Что такое тороидальный трансформатор и чем он отличается от других типов?

Когда речь заходит о трансформаторах, их типах, то все модели все равно имеют схожий функционал, единственное, чем могут отличаться трансформаторы друг от друга, так это сферой применения и материалами, избираемыми для комплектации изделия. В ассортименте силовых элементов почетное место занимает тороидальный трансформатор, отличающийся удачными конструктивными способностями, хорошими эксплуатационными качествами. А самое главное отличие тороидального трансформатора от всех других типов состоит в том, что сердечник или магнитопровод изделия сформирован в виде кольца. Все же остальные технические преимущества и сферы применения рассмотрим далее более подробно в статье.

Какими по назначению и функционалу бывают тороидальные трансформаторы

силовыми и измерительными;
повышающими или понижающими.

Подобные силовые элементы способны преобразовывать электроэнергию, воздействуя с разной степенью на напряжение или ток.

Где и для чего используется тороидальный трансформатор

Силовой тороидальный трансформатор имеет широкую сферу применения, как в промышленной, так и в бытовой среде. Так, многие обыватели не задумываются, но тороидальные трансформаторы нас буквально окружают, обеспечивая нам комфорт и уют в домах и квартирах. Во-первых, низкочастотные трансформаторы задействуются в формировании энергосистемы и всех основных коммуникаций, не исключая обычные розетки. Во-вторых, в схемах источника бесперебойного питания для компьютера и смартфона также можно обнаружить трансформатор, который считается незаменимым элементом цепи.

Да и в сфере радиотехники, электроники, инженерии не обойтись без тороидальных трансформаторов. Очевидно, что такие важные силовые элементы используются для создания безопасного и эффективного источника питания осветительной техники, работы медицинского и диагностического современного оборудования.

В промышленной среде совершают расчет тороидального трансформатора и внедряют его в комплектование схем сварочного оборудования.

Какими техническими преимуществами обладают тороидальные трансформаторы

Экономически выгодные показатели силового элемента с кольцевым магнитопроводом. Внутри происходит передача мощности меньшими размерами и весом.
Компактность и малые объемы изделия. То есть намотка тороидального трансформатора свою задачу выполняет без сбоев, а вот сам трансформатор в два раза меньше по сравнению с другими моделями.
Простота монтажа и эксплуатации. Бесспорно, трансформаторы с кольцевым сердечником очень просто устанавливать в заданную по схеме позицию, подключать, тестируя перед первым рабочим запуском. И не важно, где планируется выполнить монтаж – внутри или снаружи.
Экономия электрического импульса. Где-то треть продуцируемой энергии сохраняется как при полной загрузке, так и на холостом ходу.
Высокая тепловая нагрузочная способность. Способствует форма магнитопровода – тороид.

Обладая таким количеством технических преимуществ, тороидальный трансформатор по многим параметрам выигрывает. Например, по сравнению с броневыми и стержневыми трансформаторами, он отличается низкими показателями рассеяния, поэтому безопасен и просто незаменим для чувствительного электронного оборудования.

Рассмотрим как производится расчет мощности трансформатора

Для начала определяем сечение основы. Магнитопровод должен не только выдержать магнитное поле определенной интенсивности, он еще рассеивает выделяемое тепло. Существует упрощенный метод исчисления площади сечения в см². Она равна квадратному корню от требуемого значения мощности в ваттах.

Это максимальное значение, реальный трансформатор должен иметь запас +50%. Иначе сердечник попадет в область магнитного насыщения, что приведет к резкому локальному нагреву. Для сердечников тороидальной формы достаточно запаса 30% от расчетной площади.

Далее необходимо знать, как определить параметры провода для обмоток, чтобы обеспечить расчетную мощность трансформатора. Первая величина – количество витков на вольт (речь идет о первичной обмотке).

