فقدان الهستيريزيس في المحول هو الطاقة التي تتحول إلى حرارة في النواة مع انقلاب المجال المغناطيسي المتردد وتحرك المجالات المغناطيسية حول حلقة B–H في كل دورة. يعتمد ذلك على المادة، التردد، مستوى التدفق، ودرجة الحرارة. تشرح هذه المقالة الأسباب، والمواد الأساسية، والمعادلات، وتأثيرات النظام، والاختبارات، والنمذجة، وطرق تقليل فقدان الهيستريسيس بالتفصيل.
فقدان الهيستريس في محول
فقدان الهيستريزيس في المحول هو الطاقة الكهربائية التي تتحول إلى حرارة داخل النواة المغناطيسية في كل مرة يتغير فيها اتجاه جهد التيار المتردد. مع تحول التيار إلى موجب وسلبي، يتقلب المجال المغناطيسي في القلب ذهابا وإيابا. يجب أن تتحرك المناطق المغناطيسية الصغيرة داخل النواة وتعيد الاصطفاف خلال كل دورة، وهذه الحركة ليست سلسة تماما. وبسبب ذلك، يتم فقدان بعض الطاقة كحرارة في كل مرة ينعكس فيها المجال.
هذا الفقدان موجود حتى عند تفريغ المحول، لذا لا يزال يستهلك الطاقة ويضيع الطاقة. فقدان الهيستريزيس يقلل من كفاءة المحول، ويضيف إلى استهلاك الطاقة بدون حمل، ويرفع درجة حرارة النواة. يؤثر مستوى فقدان الهيستريزيس على حجم النواة، واختيار مواد النواة، وكمية التبريد المطلوبة للحفاظ على عمل المحول بأمان.
المجالات المغناطيسية وفقدان الهيستريزيس
داخل النواة المغناطيسية للمحول المغناطيسي، تتكون المادة من العديد من المناطق الصغيرة التي تسمى المجالات المغناطيسية. تسمى الحدود بين النطاقات جدران المجال. هذه الجدران لا تتحرك بحرية، لأنها تعيق بسبب عيوب داخل المادة. في كل مرة يتغير فيها المجال المتردد اتجاهها، تحتاج إلى طاقة إضافية لتحريك جدران المجال هذه. تتحول تلك الطاقة الزائدة إلى حرارة في النواة وتصبح جزءا من فقدان الهيستريزيس في المحول.
حلقة B–H وفقدان الهستيريزيس في أنوية المحولات
حلقة B–H هي رسم بياني يوضح كيف تتغير كثافة التدفق المغناطيسي B في قلب المحول عندما تمر شدة المجال المغناطيسي H بدورة AC كاملة واحدة. مع ارتفاع أو انخفاض أو عكس تيار التيار المتردد، تتحرك النقطة في هذا الرسم البياني حول حلقة مغلقة بدلا من اتباع خط مستقيم واحد. شكل وحجم هذه الحلقة يخبران كيف تتصرف النواة وكمية الطاقة التي تفقد كحرارة بسبب الهستيريزيز.
الأجزاء الأساسية من حلقة B–H
• منطقة التشبع: عندما يكون H مرتفعا جدا، يزداد B بالكاد، مما يعني أن النواة مشبعة.
• البقايا (Br): عندما تعود H إلى الصفر، لا تكون B صفرا، مما يدل على أن النواة تحتفظ ببعض المغنطة.
• المجال القسري (Hc): هذا هو القيمة العكسية ل H اللازمة لإعادة B إلى الصفر.
• منطقة الحلقة: المنطقة داخل الحلقة تمثل الطاقة المفقودة في النواة خلال كل دورة؛ مساحة أكبر تعني فقدان الهيستريس الأعلى.
معادلة شتاينميتز لفقدان الهستيريزيس
Ph = kh f B nmax V
| الرمز | المعنى |
|---|---|
| (*ph*) | فقدان الهيستريزيس (W) |
| (*خ*) | الثابت يعتمد على المادة الأساسية |
| (*f*) | تردد التيار المتردد (بالهرتز، هرتز) |
| (*B nmax*) | أقصى كثافة تدفق في النواة (في تسلا، T) |
| (*n*) | أس شتاينميتز (عادة > 1) |
| (*V*) | حجم النواة (م³) |
مواد النواة المحولات وفقدان الهيستريس
فولاذ السيليكون الموجه للحبوب
• تحتوي على حلقة ضيقة من الهستيريزيس في اتجاه رئيسي واحد
• يعطي فقدان أقل للهيستريزيس على هذا الاتجاه عند تردد خط الطاقة
الفولاذ الكهربائي غير الموجه
• له خصائص مغناطيسية أكثر انتظاما في جميع الاتجاهات
• يظهر فقدان الهيستريسيس أعلى قليلا لكنه يعمل بشكل جيد عندما يتغير اتجاه التدفق في النواة
فيريتس (MnZn, NiZn)
• تعاني من انخفاض الهيستريسيس وخسائر التيار الدوامي عند تردد عال
• يساعد في تقليل فقدان الهيستريزيس في المحولات عالية التردد
السبائك غير المتبلورة والنانوية البلورية
• لديها حلقات الهستيريسيس الضيقة جدا
• توفير فقدان منخفض جدا للهيستريزيس للتشغيل الموفر للطاقة
تعد هذه المواد مهمة بشكل خاص في المحولات عالية التردد، كما نوقش في القسم 9.
