陳 龍，汪友華，趙爭(zhēng)菡，張曉林，王 朝

（河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

超微晶合金高頻磁特性檢測(cè)中的波形調(diào)理

陳 龍，汪友華，趙爭(zhēng)菡，張曉林，王 朝

（河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

針對(duì)超微晶合金高頻磁特性檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的波形非對(duì)稱畸變問(wèn)題進(jìn)行分析與探討，研究測(cè)量過(guò)程中由于磁飽和與非對(duì)稱磁路引起的波形畸變?cè)?。?duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行建模，提出一種基于壓縮映射原理的反饋控制算法。設(shè)計(jì)基于NI高速數(shù)據(jù)采集卡的全自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超微晶合金高磁通密度下波形的控制與波形補(bǔ)償。通過(guò)設(shè)計(jì)第三補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償磁場(chǎng)強(qiáng)度的非對(duì)稱分量，得到標(biāo)準(zhǔn)的磁滯回線。最后，測(cè)量日立金屬所提供的FT-3M磁芯的磁滯回線與比損耗曲線，驗(yàn)證方法的可行性，對(duì)超微晶合金的高頻磁特性測(cè)量對(duì)發(fā)展高頻電力變壓器具有參考價(jià)值。

超微晶合金；高頻檢測(cè)；磁特性測(cè)量；波形調(diào)理

0 引 言

在發(fā)電、輸電以及變電的過(guò)程中，電磁裝置扮演著重要的角色。磁芯作為其核心部件，其效率提高無(wú)論是對(duì)自然資源的保護(hù)還是對(duì)二氧化碳的排放以及全球變暖的抑制都有著至關(guān)重要的作用[1-3]。超微晶合金具有超高的磁導(dǎo)率、極低的損耗特性以及較高的飽和磁密（大約1.2T，相對(duì)應(yīng)鐵氧體0.4T）。在高功率密度、緊湊型高頻電力變壓器以及電力電子系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用，例如：逆變系統(tǒng)中的高頻高壓變壓器（HF-HV-transformer）、高頻扼流圈、電流互感器等。但是對(duì)于超微晶磁芯磁特性高頻測(cè)量的缺乏，限制了它在高頻大功率場(chǎng)合的應(yīng)用[4-5]。在智能電網(wǎng)與新能源發(fā)展迅速的今天，需要發(fā)展以超微晶材料為磁芯的更高功率的高頻高壓變壓器來(lái)滿足對(duì)能量變換的需求。對(duì)超微晶合金的高頻磁特性的研究不僅對(duì)以超微晶合金作為磁芯材料的電工設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性幫助，而且可以將材料特性返回給生產(chǎn)廠家，幫助他們改善工藝，提供材料本身的磁化性能，進(jìn)一步降低材料的損耗[6-8]。

為了更好地應(yīng)用這種材料，需要對(duì)其磁特性進(jìn)行更精確的測(cè)量。本文針對(duì)超微晶合金的高頻磁特性進(jìn)行了測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電流波形不對(duì)稱從而導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度波形是非對(duì)稱的并且在較高磁通密度下磁通密度波形產(chǎn)生了畸變。重點(diǎn)探討了這種波形畸變產(chǎn)生的原因并提出了一種解決方案，在此基礎(chǔ)上完成了高頻下超微晶合金磁滯回線的動(dòng)態(tài)測(cè)量并對(duì)其損耗特性進(jìn)行了分析。

1 超微晶高頻磁特性測(cè)量過(guò)程中非對(duì)稱波形畸變的產(chǎn)生原因

根據(jù)IEC-60404-10的建議，本文采用環(huán)形樣件搭建了超微晶高頻磁特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最初的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。功放的信號(hào)源由NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡提供。初級(jí)電流與次級(jí)感應(yīng)電壓分別由示波器電流探頭與電壓探頭獲得。由于當(dāng)磁場(chǎng)較小時(shí)，兩個(gè)信號(hào)都非常弱，信號(hào)先由前置電壓放大器SR560進(jìn)行放大，然后由示波器進(jìn)行采集。示波器采樣率高達(dá)1GHz，保證了高頻情況下也能得到足夠多的采樣點(diǎn)。樣件中的磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H可以由下式獲得：