Для этого воспользуемся несложной формулой: константу 60 делим на площадь сечения в см². Например, сечение магнитопровода 6 см². Значит, на каждый вольт входного напряжения, требуется 10 витков провода. То есть при питании 220 вольт, первичная обмотка будет состоять из 2200 витков.

Расчет вторичных обмоток производится в пропорции коэффициента трансформации. Если необходимо 20 вольт на выходе, при константе 10 витков на вольт, потребуется 200 витков вторичной обмотки. Это абсолютное значение, без учета потерь при нагрузке. Истинное количество витков получаем, умножив значение на 1,2.

Прежде чем намотать трансформатор, надо знать сечение провода. Минимальный диаметр проволоки рассчитывается по формуле: D=0.7*√I

Важно! Диаметр проводника замеряется без учета толщины изолирующего лака. Его надо смыть ацетоном в месте измерения. Это актуально для проводов с малым сечением.

√I – квадратный корень из значения силы тока в амперах

Экономить на проводе не стоит. Меньший диаметр плохо рассеивает тепло, и обмотка может перегореть. Чем тоньше провод, тем выше сопротивление. Возможны потери мощности и снижение расчетных характеристик.

Как устроен

Конструкция аналогична броневому, магнитное поле одновитковое, соответственно мощность меньше. Также имеет разборную конструкцию. Эффективность использования поверхности магнитопровода не выше 40%.

Мнение эксперта

It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике

Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»

Рассмотрим как производится расчет мощности трансформатора Тороидальные сердечники сделаны из магнитной рулонной трансформаторной стали с очень низкими уровнями потерь и высокой индукцией насыщения. Спрашивайте, я на связи!

Какими достоинствами обладает сердечник тороидального трансформатора

Напомним, что сердечник или магнитопровод тороидального трансформатора 220 изготавливается в виде кольца. А это практически идеальная форма в физическом плане. Для ее изготовления на производстве используется чаще всего лентообразный пермаллой, причем расход материала небольшой, уменьшена на конвейере отбраковка и обрезка. На втором этапе последовательного изготовления трансформатора на его сердечник наносится обмотка и равномерно без изъянов распределяется по заданной поверхности. Длина проводов обмотки небольшая, поэтому сила сопротивления в сегменте также уменьшена. И это обеспечивает тороидальному трансформатору высокий КПД. Немаловажную роль в этом играем сам сердечник тороидального трансформатора.

Что обязательно учитывается при расчете тороидального трансформатора

Для того чтобы применить стандартную физическую формулу, первоначально необходимо узнать параметры напряжения, которое будет подаваться на первичную обмотку изделия (условное обозначение для формулы — U), внешний и внутренний диаметр сердечника или магнитопровода (условные обозначения для расчетов – D и d), и, главное, не забыть о толщине магнитопровода — H.

Немаловажный показатель – площадь окна сердечника (уловно фиксируется в записях — S). От него во многом зависит интенсивность отвода избытка тепла. Данные площади зазора сердечника находятся в периоде от 80 до 100 см, а поперечное сечение в два раза меньше.

На всякий случай вспомним в статье формулы расчетов: S0 = * d2 / 4., Sc = H * (D – d)/2.

Полное ограничение поля B тороидальными индукторами

Эта статья предоставляет недостаточный контекст для тех, кто не знаком с предметом

. Пожалуйста помоги улучшить статью к обеспечение большего контекста для читателя.
(Июнь 2019)(Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В некоторых случаях ток в обмотке тороидального индуктора вносит вклад только в B

поле внутри обмоток и не вносит вклада в магнитное
B
поле вне обмоток. Это следствие симметрии и закона оборота Ампера.

Достаточные условия для полного внутреннего удержания поля B

Рис. 1. Система координат. Ось Z — номинальная ось симметрии. Ось X выбрана произвольно, чтобы соответствовать начальной точке намотки. ρ называется радиальным направлением. θ называется окружным направлением.

Рис. 2. Осесимметричный тороидальный индуктор без окружного тока.

