Cách tính tỷ số vòng dây máy biến áp cho các ứng dụng cung cấp điện

Tỷ số vòng dây của máy biến áp là một tham số cơ bản được sử dụng để xác định mối quan hệ điện áp giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng cung cấp điện, việc tính toán tỷ số vòng dây chính xác đòi hỏi nhiều điều hơn là chỉ chia điện áp đầu vào cho điện áp đầu ra.

Trong máy biến áp thông thường, tỷ số điện áp liên quan trực tiếp đến tỷ số vòng dây. Trong nguồn điện chuyển mạch, thiết kế máy biến áp cuối cùng cũng phụ thuộc vào cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi, tần số chuyển mạch, chu kỳ làm việc, dạng sóng, phương pháp chỉnh lưu, lõi từ và dải điện áp hoạt động.

Đối với các kỹ sư và người mua OEM làm việc với máy biến áp tần số cao hoặc máy biến áp cấp nguồn chuyển mạch, việc hiểu rõ các mối quan hệ này có thể giúp việc lựa chọn máy biến áp và phát triển tùy chỉnh hiệu quả hơn.

1. Tỷ số vòng dây máy biến áp là gì?

Tỷ số vòng dây của máy biến áp mô tả mối quan hệ giữa số vòng dây ở cuộn sơ cấp và số vòng dây ở cuộn thứ cấp.

Đối với máy biến áp lý tưởng:

Vp / Vs=Np / Ns

Ở đâu:

Vp=Điện áp sơ cấp

Vs=Điện áp thứ cấp

Np=Lượt chính

Ns=Lượt phụ

Ví dụ: nếu điện áp sơ cấp là 400 V và điện áp thứ cấp yêu cầu là 40 V:

400 / 40 = 10

Do đó, tỷ lệ vòng quay chính-đến{1}}thứ cấp cơ bản là:

Np : Ns=10 : 1

Tính toán này cung cấp mối quan hệ điện áp cơ bản. Bản thân nó không xác định được thiết kế cuộn dây cuối cùng của máy biến áp cấp nguồn thực tế.

2. Cách tính tỷ lệ vòng quay cơ bản

Tính toán đơn giản nhất dựa trên điện áp sơ cấp và thứ cấp.

Tỷ số lần lượt=Điện áp sơ cấp / Điện áp thứ cấp

Ví dụ, hãy xem xét một máy biến áp có:

Điện áp sơ cấp: 240 V

Điện áp thứ cấp: 24 V

Tỷ lệ quay cơ bản là:

240 / 24 = 10

Vì thế:

Np : Ns=10 : 1

Nếu cuộn sơ cấp có 200 vòng thì cuộn thứ cấp theo lý thuyết sẽ có:

200 / 10=20 lượt

Điều này phù hợp như một tính toán máy biến áp lý tưởng.

Đối với máy biến áp thực tế, nhà sản xuất phải đánh giá thêm tổn thất, điều kiện vận hành, từ thông, dòng điện cuộn dây và mạch cấp nguồn cụ thể.

3. Tỷ lệ vòng dây chính-đến-thứ cấp trong việc chuyển đổi nguồn điện

Máy biến áp cấp nguồn chuyển mạch hoạt động khác với máy biến áp tần số{0}}chính thông thường.

Máy biến áp thường được điều khiển bởi dạng sóng chuyển mạch được tạo ra bởi mạch chuyển mạch bán dẫn. Do đó, điện áp đặt vào cuộn sơ cấp phụ thuộc vào cấu trúc liên kết nguồn điện và điều kiện chuyển mạch.

Các cấu trúc liên kết phổ biến bao gồm:

Bay ngược

Phía trước

Đẩy-kéo

Nửa cầu-

Toàn bộ cầu-

Bởi vì các cấu trúc liên kết này truyền năng lượng khác nhau nên mối quan hệ giữa điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, chu kỳ làm việc và tỷ số vòng dây của máy biến áp cũng khác nhau.

Đây là lý do tại sao tính toán sau đây:

Điện áp đầu vào / Điện áp đầu ra

nên được coi là điểm khởi đầu chứ không phải là phương trình thiết kế cuối cùng cho mọi nguồn điện chuyển mạch.

4. Tại sao chu kỳ làm việc ảnh hưởng đến tỷ số vòng quay

Trong nhiều nguồn cung cấp năng lượng xung quanh, điện áp đầu ra được điều khiển thông qua chu kỳ hoạt động chuyển mạch.

