Guida ai nuclei dei trasformatori: tipi, costruzione e scopo

Nuclei del trasformatore costituiscono la spina dorsale magnetica dei trasformatori elettrici. Forniscono un percorso a bassa riluttanza per il flusso magnetico, consentendo un trasferimento efficiente di energia tra gli avvolgimenti primari e secondari. Senza un nucleo adeguatamente progettato, un trasformatore soffrirebbe di eccessive perdite di energia, surriscaldamento e scarsa regolazione della tensione.

La funzione primaria del nucleo è quella di concentrare e guidare il flusso magnetico in modo che l’induzione elettromagnetica possa avvenire in modo efficiente. La progettazione del nucleo influisce direttamente sull'efficienza del trasformatore, sui livelli di rumore, sulle dimensioni, sui costi e sull'affidabilità a lungo termine. Sia per i trasformatori riempiti in olio che per quelli a secco, la qualità del nucleo gioca un ruolo fondamentale nelle prestazioni complessive.

Principio di funzionamento di base dei nuclei dei trasformatori

Quando la corrente alternata scorre attraverso l'avvolgimento primario, crea un campo magnetico variabile nel nucleo del trasformatore. Questo campo magnetico induce una tensione nell'avvolgimento secondario secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica. Il nucleo garantisce che la maggior parte del flusso magnetico generato nell'avvolgimento primario sia accoppiato all'avvolgimento secondario.

Un nucleo ben progettato riduce al minimo le perdite magnetiche e riduce le perdite del nucleo, che includono perdite per isteresi e perdite per correnti parassite. Queste perdite convertono l’energia elettrica in calore, quindi ridurle migliora l’efficienza e prolunga la durata del trasformatore.

Materialei comuni utilizzati nei nuclei dei trasformatori

I nuclei dei trasformatori sono generalmente realizzati con materiali ferromagnetici che offrono un'elevata permeabilità magnetica e basse perdite del nucleo. I materiali più comuni includono acciaio al silicio, metallo amorfo e ferrite, a seconda dell'applicazione e della gamma di frequenza.

• Acciaio al silicio a grani orientati per trasformatori di potenza
• Acciaio al silicio a grani non orientati per macchine rotanti e alcuni trasformatori
• Leghe metalliche amorfe per trasformatori a bassissime perdite
• Nuclei di ferrite per trasformatori elettronici e ad alta frequenza

L'acciaio al silicio a grani orientati è particolarmente apprezzato nei trasformatori di potenza e a secco perché fornisce eccellenti proprietà magnetiche in una direzione di laminazione preferita, riducendo le perdite per isteresi.

Perdite fondamentali e loro impatto sull’efficienza

Le perdite del nucleo sono perdite di energia che si verificano nel nucleo del trasformatore ogni volta che viene alimentato, indipendentemente dal carico. Queste perdite sono spesso definite perdite a vuoto e rappresentano un fattore chiave nelle normative sull’efficienza energetica.

Perdita di isteresi

La perdita di isteresi si verifica quando i domini magnetici nel materiale del nucleo si riallineano ad ogni ciclo CA. I materiali con cicli di isteresi stretti, come l'acciaio al silicio a grani orientati e il metallo amorfo, aiutano a ridurre al minimo questa perdita.

Perdita di correnti parassite

Le correnti parassite sono correnti circolanti indotte all'interno del materiale del nucleo. Queste correnti generano calore ed energia di scarto. Per ridurre la perdita di correnti parassite, i nuclei dei trasformatori sono costruiti utilizzando sottili fogli laminati isolati gli uni dagli altri.

Tipi di progetti di nuclei di trasformatori

I nuclei dei trasformatori sono prodotti in diverse configurazioni standard, ciascuna delle quali offre vantaggi meccanici ed elettrici specifici a seconda dell'applicazione, della potenza nominale e dei vincoli di spazio.

Trasformatori di tipo core

Nei trasformatori a nucleo, gli avvolgimenti circondano una parte significativa del nucleo. Il circuito magnetico è costituito da due gambe verticali e gioghi superiori e inferiori. Questo design è ampiamente utilizzato nei trasformatori di distribuzione e di potenza.

Trasformatori a guscio

I trasformatori a guscio hanno avvolgimenti racchiusi dal nucleo, offrendo una migliore protezione meccanica e un flusso di dispersione inferiore. Questo design viene spesso utilizzato in applicazioni che richiedono una maggiore resistenza al cortocircuito.

