Гистерезис это в электротехнике

Что такое гистерезис в температурах и давлениях?

Гистере́зис (в переводе с греческого — отстающий) — свойство систем (физических, логических, биологических и т. д.), мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией.

Многие устройства по регулировке и контролю температуры систем отопления имеют настройку не только температуры, но и обязательную настройку гистерезиса, которая позволяет уменьшить количество переключения в единицу времени между двумя положениями: Вкл / Выкл. Гистерезис также позволяет повысить точность регулировки температуры уменьшением гистерезиса.

На сегодняшний день в основном существует только дуальный гистерезис, имеющий только два положения.

К примеру, мы рассмотрим два варианта:

1. Температурный гистерезис – для логики темростатов

2. Гистерезис давления – реле включения / отключения насосов

Как известно у них имеется только два варианта: Вкл / Выкл.

Данное понятие можно разделить на две составляющее:

1. Обозначить этим термином само явление, что существует гистерезис. Например, что данная система обладает гистерезисом.

2. Обозначить значение гистерезиса. Например, сказать, что гистерезис равен 2 градусам.

Исходя из этого

Гистерезисом называется или величина, при котором сигнал меняется на противоположный сигнал. Или сам эффект при котором, действие переключения на противоположный сигнал осуществляется с некоторой задержкой по величине влияния. (Например, при достижение нормы температуры и превышение этой нормы сигнал изменится не сразу, а по достижению той самой величины гистерезиса).

График температурного гистерезиса

Пример для термостата

Термостат настроен на 25 градусов с гистерезисом 2 градуса.

Предположим что температура помещения 20 градусов. Когда температура достигнет 27 градусов термостат переходит в положение отключения. После этого температура помещения будет падать. Когда температура достигнет 23 градусов, то термостат переходит в положение включения. Цикл замыкается.

Пример для реле давления

Реле настроено на два порога: Порог включения 1,2 Bar, порог отключения 3 Bar

Гистерезис при этом будет равен 0,9 Bar. (3-1,2)/2=0,9

Когда давление составляет 1 Bar, реле замыкает контакт. Когда давление достигает 3 Bar, реле размыкает контакт. Когда давление достигает 1,2 Bar, реле вновь замыкает контакт. Цикл повторяется.

Вот собственно так и нужно понимать логику гистерезиса.

Если бы давление включение и отключения имели одно значение, то гистерезиса бы не было. То есть если порог включения равен порогу отключения, то в такой системе отсутствует гистерезис.

А поскольку комнатные термостаты обладают разными порогами включения и отключения, то такая система обладает гистерезисом. Гистерезис в свою очередь позволяет реже производить переключение между двумя положениями: Вкл / Выкл. Но чем больше гистерезис, тем выше скачкообразное изменение температуры.

Существуют другие графики гистерезисов. Например, магнитный гистерезис

В данной статье мы рассмотрим явление под названием магнитный гистерезис, которое связано со свойствами намагничивания материала, благодаря которому он сначала намагничивается, а затем размагничивается. Рассмотрим кривые намагничивания, сохраняемость, а так же магнитную петлю гистерезиса.

Описание явления магнитного гистерезиса

Мы знаем, что магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой, представляет собой величину магнитного поля или силовых линий, создаваемых в данной области, и что его чаще называют «плотностью потока», обозначенным символ B с единицей измерения Тесла, Т.

Мы также знаем из предыдущих уроков, что магнитная сила электромагнита зависит от числа витков катушки, тока, протекающего через катушку, или от типа используемого материала сердечника, и если мы увеличим либо ток, либо число оказывается, мы можем увеличить напряженность магнитного поля H.

Ранее относительная проницаемость, символ µ _r, определялась как отношение абсолютной проницаемости µ и проницаемости свободного пространства µ _o(вакуум), и это задавалось как постоянная величина. Однако взаимосвязь между плотностью потока B и напряженностью магнитного поля H может быть определена тем фактом, что относительная проницаемость µ _r не является постоянной величиной, а функцией интенсивности магнитного поля, что дает плотность магнитного потока как: B = M H .

