硅鋼比鐵損測量實驗平臺設計

孫曉華，梁 鵬，劉 曄，李運甲，原曉楠，陳 琪

（西安交通大學電工電子國家級實驗教學示范中心，西安 710049）

0 引言

《非電量電測技術》是面向全校工科專業碩士研究生開設的校級公共基礎學位課程。該課程以科研案例和工業生產應用為背景，以“雨課堂”互動形式講授測量的基本知識，傳感器的工作原理、特性、測量電路，信號的放大、濾波與轉換等調理電路，信號分析與處理基礎等內容［1］。在實驗設置和實驗內容的編排上，以學生為主體，以學生自主學習為基調，以研究生創新能力培養為主線，研究、設計和完成實驗教學［2］。將傳感器測試技術、虛擬儀器編程設計、基于Multisim的傳感器建模和調理電路設計與仿真、測試系統集成和拓展等實驗項目有機融合，通過創建“基礎實踐”“設計應用”和“綜合拓展”的模塊式、階段式、漸進式、互動式的實踐過程設計，強力支撐學生創新能力的實踐和培養［3-5］。同時，以基本實驗能力的養成為基礎，將多種方法和手段融入實驗教學中，激發學生自主學習、自主實踐、自主設計和自主拓展的積極性，提高學生分析和解決工程實際問題的能力，培養學生測試系統的構建和研發能力［6-8］。

1 設計要求

考慮到電工鋼片（帶）比鐵損測量在工程應用和理論上的重要性，依據課程要求并結合實踐教學，傳感器和虛擬儀器設計的軟、硬件要求，設計應達到以下幾個方面要求［9］：

（1）學生可在實驗平臺上，用國標規定功率表法進行測量比鐵損的基礎實踐訓練；在掌握虛擬儀器設計軟件編程后，在該平臺上進行硅鋼性能的設計性和拓展性實驗的研究。

（2）平臺設計必須反映硅鋼比鐵損測量的較新水平。在符合國家標準硬件結構上力求簡單，能靈活更換各單元部件，軟件要求具有自定義功能，擴展能力強等特點。

（3）測量平臺應具有：國標規定在磁通波形為正弦波下，可以實現不同頻率下電工鋼片比鐵損pt-Bm曲線的測量和顯示；可以測量電工鋼片常用的標準比鐵損pBm／f，并將其分解為磁滯損耗phBm／f與渦流損耗peBm／f。即p5／50（ph5／50和pe5／50）、p10／50（ph10／50和pe10／50）和p15／50（ph15／50和pe15／50）；可以實現不同頻率下硅鋼材料磁滯回線B-H、磁化曲線Bm-Hm、磁導率曲線μ-Hm的自動測試和顯示；以及常用的磁參數，如飽和磁感應強度Bm、飽和磁場強度Hm、剩磁Br、矯頑力Hc、最大磁導率μm和初始磁導率μa的測量和顯示［2］。

2 實驗平臺的結構和測量原理

2.1 愛潑斯坦方圈的結構

為便于在相同測試條件下進行產品性能的比對，將硅鋼片閉合成環形或條形試樣，愛潑斯坦方圈作為硅鋼性能測試的標準方圈。本實驗的愛潑斯坦方圈采用國標規定的25 cm 方圈結構，在忽略空氣漏磁情況下，其內部接線不包括空氣磁通補償線圈。愛潑斯坦方圈結構與搭接方式、內部接線以及實物圖如圖1所示。

圖1 愛潑斯坦方圈的結構、內部接線圖及實物圖

圖1（a）中樣片選用晶粒無取向冷軋硅鋼片，為減小漏磁，樣片采用垂直錯位單搭接銜接，在骨架內緊密疊放；圖1（b）中每個骨架內層繞制2-2’的次級繞組N2，外層繞制1-1’的初級繞組N1（*為同名端），再串聯構成匝比1∶1的平面空載變壓器；圖1（c）中用酚醛壓塑的電工膠木作為絕緣無磁性的線圈骨架和支撐底板。為盡可能降低繞組阻抗的影響，方圈試樣必須滿足［10］：

式中：r1、r2分別為初、次級繞組的線圈內阻，Ω；L1、L2分別為初、次級繞組的電感，H。

2.2 實驗平臺的組建

硅鋼工頻比鐵損測量方法，都是以功率表法為標準基礎制訂的。采用由愛潑斯坦方圈組建的功率表法測量比鐵損的原理如圖2 所示。該系統由激勵回路、感應回路和測量儀表3 部分組成。激勵回路由可程控的低頻交流電源、初級繞組、交流電流表和低功率因數瓦特表的電流線圈串聯組成；交流電壓表與低功率因數瓦特表的電壓線圈并聯，作為次級繞組的負載構成感應回路。負載電壓由交流電壓表測得；測量儀表由低功率因數瓦特表W、交流電壓表V和監視用交流電流表A組成。其中瓦特表讀數為試樣和負載的總鐵損Wa，通過測量交流電壓計算出試樣的磁感應強度Bm，而監視用的交流電流表確保測量時瓦特表的電流線圈不過載。

圖2 功率表法測量比鐵損的原理圖

2.3 測量原理

功率表法測量比鐵損的等效電路及相量關系圖如圖3 所示［11］。圖中，交流電源的輸出電壓u1，為初級繞組提供激勵電流i1，也使其產生感應電動勢e1，這時在截面積為S試樣的閉合磁路中產生磁感應強度B。

