龐艦，李琳，張希蔚，丁杰

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

0 引 言

磁性材料作為傳輸電能的核心部件，廣泛用于制作變壓器、電機(jī)鐵心。掌握鐵心的磁化與損耗性能是變壓器和電機(jī)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也是提高變壓器整體效率的基礎(chǔ)[1-2]。納米晶材料憑借其具有高初始磁導(dǎo)率，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，較低的高頻損耗，低矯頑力等特點，成為了一種擁有較高科研價值和極大商業(yè)前景的新型軟磁材料[3-5]。在高頻激勵下該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的磁性能，利用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅鋼片制作高頻變壓器鐵心，能夠很好的改善變壓器的高頻性能，同時還能減小變壓器的體積，使得電力電子設(shè)備向小型輕量化發(fā)展。

磁滯回線是反應(yīng)軟磁材料磁化與損耗性能的重要特征，也是計算材料磁滯損耗的依據(jù)。目前針對軟磁材料磁滯回線的測量方法包括磁片測量法和磁環(huán)測量法。磁片測量法分為單片測量和疊片測量。單片測量主要有單片測試儀法(SST)，疊片測量的代表方法是愛伯斯坦方圈法[6-7]。為了觀察材料的矢量磁特性，在SST的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了二維結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)單片測試儀(RSST)，旨在通過對材料旋轉(zhuǎn)磁特性的研究，更好地揭示材料磁性能，為挑選適合電機(jī)設(shè)備的鐵心材料提供參考[8-10]?；诙S的測試平臺，誕生了空間三個軸向?qū)ΨQ的三維測量平臺[11-12]，反饋控制和諧波補(bǔ)償?shù)裙δ芤蔡砑拥綔y量平臺中[13]。納米晶材料單片和磁環(huán)的磁性區(qū)別主要體現(xiàn)在制備過程中對材料進(jìn)行的熱處理，磁環(huán)材料在冷卻過程中會引入內(nèi)應(yīng)力。由于材料的磁致伸縮程度和有效磁路長度成比例變化，材料中的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致材料磁性能的下降，所以磁環(huán)樣品不應(yīng)過大且橫截面上磁密分布應(yīng)盡量均勻。磁環(huán)測量方法包括霍爾法等直接測量法和RC積分法等間接測量法[14]。有根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對動態(tài)磁滯損耗進(jìn)行建模計算的啟發(fā)式磁滯回線測量方法[15]，有利用Matlab對電網(wǎng)合閘磁滯回線進(jìn)行仿真的測量方法[16]。磁環(huán)磁滯回線測量平臺通常包括函數(shù)信號發(fā)生器，功率放大器，電壓測量探頭和示波器等幾個部分[17]。測量用功率放大器受儀器本身帶寬、功率限制，一臺額定功率200 W的功率放大器，放大的正弦波最高頻率一般不超過20 kHz，方波頻率最大值在1 kHz～2 kHz范圍內(nèi)。帶寬約束是限制磁性材料測量頻率的主要原因。

基于實驗室條件下使用功放測量磁環(huán)的條件限制，文中以推挽式諧振逆變電路能夠補(bǔ)償功率損耗的特點為基礎(chǔ)，通過對相應(yīng)的磁性材料測量平臺做出改進(jìn)[18-19]，將平臺用于納米晶材料的高頻測量。實驗平臺能通過調(diào)整電路中諧振電感和電容元件來調(diào)整諧振頻率，對高頻切換的開關(guān)管提供電壓補(bǔ)償，降低開關(guān)管損耗，實現(xiàn)高頻逆變輸出，使磁滯回線測量擺脫儀器設(shè)備帶寬限制。具有功率傳輸效率高，逆變波形穩(wěn)定準(zhǔn)確的特點。使用PSCAD進(jìn)行逆變電路仿真，搭建了測量系統(tǒng)實測了10 kHz下25*20*10 mm的納米晶磁環(huán)的磁滯回線。通過小功率情況下的對比實驗證明了平臺具有較高測量精度。平臺使用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸出電壓，利于在實驗室條件下觀測磁滯回線隨磁通密度的變化趨勢。該測量方法實現(xiàn)電壓逆變的原理突破了使用功率放大器會受自身帶寬約束的問題，只要搭配功率足夠的電源以及合適的負(fù)載，對小尺寸的環(huán)狀樣品也能進(jìn)行高頻磁特性測量。

