Потеря гистерезиса в трансформаторе — это энергия, превращённая в тепло в активной зоне при переменном магнитном поле переменного тока, а магнитные домены перемещаются по петле B–H каждый цикл. Это зависит от материала, частоты, уровня потока и температуры. В этой статье подробно объясняются причины, материалы керна, уравнения, системные эффекты, тестирование, моделирование и способы снижения потерь при гистерезисе.
Потеря гистерезиса в трансформаторе
Потеря гистерезиса в трансформаторе — это электрическая энергия, которая превращается в тепло внутри магнитного сердечника каждый раз, когда меняет направление переменного напряжения. Когда ток становится положительным и отрицательным, магнитное поле в активной зоне также меняется туда-сюда. Крошечные магнитные области внутри ядра должны двигаться и перестраиваться в течение каждого цикла, и это движение не является идеально плавным. Из-за этого часть энергии теряется в виде тепла каждый раз, когда поле меняет обороты.
Эта потеря присутствует даже при разгрузке трансформатора, поэтому он всё равно потребляет энергию и тратит энергию впустую. Потеря гистерезиса снижает эффективность трансформатора, увеличивает энергопотребление без нагрузки и повышает температуру сердечной зоны. Уровень потерь при гистерезисе влияет на размер сердечника, выбор материалов сердечника и уровень охлаждения, необходимый для безопасной работы трансформатора.
Магнитные домены и потеря гистерезиса
Внутри магнитного ядра трансформатора материал состоит из множества крошечных областей, называемых магнитными доменами. Границы между доменами называются доменными стенками. Эти стены не двигаются свободно, потому что их сдерживают недостатки внутри материала. Каждый раз, когда поле переменного тока меняет направление, требуется дополнительная энергия для перемещения этих доменных стенок. Эта дополнительная энергия превращается в тепло в ядре и становится частью потери гистерезиса в трансформаторе.
Цикл B–H и потеря гистерезиса в ядрах трансформаторов
Петля B–H — это график, показывающий, как изменяется плотность магнитного потока B в сердечнике трансформатора, когда сила магнитного поля H проходит через один полный переменный ток. По мере того как ток переменного тока поднимается, падает и меняется, точка на этом графике движется по замкнутой петле, а не следует по одной прямой. Форма и размер этой петли определяют, как ведёт себя ядро и сколько энергии теряется в виде тепла из-за гистерезиса.
Основные части петли B–H
• Область насыщения: когда H очень высока, B почти не увеличивается, что означает, что ядро насыщено.
• Остаток (Br): когда H возвращается к нулю, B не равен нулю, что показывает, что ядро сохраняет некоторую намагниченность.
• Коэрцивное поле (Hc): это обратное значение H, необходимое для возвращения B к нулю.
• Область петли: область внутри петли отражает энергию, теряемую в ядре в каждом цикле; Большая площадь означает более высокие потери гистерезиса.
Уравнение Штайнмеца для потери при гистерезисе
Ph = kh f B nmax V
| Символ | Значение |
|---|---|
| (*Ph*) | Потеря гистерезиса (W) |
| (*kh*) | Константа, которая зависит от материала сердечника |
| (*f*) | Частота переменного тока (в герцах, Гц) |
| (*B nmax*) | Максимальная плотность потока в ядре (в Tesla, T) |
| (*n*) | Показатель Штайнмеца (обычно > 1) |
| (*V*) | Объём ядра (м³) |
Материалы трансформаторного сердечника и гистерезис
Кремниевая сталь, ориентированная на зерна
• Имеет узкую петлю гистерезиса в одном основном направлении
• Обеспечивает меньшие потери на гистерезис в этом направлении на частоте линии электропередачи
Неориентированная электрическая сталь
• Обладает более однородными магнитными свойствами во всех направлениях
• Показывает немного более высокие потери гистерезиса, но хорошо работает при смене направления потока в ядре
Ферриты (MnZn, NiZn)
• Очень низкие потери на гистерезис и вихревые токи на высокой частоте
• Помочь снизить потери от гистерезиса в высокочастотных трансформаторах
Аморфные и нанокристаллические сплавы
• Очень узкие петли гистерезиса
• Обеспечивать очень низкие потери на гистерезис для энергоэффективной эксплуатации
Эти материалы особенно важны в высокочастотных трансформаторах, рассмотренных в разделе 9.
Рабочие условия, влияющие на потерю при гистерезисе
Частота
По мере увеличения частоты магнитное поле в ядре меняет направление чаще раз в секунду. Каждый переворот вызывает потерю энергии, поэтому больше переворотов в секунду означает большую гистерезисную потерю.
Пиковая плотность потока (Bmax)
Более высокий Bmax увеличивает площадь петли, что увеличивает потерю гистерезиса и может приблизить ядро к насыщению.
Температура
Температура влияет на то, насколько легко магнитные домены перемещаются внутри ядра. В зависимости от материала, потери сердечника могут увеличиваться или уменьшаться с температурой, поэтому для понимания того, как ведётся гистерезис, потери из материала, необходимы данные.
