Pierderea prin histereză într-un transformator este energia transformată în căldură în miez pe măsură ce câmpul magnetic AC se inversează și domeniile magnetice se deplasează în jurul buclei B–H la fiecare ciclu. Depinde de material, frecvență, nivel de flux și temperatură. Acest articol explică în detaliu cauzele, materialele de bază, ecuațiile, efectele sistemului, testarea, modelarea și modalități de a reduce pierderea cauzată de histereză.
Pierderea prin histereză într-un transformer
Pierderea prin histereză într-un transformator este energia electrică care se transformă în căldură în interiorul nucleului magnetic de fiecare dată când tensiunea alternativă își schimbă direcția. Pe măsură ce curentul devine pozitiv și negativ, câmpul magnetic din miez se schimbă și el înainte și înapoi. Regiunile magnetice minuscule din interiorul nucleului trebuie să se miște și să se realinieze în fiecare ciclu, iar această mișcare nu este perfect lină. Din această cauză, o parte din energie se pierde sub formă de căldură de fiecare dată când câmpul se inversează.
Această pierdere este prezentă chiar și când transformatorul este descărcat, deci tot consumă energie și irosește energie. Pierderea prin histerezis scade eficiența transformatorului, adaugă consum de energie fără sarcină și crește temperatura nucleului. Nivelul de pierdere a histereziei influențează dimensiunea miezului, alegerea materialelor și câtă răcire este necesară pentru a menține transformatorul în funcțiune sigură.
Domenii magnetice și pierderea prin histereză
În interiorul nucleului magnetic al unui transformator, materialul este format din multe regiuni minuscule numite domenii magnetice. Granițele dintre domenii sunt numite ziduri de domenii. Acești pereți nu se mișcă liber, deoarece sunt ținuți pe loc de imperfecțiuni din interiorul materialului. De fiecare dată când câmpul alternativ își schimbă direcția, este nevoie de energie suplimentară pentru a mișca aceste pereți de domeniu. Acea energie suplimentară este transformată în căldură în miez și devine parte a pierderii de histereză în transformator.
Bucla B–H și pierderea de histereză în miezurile transformatoarelor
Bucla B–H este un grafic care arată cum se schimbă densitatea fluxului magnetic B într-un miez de transformator atunci când intensitatea câmpului magnetic H parcurge un ciclu AC complet. Pe măsură ce curentul alternativ crește, scade și se inversează, punctul de pe acest grafic se deplasează în jurul unei bucle închise în loc să urmeze o singură linie dreaptă. Forma și dimensiunea acestei bucle indică cum se comportă nucleul și câtă energie se pierde sub formă de căldură din cauza isterezisului.
Părți de bază ale buclei B–H
• Regiunea de saturație: Când H este foarte ridicat, B crește abia, ceea ce înseamnă că nucleul este saturat.
• Remanență (Br): Când H revine la zero, B nu este zero, ceea ce arată că nucleul păstrează o anumită magnetizare.
• Câmp coercitiv (Hc): Aceasta este valoarea inversă a lui H necesară pentru a readuce B la zero.
• Zona buclei: Zona din interiorul buclei reprezintă energia pierdută în miez în timpul fiecărui ciclu; o suprafață mai mare înseamnă o pierdere mai mare a isterezii.
Ecuația Steinmetz pentru pierderea prin histereză
Ph = kh f B nmax V
| Simbol | Însemnând |
|---|---|
| (*Ph*) | Pierderea histerezului (W) |
| (*kh*) | Constantă care depinde de materialul de bază |
| (*f*) | Frecvența AC (în hertz, Hz) |
| (*B nmax*) | Densitatea maximă a fluxului în miez (în tesla, T) |
| (*n*) | Exponentul Steinmetz (de obicei > 1) |
| (*V*) | Volumul nucleului (m³) |
Materiale ale miezului transformatorului și pierderea prin histereză
Oțel siliciu orientat pe granulație
• Are o buclă îngustă de histerezis într-o direcție principală
• Oferă o pierdere mai mică de histereză de-a lungul acelei direcții la frecvența liniei electrice
Oțel electric neorientat
• Are proprietăți magnetice mai uniforme în toate direcțiile
• Prezintă o pierdere ușor mai mare a isterezisului, dar funcționează bine atunci când fluxul își schimbă direcția în nucleu
Ferite (MnZn, NiZn)
• Au pierderi foarte scăzute de histerezis și curenți turbionași la frecvențe înalte
• Ajută la menținerea pierderii la histereză mai mică la transformatoarele de înaltă frecvență
Aliaje amorfe și nanocristaline
• Au bucle de istereză foarte înguste
• Oferă pierderi foarte mici de istereză pentru o funcționare eficientă energetic
Aceste materiale sunt deosebit de importante în transformatoarele de înaltă frecvență, discutate în Secțiunea 9.
