变压器的磁滞损耗及其对交流電(diàn)路的影响

2020-10-10

变压器是实现现代生活的重要设备之一，因為(wèi)它们提供了至关重要的電(diàn)源转换功能(néng)。它们将交流電(diàn)压/電(diàn)流升高或降低到有(yǒu)用(yòng)的水平，然后可(kě)以将其转换為(wèi)直流并用(yòng)于為(wèi)您喜欢的電(diàn)子设备供電(diàn)。如果您想将任何东西插入墙上并接收電(diàn)网電(diàn)源，则需要满足一些重要要求，其中之一与变压器中的磁滞有(yǒu)关。

不幸的是，磁滞会带来变压器的磁滞损耗。当输入電(diàn)流来回振荡时，每个变压器都会出现一些磁滞损耗，这些损耗表现為(wèi)较小(xiǎo)的失真和输出功率效率的降低。当您需要直接在PCB上进行電(diàn)源转换，或者只需要选择用(yòng)于電(diàn)源转换的变压器时，请注意变压器中的磁滞损耗。

是什么导致变压器的磁滞损耗？

每个变压器都包含铁磁材料作為(wèi)其核心，所有(yǒu)磁性材料在高磁场强度下都会具有(yǒu)一定的磁饱和。发生这种情况时，您在磁性材料中感应出的磁化强度达到了最大值。一旦发生饱和，就不能(néng)使这种材料具有(yǒu)更大的磁性。结果，即使输入電(diàn)流和磁通量继续增加，变压器铁芯中的感应磁化强度也停止增加。

一旦输入磁通量切换方向，就需要一定量的磁通量来使变压器铁芯中的磁化强度切换方向。这就是磁滞的本质。尽管磁场已切换方向，但直到磁场超过某个阈值（称為(wèi)矫顽力），铁心中的磁化强度（在B场中显示）才不会完全减小(xiǎo)到零。下图显示了由于線(xiàn)圈中的電(diàn)流产生的H场，磁芯B场上的磁滞效应。

磁滞窗口。

H场不在芯材中的磁畴上起作用(yòng)，但是将磁场视為(wèi)经历非保守力（在许多(duō)圈子中称為(wèi)磁摩擦）仍然很(hěn)方便。摩擦比喻更容易，因為(wèi)功率损耗将自身表现為(wèi)热量。实际上，磁场实际上确实偏移了芯材中的磁畴。这会导致在非常高的磁场下工作的大型变压器产生熟悉的嗡嗡声和振动。由于存在色散，磁滞损耗随频率而变化，因此在选择变压器时应予以考虑。

您可(kě)以减少磁滞损耗吗？

简单的答(dá)案是，通过添加一些组件或调整几何形状无法轻易减少磁滞损耗。对于给定的铁心材料，变压器铁芯中的磁滞损耗与磁滞窗中封闭的面积成比例。由于这个原因，使用(yòng)高度易磁化的材料，因為(wèi)它们倾向于具有(yǒu)狭窄的磁滞窗。常用(yòng)变压器铁芯材料的材料性能(néng)和100 kHz标称损耗的表格。

除磁滞损耗外，每台变压器还遭受以下损耗源：

泄漏损失。并非所有(yǒu)的变压器设计都是完美的，某些磁场会从变压器的铁心泄漏出去。这样可(kě)以减小(xiǎo)在次级绕组上看到的磁场，因此输入電(diàn)流将略有(yǒu)减小(xiǎo)。 

导體(tǐ)损耗。用(yòng)于绕芯線(xiàn)形成绕组的导體(tǐ)（通常是铜）具有(yǒu)一定的電(diàn)导率，因此绕组中会有(yǒu)一些IR降。 

涡流损耗。随着输入磁通量的连续时间切换，在铁芯中会感应出涡流，从而产生欧姆损耗。此处的解决方案是使用(yòng)横截面积较小(xiǎo)且导電(diàn)率较高的磁芯。 

并非所有(yǒu)的SPICE变压器模型都包括所有(yǒu)损耗源。最基础的SPICE模型是纯線(xiàn)性，不包括任何的损失。要在标准SPICE仿真中使用(yòng)实际变压器，您需要使用(yòng)建模工具来解决功率转换系统中的磁滞或其他(tā)损耗。自从SPICE模拟器问世以来，就一直在研究電(diàn)子设计领域。以了解更多(duō)有(yǒu)关為(wèi)带滞回的变压器开发SPICE模型的信息。

高電(diàn)流系统中的示例三相電(diàn)压波形。注意由于磁滞引起的变形。

功率转换的其他(tā)重要部分(fēn)

電(diàn)力系统和電(diàn)气设备必须遵守IEEE 519-2014，NEMA IS07 P1-2019和IEC等标准，所有(yǒu)这些标准都定义了電(diàn)力電(diàn)子设备中总谐波失真（THD）的可(kě)接受上限。这些标准以各种方式影响与变压器磁滞相关的系统的其他(tā)方面。

除了明智地选择变压器之外，您还需要仔细选择以下组件和電(diàn)路拓扑，以进行功率转换，调节和滤波。下表列出了交流输入/转换部分(fēn)需要包括的重要组件和電(diàn)路的简短列表：