Funzioni e classificazione dei nuclei dei trasformatori

1. Funzioni dei nuclei del trasformatore

I trasformatori pratici funzionano sempre in condizioni di corrente alternata (CA). Le perdite di potenza si verificano non solo nella resistenza degli avvolgimenti ma anche nel nucleo a causa della magnetizzazione CA. La perdita di potenza all'interno del nucleo viene comunemente definita 'perdita di ferro' (o perdita del nucleo), causata da due fattori principali: 'perdita per isteresi' e 'perdita per correnti parassite'. La perdita per isteresi è l'energia dissipata durante il processo di magnetizzazione a causa del fenomeno dell'isteresi. L'entità di questa perdita è proporzionale all'area racchiusa dal ciclo di isteresi del materiale. Poiché l'acciaio al silicio ha un ciclo di isteresi stretto, utilizzarlo come materiale del nucleo riduce significativamente la perdita di isteresi e minimizza sostanzialmente la generazione di calore.

Dato che l'acciaio al silicio presenta questi vantaggi, perché il nucleo non è costituito da un blocco solido di acciaio al silicio, ma viene invece trasformato in fogli sottili? Questo perché un nucleo laminato riduce un altro tipo di perdita di ferro: la perdita di correnti parassite. Durante il funzionamento, la corrente alternata negli avvolgimenti genera un flusso magnetico alternato. Questo cambiamento del flusso magnetico induce correnti all'interno del nucleo. Queste correnti indotte circolano su piani perpendicolari alla direzione del flusso magnetico e sono quindi chiamate correnti parassite. La perdita di correnti parassite provoca anche il riscaldamento del nucleo. Per ridurre al minimo questa perdita, il nucleo del trasformatore è costruito impilando fogli di acciaio al silicio isolati l'uno dall'altro. Ciò costringe le correnti parassite a fluire attraverso anelli stretti con un'area della sezione trasversale più piccola, aumentando così la resistenza elettrica del percorso delle correnti parassite. Inoltre, il silicio presente nell'acciaio aumenta la resistività elettrica del materiale, contribuendo ulteriormente a ridurre le correnti parassite. Per i nuclei dei trasformatori vengono generalmente selezionate lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo di 0,35 mm di spessore. Vengono tagliati in strisce rettangolari in base alle dimensioni del nucleo richieste e quindi impilati per formare una forma a 'otto' o cornice rettangolare. In teoria, più sottili sono le lamiere di acciaio al silicio e più strette le strisce, migliore è l'effetto di riduzione delle correnti parassite. Ciò non solo riduce la perdita di correnti parassite e l'aumento della temperatura, ma consente anche di risparmiare materiale. Tuttavia, nella produzione reale, questi fattori favorevoli non sono le uniche considerazioni. Rendere i fogli troppo sottili e stretti aumenterebbe significativamente le ore di manodopera e ridurrebbe l'effettiva area della sezione trasversale del nucleo. Pertanto, quando si producono nuclei in acciaio al silicio, è necessario valutare i pro e i contro in base alle circostanze specifiche per selezionare le dimensioni ottimali.

I trasformatori sono realizzati in base al principio dell'induzione elettromagnetica. Attorno ad un ramo di nucleo chiuso sono avvolti due avvolgimenti: l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario. Quando viene applicata una tensione alternata all'avvolgimento primario, una corrente alternata lo attraversa, stabilendo una forza magnetomotrice (MMF). Sotto l'influenza di questo MMF, nel nucleo viene generato un flusso magnetico principale alternato. Questo flusso magnetico principale attraversa e collega sia l'avvolgimento primario che quello secondario. A causa dell'induzione elettromagnetica, in entrambi gli avvolgimenti vengono generate forze elettromotrici (EMF). Il motivo per cui può aumentare o diminuire la tensione è spiegato dalla legge di Lenz: il flusso magnetico generato dalla corrente indotta si oppone sempre alla variazione del flusso magnetico originale. Quando il flusso magnetico originario aumenta, il flusso magnetico prodotto dalla corrente indotta si oppone ad esso. In altre parole, il flusso magnetico indotto nell'avvolgimento secondario è opposto al flusso magnetico principale prodotto dall'avvolgimento primario, risultando in una tensione alternata di livello inferiore attraverso l'avvolgimento secondario. Pertanto, il nucleo funge da circuito magnetico del trasformatore, mentre gli avvolgimenti costituiscono il suo circuito elettrico.

2. Classificazione delle configurazioni dei nuclei dei trasformatori

Core di tipo shell e core

La parte del nucleo attorno alla quale sono avvolti gli avvolgimenti è chiamata 'arto del nucleo', mentre la parte che non ha avvolgimenti ma che serve esclusivamente come percorso magnetico è chiamata 'giogo'. Un nucleo viene definito 'tipo a guscio' quando il nucleo circonda gli avvolgimenti e 'tipo a nucleo' quando gli avvolgimenti circondano l'arto del nucleo. Le configurazioni di tipo shell e core hanno ciascuna le proprie caratteristiche distinte, ma i processi di produzione che determinano sono significativamente diversi. Una volta selezionata una struttura specifica, è difficile passare ad un'altra. In Cina, la maggior parte dei nuclei dei trasformatori utilizza un design di tipo a nucleo impilato.

Le lamiere di acciaio al silicio vengono utilizzate per i trasformatori a bassa frequenza e sono disponibili in vari tipi. In base al processo produttivo si possono dividere in:
A: Ricotti (lamiere nere)
N: Non ricotti (lamiere bianche)

In base alla loro forma, possono essere classificati in: tipo EI, tipo UI, tipo C e tipo quadrato (bocca).

Le lamiere di acciaio al silicio di tipo quadrato sono comunemente utilizzate nei trasformatori ad alta potenza. Offrono eccellenti prestazioni di isolamento, facilità di dissipazione del calore e un breve percorso magnetico. Vengono utilizzati principalmente per trasformatori con potenze nominali superiori a 500–1000 W e trasformatori ad alta potenza. Un insieme di lamiere di acciaio al silicio composto da due lamiere di tipo C è chiamato nucleo di tipo CD. Per i trasformatori di potenza realizzati con lamiere tipo CD, a parità di sezione, quanto più alta è la finestra, tanto maggiore è la portata di potenza del trasformatore. Poiché le bobine possono essere installate separatamente su entrambi i lati del nucleo, il numero di spire della bobina può essere distribuito su due bobine, con conseguente riduzione della lunghezza media delle spire per bobina e riduzione della perdita di rame. Inoltre, se due bobine simmetriche vengono avvolte su bobine separate, è possibile ottenere una simmetria perfetta.

Un insieme di lamiere di acciaio al silicio composto da quattro lamiere di tipo C è chiamato nucleo di tipo ED. I trasformatori realizzati con nuclei di tipo ED hanno un profilo piatto e largo. A parità di potenza nominale, i trasformatori di tipo ED sono più corti e più larghi dei trasformatori di tipo CD. Poiché le bobine sono installate al centro delle lamiere di acciaio al silicio con un percorso magnetico esterno, presentano un basso flusso di dispersione e un'interferenza minima con i componenti circostanti. Tuttavia, tutte le bobine sono avvolte su un'unica bobina spessa, con conseguente lunghezza media della spira più lunga e maggiore perdita di rame.

I nuclei di tipo C offrono prestazioni superiori, risultando in trasformatori compatti, leggeri e altamente efficienti. Dal punto di vista dell'assemblaggio, i nuclei di tipo C richiedono pochissime parti e presentano un'elevata versatilità, garantendo un'elevata efficienza produttiva. Tuttavia, il processo di lavorazione delle lamiere di acciaio al silicio di tipo C è complesso e richiede attrezzature specializzate, il che rende il loro costo attuale relativamente elevato.

