Kehilangan histeresis dalam pengubah ialah tenaga yang bertukar menjadi haba dalam teras apabila medan magnet AC berpusing dan domain magnet bergerak di sekeliling gelung B–H setiap kitaran. Ia bergantung kepada bahan, kekerapan, tahap fluks dan suhu. Artikel ini menerangkan punca, bahan teras, persamaan, kesan sistem, ujian, pemodelan dan cara untuk mengurangkan kehilangan histeresis secara terperinci.
Kehilangan Histeresis dalam Transformer
Kehilangan histeresis dalam pengubah ialah tenaga elektrik yang bertukar menjadi haba di dalam teras magnet setiap kali voltan AC berubah arah. Apabila arus menjadi positif dan negatif, medan magnet dalam teras juga berpusing ke sana ke mari. Kawasan magnet kecil di dalam teras mesti bergerak dan menjajarkan semula semasa setiap kitaran, dan gerakan ini tidak lancar dengan sempurna. Oleh kerana itu, sesetengah tenaga hilang sebagai haba setiap kali medan berbalik.
Kerugian ini hadir walaupun pengubah diturunkan, jadi ia masih menarik kuasa dan membazirkan tenaga. Kehilangan histeresis mengurangkan kecekapan pengubah, menambah penggunaan kuasa tanpa beban dan meningkatkan suhu teras. Tahap kehilangan histeresis menjejaskan saiz teras, pilihan bahan teras, dan berapa banyak penyejukan yang diperlukan untuk memastikan pengubah beroperasi dengan selamat.
Domain Magnetik dan Kehilangan Histeresis
Di dalam teras magnet pengubah, bahan itu terdiri daripada banyak kawasan kecil yang dipanggil domain magnet. Sempadan antara domain dipanggil dinding domain. Dinding ini tidak bergerak dengan bebas, kerana ia ditahan oleh ketidaksempurnaan di dalam bahan. Setiap kali medan AC menukar arah, tenaga tambahan diperlukan untuk menggerakkan dinding domain ini. Tenaga tambahan itu bertukar menjadi haba dalam teras dan menjadi sebahagian daripada kehilangan histeresis dalam pengubah.
Gelung B–H dan Kehilangan Histeresis dalam Teras Transformer
Gelung B–H ialah graf yang menunjukkan bagaimana ketumpatan fluks magnet B dalam teras pengubah berubah apabila kekuatan medan magnet H melalui satu kitaran AC penuh. Apabila arus AC naik, turun dan berbalik, titik pada graf ini bergerak di sekeliling gelung tertutup dan bukannya mengikut satu garis lurus. Bentuk dan saiz gelung ini memberitahu bagaimana teras berkelakuan dan berapa banyak tenaga yang hilang sebagai haba kerana histeresis.
Bahagian Asas gelung B–H
• Kawasan tepu: Apabila H sangat tinggi, B hampir tidak meningkat, yang bermaksud teras tepu.
• Remanensi (Br): Apabila H kembali kepada sifar, B bukan sifar, menunjukkan teras mengekalkan sedikit kemagnetan.
• Medan paksaan (Hc): Ini ialah nilai terbalik H yang diperlukan untuk menurunkan B kembali kepada sifar.
• Kawasan gelung: Kawasan di dalam gelung bermaksud tenaga yang hilang dalam teras semasa setiap kitaran; kawasan yang lebih besar bermakna kehilangan histeresis yang lebih tinggi.
Persamaan Steinmetz untuk Kehilangan Histeresis
Ph = kh f B nmax V
| Simbol | Maknanya |
|---|---|
| (*Ph*) | Kehilangan histeresis (W) |
| (*kh*) | Pemalar yang bergantung kepada bahan teras |
| (*f*) | Kekerapan AC (dalam hertz, Hz) |
| (*B nmax*) | Ketumpatan fluks maksimum dalam teras (dalam tesla, T) |
| (*n*) | Eksponen Steinmetz (biasanya > 1) |
| (*V*) | Isipadu teras (m³) |
Bahan Teras Transformer dan Kehilangan Histeresis
Keluli silikon berorientasikan bijirin
• Mempunyai gelung histeresis sempit dalam satu arah utama
• Memberikan kehilangan histeresis yang lebih rendah di sepanjang arah itu pada frekuensi talian kuasa
Keluli elektrik tidak berorientasikan
• Mempunyai sifat magnet yang lebih seragam ke semua arah
• Menunjukkan kehilangan histeresis yang lebih tinggi sedikit tetapi berfungsi dengan baik apabila fluks berubah arah dalam teras
Ferit (MnZn, NiZn)
• Mempunyai histeresis yang sangat rendah dan kehilangan arus pusar pada frekuensi tinggi
• Membantu mengekalkan kehilangan histeresis lebih kecil dalam transformer frekuensi tinggi
Aloi amorf dan nanokristalin
• Mempunyai gelung histeresis yang sangat sempit
• Menyediakan kehilangan histeresis yang sangat rendah untuk operasi cekap tenaga
Bahan-bahan ini amat penting dalam pengubah frekuensi tinggi, dibincangkan dalam Bahagian 9.
