Kehilangan histeresis dalam transformator adalah energi yang berubah menjadi panas di inti saat medan magnet AC berbalik dan domain magnet bergerak di sekitar loop B-H setiap siklus. Itu tergantung pada bahan, frekuensi, tingkat fluks, dan suhu. Artikel ini menjelaskan penyebab, bahan inti, persamaan, efek sistem, pengujian, pemodelan, dan cara mengurangi kehilangan histeresis secara rinci.
Kehilangan Histeresis pada Trafo
Kehilangan histeresis dalam trafo adalah energi listrik yang berubah menjadi panas di dalam inti magnet setiap kali tegangan AC berubah arah. Saat arus menjadi positif dan negatif, medan magnet di inti juga berbalik bolak-balik. Daerah magnet kecil di dalam inti harus bergerak dan menyelaraskan kembali selama setiap siklus, dan gerakan ini tidak mulus sempurna. Karena itu, beberapa energi hilang sebagai panas setiap kali medan berbalik.
Kerugian ini ada bahkan ketika trafo dibongkar, sehingga masih menarik daya dan membuang-buang energi. Kehilangan histeresis menurunkan efisiensi transformator, menambah penggunaan daya tanpa beban, dan meningkatkan suhu inti. Tingkat kehilangan histeresis memengaruhi ukuran inti, pilihan bahan inti, dan berapa banyak pendinginan yang diperlukan untuk menjaga trafo tetap beroperasi dengan aman.
Domain Magnetik dan Kehilangan Histeresis
Di dalam inti magnet transformator, material terdiri dari banyak daerah kecil yang disebut domain magnetik. Batas antar domain disebut dinding domain. Dinding ini tidak bergerak bebas, karena ditahan oleh ketidaksempurnaan di dalam material. Setiap kali medan AC berubah arah, energi ekstra diperlukan untuk memindahkan dinding domain ini. Energi ekstra itu diubah menjadi panas di inti dan menjadi bagian dari kehilangan histeresis pada transformator.
Loop B–H dan Kehilangan Histeresis pada Inti Transformator
Loop B–H adalah grafik yang menunjukkan bagaimana kerapatan fluks magnet B dalam inti transformator berubah ketika kekuatan medan magnet H melalui satu siklus AC penuh. Saat arus AC naik, turun, dan berbalik, titik pada grafik ini bergerak di sekitar lingkaran tertutup alih-alih mengikuti satu garis lurus. Bentuk dan ukuran loop ini memberi tahu bagaimana inti berperilaku dan berapa banyak energi yang hilang sebagai panas karena histeresis.
Bagian Dasar dari loop B–H
• Wilayah saturasi: Ketika H sangat tinggi, B hampir tidak meningkat, yang berarti inti jenuh.
• Remanensi (Br): Ketika H kembali ke nol, B bukan nol, menunjukkan inti mempertahankan beberapa magnetisasi.
• Bidang koersif (Hc): Ini adalah nilai terbalik dari H yang diperlukan untuk menurunkan B kembali ke nol.
• Area loop: Area di dalam loop adalah singkatan dari energi yang hilang di inti selama setiap siklus; area yang lebih luas berarti kehilangan histeresis yang lebih tinggi.
Persamaan Steinmetz untuk Kehilangan Histeresis
Ph = kh f B nmax V
| Simbol | Arti |
|---|---|
| (*Ph*) | Kehilangan histeresis (W) |
| (*kh*) | Konstanta yang tergantung pada bahan inti |
| (*f*) | Frekuensi AC (dalam hertz, Hz) |
| (*B nmax*) | Kepadatan fluks maksimum di inti (dalam tesla, T) |
| (*n*) | Eksponen Steinmetz (biasanya > 1) |
| (*V*) | Volume inti (m³) |
Bahan Inti Transformator dan Kehilangan Histeresis
Baja silikon berorientasi butir
• Memiliki lingkaran histeresis sempit dalam satu arah utama
• Memberikan kehilangan histeresis yang lebih rendah di sepanjang arah itu pada frekuensi saluran listrik
Baja listrik non-berorientasi
• Memiliki sifat magnetik yang lebih seragam ke segala arah
• Menunjukkan kehilangan histeresis yang sedikit lebih tinggi tetapi bekerja dengan baik ketika fluks berubah arah di inti
Ferit (MnZn, NiZn)
• Memiliki histeresis yang sangat rendah dan kehilangan arus eddy pada frekuensi tinggi
• Membantu menjaga kehilangan histeresis lebih kecil pada transformator frekuensi tinggi
Paduan amorf dan nanokristalin
• Memiliki loop histeresis yang sangat sempit
• Memberikan kehilangan histeresis yang sangat rendah untuk operasi hemat energi
Bahan-bahan ini sangat penting dalam transformator frekuensi tinggi, yang dibahas di Bagian 9.
