Los transformadores se utilizan en muchas aplicaciones donde la eficiencia del circuito es una preocupación primordial. Anteriormente, si un diseñador deseaba maximizar la eficiencia del transformador, no existían pautas a seguir en el caso de que la corriente no fuera una variable de diseño. Tales casos surgen, por ejemplo, cuando la corriente debe ser limitada por las calificaciones de otros componentes del circuito o cuando la fuente de alimentación debe operar a una corriente particular. El propósito de este informe es presentar un criterio para la maximización de la eficiencia del transformador toroidal cuando la corriente no es una variable apropiada.
Las ecuaciones de diseño del transformador toroidal se han reducido a depender de una única dimensión, la altura H, y dos parámetros geométricos, la relación del diámetro interior al exterior Y y la relación de la altura a la construcción ((DQ – D,)/2) Z. De esta manera, se puede realizar un análisis de la dependencia de la eficiencia del transformador toroidal en el tamaño y forma del núcleo.
En un estudio previo en el que las ecuaciones de diseño del transformador toroidal fueron informatizadas, se observaron ciertas tendencias en la eficiencia. Sin embargo, estas fueron algo oscurecidas por la restricción del programa a tamaños de núcleo que están disponibles comercialmente como elementos de catálogo y a tamaños estándar de alambre redondo. El presente estudio permite un continuo de tamaños y formas de núcleo y permite una expresión explícita para las dimensiones del núcleo necesarias para producir el transformador toroidal más eficiente posible a una corriente, voltaje, factor de llenado, densidad de flujo magnético, material del núcleo, material de bobinado y temperatura de operación fijos. Aquí también se asume un continuo de tamaños de alambre, permitiendo al diseñador elegir cualquier material conductor y forma que dicte la aplicación.
Después de revisar las fuentes de alimentación para controladores de puerta de media tensión y diferentes técnicas de aislamiento; diferentes tipos de fuentes de alimentación conmutadas no aisladas existentes, sus principios de funcionamiento, flujo de circuito y formas de onda de salida; diferentes métodos para lograr aislamiento, sus ventajas y desventajas; topologías de fuentes de alimentación aisladas para implementar múltiples salidas a partir de una sola entrada, se consideran los principales desafíos de diseño del transformador principal – tensión de aislamiento, rechazo de corriente en modo común, evaluación de saturación y distancias de fuga y despunte, esta tesis propuso una fuente de alimentación aislada de múltiples salidas para un controlador de puerta de media tensión donde el aislamiento se proporciona mediante cable de conexión aislado de alta tensión usando un transformador de núcleo toroidal.
Se realizó un análisis matemático para la selección del tamaño del núcleo y, posteriormente, se llevaron a cabo simulaciones de elementos finitos (FEA) para el núcleo a fin de calcular la inductancia de fuga, la inductancia mutua y el coeficiente de acoplamiento.
Se consideran dos casos: el transformador simple que tiene un primario sin derivaciones y un secundario sin derivaciones, y el transformador inversor básico en paralelo con un primario con derivación central y un secundario sin derivaciones. Se derivan los criterios de máxima eficiencia, y se presentan algunos ejemplos numéricos.
Una nueva regla empírica surge de los resultados de este informe. Cuando la corriente y el voltaje no pueden variarse, pero prácticamente todos los demás parámetros de diseño son flexibles, el diseño más eficiente de un transformador toroidal será aquel que produce pérdidas de cobre iguales al 60 por ciento de las pérdidas de hierro.
Se puede declarar un segundo resultado. Para un factor de llenado dado, la forma del núcleo de hierro toroidal puede especificarse para producir un transformador de la máxima eficiencia posible para los materiales y diseño utilizados. El primer resultado puede ser generalmente cierto para cualquier tipo de transformador cuyas ecuaciones de diseño se pueden reducir a dependencia en una sola variable, como la altura del hierro utilizada aquí, ya que la relación dimensional probablemente sería la misma.
Debe notarse que el diseño más eficiente puede no ser el mejor diseño en todos los casos. Por ejemplo, aumentando un poco la densidad de corriente desde el valor de J-*, (densidad de corriente para la máxima eficiencia), se especificaría un valor menor de H (altura del núcleo de hierro), y la masa del transformador se reduciría correspondientemente. La reducción resultante en eficiencia, en muchos casos, podría compensarse más que suficiente por la disminución en masa.
Debe notarse particularmente en la figura 3 que por la elección correcta de Y y Z, la eficiencia es prácticamente no afectada por variaciones en el factor de llenado. Para el transformador básico, la eficiencia aumenta solo en un 0.6 por ciento para una variación en el factor de llenado de 0.2 a 0.9. Para el transformador inversor, el cambio en eficiencia es de 0.7 por ciento en este rango.