אובדן היסטרזיס בשנאי הוא האנרגיה שהופכת לחום בליבה כאשר השדה המגנטי של ה-AC מתהפך והתחומים המגנטיים נעים סביב לולאת B–H בכל מחזור. זה תלוי בחומר, בתדירות, ברמת השטף ובטמפרטורה. מאמר זה מסביר בפירוט את הסיבות, חומרי הליבה, המשוואות, השפעות מערכת, בדיקות, מידול ודרכים להפחתת אובדן היסטרזיס.
אובדן היסטרזיס בטרנספורמר
אובדן היסטרזיס בשנאי הוא האנרגיה החשמלית שהופכת לחום בתוך הליבה המגנטית בכל פעם שמתח ה-AC משנה כיוון. כשהזרם נע חיובי ושלילי, גם השדה המגנטי בליבה משתנה הלוך ושוב. האזורים המגנטיים הקטנים בתוך הליבה חייבים לזוז וליישר מחדש בכל מחזור, והתנועה הזו אינה חלקה לחלוטין. בגלל זה, אובדת חלק מהאנרגיה כחום בכל פעם שהשדה מתהפך.
האובדן הזה קיים גם כשהשנאי ריק, ולכן הוא עדיין צורך חשמל ומבזבז אנרגיה. אובדן היסטרזיס מוריד את יעילות הטרנספורמטרים, מוסיף לצריכת חשמל ללא עומס ומעלה את טמפרטורת הליבה. רמת אובדן ההיסטרזיס משפיעה על גודל הליבה, בחירת חומרי הליבה וכמות הקירור הנדרשת כדי לשמור על תפקוד בטוח של השנאי.
תחומים מגנטיים ואובדן היסטרזיס
בתוך הליבה המגנטית של שנאי, החומר מורכב מאזורים זעירים רבים הנקראים דומיינים מגנטיים. הגבולות בין הדומיינים נקראים קירות תחום. קירות אלו אינם נעים בחופשיות, כי הם מוגבלים על ידי פגמים בתוך החומר. בכל פעם ששדה ה-AC משנה כיוון, נדרשת אנרגיה נוספת כדי להזיז את קירות התחום. האנרגיה העודפת הזו הופכת לחום בליבה והופכת לחלק מאובדן ההיסטרזיס בשנאי.
לולאת B–H ואובדן היסטרזיס בליבות טרנספורמטור
לולאת B–H היא גרף שמראה כיצד צפיפות השטף המגנטי B בליבת שנאי משתנה כאשר עוצמת השדה המגנטי H עוברת מחזור AC מלא אחד. כאשר זרם ה-AC עולה, יורד ומתהפך, הנקודה בגרף זו נעה סביב לולאה סגורה במקום לעקוב אחרי קו ישר אחד. הצורה והגודל של הלולאה הזו קובעים כיצד הליבה מתנהגת וכמה אנרגיה אובדת כחום בגלל היסטרזיס.
חלקים בסיסיים של לולאת B–H
• אזור רוויה: כאשר H גבוה מאוד, B כמעט ולא עולה, מה שאומר שהליבה רוויה.
• שארית (Br): כאשר H חוזר לאפס, B אינו אפס, מה שמראה שהליבה שומרת על מגנטיזציה מסוימת.
• שדה כפייה (Hc): זהו הערך ההפוך של H הנדרש כדי להחזיר את B לאפס.
• אזור הלולאה: האזור בתוך הלולאה מייצג את האנרגיה שאבדה בליבה במהלך כל מחזור; שטח גדול יותר אומר אובדן היסטרזיס גבוה יותר.
משוואת שטיינמץ לאובדן היסטרזיס
Ph = kh f B nmax V
| סמל | משמעות |
|---|---|
| (*Ph*) | הפסד היסטרזיס (ניצחון) |
| (*ח*) | קבוע שתלוי בחומר הליבה |
| (*f*) | תדר AC (בהרץ, הרץ) |
| (*B nmax*) | צפיפות השטף המרבית בליבה (בטסלה, T) |
| (*נ*) | מעריך שטיינמץ (בדרך כלל > 1) |
| (*V*) | נפח ליבה (מ³) |
חומרי ליבת טרנספורמטור ואובדן היסטרזיס
פלדת סיליקון מוכוונת גרעין
• יש לו לולאת היסטרזיס צרה בכיוון ראשי אחד
• נותן אובדן היסטרזיס נמוך יותר בכיוון זה בתדר קו החשמל
פלדה חשמלית לא מכוונת
• בעל תכונות מגנטיות אחידות יותר בכל הכיוונים
• מראה אובדן היסטרזיס מעט גבוה יותר אך עובד היטב כאשר השטף משנה כיוון בליבה
פריטים (MnZn, NiZn)
• סובלים מהיסטרזיס נמוך מאוד ואובדן זרמי מערבולת בתדר גבוה
• לסייע בשמירה על אובדן היסטרזיס קטן יותר בשנאים בתדרים גבוהים
סגסוגות אמורפיות וננו-גבישיות
• לולאות היסטרזיס צרות מאוד
• לספק אובדן היסטרזיס נמוך מאוד להפעלה חסכונית באנרגיה
חומרים אלו חשובים במיוחד בשנאים בתדר גבוה, כפי שנדון בסעיף 9.
