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電工鋼在線檢測儀的研究及應用(發表于《世界金屬導報》2016年第45期)

作者:  瀏覽量:5645  發布時間:2016-12-06

周新華,鄒學良,舒子奇

(長沙天恒測控技術有限公司,湖南省 長沙市 410100)

摘要電工鋼的鐵損是其最重要的磁性能參數其大小決定了電工鋼牌號的高低本文詳細分析了目前主流的幾種電工鋼鐵損檢測的標準方法的優劣重點介紹了電工鋼帶在線鐵損檢測儀的功能特點設備構成基本原理主要應用及最新技術發展方向等后續簡單介紹了整卷電工鋼在線鐵損自動測試的方法這幾種測量方法可互相搭配形成有效且全面的產品質量監控手段

關鍵詞電工鋼帶鐵損在線檢測儀

 

The Research and Application of Online Tester

for Iron loss of Electrical Steel Strip

Zhou Xinhua, Zou Xueliang, Shu Ziqi

( Tunkia Co.,LtdHunan, Changsha, 410100, China)

Abstract: Iron loss is the most important magnetic property parameter of electrical steel strip and sheet, it determines the level of electrical steel grades. This paper introduced several iron loss testing methods of electrical steel strip and sheets, and focused on the online testing method. Including, system composition, basic testing principle, applications, and the latest technology developments, etc. The following introduced the iron loss online testing method for entire roll of electrical steel strip.

Keyword: electrical steel strip, iron loss, online tester

 

1. 引言

   電工鋼硅鋼是最重要的軟磁材料之一因具有損耗低飽和磁感大性價比高等特點使其廣泛地用于變壓器電機鐵心的制造鐵損是電工鋼最重要的磁性能參數其大小決定了電工鋼牌號的高低同時也直接決定了變壓器或電機成品的功率損耗因此測量鐵損值是電工鋼檢測的重點之一目前檢測電工鋼鐵損的常用方法包括愛潑斯坦方圈法單片磁導計法環樣法及在線測量等前三者分別是 IEC 60404-2IEC 60404-3IEC60404-6:2009 中所描述的測量方法在線檢測法目前仍未有相關的國際標準但已廣泛應用于眾多電工鋼廠的生產線上

 

2. 現有的標準檢測方法

上文已提到檢測電工鋼的重點是測量其損耗等交流磁參量現有的交流標準檢測方法包括方圈法單片法環樣法等其相關標準如下表所示

電工

1. 電工鋼交流檢測方法及相關標準

  方圈法和單片法是目前檢測電工鋼片磁性能的標準方法分別需要使用愛潑斯坦方圈和單片磁導計作為磁化裝置二種方法的有效磁路長度Le均為約定值均一定程度地偏離真實值在測量時會引入誤差尤其在高磁感情況下產生的偏差更甚環樣法的有效磁路長度Le雖接近于真實值但制樣過程過于復雜這三種方法所得的數據僅對當前樣品有效并不能完全代表整卷電工鋼的磁性能有抽樣測量的風險僅適用于產品抽檢和數據比對除此之外以上方法均存在測量前須處理應力對鋼帶剪切加工造成材料的浪費難以自動測量等問題

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1. 各種形狀的電工鋼樣品

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2. 愛潑斯坦方圈

 

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3. 單片磁導計

 

3. 電工鋼帶鐵損在線檢測儀

3.1 功能特點

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4. 典型電工鋼帶鐵損在線測量裝置示意圖

  上文提到的檢測方法最大的問題是不能完全反映整卷電工鋼的磁性能有抽樣測量的風險僅適用于產品抽檢和數據比對為滿足鋼廠想掌握所有產品磁性能的需求儀器制造商研制了在線鐵損檢測儀

  電工鋼在線鐵損檢測儀可對損耗的某一個點(P1.7)或磁感的某一個數據進行在線監測并將長度L與損耗對應實現整卷鋼帶的鐵損檢測分析其波動情況及一致性避免抽樣檢測的失敗率除此之外在線檢測儀還具有無須制樣過程避免材料浪費和應力影響可全自動測量等優點

       與標準檢測方法相比在線檢測儀的主要差異在于被測樣品的動態變化開磁路測量方式及工業現場的應用環境等

1) 運行中的電工鋼帶其厚度不斷變化需實時測量厚度信號反饋至主控制單元勵磁電源應能實時響應厚度變化而調整磁化電流以鎖定磁通密度B測量損耗

2) 其次運行中的電工鋼帶處于開磁路測量狀態有效磁路長度處于動態變化中這將直接影響鐵損測量的準確度和重復性

3) 電工鋼生產的現場環境相當復雜存在大量的鐵磁物質連同地磁場會形成一個復雜的磁場干擾環境溫度張力卷帶跑偏量均會對鐵損測量產生影響

 