Condiții de funcționare care influențează pierderea prin histereză
Frecvență
Pe măsură ce frecvența crește, câmpul magnetic din miez își schimbă direcția de mai multe ori pe secundă. Fiecare flip provoacă o pierdere de energie, deci mai multe flipuri pe secundă înseamnă o pierdere mai mare de histeresis.
Densitatea maximă a fluxului (Bmax)
Un Bmax mai mare face ca suprafața buclei să fie mai mare, ceea ce crește pierderea din histereză și poate aduce nucleul mai aproape de saturație.
Temperatură
Temperatura schimbă cât de ușor se mișcă domeniile magnetice în interiorul nucleului. În funcție de material, pierderea de carote poate crește sau scădea odată cu temperatura, astfel că sunt necesare date din material pentru a înțelege cum se comportă pierderea prin histerezis.
Pierderea prin histereză vs. alte pierderi ale transformatorului
| Tipul pierderii | Unde se întâmplă | Cauza principală | Depinde în principal de |
|---|---|---|---|
| Hysteresis | Nucleu | Domenii magnetice care se realiniază la fiecare ciclu AC | Frecvență, flux de vârf*B**max*, material de bază |
| Curent Turcios | Nucleu | Curenții induși în miezul metalic prin schimbarea fluxului | Frecvență²,*B**max*², grosimea miezului |
| Cupru (I²R) | Înfășurări | Curentul care trece prin rezistență în fir | Curent de sarcină, rezistență a firului |
| Rătăcire/scurgere | Spațiul nucleu/aer | Flux magnetic care nu leagă toate înfășurările | Forma, spațierea și dispunerea nucleului |
Efectele la nivel de sistem ale pierderii prin histereză la transformatoare
Pierderea prin histereză într-un transformator schimbă, de asemenea, modul în care acesta se comportă în sistemul electric. Aceasta cauzează un consum mai mare de energie fără sarcină, astfel încât transformatorul trage mai multă energie din sursă chiar și atunci când nu alimentează nicio sarcină. Curentul de magnetizare devine distorsionat și mai puțin asemănător cu o undă sinusoidală netedă, ceea ce îi face forma mai inegală. Acest curent inegal adaugă componente suplimentare de frecvență numite armonici, ceea ce crește conținutul armonic și distorsiunea armonică totală (THD) în sistem. În același timp, o parte mai mare din curent devine reactivă în loc de utilă, ceea ce scade factorul de putere și înseamnă că mai puțin curent face muncă reală.
Pierderea de istereză în miezurile transformatoarelor de înaltă frecvență
În multe circuite moderne, transformatoarele sunt piese mici montate pe o placă de circuit imprimat și funcționează la frecvențe înalte, adesea în zeci sau sute de kilohertzi. La aceste frecvențe mai mari, pierderea prin histerezis în miez devine mai importantă, deoarece câmpul magnetic din miez își schimbă direcția de mai multe ori pe secundă. În acest caz, se folosesc nuclee de ferită, deoarece ajută la menținerea pierderii de istereză și a curenților de turbionaz mai mici la frecvențe înalte.
Densitatea maximă a fluxului, adesea scrisă ca Bmax, este limitată cu grijă astfel încât pierderea miezului să rămână în limite sigure, iar miezul să nu se supraîncălzească. Curbele de pierdere a carotului furnizate pentru material sunt folosite pentru a estima câtă pierdere totală de carote, inclusiv pierderea de histereză, va apărea la o anumită frecvență și nivel de flux. Deoarece aceste transformatoare stau aproape de alte părți ale plăcii de circuit, căldura cauzată de pierderea prin histerezis afectează temperatura locală și poate influența modul în care funcționează fiabil componentele din apropiere.
