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在脉宽调制电压激励下无取向电工钢中功率损失的研究摘要测量了PWM功率电压激励下各种电力电工钢的功率损失，并与爱泼斯坦测试仪发出的正弦波激励下功率损失进行比较。结果表明，总功率损失在PWM激励下的损失更大。在测量过程中磁通密度范围在0.5T1.7T变化时，最大和最小的损失分别出现在1.7T和0.5T处。PWM参数，开关频率和调制深度值均保持不变，分别为1.5 kHz和0.7。因此可以推测出，功率损失增加的原因可以归结为相关频率损失以及磁通波形损失。关键词：磁测量；电工钢；磁损失；脉宽调制激发1、引言由于速度控制快和成本低廉，脉冲宽度调制（PWM）逆变电源已经越来越多地应用于反馈电感应电机。当电机由PWM电压供电时必然发生额外的损失。这将导致铁心温度上升到可能使绝缘体被击穿的温度。在过去的十年中，Boglietti和 Kaczmarek通过一定的调查，利用著名的爱泼斯坦测量技术已经发现，在PWM正弦激励下，磁激发决定铁在特殊磁性材料中的磁性的损失增加。然而，目前，关于更广范围的电工钢在PWM电压激励下的能量损失的研究报告还比较少。在此前的研究中发现，在相同峰值的磁通密度和频率下，PWM电压激励下和在正弦激励下材料的磁化过程，有很大不同。尤其在PWM电压激励下磁通密度的变化率，在波形和磁场强度上出现相当大的畸形。最近，这种由PWM逆变电源在异步电动机定子铁芯上造成的额外损失已经引起许多电工钢和汽车制造厂商的关注。本文主要探讨无取向无硅电工钢在PWM电压激励下的功率损失。2、实验方法及分析将几种不同类型的电工钢在一台改进的爱泼斯坦测试仪上，在正弦波和PWM激励下，磁通密度为0.5-1.5T，频率为50 Hz的条件下进行测试。这些爱泼斯坦试样是：3%SiFe 合金无取向电工钢，厚度0.65mm（Losil-M390-65E）；无硅无取向铁，厚度0.5mm (Newcor-M660-50D)；无硅无取向铁，厚度0.65mm (Newcor-M800-65D)；无硅无取向铁，厚度0.5mm (Polycor-M420-50D)；6.5% SiFe合金无取向合金电工钢，厚度0.5mm。这些试样都在如图1所示的新研制的设备上进行测试。根据制造商提供的数据，试样Losil-M390-65E、 Newcor-M660-50D、 Newcor-M800-65D、Polycor-M420-50D以及6.5% SiFe合金在1.5 T, 50 Hz 和 1.3 T, 50 Hz正弦波磁激励下，具体损失分别为3.72、 4.65、 6.05、 3.74 和 1.05 W/kg。爱波斯坦试样在预期的磁化水平B下，通过放大器的任意函数发生器放大的输出信号被充电。放大的磁场强度H的频谱分析和磁通密度变化率dB/dt是在正弦波和PWM激励下，采用模拟到数字转换器在12位分辨率和100kHz的采样频率下得到的。一旦数据被采集到，它们将被传送到电脑中存储，使数据可以被脱机处理。每一种由功率分析仪测量的电工钢的功率损失，只有一种适合的频率。为了避免电压在次级线圈中失真，通过如图1所示的转换器安装了一个负反馈回路。在功率损耗测量PWM电压激励下的开关频率和调制深度或程度分别维持在常数1.5 kHz和0.7。数字示波器是用于调整PWM直流输入电压，如公式（1），以确定PWM的峰值磁通密度在理想水平。 （1）其中E是直流输入电压，N是在次级线圈匝数，A是截面积，是每半周期的脉冲数。在PWM和正弦波激励下，实验功率误差在测量值的3%以内。图1 爱泼斯坦试样功率损失测量系统的示意图3、结果与讨论Losil (M390-65D)、Newcor (M660-50D, M800-65D)、Polycor (M420-50D)和 6.5% SiFe合金无取向合金电工钢是在相同条件下进行测试。功率损失在正弦激励和PWM激励下，爱泼斯坦试样在不同磁通密度下应用了上述的测量系统。对于所有电工钢，在1.5T磁通密度和50Hz频率的时候，PWM激励下的损失与正弦激励下的损失相比最大相差大20.8。磁通密度的损失变化在PWM电压激励下表现出的模式与正弦激励下的类似。Losil (M390-65D)中，正弦激励和PWM电压激励下，具体损失是在磁通密度0.5T到1.5T，50Hz范围内测量得到。