圖3 測量比鐵損的等效電路及相量關系圖

根據基爾霍夫回路定律，有

電源輸入到初級電路的瞬時功率為pi，有

次級感應電勢e2使回路流過瞬時電流i2，并在負載電阻R上產生電壓降u2＝i2R。此時的R值是交流電壓表內阻RV與瓦特表電壓線圈內阻RWV的并聯，且r2＜＜R。即

因為N1和N2同繞于一個試樣，在全耦合無漏磁情況下，依據電磁感應定律，得

為簡化計算，在工作狀態下引入產生真實磁場強度H0的等效磁化電流i0，并令i0＝H0l／N1。根據安培環路定律、初、次級鐵芯線圈通電后滿足：

式中：l為試樣的等效磁路長度，m。把式（4）、（5）代入式（6），兩端再乘以e1，有

式中：u2i2為感應回路的測量儀表損耗，W；i22r2為次級繞組的銅損，W；e1i0為被測試樣激磁所消耗的能量，W。該能量的瞬時值為［12］

對求一個周期中的平均值與試樣有效質量ma的比值，就得到被測試樣單位質量的比鐵損

式中：U2為感應回路負載端電壓的有效值，V；I1為流經初級繞組激勵電流的有效值，A。

硅鋼試樣在通電線圈產生的磁場內均勻磁化，根據法拉第電磁感應定律，由此可求磁感應強度B，即

國標規定磁通按正弦形態變化，則獲得的磁感應強度幅值：

由斯坦麥茲公式，在固定頻率下硅鋼比鐵損主要由與波形無關的磁滯損耗ph和與波形有關的渦流損耗pe兩大部分組成［13-14］，即

而分離比鐵損主要有變頻法和變波形系數法，在現有設備條件下選用變頻法實現［15］。變頻法測試分離中，在保持磁感應強度Bm不變的條件下，測量兩個相近不同頻率f1和f2的比鐵損，得到一組聯立方程式，有

式中：A和B為系數。對于給定試樣，在某一磁感應強度下A和B均不隨頻率發生改變。因此通過求取A、B，就可分離出某一頻率標準磁感應強度下的磁滯損耗和渦流損耗。

由大到小改變交流電源輸出的電壓幅度，可獲得標準比鐵損pt-Bm曲線，以及標準比鐵損pBm／f、磁滯損耗phBm／f與渦流損耗peBm／f等參數。需要指出，國際上規定必須在B為正弦條件下測量硅鋼比鐵損參數，以便數據的統一和比對；本實驗平臺在測量所有參數時，均保持B路為正弦。

3 硬件平臺設計特點

完成設計后的基礎實踐、設計與拓展平臺實物和結構框圖如圖4（a）～（c）所示。

圖4 基礎實踐、設計應用與綜合拓展平臺實物和結構框圖

硬件平臺設計特點：

（1）平臺中將愛潑斯坦方圈單獨制作，支撐底板后面的繞組連線可靈活接拆，線圈骨架側邊擋板用可調整松緊的螺絲固定，方便隨時更換不同硅鋼試樣和成套初次級線圈；

（2）平臺的測量儀表和采集模塊外接，方便標定時多功能電量分析儀的接入；

（3）在進行基礎實踐和掌握LabVIEW 編程的基礎上，通過設計與拓展實踐環節，用myDAQ 配合電壓和電流傳感器搭建采集模塊，增加USB編程對程控電源進行控制，構建國標的硅鋼比鐵損和磁性能自動測試系統。

4 軟件設計特點

比鐵損測量平臺的軟件采用圖形化虛擬儀器設計工具LabVIEW。根據前期的設計宗旨和3 個不同階段的測試要求，實驗可分為3 種模塊實施教學。

（1）基礎實踐訓練。學生通過基礎實踐驗證比鐵損測量，用變頻法分離的基本理論，完成給定試樣比鐵損曲線的逐點測量和標準比鐵損參數的分離，學會用多功能電量分析儀PM-100 作為標準表，對系統進行標定。

（2）設計應用模塊。通過自主選擇傳感器和測試軟件，讓學生學會組建比鐵損測量軟、硬件平臺，完成該平臺的基本測試功能，激發學生創新的意識。實施時指導教師針對學生個體水平的差異，強化學生獨立思考，給學生預留設計創新的空間，同時因材施教，通過設置不同要求不斷引導學生。

圖5 硅鋼比鐵損自動測量與分離的虛擬界面

（3）綜合拓展模塊。學生可在該實驗平臺上對其中的某個環節進行拓展研究，以達到新增測試功能以及性能改善的目的。如利用數字積分和不同差值算法等編程，拓展硅鋼材料國標磁特性與磁參數的自動測試，對測試結果標定、數據修正和性能評價等方面有所新意［16］。

5 結語

本實驗2016 年制作了4 套，經5 年的實驗教學實踐和問卷調查，證明了該比鐵損測量平臺的研制是成功的，取得了很好的實驗教學效果。

（1）在研究生“非電量電測技術”“電氣測量技術”實驗教學中，所有學生在規定的3 學時內完成基礎實踐訓練的實驗內容；

（2）選擇該設計題目92%的研究生在限定的4學時內完成設計應用實驗的基本要求，其中20%的學生在不同之處有所拓展和創新；

（3）在本科生校級創新性開放實驗項目中，學生從電磁場課程中的工程應用出發，分組拓展出了不同的軟、硬件設計方案，并制作出4 套完整的愛潑斯坦方圈和采集模塊，還針對相應的方案各自進行深入的專題研究。