3.2 系統組成

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5. 電工鋼帶鐵損在線測量裝置結構示意圖

1) 主控制系統包含勵磁電源磁測量裝置相關信號處理單元計算機及系統軟件等組成主控系統采集所有信號進行處理并轉化為磁場強度磁通密度鐵損等測量結果損耗的某一個點或磁感的某一個數據進行在線監測

2) 測量線框磁化線圈感應線圈等組成

3) 測厚儀張力計分別采集運行中電工鋼帶的厚度張力并將其傳輸至主控制單元以修正測量結果

4) 測速器通常采用光電旋轉編碼器進行反饋數據用于測量電工鋼帶運行時的速度結合測厚儀測量的厚度值計算電工鋼帶的質量

5) 標準愛潑斯坦方圈用于日常核查損耗磁場強度磁通密度的準確性

 

3.3 基本原理

  電工鋼帶在線鐵損的測量技術從單片法發展而來二者均需要將被測樣品置于具有一定磁化場封閉的磁導計中不同的是單片法僅測量面積固定的大單片電工鋼而在線法測量的是具有一定運行速度的電工鋼帶的連續損耗

 

電在6

5. 磁導計及損耗測量示意圖

1) 在線檢測儀的磁導計中包含初級線圈磁化電源對初級線圈勵磁產生一定的磁化場當電工鋼帶連續地通過磁導計初級線圈也不間斷地對鋼帶進行勵磁

2) 測量比總損耗根據公式:。

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l  P功率表測量的功率

l  N1為初級繞組匝數N2為次級繞組匝數

l  Ri為次級回路中儀表的總電阻

l  U2為次級回路的感應電壓

l  m 為被測某段鋼帶的質量

l  L為試樣的長度Lm為約定的磁路長度

4) 計算而得到的數據僅為一個點的鐵損值生產線上的電工鋼帶不斷運行磁化-測量的周期循環往復最終得到N個點的測量數據(如下圖所示)N個測量點的鐵損值與電工鋼帶的長度L對應可繪制P-L損耗與長度關系曲線通過觀察P-L曲線可了解整張電工鋼帶的鐵損波動情況(如圖6)而測量點的多少體現了損耗在長度上的解析度這取決于電工鋼帶的運行速度及儀器響應速度解析度越高越能良好反映整張電工鋼帶的損耗水平

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6. P-L損耗曲線

 

3.3 主要應用

       目前主流的在線鐵損測試儀可對P1.0~P1.7 的某個點的損耗值或者是B8B10某點的磁感值進行在線監控并能生成磁滯回線P-L 損耗與長度關系曲線δ-L 厚度與長度關系等曲線

  對于鋼廠而言在線鐵損檢測儀是質量控制的重要手段一方面可通過查看P-L曲線了解整卷電工鋼帶的鐵損分析其波動情況及一致性對所有鋼卷的性能進行有效評價同時也適用于對高牌號電工鋼的篩選另一方面通過查看δ-L曲線也可以了解自身生產工藝水平

  對于電工鋼使用單位如變壓器電機制造商來說在線鐵損檢測儀是一種有效快速進行來料質檢的手段區別于以往使用方圈法和單片法進行抽樣檢測而言在線檢測可對所有鋼卷進行品質檢測避免了抽樣檢測的失敗率

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7. δ-L厚度長度關系曲線

 

3.4 最新技術發展

1) 磁場線圈法 (H-Coil )的應用

   目前國際主要的硅鋼檢測儀器生產廠家均使用電流法 (M.C)即根據H=N*I/L 公式計算磁場強度值但有效磁路長度Le的真實值是隨著電工鋼磁性能的變化而改變不同牌號的材料使用相同的方圈或磁導計Le值也不盡相同而在線鐵損測量屬于開磁路測量很難精確計算其有效長度值而采用愛潑斯坦方圈測量儀器進行溯源亦是一件復雜的事

   針對M.C法的弊端可使用磁場線圈法來解決即在測量線框貼近電工鋼帶的位置增加H線圈對磁場強度進行直接實時測量可完全避免電流法因磁路長度難以預設而帶來的難題大大提高鐵損測量的準確度同時也不再需要愛潑斯坦方圈或單片磁導計對裝置進行校準

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在線檢測用磁導計結構示意圖(H線圈)

  但此方法的難點在于被測信號太小而外磁場和地磁場的干擾過大導致被測信號常淹沒于噪聲之中測量儀器難以從中抽取真實信號隨著電子元器件性能的提高及儀器儀表行業的發展準確測量微小信號的難題也得到解決使得采用磁場線圈法來測量磁場強度成為可能

