5.2.5. Удельные потери на гистерезис.▲
Это потери Pг, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.
5.2.6. Динамическая петля гистерезиса.▲
Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.
5.2.7. Потери энергии на вихревые токи.▲
Потери
энергии на вихревые токи Рвзависят от удельного электрического
сопротивления материала ρ. Чем больше
ρ, тем меньше потери. Рвтакже
зависят от плотности материала и его
толщины. Они пропорциональны квадрату
амплитуды магнитной индукции В
5.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса.▲
Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:
Кп= Вr/Вm(5.6)
Чем больше Кп, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, Кп= 0.7-0.9.
5.2.9. Удельная объемная энергия.▲
Это характеристика , применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой:
Wм= 1/2(Bd·Hd), (5.7)
где Bd иHdсоответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.5.5).
Рис.5.5. Кривые размагничивания и магнитной энергии
Чем
больше объемная энергия, тем лучше
магнитный материал и постоянный магнит,
из него изготовленный.
Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.
Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.
МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.
По составу все магнитные материалы делятся на
1.металлические
2.неметаллические
3.магнитодиэлектрики.
Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.
Неметаллические
магнитные материалы – ферриты, получаемые
из порошкообразной смеси окислов железа
и окислов других металлов.
Опрессованные
ферритовые изделия подвергаются отжигу,
в результате чего они превращаются в
твердые монолитные детали.
Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.
Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(102-108Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).
Лабораторная работа 14
Цель работы: изучение свойств электротехнической стали и ознакомление с методом амперметра, вольтметра, ваттметра, как одним из способов исследования
магнитомягких материалов при динамическом перемагничевании
При перемагничивании ферромагнитных образцов, в том числе и электротехнической стали, имеют место необратимые изменения магнитного состояния.
В результате намагниченность изменяется по петле гистерезиса. Затраты (потери) энергии на перемагничивание пропорциональны площади петли гистерезиса. Принято выделять потери на гистерезис и потери на вихревые токи. Первая часть определяется площадью петли гистерезиса при квазистатическом перемагничивании. Вторая часть обусловлена уже упоминавшимися выше вихревыми токами, которые также приводят к уширению петли гистерезиса, но возникают только при динамическом перемагничивании.
Потери на гистерезис не поддаются расчету и определяются только экспериментально. Потери на вихревые токи с учетом некоторых приближений могут быть вычислены теоретически. Приведем простейший вариант такого расчета. Пусть образец имеет форму пластины со сторонами a, b и толщиной L (рис. 2), причем L<< а, b. Переменное магнитное поле H ориентировано вдоль стороны b.
Рис. 2. Схематическое изображение пластины, находящейся под воздействием переменного магнитного поля.
В результате изменения магнитного потока при перемагничивании в образце возникает электрическое (вихревое) поле, характеризуемое напряженностью E. В силу симметрии задачи приближенно можно считать, что вектор E ориентирован вдоль линии контура, составленного сторонами а, L, а его величина однородна и одинакова на противоположных гранях образца. Согласно закону Джоуля–Ленца в единице объема проводника, по которому протекает постоянный ток, выделяется мощность
(1)
где σ – электропроводность. Если ток переменный, то под Е нужно понимать эффективное значение напряженности электрического поля. Для нахождения Е воспользуемся законом индукции, связывающим электродвижущую силу ε, возникающую в контуре, со скоростью изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот контур:
(2)
С другой стороны, ε – это по определению циркуляция вектора E по замкнутому контуру:
(3)
Таким контуром в нашей задаче можно взять прямоугольник со сторонами а, L.
Используя приближения, наложенные на E выше, и пренебрегая циркуляцией E на боковых сторонах (из-за условия L<<а), получим
(4)
Из соотношения (4) следует:
(5)
где B(t) – магнитная индукция образца.
От мгновенных значений E(t) нужно перейти к эффективному (Е) и далее к средневыпрямленному (Еср.в.) значениям этой периодически изме-няющейся величины:
(6)
где Т – период функции E(t). Между приведенными величинами можно установить связь E=KфEср.в.. Коэффициент формы кривой (Kф) по определению есть отношение эффективного (или действительного, или среднеквадратического) и средневыпрямленного значений функции, описывающей данную кривую. Используя (5) запишем Eср.в:
(7)
Взяв от правой части (7) интеграл типа (6) и приняв во внимание условие симметрии функции B(t)= –B(t+T/2), получим
(8)
В этом выражении f=1/T – частота изменения B(t), т.
