A hiszterézis veszteség egy transzformátorban az az energia, amely hővé alakul a magban, miközben az AC mágneses tér megfordul, és a mágneses domének minden ciklusban a B–H hurkok körül mozognak. Ez az anyagtól, a frekvenciától, a fluxusszinttől és a hőmérséklettől függ. Ez a cikk részletesen bemutatja az okokat, alapanyagokat, egyenleteket, rendszerhatásokat, tesztelést, modellezést és a hiszterézis elvesztés csökkentésének módjait.
Hiszterézis veszteség egy transzformátorban
A hiszterézisveszteség egy transzformátorban az az elektromos energia, amely a mágneses magban minden alkalommal hőré alakul, amikor az AC feszültség irányt változtat. Ahogy az áram pozitív és negatív irányba változik, a magban lévő mágneses tér is oda-vissza fordul. A magban lévő apró mágneses területeknek minden ciklus során mozogniuk és újraigazítódniuk kell, és ez a mozgás nem tökéletesen sima. Ennek következtében minden alkalommal, amikor a mező visszafordul, valamennyi energia veszik hőként.
Ez a veszteség akkor is jelen van, amikor a transzformátor kitöltve van, így továbbra is energiát vesz és energiát pazarol. A hiszterézis veszteség csökkenti a transzformátor hatékonyságát, növeli a terhelés nélküli energiafelhasználást, és növeli a maghőmérsékletet. A hiszterézis veszteség mértéke befolyásolja a mag méretét, a maganyagok kiválasztását, valamint a transzformátor biztonságos működéséhez szükséges hűtés mennyiségét.
Mágneses tartományok és hiszterézis elvesztés
Egy transzformátor mágneses magjában az anyag sok apró területből, úgynevezett mágneses tartományokból áll. A domének közötti határokat domain falaknak nevezik. Ezek a falak nem mozognak szabadon, mert az anyagban lévő tökéletlenségek visszatartják őket. Minden alkalommal, amikor az AC mező irányt vált, extra energiára van szükség ezeknek a tartományfalaknak a mozgatásához. Ez a plusz energia hővé alakul a magban, és a transzformátorban a hiszterézis veszteség részévé válik.
B–H hurok és hiszterézis veszteség a transzformátor magokban
A B–H hurok egy grafikon, amely megmutatja, hogyan változik a mágneses fluxus sűrűsége B egy transzformátor magban, amikor a mágneses tér erőssége H egy teljes AC cikluson megy keresztül. Ahogy az AC áram emelkedik, csökken és visszafordul, a grafikon a pont egy zárt hurkot mozog, nem egyetlen egyenes vonalat követve. Ennek a huroknak a formája és mérete megmutatja, hogyan viselkedik a mag, és mennyi energia veszik el hőként a hiszterézis miatt.
A B–H hurok alapvető részei
• Telítettségi régió: Amikor H nagyon magas, a B alig nő, ami azt jelenti, hogy a mag telített.
• Remandencia (Br): Amikor H visszatér nullára, B nem nulla, ami azt mutatja, hogy a mag némi mágnesesességet tart.
• Kényszerítő mező (Hc): Ez a H fordított értéke, amely szükséges ahhoz, hogy B visszakerüljön nullára.
• Hurok területe: A hurokon belüli terület a magban minden ciklus során elveszett energiát jelöli; a nagyobb terület nagyobb hiszterézis veszteséget jelent.
Steinmetz-egyenlet a hiszterézis veszteségre
Ph = kh f B nmax V
| Szimbólum | Jelentés |
|---|---|
| (*Ph*) | Hiszterézis veszteség (W) |
| (*kh*) | Állandó, ami a maganyagtól függ |
| (*f*) | AC frekvencia (hertzben, Hz) |
| (*B nmax*) | Maximális fluxussűrűség a magban (tesla és T esetén) |
| (*n*) | Steinmetz-kitevő (jellemzően > 1) |
| (*V*) | Magtérfogat (m³) |
Transzformátor maganyagok és hiszterézis veszteség
Szemcseorientált szilícium acél
• Egy fő irányban keskeny hisztérezis hurokkal rendelkezik
• Alacsonyabb hiszterézis veszteséget eredményez ezen az irányban a vezeték frekvenciáján
Nem orientált elektromos acél
• Minden irányban egyenletesebb mágneses tulajdonságokkal rendelkezik
• Kissé magasabb hiszterézis veszteséget mutat, de jól működik, ha a fluxus irányt vált a magban
Ferritek (MnZn, NiZn)
• Nagyon alacsony hiszterézis- és örvényáramvesztések nagy gyakoriságon
• Segíteni abban, hogy a hiszterézis veszteség kisebbek maradjanak a nagyfrekvenciás transzformátorokban
Amorf és nanokristályos ötvözetek
• Nagyon keskeny hisztérezis hurkokkal rendelkezünk
• Nagyon alacsony hisztérézisveszteséget biztosít az energiahatékony működés érdekében
Ezek az anyagok különösen fontosak a nagyfrekvenciás transzformátorokban, amelyeket a 9. szakaszban tárgyalnak.