1 測量原理

1.1 測量電路

根據(jù)文獻(xiàn)[19]推挽諧振逆變電路軟磁測量平臺的結(jié)構(gòu)搭建了高頻納米晶磁環(huán)測量平臺，電路原理圖如圖1所示。文獻(xiàn)[19]中的測量平臺在直流電壓輸入端接入一個DC斬波電路，作用是調(diào)整輸入電壓的幅值。由于目前使用的數(shù)字直流電源都能設(shè)置電壓大小，故在新的測量平臺中不再沿用這一設(shè)計。新平臺使用皮爾森線圈測量鐵心的原邊電流，代替舊有平臺使用采樣電阻計算原邊電流的方法，這一方法由于采樣電壓和計算電流的相位差會導(dǎo)致測量誤差而廣為詬病[20]。

圖1 測量納米晶磁環(huán)的電路原理圖

圖1電路的輸入端接直流電壓源，輸出端接一個電阻值范圍在1 kΩ～10 kΩ的可調(diào)電阻用來調(diào)節(jié)輸出電壓。通常情況下電路輸出的是正弦波，可以在輸出端添加施密特觸發(fā)器或遲滯比較器將逆變波形調(diào)整為方波，通過改進(jìn)能模仿復(fù)雜工況下的勵磁波形并對磁環(huán)進(jìn)行測量。

使用可編程DSP2812開發(fā)板提供開關(guān)管柵極的驅(qū)動信號，能夠準(zhǔn)確地控制逆變波形的頻率。DSP2812開發(fā)板的工作頻率與測試磁環(huán)需要的正弦波頻率相一致，兩路DSP驅(qū)動的幅值相等，相位相反。設(shè)置相對于導(dǎo)通時間能夠忽略不計的短時序作為死區(qū)時間，保證不會出現(xiàn)兩個MOS管同時導(dǎo)通的狀態(tài)。文獻(xiàn)[19]的測量平臺電路是將諧振回路中的輸出信號通過反相器得到兩組互補(bǔ)的方波，用作控制MOS管的信號。缺點是只能通過改變諧振電路元件的方式對頻率進(jìn)行粗調(diào)，輸出波形頻率難以控制，這一點在高頻測量時尤為明顯，不適合針對納米晶等材料進(jìn)行測量。電路部分實驗裝置如圖2所示。

圖2 逆變電路部分的實驗裝置

搭建的實驗平臺輸出功率為30 W，改變諧振電路中補(bǔ)償電容C1和C2的大小，降低開關(guān)管在切換過程中的損耗能提高平臺的輸出功率。受開關(guān)管功率損耗影響，平臺輸出電壓最高幅值不超過500 V[19]。直流源輸入電壓和平臺輸出的逆變電壓有效值的大小關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中Vin是直流源輸入電壓(V)；Vout是平臺輸出電壓的有效值(V)。

當(dāng)電路開關(guān)管在切換工作狀態(tài)過程中產(chǎn)生的額外損耗最小時，輸入電壓和逆變電壓的波形如圖3所示。

圖3 逆變電壓與輸入電壓波形

直流源的輸入電壓、電流有效值與交流輸出電壓、電流的關(guān)系為：

VinIL=VoutIRL

(2)

式中IL是直流源的輸入電流(A)；IRL是平臺輸出電流的有效值(A)。

推挽電路的兩個開關(guān)管在一個周期內(nèi)交替導(dǎo)通，各占半個周期，在任何工作狀況下都只有一個開關(guān)管導(dǎo)通?；芈分虚_關(guān)管數(shù)量的增加將會導(dǎo)致能量利用率的明顯下降。此外，兩個開關(guān)管采用的是共地接線，簡化了電路的設(shè)計[21]。電路中諧振回路由電容C、電感L1、電感L2和電容C1或者C2中的一個構(gòu)成。計算諧振頻率應(yīng)當(dāng)減去每半個諧振周期中開關(guān)管同時閉合的死區(qū)時間，諧振頻率的計算公式為：

(3)

式中ton為MOS管開通的時間；T為MOS管工作周期。實驗中的待測樣品是納米晶磁環(huán)，式(3)的諧振頻率計算公式可以化簡為：

(4)

式中Lm為待測磁環(huán)的電感值。如果待測磁環(huán)的電感值小于諧振回路中的電感值，那么對諧振頻率的影響可以忽略不記[19]。若諧振頻率在1 kHz～10 kHz之間，選擇合適的電容C參數(shù)，可以將式(3)中時間常數(shù)化簡掉。