е. частота перемагничивания, Bmax – максимальное значение индукции за период. Возвращаясь к (1), мощность потерь можно записать следующим образом:
(9)
Более строгий расчет изменяет только численный коэффициент в (9), уменьшая его в три раза. Для единицы массы образца общепринятое выражение удельной мощности «вихретоковых» потерь энергии выглядит следующим образом:
(10)
Здесь ρ – плотность материала.
Выражение (10) показывает целый ряд факторов, влияющих на потери энергии при перемагничивании. Роль электропроводности уже обсуждалась. Снижение потерь вызывается и уменьшением толщины листа. Именно поэтому, несмотря на большие ресурсные затраты, электротехническая сталь изготавливается в виде листов. Отметим также, что потери зависят от формы кривой индукции через Kф. Форма B(t) в свою очередь зависит от величины и формы кривой перемагничивающего поля. Поэтому при представлении данных по потерям необходимо указывать коэффициент формы.
В научных исследованиях обычно стремятся реализовать синусоидальную индукцию. Для синусоиды Кф≈1,11.
Экспериментально было установлено, что реальные потери энергии Р существенно больше суммы потерь на гистерезис Рг и потерь на вихревые токи Рв.т, вычисленных по формуле (10). Оставшаяся часть получила на-звание дополнительных потерь Pд. Таким образом можно записать:
(11)
Дополнительные потери связаны с колебаниями дислокаций, магнитным последействием, но прежде всего с микровихревыми токами, не учтенными в (10). При выводе этой формулы неявно предполагалось, что изменение индукции в процессе перемагничивания происходит однородно по всему образцу. Однако хорошо известно, что технологическое намагничивание осуществляется в основном за счет смещения доменных границ. Изменение индукции в области смещающейся границы велико, тогда как в объеме доменов оно незначительно. В связи с этим реальные вихревые токи имеют более сложную конфигурацию, чем та, которая рассмотрена выше.
Р. Прай и К. Бин показали, что в пластине, имеющей систему плоскопараллельных доменов со 180-градусными границами, потери энергии РП–Б зависят от соотношения между шириной доменов d и толщиной пластины L.
(12)
Отсюда видно, что уменьшение ширины доменов, при прочих равных условиях, ведет к уменьшению потерь. Это обстоятельство активно используется для повышения свойств электротехнической стали. Размер доменов стремятся уменьшить за счет получения оптимальных размера и ориентации кристаллических зерен, а также за счёт упругих деформаций листа.
Потери на гистерезис
и потери на вихревые токи: в чем разница?
Вы здесь: Домашняя страница / Часто задаваемые вопросы + основная информация / Потери на гистерезис и потери на вихревые токи: в чем разница?
By Danielle Collins Оставить комментарий
Все электродвигатели испытывают потери вращения во время преобразования электрической энергии в механическую.
Эти потери обычно классифицируются как магнитные потери, механические потери, потери в меди, потери на щетках или паразитные потери, в зависимости от основной причины и механизма. В категорию магнитных потерь входят два типа — гистерезисные потери и потери на вихревые токи.
Гистерезисные потери
Гистерезисные потери вызваны намагничиванием и размагничиванием сердечника при протекании тока в прямом и обратном направлениях. По мере увеличения намагничивающей силы (тока) увеличивается магнитный поток. Но когда намагничивающая сила (ток) уменьшается, магнитный поток уменьшается не с той же скоростью, а менее плавно. Поэтому, когда намагничивающая сила достигает нуля, плотность потока все еще имеет положительное значение. Чтобы плотность потока достигла нуля, намагничивающая сила должна быть приложена в отрицательном направлении.
Зависимость между силой намагничивания H и плотностью потока B показана на кривой гистерезиса или петле. Площадь петли гистерезиса показывает энергию, необходимую для завершения полного цикла намагничивания и размагничивания, а площадь петли представляет энергию, потерянную во время этого процесса.
Изображение предоставлено: Ресурсный центр NDT
Уравнение потери гистерезиса приведено как:
P B = η * B MAX N * F * V
P B = Hysteresis Loss (W)
999928 2 B = Hysteresis Loss (W) 9003 9003 . η = коэффициент гистерезиса Штейнмеца, в зависимости от материала (Дж/м 3 )B max = максимальная плотность потока (Вб/м 2 )
диапазон от 1,5 штейнметц , 50018z 2,5, в зависимости от материала
f = частота перемагничивания в секунду (Гц)
В = объем магнитного материала (м 3 )
Потери на вихревые токи
Потери на вихревые токи
в котором говорится, что «Любое изменение в окружающей среде катушки с проводом вызовет индуцирование напряжения в катушке, независимо от того, как создается магнитное изменение».