Nuclei toroidali

I nuclei toroidali sono a forma di anello e forniscono un eccellente accoppiamento magnetico con un flusso di dispersione molto basso. Sono compatti ed efficienti ma più difficili e costosi da avvolgere.

Metodi di costruzione dei nuclei dei trasformatori

La costruzione del nucleo del trasformatore prevede l'impilamento o l'avvolgimento di sottili laminazioni di acciaio magnetico. Questi lamierini sono isolati per ridurre le correnti parassite e assemblati per formare un circuito magnetico chiuso.

Taglio di precisione, giunzioni step-lap e modelli di impilamento ottimizzati sono comunemente utilizzati per ridurre i traferri e minimizzare la corrente magnetizzante. La costruzione di alta qualità migliora direttamente l'efficienza e riduce il rumore udibile.

Considerazioni sulla progettazione del nucleo del trasformatore di tipo a secco

I nuclei dei trasformatori a secco sono progettati specificatamente per funzionare senza isolamento liquido. Poiché il raffreddamento viene ottenuto tramite aria o ventilazione forzata, il nucleo deve essere ottimizzato per ridurre le perdite e la generazione di calore.

I nuclei di tipo secco utilizzano spesso acciaio al silicio a grani orientati di alta qualità o leghe amorfe per ottenere perdite a vuoto inferiori. Anche la rigidità meccanica è fondamentale per ridurre le vibrazioni e il ronzio udibile.

Confronto dei materiali del nucleo per trasformatori di tipo secco

Rumore, vibrazioni e progettazione del nucleo

Il rumore del nucleo del trasformatore è causato principalmente dalla magnetostrizione, ovvero la leggera espansione e contrazione del materiale del nucleo al variare del campo magnetico. Questa vibrazione può produrre un ronzio udibile.

I nuclei dei trasformatori di tipo a secco vengono spesso fissati e incollati con cura per ridurre le vibrazioni. I design avanzati dei giunti centrali e l'acciaio di alta qualità aiutano inoltre a ridurre al minimo i livelli di rumore nelle installazioni commerciali e residenziali.

Standard di efficienza energetica e selezione dei nuclei

Molti paesi applicano rigorosi standard di efficienza energetica per i trasformatori, che incidono direttamente sui materiali di base e sulle scelte di progettazione. Perdite minori si traducono in costi operativi ridotti e in un minore impatto ambientale.

La scelta di un nucleo del trasformatore ad alta efficienza è particolarmente importante per i trasformatori di tipo a secco utilizzati in edifici, data center e strutture industriali che funzionano continuamente.

Applicazioni dei nuclei dei trasformatori a secco

I nuclei dei trasformatori a secco sono ampiamente utilizzati in applicazioni in cui la sicurezza, la pulizia e la resistenza al fuoco sono fondamentali. Questi includono edifici commerciali, ospedali, scuole e installazioni sotterranee.

I loro nuclei sono progettati per funzionare in modo affidabile in ambienti in cui i trasformatori riempiti di olio potrebbero non essere adatti, rendendo i trasformatori a secco la scelta preferita per ambienti interni e sensibili.

Manutenzione e prestazioni a lungo termine dei nuclei dei trasformatori

I nuclei dei trasformatori richiedono generalmente una manutenzione minima, ma sono essenziali un'installazione corretta e un controllo ambientale. Polvere, umidità o vibrazioni eccessive possono ridurre le prestazioni del core nel tempo.

Ispezioni regolari, monitoraggio termico e controlli del rumore possono aiutare a identificare i primi segnali di problemi legati ai nuclei, garantendo una lunga durata e un funzionamento affidabile del trasformatore.

Come scegliere il nucleo del trasformatore giusto

La scelta del nucleo del trasformatore giusto implica il bilanciamento di efficienza, costo, dimensioni e requisiti applicativi. Per i trasformatori a secco, i materiali a basse perdite e la progettazione meccanica robusta sono particolarmente importanti.

Comprendendo i tipi di nucleo, i materiali e i metodi di costruzione, ingegneri e acquirenti possono selezionare i nuclei del trasformatore che offrono prestazioni ottimali, consumo energetico ridotto e affidabilità a lungo termine.