Működési feltételek, amelyek befolyásolják a hiszterézis elvesztését
Gyakoriság
Ahogy a frekvencia nő, a magban lévő mágneses mező másodpercenként többszörösebben fordul. Minden flip némi energiaveszteséget okoz, így másodpercenként több flip nagyobb hiszterézis veszteséget jelent.
Csúcsfluxussűrűség (Bmax)
A magasabb Bmax nagyobbá teszi a hurok területét, ami növeli a hisztérezis veszteséget, és közelebb hozza a mag telítettségét.
Hőmérséklet
A hőmérséklet megváltoztatja, hogy a mágneses domének milyen könnyen mozognak a magban. Az anyagtól függően a magveszteség hőmérséklettel növekedhet vagy csökkenhet, ezért az anyagból származó adatok szükségesek ahhoz, hogy megtudjuk, hogyan viselkedik a hiszterézis veszteség.
Hiszterézis veszteség vs. más transzformátor veszteségek
| Veszteség típusa | Hol történik ez | Fő ok | Főként attól függ, hogy |
|---|---|---|---|
| Hiszterézis | Mag | Mágneses tartományok minden AC ciklusban újraigazítva | Frekvenciá, csúcsfluxus*B**max*, maganyag |
| Örvényáram | Mag | A fémmagban indukált áramok fluxus változtatásával | Frekvencia²,*B**max*², magvastagság |
| Réz (I²R) | Tekercsek | Áram áramlik az ellenálláson a vezetékben | Terhelésáram, vezetékellenállás |
| Kóbor/szivárgás | Mag/légtér | Mágneses fluxus, amely nem köti össze az összes tekercset | Mag alakja, távolság és elrendezés |
A hiszterézis veszteség rendszerszintű hatásai a transzformátorokban
A hiszterézis-veszteség a transzformátorban azt is megváltoztatja, hogyan viselkedik az elektromos rendszerben. Magasabb terhelés nélküli energiaigényt okoz, így a transzformátor akkor is több energiát vesz fel a tápegységből, amikor nem táplál terhelést. A mágnesesítő áram torzul, és kevésbé hasonlít egy sima szinuszhullámra, ami egyenetlenebbé teszi az alakját. Ez az egyenetlen áram extra frekvenciakomponenseket, úgynevezett harmonikukat ad, ami növeli a harmonikus tartalmat és a teljes harmonikus torzítást (THD) a rendszerben. Ugyanakkor az áram nagyobb része reaktívvá válik, nem hasznos, ami csökkenti a teljesítményfaktort, és azt jelenti, hogy az áram kevesebbje végez valódi munkát.
Hiszterézis veszteség a nagyfrekvenciás transzformátor magokban
Sok modern áramkörben a transzformátorok kis alkatrészek, amelyeket nyomtatott áramköri lapra szerelnek, és magas frekvenciákon működnek, gyakran több tíz vagy több száz kilohertzben. Ezeknél a magasabb frekvenciákon a magban a hiszterézis veszteség egyre fontosabb, mivel a mag mágneses tere másodpercenként többször változik az irányt. Ebben az esetben ferrit magokat használnak, mivel ezek segítenek alacsonyabb hiszterézis veszteséget és örvényáramvesztést magas frekvencián.
A maximális fluxussűrűséget, amelyet gyakran Bmax-ként írnak, gondosan korlátozott, hogy a magveszteség biztonságos szinten maradjon, és a mag ne melegedjen túl. Az anyaghoz adott magveszteségi görbéket arra használják, hogy megbecsüljük, mennyi teljes magveszteség, beleértve a hiszterézis veszteséget is, egy adott gyakoriságon és fluxusszinten fog bekövetkezni. Mivel ezek a transzformátorok közel helyezkednek el az áramköri lap más részeihez, a hiszterézis veszteségből származó hő befolyásolja a helyi hőmérsékletet, és befolyásolhatja, hogy a közeli alkatrészek mennyire megbízhatóan működnek.
