Гістерезис в електротехніці і електроніці: що це таке

В електротехніці є різні прилади, принцип роботи яких заснований на електромагнітні явища. Де є сердечник, на якому намотана котушка з провідного матеріалу, наприклад, міді, спостерігаються взаємодії за рахунок магнітних полів. Це реле, пускачі, контактори, електродвигуни та магніти. Серед характеристик сердечників є така характеристика як гістерезис. У цій статті ми розглянемо, що це таке, а також Кака користь і шкода від цього явища.

визначення поняття

У слова «Гістерезис» грецьке коріння, воно перекладається як запізнілий або відстає. Цей термін використовується в різних сферах науки і техніки. У загальному сенсі поняття гістерезис відрізняє різну поведінку системи при протилежних впливах.

Це можна сказати і більш простими словами. Припустимо є якась система, на яку можна впливати в декількох напрямках. Якщо при впливі на неї в прямому напрямку, після припинення система не повертається у вихідне стан, а встановлюється в проміжному – тоді щоб повернути в початковий стан потрібно впливати вже в іншому напрямку з якоюсь силою. В цьому випадку система має гистерезисом.

Іноді це явище використовується в корисних цілях, наприклад, для створення елементів, які спрацьовують при певних порогових значеннях впливають сил і для регуляторів. В інших випадках гистерезис несе згубний вплив, розглянемо це на практиці.

Гістерезис в електротехніці

В електротехніці гистерезис – це важлива характеристика для матеріалів, з яких виготовляються сердечники електричних машин і апаратів. Перш ніж приступати до пояснень, давайте розглянемо криву намагнічування сердечника.

Зображення на графіку подібного виду називають також петлею гистерезиса.

Важливо! В даному випадку мова йде про гістерезис феромагнетиках, тут це нелінійна залежність внутрішньої магнітної індукції матеріалу від величини зовнішньої магнітної індукції, яка залежить від попереднього стану елемента.

При протіканні струму через провідник навколо останнього виникає магнітне і електричне поле. Якщо змотати провід в котушку і пропустити через нього струм, то вийде електромагніт. Якщо помістити всередину котушки сердечник, то її індуктивність збільшиться, як і сили, що виникають навколо неї.

Чому залежить гистерезис? Відповідно сердечник виготовляється з металу, від його типу залежать його характеристики і крива намагнічування.

Якщо використовувати, наприклад, живого сталі, то гістерезис буде ширше. При виборі так званих магнитомягких матеріалів – графік звузиться. Що це означає і для чого це потрібно?

Справа в тому, що при роботі такої котушки в колі змінного струму струм протікає то в одному, то в іншому напрямку. В результаті і магнітні сили, полюса постійно перевертається. У котушці без сердечника це відбувається в принципі одночасно, але з сердечником справи йдуть інакше. Він поступово намагничивается, його магнітна індукція зростає і поступово доходить до майже горизонтального ділянки графіка, який називається ділянкою насичення.

Після цього, якщо ви почнете змінювати напрямок струму і магнітного поля, сердечник повинен буде перемагнитилось. Але якщо просто відключити струм і тим самим прибрати джерело магнітного поля, сердечник все одно залишиться намагніченим, хоч і не так сильно. На наступній діаграмі це точка «А». Щоб його розмагнітити до вихідного стану потрібно створити вже негативну напруженість магнітного поля. Це точка «Б». Відповідно струм в котушці повинен протікати в зворотному напрямку.

Значення напруженості магнітного поля для повного розмагнічування сердечника називається коерцитивної силою і чим вона менша, тим краще в даному випадку.

Перемагнічування в зворотному напрямку буде проходити аналогічно, але вже по нижній гілки петлі. Тобто при роботі в колі змінного струму частина енергії буде витрачатися на перемагнічування сердечника. Це веде до того що ККД електродвигуна і трансформатора знижується. Відповідно це призводить до його нагрівання.

Важливо! Чим менше гістерезис і коерцитивної сила, тим менше втрати на перемагнічування сердечника.

Крім вище описаного гистерезис характерний і для роботи реле та інших електромагнітних комутаційних приладів. Наприклад, струм відключення і включення. Коли реле вимкнено, щоб воно спрацювало потрібно докласти певний струм. При цьому струм його утримання у включеному стані може бути набагато нижче струму включення. Воно відключиться тільки тоді, коли струм опуститься нижче струму утримання.

Гістерезис в електроніці

В електронних пристроях гистерезис несе в основному корисні функції. Припустимо це використовується в порогових елементах, наприклад, компараторах і тригерах Шмідта. Нижче ви бачите графік його станів:

Це потрібно в тих випадках, щоб пристрій спрацював при досягненні сигналу X, після чого сигнал може почати зменшуватися і пристрій не відключить до тих пір, поки сигнал не впаде до рівня Y. Таке рішення використовується для придушення брязкоту контакту, перешкод і випадкових сплесків, а також в різних регуляторах.

Наприклад, термостат або регулятор температури. Зазвичай його принцип дії полягає в тому, щоб відключити нагрівальний (або охолоджувальний) прилад в той момент, коли температура в приміщенні або іншому місці досягла заданого рівня.

Розглянемо два варіанти роботи коротко і просто:

  1. Без гистерезиса. Включення і відключення при заданій температурі. При цьому тут є нюанси. Якщо ви встановили регулятор температури на 22 градусів і обігріваєте кімнату до цього рівня, то як тільки в кімнаті буде 22 він вимкнеться, а коли знову опуститься до 21 – включиться. Це не завжди правильне рішення, тому що ваш керований прилад буде занадто часто включатися і відключатися. До того ж в більшості побутових і багатьох виробничих завданнях немає потреби настільки чіткою підтримки температури.
  2. З гистерезисом. Щоб зробити такий собі зазор в допустимих межах регульованих параметрів застосовують гистерезис. Тобто, якщо ви встановили температуру в 22 градуси, то, як тільки вона буде досягнута, обігрівач відключиться. Припустимо, що гістерезис в регуляторі встановлений на зазор в 3 градуси, то обігрівач знову запрацює тільки тоді, коли температура повітря опуститься до 19 градусів.

Іноді цей зазор регулюється на ваш розсуд. У простих виконаннях використовуються біметалічні пластини.

Наостанок рекомендуємо переглянути корисне відео, в якому розповідається, що таке гістерезис і як його можна використовувати:

Ми розглянули явище і застосування гістерезису в електриці. Підсумок наступний: в електроприводі і трансформаторах він несе згубний ефект, а в електроніці та різноманітних регуляторах знаходить і корисне застосування. Сподіваємося, надана інформація була для вас корисною і цікавою!

Ссылка на основную публикацию