Hüstereesi kadu trafos on energia, mis muutub tuumas soojuseks, kui vahelduvvoolu magnetväli pöördub ja magnetdomeenid liiguvad B–H ahela ümber iga tsükli jooksul. See sõltub materjalist, sagedusest, voolutasemest ja temperatuurist. See artikkel selgitab üksikasjalikult põhjuseid, põhimaterjale, võrrandeid, süsteemimõjusid, testimist, modelleerimist ja võimalusi histereesi kadu vähendamiseks.
Trafo hüstereesi kadu
Trafol on hüstereesikadu elektrienergia, mis muutub magnettuumas soojuseks iga kord, kui vahelduvpinge suunda muudab. Kui vool muutub positiivseks ja negatiivseks, pöördub ka tuuma magnetväli edasi-tagasi. Väikesed magnetilised piirkonnad tuumas peavad iga tsükli ajal liikuma ja joonduma, ning see liikumine ei ole täiesti sujuv. Selle tõttu kaotatakse osa energiast soojusena iga kord, kui väli pöördub.
See kadu esineb isegi siis, kui trafo on tühjaks tehtud, seega tarbib see ikkagi voolu ja raiskab energiat. Hüstereesi kadu vähendab trafo efektiivsust, suurendab koormuseta energiatarbimist ja tõstab tuumatemperatuuri. Hüsteerise kadu tase mõjutab tuuma suurust, tuumamaterjalide valikut ja seda, kui palju jahutust on vaja, et trafo ohutult töötaks.
Magnetdomeenid ja hüstereesi kadu
Trafo magnettuuma sees koosneb materjal paljudest väikestest piirkondadest, mida nimetatakse magnetilisteks domeenideks. Domeenide vahelisi piire nimetatakse domeeniseinteks. Need seinad ei liigu vabalt, sest neid hoiavad tagasi materjali sees olevad ebatäiuslikkused. Iga kord, kui vahelduvvooluväli suunda muudab, on vaja lisaenergiat nende domeeniseinte liigutamiseks. See lisaenergia muudetakse südamikus soojuseks ja muutub transformaatori hüsteesikaoks.
B–H silmus ja hüstereesi kadu trafotuumades
B–H ahel on graafik, mis näitab, kuidas magnetvoo tihedus B trafotuumas muutub, kui magnetvälja tugevus H läbib ühe täistsükli. Kui vahelduvvoolu vool tõuseb, langeb ja pöördub, liigub selle graafiku punkt suletud ringi ümber, mitte ei järgi ühte sirget joont. Selle silmuse kuju ja suurus näitavad, kuidas tuum käitub ja kui palju energiat kaotatakse soojusena hystereesi tõttu.
B–H tsükli põhiosad
• Küllastuspiirkond: Kui H on väga kõrge, tõuseb B vaevu, mis tähendab, et tuum on küllastunud.
• Remanents (Br): Kui H naaseb nulli, ei ole B null, mis näitab, et tuum säilitab magnetisatsiooni.
• Sundväli (Hc): See on H pöördväärtus, mis on vajalik B nulli viimiseks.
• Silmuse ala: Silmuse sees olev ala tähistab energiat, mis kaotatakse tuumas iga tsükli ajal; suurem pindala tähendab suuremat hüsteeria kaotust.
Steinmetzi võrrand hüstereesi kaotuse kohta
Ph = kh f B nmax V
| Sümbol | Tähendus |
|---|---|
| (*Ph*) | Hüsteesi kaotus (W) |
| (*kh*) | Konstantne, mis sõltub põhimaterjalist |
| (*f*) | Vahelduvvoolu sagedus (hertsis, Hz) |
| (*B nmax*) | Maksimaalne voolutihedus tuumas (Tesla, T) |
| (*n*) | Steinmetzi eksponent (tavaliselt > 1) |
| (*V*) | Tuuma maht (m³) |
Trafotuuma materjalid ja hüstereesi kadu
Terale orienteeritud räniteras
• Ühes põhisuunas on kitsas hystereesis ring
• Annab väiksema hüstereesikadu selles suunas elektriliini sagedusel
Mitteorienteeritud elektriteras
• Omab ühtlasemaid magnetilisi omadusi kõigis suundades
• Näitab veidi suuremat hystereesi kadu, kuid töötab hästi, kui vooluvool muudab tuuma suunda
Ferriidid (MnZn, NiZn)
• Väga madalad hüstereesi ja pöörisvoolu kadud kõrgel sagedusel
• Aidata hoida hüstereesi kadu väiksemana kõrgsageduslikes trafodes
Amorfsed ja nanokristallilised sulamid
• Väga kitsad hüstereesi silmused
• Tagada väga väike hüstereesikadu energiatõhusaks tööks
Need materjalid on eriti olulised kõrgsageduslike trafode puhul, mida käsitletakse jaotises 9.
