劉洋，鞏學海，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 先進輸電國家重點實驗室，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期受國外壟斷，國內(nèi)缺少超薄取向硅鋼材料及相應磁性能數(shù)據(jù)，使電力電子裝備設(shè)計人員在選用超薄取向硅鋼時面臨困惑，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。國內(nèi)普通厚度取向硅鋼的應用較多，已經(jīng)積累了一些不同運行工況下的磁性能數(shù)據(jù)。文獻[9-14]基于愛潑斯坦方圈，實現(xiàn)了不同溫度，不同頻率下普通厚度取向硅鋼磁損耗的測量。文獻[15?16]采用逆變電路搭建了脈寬調(diào)制（PWM）電源激勵條件下硅鋼材料鐵損的自動化測量系統(tǒng)，測量了普通厚度無取向電工鋼在PWM電源激勵下的磁損耗。文獻[17]提出了采用單片法測量PWM激勵工況下取向硅鋼磁特性的測量方法與計算模型。文獻[18]搭建了鐵心試驗平臺，測量了不同諧波對取向硅鋼鐵心損耗的影響。上述文獻雖然已經(jīng)涉及了不同運行工況下硅鋼磁性能的測量，但測量對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)計人員對超薄取向硅鋼在不同運行工況下的磁特性認識仍不充分。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，基于中頻愛潑斯坦方圈測量裝置對0.10 mm超薄取向硅鋼與普通厚度0.23 mm取向硅鋼在不同運行工況下的磁性能進行了測量，對比獲得了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)計選型提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 不同運行工況下取向硅鋼磁特性的測量方法

1.1 中頻愛潑斯坦方圈測量裝置

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量方法，適用于測量取向硅鋼的低頻磁性能，最高測試頻率為400 Hz[19]。當測量頻率較高時，傳統(tǒng)愛潑斯坦方圈法存在兩個問題：一是測量裝置匝數(shù)多，對電源電壓及容量要求高，較難實現(xiàn)高磁通密度測量；二是當頻率較高時傳統(tǒng)愛潑斯坦方圈的高頻寄生電容影響增強，會影響磁性能測量結(jié)果。為了實現(xiàn)中頻、高磁通密度條件下超薄取向硅鋼磁性能的測量，對傳統(tǒng)700匝愛潑斯坦方圈進行了改進，研制了適用于中頻的愛潑斯坦方圈測量裝置，將初級線圈與次級線圈匝數(shù)減少為100匝，使測量頻率提高到1 kHz以上，最高可達10 kHz，改進的中頻愛潑斯坦方圈符合IEC 60404-10標準的規(guī)定。圖1為改進中頻愛潑斯坦方圈測量裝置示意與實物圖。試驗時樣片的不同搭接方式會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，為了避免搭接方式的影響，測試統(tǒng)一采用現(xiàn)有國標GB 10129中規(guī)定的雙搭接方式。

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

1.2 不同運行工況的實現(xiàn)方法

為了實現(xiàn)不同激勵工況下取向硅鋼磁性能的測量，需要對磁通密度波形進行反饋控制，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為不同激勵工況下取向硅鋼磁性能測量系統(tǒng)的原理框圖。測量系統(tǒng)由計算機、任意波形信號發(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，避免直流分量進入愛潑斯坦方圈影響磁性能測量結(jié)果。精密采樣電阻采用了德國進口的0.1歐姆無感電阻，帶寬（?3 dB）為120 MHz用于測量愛潑斯坦方圈的勵磁電流。

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

在磁性能測量時，通過計算機控制任意波形信號發(fā)生器產(chǎn)生電壓信號，該電壓信號經(jīng)過功率放大器及隔離變壓器后為愛潑斯坦方圈初級線圈提供勵磁電壓。雙通道D/A轉(zhuǎn)換器負責采集初級繞組電流及次級線圈電壓，以實現(xiàn)磁場強度H與磁通密度B的測量。計算機根據(jù)每一次采集的磁通密度B波形與目標磁通密度波形（控制目標）的差值，不斷修正模擬輸出電壓信號，直至采集的磁通密度波形與目標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為目標磁通密度的波形；Bmeasure為根據(jù)次級感應電壓積分得到的磁通密度測量波形。目標磁通密度波形可以為正弦波也可以為非正弦波，由測量人員根據(jù)實際電力電子裝備的激勵工況進行設(shè)定。

2 不同運行工況下0.10 mm超薄取向硅鋼與0.23 mm取向硅鋼磁性能的對比分析

不同運行工況下取向硅鋼的磁性能是不同的。按照標準正弦磁化工況下取向硅鋼的磁性能數(shù)據(jù)對電力電子裝備的磁路進行設(shè)計，往往會產(chǎn)生較大的設(shè)計偏差，嚴重可能導致電力電子裝備的損壞，造成無法估計的損失。為了避免出現(xiàn)上述情況，須根據(jù)實際電力電子裝備的運行工況對磁芯材料進行合理的選型。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用，為了解決設(shè)計人員在二者間的選型困惑，選取常用的GT100牌號0.10 mm厚度超薄取向硅鋼與23QG100牌號普通厚度取向硅鋼作為研究對象，對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行工況下的磁性能進行了測量與對比分析。

大部分農(nóng)村的村莊規(guī)劃，對村民住宅的規(guī)劃規(guī)定十分粗略，相對簡單。很多村莊規(guī)劃都只是對住宅的建筑朝向進行了大致的規(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候會“沿路而建”，住址建造的時候受地貌，交通的影響較大。同時住宅與住宅之間相隔較遠，空置的閑地相對較多。因為往往會出現(xiàn)建筑排列不夠規(guī)則、居住點相對分散的情況，這也使得土地利用率大大降低，農(nóng)村土地的嚴重浪費。同時也會使得在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)當中，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量與對比

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

對比結(jié)果表明：頻率變化對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。飽和前磁化曲線對頻率變化較為敏感，隨著頻率增加取向硅鋼材料的磁導率逐漸降低。普通取向硅鋼與超薄取向硅鋼相比，隨著頻率增加磁導率下降更明顯，受頻率影響更大。表1為當Bm=1.50 T時，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磁導率。當頻率由 50 Hz 增加到 1000 Hz時，超薄取向硅鋼相對磁導率降低了39%，普通厚度取向硅鋼相對磁導率降低了81%。

表1 當Bm=1.5 T時，GT100與23QG100取向硅鋼的相對磁導率結(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比。對比結(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。對于GT100與23QG100兩種取向硅鋼，損耗臨界頻率約為200 Hz，即當頻率小于200 Hz時，普通厚度取向硅鋼損耗較低，當頻率超過200 Hz時，超薄取向硅鋼損耗較低。需要指出的是當硅鋼牌號不同時，兩種不同類型取向硅鋼的損耗臨界頻率也將改變，需要針對不同牌號的取向硅鋼做進一步的測試分析才能確定相應的損耗臨界頻率。

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量與對比

PWM脈寬調(diào)制技術(shù)在電力電子裝備中應用廣泛，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，三角波Uc為載波信號，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：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行分析。圖6為當調(diào)制比KA=0.9，調(diào)制波頻率fs=50 Hz時，不同載波比對GT100超薄取向硅鋼磁滯回線的影響。

圖6 當調(diào)制比KA=0.9時，不同載波比對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GT100超薄取向硅鋼損耗曲線的影響。當載波比增加時，磁通密度與磁場強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。

圖7 當調(diào)制比KA=0.9時，不同載波比對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為當載波比Kf=60，調(diào)制波頻率fs=50 Hz時，不同調(diào)制比對GT100超薄取向硅鋼磁滯回線的影響。

圖8 當載波比Kf=60時，不同調(diào)制比對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。

圖9 當載波比Kf=60時，不同調(diào)制比對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，本文不再對調(diào)制比、載波比對23QG100取向硅鋼磁特性測量結(jié)果進行闡述。

圖10為當調(diào)制比KA=0.9，載波比Kf=60時，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比結(jié)果。對比結(jié)果表明：當調(diào)制比與載波比相同時，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。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KA=0.90，Kf=60時，不同載波頻率下GT100與23QG100損耗曲線對比Fig. 10 When KA=0.90，Kf=60，the loss curves of GT100 and 23QG100 at different carrier frequencies

由上所述，當調(diào)制比與載波比不變時，應根據(jù)調(diào)制波頻率選擇取向硅鋼類型，調(diào)制頻率較高時優(yōu)先選擇超薄取向硅鋼，調(diào)制頻率較低時優(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行工況，如特高壓直流換流閥飽和電抗器的運行工況。目前在這種特殊運行工況下取向硅鋼磁特性的數(shù)據(jù)尚未見公開報道。本文以特高壓直流換流閥飽和電抗器的運行工況為例，對特殊工況下超薄取向硅鋼與普通取向硅鋼的磁特性進行對比分析。

圖11為一個時間周期內(nèi)特高壓直流換流閥飽和電抗器運行時的電壓波形。在一個時間周期內(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為當磁密幅值Bm=1.80 T時，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強度波形畸變嚴重，磁滯回線中出現(xiàn)了多個復雜的局部磁滯回環(huán)。

圖12 當磁通密度幅值Bm=1.80 T時，GT100與23QG100在連續(xù)脈沖震蕩工況下磁特性測量結(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耗曲線的對比。

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

對比結(jié)果表明，23QG100取向硅鋼損耗增加明顯。這主要是因為脈沖振蕩作用時間短具有高頻效應的特點，23QG100取向硅鋼在高頻下的磁性能相對較差，磁滯回線面積也相對較大所致。

3 結(jié)論

本文通過對比GT100超薄取向硅鋼與23QG100取向硅鋼在幾種不同運行工況下的磁特性測量結(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。當頻率小于200 Hz時，23QG100取向硅鋼磁導率高、損耗低。當頻率大于200 Hz時，23QG100取向硅鋼磁導率及損耗特性下降明顯，GT100超薄取向硅鋼的磁導率、損耗表現(xiàn)更優(yōu)。（2）在PWM激勵工況下，2種取向硅鋼磁特性變化規(guī)律基本相同。當調(diào)制比不變時，隨著載波比增加取向硅鋼損耗降低。當載波比不變時，隨著調(diào)制比減小取向硅鋼損耗增加。（3）在相同的PWM激勵工況下，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行工況為特殊脈沖振蕩工況，脈沖發(fā)生及振蕩持續(xù)時間與磁化周期相比較短，具有高頻磁化的特點。在具有高頻磁化特點的特殊激勵工況下，GT100超薄取向硅鋼的優(yōu)勢明顯。