Transformator to urządzenie służące do przesyłania energii elektrycznej między dwiema częściami obwodu, tworząc izolację przy jednoczesnej zmianie prądu i napięcia. Transformator jest integralną częścią większości systemów elektrycznych. Zwłaszcza transformatory mocy są używane, gdy oczekiwana jest wysoka wydajność przesyłu energii. W zależności od konkretnego zastosowania, sprzęt może pracować w sposób ciągły lub nieciągły przy pełnym obciążeniu.
Małe transformatory stosowane w komercyjnych urządzeniach elektrycznych mogą mieć dwa różne kształty rdzenia. EI lub kwadratowy oraz toroidalny. Transformatory toroidalne (pierścieniowe, z rdzeniem w kształcie pączka) to komponenty elektryczne składające się z miedzianych drutów owiniętych wokół cylindrycznego rdzenia. W przeszłości kształt rdzenia EI był bardziej popularny. Jednak transformatory toroidalne stają się bardzo popularne w zastosowaniach wymagających niskiej mocy ze względu na ich unikalny kształt i zalety.
Budowa transformatorów toroidalnych
Rdzeń: Rdzeń zwykłego transformatora wykonany jest z laminowanych arkuszy stali krzemowej. Rdzeń transformatora toroidalnego wykonany jest z nawijanej taśmy ze stali krzemowej. Jego rolą jest tworzenie zmiennego strumienia magnetycznego o częstotliwości pod działaniem prądu przemiennego cewki pierwotnej, poprzez zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu indukuje potencjał elektryczny w cewce wtórnej, tworząc zasilacz niskiego napięcia. Rdzeń jest głównym elementem służącym do całkowitej konwersji energii elektrycznej, magnetycznej i elektrycznej.
Uzwojenie: Zwykle wykonane z izolowanych płaskich drutów miedzianych lub okrągłych drutów miedzianych nawiniętych na matrycę uzwojenia. Zawiera dwie grupy uzwojeń: pierwotne i wtórne (wysokiego i niskiego napięcia). Rolą uzwojenia pierwotnego jest wprowadzenie pierwotnej strony transformatora częściowo w celu zakończenia procesu wzbudzenia, w innej części w celu wypełnienia uzwojenia wtórnego energią elektryczną. Uzwojenie wtórne przekształca energię magnetyczną w energię elektryczną i przekazuje ją na zewnątrz. Uzwojenia są zwykle połączone zgodnie z określoną metodą łączenia obwodów.
Izolacja korpusu: Obejmuje ona izolację pierwotną i wtórną, izolację międzyzwojową, izolację rdzenia i izolację międzypowłokową. Używane materiały to tektura, żywica epoksydowa, różne materiały izolacyjne, olej transformatorowy itp. Olej transformatorowy ma nie tylko dobry efekt izolacyjny, ale może również pomóc w rozpraszaniu ciepła transformatora w celu chłodzenia rdzenia i cewki.
Rdzeń transformatora toroidalnego jest wykonany z wysokiej jakości walcowanej na zimno blachy ze stali krzemowej (grubość blachy wynosi zwykle 0,35 mm lub mniej) i walcowany bez szwu, co sprawia, że jego rdzeń jest lepszy niż tradycyjny rdzeń z laminowanych arkuszy. uzwojenia transformatorów toroidalnych są równomiernie nawinięte na rdzeń, a kierunek linii magnetycznych generowanych przez uzwojenia pokrywa się prawie dokładnie z obwodem magnetycznym rdzenia, co zmniejsza energię wzbudzenia i straty rdzenia o 25% w porównaniu z typem laminowanym.
Zasada działania
Transformatory opierają się na indukcji elektromagnetycznej. Fizyk Michael Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną w 1831 roku, gdy stwierdził, że siła prądu elektrycznego jest proporcjonalna do prędkości ruchu magnesu i liczby zwojów cewki.