Chu kỳ làm việc biểu thị tỷ lệ phần trăm của mỗi khoảng thời gian chuyển mạch trong đó mạch chuyển mạch cung cấp năng lượng cho máy biến áp.

Đối với mối quan hệ bộ chuyển đổi đơn giản hóa, điện áp đầu ra có thể liên quan đến điện áp đầu vào, chu kỳ nhiệm vụ và tỷ số vòng dây.

Mối quan hệ đại diện có thể được biểu diễn dưới dạng:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Ở đâu:

Vout=Điện áp đầu ra

Vin=Điện áp đầu vào giai đoạn chuyển đổi-có liên quan

D=Chu kỳ hoạt động

Tỷ lệ vòng quay Ns/Np=thứ cấp-đến{2}}chính

Phương trình thực tế phụ thuộc vào cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi và cấu hình mạch.

Vì lý do này, nhà sản xuất máy biến áp cần biết cấu trúc liên kết nguồn điện trước khi xác định tỷ số vòng dây cuối cùng.

5. Phải xem xét dải điện áp đầu vào

Chỉ sử dụng điện áp đầu vào danh nghĩa có thể dẫn đến thiết kế máy biến áp không phù hợp.

Ví dụ: nguồn điện chuyển mạch có thể hoạt động từ:

300–400 V DC

chứ không phải ở một điện áp cố định.

Máy biến áp phải hoạt động chính xác trong phạm vi này trong khi vẫn duy trì điện áp đầu ra cần thiết và tránh từ thông quá mức.

Khi phát triển một máy biến áp tùy chỉnh, hãy cung cấp:

Điện áp đầu vào tối thiểu

Điện áp đầu vào danh nghĩa

Điện áp đầu vào tối đa

Chu kỳ nhiệm vụ tối đa

Tần số chuyển đổi

Điện áp đầu ra yêu cầu

Dòng điện đầu ra

Tỷ số vòng dây phải được đánh giá dựa trên phạm vi hoạt động hoàn chỉnh thay vì một giá trị danh nghĩa.

6. Điện áp đầu ra không phải lúc nào cũng bằng điện áp thứ cấp của máy biến áp

Đây là một trong những lỗi phổ biến nhất trong tính toán tỷ số vòng dây máy biến áp.

Giả sử nguồn điện yêu cầu đầu ra 12 V DC được điều chỉnh.

Điều này không nhất thiết có nghĩa là cuộn thứ cấp của máy biến áp chỉ được thiết kế cho điện áp 12 V.

Giữa máy biến áp và đầu ra DC cuối cùng, mạch có thể chứa:

Điốt chỉnh lưu

Chỉnh lưu đồng bộ

Cuộn cảm đầu ra

tụ điện

Mạch điều chỉnh điện áp

dây dẫn PCB

Các thành phần này ảnh hưởng đến điện áp thực tế cung cấp cho tải.

Do đó, điện áp thứ cấp của máy biến áp cần được xác định theo mạch cấp nguồn hoàn chỉnh.

Đối với máy biến áp tần số cao tùy chỉnh, nhà sản xuất phải nhận được các yêu cầu-thứ cấp thực tế thay vì chỉ có điện áp đầu ra DC cuối cùng.

7. Sự sụt giảm điện áp ảnh hưởng đến tỷ số vòng dây thực tế

Một máy biến áp lý tưởng không có tổn hao điện. Một máy biến áp thực sự có.

Sự sụt giảm điện áp có thể xảy ra do:

Điện trở cuộn sơ cấp

Điện trở cuộn dây thứ cấp

Giảm điện áp chỉnh lưu

Điện cảm rò rỉ

Chuyển đổi-mất thiết bị

Kháng PCB

Tổn thất chuyển đổi khác

Ví dụ: nếu đầu ra cuối cùng phải duy trì ở mức 24 V khi có tải thì máy biến áp có thể cần cung cấp điện áp thứ cấp để bù cho tổn thất điện áp ở phần còn lại của mạch.

Lượng bù phụ thuộc vào thiết kế nguồn điện và điều kiện tải.

Vì vậy, tỷ số vòng dây thực tế phải được thiết lập sau khi xem xét toàn bộ đường dẫn điện.

8. Tỷ lệ vòng quay và thiết kế lõi từ

Tỷ số vòng dây xác định mối quan hệ điện áp giữa các cuộn dây, nhưng số vòng dây tuyệt đối cũng phải tương thích với lõi từ.