В сердечниках якоря двигателей используется множество тонких кусков железа (называемых «пластинками»), а не один кусок, потому что сопротивление отдельных кусков выше, чем сопротивление одного цельного куска. Это более высокое сопротивление (из-за меньшей площади на единицу) уменьшает вихревые токи и, в свою очередь, потери на вихревые токи. Пластины изолированы друг от друга лаковым покрытием для предотвращения «перескакивания» вихревых токов с одной пластины на другую.
Вихревые токи в многослойных сердечниках (справа) меньше, чем в сплошных сердечниках (слева).Image credit: wikipedia.org
The equation for eddy current loss is given as:
P e = K e * B max 2 * f 2 * t 2 * V
P e = eddy current loss (W)
K E = константа вихревого тока
B = плотность потока (WB/M 2 )
F = частота магнитных изменений в секунду (HZ)
T = материал (HZ)
T = материал MATHARTY (HZ)
T = материал.
В = объем (м 3 )
Магнитные потери названы так потому, что они зависят от магнитных путей в двигателе, но их также называют «потери в сердечнике» и «потери в стали» ».
Рубрики: Часто задаваемые вопросы + основы, Рекомендуемые, Двигатели
Гистерезисные потери в трансформаторе и их влияние на цепи переменного тока
Ключевые выводы
Гистерезисные потери в трансформаторе возникают из-за насыщения намагниченности в сердечнике трансформатора.
Магнитные материалы в сердечнике в конечном итоге станут магнитно-насыщенными, если они будут помещены в сильное магнитное поле, такое как магнитное поле, создаваемое переменным током.
Во избежание искажений трансформаторы, используемые для силовой электроники, следует выбирать так, чтобы они не сильно насыщались при входном значении магнитного потока.
Магнитопровод в этом трансформаторе создает гистерезисные потери при высоком входном токе и магнитном поле.
Трансформаторы являются одним из тех важных элементов оборудования, которые делают возможной современную жизнь, поскольку они выполняют важную функцию преобразования энергии. Они повышают или понижают переменное напряжение/ток до полезных уровней, которые затем можно преобразовать в постоянный ток и использовать для питания вашей любимой электроники. Если вы хотите подключить что-либо к стене и получать питание от сети, вам необходимо выполнить несколько важных требований, одно из которых касается гистерезиса в трансформаторе.
К сожалению, вместе с магнитным гистерезисом возникают гистерезисные потери в трансформаторе. Каждый трансформатор имеет некоторые гистерезисные потери, когда входной ток колеблется туда-сюда, и эти потери проявляются в виде незначительных искажений и снижения эффективности выходной мощности.
Что вызывает потери на гистерезис в трансформаторе?
Каждый трансформатор содержит ферромагнитный материал в качестве сердечника, и все магнитные материалы будут иметь некоторое магнитное насыщение, которое возникает при высокой напряженности магнитного поля. Когда это происходит, уровень намагниченности, который вы индуцируете в магнитном материале, достиг своего максимума; вы не можете заставить этот материал иметь более высокий уровень магнетизма после насыщения. В результате наведенная намагниченность в сердечнике трансформатора перестает увеличиваться, хотя входной ток и магнитный поток продолжают увеличиваться.
Как только входной поток меняет направление, требуется некоторое количество магнитного потока, чтобы заставить намагниченность в сердечнике трансформатора изменить направление.
В этом суть гистерезиса; хотя магнитное поле изменило направление, намагниченность в ядре (проявляющаяся в B-поле) не полностью уменьшается до нуля, пока поле не превысит определенный порог (называемый коэрцитивной силой). Влияние гистерезиса на поле B в сердечнике из-за поля H, создаваемого током в катушках, показано на изображении ниже.
Окно магнитного гистерезиса.
H-поле не действует на магнитные домены в материале сердечника, но все же удобно думать о магнитном поле как о влиянии неконсервативной силы, известной во многих кругах как магнитное трение. Уместна аналогия с трением, поскольку потеря мощности проявляется в ядре в виде тепла. На самом деле магнитное поле действительно сдвигает магнитные домены в материале сердечника. Это приводит к знакомому гудению и вибрации в больших трансформаторах, работающих с очень сильными полями. Из-за дисперсии гистерезисные потери различаются в зависимости от частоты, что следует учитывать при выборе трансформатора.