الظروف التشغيلية التي تؤثر على فقدان الهيستريسيس
التردد
مع زيادة التردد، ينقلب المجال المغناطيسي في النواة في الاتجاه مرات أطول كل ثانية. كل قلب يسبب بعض فقدان الطاقة، لذا فإن المزيد من القلبات في الثانية يعني خسارة أكبر للهيستريزيس.
كثافة التدفق القصوى (Bmax)
ال Bmax الأعلى يجعل مساحة الحلقة أكبر، مما يزيد من فقدان الهيستريسيس ويمكن أن يقرب النواة من التشبع.
درجة الحرارة
تغير درجة الحرارة مدى سهولة حركة المجالات المغناطيسية داخل النواة. اعتمادا على المادة، يمكن أن يزداد أو ينخفض فقدان اللب مع درجة الحرارة، لذا هناك حاجة إلى بيانات من المادة لمعرفة كيفية تصرف فقدان الهستيريزيس.
خسارة الهيستريزيس مقابل خسائر المحولات الأخرى
| نوع الخسارة | أين يحدث ذلك | السبب الرئيسي | يعتمد بشكل رئيسي على |
|---|---|---|---|
| الهيستريزيس | النواة | المجالات المغناطيسية التي تعيد محاذاة كل دورة تيار متردد | التردد، ذروة التدفق *B**max*، المادة الأساسية |
| تيار الدوامة | النواة | التيارات المستحثة في قلب المعدن عن طريق تغيير التدفق | تردد²,*B**max*²، سمك النواة |
| النحاس (I²R) | اللف | التيار الجاري عبر المقاومة في السلك | تيار الحمل، مقاومة الأسلاك |
| ضال/تسرب | النواة/الفضاء الجوي | تدفق مغناطيسي لا يربط جميع الملفات | شكل النواة، التباعد، والتخطيط |
تأثيرات فقدان الهيستريزيس على مستوى النظام في المحولات
فقدان الهيستريزيس في المحول يغير أيضا طريقة سلوكه في النظام الكهربائي. يسبب استهلاكا أعلى للطاقة بدون حمل، لذا يستهلك المحول طاقة أكبر من المصدر حتى عندما لا يغذي أي حمل. يصبح التيار المغنطيس مشوها وأقل شبها بموجة جيبية ناعمة، مما يجعل شكله أكثر توازنا. يضيف هذا التيار غير المتساوي مكونات تردد إضافية تسمى التوافقيات، مما يزيد من محتوى التوافقي والتشويه الكلي للتوافقي (THD) في النظام. وفي نفس الوقت، يصبح جزء أكبر من التيار تفاعليا بدلا من أن يكون مفيدا، مما يقلل من عامل القدرة ويعني أن كمية أقل من التيار تقوم بعمل حقيقي.
فقدان الهستيريزيس في أنوية المحول عالي التردد
في العديد من الدوائر الحديثة، المحولات هي أجزاء صغيرة تركب على لوحة دوائر مطبوعة وتعمل بترددات عالية، غالبا في عشرات أو مئات الكيلوهرتز. عند هذه الترددات العالية، يصبح فقدان الهيستريزيس في النواة أكثر أهمية، لأن المجال المغناطيسي في النواة يتغير اتجاهه عدة مرات في الثانية. تستخدم نوى الفيريت في هذه الحالة، لأنها تساعد في تقليل فقدان الهستيريسيس وفقدان تيار الدوامة عند التردد العالي.
الحد الأقصى لكثافة التدفق، التي غالبا ما تكتب ك Bmax، محدود بعناية حتى يبقى فقدان النواة ضمن مستويات آمنة، ولا يسخن النواة بشكل زائد. تستخدم منحنيات فقدان النواة المقدمة للمادة لتقدير مقدار إجمالي فقدان النواة، بما في ذلك فقدان الهيستريزيس، عند تردد ومستوى تدفق معين. نظرا لأن هذه المحولات تقع بالقرب من أجزاء أخرى على لوحة الدائرة، فإن الحرارة الناتجة عن فقدان الهيستريزيس تؤثر على درجة الحرارة المحلية ويمكن أن تؤثر على كيفية عمل المكونات القريبة بشكل موثوق.