由式(3)可以看出，該電路可以通過調(diào)節(jié)諧振回路中電感或電容的數(shù)值來調(diào)節(jié)電路諧振頻率。電路的調(diào)頻方式是通過替換不同參數(shù)的電容C來實現(xiàn)的，當(dāng)測量平臺輸出頻率為10 kHz的正弦波時，使用的諧振電容C的數(shù)值為1 μF，在不改變其他元件的條件下，使用大小為4 μF的諧振電容C，平臺可以輸出頻率為5 kHz的正弦波。通過選取不同的電容值能實現(xiàn)1 kHz～10 kHz的頻率調(diào)節(jié)。實驗中MOS管選用C2M0080120D，諧振電感L1和L2選擇PE-51508，電感L是IHB5EB561K，諧振電容C1和C2選用的是FA22C0G2W683JNU6，電容選用薄膜電容。

在開關(guān)管關(guān)閉的死區(qū)時間里，對地電容C1和C2會完成充電,并會在進(jìn)入下一個諧振周期之前放電，在開關(guān)元件切換的瞬間改變開關(guān)管上的電壓波形。電容放電使開關(guān)元件可以在電壓過零的瞬間實現(xiàn)開通或者關(guān)斷(ZVS)，降低開關(guān)管工作狀態(tài)切換上的損耗。推挽諧振逆變電路的頻率與開關(guān)頻率的關(guān)系為：當(dāng)諧振頻率高于開關(guān)管的開斷頻率時，逆變器的工作狀態(tài)為零電壓切換；當(dāng)開關(guān)管的開斷頻率高于諧振頻率時，開關(guān)頻率仍為設(shè)定好的開關(guān)管工作頻率，但是開關(guān)管還沒有到達(dá)零電壓的狀態(tài)就會切換，不是零電壓切換。圖4為使用PSCAD對測試平臺電路進(jìn)行仿真的原理圖和逆變波形圖。

1.2 磁環(huán)測量方法

待測樣品原邊和副邊的繞線分別纏繞在磁環(huán)兩側(cè)，繞線之間不交叉或重疊。磁環(huán)原邊使用皮爾森線圈(電流檢測探頭)來采集原邊電流，磁環(huán)副邊空載以減少不必要的損耗，并使用高壓差分探頭采集副邊電壓。

圖4 PSCAD仿真圖

根據(jù)安培定律，通過原邊電流計算得出磁場：

N1I1=Hl

(5)

式中N1為原邊繞組匝數(shù)；I1為原邊電流(A)；H為磁場強(qiáng)度(A/m)；l為待測樣品的磁路長度(m)。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以通過電壓積分求得副邊磁通密度：

(6)

式中N2為副邊繞組匝數(shù)；S為待測磁環(huán)截面積(m2)；u(t)為副邊的感應(yīng)電壓(V)。

2 實驗結(jié)果

對型號為1K107B的納米晶磁環(huán)進(jìn)行磁滯回線和損耗的測量，磁環(huán)的尺寸為：25*20*10(mm)。激勵信號為10 kHz的正弦波。將測量所得的電壓和電流波形曲線顯示在Tek示波器上，如圖5所示。繪制出如圖6的磁滯回線，計算得到的損耗如表1所示。

將10 kHz正弦波勵磁條件下的實驗結(jié)果與圖7中函數(shù)信號發(fā)生器搭配NF4502型功率放大器的測量平臺在同樣條件下得出的波形結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖8。

其中功率放大器測得磁環(huán)的損耗為9.626 8 W/kg，推挽諧振逆變電路的測量結(jié)果誤差為3.3%，可見搭建的實驗平臺具有較高的測量精度。

圖5 最大磁通密度為0.7 T下待測樣品的波形

圖6 最大磁通密度為0.2 T，0.7 T和1.2 T的納米晶磁環(huán)磁滯回線

表1 不同磁通密度下25*20*10(mm)納米晶磁環(huán)在10 kHz正弦波勵磁下的損耗

圖7 功率放大器測量平臺

圖8 最大磁通密度為0.7 T的磁滯回線

3 用可調(diào)電阻調(diào)整輸出電壓

推挽諧振振蕩電路的相關(guān)研究表明，當(dāng)電路負(fù)載不連接磁環(huán)而是純電阻負(fù)載時，在高頻諧振條件下，通過調(diào)節(jié)負(fù)載的電阻值能夠有效調(diào)節(jié)電路的輸出電壓，逆變電路的輸出電壓值與電路中電容值C1以及負(fù)載電阻RL值呈正相關(guān)，只要調(diào)整電路的電容和電阻的參數(shù)，就可以升高或者降低逆變電路的輸出電壓。

