0.10 mm與0.23 mm取向硅鋼在不同運(yùn)行工況下磁特性的測(cè)量與對(duì)比分析

劉洋，鞏學(xué)海，陳新，韓鈺，楊富堯，馬光，高潔

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 先進(jìn)輸電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

0 引言

目前，電力電子裝備用取向硅鋼按照厚度大致可分為兩類：一類是厚度小于等于0.10 mm的超薄取向硅鋼，另一類是厚度大于等于0.20 mm的普通厚度取向硅鋼（非激光刻痕類）[8]。由于超薄取向硅鋼長(zhǎng)期受國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)缺少超薄取向硅鋼材料及相應(yīng)磁性能數(shù)據(jù)，使電力電子裝備設(shè)計(jì)人員在選用超薄取向硅鋼時(shí)面臨困惑，在超薄取向硅鋼與普通厚度取向硅鋼間無法直接做出合理的選擇。國(guó)內(nèi)普通厚度取向硅鋼的應(yīng)用較多，已經(jīng)積累了一些不同運(yùn)行工況下的磁性能數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9-14]基于愛潑斯坦方圈，實(shí)現(xiàn)了不同溫度，不同頻率下普通厚度取向硅鋼磁損耗的測(cè)量。文獻(xiàn)[15?16]采用逆變電路搭建了脈寬調(diào)制（PWM）電源激勵(lì)條件下硅鋼材料鐵損的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了普通厚度無取向電工鋼在PWM電源激勵(lì)下的磁損耗。文獻(xiàn)[17]提出了采用單片法測(cè)量PWM激勵(lì)工況下取向硅鋼磁特性的測(cè)量方法與計(jì)算模型。文獻(xiàn)[18]搭建了鐵心試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了不同諧波對(duì)取向硅鋼鐵心損耗的影響。上述文獻(xiàn)雖然已經(jīng)涉及了不同運(yùn)行工況下硅鋼磁性能的測(cè)量，但測(cè)量對(duì)象均是普通厚度取向硅鋼或無取向硅鋼，未涉及超薄取向硅鋼的磁性能，電力電子裝備設(shè)計(jì)人員對(duì)超薄取向硅鋼在不同運(yùn)行工況下的磁特性認(rèn)識(shí)仍不充分。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，基于中頻愛潑斯坦方圈測(cè)量裝置對(duì)0.10 mm超薄取向硅鋼與普通厚度0.23 mm取向硅鋼在不同運(yùn)行工況下的磁性能進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)比獲得了2種不同類型取向硅鋼在不同頻率正弦磁化工況、PWM激勵(lì)工況及特殊的脈沖工況下的磁性能，為電力電子裝備鐵心材料的設(shè)計(jì)選型提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 不同運(yùn)行工況下取向硅鋼磁特性的測(cè)量方法

1.1 中頻愛潑斯坦方圈測(cè)量裝置

傳統(tǒng)愛潑斯坦方圈法是一種比較成熟的取向硅鋼磁性能測(cè)量方法，適用于測(cè)量取向硅鋼的低頻磁性能，最高測(cè)試頻率為400 Hz[19]。當(dāng)測(cè)量頻率較高時(shí)，傳統(tǒng)愛潑斯坦方圈法存在兩個(gè)問題：一是測(cè)量裝置匝數(shù)多，對(duì)電源電壓及容量要求高，較難實(shí)現(xiàn)高磁通密度測(cè)量；二是當(dāng)頻率較高時(shí)傳統(tǒng)愛潑斯坦方圈的高頻寄生電容影響增強(qiáng)，會(huì)影響磁性能測(cè)量結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)中頻、高磁通密度條件下超薄取向硅鋼磁性能的測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)700匝愛潑斯坦方圈進(jìn)行了改進(jìn)，研制了適用于中頻的愛潑斯坦方圈測(cè)量裝置，將初級(jí)線圈與次級(jí)線圈匝數(shù)減少為100匝，使測(cè)量頻率提高到1 kHz以上，最高可達(dá)10 kHz，改進(jìn)的中頻愛潑斯坦方圈符合IEC 60404-10標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。圖1為改進(jìn)中頻愛潑斯坦方圈測(cè)量裝置示意與實(shí)物圖。試驗(yàn)時(shí)樣片的不同搭接方式會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，為了避免搭接方式的影響，測(cè)試統(tǒng)一采用現(xiàn)有國(guó)標(biāo)GB 10129中規(guī)定的雙搭接方式。

