Histereza gubitak u transformatoru je energija pretvorena u toplotu u jezgru kao AC magnetno polje flips i magnetni domeni kreću oko B-H petlje svakog ciklusa. To zavisi od materijala, frekvencije, nivoa fluksa i temperature. Ovaj članak objašnjava uzroke, osnovne materijale, jednačine, sistemske efekte, testiranje, modeliranje i načine za smanjenje gubitka histereze u detalje.
Histereza Gubitak u transformatoru
Histereza gubitak u transformatoru je električna energija koja se pretvara u toplotu unutar magnetnog jezgra svaki put kada AC napon menja pravac. Kako struja ide pozitivna i negativna, magnetno polje u jezgru takođe se okreće napred-nazad. Sićušni magnetni regioni unutar jezgra moraju da se pomeraju i poravnavaju tokom svakog ciklusa, a ovo kretanje nije savršeno glatko. Zbog toga, neka energija se gubi kao toplota svaki put kada se polje preokrene.
Ovaj gubitak je prisutan čak i kada je transformator istovaren, tako da i dalje crpi energiju i troši energiju. Gubitak histereze smanjuje efikasnost transformatora, doprinosi potrošnji energije bez opterećenja i podiže temperaturu jezgra. Nivo gubitka histereze utiče na veličinu jezgra, izbor osnovnih materijala i koliko je potrebno hlađenje da bi transformator bezbedno radio.
Magnetni domeni i gubitak histereze
Unutar magnetnog jezgra transformatora, materijal se sastoji od mnogih sitnih regiona koji se nazivaju magnetni domeni. Granice između domena nazivaju se zidovi domena. Ovi zidovi se ne kreću slobodno, jer ih sputavaju nesavršenosti unutar materijala. Svaki put kada AC polje promeni pravac, potrebna je dodatna energija za pomeranje ovih zidova domena. Ta dodatna energija se pretvara u toplotu u jezgru i postaje deo gubitka histereze u transformatoru.
B–H petlja i gubitak histereze u transformatorskim jezgrama
B-H petlja je grafikon koji pokazuje kako se gustina magnetnog fluksa B u jezgru transformatora menja kada jačina magnetnog polja H prolazi kroz jedan puni AC ciklus. Kako AC struja raste, pada i preokreće, tačka na ovom grafikonu se kreće oko zatvorene petlje umesto da prati jednu pravu liniju. Oblik i veličina ove petlje govore kako se jezgro ponaša i koliko energije se gubi kao toplota zbog histereze.
Osnovni delovi B-H petlje
• Region zasićenja: Kada je H veoma visok, B se jedva povećava, što znači da je jezgro zasićeno.
• Remanencija (Br): Kada se H vrati na nulu, B nije nula, pokazujući da jezgro zadržava neku magnetizaciju.
• Prinudno polje (Hc): Ovo je obrnuta vrednost H potrebna da se B vrati na nulu.
• Područje petlje: Područje unutar petlje označava energiju izgubljenu u jezgru tokom svakog ciklusa; Veća površina znači veći gubitak histereze.
Steinmetz jednačina za gubitak histereze
Ph = kh f b nmak V
| Simbol | Značenje |
|---|---|
| (*Ph*) | Gubitak histereze (W) |
| (*kh*) | Konstanta koja zavisi od osnovnog materijala |
| (*f*) | AC frekvencija (u hercima, Hz) |
| (*B nmax*) | Maksimalna gustina fluksa u jezgru (u tesli, T) |
| (*n*) | Steinmetz eksponent (obično > 1) |
| (*V*) | Zapremina jezgra (m³) |
Materijali jezgra transformatora i gubitak histereze
zrna orijentisana silicijum čelik
• Ima usku petlju histereze u jednom glavnom pravcu
• Daje manji gubitak histereze duž tog pravca na frekvenciji dalekovoda
Neorijentisani električni čelik
• Ima više ujednačene magnetne osobine u svim pravcima
• Pokazuje nešto veći gubitak histereze, ali dobro funkcioniše kada fluks menja smer u jezgru
feriti (MnZn, NiZn)
• Imaju veoma nisku histerezu i gubitke vrtložnih struja na visokoj frekvenciji
• Pomozite da gubitak histereze bude manji u visokofrekventnim transformatorima
Amorfne i nanokristalne legure
• Imaju veoma uske petlje histereze
• Obezbedite veoma nizak gubitak histereze za energetski efikasan rad
Ovi materijali su posebno važni u visokofrekventnim transformatorima, o kojima se govori u odeljku 9.