תנאי פעולה המשפיעים על אובדן היסטרזיס
תדר
ככל שהתדר עולה, השדה המגנטי בליבה משנה כיוון יותר פעמים בכל שנייה. כל היפוך גורם לאובדן אנרגיה מסוים, כך שיותר סיבובים בשנייה משמעותם אובדן היסטרזיס גדול יותר.
צפיפות שטף שיא (Bmax)
Bmax גבוה יותר מגדיל את שטח הלולאה, מה שמגביר את אובדן ההיסטרזיס ויכול לקרב את הליבה לרוויה.
טמפרטורה
הטמפרטורה משנה את הקלות שבה הדומיינים המגנטיים נעים בתוך הליבה. בהתאם לחומר, אובדן הליבה יכול לעלות או לרדת עם הטמפרטורה, ולכן יש צורך בנתונים מהחומר כדי להבין כיצד מתנהגת אובדן ההיסטרזיס.
אובדן היסטרזיס לעומת אובדן טרנספורמטורים אחרים
| סוג הפסד | איפה זה קורה | הסיבה העיקרית | זה תלוי בעיקר ב- |
|---|---|---|---|
| היסטרזיס | ליבה | דומיינים מגנטיים המתיישרים מחדש בכל מחזור חילופין חילופין | תדר, שיא פלוקס*B**max*, חומר ליבה |
| זרם מערבולת | ליבה | זרמים המושרים בליבת המתכת על ידי שינוי שטף | תדר²,*B**max*², עובי ליבה |
| נחושת (I²R) | ליפופים | זרם הזורם דרך ההתנגדות בחוט | זרם עומס, התנגדות חוטים |
| תועה/דליפה | ליבה/מרחב אווירי | שטף מגנטי שאינו מקשר את כל הסלילים | צורת הליבה, המרווח והפריסה |
השפעות ברמת המערכת של אובדן היסטרזיס בטרנספורמרים
אובדן היסטרזיס בשנאי משנה גם את התנהגותו במערכת החשמל. זה גורם לצריכת חשמל גבוהה יותר ללא עומס, ולכן הטרנספורמטור שואב יותר חשמל מהספק גם כשהוא לא מזין עומס. זרם המגנטיזציה הופך למעוות ופחות דומה לגל סינוס חלק, מה שהופך את צורתו לבלתי אחידה יותר. זרם לא אחיד זה מוסיף רכיבי תדר נוספים הנקראים הרמוניות, שמגבירים את התוכן ההרמוני ואת עיוות ההרמוני הכולל (THD) במערכת. במקביל, חלק גדול יותר מהזרם הופך לריאקטיבי במקום להיות שימושי, מה שמפחית את מקדם ההספק ומשמעותו שפחות מהזרם עושה עבודה אמיתית.
אובדן היסטרזיס בליבות טרנספורמר בתדר גבוה
במעגלים מודרניים רבים, שנאים הם חלקים קטנים המותקנים על לוח מעגלים מודפסים ופועלים בתדרים גבוהים, לעיתים בעשרות או מאות קילוהרץ. בתדרים הגבוהים הללו, אובדן ההיסטרזיס בליבה הופך לחשוב יותר, כי השדה המגנטי בליבה משנה כיוון פעמים רבות בכל שנייה. ליבות פריט משמשות במקרה זה, שכן הן עוזרות לשמור על אובדן היסטרזיס ואובדן זרם מערבולת נמוך בתדר גבוה.
צפיפות השטף המקסימלית, שלרוב נכתבת כ-Bmax, מוגבלת בקפידה כך שאובדן הליבה יישאר ברמות בטוחות, והליבה לא מתחממת יתר על המידה. עקומות אובדן הליבה המסופקות לחומר משמשות להערכת כמות אובדן הליבה הכוללת, כולל אובדן היסטרזיס, שתתרחש בתדירות וברמת שטף נתונים. מכיוון שנאים אלו נמצאים קרוב לחלקים אחרים בלוח המעגלים, החום מאובדן ההיסטרזיס משפיע על הטמפרטורה המקומית ויכול להשפיע על אופן הפעולה האמין של רכיבים סמוכים.