Отсутствие окружного тока [4] (путь окружного тока обозначен красной стрелкой на рисунке 3 этого раздела) и осесимметричное расположение проводников и магнитных материалов. [4][5][6] являются достаточными условиями для полного внутреннего ограничения B

поле. (Некоторые авторы предпочитают использовать
ЧАС
поле). Из-за симметрии линии потока B должны образовывать круги постоянной интенсивности с центром на оси симметрии. Единственные линии потока B, которые охватывают любой ток, — это те, которые находятся внутри тороидальной обмотки. Следовательно, из закона обмоток Ампера напряженность поля B должна быть равна нулю вне обмоток.[6]
Рис. 3. Тороидальный индуктор с окружным током.
На рисунке 3 этого раздела показана наиболее распространенная тороидальная обмотка. Это не соответствует обоим требованиям к полному ограничению поля B. Если смотреть со стороны оси, то иногда обмотка находится внутри сердечника, а иногда — снаружи сердечника. В ближней области он не является осесимметричным. Однако в точках, находящихся на расстоянии, в несколько раз превышающем расстояние между обмотками, тороид действительно выглядит симметричным.[7] Остается проблема окружного тока. Независимо от того, сколько раз обмотка опоясывает сердечник и насколько тонок провод, этот тороидальный индуктор все равно будет включать в себя петлю с одной катушкой в плоскости тороида. Эта обмотка также будет производить и восприимчива к E

поле в плоскости индуктора.

На рисунках 4-6 показаны различные способы нейтрализации окружного тока. Рисунок 4 является самым простым и имеет то преимущество, что обратный провод можно добавить после покупки или сборки индуктора.

Рис. 4. Окружной ток, противодействующий обратному проводу. Провод белого цвета проходит между внешним ободом индуктора и внешней частью обмотки.

Рис. 5. Окружной ток, противодействующий обратной обмотке.

Рис. 6. Окружной ток, противодействующий разделенной обратной обмотке.

E поле в плоскости тороида

Рис. 7. Простой тороид и создаваемое Е-поле. Допускается возбуждение ± 100 вольт.

Рис. 8. Распределение напряжения с обратной обмоткой. Допускается возбуждение ± 100 Вольт.

По обмотке будет распределение потенциала. Это может привести к E

-Поле в плоскости тороида, а также восприимчивость к
E
поле в плоскости тороида, как показано на рисунке 7. Это можно уменьшить, используя обратную обмотку, как показано на рисунке 8. В этой обмотке каждое место, где обмотка пересекает себя, две части будут иметь равную и противоположную полярность, что существенно уменьшает поле E, генерируемое в плоскости.

Тороидальный индуктор / трансформатор и векторный магнитный потенциал

Основная статья: Магнитный векторный потенциал

Показывает развитие магнитного векторного потенциала вокруг симметричного тороидального индуктора.

См. Главу 14 Фейнмана.[8] и 15[9] для общего обсуждения магнитный векторный потенциал. См. Страницу Фейнмана 15-11. [10] для диаграммы магнитного векторного потенциала вокруг длинного тонкого соленоида, который также демонстрирует полное внутреннее ограничение B

поле, по крайней мере, в бесконечном пределе.

В А

поле является точным при использовании предположения б ж А = 0 {displaystyle bf {A} = 0} . Это было бы верно при следующих предположениях:

1. Кулоновский калибр используется
2. Датчик Лоренца используется и нет распределения заряда, ρ = 0 {displaystyle ho = 0,}
3. Датчик Лоренца используется и предполагается нулевая частота
4. Датчик Лоренца используется и ненулевая частота, достаточно низкая, чтобы пренебречь 1 c 2 ∂ ϕ ∂ т {displaystyle {frac {1} {c ^ {2}}} {frac {partial phi} {partial t}}} предполагается.

Номер 4 будет предполагаться до конца этого раздела и может быть отнесен к «квазистатическому состоянию».