Transformator wykorzystuje tę proporcjonalną zależność. Zasada działania transformatora toroidalnego jest taka sama jak transformatora, oba działają na zasadzie konwersji elektryczno-magnetycznej i magnetyczno-elektrycznej. Oto obwód pokazany na poniższym rysunku, aby zilustrować zasadę działania transformatora. Gdy napięcie przemienne U1 jest wysyłane na oba końce uzwojenia pierwotnego L1 transformatora (liczba zwojów wynosi N1), prąd przemienny I1 przepływa przez L1, L1 natychmiast generuje pole magnetyczne, linie indukcji magnetycznej pola magnetycznego są sprzężone z uzwojeniem wtórnym L2 (liczba zwojów wynosi N2) wzdłuż dobrze przewodzącego rdzenia, L2 natychmiast generuje indukowany potencjał elektryczny, w tym czasie L2 jest równoważny zasilaczowi. Ponieważ L2 jest podłączony do obciążenia R jako obwód zamknięty, na wyjściu L2 płynie prąd przemienny I2 i przepływa przez obciążenie R. Napięcie na R wynosi U2.
Pola magnetyczne wytwarzają napięcie wyjściowe, gdy przechodzą przez uzwojenie wtórne. Wielkość wytwarzanego napięcia zależy od liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym w porównaniu do pierwotnego. Zostanie ono zmniejszone o połowę, jeśli stosunek wynosi 2:1, natomiast zostanie podwojone, jeśli stosunek wynosi 1:2.
Zalety transformatorów toroidalnych
1. Wysoka sprawność
Unikalny kształt tych transformatorów pozwala na zastosowanie krótszych cewek, co skutkuje niższym poziomem strat, a tym samym wyższą wydajnością systemu. Ponieważ transformatory toroidalne są bardziej wydajne niż inne transformatory mocy, generują mniej ciepła podczas pracy, co przekłada się na niższe temperatury robocze. To z kolei zmniejsza zapotrzebowanie na jednostki chłodzące.
Rdzeń nie ma szczelin powietrznych, współczynnik laminacji może wynosić nawet 95% lub więcej, przepuszczalność rdzenia może wynosić 1,5 ~ 1,8 T (rdzeń laminowany może przyjąć tylko 1,2 ~ 1,4 T), sprawność elektryczna wynosi nawet 95% lub więcej, prąd bez obciążenia wynosi tylko 10% typu laminowanego.
2. Niższa temperatura pracy
Ponieważ straty żelaza można osiągnąć 1,1 W/kg, wzrost temperatury rdzenia jest niski, gdy straty żelaza są bardzo małe, a rozpraszanie ciepła uzwojenia w niższej temperaturze rdzenia jest dobre, więc wzrost temperatury transformatora jest niski.
3. Bardziej kompaktowy rozmiar, niewielka waga
Wszystkie uzwojenia transformatora toroidalnego są symetrycznie rozmieszczone na całym rdzeniu, co skutkuje bardzo krótkimi przewodami. Ponieważ strumień magnetyczny jest zorientowany w tym samym kierunku, co kierunek walcowania rdzenia o ziarnistej strukturze, możliwe jest znaczne zmniejszenie objętości i masy oraz zwiększenie gęstości strumienia.
Ze względu na zmniejszony rozmiar i wagę, transformatory toroidalne są idealne do kompaktowych produktów elektrycznych. Ponadto STEPPERONLINE może zaprojektować transformator specjalnie dla przestrzeni klienta.
4. Niższe rozproszone pole magnetyczne i emisja EMI
Rdzeń transformatora toroidalnego nie ma szczeliny powietrznej, uzwojenie jest równomiernie nawinięte w rdzeniu w kształcie pierścienia, co prowadzi do niewielkich upływów magnetycznych i promieniowania elektromagnetycznego. Uzwojenia pierwotne i wtórne pokrywające rdzeń działają jak ekrany przed generowanym polem magnetycznym, co chroni pobliski wrażliwy sprzęt elektroniczny przed transformatorem podczas pracy. Transformatory toroidalne mogą być stosowane w sprzęcie elektronicznym o wysokiej czułości bez dodatkowego ekranowania, np. we wzmacniaczach niskiego poziomu i sprzęcie medycznym.