Можно ли уменьшить гистерезисные потери?
Простой ответ заключается в том, что потери на гистерезис нельзя легко уменьшить, добавив некоторые компоненты или отрегулировав геометрию. Гистерезисные потери в сердечнике трансформатора пропорциональны площади, заключенной в окне гистерезиса для данного материала сердечника. По этой причине используются материалы с высокой магнитной чувствительностью, поскольку они, как правило, имеют узкие окна гистерезиса. Прочтите эту статью, чтобы найти таблицу со свойствами материалов и номинальными потерями на частоте 100 кГц для распространенных материалов сердечников трансформаторов.
В дополнение к гистерезисным потерям каждый трансформатор имеет следующие источники потерь:
Потеря утечки. Не все конструкции трансформаторов идеальны, и часть поля будет утекать из сердечника трансформатора. Это уменьшает магнитное поле, наблюдаемое во вторичных обмотках, поэтому входной ток будет немного уменьшен.
Потеря проводника. Проводник, используемый для формирования обмоток вокруг сердечника (обычно медь), имеет некоторую конечную электропроводность, поэтому в обмотках будет некоторое падение IR.
Потери на вихревые токи. Поскольку входной магнитный поток непрерывно переключается во времени, в сердечнике индуцируется вихревой ток, создающий омические потери. Решением здесь является использование сердечника с меньшей площадью поперечного сечения и более высокой проводимостью.
Не все модели SPICE для трансформаторов включают все источники потерь. Самые базовые модели SPICE являются чисто линейными и не включают никаких потерь. Для работы с реальными трансформаторами в стандартных симуляциях SPICE вам необходимо использовать утилиту моделирования для учета гистерезиса или других потерь в вашей системе преобразования энергии. Эта область проектирования электроники исследовалась с тех пор, как появились симуляторы SPICE.
Взгляните на эту недавнюю статью IEEE, чтобы узнать больше о разработке SPICE-моделей для трансформаторов с гистерезисом.
Пример 3-фазных сигналов напряжения в сильноточной системе. Обратите внимание на искажение из-за гистерезиса.
Прочие важные аспекты преобразования мощности
Системы электропитания и электрооборудование должны соответствовать стандартам, таким как IEEE 519-2014, NEMA IS07 P1-2019 и стандартам IEC, каждый из которых определяет допустимые верхние пределы общего гармонического искажения (THD) в силовой электронике. Эти стандарты по-разному влияют на другие аспекты вашей системы, связанные с гистерезисом трансформатора.
В дополнение к разумному выбору трансформатора вам необходимо тщательно выбрать следующие компоненты и топологии цепей для преобразования энергии, кондиционирования и фильтрации. В таблице ниже приведен краткий список важных компонентов и цепей, которые необходимо включить в секцию ввода/преобразования переменного тока:
Компонент/схема | Роль в преобразовании энергии |
Фильтр электромагнитных помех Magnetics | Использует магнитный сердечник с синфазными обмотками для устранения синфазных кондуктивных электромагнитных помех на входной секции устройства. |
Цепь PFC | Сглаживает форму волны тока, когда импульсный стабилизатор потребляет мощность и когда гистерезисные потери в трансформаторе вызывают искажения. |
Топология регулятора (LDO или коммутация) | Обеспечивает стабильную выходную мощность постоянного тока с высокой эффективностью. В некоторых топологиях регуляторов, таких как прямоходовые и обратноходовые преобразователи, используются диод и трехобмоточный трансформатор для преодоления гистерезисных потерь при стабильном выходе постоянного тока. |
Выпрямительные диоды | Технически в выпрямителе можно использовать любой диод, если его прямое напряжение достаточно низкое. Многие ИС мостовых выпрямителей рассчитаны на определенное линейное напряжение переменного тока. |
Обратите внимание, что эти фильтры в основном являются трансформаторами и также могут иметь гистерезисные потери.
После того, как вы выберете эти другие компоненты и спроектируете схемы регулирования/кондиционирования для преобразования энергии, вы сможете смоделировать все аспекты поведения схемы с помощью интерфейсных функций разработки от Cadence и мощного симулятора PSpice. После того, как вы спроектировали свои схемы, вы можете использовать приложение для моделирования PSpice и инструменты симулятора для изучения гистерезисных потерь в трансформаторе и других цепях вашей системы.
Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube и посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа.
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты.