Gemakkelijk transformatorontwerp: een stap-voor-stap handleiding voor uw voedingstransformator

Een transformator kan eruit zien als een eenvoudige metalen doos. Maar aan de binnenkant zorgt een slimme manier van samenstellen ervoor dat hij werkt. Dit proces wordt transformatorontwerp genoemd. Een energietransformator verandert de elektrische spanning zodat deze hoger of lager wordt. Dit artikel laat zien hoe je een transformator ontwerpt. We zullen de moeilijke onderdelen op een begrijpelijke manier uitleggen. Je leert over de kern, de wikkelingen en hoe je je transformator goed kunt laten werken zonder energie te verspillen. Als je dit leest, zul je zien wat een goede transformator is. Het laat je ook zien hoe een ingenieur er een maakt, vanaf het allereerste begin.

Wat is een voedingstransformator en wat doet hij?

Een energietransformator is een elektrisch apparaat. Hij stuurt elektrische stroom van het ene circuit naar een ander circuit. Dit gebeurt zonder bewegende delen. De belangrijkste taak van een transformator is het veranderen van de hoeveelheid spanning en stroom. Een transformator kan een step-up of een step-down transformator zijn. Een step-up transformator maakt de spanning hoger. Een step-down transformator maakt de spanning lager. Dit is een grote hulp in veel elektrische systemen.

De transformator doet zijn werk met behulp van een magnetisch veld. Hij bestaat uit twee hoofdonderdelen. Het ene deel is een magnetische kern en het andere deel is een groep wikkelingen. Er zijn ten minste twee wikkelingen: de primaire wikkeling en de secundaire wikkeling. De primaire wikkeling neemt het ingangsvermogen op. De secundaire wikkeling geeft het uitgangsvermogen af. Wanneer er een ingangsspanning op de primaire wikkeling wordt gezet, creëert deze een magnetisch veld dat binnenin de kern verandert. Dit magnetische veld, magnetische flux genoemd, zorgt vervolgens voor een spanning in de secundaire wikkeling. Het bijzondere aan een transformator is hoe al deze onderdelen als een team hun werk doen. Een eenvoudige transformator kan veel doen.

Waarom is een goed transformatorontwerp zo belangrijk voor een ingenieur?

Een goed plan voor een transformator is erg belangrijk om er een te maken die veilig is en zijn werk goed doet. Een transformator die niet goed ontworpen is, kan grote problemen veroorzaken. Hij kan te heet worden, stroom verspillen en zelfs in één keer stoppen met werken. Een ingenieur moet aan veel dingen denken tijdens het ontwerpproces van een transformator. Het belangrijkste doel is om een transformator te maken die de hoeveelheid stroom aankan die hij moet verwerken. Hij moet ook heel goed werken zonder energie te verspillen. Een transformator die zo goed werkt, bespaart zowel geld als energie.

Een goed transformatorontwerp zorgt er ook voor dat de transformator jarenlang blijft werken. De transformator moet kunnen omgaan met de warmte die vrijkomt bij vermogensverlies. De isolatie moet sterk genoeg zijn voor de hoogste spanning die hij zal gebruiken. De manier waarop de onderdelen in elkaar zitten moet correct zijn. Een goede transformator is een transformator waarop je kunt rekenen. Een energietransformator van 100 kVA moet bijvoorbeeld zorgvuldig worden gepland. Dit is om er zeker van te zijn dat de transformator lang veilig zoveel vermogen kan verwerken. Het is de taak van een ingenieur om de juiste mix te vinden van prijs, grootte en hoe goed het werkt in het uiteindelijke transformatorontwerp. Dit maakt de transformator tot een nuttig onderdeel van een elektrisch systeem.

Hoe begin je als je een transformator ontwerpt?

Om een transformator te ontwerpen, moet je eerst weten wat hij moet doen. Je moet de basisdetails van de transformator bepalen. Deze details zijn de eerste stap voor al je rekenwerk. Als je ze niet hebt, kun je geen bruikbare transformator bouwen.

Hier zijn de belangrijke dingen om in het begin over te beslissen:

• Ingangsspanning: De voedingsspanning die wordt aangesloten op de primaire wikkeling. Dit is de spanning die de transformator ingaat.
• Uitgangsspanning: De secundaire spanning die je van de transformator moet krijgen.
• Vermogen (VA of kVA): Dit vertelt je hoeveel vermogen de transformator aankan. Dit wordt gemeten in Volt/Ampère (VA). Een kleine transformator kan 50 VA zijn. Een grote vermogenstransformator kan 100 kVA of zelfs meer zijn.
• Frequentie: Dit is de frequentie van de elektrische stroombron. In Noord-Amerika is dit meestal 60 Hz. In Europa is het 50 Hz. De transformator moet gemaakt worden om op één specifieke frequentie te werken.

Nadat je deze informatie hebt, kun je de andere onderdelen van de transformator met wiskunde gaan berekenen. Het ingangsvermogen en uitgangsvermogen helpen je bijvoorbeeld uit te zoeken hoeveel stroom er door de primaire en secundaire wikkelingen zal lopen. Deze eerste stappen vormen de basis voor je hele transformatorontwerp.

Wat is de juiste soort laminering voor je transformatorkern?

De magnetische kern is als het hart van de transformator. Het is zijn taak om de magnetische flux te laten zien waar hij naartoe moet. Hij leidt de flux van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling. Het materiaal dat voor de kern wordt gebruikt, bepaalt in grote mate hoe goed de transformator werkt. De meeste transformatorkernen zijn gemaakt van een speciaal materiaal dat siliciumstaal heet. Dit materiaal laat heel gemakkelijk een magnetisch veld door.

De kern is niet één massief stuk staal. Hij is opgebouwd uit vele dunne metalen platen. Deze platen worden laminaten genoemd. Elke laminatie heeft een heel dun laagje isolatie. Dit houdt het gescheiden van de andere platen. Dit lamineren is erg belangrijk. Het helpt om de hoeveelheid energie die verloren gaat in de kern te verminderen. Deze energieverspilling staat bekend als kernverliezen. Een massieve kern zou grote elektrische stromen doorlaten. Dit zou veel warmte creëren en veel energie verspillen. De dunne lamellen houden deze stromen tegen, waardoor de transformator veel beter werkt.

Hoe bepaalt u de wikkeldraaiingen voor uw spanning?

De spanning van een transformator hangt volledig af van het aantal windingen in de wikkelingen. Het verband tussen de ingangsspanning, de uitgangsspanning en het aantal windingen is heel eenvoudig. Dit verband staat bekend als de omwentelingsverhouding. Als de secundaire wikkeling meer windingen heeft dan de primaire wikkeling, is de transformator een step-up transformator. Als de secundaire wikkeling minder windingen heeft, is het een step-down transformator.

Om het aantal beurten te bepalen, gebruiken ingenieurs een formule. Deze formule wordt vaak de EMF-vergelijking van de transformator genoemd. Een eenvoudigere manier om erover na te denken is "volt per draai". Eerst zoek je uit hoeveel spanning één wikkeling aankan. Als je bijvoorbeeld vindt dat de volt per draai 0,5 is en je hebt een primaire wikkeling nodig voor 120 volt, dan reken je het als volgt uit:

Aantal windingen = wikkelspanning / volt per winding Aantal windingen = 120 volt / 0,5 = 240 windingen

Je zou 240 windingen nodig hebben voor de primaire spoel. Als je een secundaire uitgang van 12 volt wilt, heb je 12 / 0,5 = 24 windingen nodig voor de secundaire wikkeling. Deze wiskunde is een zeer belangrijke stap bij het ontwerpen van een transformator.

Welke koperdraad is geschikt voor jouw wikkelsysteem?

De wikkeling van een transformator is een spoel van draad. Deze draad, of geleider, is bijna altijd van koper. Koper is een goede keuze omdat het goed stroom geleidt en niet te veel kost. De dikte, of gauge, van de koperdraad die je kiest is van groot belang. De juiste dikte hangt af van hoeveel stroom de wikkeling moet geleiden.

Een wikkeling met veel stroom moet een dikke koperdraad hebben. Een wikkeling met slechts weinig stroom kan een dunnere draad gebruiken. Als je een draad kiest die te dun is voor de hoeveelheid stroom, zal deze te heet worden. Deze hitte kan de isolatie van de draad doen smelten. Hierdoor kan de transformator kapot gaan. Om de juiste draadmaat te vinden, moet je eerst de primaire stroom en de secundaire stroom bepalen. Je kunt dit doen aan de hand van het vermogen van de transformator (VA-waarde).

Deze tabel toont een eenvoudig idee. Naarmate de stroom groter wordt, moet de draad dikker zijn. Het kiezen van de juiste geleider zorgt ervoor dat de transformator de stroom die hij moet leveren aankan zonder te heet te worden. Dit is superbelangrijk voor een veilige transformator waar je op kunt rekenen.

Wat zijn kernverliezen en waarom zijn ze belangrijk in een transformator?

Geen enkele transformator is perfect. Elke transformator heeft een verspild vermogen. Dit verspilde vermogen verandert in warmte. Er zijn twee belangrijke soorten verliezen in een transformator: kernverliezen en koperverliezen. Kennis hiervan is erg belangrijk wanneer je een transformator ontwerpt die goed moet werken.

Kernverliezen zijn verliezen die optreden in de magnetische kern van de transformator. Ze worden veroorzaakt door het magnetische veld in het siliciumstaal, dat altijd verandert. Deze verliezen zijn er altijd als de transformator aan staat. Dit geldt zelfs als er niets op de secundaire wikkeling is aangesloten. Het gebruik van dunne lamellen en een goed materiaal voor de kern helpt om deze verliezen klein te houden.

Koperverliezen zijn verliezen die optreden in de koperen wikkelingen. Ze worden veroorzaakt door de weerstand van de elektrische draad. Wanneer er stroom door de draad loopt, wordt er warmte geproduceerd. Dit wordt ook wel I²R-verlies genoemd. De koperverliezen worden groter naarmate de transformator meer werk verricht. Meer stroom betekent meer warmte en meer energieverspilling. Een goed transformatorontwerp probeert zowel de kernverliezen als de koperverliezen zo klein mogelijk te maken. Dit wordt gedaan om de transformator beter te laten werken en minder stroom te laten verspillen.

Hoe verandert de wikkeling de werking van een transformator?

De manier waarop de primaire en secundaire wikkelingen op de kern zijn geplaatst, wordt de opstelling van de wikkelingen genoemd. Deze opstelling kan de manier veranderen waarop de transformator zijn werk doet. Het belangrijkste doel is om de beste magnetische verbinding te krijgen tussen de primaire en secundaire wikkelingen. Dit betekent dat je zoveel mogelijk van de magnetische flux van de primaire wikkeling wilt verbinden met de secundaire wikkeling.

Een normale opstelling is om de secundaire spoel bovenop de primaire spoel te wikkelen. Er zit een isolatielaag tussen. Deze opstelling plaatst de twee wikkelingen heel dicht bij elkaar. Door ze dicht bij elkaar te plaatsen, wordt de zogenaamde lekstroom verlaagd. Lekstroom is een magnetisch veld dat ontsnapt en geen verbinding maakt met beide wikkelingen. Een goede opstelling van de wikkelingen zorgt voor een betere spanningsregeling van de transformator. Spanningsregeling geeft aan hoeveel de uitgangsspanning daalt wanneer de transformator op vol vermogen werkt. Een goede opstelling helpt hem beter te werken wanneer de hoeveelheid vermogen die hij afgeeft verandert. Het heeft ook invloed op de impedantie van de transformator en het vermogen om het ingangs- en uitgangscircuit gescheiden te houden.