Keadaan Operasi yang Mempengaruhi Kehilangan Histeresis
Kekerapan
Apabila frekuensi meningkat, medan magnet dalam teras bertukar arah lebih banyak kali setiap saat. Setiap flip menyebabkan sedikit kehilangan tenaga, jadi lebih banyak flip sesaat bermakna kehilangan histeresis yang lebih besar.
Ketumpatan fluks puncak (Bmax)
Bmax yang lebih tinggi menjadikan kawasan gelung lebih besar, yang meningkatkan kehilangan histeresis dan boleh mendekatkan teras kepada ketepuan.
Suhu
Suhu mengubah betapa mudahnya domain magnet bergerak di dalam teras. Bergantung pada bahan, kehilangan teras boleh meningkat atau berkurangan dengan suhu, jadi data daripada bahan diperlukan untuk mengetahui bagaimana kehilangan histeresis berkelakuan.
Kehilangan Histeresis lwn Kerugian Transformer Lain
| Jenis kerugian | Di mana ia berlaku | Punca utama | Bergantung terutamanya kepada |
|---|---|---|---|
| Histeresis | Teras | Domain magnet menjajarkan semula setiap kitaran AC | Kekerapan, fluks puncak*B**max*, bahan teras |
| Arus pusar | Teras | Arus teraruh dalam teras logam dengan menukar fluks | Kekerapan²,*B**max*², ketebalan teras |
| Tembaga (I²R) | Penggulungan | Arus mengalir melalui rintangan dalam wayar | Beban arus, rintangan wayar |
| Sesat/kebocoran | Ruang teras/udara | Fluks magnet yang tidak menghubungkan semua belitan | Bentuk, jarak dan susun atur teras |
Kesan Peringkat Sistem Kehilangan Histeresis dalam Transformer
Kehilangan histeresis dalam pengubah juga mengubah cara ia berkelakuan dalam sistem elektrik. Ia menyebabkan penggunaan kuasa tanpa beban yang lebih tinggi, jadi pengubah menarik lebih banyak kuasa daripada bekalan walaupun ia tidak memberi makan sebarang beban. Arus magnet menjadi herot dan kurang seperti gelombang sinus licin, yang menjadikan bentuknya lebih tidak sekata. Arus tidak sekata ini menambah komponen frekuensi tambahan yang dipanggil harmonik, yang meningkatkan kandungan harmonik dan jumlah herotan harmonik (THD) dalam sistem. Pada masa yang sama, sebahagian besar arus menjadi reaktif dan bukannya berguna, yang menurunkan faktor kuasa dan bermakna kurang arus melakukan kerja sebenar.
Kehilangan Histeresis dalam Teras Transformer Frekuensi Tinggi
Dalam banyak litar moden, transformer adalah bahagian kecil yang dipasang pada papan litar bercetak dan berfungsi pada frekuensi tinggi, selalunya dalam puluhan atau beratus-ratus kilohertz. Pada frekuensi yang lebih tinggi ini, kehilangan histeresis dalam teras menjadi lebih penting, kerana medan magnet dalam teras berubah arah berkali-kali setiap saat. Teras ferit digunakan dalam kes ini, kerana ia membantu mengekalkan kehilangan histeresis dan kehilangan arus pusar lebih rendah pada frekuensi tinggi.
Ketumpatan fluks maksimum, sering ditulis sebagai Bmax, dihadkan dengan teliti supaya kehilangan teras kekal dalam tahap selamat, dan teras tidak terlalu panas. Keluk kehilangan teras yang disediakan untuk bahan digunakan untuk menganggarkan jumlah kehilangan teras, termasuk kehilangan histeresis, akan berlaku pada tahap frekuensi dan fluks tertentu. Oleh kerana transformer ini terletak berhampiran dengan bahagian lain pada papan litar, haba daripada kehilangan histeresis menjejaskan suhu tempatan dan boleh mempengaruhi cara komponen berdekatan beroperasi.