Тогда плотность магнитного потока в материале будет увеличена в большей степени в результате его относительной проницаемости для материала по сравнению с плотностью магнитного потока в вакууме, µ _o H, а для катушки с воздушной сердцевиной это соотношение определяется как:

Таким образом, для ферромагнитных материалов отношение плотности потока к напряженности поля ( B / H ) не является постоянным, а изменяется в зависимости от плотности потока. Тем не менее, для катушек с воздушной сердцевиной или любой сердцевины с немагнитной средой, такой как дерево или пластмасса, это отношение можно считать постоянной величиной, и эта постоянная известна как μ _o , проницаемость свободного пространства ( μ _o = 4.π.10 -7 ч / м ).

Построив значения плотности потока ( B ) против напряженности поля, ( Н ) мы можем произвести набор кривых , называемых Кривые намагничивания, кривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

Набор кривых намагничивания выше, представляет пример взаимосвязи между B и H для сердечников из мягкого железа и стали, но каждый тип материала сердечника будет иметь свой собственный набор кривых магнитного гистерезиса. Вы можете заметить, что плотность потока увеличивается пропорционально напряженности поля до тех пор, пока она не достигнет определенного значения, если оно больше не может становиться почти равным и постоянным, поскольку напряженность поля продолжает увеличиваться.

Это связано с тем, что существует ограничение на количество плотности потока, которое может генерироваться ядром, поскольку все домены в железе идеально выровнены. Любое дальнейшее увеличение не будет влиять на значение M , и точка на графике, где плотность потока достигает своего предела, называется магнитным насыщением, также известным как насыщение сердечника, и в нашем простом примере выше точки насыщения стальной кривой начинается примерно с 3000 ампер-витков на метр.

Насыщение происходит потому, что, как мы помним из предыдущей статьи по магнетизму, который включал теорию Вебера, случайное расположение структуры молекулы в материале ядра изменяется, когда крошечные молекулярные магниты в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности магнитного поля ( H ) эти молекулярные магниты становятся все более и более выровненными, пока они не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока, протекающего через катушку, будет иметь мало или вообще не будет иметь эффекта.

Сохраняемость (способность сохранять остаточный магнетизм)

Предположим, что у нас есть электромагнитная катушка с высокой напряженностью поля из-за тока, протекающего через нее, и что материал ферромагнитного сердечника достиг своей точки насыщения, максимальной плотности потока. Если мы теперь откроем переключатель и удалим ток намагничивания, протекающий через катушку, мы ожидаем, что магнитное поле вокруг катушки исчезнет, ​​когда магнитный поток уменьшится до нуля.

Однако магнитный поток не исчезает полностью, поскольку материал электромагнитного сердечника все еще сохраняет часть своего магнетизма, даже когда ток прекращает течь в катушке. Эта способность к катушке, чтобы сохранить часть своего магнетизма внутри сердечника после процесса намагничивания остановилось называются сохраняемость или остаточной намагниченности, в то время как величина плотности потока все еще остается в ядре, называется остаточным магнетизмом B _R .

Причиной этого является то, что некоторые из крошечных молекулярных магнитов не возвращаются к совершенно случайному образцу и все же указывают в направлении исходного поля намагничивания, давая им своего рода «память». Некоторые ферромагнитные материалы обладают высокой удельной удерживаемостью (магнитной твердостью), что делает их превосходными для изготовления постоянных магнитов.

В то время как другие ферромагнитные материалы имеют низкую способность удерживать (магнитно-мягкие), что делает их идеальными для использования в электромагнитах, соленоидах или реле. Один из способов уменьшить эту остаточную плотность потока до нуля — изменить направление тока, протекающего через катушку, путем изменения значения H, напряженности магнитного поля, отрицательной. Этот эффект называется коэрцитивной силой H _C .

Если этот обратный ток увеличивается еще больше, то плотность потока будет также увеличиваться в обратном направлении, пока ферромагнитный сердечник не достигнет насыщения снова, но в обратном направлении от предыдущего. Снижая ток намагничивания I снова до нуля создаст аналогичную величину остаточного магнетизма, но в обратном направлении.

Затем путем постоянного изменения направления тока намагничивания через катушку с положительного направления на отрицательное направление, как в случае с источником переменного тока, можно создать петлю магнитного гистерезиса ферромагнитного сердечника.

Магнитная петля гистерезиса

Магнитная петля гистерезиса выше, показывает поведение ферромагнитного сердечника графически в виде соотношения между B и H является нелинейным. Начиная с немагнитного сердечника, и B, и H будут в нуле, точка 0 на кривой намагничивания.

