0.10 mm与0.23 mm取向硅钢在不同运行工况下磁特性的测量与对比分析

刘洋，巩学海，陈新，韩钰，杨富尧，马光，高洁

(全球能源互联网研究院有限公司 先进输电国家重点实验室，北京 102211)

0 引言

目前，电力电子装备用取向硅钢按照厚度大致可分为两类：一类是厚度小于等于0.10 mm的超薄取向硅钢，另一类是厚度大于等于0.20 mm的普通厚度取向硅钢（非激光刻痕类）[8]。由于超薄取向硅钢长期受国外垄断，国内缺少超薄取向硅钢材料及相应磁性能数据，使电力电子装备设计人员在选用超薄取向硅钢时面临困惑，在超薄取向硅钢与普通厚度取向硅钢间无法直接做出合理的选择。国内普通厚度取向硅钢的应用较多，已经积累了一些不同运行工况下的磁性能数据。文献[9-14]基于爱泼斯坦方圈，实现了不同温度，不同频率下普通厚度取向硅钢磁损耗的测量。文献[15−16]采用逆变电路搭建了脉宽调制（PWM）电源激励条件下硅钢材料铁损的自动化测量系统，测量了普通厚度无取向电工钢在PWM电源激励下的磁损耗。文献[17]提出了采用单片法测量PWM激励工况下取向硅钢磁特性的测量方法与计算模型。文献[18]搭建了铁心试验平台，测量了不同谐波对取向硅钢铁心损耗的影响。上述文献虽然已经涉及了不同运行工况下硅钢磁性能的测量，但测量对象均是普通厚度取向硅钢或无取向硅钢，未涉及超薄取向硅钢的磁性能，电力电子装备设计人员对超薄取向硅钢在不同运行工况下的磁特性认识仍不充分。

本文在前人研究基础上，基于中频爱泼斯坦方圈测量装置对0.10 mm超薄取向硅钢与普通厚度0.23 mm取向硅钢在不同运行工况下的磁性能进行了测量，对比获得了2种不同类型取向硅钢在不同频率正弦磁化工况、PWM激励工况及特殊的脉冲工况下的磁性能，为电力电子装备铁心材料的设计选型提供了数据支撑。

1 不同运行工况下取向硅钢磁特性的测量方法

1.1 中频爱泼斯坦方圈测量装置

传统爱泼斯坦方圈法是一种比较成熟的取向硅钢磁性能测量方法，适用于测量取向硅钢的低频磁性能，最高测试频率为400 Hz[19]。当测量频率较高时，传统爱泼斯坦方圈法存在两个问题：一是测量装置匝数多，对电源电压及容量要求高，较难实现高磁通密度测量；二是当频率较高时传统爱泼斯坦方圈的高频寄生电容影响增强，会影响磁性能测量结果。为了实现中频、高磁通密度条件下超薄取向硅钢磁性能的测量，对传统700匝爱泼斯坦方圈进行了改进，研制了适用于中频的爱泼斯坦方圈测量装置，将初级线圈与次级线圈匝数减少为100匝，使测量频率提高到1 kHz以上，最高可达10 kHz，改进的中频爱泼斯坦方圈符合IEC 60404-10标准的规定。图1为改进中频爱泼斯坦方圈测量装置示意与实物图。试验时样片的不同搭接方式会对测量结果产生影响，为了避免搭接方式的影响，测试统一采用现有国标GB 10129中规定的双搭接方式。

图1 中频爱泼斯坦方圈测量装置Fig. 1 Epstein frame for medium frequency measurement

1.2 不同运行工况的实现方法

为了实现不同激励工况下取向硅钢磁性能的测量，需要对磁通密度波形进行反馈控制，通过闭环反馈控制将磁通密度波形调整至所需磁化波形。图2为不同激励工况下取向硅钢磁性能测量系统的原理框图。测量系统由计算机、任意波形信号发生器、功率放大器、隔离变压器、精密采样电阻、双通道D/A转换器及中频爱泼斯坦方圈组成。隔离变压器的作用是隔离系统中的直流，避免直流分量进入爱泼斯坦方圈影响磁性能测量结果。精密采样电阻采用了德国进口的0.1欧姆无感电阻，带宽（−3 dB）为120 MHz用于测量爱泼斯坦方圈的励磁电流。

