Il trasformatore è un dispositivo utilizzato per trasmettere l'energia elettrica tra due parti di un circuito, creando isolamento e modificando la corrente e la tensione. Il trasformatore è parte integrante della maggior parte dei sistemi elettrici. In particolare, i trasformatori di potenza vengono utilizzati quando è richiesta un'elevata efficienza di trasmissione dell'energia. A seconda dell'applicazione specifica, l'apparecchiatura può funzionare in modo continuo o discontinuo a pieno carico.
I piccoli trasformatori utilizzati nei dispositivi elettrici commerciali possono essere costituiti da due diverse forme di nucleo. EI o forma quadrata e forma toroidale. I trasformatori toroidali (nucleo ad anello, a forma di ciambella) sono componenti elettrici costituiti da fili di rame avvolti attorno a un nucleo cilindrico. In passato, la forma del nucleo EI era più diffusa. Tuttavia, i trasformatori toroidali stanno diventando molto importanti nelle applicazioni che richiedono bassa potenza, grazie alla loro forma unica e ai loro vantaggi.
Costruzione dei trasformatori toroidali
Nucleo: il nucleo dei trasformatori ordinari è costituito da fogli di acciaio al silicio laminati. Il nucleo dei trasformatori toroidali è costituito da nastri di acciaio al silicio avvolti. Il suo ruolo è quello di formare un flusso magnetico alternato di frequenza sotto l'azione della corrente alternata della bobina primaria, attraverso il flusso magnetico alternato nel nucleo induce il potenziale elettrico nella bobina secondaria, formando un'alimentazione a bassa tensione. Il nucleo è il corpo principale per completare la conversione di energia elettrica, energia magnetica ed energia elettrica.
Avvolgimento: generalmente costituito da fili di rame piatti isolati o da fili di rame rotondi avvolti sulla matrice di avvolgimento. Contiene due gruppi: primario e secondario (alta tensione e bassa tensione). Il ruolo dell'avvolgimento primario è quello di introdurre il lato originale del trasformatore in parte per completare il processo di eccitazione, in un'altra parte per riempire l'avvolgimento secondario di energia elettrica. L'avvolgimento secondario ha il compito di convertire l'energia magnetica in energia elettrica e di trasmetterla all'esterno. Gli avvolgimenti sono solitamente collegati secondo un determinato metodo di connessione del circuito.
Isolamento del corpo: comprende l'isolamento primario e secondario, l'isolamento intergiro, l'isolamento del nucleo e l'isolamento interguscio. I materiali utilizzati sono cartone, resina epossidica, vari materiali isolanti, olio per trasformatori e così via. L'olio per trasformatori non solo ha un buon effetto isolante, ma può anche contribuire alla dissipazione del calore del trasformatore per raffreddare il nucleo e la bobina.
Gli avvolgimenti dei trasformatori toroidali sono avvolti uniformemente sul nucleo e la direzione delle linee magnetiche generate dagli avvolgimenti coincide quasi esattamente con il circuito magnetico del nucleo, riducendo l'energia di eccitazione e la perdita del nucleo del 25% rispetto al tipo laminato.
Principio di funzionamento
I trasformatori si basano sull'induzione elettromagnetica. Il fisico Michael Faraday scoprì l'induzione elettromagnetica nel 1831, quando constatò che l'intensità di una corrente elettrica è proporzionale alla velocità di movimento del magnete e al numero di spire della bobina.
Il trasformatore sfrutta questa relazione proporzionale. Il principio di funzionamento del trasformatore toroidale è lo stesso del trasformatore, entrambi funzionano sfruttando il principio della conversione elettrico-magnetica e magnetico-elettrica. Il circuito mostrato nella figura seguente illustra il principio di funzionamento di un trasformatore. Quando la tensione alternata U1 viene inviata a entrambe le estremità dell'avvolgimento primario L1 del trasformatore (il numero di spire è N1), la corrente alternata I1 scorre attraverso L1, L1 genera immediatamente un campo magnetico, le linee di induzione magnetica del campo magnetico sono accoppiate all'avvolgimento secondario L2 (il numero di spire è N2) lungo un nucleo ben conduttore, L2 genera immediatamente un potenziale elettrico indotto, in questo momento L2 è equivalente a un alimentatore. Poiché L2 è collegato al carico R come un circuito chiuso, L2 ha una corrente alternata in uscita I2 e scorre attraverso il carico R. La tensione attraverso R è U2.
I campi magnetici producono una tensione di uscita quando attraversano l'avvolgimento secondario. La quantità di tensione prodotta dipende dal numero di bobine del secondario rispetto al primario. Si dimezza se il rapporto è di 2:1, mentre raddoppia se è di 1:2.
Vantaggi dei trasformatori toroidali
1. Alta efficienza
La forma unica di questi trasformatori si presta all'uso di bobine più corte, che si traducono in livelli di perdita inferiori e, quindi, in una maggiore efficienza del sistema. Poiché i trasformatori toroidali sono più efficienti di altri trasformatori di potenza, generano meno calore durante il funzionamento, il che si traduce in temperature di esercizio più basse. Questo, a sua volta, riduce la necessità di unità di raffreddamento.