磁環(huán)測量平臺的負(fù)載通常是以待測磁環(huán)電感為主的感性負(fù)載。文中搭建的測量平臺在保證待測磁環(huán)準(zhǔn)確測量的前提下，使用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓，即針對電感負(fù)載的調(diào)壓。使用皮爾森線圈進(jìn)行電流采樣，不引入額外的測量誤差。實驗證明，可調(diào)電阻的大小與磁環(huán)感應(yīng)電壓波形的幅值呈負(fù)相關(guān)性，圖9為勵磁電壓為10 V時感應(yīng)電壓隨可調(diào)電阻的變化關(guān)系。從示波器繪制的李薩如圖形上可以清晰地觀察到可調(diào)電阻變化對測量結(jié)果的影響。圖10為隨著可調(diào)電阻從200 Ω～0變化，磁滯回線的圖形變化。

圖9 感應(yīng)電壓幅值隨可調(diào)電阻的變化關(guān)系

圖10 可調(diào)電阻阻值從200 Ω逐漸減小到0的磁滯回線變化圖

電阻阻值在0～5 Ω之間，示波器得出的李薩如圖形出現(xiàn)明顯的畸變，不利于示波器采樣。當(dāng)可調(diào)電阻無限接近于0時，波形將受到明顯的50 Hz工頻信號的干擾，這是由于整個電路都是由無功元件構(gòu)成所導(dǎo)致的。如果可調(diào)電阻的阻值過大，根據(jù)式(7)，施加的勵磁電壓功率很大一部分消耗在了可調(diào)電阻上，會導(dǎo)致測量平臺工作效率降低。

(7)

式中RL為可調(diào)電阻阻值(Ω)；PL是測量過程中可調(diào)電阻產(chǎn)生的損耗(W)。以25*20*10(mm)的納米晶磁環(huán)為例，保證磁滯回線圖像不失真的可調(diào)電阻臨界值與勵磁電壓的關(guān)系見圖11。

圖11 電阻臨界值與勵磁電壓大小關(guān)系

圖11得出的線性關(guān)系符合式(5)對于勵磁電流的計算結(jié)果。一般的磁環(huán)測量平臺在測量過程中需預(yù)先設(shè)定好輸入電壓，如果要調(diào)節(jié)勵磁電壓大小，涉及到信號發(fā)生器和功放設(shè)備也要進(jìn)行調(diào)整。通過調(diào)節(jié)電阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓的方式簡化了測量過程且足夠安全。平臺具備靈活調(diào)節(jié)輸出電壓的特點，對觀察磁滯回線的變化趨勢有一定幫助。

4 結(jié)束語

(1)針對傳統(tǒng)磁性材料測量平臺受儀器帶寬和容量限制的情況，提出一種DSP驅(qū)動的諧振推挽逆變電路測量系統(tǒng)，用來測量納米晶磁環(huán)的磁滯回線和損耗。經(jīng)過仿真電路的驗證搭建了功率為30 W的實物測量平臺，與傳統(tǒng)方法的結(jié)果進(jìn)行對比證明了平臺具有較高精確度；

(2)文中所研制的測試系統(tǒng)只需要調(diào)整諧振元件參數(shù)和開關(guān)管工作頻率就能調(diào)節(jié)逆變波形的頻率，改變可調(diào)電阻就能調(diào)整輸出電壓的大小，精確觀測磁滯回線隨勵磁電壓變化的趨勢。提出的上述方法可為后續(xù)磁滯回線模擬測量等工作提供參考，且避免了之前的測量方法的諸多不足；

(3)基于測量電路自身結(jié)構(gòu)特點，測量過程中不再受到儀器測量帶寬的限制，在同樣功率條件下能對小尺寸樣品進(jìn)行高頻測量，圍繞這一平臺提升測量能力后具有很大工程使用前景。搭配施密特觸發(fā)器或遲滯比較器進(jìn)行工作，電路能輸出方波信號，對于更加復(fù)雜工況下的磁滯回線測量能通過進(jìn)一步改進(jìn)電路來實現(xiàn)。