Хотя осесимметричный тороидальный индуктор без окружного тока полностью ограничивает B

поле внутри обмоток
А
поле (магнитный векторный потенциал) не ограничено. Стрелка №1 на рисунке изображает векторный потенциал на оси симметрии. Сечения радиального тока a и b находятся на равных расстояниях от оси, но направлены в противоположные стороны, поэтому они отменяются. Аналогично отменяются сегменты c и d. Фактически все сегменты радиального тока отменяются. Иначе обстоит дело с осевыми токами. Осевой ток на внешней стороне тороида направлен вниз, а осевой ток на внутренней стороне тороида направлен вверх. Каждому сегменту осевого тока на внешней стороне тороида можно сопоставить равный, но противоположно направленный сегмент на внутренней стороне тороида. Сегменты внутри расположены ближе, чем сегменты снаружи, к оси, поэтому есть чистый восходящий компонент
А
поле вдоль оси симметрии.
Представление полей магнитного векторного потенциала (A), магнитного потока (B) и плотности тока (j) вокруг тороидального индуктора круглого сечения. Более толстые линии обозначают силовые линии с более высокой средней интенсивностью. Кружки в поперечном сечении сердечника представляют поток B, выходящий из картины. Знаки плюс на другом сечении сердечника обозначают поток B. Div А
= 0 было принято.

Поскольку уравнения ∇ × А = B {displaystyle abla imes mathbf {A} = mathbf {B}} , и ∇ × B = μ 0 j {displaystyle abla imes mathbf {B} = mu _ {0} mathbf {j}} (в предположении квазистатических условий, т.е. ∂ E ∂ т → 0 {displaystyle {frac {partial E} {partial t}} ightarrow 0} ) одинаковой формы, то линии и контуры А

относится к
B
как линии и контуры
B
относится к
j
. Таким образом, изображение
А
поле вокруг петли
B
поток (как в тороидальном индукторе) качественно такой же, как
B
поле вокруг контура тока. Фигура слева — изображение художника
А
поле вокруг тороидального индуктора. Более толстые линии указывают пути с более высокой средней интенсивностью (более короткие пути имеют более высокую интенсивность, поэтому интеграл по путям остается таким же). Линии просто нарисованы, чтобы хорошо выглядеть и придавать общий вид
А
поле.

Тороидальное действие трансформатора при наличии полного ограничения поля B

В E

и
B
поля могут быть вычислены из
А
и ϕ {displaystyle phi,} (скалярный электрический потенциал) поля
B = ∇ × А . {displaystyle mathbf {B} = abla imes mathbf {A}.} [11] и : E = − ∇ ϕ − ∂ А ∂ т {displaystyle mathbf {E} = -abla phi — {frac {partial mathbf {A}} {partial t}}} [11] и так, даже если область вне обмоток лишена B
поле заполняется ненулевым
E
поле. Количество ∂ А ∂ т {displaystyle {frac {partial mathbf {A}} {partial t}}} отвечает за желаемую связь магнитного поля между первичной и вторичной обмотками, в то время как величина ∇ ϕ {displaystyle abla phi,} отвечает за нежелательную связь электрического поля между первичной и вторичной обмотками. Разработчики трансформаторов пытаются минимизировать связь электрического поля. В остальной части этого раздела ∇ ϕ {displaystyle abla phi,} будет считаться равным нулю, если не указано иное.

Теорема Стокса применяется,[12] так что интеграл по путям А

равно приложенному
B
поток, так же как интеграл по путям
B
равна константе, умноженной на приложенный ток

Интеграл по путям E

вдоль вторичной обмотки дает наведенную ЭДС вторичной обмотки (электродвижущую силу).
E M F = ∮ п а т час E ⋅ d л = − ∮ п а т час ∂ А ∂ т ⋅ d л = − ∂ ∂ т ∮ п а т час А ⋅ d л = − ∂ ∂ т ∫ s ты р ж а c е B ⋅ d s {displaystyle mathbf {EMF} = oint _ {path} mathbf {E} cdot {m {d}} l = -oint _ {path} {frac {partial mathbf {A}} {partial t}} cdot {m {d }} l = — {frac {partial} {partial t}} oint _ {path} mathbf {A} cdot {m {d}} l = — {frac {partial} {partial t}} int _ {surface} mathbf {B} cdot {m {d}} s}
где говорится, что ЭДС равна скорости изменения во времени потока B, заключенного в обмотке, что является обычным результатом.