Le lamiere di acciaio al silicio di tipo E, note anche come lamiere a conchiglia o a forma di otto, hanno il vantaggio principale di condividere un'unica bobina sia per gli avvolgimenti primari che per quelli secondari, producendo un elevato fattore di spazio della finestra (fattore di spazio Km: il rapporto tra l'area della sezione trasversale netta del filo di rame e l'area della finestra). Le lamiere di acciaio al silicio formano un guscio protettivo attorno agli avvolgimenti, prevenendo danni meccanici. Forniscono inoltre un'ampia area di dissipazione del calore e riducono al minimo la dispersione del campo magnetico. Tuttavia, presentano una maggiore induttanza di dispersione tra gli avvolgimenti primario e secondario e una maggiore suscettibilità alle interferenze magnetiche esterne. Inoltre, a causa del perimetro medio più lungo degli avvolgimenti, i trasformatori di tipo E richiedono più filo di rame per lo stesso numero di spire e area della sezione trasversale del nucleo.

Gli spessori comuni per le lamiere di acciaio al silicio sono 0,35 mm e 0,5 mm. Esistono due metodi di assemblaggio per le lamiere di acciaio al silicio: interleaving e impilamento di testa. Il metodo dell'interfoliazione alterna le estremità aperte dei fogli su lati opposti. Questo metodo è più noioso ma comporta traferri più piccoli e una minore riluttanza magnetica, il che è vantaggioso per aumentare il flusso magnetico; pertanto, è ampiamente utilizzato nei trasformatori di potenza. Il metodo di impilamento è comunemente utilizzato nelle applicazioni con corrente continua (CC). Per evitare la saturazione causata dalla corrente continua, è necessario lasciare uno spazio d'aria tra le lamiere di acciaio al silicio. In questo metodo, i fogli E e i fogli I vengono posizionati su lati opposti e il traferro tra di essi può essere regolato utilizzando spessori di carta.

3. Tipi di nuclei della bobina

Questi si dividono in tre tipologie:
A. NUCLEO TOROIDALE: Realizzato impilando lamierini tipo O oppure avvolgendo lamiere di acciaio al silicio. L'avvolgimento del filo su questo tipo di nucleo è molto difficile.
B. NUCLEO ASTA: un nucleo di ferro a forma di bastoncino.
C. NUCLEO DEL TAMBURO: un nucleo di ferro a forma di tamburo.

4. Classificazione dei materiali del nucleo del trasformatore

1. Categoria ad alta frequenza: nuclei di ferrite
I nuclei di ferrite vengono utilizzati nei trasformatori ad alta frequenza. Sono magneti ceramici con struttura cristallina a spinello, composti da ossido di ferro e altri composti metallici bivalenti, come kFe₂O₄ (dove k rappresenta altri metalli). I metalli attualmente comunemente usati includono manganese (Mn), zinco (Zn), nichel (Ni), magnesio (Mg) e rame (Cu). Le combinazioni comuni includono la serie Manganese-Zinco (MnZn), la serie Nichel-Zinco (NiZn) e la serie Magnesio-Zinco (MgZn). Questi materiali possiedono elevate caratteristiche di permeabilità e impedenza, con un intervallo di frequenza operativa da 1 kHz a oltre 200 kHz.
Gamma di frequenza del nucleo in ferrite: da 18 kHz a oltre 1 MHz.

2. Categoria a bassa frequenza: lamiere di acciaio al silicio e leghe amorfe
Gamma di frequenza del nucleo di acciaio al silicio: da 5 Hz a 1 kHz.
I trasformatori che utilizzano acciaio al silicio funzionano tipicamente a 50 Hz. Tuttavia, in termini di efficienza, una frequenza leggermente più alta può produrre risultati migliori, a seconda della valutazione Gauss della lamiera di acciaio al silicio. Sebbene le frequenze audio possano superare i 20 kHz, ciò non è pratico. Si consiglia di funzionare a 50–60 Hz, sebbene possano funzionare normalmente entro un intervallo di frequenza compreso tra 50 e 200 Hz.
Gamma di frequenza del nucleo amorfo: da 2 kHz a 13 kHz.