圖1 原始超微晶高頻測(cè)量原理圖

式中：N1、N2——初級(jí)與次級(jí)繞組的匝數(shù)；

S、lm——磁芯的截面積與磁路有效長(zhǎng)度；

I1——?jiǎng)?lì)磁電流；

u2——次級(jí)感應(yīng)電壓。

如圖2所示，在測(cè)試的過(guò)程中，在激磁電壓保證正弦的條件下，超微晶合金的勵(lì)磁電流出現(xiàn)了非對(duì)稱分量，并且隨著電壓升高，次級(jí)電壓波形也出現(xiàn)了不同程度的畸變。這一非對(duì)稱分量反映到磁場(chǎng)量上就會(huì)形成一個(gè)非對(duì)稱的磁滯回線，從而對(duì)損耗的計(jì)算產(chǎn)生一定的誤差。然而，這一非對(duì)稱的磁場(chǎng)分量并不是一成不變的，它隨著磁通密度的大小而改變。在勵(lì)磁電壓保證正弦對(duì)稱的條件下仍出現(xiàn)一個(gè)很小的直流磁場(chǎng)偏置。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因十分復(fù)雜，歸納起來(lái)主要有3點(diǎn)：1）超微晶合金具有超高的磁導(dǎo)率，任何空間中微弱的偏置磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。2）雖然電壓對(duì)稱，但是超微晶磁化在測(cè)試過(guò)程中初級(jí)繞組浮地，信號(hào)源的地與超微晶測(cè)試系統(tǒng)的地有電壓差，從而產(chǎn)生非對(duì)稱電流，最終引起直流偏磁。3）超微晶合金本身對(duì)退火十分敏感，不同的退火條件對(duì)材料磁性能影響很大。在退火過(guò)程中，材料可能存在非對(duì)稱的應(yīng)力，從而導(dǎo)致正向磁化與負(fù)向磁化的磁導(dǎo)率不同，最終反映在激磁電感的非對(duì)稱性上。

由于這種波形的非對(duì)稱畸變影響因素較多，即使在實(shí)驗(yàn)電路中添加隔離變壓器，也不能很好地濾除直流磁場(chǎng)的影響。

2 對(duì)超微晶合金高頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)

2.1 硬件測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)

考慮到波形的非對(duì)稱畸變實(shí)際上是一個(gè)直流偏磁，要消除這一現(xiàn)象需人為產(chǎn)生一個(gè)直流磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償?shù)舨牧媳旧聿粚?duì)稱而產(chǎn)生的直流偏置。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

為了更好地實(shí)現(xiàn)波形的控制，NI PXI控制器被應(yīng)用到測(cè)控系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)采集來(lái)的信號(hào)在LabVIEW中進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的測(cè)量。在整個(gè)系統(tǒng)中，額外添加了一套直流繞組，通過(guò)觀察實(shí)際測(cè)試過(guò)程中波形的偏移量，調(diào)節(jié)直流電流的輸出，產(chǎn)生一個(gè)相反的磁場(chǎng)，從而達(dá)到直流偏磁補(bǔ)償?shù)哪康?。圖中L為阻尼電抗，對(duì)直流側(cè)的電流分量起到抑制作用。在測(cè)試過(guò)程中，電流探頭與電壓探頭需要加裝前置放大以滿足采集系統(tǒng)的輸入范圍。為了保證磁通密度B一直為正弦變化，基于時(shí)域的波形迭代算法被應(yīng)用在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中。

圖2 超微晶合金在高頻磁特性測(cè)試過(guò)程中波形出現(xiàn)的非對(duì)稱畸變現(xiàn)象

圖3 改進(jìn)后的超微晶測(cè)控系統(tǒng)

2.2 磁通密度波形的反饋控制

由圖2可以看到，當(dāng)磁芯接近飽和時(shí)，由于磁路的非線性，導(dǎo)致電感非線性變化，磁通密度的波形發(fā)生了不同程度上的畸變。為了保證在測(cè)試過(guò)程中磁通密度一直為正弦變化，需要進(jìn)行反饋波形調(diào)節(jié)。在改變磁通密度B的幅值時(shí)，人為給定想得到的理想波形B0，控制目標(biāo)是縮小任意瞬時(shí)采集到的波形B與理想波形B0的差距，即：

通過(guò)更新下一次迭代的磁場(chǎng)強(qiáng)度H來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)B的調(diào)節(jié)，即：

這里ν為磁阻率，而磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于勵(lì)磁電流，即：

其中K為一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)，可用安培定律來(lái)確定。經(jīng)過(guò)計(jì)算，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)輸出波形信號(hào)e，經(jīng)過(guò)放大倍數(shù)為G的線性功放放大，可以列寫電壓方程：

其中R、L分別為激磁電路的等效電阻和等效電感。對(duì)上述公式進(jìn)行拉普拉斯變換，則有：

即存在一個(gè)傳函：

可以證明存在這樣一個(gè)壓縮映射T[9]：

根據(jù)固定點(diǎn)迭代理論，如果上式是一個(gè)壓縮映射，則一定存在一個(gè)固定點(diǎn)E*使得：

圖4 不同頻率下超微晶合金的磁滯回線

這樣，式（10）的S域迭代形式為

其時(shí)域的迭代形式為

其中e是信號(hào)發(fā)生器的輸出波形，u為初級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓波形。測(cè)控系統(tǒng)以PXI6115多功能數(shù)據(jù)采集卡為核心，經(jīng)過(guò)前置放大，濾波，采集到的信號(hào)在LabVIEW中進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)[10]，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代就會(huì)得到收斂的結(jié)果。

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出的方法，對(duì)日本日立金屬提供的FT-3KM磁芯進(jìn)行了測(cè)量。圖4給出了3～5 kHz下經(jīng)過(guò)波形調(diào)理后的磁滯回線?？梢钥闯觯?dāng)磁通密度＞0.5T時(shí)，通過(guò)軟硬件調(diào)節(jié)，可以得到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱的磁滯回線。但是，當(dāng)磁通密度＜0.5T時(shí)，還會(huì)有一個(gè)很小的偏執(zhí)磁場(chǎng)，并且在不同磁通密度下這個(gè)偏置磁場(chǎng)的大小還是不一樣的，這主要是由于在不同磁通密度大小下，應(yīng)力導(dǎo)致了不同的磁化曲線，從而引起磁導(dǎo)率的不同，微小的磁導(dǎo)率變化引起了一次繞組電感的變化，從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流的變化。

根據(jù)一個(gè)周期的磁滯回線數(shù)據(jù)，可以很容易得到磁芯比損耗：

其中ρ為超微晶合金的密度，T為一個(gè)磁化周期。FT-3KM的比損耗曲線如圖5所示，可以看到，測(cè)得的損耗數(shù)據(jù)較好的吻合超微晶的損耗特性趨勢(shì)。

圖5 超微晶合金在高頻下的比損耗

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)超微晶高頻磁特性測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的一些實(shí)驗(yàn)問(wèn)題作了一些探討。首先，分析了在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生波形非對(duì)稱畸變的原因；其次，在此基礎(chǔ)上對(duì)整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，提出了第3繞組補(bǔ)償以及一種基于時(shí)域反饋迭代算法，很好的補(bǔ)償了波形；最后，測(cè)量了日立金屬所提供的FT-3M磁芯的磁滯回線與損耗曲線，驗(yàn)證了方法的可行性。

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（編輯：劉楊）

Waveform conditioning in high frequency magnetic properties testing of nanocrystalline alloys

CHEN Long， WANG Youhua， ZHAO Zhenghan， ZHANG Xiaolin， WANG Zhao
（Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The paper analyzes and discusses the problem of waveform asymmetric distortion in high frequency magnetic properties measurement of nanocrystalline alloys and studies the waveform distortion caused by magnetic saturation and asymmetric magnetic circuit.By modeling the testing system，a feedback control algorithm based on the contracting mapping principle is proposed.The full-automatic measurement and control system based on the NI high speed data acquisition card is designed，which can realize the waveform control and waveform compensation of nanocrystalline alloys athigh flux densities.By designing a third compensation winding， the asymmetric component of the magnetic field strength can be compensated and a standard hysteresis loop is obtained.Finally，a hysteresis and specific loss curve of FT-3M cores provided by Hitachi is measured and the feasibility of the method is verified.The high frequency magnetic properties measurement of nanocrystalline alloys has reference value on the development of high frequency power transformers.

nanocrystalline alloys； high frequency testing； magnetic property measurement；waveform conditioning

A

：1674-5124（2017）07-0025-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.005

2017-01-08；

：2017-02-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（51377042）

陳 龍（1989-），男，河北廊坊市人，博士研究生，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌?chǎng)與磁技術(shù)，磁性材料特性測(cè)量。