Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
La comprensione del nucleo del trasformatore è fondamentale per capire come funziona un trasformatore e perché alcuni sono migliori di altri. Questa guida ai nuclei dei trasformatori vi mostrerà tutto quello che c'è da sapere sui componenti dei trasformatori. Analizzeremo cosa fanno, come sono fatti e perché il design del nucleo è così importante. Se volete scegliere un trasformatore efficiente e risparmiare sui costi energetici, questo articolo fa per voi.
Lo scopo principale di un trasformatore è quello di cambiare il livello di tensione e corrente in un circuito elettrico. È come una rampa per l'elettricità. Un trasformatore può "aumentare" la tensione a un livello superiore o "diminuire" la tensione a un livello inferiore. Ciò avviene senza modificare la quantità totale di energia. Quando la tensione sale, la corrente scende. Quando la tensione diminuisce, la corrente aumenta.
Si tratta di un lavoro molto importante. Le centrali elettriche creano elettricità ad altissima tensione per poterla inviare su lunghe distanze con una minore perdita di energia. Quando l'elettricità arriva in città, un trasformatore abbassa la tensione a un livello più sicuro per le case e le aziende. Dispositivi diversi necessitano di requisiti di potenza diversi. Un trasformatore aiuta ad adattare la potenza della presa a muro alle esigenze del dispositivo.
Il trasformatore esegue questa operazione mediante un processo chiamato induzione elettromagnetica. Ha due serie di fili, chiamati avvolgimenti primari e secondari. Il primo avvolgimento (primario) riceve l'energia elettrica. Questo crea un campo magnetico. Il trasformatore utilizza questo campo per trasferire l'energia alla seconda bobina (secondaria), che invia l'energia a una nuova tensione. Tutti i tipi di trasformatori funzionano secondo questa regola di base.
Parliamo ora della star dello spettacolo: il nucleo del trasformatore. Se gli avvolgimenti sono i bracci del trasformatore, il nucleo è il corpo che li collega. Il nucleo del trasformatore è la parte centrale del trasformatore. Il suo compito principale è quello di fornire un percorso al flusso magnetico. Quando l'avvolgimento primario crea un campo magnetico, il nucleo guida questo campo verso l'avvolgimento secondario.
Senza un buon nucleo del trasformatore, il flusso magnetico si disperde nell'aria. Gran parte dell'energia andrebbe persa. Il nucleo agisce come un'autostrada per il campo magnetico, assicurandosi che viaggi dalla bobina primaria agli avvolgimenti secondari con pochissime perdite lungo il percorso. È questo che rende un trasformatore così bravo a trasferire energia. Il nucleo magnetico è la chiave di un trasformatore efficiente.
Il nucleo del trasformatore è solitamente costituito da un materiale molto permeabile al flusso magnetico. Ciò significa che il campo magnetico può fluire liberamente attraverso di esso. Una scelta comune è il nucleo di ferro. Quanto meglio il nucleo del trasformatore guida il flusso magnetico, tanto più efficiente sarà il trasferimento di energia. Ecco perché la progettazione del nucleo è così importante. Un nucleo efficiente garantisce il buon funzionamento del dispositivo. Il trasformatore si basa su questa parte.
Il progetto del nucleo è tutto per un trasformatore. Un buon progetto del nucleo del trasformatore assicura che il trasformatore funzioni bene e non sprechi molta energia. Un cattivo progetto del nucleo può portare a un'elevata perdita di energia, al riscaldamento e a una minore durata del trasformatore. L'obiettivo è sempre quello di creare un percorso per il flusso magnetico che sia il più semplice possibile.
Il design del nucleo influisce su molti aspetti. Determina la quantità di flusso magnetico che il nucleo può gestire, chiamata densità di flusso. Inoltre, contribuisce a ridurre gli sprechi di energia. La forma e le dimensioni del nucleo del trasformatore devono corrispondere alla quantità di potenza che il trasformatore deve gestire. Per le applicazioni ad alta potenza, è necessario un nucleo più grande e robusto. Per le applicazioni elettroniche più piccole, si utilizza un nucleo del trasformatore di forma diversa.
Pensare alla progettazione del nucleo significa realizzare un trasformatore efficiente. Vogliamo ridurre al minimo le perdite di potenza. Ad esempio, un buon progetto di nucleo avrà pochissimi vuoti d'aria. Questi spazi possono opporsi al flusso magnetico e causare perdite di energia. Il modo in cui viene costruito il nucleo del trasformatore, dal materiale alla forma, contribuisce a determinare la capacità del trasformatore di svolgere il proprio lavoro. Questa progettazione garantisce il corretto funzionamento del trasformatore.
Il materiale utilizzato per il nucleo del trasformatore è molto importante per le sue prestazioni. L'obiettivo è utilizzare materiali ad alta permeabilità. Ciò significa che lasciano passare facilmente il flusso magnetico. I materiali più comuni sono l'acciaio al silicio e i metalli amorfi.