圖1 中頻愛潑斯坦方圈測(cè)量裝置Fig. 1 Epstein frame for medium frequency measurement

1.2 不同運(yùn)行工況的實(shí)現(xiàn)方法

為了實(shí)現(xiàn)不同激勵(lì)工況下取向硅鋼磁性能的測(cè)量，需要對(duì)磁通密度波形進(jìn)行反饋控制，通過閉環(huán)反饋控制將磁通密度波形調(diào)整至所需磁化波形。圖2為不同激勵(lì)工況下取向硅鋼磁性能測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖。測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、任意波形信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、隔離變壓器、精密采樣電阻、雙通道D/A轉(zhuǎn)換器及中頻愛潑斯坦方圈組成。隔離變壓器的作用是隔離系統(tǒng)中的直流，避免直流分量進(jìn)入愛潑斯坦方圈影響磁性能測(cè)量結(jié)果。精密采樣電阻采用了德國(guó)進(jìn)口的0.1歐姆無感電阻，帶寬（?3 dB）為120 MHz用于測(cè)量愛潑斯坦方圈的勵(lì)磁電流。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)接線Fig. 2 Connection diagram of measurement system

在磁性能測(cè)量時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制任意波形信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過功率放大器及隔離變壓器后為愛潑斯坦方圈初級(jí)線圈提供勵(lì)磁電壓。雙通道D/A轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)采集初級(jí)繞組電流及次級(jí)線圈電壓，以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁通密度B的測(cè)量。計(jì)算機(jī)根據(jù)每一次采集的磁通密度B波形與目標(biāo)磁通密度波形（控制目標(biāo)）的差值，不斷修正模擬輸出電壓信號(hào)，直至采集的磁通密度波形與目標(biāo)磁通密度波形一致為止。波形的控制方法[17]為

式中：i為迭代次數(shù)；k為比例系數(shù)；Uout為輸出電壓波形；Btarget為目標(biāo)磁通密度的波形；Bmeasure為根據(jù)次級(jí)感應(yīng)電壓積分得到的磁通密度測(cè)量波形。目標(biāo)磁通密度波形可以為正弦波也可以為非正弦波，由測(cè)量人員根據(jù)實(shí)際電力電子裝備的激勵(lì)工況進(jìn)行設(shè)定。

2 不同運(yùn)行工況下0.10 mm超薄取向硅鋼與0.23 mm取向硅鋼磁性能的對(duì)比分析

不同運(yùn)行工況下取向硅鋼的磁性能是不同的。按照標(biāo)準(zhǔn)正弦磁化工況下取向硅鋼的磁性能數(shù)據(jù)對(duì)電力電子裝備的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的設(shè)計(jì)偏差，嚴(yán)重可能導(dǎo)致電力電子裝備的損壞，造成無法估計(jì)的損失。為了避免出現(xiàn)上述情況，須根據(jù)實(shí)際電力電子裝備的運(yùn)行工況對(duì)磁芯材料進(jìn)行合理的選型。超薄取向硅鋼與普通厚度取向硅鋼在電力電子裝備中均有應(yīng)用，為了解決設(shè)計(jì)人員在二者間的選型困惑，選取常用的GT100牌號(hào)0.10 mm厚度超薄取向硅鋼與23QG100牌號(hào)普通厚度取向硅鋼作為研究對(duì)象，對(duì)兩種取向硅鋼在中高頻正弦磁化、PWM脈沖調(diào)制及特殊的脈沖振蕩等電力電子裝備運(yùn)行工況下的磁性能進(jìn)行了測(cè)量與對(duì)比分析。

大部分農(nóng)村的村莊規(guī)劃，對(duì)村民住宅的規(guī)劃規(guī)定十分粗略，相對(duì)簡(jiǎn)單。很多村莊規(guī)劃都只是對(duì)住宅的建筑朝向進(jìn)行了大致的規(guī)定，但是其他方面如建筑選址、建筑整體規(guī)劃等并沒有明確的規(guī)定。因而多數(shù)村民的住宅在建造的時(shí)候會(huì)“沿路而建”，住址建造的時(shí)候受地貌，交通的影響較大。同時(shí)住宅與住宅之間相隔較遠(yuǎn)，空置的閑地相對(duì)較多。因?yàn)橥鶗?huì)出現(xiàn)建筑排列不夠規(guī)則、居住點(diǎn)相對(duì)分散的情況，這也使得土地利用率大大降低，農(nóng)村土地的嚴(yán)重浪費(fèi)。同時(shí)也會(huì)使得在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)當(dāng)中，工程量變大、成本更高、利用率卻不足。

2.1 不同頻率正弦磁化條件下取向硅鋼磁性能的測(cè)量與對(duì)比

近幾年，隨著電力電子器件與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子裝備的頻率逐漸向中高頻方向發(fā)展。為了滿足電力電子裝備的發(fā)展需求，對(duì)電力電子裝備用取向硅鋼材料的性能也提出了新要求，要求具有較好的中高頻特性。圖3為隨著頻率變化GT100超薄取向硅鋼與23QG100普通厚度取向硅鋼磁化曲線的對(duì)比結(jié)果。

圖3 不同頻率下取向硅鋼的磁化曲線Fig. 3 Magnetization curves of oriented silicon steel at different frequencies

對(duì)比結(jié)果表明：頻率變化對(duì)兩種取向硅鋼材料飽和區(qū)域磁化曲線影響不大，飽和后不同頻率的磁化曲線基本重合。飽和前磁化曲線對(duì)頻率變化較為敏感，隨著頻率增加取向硅鋼材料的磁導(dǎo)率逐漸降低。普通取向硅鋼與超薄取向硅鋼相比，隨著頻率增加磁導(dǎo)率下降更明顯，受頻率影響更大。表1為當(dāng)Bm=1.50 T時(shí)，隨著頻率變化GT100超薄取向硅鋼與23QG100普通厚度取向硅鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率。當(dāng)頻率由 50 Hz 增加到 1000 Hz時(shí)，超薄取向硅鋼相對(duì)磁導(dǎo)率降低了39%，普通厚度取向硅鋼相對(duì)磁導(dǎo)率降低了81%。

表1 當(dāng)Bm=1.5 T時(shí)，GT100與23QG100取向硅鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率結(jié)果Table 1 The relative permeability of GT100 and 23QG100 when Bm=1.50 T

圖4為隨著頻率變化GT100與23QG100取向硅鋼損耗曲線對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：超薄取向硅鋼與普通厚度取向硅鋼的頻率適用范圍不同，二者存在損耗的臨界頻率。對(duì)于GT100與23QG100兩種取向硅鋼，損耗臨界頻率約為200 Hz，即當(dāng)頻率小于200 Hz時(shí)，普通厚度取向硅鋼損耗較低，當(dāng)頻率超過200 Hz時(shí)，超薄取向硅鋼損耗較低。需要指出的是當(dāng)硅鋼牌號(hào)不同時(shí)，兩種不同類型取向硅鋼的損耗臨界頻率也將改變，需要針對(duì)不同牌號(hào)的取向硅鋼做進(jìn)一步的測(cè)試分析才能確定相應(yīng)的損耗臨界頻率。

圖4 隨頻率變化GT100與23QG100取向硅鋼損耗曲線Fig. 4 Loss curves of GT100 and 23QG100 with frequency variation

2.2 PWM脈寬調(diào)制工況下取向硅鋼磁性能的測(cè)量與對(duì)比

PWM脈寬調(diào)制技術(shù)在電力電子裝備中應(yīng)用廣泛，按照調(diào)制方式可分為單極性與雙極性兩種。圖5為雙極性PWM脈寬調(diào)制工況的波形圖。

圖5 雙極性PWM脈寬調(diào)制波形Fig. 5 Bipolar PWM pulse width modulation waveform

圖5中正弦波Ur為調(diào)制波信號(hào)，三角波Uc為載波信號(hào)，Uo為輸出的等效脈沖電壓。在PWM脈寬調(diào)制技術(shù)中，影響輸出電壓的因素有2個(gè)：一是載波比；二是調(diào)制比。載波比為

式中：Kf為載波比；fv為載波頻率；fs為調(diào)制波頻率。

調(diào)制比為

式中：KA為調(diào)制比；Urm為調(diào)制波幅值；Ucm為載波幅值。

單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制對(duì)取向硅鋼磁性能的影響規(guī)律基本相同[20]。本文選取雙極性PWM脈寬調(diào)制工況下超薄取向硅鋼與普通厚度取向硅鋼的磁性能進(jìn)行分析。圖6為當(dāng)調(diào)制比KA=0.9，調(diào)制波頻率fs=50 Hz時(shí)，不同載波比對(duì)GT100超薄取向硅鋼磁滯回線的影響。

圖6 當(dāng)調(diào)制比KA=0.9時(shí)，不同載波比對(duì)超薄取向硅鋼磁滯回線的影響（GT100）Fig. 6 When KA=0.9, the effect of different carrier ratios on hysteresis loop of GT100

圖7為不同載波比對(duì)GT100超薄取向硅鋼損耗曲線的影響。當(dāng)載波比增加時(shí)，磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度中的諧波含量降低，諧波次數(shù)增加，磁滯回線中局部磁滯回環(huán)的面積逐漸減小，損耗呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖7 當(dāng)調(diào)制比KA=0.9時(shí)，不同載波比對(duì)超薄取向硅鋼損耗曲線的影響（GT100）Fig. 7 When KA=0.9, the effect of different carrier ratio on the loss curve of GT100

圖8為當(dāng)載波比Kf=60，調(diào)制波頻率fs=50 Hz時(shí)，不同調(diào)制比對(duì)GT100超薄取向硅鋼磁滯回線的影響。

圖8 當(dāng)載波比Kf=60時(shí)，不同調(diào)制比對(duì)超薄取向硅鋼磁滯回線的影響（GT100）Fig. 8 When Kf=60, the effect of different modulation ratio on hysteresis loop of GT100

圖9為不同載波比對(duì)GT100超薄取向硅鋼損耗曲線的影響。隨著調(diào)制比的減小，磁滯回線中局部磁滯回環(huán)的面積逐漸增加，損耗呈逐漸增加趨勢(shì)。

圖9 當(dāng)載波比Kf=60時(shí)，不同調(diào)制比對(duì)超薄取向硅鋼損耗曲線的影響（GT100）Fig. 9 When Kf=60, the effect of different modulation ratio on the loss curve of GT100

需要指出的是調(diào)制比、載波比對(duì)GT100超薄取向硅鋼與23QG100取向硅鋼磁滯回線及損耗特性的影響規(guī)律相同，本文不再對(duì)調(diào)制比、載波比對(duì)23QG100取向硅鋼磁特性測(cè)量結(jié)果進(jìn)行闡述。

圖10為當(dāng)調(diào)制比KA=0.9，載波比Kf=60時(shí)，不同調(diào)制波頻率下GT100超薄取向硅鋼與23QG100普通厚度取向硅鋼損耗曲線的對(duì)比結(jié)果。對(duì)比結(jié)果表明：當(dāng)調(diào)制比與載波比相同時(shí)，超薄取向硅鋼與普通取向硅鋼的損耗主要與調(diào)制波頻率相關(guān)，隨著調(diào)制波頻率的增加，普通取向硅鋼損耗增加明顯，超薄取向硅鋼表現(xiàn)出損耗低的特點(diǎn)。這與不同頻率正弦磁化工況下兩種取向硅鋼表現(xiàn)出的磁特性具有相似規(guī)律。不同之處在于PWM脈沖調(diào)制工況下，超薄取向硅鋼與普通取向硅鋼損耗的臨界頻率比正弦磁化工況下有所降低，小于正弦磁化工況下的200 Hz，即普通取向硅鋼的適用頻率降低。

圖10 當(dāng)KA=0.90，Kf=60時(shí)，不同載波頻率下GT100與23QG100損耗曲線對(duì)比Fig. 10 When KA=0.90，Kf=60，the loss curves of GT100 and 23QG100 at different carrier frequencies

由上所述，當(dāng)調(diào)制比與載波比不變時(shí)，應(yīng)根據(jù)調(diào)制波頻率選擇取向硅鋼類型，調(diào)制頻率較高時(shí)優(yōu)先選擇超薄取向硅鋼，調(diào)制頻率較低時(shí)優(yōu)先選擇普通取向硅鋼。

2.3 特殊的脈沖振蕩工況下取向硅鋼磁性能的測(cè)量與分析

在電力電子裝備中，除上述常見的中高頻正弦磁化和PWM脈沖調(diào)制工況外，還包含一些特殊的運(yùn)行工況，如特高壓直流換流閥飽和電抗器的運(yùn)行工況。目前在這種特殊運(yùn)行工況下取向硅鋼磁特性的數(shù)據(jù)尚未見公開報(bào)道。本文以特高壓直流換流閥飽和電抗器的運(yùn)行工況為例，對(duì)特殊工況下超薄取向硅鋼與普通取向硅鋼的磁特性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11為一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)特高壓直流換流閥飽和電抗器運(yùn)行時(shí)的電壓波形。在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)換流閥正向開通一次，反向關(guān)斷一次，形成了特殊的脈沖振蕩工況。

圖11 一個(gè)周期內(nèi)特高壓直流換流閥飽和電抗器電壓波形Fig. 11 The voltage waveform of the saturated reactor of UHVDC converter valve in one period

圖12為當(dāng)磁密幅值Bm=1.80 T時(shí)，GT100超薄取向硅鋼與23QG100取向硅鋼在脈沖振蕩工況下磁特性的測(cè)量結(jié)果。從圖12中可以看出，在這種特殊工況下，磁通密度波形與磁場(chǎng)強(qiáng)度波形畸變嚴(yán)重，磁滯回線中出現(xiàn)了多個(gè)復(fù)雜的局部磁滯回環(huán)。

圖12 當(dāng)磁通密度幅值Bm=1.80 T時(shí)，GT100與23QG100在連續(xù)脈沖震蕩工況下磁特性測(cè)量結(jié)果Fig. 12 When Bm= 1.80 T, magnetic property measurement results of GT100 and 23QG100 under the condition of continuous pulse oscillation

圖13為2種取向硅鋼在這種特殊的脈沖振蕩工況下?lián)p耗曲線的對(duì)比。

圖13 在脈沖振蕩工況下GT100與23QG100取向硅鋼損耗曲線測(cè)量結(jié)果Fig. 13 The measurement results of loss curves of GT100 and 23QG100 under pulse oscillation condition

對(duì)比結(jié)果表明，23QG100取向硅鋼損耗增加明顯。這主要是因?yàn)槊}沖振蕩作用時(shí)間短具有高頻效應(yīng)的特點(diǎn)，23QG100取向硅鋼在高頻下的磁性能相對(duì)較差，磁滯回線面積也相對(duì)較大所致。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)比GT100超薄取向硅鋼與23QG100取向硅鋼在幾種不同運(yùn)行工況下的磁特性測(cè)量結(jié)果，可得出結(jié)論及選型建議：（1）在正弦磁化工況下，2種取向硅鋼的損耗臨界頻率為200 Hz。當(dāng)頻率小于200 Hz時(shí)，23QG100取向硅鋼磁導(dǎo)率高、損耗低。當(dāng)頻率大于200 Hz時(shí)，23QG100取向硅鋼磁導(dǎo)率及損耗特性下降明顯，GT100超薄取向硅鋼的磁導(dǎo)率、損耗表現(xiàn)更優(yōu)。（2）在PWM激勵(lì)工況下，2種取向硅鋼磁特性變化規(guī)律基本相同。當(dāng)調(diào)制比不變時(shí)，隨著載波比增加取向硅鋼損耗降低。當(dāng)載波比不變時(shí)，隨著調(diào)制比減小取向硅鋼損耗增加。（3）在相同的PWM激勵(lì)工況下，GT100超薄取向硅鋼與23QG100取向硅鋼的選用取決于調(diào)制波頻率，調(diào)制波頻率高時(shí)GT100超薄取向硅鋼性能更優(yōu)。與不同頻率正弦磁化工況相比，在PWM脈沖調(diào)制工況下，GT100超薄取向硅鋼與23QG100取向硅鋼損耗的臨界頻率降低，小于正弦磁化工況下的200 Hz，23QG100取向硅鋼適用頻率減小。（4）直流換流閥用飽和電抗器的運(yùn)行工況為特殊脈沖振蕩工況，脈沖發(fā)生及振蕩持續(xù)時(shí)間與磁化周期相比較短，具有高頻磁化的特點(diǎn)。在具有高頻磁化特點(diǎn)的特殊激勵(lì)工況下，GT100超薄取向硅鋼的優(yōu)勢(shì)明顯。