图2 测量系统接线Fig. 2 Connection diagram of measurement system

在磁性能测量时，通过计算机控制任意波形信号发生器产生电压信号，该电压信号经过功率放大器及隔离变压器后为爱泼斯坦方圈初级线圈提供励磁电压。双通道D/A转换器负责采集初级绕组电流及次级线圈电压，以实现磁场强度H与磁通密度B的测量。计算机根据每一次采集的磁通密度B波形与目标磁通密度波形（控制目标）的差值，不断修正模拟输出电压信号，直至采集的磁通密度波形与目标磁通密度波形一致为止。波形的控制方法[17]为

式中：i为迭代次数；k为比例系数；Uout为输出电压波形；Btarget为目标磁通密度的波形；Bmeasure为根据次级感应电压积分得到的磁通密度测量波形。目标磁通密度波形可以为正弦波也可以为非正弦波，由测量人员根据实际电力电子装备的激励工况进行设定。

2 不同运行工况下0.10 mm超薄取向硅钢与0.23 mm取向硅钢磁性能的对比分析

不同运行工况下取向硅钢的磁性能是不同的。按照标准正弦磁化工况下取向硅钢的磁性能数据对电力电子装备的磁路进行设计，往往会产生较大的设计偏差，严重可能导致电力电子装备的损坏，造成无法估计的损失。为了避免出现上述情况，须根据实际电力电子装备的运行工况对磁芯材料进行合理的选型。超薄取向硅钢与普通厚度取向硅钢在电力电子装备中均有应用，为了解决设计人员在二者间的选型困惑，选取常用的GT100牌号0.10 mm厚度超薄取向硅钢与23QG100牌号普通厚度取向硅钢作为研究对象，对两种取向硅钢在中高频正弦磁化、PWM脉冲调制及特殊的脉冲振荡等电力电子装备运行工况下的磁性能进行了测量与对比分析。

大部分农村的村庄规划，对村民住宅的规划规定十分粗略，相对简单。很多村庄规划都只是对住宅的建筑朝向进行了大致的规定，但是其他方面如建筑选址、建筑整体规划等并没有明确的规定。因而多数村民的住宅在建造的时候会“沿路而建”，住址建造的时候受地貌，交通的影响较大。同时住宅与住宅之间相隔较远，空置的闲地相对较多。因为往往会出现建筑排列不够规则、居住点相对分散的情况，这也使得土地利用率大大降低，农村土地的严重浪费。同时也会使得在基础设施的建设当中，工程量变大、成本更高、利用率却不足。

2.1 不同频率正弦磁化条件下取向硅钢磁性能的测量与对比

近几年，随着电力电子器件与电力电子技术的不断发展，电力电子装备的频率逐渐向中高频方向发展。为了满足电力电子装备的发展需求，对电力电子装备用取向硅钢材料的性能也提出了新要求，要求具有较好的中高频特性。图3为随着频率变化GT100超薄取向硅钢与23QG100普通厚度取向硅钢磁化曲线的对比结果。

图3 不同频率下取向硅钢的磁化曲线Fig. 3 Magnetization curves of oriented silicon steel at different frequencies

对比结果表明：频率变化对两种取向硅钢材料饱和区域磁化曲线影响不大，饱和后不同频率的磁化曲线基本重合。饱和前磁化曲线对频率变化较为敏感，随着频率增加取向硅钢材料的磁导率逐渐降低。普通取向硅钢与超薄取向硅钢相比，随着频率增加磁导率下降更明显，受频率影响更大。表1为当Bm=1.50 T时，随着频率变化GT100超薄取向硅钢与23QG100普通厚度取向硅钢的相对磁导率。当频率由 50 Hz 增加到 1000 Hz时，超薄取向硅钢相对磁导率降低了39%，普通厚度取向硅钢相对磁导率降低了81%。

表1 当Bm=1.5 T时，GT100与23QG100取向硅钢的相对磁导率结果Table 1 The relative permeability of GT100 and 23QG100 when Bm=1.50 T