L'acciaio al silicio è un tipo speciale di acciaio a cui è stata aggiunta una piccola quantità di silicio. Questa aggiunta aumenta la capacità dell'acciaio di resistere al flusso di corrente all'interno del nucleo stesso, contribuendo a ridurre la perdita di energia. Spesso si tratta di un tipo speciale di acciaio al silicio chiamato CRGO, acronimo di Cold Rolled Grain Oriented steel. L'acciaio CRGO ha ottime proprietà magnetiche nella direzione in cui viene laminato, il che lo rende perfetto per il nucleo del trasformatore. Il trasformatore trae grande beneficio da questi materiali.
Un altro materiale sorprendente è il metallo amorfo, talvolta chiamato vetro metallico. I nuclei amorfi sono costituiti da metalli raffreddati così rapidamente da non formare una struttura cristallina. Questa struttura disordinata facilita il cambiamento di direzione del campo magnetico, riducendo drasticamente la perdita di energia. Un nucleo amorfo è ottimo per realizzare un trasformatore con un'efficienza più elevata, soprattutto nei trasformatori di distribuzione che sono sempre accesi. Vengono utilizzati anche altri materiali come la ferrite, spesso nei trasformatori di corrente ad alta frequenza. Questi materiali fanno una grande differenza.
Se si osserva da vicino il nucleo di un trasformatore, si può notare che non è un blocco solido di metallo. È invece costituito da molti fogli sottili impilati insieme. Questo è chiamato laminazione. La costruzione del nucleo utilizza questi fogli laminati per un motivo molto importante: bloccare le correnti parassite.
Ecco cosa succede. Quando il campo magnetico nel nucleo del trasformatore cambia continuamente, può creare piccoli flussi circolari di corrente all'interno del materiale del nucleo stesso. Si tratta di correnti parassite. Queste piccole correnti sono un grosso problema perché non svolgono alcun lavoro utile. Creano solo calore, che è una forma di perdita di energia. Questo riscaldamento può danneggiare il trasformatore e sprecare elettricità. Un nucleo di ferro solido avrebbe grandi correnti parassite.
Utilizzando la laminazione, interrompiamo il percorso di queste correnti parassite. Ogni foglio sottile, o laminazione, ha uno strato isolante. Questo strato impedisce alla corrente di scorrere tra i fogli. Ciò significa che le correnti parassite possono scorrere solo in un foglio molto sottile, il che le rende molto piccole e deboli. Questo semplice trucco della laminazione è uno dei modi migliori per ridurre le perdite di corrente parassita e realizzare un trasformatore più efficiente. Si tratta di una parte fondamentale della costruzione del nucleo del trasformatore.
Quando si parla dei principali tipi di nuclei di trasformatori, di solito ci si riferisce alle due forme o configurazioni più comuni. Si tratta del "tipo a nucleo" e del "tipo a guscio". La scelta tra i due tipi dipende dalle esigenze di potenza e dall'utilizzo del trasformatore. Ogni tipo di nucleo ha i suoi punti di forza.
Il primo tipo di nucleo è chiamato semplicemente "tipo di nucleo". In questo tipo di design, gli avvolgimenti sono avvolti intorno agli arti del nucleo. Immaginate una ciambella quadrata, i cui fili sono avvolti su due lati. Questa struttura è semplice da costruire e garantisce un buon accoppiamento tra gli avvolgimenti primari e secondari. Il nucleo del trasformatore è il centro della struttura.
Il secondo tipo di nucleo è il "tipo a guscio". In un trasformatore a guscio, il nucleo circonda gli avvolgimenti. È come se l'avvolgimento fosse il centro morbido e il nucleo del trasformatore il guscio duro che lo protegge. Questo design offre un percorso migliore per il flusso magnetico perché ha un grande arto centrale. Il design a guscio offre anche una migliore protezione meccanica per la bobina e l'avvolgimento. Questo è uno dei tipi più comuni di nuclei di trasformatori. Questo trasformatore è molto affidabile.
Approfondiamo un po' questi due modelli. In un trasformatore "a nucleo", l'avvolgimento circonda il nucleo del trasformatore. Il nucleo stesso è di solito una semplice forma di rettangolo con due estremità. Gli avvolgimenti primari e secondari sono posizionati uno sopra l'altro su entrambi i bracci del nucleo. Questa struttura del nucleo è più facile da smontare per le riparazioni. Tuttavia, il percorso del flusso magnetico è più lungo e ciò può comportare una maggiore perdita di energia.
In un trasformatore "a guscio" avviene il contrario. Il nucleo del trasformatore è costruito intorno agli avvolgimenti. Il nucleo ha tre membra e la bobina è avvolta intorno alla membrana centrale. I due bracci esterni forniscono un percorso a bassa resistenza per il flusso magnetico. Questa struttura a guscio contribuisce a ridurre la perdita di energia perché il flusso magnetico ha due percorsi di ritorno, che ne riducono la resistenza. Il trasformatore è spesso più compatto con questo design.
Quindi, quando scegliere l'uno piuttosto che l'altro? I trasformatori a nucleo sono spesso utilizzati in applicazioni di potenza ad alta tensione, come i grandi trasformatori di potenza. Il trasformatore a guscio è molto comune nei piccoli trasformatori per l'elettronica e la distribuzione, dove sono importanti le dimensioni compatte e la maggiore efficienza. La scelta del tipo di nucleo dipende dal lavoro specifico che il trasformatore deve svolgere. Entrambi sono progettati per far funzionare bene il trasformatore.