Hoe zorg je ervoor dat je voedingstransformator koel blijft?

Alle verspilde energie in een transformator wordt warmte. Als deze warmte niet wordt afgevoerd, wordt de transformator steeds heter. Te veel warmte kan de isolatie beschadigen. Hierdoor kan de transformator breken. Daarom moet elke energietransformator een manier hebben om af te koelen. De koelmethoden die gebruikt worden, hangen af van de grootte en het vermogen van de transformator.

Voor kleine transformatoren is alleen de lucht die eromheen beweegt al genoeg om ze koel te houden. De warmte verplaatst zich van de kern en de wikkelingen naar het buitenoppervlak en gaat dan de lucht in. Voor grotere transformatoren is dit niet goed genoeg. Een grotere vermogenstransformator, zoals een unit van 100 kVA, kan lamellen aan de buitenkant hebben. Deze lamellen geven de lucht meer ruimte om aan te raken, wat de koeling verbetert. Zeer grote transformatoren worden vaak in een tank geplaatst die gevuld is met een speciale olie. De olie absorbeert de warmte van de transformatorkern en wikkelingen. De hete olie beweegt dan rond en wordt gekoeld door lucht of water. Het kiezen van een manier om de transformator te koelen is een zeer belangrijk onderdeel van het transformatorontwerp.

Wat is de beste manier om je voltooide transformatorontwerp te testen?

Nadat een ingenieur de transformator gepland en gebouwd heeft, moet hij getest worden. Testen worden gedaan om er zeker van te zijn dat de transformator doet wat hij moet doen en dat hij veilig te gebruiken is. Er zijn een paar normale tests voor een transformator.

Eén test heet de open-circuit test. Voor deze test wordt spanning gezet op de primaire zijde, maar de secundaire zijde wordt open gelaten zonder dat er iets op aangesloten is. Deze test controleert de kernverliezen van de transformator. Een andere test is de kortsluittest. De secundaire uitgang wordt verbonden met een dikke draad en er wordt een zeer kleine spanning op de primaire zijde gezet. Deze test controleert de koperverliezen en de impedantie van de transformator. Aan het einde wordt een spanningsregulatietest uitgevoerd. Hierbij wordt gecontroleerd hoe de secundaire spanning verandert wanneer er geen belasting is en wanneer er een volledige belasting is. Deze tests zorgen ervoor dat de transformator de juiste spanning heeft en naar wens werkt. Dit is de laatste controle voor een transformator die goed ontworpen is.

Belangrijke dingen om te onthouden

• Begin met de belangrijkste details: Voordat je een transformator ontwerpt, moet je weten welke ingangsspanning, uitgangsspanning, vermogen (kVA) en frequentie je nodig hebt.
• De kern is erg belangrijk: Gebruik siliciumstalen lamellen van goede kwaliteit voor de magnetische kern om de magnetische flux te geleiden en kernverliezen te verlagen.
• Het aantal slagen bepaalt de spanning: Het aantal windingen in de primaire wikkeling in vergelijking met de secundaire wikkeling bepaalt de uitgangsspanning.
• De draaddikte hangt af van de stroomsterkte: De koperdraad voor elke wikkeling moet dik genoeg zijn om de stroom aan te kunnen zodat hij niet te heet wordt.
• Minder stroom verspillen is een groot doel: Een goed transformatorontwerp maakt zowel de kernverliezen als de koperverliezen zo klein mogelijk om energie- en warmteverspilling te beperken.
• De opstelling is belangrijk: Hoe de wikkelingen op de kern zijn geplaatst, beïnvloedt hoe goed de transformator werkt, hoe hij wordt geregeld en hoeveel vermogen hij verspilt.
• Doe altijd een test: Het testen van je afgewerkte transformator bewijst dat hij veilig werkt en alles doet waarvoor hij ontworpen is.