图4为随着频率变化GT100与23QG100取向硅钢损耗曲线对比。对比结果表明：超薄取向硅钢与普通厚度取向硅钢的频率适用范围不同，二者存在损耗的临界频率。对于GT100与23QG100两种取向硅钢，损耗临界频率约为200 Hz，即当频率小于200 Hz时，普通厚度取向硅钢损耗较低，当频率超过200 Hz时，超薄取向硅钢损耗较低。需要指出的是当硅钢牌号不同时，两种不同类型取向硅钢的损耗临界频率也将改变，需要针对不同牌号的取向硅钢做进一步的测试分析才能确定相应的损耗临界频率。

图4 随频率变化GT100与23QG100取向硅钢损耗曲线Fig. 4 Loss curves of GT100 and 23QG100 with frequency variation

2.2 PWM脉宽调制工况下取向硅钢磁性能的测量与对比

PWM脉宽调制技术在电力电子装备中应用广泛，按照调制方式可分为单极性与双极性两种。图5为双极性PWM脉宽调制工况的波形图。

图5 双极性PWM脉宽调制波形Fig. 5 Bipolar PWM pulse width modulation waveform

图5中正弦波Ur为调制波信号，三角波Uc为载波信号，Uo为输出的等效脉冲电压。在PWM脉宽调制技术中，影响输出电压的因素有2个：一是载波比；二是调制比。载波比为

式中：Kf为载波比；fv为载波频率；fs为调制波频率。

调制比为

式中：KA为调制比；Urm为调制波幅值；Ucm为载波幅值。

单极性调制与双极性调制对取向硅钢磁性能的影响规律基本相同[20]。本文选取双极性PWM脉宽调制工况下超薄取向硅钢与普通厚度取向硅钢的磁性能进行分析。图6为当调制比KA=0.9，调制波频率fs=50 Hz时，不同载波比对GT100超薄取向硅钢磁滞回线的影响。

图6 当调制比KA=0.9时，不同载波比对超薄取向硅钢磁滞回线的影响（GT100）Fig. 6 When KA=0.9, the effect of different carrier ratios on hysteresis loop of GT100

图7为不同载波比对GT100超薄取向硅钢损耗曲线的影响。当载波比增加时，磁通密度与磁场强度中的谐波含量降低，谐波次数增加，磁滞回线中局部磁滞回环的面积逐渐减小，损耗呈逐渐减小的趋势。

图7 当调制比KA=0.9时，不同载波比对超薄取向硅钢损耗曲线的影响（GT100）Fig. 7 When KA=0.9, the effect of different carrier ratio on the loss curve of GT100

图8为当载波比Kf=60，调制波频率fs=50 Hz时，不同调制比对GT100超薄取向硅钢磁滞回线的影响。

图8 当载波比Kf=60时，不同调制比对超薄取向硅钢磁滞回线的影响（GT100）Fig. 8 When Kf=60, the effect of different modulation ratio on hysteresis loop of GT100

图9为不同载波比对GT100超薄取向硅钢损耗曲线的影响。随着调制比的减小，磁滞回线中局部磁滞回环的面积逐渐增加，损耗呈逐渐增加趋势。

图9 当载波比Kf=60时，不同调制比对超薄取向硅钢损耗曲线的影响（GT100）Fig. 9 When Kf=60, the effect of different modulation ratio on the loss curve of GT100

需要指出的是调制比、载波比对GT100超薄取向硅钢与23QG100取向硅钢磁滞回线及损耗特性的影响规律相同，本文不再对调制比、载波比对23QG100取向硅钢磁特性测量结果进行阐述。

图10为当调制比KA=0.9，载波比Kf=60时，不同调制波频率下GT100超薄取向硅钢与23QG100普通厚度取向硅钢损耗曲线的对比结果。对比结果表明：当调制比与载波比相同时，超薄取向硅钢与普通取向硅钢的损耗主要与调制波频率相关，随着调制波频率的增加，普通取向硅钢损耗增加明显，超薄取向硅钢表现出损耗低的特点。这与不同频率正弦磁化工况下两种取向硅钢表现出的磁特性具有相似规律。不同之处在于PWM脉冲调制工况下，超薄取向硅钢与普通取向硅钢损耗的临界频率比正弦磁化工况下有所降低，小于正弦磁化工况下的200 Hz，即普通取向硅钢的适用频率降低。