Pemodelan Kehilangan Histeresis dalam Simulasi Litar
Dalam simulasi litar, kehilangan histeresis dalam teras pengubah diwakili dengan model mudah yang masih menangkap kesan utama. Satu kaedah asas ialah menggunakan perintang selari dengan kearuhan magnet, supaya perintang ini mewakili kuasa yang hilang sebagai haba dalam teras pada titik operasi yang dipilih. Model yang lebih maju menggunakan lengkung B–H bukan linear, seperti model Jiles–Atherton atau Preisach, yang mengikut bentuk sebenar gelung histeresis dan menjadikan hasil domain masa lebih tepat.
Satu lagi kaedah biasa ialah menggunakan blok tingkah laku berasaskan Steinmetz, di mana kehilangan teras dikira daripada bentuk gelombang fluks menggunakan persamaan jenis Steinmetz dan kemudian ditambah ke dalam litar sebagai elemen pelesapan kuasa. Pendekatan ini membantu menunjukkan bagaimana kehilangan histeresis menjejaskan arus, voltan dan pemanasan dalam pengubah simulasi.
Mengukur Kehilangan Histeresis dalam Teras Transformer
Ujian bahan (bingkai Epstein atau helaian tunggal)
Jalur atau kepingan bahan teras diletakkan dalam persediaan ujian khas dan didorong dengan medan AC yang diketahui. Gelung B–H direkodkan, dan kehilangan teras per unit isipadu dikira.
Ujian teras toroidal
Penggulungan diletakkan pada teras berbentuk cincin (toroidal) dan dibekalkan dengan voltan dan frekuensi yang dipilih. Kuasa input diukur, dan kehilangan I²R belitan ditolak untuk mencari jumlah kehilangan teras, yang termasuk kehilangan histeresis.
Ujian pengubah litar terbuka
Penggulungan utama pengubah dihidupkan pada voltan undian manakala sekunder dibiarkan terbuka. Kuasa yang diambil daripada sumber kebanyakannya adalah kehilangan teras, iaitu jumlah kehilangan histeresis dan kehilangan arus pusing.
Sapuan frekuensi dan voltan
Ujian ini diulang pada frekuensi dan tahap voltan yang berbeza. Melihat bagaimana kerugian yang diukur berubah membantu menunjukkan apabila kehilangan histeresis lebih diperlukan dan apabila kehilangan arus pusar menjadi sebahagian besar daripada jumlah keseluruhan.
Kesimpulannya
Kehilangan histeresis datang daripada pergerakan berulang domain magnet apabila teras berputar di sekeliling gelung B–Hnya, menukar sebahagian daripada kuasa input kepada haba walaupun tanpa beban. Saiznya bergantung kepada bahan teras, kekerapan, ketumpatan fluks dan suhu. Dengan pemodelan, pengukuran dan pilihan bahan dan reka bentuk yang betul, kehilangan histeresis boleh dihadkan dan dikawal.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Bagaimanakah kehilangan histeresis menjejaskan hayat pengubah?
Ia memastikan teras lebih panas untuk tempoh yang lama, yang mempercepatkan penuaan penebat dan boleh memendekkan hayat perkhidmatan pengubah.
Bagaimanakah kehilangan histeresis dikaitkan dengan arus masuk?
Oleh kerana gelung B–H dan sisa kemagnetan, teras boleh menghampiri ketepuan semasa dihidupkan, menyebabkan arus masuk yang sangat tinggi untuk masa yang singkat.
Adakah bentuk teras mengubah kehilangan histeresis?
Ya. Teras toroidal mempunyai kehilangan histeresis yang lebih rendah daripada teras E–I kerana laluan magnet lebih licin dan lebih seragam.
Bagaimanakah kehilangan histeresis menjejaskan kos tenaga dalam transformer sentiasa hidup?
Ia bertindak sebagai cabutan kuasa tanpa beban yang berterusan, meningkatkan penggunaan tenaga tahunan dan keperluan penyejukan walaupun kuasa keluaran rendah.
Bolehkah tekanan atau penuaan meningkatkan kehilangan histeresis?
Ya. Tegasan mekanikal, getaran, dan pemanasan dan penyejukan berulang boleh mengganggu struktur teras, melebarkan gelung B–H dan meningkatkan kehilangan histeresis dari semasa ke semasa.
