Трансформатор — это устройство, используемое для передачи электроэнергии между двумя частями цепи, создавая изоляцию при изменении тока и напряжения. Трансформатор является неотъемлемой частью большинства электрических систем. Силовые трансформаторы особенно часто используются там, где требуется высокая эффективность передачи электроэнергии. В зависимости от конкретного применения, оборудование может работать непрерывно или прерывисто с полной нагрузкой.
Малогабаритные трансформаторы, используемые в коммерческих электротехнических устройствах, могут иметь сердечники двух форм: EI (квадратного или тороидального типа) и тороидальные. Тороидальные трансформаторы (с кольцевым, тороидальным сердечником) представляют собой электрические компоненты, состоящие из медных проводов, намотанных вокруг цилиндрического сердечника. В прошлом более популярной была EI-форма сердечника. Однако тороидальные трансформаторы становятся всё более популярными в приложениях, требующих малой мощности, благодаря своей уникальной форме и преимуществам.
Строительство тороидальных трансформаторов
Сердечник: сердечник обычного трансформатора изготовлен из ламинированных листов кремнистой стали. Сердечник тороидального трансформатора изготовлен из намотанной полосы кремнистой стали. Его роль заключается в формировании переменного магнитного потока заданной частоты под действием переменного тока первичной обмотки. Через переменный магнитный поток в сердечнике индуктируется электрический потенциал во вторичной обмотке, образуя низковольтный источник питания. Сердечник является основным элементом для завершения преобразования электрической энергии, магнитной энергии и электрической энергии.
Обмотка: обычно изготавливается из изолированных плоских медных проводов или круглых медных проводов, намотанных на намоточную головку. Она состоит из двух групп: первичной и вторичной (высоковольтной и низковольтной). Первичная обмотка предназначена для подачи тока в трансформатор, частично для завершения процесса возбуждения, а частично для заполнения вторичной обмотки электрической энергией. Вторичная обмотка предназначена для преобразования магнитной энергии в электрическую и её передачи. Обмотки обычно соединяются по определённой схеме.
Изоляция корпуса: включает первичную и вторичную изоляцию, межвитковую изоляцию, изоляцию сердечника и межоболочечную изоляцию. В качестве материалов используются картон, эпоксидная смола, различные изоляционные материалы, трансформаторное масло и т.д. Трансформаторное масло не только обладает хорошими изоляционными свойствами, но и способствует рассеиванию тепла, охлаждая сердечник и обмотку трансформатора.
Сердечник тороидального трансформатора изготовлен из высококачественной холоднокатаной кремнистой листовой стали (толщина листа обычно составляет 0,35 мм или меньше) и прокатан бесшовно, что обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики сердечника по сравнению с традиционным сердечником из ламинированных листов. Обмотки тороидальных трансформаторов равномерно намотаны на сердечник, а направление магнитных линий, создаваемых обмотками, практически точно совпадает с магнитной цепью сердечника, что снижает энергию возбуждения и потери в сердечнике на 25% по сравнению с ламинированным типом.
Принцип работы
Трансформаторы работают на основе электромагнитной индукции. Физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году, обнаружив, что сила электрического тока пропорциональна скорости движения магнита и числу витков катушки.
Трансформатор использует это пропорциональное соотношение. Принцип работы тороидального трансформатора такой же, как и у трансформатора, оба они работают, используя принцип электромагнитного и магнитно-электрического преобразования. Вот схема, показанная на рисунке ниже, чтобы проиллюстрировать принцип работы трансформатора. Когда переменное напряжение U1 подается на оба конца первичной обмотки L1 трансформатора (число витков равно N1), переменный ток I1 протекает через L1, L1 немедленно создает магнитное поле, линии магнитной индукции магнитного поля связаны со вторичной обмоткой L2 (число витков равно N2) вдоль хорошо проводящего сердечника, L2 немедленно создает индуцированный электрический потенциал, в это время L2 эквивалентен источнику питания. Поскольку L2 подключен к нагрузке R как замкнутая цепь, L2 имеет выход переменного тока I2 и протекает через нагрузку R. Напряжение на R равно U2.
Проходя через вторичную обмотку, магнитные поля создают выходное напряжение. Величина напряжения зависит от количества витков во вторичной обмотке по сравнению с первичной. При соотношении 2:1 оно уменьшается вдвое, а при соотношении 1:2 — удваивается.
Преимущества тороидальных трансформаторов
1. Высокая эффективность
Уникальная форма этих трансформаторов позволяет использовать более короткие катушки, что приводит к снижению потерь и, следовательно, повышению эффективности системы. Поскольку тороидальные трансформаторы более эффективны, чем другие силовые трансформаторы, они выделяют меньше тепла во время работы, что приводит к снижению рабочих температур. Это, в свою очередь, снижает потребность в охлаждающих устройствах.