Kondisi Pengoperasian yang Mempengaruhi Kehilangan Histeresis
Frekuensi
Saat frekuensi meningkat, medan magnet di inti berbalik arah lebih banyak kali setiap detik. Setiap flip menyebabkan kehilangan energi, jadi lebih banyak flip per detik berarti kehilangan histeresis yang lebih besar.
Kepadatan fluks puncak (Bmax)
Bmax yang lebih tinggi membuat area loop lebih besar, yang meningkatkan kehilangan histeresis dan dapat membawa inti lebih dekat ke saturasi.
Suhu
Suhu mengubah seberapa mudah domain magnetik bergerak di dalam inti. Tergantung pada materialnya, kehilangan inti dapat meningkat atau menurun seiring dengan suhu, sehingga data dari material diperlukan untuk mengetahui bagaimana perilaku kehilangan histeresis.
Kerugian Histeresis vs. Kerugian Trafo Lainnya
| Jenis kerugian | Di mana itu terjadi | Penyebab utama | Tergantung terutama pada |
|---|---|---|---|
| Histeresis | Inti | Domain magnetik menyelaraskan kembali setiap siklus AC | Frekuensi, fluks puncak*B**max*, bahan inti |
| Arus pusar | Inti | Arus yang diinduksi dalam inti logam dengan mengubah fluks | Frekuensi²,*B**max*², ketebalan inti |
| Tembaga (I²R) | Belitan | Arus mengalir melalui resistansi di kawat | Arus beban, resistansi kawat |
| Nyasar/kebocoran | Ruang inti/udara | Fluks magnet yang tidak menghubungkan semua belitan | Bentuk, spasi, dan tata letak inti |
Efek Tingkat Sistem dari Kehilangan Histeresis pada Trafo
Kehilangan histeresis pada transformator juga mengubah perilakunya dalam sistem kelistrikan. Ini menyebabkan penggunaan daya tanpa beban yang lebih tinggi, sehingga transformator menarik lebih banyak daya dari suplai bahkan ketika tidak memberi makan beban apa pun. Arus magnetisasi menjadi terdistorsi dan kurang seperti gelombang sinus halus, yang membuat bentuknya lebih tidak merata. Arus yang tidak merata ini menambahkan komponen frekuensi ekstra yang disebut harmonik, yang meningkatkan konten harmonik dan distorsi harmonik total (THD) dalam sistem. Pada saat yang sama, sebagian besar arus menjadi reaktif alih-alih berguna, yang menurunkan faktor daya dan berarti lebih sedikit arus yang melakukan pekerjaan nyata.
Kehilangan Histeresis pada Inti Trafo Frekuensi Tinggi
Di banyak sirkuit modern, transformator adalah bagian kecil yang dipasang pada papan sirkuit tercetak dan bekerja pada frekuensi tinggi, seringkali dalam puluhan atau ratusan kilohertz. Pada frekuensi yang lebih tinggi ini, kehilangan histeresis pada inti menjadi lebih penting, karena medan magnet di inti berubah arah berkali-kali setiap detik. Inti ferit digunakan dalam hal ini, karena membantu menjaga kehilangan histeresis dan kehilangan arus eddy lebih rendah pada frekuensi tinggi.
Kepadatan fluks maksimum, sering ditulis sebagai Bmax, dibatasi dengan hati-hati sehingga kehilangan inti tetap dalam tingkat yang aman, dan inti tidak terlalu panas. Kurva kehilangan inti yang disediakan untuk material digunakan untuk memperkirakan berapa banyak total kehilangan inti, termasuk kehilangan histeresis, yang akan terjadi pada frekuensi dan tingkat fluks tertentu. Karena transformator ini berada dekat dengan bagian lain di papan sirkuit, panas dari kehilangan histeresis memengaruhi suhu lokal dan dapat memengaruhi seberapa andal komponen terdekat beroperasi.
