤ 65°C).

V. Ferramentas e Referencias

1. Software de Diseño:

• ETAP, MATLAB/Simulink (para simulación e validación)

• Transformer Designer (ferramenta en liña)

2. Guias e Normas:

• Transformer Design Handbook por Colin Hart

• IEEE Standard C57.12.00 (Requisitos Xerais para Transformadores de Potencia)

Consideracións Clave

• Transformadores de Alta Frecuencia: Abordar os efectos de pele e proximidade usando cable Litz ou tiras de cobre plano.

• Requisitos de Aislamento: Asegurar que o aislamento resista a tensión entre as espiras (por exemplo, ≥ 2 kV para o aislamento primario-secundario).

• Margen de Seguridade: Reservar un margen de 10–15% para as voltas e o tamaño do cable.

Esta metodoloxía proporciona unha base para o deseño de transformadores, pero recoméndase a proba experimental para a validación final.