Il nucleo non ha spazi d'aria, il fattore di laminazione può raggiungere il 95% o più, la permeabilità del nucleo può essere di 1,5~1,8T (il nucleo laminato può sopportare solo 1,2~1,4T), l'efficienza elettrica è del 95% o più, la corrente a vuoto è solo il 10% del tipo laminato.
2. Temperatura di funzionamento più bassa
Poiché la perdita di ferro può essere raggiunta a 1,1W/kg, l'aumento della temperatura del nucleo è basso quando la perdita di ferro è molto piccola e la dissipazione del calore dell'avvolgimento nella bassa temperatura del nucleo è buona, quindi l'aumento della temperatura del trasformatore è basso.
3. Dimensioni più compatte e peso ridotto
Tutti gli avvolgimenti di un trasformatore toroidale sono distribuiti simmetricamente sull'intero nucleo, il che comporta una lunghezza dei fili molto ridotta. Poiché il flusso magnetico è orientato nella stessa direzione di laminazione del nucleo a grani orientati, è possibile ridurre notevolmente il volume e il peso e aumentare la densità di flusso.
Grazie alle dimensioni e al peso ridotti, i trasformatori toroidali sono ideali per prodotti elettrici compatti. Inoltre, STEPPERONLINE può progettare un trasformatore specifico per lo spazio del cliente.
4. Riduzione del campo magnetico disperso e delle emissioni EMI
Il nucleo del trasformatore toroidale non ha intercapedini d'aria, l'avvolgimento è avvolto uniformemente nel nucleo a forma di anello, il che porta a piccole perdite magnetiche e radiazioni elettromagnetiche. Gli avvolgimenti primari e secondari che coprono il nucleo fungono da schermi contro il campo magnetico generato, proteggendo così le apparecchiature elettroniche sensibili vicine al trasformatore durante il funzionamento. I trasformatori toroidali possono essere utilizzati in apparecchiature elettroniche ad alta sensibilità senza schermature aggiuntive, come ad esempio negli amplificatori a basso livello e nelle apparecchiature mediche.
I trasformatori toroidali hanno un impatto del tutto trascurabile sull'ambiente e sul corpo umano, il che li rende un'alimentazione sana.
5. Rumore di vibrazione ridotto
La costruzione dei trasformatori toroidali aiuta a sopprimere il rumore udibile. I nuclei sono avvolti strettamente, saldati a punti, ricotti e rivestiti di resina epossidica o isolati con nastro di mylar. L'avvolgimento uniforme del nucleo non lascia spazi vuoti, quindi non ci sono fogli sciolti che vibrano, il che si traduce in una riduzione del ronzio causato dalla magnetostrizione.
6. Flessibilità dimensionale
I trasformatori toroidali offrono un elevato grado di flessibilità dimensionale rispetto ai trasformatori laminati tradizionali. I rapporti di lunghezza, larghezza e altezza dei nuclei dei trasformatori toroidali possono essere facilmente modificati per ottenere una forma che soddisfi le dimensioni richieste.
7. Montaggio più semplice
I trasformatori toroidali sono facili da installare. Nella maggior parte dei casi, richiedono solo una singola rondella di centraggio in metallo e viti o bulloni di montaggio che rendono l'installazione rapida e semplice.
Altri metodi di montaggio molto diffusi sono:
- Invasatura centrale in resina con inserti in ottone o foro passante
- Piastre di montaggio senza pressione
- Incapsulamento completo in custodie di plastica o metallo
- Montaggio su PCB (foro passante)
- Montaggio su guida DIN
8. Risparmio energetico
I nuclei toroidali hanno perdite di ferro molto basse, in genere 1,1 W/kg a 1,7 Tesla e 50 Hz. Queste basse perdite di ferro si traducono in correnti di magnetizzazione molto basse, che portano a un basso consumo energetico in standby. Le minori perdite a vuoto consentono un maggiore risparmio energetico in standby.
Applicazioni dei trasformatori toroidali
I trasformatori toroidali sono spesso utilizzati nelle applicazioni elettroniche come strumento per ridurre/aumentare la tensione. Il dispositivo può anche essere utilizzato per isolare le apparecchiature elettroniche da fonti di tensione vaganti. Esiste una varietà di trasformatori e quindi è possibile realizzare applicazioni diverse. Di seguito una breve descrizione delle applicazioni attuali dei vari trasformatori toroidali:
Industria dei motori passo-passo: utilizzati principalmente per i driver passo-passo monofase e multifase e per i servomotori CA.
Industria dei macchinari: principalmente orientata verso l'industria, come le macchine utensili di controllo, i macchinari CNC, ecc.
Apparecchiature audio/video: utilizzate principalmente per sistemi audio, amplificatori audio, ecc.
Industria medica: utilizzata negli strumenti di test medici per svolgere il ruolo di isolamento di sicurezza.
Industria della strumentazione: utilizzata in vari strumenti e apparecchiature di test.
Industria delle energie rinnovabili: utilizzato negli inverter solari, di solito per il ruolo di aumento della tensione.
Industria dell'umidificazione a polverizzazione: utilizzata principalmente per regolare l'umidità dell'aria, ad esempio nelle serre agricole e nelle basi per la coltivazione di ortaggi.
Controllo elettrico: utilizzato, ad esempio, per i trasformatori di corrente e tensione. I trasformatori ad alta precisione e stabilità possono essere realizzati con il processo di trasformazione toroidale.
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