Töötingimused, mis mõjutavad hüstereesi kaotust
Sagedus
Sageduse suurenedes pöördub tuuma magnetväli suunas üha rohkem kordi sekundis. Iga flip põhjustab mõningast energiakadu, seega rohkem pöördeid sekundis tähendab suuremat hystereesi kadu.
Tippvoolutihedus (Bmax)
Kõrgem Bmax suurendab silmuse ala, mis suurendab hüstereesi kadu ja võib tuua tuuma lähemale küllastumisele.
Temperatuur
Temperatuur mõjutab, kui kergesti magnetdomeenid tuumas liiguvad. Sõltuvalt materjalist võib südamiku kadu temperatuuri tõttu suureneda või väheneda, seega on materjalist saadud andmeid vaja, et teada saada, kuidas histereesi kadu käitub.
Histereesi kadu vs. teised trafokaod
| Kaotuse tüüp | Kus see juhtub | Peamine põhjus | Sõltub peamiselt |
|---|---|---|---|
| Hüstees | Core | Magnetdomeenid, mis joondavad iga vahelduvvoolu tsükli järel | Sagedus, maksimaalne voog*B**max*, südamikumaterjal |
| Eddy vool | Core | Voolud, mis indutseeritakse metalltuumas voolu muutmise tõttu | Sagedus²,*B**max*², tuuma paksus |
| Vask (I²R) | Mähised | Vool läbib takistust juhtmes | Koormusvool, juhtmetakistus |
| Ekslev/lekkimine | Tuum/õhuruum | Magnetvoog, mis ei ühenda kõiki mähiseid | Tuuma kuju, vahe ja paigutus |
Hüstereesi kadu süsteemitasandi mõjud trafodes
Trafo hüstereesi kadu muudab ka selle käitumist elektrisüsteemis. See põhjustab suuremat koormuseta energiatarbimist, mistõttu trafo võtab toiteallikast rohkem energiat isegi siis, kui ta ei toida koormust. Magnetiseeriv vool muutub moonutatud ja vähem sarnaseks sileda siinuslaine sarnaseks, mis muudab selle kuju ebaühtlasemaks. See ebaühtlane vool lisab täiendavaid sageduskomponente, mida nimetatakse harmoonikuteks, mis suurendavad süsteemi harmoonilist sisu ja kogu harmoonilist moonutust (THD). Samal ajal muutub suurem osa voolust reaktiivseks, mitte kasulikuks, mis vähendab võimsustegurit ja tähendab, et vähem voolust teeb päris tööd.
Histereesi kadu kõrgsageduslike trafotuumades
Paljudes kaasaegsetes ahelates on trafod väikesed osad, mis on paigaldatud trükkplaadile ja töötavad kõrgetel sagedustel, sageli kümnetes või sadades kilohertsides. Nendel kõrgematel sagedustel muutub tuuma histereesi kadu olulisemaks, sest tuuma magnetväli muudab suunda mitu korda sekundis. Selles kontekstis kasutatakse ferriitsüdamikke, kuna need aitavad kõrgel sagedusel hoida hüstereesi kadu ja pöörisvoolu kadu madalamal.
Maksimaalne voolutihedus, mida sageli kirjutatakse kui Bmax, on hoolikalt piiratud, et südamiku kadu püsiks ohutul tasemel ja tuum ei kuumeneks üle. Materjali jaoks antud südamikkaotuskõveraid kasutatakse selleks, et hinnata, kui palju kogu tuuma kadu, sealhulgas hüstereesi kadu, toimub antud sagedusel ja voolutasemel. Kuna need trafod asuvad trükkplaadi teiste osade lähedal, mõjutab histereesikadu soojus kohalikku temperatuuri ja võib mõjutada, kui usaldusväärselt lähedal olevad komponendid töötavad.