Тороидальный трансформатор Связь вектора Пойнтинга от первичной к вторичной при наличии полного ограничения поля B

На этом рисунке синие точки указывают, где поток B от первичного тока выходит из изображения, а знаки плюс указывают, где он входит в изображение.

Пояснение к рисунку

На этом рисунке показана половина тороидального трансформатора. Предполагаются квазистатические условия, поэтому фаза каждого поля везде одинакова. Трансформатор, его обмотки и все остальное расположены симметрично относительно оси симметрии. Обмотки таковы, что нет окружного тока. Выполняются требования для полной внутренней изоляции B

поле за счет первичного тока. Сердечник и первичная обмотка представлены серо-коричневым тором. Первичная обмотка не показана, но ток в обмотке на поверхности поперечного сечения показан золотыми (или оранжевыми) эллипсами. В
B
поле, вызванное первичным током, полностью ограничено областью, окружающей первичную обмотку (т. е. сердечником). Синие точки на левом поперечном сечении указывают, что линии
B
поток в сердечнике выходит из левого поперечного сечения. На другом сечении синие знаки плюса указывают на то, что
B
туда входит поток. В
E
поле, возникающее из первичных токов, показано зелеными эллипсами. Вторичная обмотка показана коричневой линией, идущей прямо по оси симметрии. В обычной практике два конца вторичной обмотки соединяются вместе длинным проводом, который находится на значительном удалении от тора, но для сохранения абсолютной осевой симметрии весь аппарат рассматривается как находящийся внутри идеально проводящей сферы с вторичным проводом » заземлен «к внутренней стороне сферы на каждом конце. Вторичная обмотка сделана из провода сопротивления, поэтому отдельная нагрузка отсутствует. В
E
поле вдоль вторичной обмотки вызывает ток во вторичной обмотке (желтые стрелки), что вызывает
B
поле вокруг вторичной обмотки (показано синими эллипсами). Этот
B
поле заполняет пространство, в том числе внутри сердечника трансформатора, поэтому в итоге получается непрерывный ненулевой
B
поле от первичной к вторичной, если вторичная цепь не разомкнута. Перекрестное произведение
E
поле (происходит от первичных токов) и
B
поле (полученное из вторичных токов) формирует вектор Пойнтинга, который направлен от первичного к вторичному.

Можно ли самостоятельно изготовить тороидальный сердечник

Геометрически правильный тороидальный сердечник не так прост для самостоятельного воспроизведения, особенно начинающими изобретателями. Во-первых, надо иметь в распоряжении специальную пермаллоевую ленту, еще ее называют иногда трансформаторная сталь. Во-вторых, ознакомиться с правилами формирования тора прямоугольного сечения. Действия привычные – надо сворачивать материал в рулон. Действия последовательные и аккуратные, при необходимости возвращайтесь на шаг назад.

Подспорьем в деле может стать специальный деревянный челнок с техническими полукруглыми вырезами, особенно если нужно посчитать, сколько нужно материала для обмотки. Проволока на обмотку всегда берется с припуском. Рекомендуемый запас – 20-30 %.

Таким образом, становится понятно, что тороидальный трансформатор может дать фору другим существующим силовым элементам. И все потому, что он прост, надежен и функционален. Имеющийся сердечник создан в выгодной форме, с которой легко работать не только на этапе изготовления изделия, но и при монтаже, эксплуатации и ремонте. Самостоятельно изготовить такой трансформатор возможно, но для этого понадобится усидчивость, знание, устремление создать продукт, желание совершать расчеты и искать альтернативы.