Losil (M390-65D)，正弦激励和PWM激励下的最大损失分别是3.61和4.36 W/kg，在1.5T的情况下出现。在0.5 T 和 1.5 T, 50Hz两种情况下情况下，PWM激励下的最小和最大损失增幅，分别是正弦功率损耗的5.9%和15.5%。图2说明这种材料中磁通密度在正弦激励和PWM激励下的具体损失变化。Newcor (M660-50D)的具体损失是在相同的条件下测量的。峰值磁通密度分别在0.5T和1.5T时的最小和最大的功率损失分别是0.68和5.05W/kg，而损失增幅在9.9%到12.7%范围内变化。图3显示这种材料在正弦和PWM激励峰值磁通密度时功率损失变化。其他Newcor material (M800-65D)的功率损失在相同的条件下测量的。最小和最大的实际损失在0.79-6.95W/kg之间，而最小和最大的损失增幅分别是11.8和20.8。图4显示这种钢在峰值密度相同条件下具体损失的变化。为了观察增加厚度在峰值磁通密度处对功率损失增幅的影响，对0.5 到 1.5 T范围内的测量结果进行相互比较。比较结果表明，这些钢的损失增幅在0.5T的时候仅仅为1.9%，而在1.5T的时候为8%。这个重要的结论强调了材料的厚度在PWM激励下损失增幅上有比预期更大的影响。图5给出了同一种电工钢在不同厚度下的不同损失增幅比较结果。图6显示了在上述相同条件下Polycor (M420-50D)钢中功率损失随磁通密度变化情况。图7显示了在6.5% SiFe合金钢中功率损失随磁通密度变化情况。Polycor (M420-50D)钢中的功率损失是在PWM激励下测量的。这种钢的功率损失在0.5到1.5T的磁通范围内为0.48 到 3.91 W/kg，而损失增幅是4.6%到13.9%。应该强调的是在相同厚度时，在PWM电压激励下，Polycor钢的损失增幅大于Newcor钢的损失增幅。这表明硅元素在减少这些电工钢的功率损失过程中起到主要作用，尤其是采用PWM电压作为通电电源的时候。为了验证硅的含量在失真的磁通密度条件下对降低损失增幅的重要作用，在正弦和PWM激励条件下测量了厚度为0.55mm的6.5% Si-Fe合金钢试样。在0.5T到1.5T，50Hz的PWM电压激励下最小和最大的实际损失分别是0.152 和 1.129 W/kg。最小和最大的损失增幅分别是7.8% 和16.2%。这些结果表明在PWM电压激励下，在相同的厚度条件下，6.5% SiFe合金钢中的实际损失增幅小于其他钢种。然而，这些材料中的磁通密度在1.3T时已经达到饱和。 图2 0.65mm厚Losil (M390-65D)试样在正弦和PWM激励下峰值磁通密度-具体功率损失变化图3 0.5mm厚Newcor试样在PWM和正弦激励下磁通密度-测量功率损失变化情况图4 0.65mm厚Newcor试样在PWM和正弦激励下磁通密度-测量功率损失变化情况图5 不同厚度的同种电工钢在PWM激励增加下功率损失增幅比较结果图6 Polycor钢在PWM和正弦电压激励下功率损失随磁通密度变化图7 6.5% Si-Fe合金在PWM和正弦电压激励下功率损失随磁通密度变化4、结论在电工钢被PWM电压激励通电的时候，由于磁通波形畸变导致的频率相关损失的上升而导致的损失增幅是不可避免的。电工钢的厚度对PWM激励下的功率损失增幅的影响比预期的更大。增加Si-Fe合金中的硅含量可以降低PWM流量下的实际损失增幅，但将导致合金的磁饱和度下降。与预期的一样，在PWM激励下最大增幅发生在无硅电工钢中。为了对不同磁化过程对这种波形下损失增幅的影响有更好的理解，值得进行进一步的研究。参考文献1 A. Boglietti, et al., IEEE Trans. Magn.31 (6) (1995) 4006.2 A. Boglietti, P. Ferraris, M. Lazzari, F. Profumo, IEEE Trans. Magn. 27 (6) (1991) 5334.3 R. Kaczmarek, M. Amar, F. Protat, IEEE Trans. Magn. 32 (1) (1996) 189.4 A.J. Moses, N. Tutkun, IEEE Trans. Magn. 33