Modelarea pierderii de histereză în simularea circuitelor
În simularea circuitelor, pierderea din histerezis într-un nucleu transformator este reprezentată prin modele simple care surprind totuși principalele efecte. O metodă de bază este utilizarea unui rezistor în paralel cu inductanța de magnetizare, astfel încât această rezistență să reprezinte puterea pierdută sub formă de căldură în miez la un punct de funcționare ales. Modelele mai avansate folosesc curbe B–H neliniare, precum modelele Jiles–Atherton sau Preisach, care urmează forma reală a buclei de histerezis și fac rezultatele în domeniul timpului mai precise.
O altă metodă comună este utilizarea blocurilor comportamentale bazate pe Steinmetz, unde pierderea nucleului este calculată din forma de undă a fluxului folosind ecuații de tip Steinmetz și apoi adăugată în circuit ca element disipator de putere. Aceste abordări ajută la arătarea modului în care pierderea prin histereză afectează curentul, tensiunea și încălzirea într-un transformator simulat.
Măsurarea pierderii de histereză în miezurile transformatoarelor
Teste de materiale (cadru Epstein sau foaie simplă)
O bandă sau o foaie de material de miez este plasată într-un sistem special de testare și acționată cu un câmp AC cunoscut. Bucla B–H este înregistrată, iar pierderea de nucleu pe unitatea de volum este calculată.
Testul nucleului toroidal
O înfășurare este plasată pe un nucleu în formă de inel (toroidal) și este alimentată cu o tensiune și o frecvență alese. Puterea de intrare este măsurată, iar pierderea înfășurării I²R este scăzută pentru a găsi pierderea totală a miezului, care include pierderea prin histerez.
Teste cu transformator în circuit deschis
Înfășurarea primară a unui transformator este alimentată la tensiunea sa nominală, în timp ce secundara rămâne deschisă. Energia extrasă din sursă este în mare parte pierdere de miez, adică suma pierderii de histerezis și a pierderii curentului turbionitor.
Frecvența și măsurarea tensiunii
Testul se repetă la frecvențe și niveluri de tensiune diferite. Urmărirea modului în care pierderea măsurată se schimbă ajută la observarea momentului când pierderea prin histerezis este mai necesară și când pierderea prin curenți turbionești devine o parte mai mare din total.
Concluzie
Pierderea prin histerezis provine din mișcarea repetată a domeniilor magnetice pe măsură ce nucleul se învârte în jurul buclei B–H, transformând o parte din puterea de intrare în căldură chiar și fără sarcină. Dimensiunea sa depinde de materialul nucleului, frecvență, densitatea fluxului și temperatură. Cu modelare, măsurare, alegeri corecte de materiale și design, pierderea prin histerezis poate fi limitată și controlată.
Întrebări frecvente [FAQ]
Cum afectează pierderea de histereză durata de viață a transformatorului?
Aceasta menține miezul mai fierbinte pentru perioade lungi, ceea ce accelerează îmbătrânirea izolației și poate scurta durata de viață a transformatorului.
Cum este legată pierderea histerezului de curentul de pornire?
Din cauza buclei B–H și a magnetizării rămase, miezul poate ajunge aproape de saturație la pornire, cauzând un curent de pornire foarte mare pentru o perioadă scurtă.
Forma nucleului schimbă pierderea histerezului?
Da. Miezurile toroidale au pierderi de istereză mai mici decât nucleele E–I deoarece traiectoria magnetică este mai netedă și mai uniformă.
Cum afectează pierderea din histereză costul energiei în transformatoarele mereu pornite?
Acționează ca un consum constant de energie fără încărcare, crescând consumul anual de energie și nevoile de răcire chiar și atunci când puterea de ieșire este scăzută.
13,5 Pot stresul sau îmbătrânirea să crească pierderea prin histereză?
Da. Stresul mecanic, vibrațiile și încălzirea și răcirea repetate pot perturba structura centrală, pot lărgi bucla B–H și pot crește pierderea de histereză în timp.