A hiszterézis veszteség modellezése áramkörszimulációban
Az áramkörszimulációban a transzformátor magjában a hiszterézis veszteséget egyszerű modellek ábrázolják, amelyek továbbra is rögzítik a fő hatásokat. Egy alapvető módszer, hogy párhuzamosan használunk ellenállást a mágnesesítő induktivitással, így ez az ellenállás a magban a kiválasztott működési ponton hőként elveszett energiát képviseli. Fejlettebb modellek nemlineáris B–H görbéket használnak, mint például Jiles–Atherton vagy Preisach modellek, amelyek követik a hisztérézis hurok valós alakját, és pontosabbá teszik az időtartományi eredményeket.
Egy másik gyakori módszer a Steinmetz-alapú viselkedési blokkok használata, ahol a magveszteséget a fluxushullámformából Steinmetz-típusú egyenletekkel számolják ki, majd hozzáadják az áramkörbe energia-eloszlató elemként. Ezek a megközelítések segítenek bemutatni, hogyan befolyásolja a hiszterézisveszteség az áramot, a feszültséget és a fűtést egy szimulált transzformátorban.
A hiszterézis veszteség mérése transzformátor magokban
Anyagtesztek (Epstein keret vagy egylap)
Egy csíkot vagy lemezt maganyagból helyeznek el egy speciális tesztrendszerbe, és egy ismert váltakozó mezővel hajtják meg. A B–H hurkot rögzítik, és kiszámítják a magveszteséget egység térfogatonként.
Toroidális magteszt
A tekercset egy gyűrű alakú (toroidális) magra helyezik, és egy kiválasztott feszültséggel és frekvenciával szolgáltatják el. A bemeneti teljesítményt mérjük, és a tekercs I²R veszteségét levonjuk, hogy megtaláljuk a teljes magveszteséget, amely magában foglalja a hiszterézis veszteséget is.
Nyílt áramkörű transzformátor tesztek
A transzformátor elsődleges tekercse a névfeszültséggel van áramolva, míg a másodlagos tekercset nyitva hagyják. A forrásból származó energia főként a magveszteség, ami a hysteresis veszteség és az örvényáram veszteségének összege.
Frekvencia- és feszültségsöpörés
A tesztet különböző frekvenciákon és feszültségszinteken ismételik meg. A mérési veszteség változásainak megfigyelése segít megmutatni, mikor van nagyobb szükség a hiszterézis veszteségre, és mikor válik a forgóáram vesztesége a teljes összhang nagyobb részévé.
Összegzés
A hiszterézis veszteség a mágneses domének ismétlődő mozgásából ered, miközben a mag körbejárja a B–H hurkot, így a bemeneti teljesítmény egy részét hőré alakítva még terhelés nélkül is. Mérete a maganyagtól, a frekvenciától, a fluxussűrűségtől és a hőmérséklettől függ. Megfelelő modellezéssel, méréssel, anyag- és tervezési döntésekkel a hiszterézis elvesztése korlátozható és kontrollálható.
Gyakran Ismételt Kérdések [GYIK]
Hogyan befolyásolja a hiszterézis elvesztése a transzformátor élettartamát?
Hosszú ideig melegebben tartja a magot, ami felgyorsítja a szigetelés öregedését, és lerövidítheti a transzformátor élettartamát.
Hogyan kapcsolódik a hisztérezis-veszteség a beáramhoz?
A B–H hurok és a maradék mágnesesesség miatt a mag bekapcsoláskor közel telített állapotba kerülhet, ami rövid ideig nagyon magas beáramlást eredményez.
Megváltoztatja-e a törzs alakját a hiszterézis elvesztése?
Igen. A toroidális magok hiszterézisveszteséggel rendelkeznek, mint az E–I magok, mert a mágneses út simább és egyenletesebb.
Hogyan befolyásolja a hiszterézis veszteség az energiaköltséget a folyamatosan bekapcsolt transzformátorokban?
Ez állandó, terhelés nélküli fogyasztásként működik, növelve az éves energiafogyasztást és a hűtési igényt, még akkor is, ha alacsony a kimeneti teljesítmény.
Növelheti a stressz vagy az öregedés a hiszterézis elveszetését?
Igen. A mechanikai terhelés, rezgés, valamint ismétlődő fűtés és hűtés megzavarhatja a magszerkezetet, szélesítheti a B–H hurkot, és idővel növelheti a hisztérezis veszteséget.