Гистерезисная потеря против других потерь на трансформаторе
| Тип потерь | Где это происходит | Основная причина | В основном зависит от |
|---|---|---|---|
| Гистерезис | Core | Магнитные домены перестраиваются каждый цикл переменного тока | Частота, пиковый поток*B**max*, материал ядра |
| Eddy current | Core | Токи, индуцированные в металлическом сердечнике при изменении потока | Частота²,*B**max*², толщина ядра |
| Медь (I²R) | Обмотки | Ток, проходящий через сопротивление в проводе | Ток нагрузки, сопротивление провода |
| Блуждение/протечка | Ядро/воздушное пространство | Магнитный поток, который не связывает все обмотки | Форма, расстояние и планировка ядра |
Системные эффекты потери гистерезиса в трансформаторах
Потеря гистерезиса в трансформаторе также влияет на его поведение в электрической системе. Это приводит к большему энергопотреблению без нагрузки, поэтому трансформатор получает больше энергии из источника питания даже без нагрузки. Намагничивающий ток становится искаженным и менее похож на гладкую синусусу, что делает его форму более неравномерной. Этот неравномерный ток добавляет дополнительные частотные компоненты, называемые гармониками, что увеличивает гармоническое содержание и общее гармоническое искажение (THD) в системе. В то же время большая часть тока становится реактивной, а не полезной, что снижает коэффициент мощности и означает, что меньше тока выполняет реальную работу.
Потери на гистерезис в ядрах высокочастотных трансформаторов
Во многих современных схемах трансформаторы представляют собой небольшие детали, установленные на печатной плате, которые работают на высоких частотах, часто в десятках или сотнях килогерц. При таких высоких частотах потеря гистерезиса в активной зоне становится более важной, потому что магнитное поле в активной зоне меняет направление много раз в секунду. В этом случае используются ферритовые сердечники, так как они помогают снижать потери гистерезиса и вихревой ток на высоких частотах.
Максимальная плотность потока, часто записываемая как Bmax, тщательно ограничена, чтобы потеря сердечника оставалась в безопасных пределах, и активная зона не перегревалась. Кривые потерь керна для материала используются для оценки общих потерь сердечника, включая потери на гистерезисе, при заданной частоте и уровне потока. Поскольку эти трансформаторы расположены близко к другим частям платы, тепло от потери при гистерезисе влияет на местную температуру и может влиять на надёжную работу ближайших компонентов.
Моделирование потерь гистерезиса в симуляции схем
В симуляции цепей потеря гистерезиса в сердечнике трансформатора представлена простыми моделями, которые всё равно фиксируют основные эффекты. Один из базовых методов — использовать резистор параллельно намагничительной индуктивности, чтобы этот резистор отражал потерю энергии в виде тепла в активе в выбранной рабочей точке. Более продвинутые модели используют нелинейные кривые B–H, такие как модели Джайлса–Атертона или Прейзаха, которые следуют реальной форме петли гистерезиса и делают результаты в временной области более точными.
Другой распространённый метод — использование поведенческих блоков на основе Штайнмеца, где потери сердечника рассчитываются из сигнальной формы потока с помощью уравнений типа Штайнмеца, а затем добавляются в схему как элемент, рассеивающий мощность. Эти подходы помогают показать, как потеря гистерезиса влияет на ток, напряжение и нагрев в имитируемом трансформаторе.
Измерение потерь при гистерезисе в трансформаторных ядрах
Испытания материалов (рама Эпштейна или одиночный лист)
Полоска или лист кернового материала помещается в специальную испытательную установку и приводится в действие известным полем переменного тока. Фиксируется контур B–H, и рассчитываются потери сердечника на единицу объёма.
Тороидальный тест ядра
Обмотка размещается на кольцевидном (тороидальном) сердечнике и питается выбранным напряжением и частотой. Входная мощность измеряется, и потеря I²R обмотки вычитается для получения полных потерь сердечника, включая потери на гистерезис.
Испытания трансформаторов с открытой цепью
Первичная обмотка трансформатора питается при номинальном напряжении, а вторичная обмотка остаётся открытой. Энергия, получаемая от источника, в основном связана с потерями ядра — суммой потерь гистерезиса и вихревых потерь.
Частотная и напряженная скачка
Тест повторяется на разных частотах и уровнях напряжения. Наблюдение за изменениями измеренных потерь помогает показать, когда потеря гистерезиса необходима более необходимой и когда потеря вихрового тока становится большей частью общего числа.
Заключение
Потеря гистерезиса происходит из-за повторяющихся перемещений магнитных доменов при циклах сердечника вокруг своей петли B–H, превращая часть входной мощности в тепло даже без нагрузки. Его размер зависит от материала сердечника, частоты, плотности потока и температуры. При правильном моделировании, измерении, выборе материалов и дизайна потери гистерезиса можно ограничить и контролировать.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Как потеря гистерезиса влияет на жизнь трансформатора?
Он поддерживает нагрев сердечника длительное время, что ускоряет старение изоляции и может сократить срок службы трансформатора.
Как потеря гистерезиса связана с пусковым током?
Из-за петли B–H и остаточной намагниченности сердечник может быть близок к насыщению при включении, вызывая очень высокий пусковой ток на короткое время.
Меняется ли форма ядра при потере гистерезиса?
Да. Тороидальные сердечники имеют меньшие потери гистерезиса, чем ядра E–I, поскольку магнитный путь более гладкий и однородный.
Как потеря гистерезиса влияет на энергозатраты в трансформаторах с постоянной работой?
Он действует как постоянный энергопотребление без нагрузки, увеличивая ежегодное потребление энергии и охлаждение даже при низкой выходной мощности.
Могут ли стресс или старение увеличить потерю гистерезиса?
Да. Механические нагрузки, вибрация и повторяющееся нагрев и охлаждение могут нарушать структуру сердечника, расширять контур B–H и со временем увеличивать потери гистерезиса.