图10 当KA=0.90，Kf=60时，不同载波频率下GT100与23QG100损耗曲线对比Fig. 10 When KA=0.90，Kf=60，the loss curves of GT100 and 23QG100 at different carrier frequencies

由上所述，当调制比与载波比不变时，应根据调制波频率选择取向硅钢类型，调制频率较高时优先选择超薄取向硅钢，调制频率较低时优先选择普通取向硅钢。

2.3 特殊的脉冲振荡工况下取向硅钢磁性能的测量与分析

在电力电子装备中，除上述常见的中高频正弦磁化和PWM脉冲调制工况外，还包含一些特殊的运行工况，如特高压直流换流阀饱和电抗器的运行工况。目前在这种特殊运行工况下取向硅钢磁特性的数据尚未见公开报道。本文以特高压直流换流阀饱和电抗器的运行工况为例，对特殊工况下超薄取向硅钢与普通取向硅钢的磁特性进行对比分析。

图11为一个时间周期内特高压直流换流阀饱和电抗器运行时的电压波形。在一个时间周期内换流阀正向开通一次，反向关断一次，形成了特殊的脉冲振荡工况。

图11 一个周期内特高压直流换流阀饱和电抗器电压波形Fig. 11 The voltage waveform of the saturated reactor of UHVDC converter valve in one period

图12为当磁密幅值Bm=1.80 T时，GT100超薄取向硅钢与23QG100取向硅钢在脉冲振荡工况下磁特性的测量结果。从图12中可以看出，在这种特殊工况下，磁通密度波形与磁场强度波形畸变严重，磁滞回线中出现了多个复杂的局部磁滞回环。

图12 当磁通密度幅值Bm=1.80 T时，GT100与23QG100在连续脉冲震荡工况下磁特性测量结果Fig. 12 When Bm= 1.80 T, magnetic property measurement results of GT100 and 23QG100 under the condition of continuous pulse oscillation

图13为2种取向硅钢在这种特殊的脉冲振荡工况下损耗曲线的对比。

图13 在脉冲振荡工况下GT100与23QG100取向硅钢损耗曲线测量结果Fig. 13 The measurement results of loss curves of GT100 and 23QG100 under pulse oscillation condition

对比结果表明，23QG100取向硅钢损耗增加明显。这主要是因为脉冲振荡作用时间短具有高频效应的特点，23QG100取向硅钢在高频下的磁性能相对较差，磁滞回线面积也相对较大所致。

3 结论

本文通过对比GT100超薄取向硅钢与23QG100取向硅钢在几种不同运行工况下的磁特性测量结果，可得出结论及选型建议：（1）在正弦磁化工况下，2种取向硅钢的损耗临界频率为200 Hz。当频率小于200 Hz时，23QG100取向硅钢磁导率高、损耗低。当频率大于200 Hz时，23QG100取向硅钢磁导率及损耗特性下降明显，GT100超薄取向硅钢的磁导率、损耗表现更优。（2）在PWM激励工况下，2种取向硅钢磁特性变化规律基本相同。当调制比不变时，随着载波比增加取向硅钢损耗降低。当载波比不变时，随着调制比减小取向硅钢损耗增加。（3）在相同的PWM激励工况下，GT100超薄取向硅钢与23QG100取向硅钢的选用取决于调制波频率，调制波频率高时GT100超薄取向硅钢性能更优。与不同频率正弦磁化工况相比，在PWM脉冲调制工况下，GT100超薄取向硅钢与23QG100取向硅钢损耗的临界频率降低，小于正弦磁化工况下的200 Hz，23QG100取向硅钢适用频率减小。（4）直流换流阀用饱和电抗器的运行工况为特殊脉冲振荡工况，脉冲发生及振荡持续时间与磁化周期相比较短，具有高频磁化的特点。在具有高频磁化特点的特殊激励工况下，GT100超薄取向硅钢的优势明显。