מידול אובדן היסטרזיס בסימולציית מעגלים
בסימולציית מעגלים, אובדן היסטרזיס בליבת שנאי מיוצג באמצעות מודלים פשוטים שעדיין לוכדים את ההשפעות העיקריות. שיטה בסיסית אחת היא להשתמש בנגד במקביל לאינדוקטיביות המגנטיזציה, כך שנגד זה מייצג את ההספק האבוד כחום בליבה בנקודת פעולה שנבחרה. מודלים מתקדמים יותר משתמשים בעקומות B–H לא ליניאריות, כמו מודלים של ג'יילס–אטרטון או פרייזאק, העוקבים אחרי הצורה האמיתית של לולאת ההיסטרזיס והופכים את תוצאות תחום הזמן למדויקות יותר.
שיטה נפוצה נוספת היא שימוש בבלוקים התנהגותיים מבוססי שטיינמץ, כאשר אובדן הליבה מחושב מגל השטף באמצעות משוואות מסוג שטיינמץ ואז מתווסף למעגל כאלמנט מפזר כוח. גישות אלו מבהירות כיצד אובדן היסטרזיס משפיע על זרם, מתח וחימום בשנאי מדומה.
מדידת אובדן היסטרזיס בליבות טרנספורמר
בדיקות חומרים (מסגרת אפשטיין או גיליון בודד)
רצועה או יריעה של חומר ליבה מונחת במערכת בדיקה מיוחדת ומונעת באמצעות שדה AC מוכר. לולאת B–H מתועדת, ומחושבת אובדן הליבה ליחידת נפח.
מבחן ליבת טורואידלית
סליל מונח על ליבה בצורת טבעת (טורואידלית) ומסופק במתח ותדר נבחרים. הספק הקלט נמדד, ואובדן I²R של הסלילה מחסר כדי למצוא את סך אובדן הליבה, הכולל את אובדן ההיסטרזיס.
בדיקות שנאי במעגל פתוח
הסליל הראשי של השנאי מופעל במתח המדורג שלו בעוד שהמשני נשאר פתוח. הכוח הנשאב מהמקור הוא בעיקר אובדן ליבה, שהוא סכום אובדן ההיסטרזיס ואובדן זרם מערבולת.
סריקת תדר ומתח
המבחן חוזר על עצמו בתדרים ורמות מתח שונות. צפייה כיצד ההפסד המדוד משתנה עוזרת להראות מתי אובדן היסטרזיס נדרש יותר ומתי אובדן זרם מערבולת הופך לחלק גדול יותר מהסך הכולל.
סיכום
אובדן היסטרזיס נובע מתנועה חוזרת של תחומים מגנטיים כאשר הליבה מסתובבת סביב לולאת B–H שלה, והופכת חלק מהכוח הנכנס לחום גם ללא עומס. גודלו תלוי בחומר הליבה, בתדירות, בצפיפות השטף ובטמפרטורה. עם מידול נכון, מדידה ובחירות חומרים ועיצוב, ניתן להגביל ולשלוט באובדן ההיסטרזיס.
שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]
כיצד אובדן היסטרזיס משפיע על חיי הטרנספורמרים?
הוא שומר על הליבה חמה לפרקי זמן ארוכים, מה שמאיץ את תהליך הבידוד ויכול לקצר את חיי השירות של השנאי.
כיצד אובדן היסטרזיס קשור לזרם הזרם?
בגלל לולאת B–H והמגנטיזציה שנותרה, הליבה יכולה להתקרב לרוויה בהפעלה, ולגרום לזרם התפשטות גבוה מאוד לזמן קצר.
האם צורת הליבה משנה אובדן היסטרזיס?
כן. לליבות טורואידליות יש פחות אובדן היסטרזיס מאשר ליבות E–I מכיוון שהמסלול המגנטי חלק ואחיד יותר.
כיצד אובדן היסטרזיס משפיע על עלות האנרגיה בשנאים שפועלים תמיד?
הוא פועל כצריכת חשמל קבועה ללא עומס, ומגדיל את צריכת האנרגיה והקירור השנתיים גם כאשר ההספק נמוך מאוד.
האם לחץ או הזדקנות יכולים להגדיל את אובדן ההיסטרזיס?
כן. מאמץ מכני, רטט וחימום וקירור חוזרים יכולים להפריע למבנה הליבה, להרחיב את לולאת B–H ולהעלות את אובדן ההיסטרזיס לאורך זמן.
