Apparatuses for Iron Loss Measurement of Silicon Steel Sheets under Sinusoidal and PWM Waveforms

本文係建立靜態鐵損測試系統以量測矽鋼片之電磁特性，自製包括一般環形測試器、標準25cm-Epstein 測試器及創新結構環形測試器；藉由控制不同的電壓輸入訊號，如弦波訊號及脈寬調變訊號，分析矽鋼片鐵損特性與輸入訊號間的關係，以作為設計變壓器或馬達時參考之用。研究內容分為四部分：（一）建立三種繞線方法之一般環形測試器，另依據ASTM 標準建立0.5kg、2kg 之25cm- Epstein測試器，並搭配資料擷取卡、線性功率放大器及電力計等相關設備完成靜態鐵損測試系統。（二）在弦波量測方面，量測範圍為50Hz~5kHz，將其實驗結果與中鋼之資料相互比對，以驗證自製測試系統之準確性，並比較環形測試器於不同繞線方式的差異性。此外，透過感應電壓之波形控制，顯著提升弦波鐵損之量測範圍。（三）在脈寬調變量測方面，設計一多功能全橋式PWM 換流器電路以完成PWM 鐵損量測系統，分析單極切換、雙極切換及不同調變指標等條件對鐵損所造成的影響。（四）研發一創新結構環形測試器，經實驗驗證不但具準確性，並可快速替換試片，方便量測其電磁特性，免除一般環形測試器繞線上的誤差及耗時等缺點，同時此一致性的測試條件更可分析出不同試片間的差異性。This thesis sets up the static test system to measure the magnetic properties of the silicon steel sheets. For the research, we build some common ring testers, a standard 25cm Epstein tester and an innovative structure applied to ring specimens. The test setup is used to measure silicon steel sheet properties critical for electrical motors and transformers design. The setup is capable of measuring the iron losses of silicon steel sheets under different of magnetizing waveform such as sinusoidal and Pulse-Width Modulation (PWM) waveforms. This thesis is divided into four parts: first, we build the common ring testers with three winding types and a 25cm Epstein tester with 0.5kg and 2kg specimen frames according to the ASTM standard. The test setup integrates the testers, a data acquisition card, a linear power amplifier, and a power meter into the static testing system. The second part of the thesis shows the experimental results under sinusoidal magnetizing waveforms that match with those from CSC measurement within the 50Hz~5kHz region. We also analyze the variations between different winding types. The system is able to extend the measuring bandwidth by applying induced voltage waveform control. The third part of the thesis builds a multi-function PWM inverter to enable iron loss measurement under the same operating condition as in an electric motor. The setup enables steel sheets magnetic properties measurement under non-sinusoidal excitations while maintaining the desired modulation waveforms and the carrier frequencies with different switching modes (unipolar and bipolar). Finally, this thesis proposes a new reusable ring type magnetic testing apparatus. The innovative tester permits easy exchange of the test specimens and provides a unified winding environment to eliminate any influences induced by winding irregularities. The unified testing condition then allows one to compare the more detailed and sensitive properties of different specimens.口試委員會審定書 I謝 V文摘要 VII文摘要 IX錄 XI目錄 XV目錄 XXVII一章 序論 1.1 研究動機 1.2 文獻回顧 3.3 論文架構 8二章 磁性材料技術概論 9.1 軟磁與硬磁材料 9.2 電磁感應 11.2.1 安培定律 11.2.2 法拉第感應定律 12.3 鐵損 13.3.1 開路測試法 15.3.2 磁滯曲線面積法 16.3.3 旋轉功率法 16三章 鐵損測試系統建立 19.1 環形測試器實作 19.2 Epstein 測試器實作 23.2.1 測試器本體 23.2.2 繞線線圈 25.2.3 矽鋼片試片 25.2.4 實作過程 26.3 主要儀器設備 30.4 自製Epstein 測試器之量測問題 33.4.1 間隙補償線圈的圈數問題 33.4.2 激磁電流波形未對稱的問題 34.4.3 量測時矽鋼片加壓的考量 39.5 電磁特性量測上的問題分析 42.5.1 電流有效值（RMS）與最大值（MAX） 42.5.2 弦波波形失真率 43.5.3 弦波鐵損量測之公式計算 46.6 量測架構規畫 47四章 弦波鐵損量測 51.1 訊號產生及實驗步驟 51.2 環形測試器實驗結果 53.2.1 相同Type、不同厚度之實驗結果 53.2.2 於各頻率下之實驗結果 62.2.3 三種Type 之實驗結果比較 69.2.4 與中鋼量測結果比較 74.3 Epstein 測試器實驗結果 81.3.1 自製2kg-Epstein 測試器與中鋼測試器之比較 81.3.2 自製0.5kg -Epstein 測試器與中鋼數據比較 89五章 弦波波形控制 105.1 環形測試器之波形控制 106.2 Epstein 測試器之波形控制 120六章 PWM 鐵損量測 133.1 訊號產生及實驗步驟 133.2 PWM 換流器設計 139.2.1 第一代PWM 換流器 140.2.2 第二代PWM 換流器 142.3 環形測試器實驗結果 146.4 Epstein 測試器實驗結果 153七章 新型環形測試器之設計、製作與量測 159.1 結構設計與實作 159.2 弦波訊號實驗結果 167.3 PWM 訊號實驗結果 171八章 結論及未來展望 181.1 結論 181.2 未來展望 182amp;#63851;考文獻 185錄A Epstein 測試器各零件三視圖 189錄B 自製測試器各組件規格 191錄C Power MOSFET–IRFP260N 193錄D 驅動晶片–IR2184 194錄E 新型環形測試器部分零件三視圖 19