12 passi per la progettazione di trasformatori toroidali

Seguendo questi 12 passaggi nella progettazione dei trasformatori toroidali, si garantisce una lunga durata dei componenti e prestazioni ottimali.

Fase 1: Calcolo del campo elettromagnetico del trasformatore

Secondo l'equazione di Faraday per la tensione indotta nell'avvolgimento di un trasformatore:

Dove E è la tensione in volt
N è il numero di spire
Ac è l'area della sezione trasversale del nucleo magnetico, espressa in mm².
B è la densità di flusso in tesla  

Nota: i trasformatori toroidali funzionano solitamente con una densità di flusso più elevata rispetto ai trasformatori laminati convenzionali.

Fase 2: Calcolo della potenza nominale

Dove VA è volt-ampere
V_FL è la tensione secondaria CA a pieno carico, espressa in volt
I_FL è la corrente secondaria CA a pieno carico in ampere

Fase 3: Ciclo di lavoro

Se il carico è intermittente, è possibile utilizzare un trasformatore più piccolo. Poiché in questo caso la potenza di uscita supera notevolmente la potenza nominale, la tensione secondaria scende al di sotto delle tensioni indicate. La caduta di tensione aumenta proporzionalmente alla corrente assorbita.

Fase 4: Frequenza di linea

La maggior parte dei trasformatori di potenza toroidali è progettata per funzionare in applicazioni a 50/60 Hz, 60 Hz o 400 Hz. All'aumentare della frequenza, le dimensioni del trasformatore diminuiscono di conseguenza. Un trasformatore toroidale da 60 Hz sarà ~20% più piccolo di un trasformatore toroidale da 50 Hz.

Fase 5: Rapporto di rotazione

Dove Vp è la tensione primaria in volt
Vs è la tensione secondaria in volt
Np è il numero di spire del primario
Ns è il numero di spire del secondario

Fase 6: Regolamentazione

Dove V_NL è la tensione secondaria CA a vuoto in volt
V_FL è la tensione CA a pieno carico in volt

Fase 7: caduta di tensione

Le tensioni e le correnti secondarie sono valide per una potenza di uscita normale. A carico parziale, la tensione di uscita, in funzione delle dimensioni del trasformatore, sarà di conseguenza più elevata. La figura seguente mostra l'aumento di tensione dei trasformatori toroidali standard Talema per carichi parziali.

Fase 8: Aumento della temperatura

Come si può vedere dai grafici sottostanti, i trasformatori toroidali standard Talema sono progettati per un aumento di temperatura compreso tra 60 °C e 70 °C a carico nominale. Quando si sceglie la dimensione del trasformatore, è necessario prendere in considerazione la temperatura ambiente e il coefficiente di dissipazione del calore del luogo di montaggio. Le figure mostrano la variazione di temperatura tipica che si verifica in funzione della potenza di uscita o del sovraccarico.

Fase 9: Avvolgimenti multipli o avvolgimento singolo (autotrasformatore)

Un autotrasformatore consente dimensioni più ridotte e un design complessivo più economico nei casi in cui non sono necessari avvolgimenti separati galvanicamente. Con un autotrasformatore a singolo avvolgimento si può ottenere la stessa trasformazione di tensione e corrente di un normale trasformatore a due avvolgimenti. Le differenze principali sono due:

1. Nell'autotrasformatore, l'avvolgimento secondario è comune sia all'avvolgimento primario che a quello secondario.
2. Esiste un collegamento diretto in rame tra il circuito primario e quello secondario.

Gli autotrasformatori hanno una reattanza di dispersione inferiore, perdite più basse, correnti di eccitazione più ridotte e possono essere più piccoli e meno costosi dei trasformatori a doppio avvolgimento quando il rapporto di tensione è inferiore a 2:1. Inoltre, non forniscono isolamento. E, naturalmente, non forniscono isolamento.

Talema ha ottenuto l'omologazione per autotrasformatori a 25 KVA per gli standard UL5085 (trasformatori per uso generale) e a 40 KVA per gli standard UL60601-1 (trasformatori per apparecchiature mediche e dentali).

Passo 10: Rettifica

Le figure seguenti forniscono formule per il calcolo dei valori approssimativi dei trasformatori e dipendono principalmente dalle dimensioni del condensatore di carico da utilizzare. Il fattore di forma “F” applicato è compreso tra 1,1 per i condensatori più piccoli e 2,5 per i condensatori relativamente grandi.

Ponte ad onda piena

Ponte con attacco centrale

Fase 11: corrente di spunto

Le caratteristiche che conferiscono al trasformatore toroidale dei vantaggi contribuiscono anche a uno svantaggio: l'elevata corrente di spunto al momento dell'applicazione iniziale della potenza. Talema è riuscita a progettare trasformatori con una bassa corrente di spunto.

L'assenza di spazi vuoti nel nucleo toroidale significa che la massima rimanenza possibile (magnetizzazione residua del nucleo in una particolare direzione e grandezza può essere sostanzialmente più pronunciata in un toroide rispetto a un laminato E-I). Questo magnetismo residuo è il meccanismo con cui funzionavano le memorie dei vecchi computer. Il nucleo “memorizza” la polarizzazione magnetica statica quando l'alimentazione viene interrotta. Se la rimozione dell'alimentazione avviene in un momento sfavorevole, la rimanenza magnetica più forte sarà immagazzinata nel nucleo. Quando l'alimentazione viene nuovamente applicata al primario, il picco di corrente di spunto può essere pari a

dove V_p-pk è il picco di tensione primaria e R_p è la resistenza CC dell'avvolgimento primario, che dipende dalla capacità di potenza del trasformatore e dalla forza di magnetizzazione del nucleo. Questo picco di corrente di spunto si verifica per un breve periodo durante il primo o il secondo semiperiodo dell'onda sinusoidale di potenza.

Esistono diversi approcci per affrontare la corrente di spunto:

1. Aggiunta di un termistore NTC in serie all'avvolgimento primario del trasformatore
2. Utilizzo di fusibili a lenta combustione per l'impiego di azioni ritardate
3. Ridurre il flusso residuo, che aumenterà la corrente di magnetizzazione nel nucleo. I metodi utilizzati per ridurre il flusso residuo includono l'introduzione di una fessura o l'utilizzo di materiali alternativi o di metodi di ricottura.

Fase 12: Protezione termica

Verranno esaminati due tipi di protezione termica per i trasformatori toroidali: il fusibile a un colpo e l'interruttore termico auto-ripristinabile.

Lo scopo di questi dispositivi è quello di interrompere il trasformatore in caso di surriscaldamento. Il fusibile a scatto unico è utilizzato principalmente per la protezione da guasti interni al trasformatore e interviene a una temperatura prestabilita. L'interruttore termico auto-ripristinabile fornisce una protezione intermittente dai guasti interni del trasformatore e dai sovraccarichi esterni. Questo dispositivo si apre a una temperatura elevata preimpostata e si chiude a una temperatura inferiore preimpostata. Questi dispositivi sono montati internamente al trasformatore e cablati in serie con l'avvolgimento primario o secondario.

Fusibile one-shot / fusibile di arresto

Interruttore termico