Hüstereesi kaotuse modelleerimine vooluringi simulatsioonis
Vooluringi simulatsioonis kujutatakse trafo tuuma hüstereesi kadu lihtsate mudelitega, mis siiski jäädvustavad peamised efektid. Üks põhiline meetod on kasutada magnetiseeriva induktiivsusega paralleelset takistit, nii et see takisti esindab valitud tööpunktis tuumas soojusena kadunud võimsust. Edasijõudnumad mudelid kasutavad mittelineaarseid B–H kõveraid, nagu Jiles–Athertoni või Preisachi mudelid, mis järgivad hystereesi tsükli tegelikku kuju ja muudavad ajadomeeni tulemused täpsemaks.
Teine levinud meetod on kasutada Steinmetzi-põhiseid käitumuslikke plokke, kus tuuma kadu arvutatakse voolulainekuju põhjal Steinmetzi tüüpi võrrandite abil ja lisatakse vooluringi võimsust hajutava elemendina. Need lähenemised aitavad näidata, kuidas hüstereesi kadu mõjutab voolu, pinget ja soojust simuleeritud trafos.
Hüsteerikao mõõtmine trafotuumades
Materjali testid (Epsteini raam või üksik leht)
Tuumamaterjali riba või leht asetatakse spetsiaalsesse testseadesse ja juhitakse tuntud vahelduvvooluväljaga. B–H tsükkel salvestatakse ja arvutatakse südamiku kadu ruumalaühiku kohta.
Toroidaalse tuuma test
Mähis asetatakse rõngakujulisele (toroidaalsele) südamikule ja sellele antakse valitud pinge ja sagedus. Sisendvõimsust mõõdetakse ning mähise I²R kadu lahutatakse, et leida kogu tuuma kadu, mis sisaldab ka hüstereesi kadu.
Avatud vooluringi trafotestid
Trafo primaarmähis on pingestatud nimipingel, samal ajal kui sekundaarmähis jäetakse avatuks. Allikast ammutatud võimsus on peamiselt tuuma kadu, mis on hüstereesiko ja pöörisvoolu kadu summa.
Sageduse ja pinge pühkimine
Testi korratakse erinevatel sagedustel ja pingetasemetel. Mõõdetud kadu muutumise jälgimine aitab näha, millal on hüstereesi kadu suurem ja millal muutub pöörisvoolu kadu suuremaks osaks kogusummast.
Kokkuvõte
Hüstereesi kadu tekib magnetdomeenide korduvast liikumisest, kui tuum tsüklib oma B–H ahela ümber, muutes osa sisendvõimsusest soojuseks isegi ilma koormuseta. Selle suurus sõltub südamiku materjalist, sagedusest, voolutihedusest ja temperatuurist. Õige modelleerimise, mõõtmise ning materjalide ja disainivalikute abil saab hüstereesi kadu piirata ja kontrollida.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Kuidas mõjutab hüstereesi kadu trafo eluiga?
See hoiab tuuma pikalt kuumana, mis kiirendab isolatsiooni vananemist ja võib lühendada trafo kasutusiga.
Kuidas on hüstereesi kadu seotud sissevooluga?
B–H ahela ja allesjäänud magnetiseerimise tõttu võib tuum sisselülitamisel minna peaaegu küllastumisele, põhjustades lühiajaliselt väga kõrge sissevoolu.
Kas tuuma kuju muudab hüstereesi kaotust?
Jah. Toroidaalsetel tuumadel on väiksem hüstereesikadu kui E–I tuumadel, kuna magnetiline tee on sujuvam ja ühtlasem.
Kuidas mõjutab hüstereesi kadu energiakulusid pidevalt sisse lülitatavates trafodes?
See toimib pideva koormuseta energiatarbimisena, suurendades aastast energiatarbimist ja jahutusvajadust isegi siis, kui väljundvõimsus on madal.
Kas stress või vananemine võib suurendada hüstereesi kadu?
Jah. Mehaaniline pinge, vibratsioon ning korduv kuumenemine ja jahutamine võivad häirida tuuma struktuuri, laiendada B–H ahelat ja suurendada hüstereesi kadu aja jooksul.