Если ток намагничивания I увеличивается в положительном направлении до некоторого значения, напряженность магнитного поля H линейно увеличивается с I,и плотность потока B также будет увеличиваться, как показано кривой из точки 0 в точку a, когда она движется к насыщению.

Теперь, если ток намагничивания в катушке уменьшается до нуля, магнитное поле, циркулирующее вокруг сердечника, также уменьшается до нуля. Однако магнитный поток катушек не достигнет нуля из-за остаточного магнетизма, присутствующего в сердечнике, и это показано на кривой от точки а к точке b .

Чтобы уменьшить плотность потока в точке b до нуля, необходимо обратить ток, протекающий через катушку. Сила намагничивания, которая должна применяться для обнуления остаточной плотности потока, называется «Коэрцитивной силой». Эта коэрцитивная сила меняет магнитное поле, перестраивая молекулярные магниты, пока ядро ​​не станет немагнитным в точке с .

Увеличение этого обратного тока вызывает намагничивание сердечника в противоположном направлении, и дальнейшее увеличение этого тока намагничивания приведет к тому, что сердечник достигнет своей точки насыщения, но в противоположном направлении, точки d на кривой.

Эта точка симметрична точке b . Если ток намагничивания снова уменьшится до нуля, остаточный намагниченность, присутствующая в сердечнике, будет равна предыдущему значению, но в точке е будет обратной .

Снова изменение направления тока намагничивания, протекающего через катушку на этот раз в положительном направлении, приведет к тому, что магнитный поток достигнет нуля, точка f на кривой, и, как и прежде, дальнейшее увеличение тока намагничивания в положительном направлении приведет к насыщению сердечника в точке а .

Затем кривая B-H следует по пути a-b-c-d-e-f-a, когда ток намагничивания, протекающий через катушку, чередуется между положительным и отрицательным значением, таким как цикл переменного напряжения. Этот путь называется магнитной петлей гистерезиса.

Эффект магнитного гистерезиса показывает, что процесс намагничивания ферромагнитного сердечника и, следовательно, плотность потока зависят от того, на какую часть кривой намагничивается ферромагнитный сердечник, поскольку это зависит от прошлых цепей, придающих сердечнику форму «памяти». Тогда ферромагнитные материалы имеют память, потому что они остаются намагниченными после того, как внешнее магнитное поле было удалено.

Однако мягкие ферромагнитные материалы, такие как железная или кремниевая сталь, имеют очень узкие петли магнитного гистерезиса, что приводит к очень небольшим количествам остаточного магнетизма, что делает их идеальными для использования в реле, соленоидах и трансформаторах, поскольку они могут легко намагничиваться и размагничиваться.

Поскольку для преодоления этого остаточного магнетизма необходимо применять коэрцитивную силу, необходимо выполнить работу по замыканию петли гистерезиса, чтобы используемая энергия рассеивалась в виде тепла в магнитном материале. Это тепло известно как потеря гистерезиса, величина потери зависит от значения материала коэрцитивной силы.

Добавляя добавки к металлическому железу, такие как кремний, можно получить материалы с очень малой коэрцитивной силой, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Материалы с узкими петлями гистерезиса легко намагничиваются и размагничиваются и известны как магнитомягкие материалы.

Магнитные петли гистерезиса для мягких и твердых материалов

Магнитный гистерезис приводит к рассеиванию потраченной энергии в виде тепла, причем энергия теряется пропорционально площади петли магнитного гистерезиса. Потери гистерезиса всегда будут проблемой в трансформаторах переменного тока, где ток постоянно меняет направление, и, таким образом, магнитные полюсы в сердечнике будут вызывать потери, потому что они постоянно меняют направление.

Вращающиеся катушки в машинах постоянного тока также будут нести гистерезисные потери, поскольку они попеременно проходят севернее южных магнитных полюсов. Как указывалось ранее, форма петли гистерезиса зависит от природы используемого железа или стали, и в случае железа, которое подвергается массивным изменениям магнетизма, например, сердечники трансформатора, важно, чтобы петля гистерезиса B-H была как можно меньше.

В следующей статье об электромагнетизме мы рассмотрим закон электромагнитной индукции Фарадея и увидим, что, перемещая проводной проводник в стационарном магнитном поле, можно вызвать электрический ток в проводнике, образующий простой генератор.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение магнитной индукции сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также силовых трансформаторов, должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу. Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В электротехнике и электронике явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.