Il modo in cui il nucleo del trasformatore viene assemblato è detto configurazione di montaggio. Questo aspetto è particolarmente importante per l'alimentazione trifase, utilizzata nella maggior parte degli ambienti industriali. Per questi tipi di requisiti di potenza, il nucleo deve gestire tre flussi di campo magnetico separati contemporaneamente. I modelli più comuni sono il nucleo a tre e il nucleo a cinque bracci.
Il nucleo a tre arti è lo standard per la maggior parte dei trasformatori di distribuzione trifase. Ha tre gambe verticali, o arti, e un giogo superiore e inferiore per collegarli. Ogni braccio contiene gli avvolgimenti primari e secondari di una fase della potenza. Questo design del nucleo è semplice ed economico. Il flusso magnetico di ciascuna fase condivide lo stesso percorso, il che funziona bene nella maggior parte dei casi.
Per i trasformatori di potenza di grandi dimensioni, viene spesso utilizzato un nucleo a cinque bracci. Questo progetto aggiunge due bracci esterni ai tre standard. Questi bracci supplementari non sono avvolti con una bobina. Il loro compito è quello di fornire un percorso di ritorno più facile per il flusso magnetico, che contribuisce a ridurre la perdita di energia e le perdite a vuoto. Esiste anche una configurazione a quattro bracci, ma è meno comune. Queste diverse configurazioni vengono scelte per garantire un funzionamento efficiente di un trasformatore specifico. Il trasformatore ha bisogno della struttura del nucleo adatta al suo compito.
Il rapporto tra la bobina e il nucleo del trasformatore è il cuore del funzionamento di un trasformatore. La bobina, nota anche come avvolgimento, è costituita da un conduttore, solitamente di rame o alluminio. In un trasformatore ci sono almeno due avvolgimenti: l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario.
Il processo inizia quando una corrente alternata attraversa la bobina primaria. Questa corrente crea un campo magnetico mutevole intorno all'avvolgimento. È qui che entra in gioco il nucleo del trasformatore. Il nucleo, costituito da un materiale ad alta permeabilità magnetica, cattura questo campo magnetico. Guida quindi il flusso magnetico in modo efficiente lungo il suo percorso. Il nucleo è come un canale per questa energia magnetica. Gli avvolgimenti che circondano il nucleo sono il punto di partenza dell'azione.
Il flusso magnetico, che ora scorre attraverso il nucleo comune, attraversa l'avvolgimento secondario. Questo campo magnetico variabile che si muove attraverso la bobina secondaria induce una tensione in essa. Questo crea una nuova corrente che può alimentare un dispositivo. Il rapporto tra le spire dell'avvolgimento primario e quelle dell'avvolgimento secondario determina la tensione di uscita. È così che un trasformatore svolge la sua funzione di step-up e step-down. Il nucleo del trasformatore assicura che quasi tutto il flusso magnetico della bobina primaria raggiunga il secondario, aumentando l'efficienza dell'accumulo e del trasferimento di energia. Il nucleo può anche essere costruito intorno alle bobine.
Quando si parla di un buon trasformatore, spesso si parla di efficienza del trasformatore. Si tratta di una misura della quantità di energia persa nel passaggio attraverso il trasformatore. Nessun trasformatore è perfetto; ci sarà sempre una certa perdita di energia. Ma un trasformatore ben progettato con un nucleo efficiente può avvicinarsi molto alla perfezione. Conoscere i nuclei dei trasformatori significa conoscere l'efficienza.
Esistono due tipi principali di perdita di energia in un trasformatore. La prima è la "perdita di carico" o perdita di rame, che si verifica nell'avvolgimento a causa della resistenza del filo. La seconda, spesso maggiore, è la "perdita a vuoto" o perdita di ferro. Si verifica nel nucleo del trasformatore stesso. Questa perdita di energia è causata dalle correnti parassite e da un fenomeno chiamato isteresi. La perdita per isteresi è l'energia utilizzata per cambiare la direzione del campo magnetico nel materiale del nucleo. È qui che brillano i materiali amorfi, che hanno perdite di isteresi molto basse.
Un nucleo di trasformatore efficiente è progettato per ridurre queste perdite a vuoto. L'utilizzo di materiali di alta qualità, come il metallo amorfo o il Acciaio al silicio CRGO e l'uso della laminazione per bloccare le perdite di corrente parassita sono fondamentali. La riduzione delle perdite di energia non è solo una questione di prestazioni, ma anche di denaro. Un trasformatore con un'efficienza più elevata spreca meno energia, il che si traduce in costi operativi inferiori nel corso della sua vita. Per chi sceglie un trasformatore, questo è un punto critico da considerare. L'efficienza del trasformatore è direttamente legata al design del suo nucleo. Ecco cosa c'è da sapere sull'efficienza dei trasformatori.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
Italian 
English 
German 
Spanish 
French 
Japanese 
Korean 
Dutch 
Indonesian