Сердечник не имеет воздушных зазоров, коэффициент ламинирования может достигать 95% и более, проницаемость сердечника может быть 1,5~1,8 Тл (ламинированный сердечник может выдерживать только 1,2~1,4 Тл), электрический КПД достигает 95% и более, ток холостого хода составляет всего 10% от ламинированного типа.
2. Более низкая рабочая температура
Поскольку потери в стали могут достигать 1,1 Вт/кг, повышение температуры сердечника невелико, когда потери в стали очень малы, а рассеивание тепла обмотки при более низкой температуре сердечника хорошее, поэтому повышение температуры трансформатора невелико.
3. Более компактный размер, легкий вес
Все обмотки тороидального трансформатора симметрично распределены по всему сердечнику, что обеспечивает очень короткую длину проводов. Поскольку магнитный поток ориентирован в том же направлении, что и направление прокатки сердечника с ориентированной зернистостью, достигается значительная экономия объёма и веса, а также более высокая плотность потока.
Благодаря уменьшенным габаритам и весу тороидальные трансформаторы идеально подходят для компактных электротехнических изделий. Кроме того, STEPPERONLINE может разработать трансформатор специально для помещения заказчика.
4. Уменьшение уровня рассеянного магнитного поля и электромагнитного излучения
Тороидальный трансформатор не имеет воздушного зазора, обмотка равномерно намотана в кольцевом сердечнике, что обеспечивает малую утечку магнитного поля и электромагнитное излучение. Первичная и вторичная обмотки, охватывающие сердечник, служат экранами от создаваемого магнитного поля, защищая расположенное рядом чувствительное электронное оборудование от трансформатора во время работы. Тороидальные трансформаторы могут использоваться в высокочувствительной электронной аппаратуре без дополнительного экранирования, например, в усилителях низкого уровня и медицинском оборудовании.
Тороидальные трансформаторы оказывают совершенно незначительное воздействие на окружающую среду и организм человека, что делает их здоровым источником питания.
5. Меньше вибрационного шума
Конструкция тороидальных трансформаторов способствует подавлению акустического шума. Сердечники плотно намотаны, сварены точечной сваркой, отожжены и покрыты эпоксидной смолой или изолированы майларовой лентой. Равномерная намотка сердечника не оставляет воздушных зазоров, поэтому свободные листы не вибрируют, что в конечном итоге приводит к снижению уровня шума, вызванного магнитострикцией.
6. Гибкость размеров
Тороидальные трансформаторы обеспечивают высокую степень размерной гибкости по сравнению с традиционными пластинчатыми трансформаторами. Соотношения длины, ширины и высоты сердечников тороидальных трансформаторов можно легко изменить, чтобы получить форму, соответствующую требуемым размерам.
7. Более простой монтаж
Тороидальные трансформаторы просты в установке. В большинстве случаев для этого достаточно одной металлической центрирующей шайбы и крепёжных винтов или болтов, что делает монтаж быстрым и простым.
Другие популярные методы монтажа включают в себя:
- Заливка центра смолой с латунными вставками или сквозным отверстием
- Монтажные пластины без давления
- Полная инкапсуляция в пластиковых или металлических корпусах
- Монтаж на печатную плату (сквозное отверстие)
- монтаж на DIN-рейку
8. Энергосбережение
Тороидальные сердечники имеют очень низкие потери в железе, обычно 1,1 Вт/кг при 1,7 Тл и 50 Гц. Эти низкие потери в железе обеспечивают очень низкие токи намагничивания, что приводит к низкому энергопотреблению в режиме ожидания. Низкие потери холостого хода обеспечивают большую экономию энергии в режиме ожидания.
Применение тороидальных трансформаторов
Тороидальные трансформаторы часто используются в электронике для понижения/повышения напряжения. Они также могут использоваться для изоляции электронного оборудования от источников паразитного напряжения. Существует множество различных трансформаторов, что позволяет находить им различные применения. Ниже приведено краткое описание современных областей применения различных тороидальных трансформаторов:
Шаговые двигатели: в основном используются для однофазных и многофазных шаговых двигателей, а также серводвигателей переменного тока.
Машиностроение: в основном ориентировано на промышленность, такую как станки с ЧПУ, станки с ЧПУ и т. д.
Аудио-/видеооборудование: в основном используется для аудиосистем, аудиоусилителей и т. д.
Медицинская промышленность: используется в медицинских испытательных приборах для обеспечения безопасности.
Приборостроение: используется в различных испытательных приборах и оборудовании.
Возобновляемая энергетика: используется в солнечных инверторах, обычно для повышения напряжения.
Распылительное увлажнение воздуха: в основном используется для регулирования влажности воздуха, например, в сельскохозяйственных теплицах и на овощных плантациях.
Электрическое управление: например, используется для трансформаторов тока и напряжения. Технология тороидальных трансформаторов позволяет изготавливать высокоточные и стабильные трансформаторы.
Автомобильная промышленность
Светотехническая промышленность
Охранное оборудование
Телекоммуникации
Аэрокосмическая промышленность
