Hur kan jag bestämma antalet varv per spole och trådstorlek för en transformator?

Hur kan jag bestämma antalet varv per spole och trådstorlek för en transformator?

Att fastställa antalet varv och trådstorlek för transformatorspolar kräver att man tar hänsyn till spänning, ström, frekvens, kärnkaraktäristika och belastningskrav. Nedan följer de detaljerade stegen och formlerna:

I. Definiera grundläggande transformatorparametrar

1. Ingångs/utgångsspänning (V1,V2): Primär- och sekundärespänning (i volt).

2. Nominell effekt (P): Transformatorkapacitet (i VA eller watt).

3. Driftfrekvens (f): Vanligtvis 50 Hz eller 60 Hz.

4. Kärnparametrar:

• Kärnmaterial (t.ex. siliciumstål, ferrit)

• Effektiv kärnkorsytarea (A, i m²)

• Maximal flödestäthet (Bmax, i T)

• Total magnetisk väglängd (le, i m)

II. Beräkna spolvevarv

1. Formel för varvskvot

Där N1 och N2 är varven i primär- respektive sekundärspolen.

2. Beräkning av spänning per varv

Med hjälp av Faradays induktionslag:

Omskriven för att lösa ut N:

Parametrar:

• V: Spole-spänning (primär eller sekundär)

• Bmax: Maximal flödestäthet (se materialdata för kärnan, t.ex. 1,2–1,5 T för siliciumstål)

• A: Effektiv kärnkorsytarea (i m²)

Exempel:
Designa en 220V/110V, 50Hz, 1kVA-transformator med en siliciumstål-kärna (Bmax=1,3T,A=0,01m2):

III. Bestäm trådstorlek

1. Beräkna spoleström

2. Beräkning av trådkorsytarea

Baserat på strömtäthet (J, i A/mm²):

• Riktlinjer för strömtäthet:

• Standardtransformatorer: J=2,5∼4A/mm2

• Högfrekventa eller högeffektiva transformatorer: J=4∼6A/mm2 (ta hänsyn till skin-effekten)

3. Beräkning av tråddiameter

IV. Validering och optimering

Validering av kärnförluster:
Säkerställ att kärnan fungerar inom säkra Bmax-gränser för att undvika mättnad:

(k: Materialkoefficient, Ve: Kärnvolymer)

Användning av fönsteryta:
Total trådkorsytarea måste passa inom kärnans fönsteryta (Awindow):

(Ku: Fönsterutfyllnadsfaktor, vanligtvis 0,2–0,4)

Temperaturhöjningskontroll:
Säkerställ att trådströmtätheten uppfyller temperaturhöjningskraven (vanligtvis ≤ 65°C).

V. Verktyg och referenser

1. Designprogramvara:

• ETAP, MATLAB/Simulink (för simulering och validering)

• Transformer Designer (online-verktyg)

2. Guide och standarder:

• Transformer Design Handbook av Colin Hart

• IEEE Standard C57.12.00 (Allmänna krav för strömförädlingstransformatorer)

Viktiga överväganden

• Högfrekventa transformatorer: Hantera skin- och närhetseffekter genom att använda Litz-tråd eller platta kopparband.

• Isoleringskrav: Säkerställ att isoleringen klarar spänningen mellan vindningar (t.ex. ≥ 2 kV för primär-sekundärisolering).

• Säkerhetsmarginal: Reservera en 10–15% marginal för varv och trådstorlek.

Denna metodik ger en grund för transformatordesign, men experimentell testning rekommenderas för slutlig validering.