نمذجة فقدان الهستيريزيس في محاكاة الدوائر
في محاكاة الدوائر، يتم تمثيل فقدان الهستيريسيس في نواة المحول بنماذج بسيطة لا تزال تلتقط التأثيرات الرئيسية. إحدى الطرق الأساسية هي استخدام مقاومة موازية مع الحث المغنطي، بحيث تمثل هذه المقاومة القدرة المفقودة كحرارة في النواة عند نقطة تشغيل مختارة. تستخدم النماذج الأكثر تقدما منحنيات B–H غير خطية، مثل نماذج جيلز-أثيرتون أو بريزاك، التي تتبع الشكل الحقيقي لحلقة الهستيريزيس وتجعل نتائج مجال الزمن أكثر دقة.
طريقة شائعة أخرى هي استخدام كتل سلوكية قائمة على شتاينميتز، حيث يتم حساب فقدان النواة من شكل موجة التدفق باستخدام معادلات شتاينميتز ثم تضاف إلى الدائرة كعنصر يصرف الطاقة. تساعد هذه الأساليب في إظهار كيف يؤثر فقدان الهستيريزيس على التيار والجهد والتسخين في محول محاكى.
قياس فقدان الرحم في أنوية المحولات
اختبارات المواد (إطار إبستين أو ورقة واحدة)
يتم وضع شريط أو صفيحة من مادة النواة في إعداد اختبار خاص وتشغل بحقل تيار متردد معروف. يتم تسجيل حلقة B–H، ويتم حساب فقدان النواة لكل وحدة حجم.
اختبار 11.2 النواة التورويدية
يوضع ملف على نواة حلقية الشكل (حلقية) ويتم تزويدها بجهد وتردد محددين. يتم قياس القدرة الداخلة، ويطرح فقدان I²R في الملف لإيجاد إجمالي فقدان النواة، والذي يشمل خسارة الهيستريزيس.
اختبارات المحولات ذات الدائرة المفتوحة
يتم تنشيط الملف الأساسي للمحول عند جهده المصنف بينما يترك الملف الثانوي مفتوحا. الطاقة المسحوبة من المصدر هي في الغالب فقدان النواة، وهو مجموع فقدان الهستيريزيس وفقدان التيار الدوامي.
مسح التردد والجهد
يتم تكرار الاختبار عند ترددات ومستويات جهد مختلفة. مراقبة كيف تتغير الخسارة المقاسة تساعد في إظهار متى يكون فقدان الهيستريزيس أكثر ضرورة ومتى يصبح فقدان التيار الدوامي جزءا أكبر من الإجمالي.
الخاتمة
يأتي فقدان الهستيريزيس من حركة متكررة للمجالات المغناطيسية أثناء دوران النواة حول حلقة B–H، محولا جزءا من الطاقة الداخلة إلى حرارة حتى بدون حمل. يعتمد حجمه على مادة النواة، والتردد، وكثافة التدفق، ودرجة الحرارة. مع النمذجة الصحيحة، والقياس، واختيار المواد والتصميم، يمكن الحد من فقدان الهيستريزيس والسيطرة عليه.
الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]
كيف يؤثر فقدان الهيستريسيس على حياة المحول؟
يحافظ على حرارة النواة لفترات طويلة، مما يسرع من تعتيش العزل وقد يقلل من عمر خدمة المحول.
كيف يرتبط فقدان الهيستريزيس بتيار الاندفاع؟
بسبب حلقة B–H والمغناطيسية المتبقية، يمكن للقلب أن يقترب من التشبع عند التشغيل، مما يسبب تيار اندفاع مرتفع جدا لفترة قصيرة.
هل شكل الجذع يغير فقدان الهستيريز؟
نعم. النوى التورويدية لديها فقدان هيستريزيس أقل من نوى E–I لأن المسار المغناطيسي أكثر سلاسة وانتظاما.
كيف يؤثر فقدان الهيستريزيز على تكلفة الطاقة في المحولات التي تعمل دائما؟
يعمل كمصدر طاقة ثابت بدون حمل، مما يزيد من استهلاك الطاقة السنوي واحتياجات التبريد حتى عندما تكون الطاقة الخارجة منخفضة.
هل يمكن أن يؤدي التوتر أو التقدم في العمر إلى زيادة فقدان الرحم؟
نعم. الإجهاد الميكانيكي، والاهتزاز، والتسخين والتبريد المتكرر يمكن أن يزعج بنية النواة، وتوسع حلقة B–H، وتزيد من فقدان الهستيريزيس مع مرور الوقت.