Transformatory toroidalne mają całkowicie znikomy wpływ na środowisko i ludzkie ciało, co czyni je zdrowym źródłem zasilania.
5. Mniejszy hałas wibracyjny
Konstrukcja transformatorów toroidalnych pomaga tłumić słyszalny hałas. Rdzenie są ciasno zwijane, zgrzewane punktowo, wyżarzane i powlekane żywicą epoksydową lub izolowane taśmą mylarową. Równomierne uzwojenie rdzenia nie pozostawia szczelin powietrznych, więc nie ma luźnych arkuszy, które mogłyby wibrować, co ostatecznie skutkuje mniejszym szumem spowodowanym magnetostrykcją.
6. Elastyczność wymiarowa
Transformatory toroidalne oferują wysoki stopień elastyczności wymiarowej w porównaniu do konwencjonalnych transformatorów laminowanych. Stosunek długości, szerokości i wysokości rdzenia transformatora toroidalnego można łatwo zmienić, aby zaprojektować kształt spełniający wymagane wymiary.
7. Łatwiejszy montaż
Transformatory toroidalne są łatwe w montażu. W większości przypadków wymaga on jedynie pojedynczej metalowej podkładki centrującej i śrub montażowych lub wkrętów, które sprawiają, że instalacja jest szybka i łatwa.
Inne popularne metody montażu obejmują
- zalewanie żywicą z mosiężnymi wkładkami lub otworami przelotowymi
- Bezciśnieniowe płyty montażowe
- Całkowite zamknięcie w plastikowych lub metalowych obudowach
- Montaż na płytce drukowanej (otwór przelotowy)
- Montaż na szynie DIN
8. Oszczędność energii
Rdzenie toroidalne mają bardzo niskie straty żelaza, typowo 1,1 W/kg przy 1,7 Tesli i 50 Hz. Te niskie straty żelaza skutkują bardzo niskimi prądami magnesującymi, co prowadzi do niskiego zużycia energii w trybie gotowości. Niższe straty bez obciążenia zapewniają większe oszczędności energii w trybie gotowości.
Zastosowania transformatorów toroidalnych
Transformatory toroidalne są często wykorzystywane w zastosowaniach elektronicznych jako narzędzie do obniżania/podwyższania napięcia. Urządzenie to może być również używane do izolowania sprzętu elektronicznego od źródeł napięcia błądzącego. Istnieje wiele różnych transformatorów, dzięki czemu można uzyskać różne zastosowania. Poniżej przedstawiono krótki opis aktualnych zastosowań różnych transformatorów toroidalnych:
Przemysłsilników krokowych : stosowany głównie w jednofazowych, wielofazowych sterownikach krokowych i serwomotorach AC.
Przemysłmaszynowy: głównie ukierunkowany na przemysł, taki jak obrabiarki sterujące, maszyny CNC itp.
Sprzęt audio-wizualny : stosowany głównie w systemach audio, wzmacniaczach audio itp.
Przemysłmedyczny : stosowany w medycznych przyrządach testujących do odgrywania roli izolacji bezpieczeństwa.
Przemysłoprzyrządowania: stosowany w różnych przyrządach i urządzeniach testujących.
Przemysłenergii odnawialnej: stosowany w falownikach solarnych, zwykle w roli wzmacniacza napięcia.
Przemysłnawilżania atomizacyjnego: stosowany głównie do regulacji wilgotności powietrza, np. w szklarniach rolniczych i uprawach warzyw.
Sterowanie elektryczne: na przykład stosowane w przekładnikach prądowych i napięciowych. Transformatory o wysokiej precyzji i stabilności mogą być wytwarzane w procesie transformatora toroidalnego.
Przemysł samochodowy
Przemysł oświetleniowy
Sprzęt bezpieczeństwa
Telekomunikacja
Przemysł lotniczy