Uslovi rada koji utiču na gubitak histereze
Frekvencija
Kako se frekvencija povećava, magnetno polje u jezgru okreće pravac više puta svake sekunde. Svaki flip izaziva neki gubitak energije, tako da više flips u sekundi znači veći gubitak histereze.
Maksimalna gustina fluksa (Bmak)
Veći Bmak čini područje petlje većim, što povećava gubitak histereze i može dovesti jezgro bliže zasićenju.
Temperatura
Temperatura menja koliko lako magnetni domeni kreću unutar jezgra. U zavisnosti od materijala, gubitak jezgra može da se poveća ili smanji sa temperaturom, tako da su podaci iz materijala potrebni da bi se znalo kako se ponaša gubitak histereze.
Histereza Gubitak u odnosu na druge gubitke transformatora
| Tip gubitka | Gde se to dešava | Glavni uzrok | Zavisi uglavnom od |
|---|---|---|---|
| Histereza | Jezgro | Magnetni domeni prestrojavaju svaki AC ciklus | Frekvencija, vršni fluks * B ** mak *, materijal jezgra |
| Vrtložna struja | Jezgro | Struje indukovane u metalnom jezgru promenom fluksa | Frekvencija², * B ** mak *², debljina jezgra |
| Bakar (I²R) | Namotaji | Struja koja teče kroz otpor u žici | Struja opterećenja, otpor žice |
| Zalutalica / curenje | Jezgro / vazdušni prostor | Magnetni fluks koji ne povezuje sve namote | Oblik jezgra, razmak i raspored |
Efekti gubitka histereze na nivou sistema u transformatorima
Histereza gubitak u transformatoru takođe menja kako se ponaša u električnom sistemu. To uzrokuje veću potrošnju energije bez opterećenja, tako da transformator crpi više energije iz napajanja čak i kada ne napaja nikakvo opterećenje. Magnetizujuća struja postaje iskrivljena i manje nalik glatkom sinusnom talasu, što čini njegov oblik neujednačenijim. Ova neujednačena struja dodaje dodatne frekventne komponente zvane harmonike, što povećava harmonični sadržaj i ukupno harmonijsko izobličenje (THD) u sistemu. Istovremeno, veći deo struje postaje reaktivan umesto korisnog, što smanjuje faktor snage i znači da manje struje radi pravi posao.
Gubitak histereze u visokofrekventnim transformatorskim jezgrama
U mnogim modernim kolima, transformatori su mali delovi montirani na štampanoj ploči i rade na visokim frekvencijama, često u desetinama ili stotinama kiloherca. Na ovim višim frekvencijama, gubitak histereze u jezgru postaje važniji, jer magnetno polje u jezgru menja pravac mnogo puta svake sekunde. Feritna jezgra se koriste u ovom slučaju, jer pomažu u održavanju gubitka histereze i gubitka vrtložnih struja nižim na visokoj frekvenciji.
Maksimalna gustina fluksa, često napisana kao Bmak, pažljivo je ograničena, tako da gubitak jezgra ostaje u bezbednim nivoima, a jezgro se ne pregreva. Krive gubitka jezgra predviđene za materijal koriste se za procenu koliko će se ukupan gubitak jezgra, uključujući gubitak histereze, dogoditi na datoj frekvenciji i nivou fluksa. Jer ovi transformatori sede blizu drugih delova na ploči, toplota od gubitka histereze utiče na lokalnu temperaturu i može da utiče na to koliko pouzdano obližnje komponente rade.