Pemodelan Kehilangan Histeresis dalam Simulasi Sirkuit
Dalam simulasi sirkuit, kehilangan histeresis pada inti transformator diwakili dengan model sederhana yang masih menangkap efek utama. Salah satu metode dasarnya adalah dengan menggunakan resistor secara paralel dengan induktansi magnetisasi, sehingga resistor ini mewakili daya yang hilang sebagai panas dalam inti pada titik operasi yang dipilih. Model yang lebih canggih menggunakan kurva B-H non-linier, seperti model Jiles-Atherton atau Preisach, yang mengikuti bentuk sebenarnya dari loop histeresis dan membuat hasil domain waktu lebih akurat.
Metode umum lainnya adalah menggunakan blok perilaku berbasis Steinmetz, di mana kehilangan inti dihitung dari bentuk gelombang fluks menggunakan persamaan tipe Steinmetz dan kemudian ditambahkan ke dalam sirkuit sebagai elemen penghilang daya. Pendekatan ini membantu menunjukkan bagaimana kehilangan histeresis memengaruhi arus, tegangan, dan pemanasan dalam transformator simulasi.
Mengukur Kehilangan Histeresis pada Inti Transformator
Tes material (bingkai Epstein atau lembar tunggal)
Strip atau lembaran bahan inti ditempatkan dalam pengaturan pengujian khusus dan digerakkan dengan medan AC yang diketahui. Loop B–H direkam, dan kehilangan inti per satuan volume dihitung.
Tes inti toroidal
Belitan ditempatkan pada inti berbentuk cincin (toroidal) dan disuplai dengan tegangan dan frekuensi yang dipilih. Daya input diukur, dan kehilangan I²R belitan dikurangi untuk menemukan total kehilangan inti, yang termasuk kehilangan histeresis.
Tes transformator sirkuit terbuka
Belitan primer transformator diberi energi pada tegangan pengenalnya sementara sekunder dibiarkan terbuka. Daya yang diambil dari sumbernya sebagian besar adalah kehilangan inti, yang merupakan jumlah kehilangan histeresis dan kehilangan arus eddy.
Sapuan frekuensi dan tegangan
Tes diulang pada frekuensi dan tingkat tegangan yang berbeda. Melihat bagaimana kerugian yang diukur berubah membantu menunjukkan kapan kehilangan histeresis lebih diperlukan dan kapan kehilangan arus eddy menjadi bagian yang lebih besar dari total.
Kesimpulan
Kehilangan histeresis berasal dari pergerakan domain magnetik yang berulang saat inti berputar di sekitar loop B-H-nya, mengubah sebagian daya input menjadi panas bahkan tanpa beban. Ukurannya tergantung pada bahan inti, frekuensi, kepadatan fluks, dan suhu. Dengan pemodelan, pengukuran, serta pilihan bahan dan desain yang tepat, kehilangan histeresis dapat dibatasi dan dikendalikan.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Bagaimana kehilangan histeresis mempengaruhi masa pakai transformator?
Ini membuat inti lebih panas untuk waktu yang lama, yang mempercepat penuaan isolasi dan dapat mempersingkat masa pakai transformator.
Bagaimana kehilangan histeresis terkait dengan arus masuk?
Karena loop B-H dan magnetisasi yang tersisa, inti dapat mendekati saturasi saat dihidupkan, menyebabkan arus masuk yang sangat tinggi untuk waktu yang singkat.
Apakah bentuk inti mengubah kehilangan histeresis?
Iya. Inti toroidal memiliki kehilangan histeresis yang lebih rendah daripada inti E-I karena jalur magnet lebih halus dan lebih seragam.
Bagaimana kehilangan histeresis memengaruhi biaya energi pada transformator yang selalu aktif?
Ini bertindak sebagai penarikan daya tanpa beban yang konstan, meningkatkan konsumsi energi tahunan dan kebutuhan pendinginan bahkan ketika daya keluaran rendah.
Bisakah stres atau penuaan meningkatkan kehilangan histeresis?
Iya. Tekanan mekanis, getaran, dan pemanasan dan pendinginan berulang dapat mengganggu struktur inti, memperlebar loop B-H, dan meningkatkan kehilangan histeresis dari waktu ke waktu.
