12 kroků pro navrhování toroidních transformátorů

Dodržování těchto 12 kroků při návrhu toroidních transformátorů zajistí dlouhou životnost komponent a optimální výkon.

Krok 1: Výpočet EMP transformátoru

Podle Faradayovy rovnice pro indukované napětí ve vinutí transformátoru:

Kde E je napětí ve voltech
N je počet závitů
Ac je plocha průřezu magnetického jádra v mm².
B je hustota toku v teslech  

Poznámka: Toroidní transformátory obvykle pracují s vyšší hustotou toku než běžné vrstvené transformátory.

Krok 2: Výpočet jmenovitého výkonu

Kde VA je voltampér
V_FL je střídavé sekundární napětí při plném zatížení ve voltech
I_FL je střídavý sekundární proud při plném zatížení v ampérech

Krok 3: Pracovní cyklus

Pokud je zátěž přerušovaná, lze použít menší transformátor. Protože výstupní výkon v tomto případě výrazně převyšuje jmenovitý výkon, klesá sekundární napětí pod uvedená napětí. Úbytek napětí roste úměrně s odebíraným proudem.

Krok 4: Frekvence vedení

Většina toroidních výkonových transformátorů je určena pro provoz v pásmech 50/60 Hz, 60 Hz nebo 400 Hz. S rostoucí frekvencí se velikost transformátoru odpovídajícím způsobem zmenšuje. Toroidní transformátor pro 60 Hz bude ~20% menší než toroidní transformátor pro 50 Hz.

Krok 5: Poměr otáček

Kde Vp je primární napětí ve voltech
Vs je sekundární napětí ve voltech
Np je počet závitů v primáru
Ns je počet závitů v sekundáru

Krok 6: Regulace

Kde V_NL je střídavé sekundární napětí bez zátěže ve voltech
V_FL je střídavé napětí při plné zátěži ve voltech.

Krok 7: Pokles napětí

Sekundární napětí a proudy platí pro normální výstupní výkon. Při částečném zatížení bude výstupní napětí v závislosti na velikosti transformátoru odpovídajícím způsobem vyšší. Níže uvedený obrázek ukazuje nárůst napětí u standardních toroidních transformátorů Talema pro částečné zatížení.

Krok 8: Zvýšení teploty

Jak je patrné z níže uvedených grafů, standardní toroidní transformátory Talema jsou navrženy pro nárůst teploty o 60 °C až 70 °C při jmenovitém zatížení. Při volbě velikosti transformátoru je třeba vzít v úvahu teplotu okolí a součinitel odváděného tepla v místě montáže. Obrázky ukazují typickou změnu teploty, ke které dochází v závislosti na výstupním výkonu nebo přetížení.

Krok 9: Více vinutí nebo jedno vinutí (autotransformátor)

Autotransformátor umožňuje menší rozměry a celkově úspornější konstrukci v případech, kdy není vyžadováno galvanicky oddělené vinutí. S autotransformátorem s jedním vinutím lze dosáhnout stejné transformace napětí a proudu jako s běžným transformátorem se dvěma vinutími. Existují dva hlavní rozdíly:

1. V autotransformátoru je sekundární vinutí společné pro primární i sekundární vinutí.
2. Mezi primárním a sekundárním obvodem je přímé měděné spojení.

Autotransformátory mají nižší svodovou reaktanci, nižší ztráty, menší budicí proudy a mohou být menší a levnější než transformátory se dvěma vinutími, pokud je poměr napětí menší než 2:1. A samozřejmě neposkytují žádnou izolaci.

Talema má rodinné schválení pro autotransformátory do 25 KVA podle normy UL5085 (transformátory pro všeobecné použití) a 40 KVA podle normy UL60601-1 (transformátory pro lékařská a zubní zařízení).

Krok 10: Rektifikace

Na níže uvedených obrázcích jsou uvedeny vzorce pro výpočet přibližných hodnot transformátorů, které závisí především na velikosti použitého zatěžovacího kondenzátoru. Použitý činitel tvaru “F” se udává v rozmezí 1,1 pro menší kondenzátory a 2,5 pro relativně velké kondenzátory.

Plný vlnový most

Most se středovým závitem

Krok 11: Rozběhový proud

Vlastnosti, které dávají toroidnímu transformátoru výhody, jsou zároveň jeho nevýhodou: vysoký rozběhový proud při počátečním zapnutí. Společnost Talema úspěšně navrhuje transformátory s nízkým rozběhovým proudem.

Absence mezery v toroidním jádře znamená, že maximální možná remanence (zbytková magnetizace jádra v určitém směru a velikosti může být v toroidu ve srovnání s E-I laminátem podstatně výraznější). Tento zbytkový magnetismus je mechanismem, díky němuž fungovaly staré počítačové paměti s jádrem. Jádro “ukládá” statické magnetické předpětí, když je vypnuto napájení. Pokud k odpojení napájení dojde v nepříznivý okamžik, v jádře se uloží nejsilnější magnetická remanence. Při opětovném připojení napájení k primáru může být špičkový rozběhový proud až do výše

kde V_p-pk je špičkové primární napětí a R_p je stejnosměrný odpor primárního vinutí v závislosti na výkonových možnostech transformátoru a na tom, jak silně bylo jádro zmagnetováno. Tato špička rozběhového proudu se vyskytuje po krátkou dobu během první nebo druhé půlperiody sinusovky výkonu.

Existuje několik přístupů k řešení rozběhového proudu:

1. Přidání termistoru NTC do série s primárním vinutím transformátoru
2. Použití pomalých pojistek pro využití zpožděných akcí
3. Snižte zbytkový tok, který zvýší magnetizační proud v jádře. Metody používané ke snížení zbytkového toku zahrnují zavedení mezery nebo použití alternativních materiálů či metod žíhání.

Krok 12: Tepelná ochrana

Budeme se zabývat dvěma typy tepelné ochrany toroidních transformátorů: jednorázovou pojistkou a automaticky resetovatelným tepelným spínačem.

Účelem těchto zařízení je odpojit transformátor v případě přehřátí. Jednorázová pojistka slouží především k ochraně před vnitřními poruchami transformátoru a vypíná při nastavené teplotě. Automaticky resetovatelný tepelný spínač poskytuje přerušovanou ochranu před vnitřními poruchami transformátoru a vnějším přetížením. Toto zařízení se rozepne při nastavené vysoké teplotě a sepne při nastavené nižší teplotě. Tato zařízení jsou namontována uvnitř transformátoru a zapojena do série s primárním nebo sekundárním vinutím.

Jednorázová pojistka / vypínací pojistka

Tepelný spínač