Đối với máy biến áp tần số cao, các vòng dây sơ cấp chịu ảnh hưởng của:

Điện áp ứng dụng

Tần số chuyển đổi

Chu kỳ nhiệm vụ tối đa

Diện tích mặt cắt-lõi

Vật liệu cốt lõi

Mật độ thông lượng tối đa

Chuyển đổi dạng sóng

Quá ít vòng sơ cấp có thể dẫn đến từ thông quá mức và có khả năng đẩy lõi về phía bão hòa.

Quá nhiều vòng dây có thể làm tăng chiều dài cuộn dây, tổn thất đồng, độ tự cảm rò rỉ và kích thước máy biến áp.

Vì vậy, thiết kế máy biến áp đòi hỏi cả hai:

Tỷ lệ quay đúng

Và

Số lượt tuyệt đối chính xác.

Đây là những liên quan, nhưng chúng không phải là tham số thiết kế giống nhau.

9. Tỷ lệ lượt quay cũng quyết định mối quan hệ hiện tại

Tỷ số vòng dây của máy biến áp có liên quan đến dòng điện cũng như điện áp.

Đối với máy biến áp lý tưởng:

IP / Là=Ns / Np

Ở đâu:

Ip=Dòng sơ cấp

Là=dòng điện thứ cấp

Np=Lượt chính

Ns=Lượt phụ

Điều này có nghĩa là khi điện áp giảm xuống, phía thứ cấp thường mang dòng điện cao hơn cho cùng một công suất truyền tải.

Điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế cuộn dây máy biến áp.

Nhà sản xuất phải lựa chọn kích thước dây dẫn và cách bố trí cuộn dây phù hợp theo dòng điện thực tế.

Đối với cuộn dây thứ cấp có dòng điện cao-, thiết kế có thể yêu cầu:

Dây dẫn lớn hơn

Nhiều dây song song

Lớp cuộn dây thích hợp

Sắp xếp cuộn dây đặc biệt

Vì vậy, tỷ số vòng dây phải luôn được xem xét cùng với các yêu cầu về công suất và dòng điện.

10. Ví dụ: Tính tỷ số vòng dây cho nguồn điện

Hãy xem xét một nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi đơn giản hóa với:

Đầu vào DC: 320 V

Đầu ra yêu cầu: 24 V

Chuyển đổi cấu trúc liên kết: nửa cầu

Chu kỳ nhiệm vụ gần đúng: 50%

Một so sánh điện áp đơn giản cho:

320 / 24 = 13.33

Tuy nhiên, sẽ không chính xác nếu chỉ định ngay tỷ lệ máy biến áp 13,33:1 mà không xem xét hoạt động-nửa cầu.

Điện áp thực tế áp dụng cho sơ cấp máy biến áp, chu kỳ làm việc, phương pháp chỉnh lưu, tổn thất điện áp và dải điều chỉnh đều ảnh hưởng đến thiết kế cuối cùng.

Do đó, nhà sản xuất máy biến áp sẽ sử dụng thông số kỹ thuật nguồn điện hoàn chỉnh để xác định:

Lõi phù hợp

Lượt chính

Lượt thứ cấp

Tỷ lệ lượt

Kích thước dây

Sắp xếp cuộn dây

Kết cấu cách nhiệt

Dự kiến ​​nhiệt độ tăng

Đây là lý do tại sao việc phát triển máy biến áp tùy chỉnh nên được thực hiện cùng với thiết kế bộ chuyển đổi thực tế.

11. Lỗi tính toán tỷ số vòng dây máy biến áp thường gặp

Sai lầm 1: Lấy điện áp đầu vào `Điện áp đầu ra làm tỷ số cuối cùng

Điều này hoạt động như một điểm khởi đầu lý tưởng nhưng không đủ cho nhiều ứng dụng cung cấp điện chuyển mạch.

Sai lầm 2: Bỏ qua cấu trúc liên kết chuyển đổi

Bộ chuyển đổi cầu ngược, chuyển tiếp, nửa cầu và toàn cầu có các mối quan hệ truyền điện áp và năng lượng-khác nhau.

Sai lầm 3: Bỏ qua chu kỳ nhiệm vụ

Điều khiển bằng xung điện làm thay đổi điện áp và năng lượng hiệu dụng được cung cấp qua máy biến áp.