Modeliranje gubitka histereze u simulaciji kola
U simulaciji kola, gubitak histereze u jezgru transformatora predstavljen je jednostavnim modelima koji i dalje hvataju glavne efekte. Jedan od osnovnih metoda je da se koristi otpornik paralelno sa magnetizujućom induktivnošću, tako da ovaj otpornik predstavlja snagu izgubljenu kao toplote u jezgru na izabranoj radnoj tački. Napredniji modeli koriste nelinearne B-H krive, kao što su Jiles-Atherton ili Preisach modeli, koji prate stvarni oblik petlje histereze i čine rezultate vremenskog domena preciznijim.
Još jedna uobičajena metoda je da se koriste blokovi ponašanja zasnovani na Steinmetzu, gde se gubitak jezgra izračunava iz talasnog oblika fluksa pomoću jednadžbi tipa Steinmetz, a zatim se dodaje u kolo kao element koji rasipa snagu. Ovi pristupi pomažu da se pokaže kako gubitak histereze utiče na struju, napon i grejanje u simuliranom transformatoru.
Merenje gubitka histereze u jezgrama transformatora
Ispitivanja materijala (Epsteinov okvir ili jedan list)
Traka ili list jezgra materijala se stavlja u posebnom podešavanju testa i vozi sa poznatim AC polje. B-H petlja se snima, a izračunava se gubitak jezgra po jedinici zapremine.
Test toroidnog jezgra
Namotaja se postavlja na prstenastu (toroidnu) jezgru i isporučuje se sa izabranim naponom i frekvencijom. Ulazna snaga se meri, a gubitak namotaja I²R se oduzima da bi se pronašao ukupan gubitak jezgra, koji uključuje gubitak histereze.
Testovi transformatora otvorenog kola
Primarni namot transformatora je pod naponom na nominalnom naponu, dok je sekundarni je ostavljen otvoren. Snaga izvučena iz izvora je uglavnom gubitak jezgra, što je zbir gubitka histereze i gubitka vrtložnih struja.
Frekvencija i napon čišćenje
Test se ponavlja na različitim frekvencijama i nivoima napona. Gledajući kako izmerene promene gubitka pomažu da se pokaže kada je gubitak histereze više potreban i kada gubitak vrtložnih struja postaje veći deo ukupnog broja.
Zaključak
Histereza gubitak dolazi od ponovljenog kretanja magnetnih domena kao jezgro ciklusa oko svoje B-H petlje, pretvarajući deo ulazne snage u toplotu čak i bez opterećenja. Njegova veličina zavisi od materijala jezgra, frekvencije, gustine fluksa i temperature. Uz pravilno modeliranje, merenje i izbor materijala i dizajna, gubitak histereze može biti ograničen i kontrolisan.
Često postavljana pitanja [FAK]
Kako gubitak histereze utiče na život transformatora?
To održava jezgro toplije za duži period, što ubrzava starenje izolacije i može skratiti vek trajanja transformatora.
Kako je gubitak histereze povezan sa udarne struje?
Zbog B-H petlje i ostataka magnetizacije, jezgro može ići blizu zasićenja pri uključivanju, uzrokujući veoma visoku udarnu struju za kratko vreme.
Da li oblik jezgra menja gubitak histereze?
Da. Toroidna jezgra imaju manji gubitak histereze od E–I jezgara jer je magnetna putanja glatkija i ujednačenija.
Kako gubitak histereze utiče na troškove energije u uvek uključenim transformatorima?
Deluje kao konstantna potrošnja energije bez opterećenja, povećavajući godišnju potrošnju energije i potrebe za hlađenjem čak i kada je izlazna snaga niska.
Može stres ili starenje povećati gubitak histereze?
Da. Mehanički stres, vibracije i ponovljeno zagrevanje i hlađenje mogu poremetiti strukturu jezgra, proširiti B-H petlju i podići gubitak histereze tokom vremena.
