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 all'interno del nucleo di ferro poiché è magnetizzato dalla corrente alternata. Queste perdite di potenza nel nucleo di ferro sono generalmente chiamate 'perdite del nucleo', causate da due fattori: perdita di isteresi e perdita di correnti parassite. La perdita di isteresi si verifica durante il processo di magnetizzazione a causa dell'isteresi magnetica e la sua grandezza è proporzionale all'area racchiusa dal ciclo di isteresi del materiale. L'acciaio al silicio ha un ciclo di isteresi stretto; pertanto, il suo utilizzo per i nuclei dei trasformatori comporta perdite per isteresi inferiori, riducendo significativamente la generazione di calore.

Considerati questi vantaggi dell’acciaio al silicio, perché viene trasformato in laminazioni anziché utilizzato come blocco solido? Questo perché i nuclei laminati aiutano a ridurre al minimo un altro tipo di perdita del nucleo: la perdita di correnti parassite. Durante il funzionamento, la corrente alternata negli avvolgimenti genera un flusso magnetico alternato, che induce correnti all'interno del nucleo di ferro. Queste correnti indotte circolano su piani perpendicolari alla direzione del flusso magnetico e sono quindi chiamate correnti parassite. Anche le perdite di correnti parassite causano il riscaldamento del nucleo. Per ridurre queste perdite, il nucleo del trasformatore è assemblato da lamiere di acciaio al silicio reciprocamente isolate. Ciò costringe le correnti parassite a fluire attraverso anelli stretti e allungati con aree di sezione trasversale più piccole, aumentando così la resistenza elettrica lungo il loro percorso. Inoltre, il contenuto di silicio nell'acciaio aumenta la resistività elettrica del materiale, riducendo ulteriormente le correnti parassite.

Per i nuclei dei trasformatori vengono generalmente selezionate lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo con spessore di 0,35 mm. In base alle dimensioni del nucleo richieste, vengono tagliati in strisce rettangolari e impilati in forme 'EI' o quadrate ('□'). In teoria, per ridurre al minimo le correnti parassite, fogli più sottili e strisce più strette producono risultati migliori. Ciò non solo riduce le perdite per correnti parassite e l'aumento della temperatura, ma consente anche di risparmiare sui materiali in acciaio al silicio. Tuttavia, nella produzione pratica, è necessario considerare altri fattori. L'utilizzo di lamiere eccessivamente sottili o strette aumenterebbe drasticamente le ore di manodopera e ridurrebbe la sezione trasversale effettiva del nucleo. Pertanto, quando si producono nuclei di trasformatori in acciaio al silicio, gli ingegneri devono valutare i pro e i contro in base a condizioni specifiche per selezionare le dimensioni ottimali.

I trasformatori sono costruiti secondo il principio dell'induzione elettromagnetica. Due avvolgimenti, uno primario e uno secondario, sono avvolti attorno agli arti chiusi del nucleo di ferro. Quando viene applicata una tensione CA all'avvolgimento primario, scorre una corrente alternata, che stabilisce una forza magnetomotrice (MMF). Sotto l'influenza di questo MMF, all'interno del nucleo viene generato un flusso magnetico principale alternato. Questo flusso principale passa simultaneamente attraverso sia l'avvolgimento primario che quello secondario. A causa dell'induzione elettromagnetica, in entrambi gli avvolgimenti vengono generate forze elettromotrici (EMF). Il meccanismo di aumento o diminuzione della tensione può essere spiegato dalla legge di Lenz: il flusso magnetico generato dalla corrente indotta si oppone sempre alla variazione del flusso magnetico originale. Quando il flusso originario aumenta, il flusso indotto agisce nella direzione opposta. Ciò significa che il flusso magnetico indotto nell'avvolgimento secondario si oppone al flusso principale prodotto dall'avvolgimento primario, determinando una tensione CA trasformata attraverso l'avvolgimento secondario. Pertanto, il nucleo di ferro funge da circuito magnetico del trasformatore, mentre gli avvolgimenti costituiscono il circuito elettrico.

2. Classificazione delle strutture centrali dei trasformatori

Nuclei di ferro a guscio e a nucleo
La parte del nucleo di ferro che ospita gli avvolgimenti è chiamata 'arto del nucleo', mentre la parte che non ospita avvolgimenti e serve esclusivamente come percorso magnetico è chiamata 'giogo'. Se il nucleo di ferro racchiude gli avvolgimenti, viene definito nucleo di tipo a guscio; se gli avvolgimenti racchiudono i rami del nucleo, si parla di nucleo del tipo a nucleo. Sebbene entrambi abbiano caratteristiche distinte, i processi di produzione dettati dai loro progetti strutturali differiscono in modo significativo, rendendo difficile il passaggio da uno all'altro una volta scelti. In Cina, la maggior parte dei nuclei dei trasformatori utilizza la struttura a nuclei impilati.

L'acciaio al silicio è comunemente usato per i trasformatori a bassa frequenza. In base ai processi produttivi si dividono in:
A. Ricotti (Foglie Nere)
N. Non ricotti (Foglie Bianche)

In base alla forma, sono classificati in tipo EI, tipo UI, tipo C e tipo Quadrato (□).

• Tipo quadrato (□): spesso utilizzati nei trasformatori ad alta potenza, offrono un eccellente isolamento, una facile dissipazione del calore e un breve percorso magnetico. Vengono utilizzati principalmente per trasformatori con potenza nominale superiore a 500~1000 W.

• Tipo CD: è costituito da due lamiere di acciaio al silicio di tipo C. Per i trasformatori di tipo CD con sezione trasversale identica, un'altezza della finestra maggiore equivale a una maggiore capacità di potenza. Poiché le bobine possono essere installate su entrambi i lati del nucleo, il numero totale di spire può essere distribuito su due bobine. Ciò riduce la lunghezza media del giro per bobina, diminuendo le perdite di rame. Inoltre, posizionando bobine simmetriche su bobine separate si ottiene una perfetta simmetria.

• Tipo ED: composti da quattro lamiere di acciaio al silicio di tipo C, i trasformatori di tipo ED hanno un profilo piatto e ampio. A parità di potenza, sono più corti ma più larghi dei tipi CD. Poiché le bobine sono installate al centro dell'acciaio al silicio con un percorso magnetico esterno, il flusso di dispersione e l'interferenza complessiva sono minimi. Tuttavia, poiché tutte le bobine sono avvolte su un'unica bobina spessa, la lunghezza media della spira è più lunga, con conseguenti maggiori perdite di rame.

• Tipo C: i trasformatori realizzati con nuclei di tipo C sono compatti, leggeri e altamente efficienti. Dal punto di vista dell’assemblaggio, i componenti di tipo C sono pochi e altamente versatili, garantendo un’elevata efficienza produttiva. Tuttavia, la lavorazione dell’acciaio al silicio di tipo C comporta numerose fasi complesse e richiede attrezzature specializzate, che le rendono attualmente più costose.

• Tipo E (tipo a conchiglia/tipo EI): il suo vantaggio principale è che le bobine primaria e secondaria condividono una bobina comune, producendo un elevato fattore di spazio finestra (il rapporto tra l'area della sezione trasversale netta del filo di rame e l'area della finestra). L'acciaio al silicio forma un guscio protettivo attorno agli avvolgimenti, prevenendo danni meccanici. Offre inoltre un'ampia area di dissipazione del calore e bassi campi magnetici dispersi. Tuttavia, soffre di una maggiore induttanza di dispersione e di una maggiore suscettibilità alle interferenze magnetiche esterne. Inoltre, a causa del perimetro medio più lungo degli avvolgimenti, i trasformatori di tipo EI richiedono più filo di rame per lo stesso numero di spire e sezione trasversale del nucleo.

Spessore e metodi di impilamento:
gli spessori comuni dell'acciaio al silicio sono 0,35 mm e 0,5 mm. I metodi di assemblaggio includono l'impilamento interfogliato e l'impilamento di testa. L'impilatura interfogliata alterna le estremità aperte dei fogli sui lati opposti. Sebbene noioso, riduce al minimo i traferri e la riluttanza magnetica, massimizzando il flusso magnetico, rendendolo ideale per i trasformatori di potenza. L'impilatura in testa posiziona i fogli E e i fogli I sui lati opposti, lasciando uno spazio d'aria (regolato tramite inserti di carta) per prevenire la saturazione causata dalla corrente continua (CC).

3. Tipi di bobina
Le bobine/nuclei sono divisi in tre categorie:
A. Nucleo toroidale: assemblato da lamierini a forma di O o avvolto da nastri di acciaio al silicio. L'avvolgimento è piuttosto impegnativo per questo tipo.
B. Nucleo dell'asta.
C. Nucleo del tamburo.

3. Classificazione dei materiali del nucleo del trasformatore

1. Categoria ad alta frequenza: nuclei in polvere di ferro e nuclei in ferrite
I nuclei in ferrite sono utilizzati nei trasformatori ad alta frequenza. Sono materiali ceramici con una struttura cristallina di spinello, composti da ossido di ferro e altri composti metallici bivalenti (ad esempio, kFe₂O₄, dove 'k' rappresenta metalli come manganese (Mn), zinco (Zn), nichel (Ni), magnesio (Mg) o rame (Cu)).
Le combinazioni comuni includono le serie MnZn, NiZn e MgZn. Questi materiali possiedono elevata permeabilità e impedenza, operando efficacemente da 1kHz a oltre 200kHz.

• Gamma di frequenza del nucleo in ferrite: 18 kHz ~ 1 MHz e superiore.

2. Categoria a bassa frequenza: acciaio al silicio e leghe amorfe

• Gamma di frequenza del nucleo in acciaio al silicio: 5 Hz ~ 1 kHz. I trasformatori standard in acciaio al silicio funzionano generalmente a 50 Hz. Mentre le frequenze più alte possono migliorare l'efficienza a seconda della valutazione Gauss dell'acciaio al silicio, le applicazioni audio che superano i 20kHz non sono pratiche. L'intervallo consigliato è 50-60 Hz, sebbene possano funzionare normalmente tra 50 e 200 Hz.

• Gamma di frequenza del nucleo amorfo: 2 kHz ~ 13 kHz.