Sai lầm 4: Nhầm lẫn đầu ra DC với điện áp thứ cấp

Điện áp DC được điều chỉnh cuối cùng có thể khác với điện áp thứ cấp máy biến áp yêu cầu do chỉnh lưu và các tổn thất mạch khác.

Sai lầm 5: Chọn tỷ lệ vòng quay mà không kiểm tra thông lượng lõi

Tỷ số điện áp chính xác vẫn có thể dẫn đến mật độ từ thông quá mức nếu số vòng dây tuyệt đối quá thấp.

Sai lầm 6: Bỏ qua dòng điện cuộn dây

Dây dẫn cuộn dây phải có khả năng xử lý RMS thực tế và dòng điện cực đại do nguồn điện tạo ra.

12. Bạn nên cung cấp thông tin gì cho nhà sản xuất máy biến áp tùy chỉnh?

Khi yêu cầu một máy biến áp tùy chỉnh cho nguồn điện, việc cung cấp thông tin kỹ thuật đầy đủ sẽ giúp nhà sản xuất đánh giá thiết kế một cách chính xác.

Đối với các dự án OEM, các thông số này cung cấp cho nhà sản xuất máy biến áp tần số cao đủ thông tin để đánh giá thiết kế từ tính và cuộn dây thay vì dựa vào các thông số điện áp không đầy đủ.

13. Khi nào bạn nên làm việc với nhà sản xuất máy biến áp?

Máy biến áp tiêu chuẩn có thể phù hợp khi các yêu cầu về điện áp, công suất, tần số, kích thước và lắp đặt đã phù hợp với thiết kế hiện có.

Tuy nhiên, đối với thiết bị OEM, máy biến áp có thể cần được tùy chỉnh phù hợp với nguồn điện thực tế.

Một nhà sản xuất máy biến áp tùy chỉnh có thể đánh giá:

Lựa chọn lõi từ

Vòng rẽ sơ cấp và thứ cấp

Cấu trúc cuộn dây

Lựa chọn dây

cách nhiệt

Điện cảm rò rỉ

Nhiệt độ tăng

Kích thước cơ học

Tính khả thi sản xuất

Điều này đặc biệt quan trọng khi máy biến áp phải phù hợp với một PCB cụ thể hoặc hoạt động trong phạm vi nhiệt độ và hiệu suất xác định.

Phần kết luận

Tính tỷ số vòng dây của máy biến áp bắt đầu bằng mối quan hệ giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp:

Vp / Vs=Np / Ns

Nhưng mối quan hệ lý tưởng này chỉ là điểm khởi đầu cho một máy biến áp cung cấp điện thực tế.

Đối với các ứng dụng chuyển mạch, thiết kế cuối cùng cũng phải xem xét cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi, chu kỳ làm việc, dải điện áp đầu vào, chỉnh lưu, tổn thất điện áp, tần số chuyển mạch, lõi từ, mật độ từ thông, dòng điện cuộn dây và điều kiện nhiệt.

Đối với máy biến áp tần số cao, tỷ số vòng dây chính xác và số vòng dây tuyệt đối phải được phát triển cùng nhau. Một thiết kế phù hợp phải cung cấp sự biến đổi điện áp cần thiết trong khi vẫn giữ được từ thông, tổn hao cuộn dây, độ tăng nhiệt và kích thước tổng thể trong phạm vi yêu cầu ứng dụng.

Đối với các dự án cung cấp điện OEM và tùy chỉnh, việc cung cấp các thông số kỹ thuật cơ và điện hoàn chỉnh cho nhà sản xuất máy biến áp là cách đáng tin cậy nhất để xác định thiết kế cuộn dây sơ cấp và thứ cấp phù hợp.

Bài học chính

Khi tính tỷ số vòng dây của máy biến áp, luôn xem xét:

• Điện áp sơ cấp và thứ cấp
• Dải điện áp đầu vào
• Cấu trúc liên kết chuyển đổi
• Chu kỳ nhiệm vụ
• Tần số chuyển đổi
• Phương pháp chỉnh lưu
• Giảm điện áp và tổn thất mạch
• Mật độ lõi từ và từ thông
• Dòng điện sơ cấp và thứ cấp
• Yêu cầu cách nhiệt và nhiệt

Tỷ số vòng dây thiết lập mối quan hệ điện áp cơ bản, nhưng thiết kế máy biến áp hoàn chỉnh sẽ xác định liệu bộ phận đó có thực sự hoạt động đáng tin cậy trong nguồn điện hay không.