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9. H線圈的輸出信號通常在mV

2) 電源的實時響應性

  由于電工鋼帶的厚度是波動的厚度波動1%比總損耗會波動2%故磁化電源須根據厚度變化實時變換輸出電流才能鎖定 J = 1.7 T

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10. δ-tI-t變化曲線

 目前電工鋼帶運行最快速度達300m/min若要求鐵損在長度上的解析度為0.2 m采樣周期 T40 ms故在選擇磁化電源時其響應時間應遠小于采樣周期T

3) 面掃描測厚

       3.3中的J(t)公式可知J(t)與鋼帶橫截面積A有關A =W* δ (W為寬度 δ為厚度)目前的測厚儀僅測量一個點的厚度來代表一個面的厚度仍會帶來誤差為了避免厚度信號引入的測量誤差需通過面掃描的方式來實現

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11. 單點測厚和面掃描測厚

4) 靜態外磁場的主動補償

  在線測量的現場存在大量的鐵磁物質連同地磁場會形成一個復雜的磁場干擾環境其對測量結果的影響不能忽略因此需增加額外的靜態磁場補償線圈通過主動可調節的恒流源勵磁實時反饋從而去除外磁場的干擾

5) 大數據分析

  在線測量涉及大量的數據計算處理完全反映整張電工鋼帶鐵損的真實波動需要損耗在長度上具有良好的解析度而目前電工鋼在線運行的最快速度為300 m/min1秒鐘即5m的長度在如此快的速度上需要主控單元具有良好的數據處理能力和響應速度此外運行中的電工鋼帶還受溫度張力橫向移動高度方向振動外磁場/地磁場等因素的影響需要實時監控這些干擾因素并對測量的損耗值進行修正這對系統的數據處理能力有進一步的要求

  測量儀器可選用高性能的元器件增大存儲空間和優化軟件的算法來提升數據處理能力使得H-Coil法不在需要通過方圈或磁導計進行比對也能具有較高的測量準確度

6) 數據安全

       早期設備受限于存儲技術測量數據僅存儲于上位機中而工業現場惡劣的使用環境如高溫電磁干擾等易導致上位機異常等使數據丟失為防止此類事情發生最新的解決方案是在下位機中增加大容量存儲器作為臨時存儲至少可保存60分鐘數據),同時增加UPS電源防止突然掉電而上位機采取雙機熱備的方式并使用大容量硬盤即能保存數月的數據又可保證測量數據的安全

 

4. 電工鋼整卷在線鐵損自動測試

  上文描述的在線鐵損測量針對的是在生產線上運行的整張電工鋼帶而高牌號的電工鋼是通過測量手段精選而來其性能是否達標可通過測量整卷電工鋼的平均磁感和損耗進一步地對精選后的產品進行質量把關因此電工鋼整卷在線鐵損自動測試系統應運而生

  如下圖所示的該系統可將整卷電工鋼視為一個大型的環形鐵心使用初級線圈勵磁和次級線圈測量磁感可得到整卷電工鋼的平均磁感值和損耗值為變壓器電機等電工鋼應用單位的產品設計的參數導入提供了一種有效的手段

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12 整卷電工鋼在線鐵損自動測試系統示意圖

1) 主控制系統包含勵磁電源磁測量裝置相關信號處理單元計算機及系統軟件等組成主控系統采集所有信號進行處理并轉化為磁場強度磁通密度鐵損等測量結果

2) 大型測試夾具內置單匝勵磁線圈通過勵磁電流I對鐵心進行勵磁并配有單匝感應線圈以測量鐵心的感應電壓 U通過 和 I來計算鐵心的損耗勵磁線圈上半部分可通過電機控制上下移動如圖6所示

3) 傳動機構測試前將待測的整卷電工鋼移動至測試位測試完成后將電工鋼卷移走并傳入下一卷待測鋼卷

 

5. 總結

 上文介紹了幾種電工鋼磁特性的方法運行中電工鋼帶的在線鐵損測量裝置可獲取電工鋼任意位置的鐵損電工鋼整卷在線鐵損自動測試系統可用于核查特定鋼卷的平均損耗而離線測量(方圈法單片法環樣法)適用于對電工鋼進行抽檢對電工鋼的所有磁性能進行出廠檢驗

 這幾種測量方法可互相搭配形成有效且全面的產品質量控制與保障手段有利于電工鋼生產企業提升品質提高企業的核心競爭力

 

                                                                                                                                                      參考文獻

1GB/T 3655-2008用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片()磁性能的方法

2GB/T 13789-2008,用單片測試儀測量電工鋼片()磁性能的方法

3Slawomir Tumanski (波蘭)編著趙書濤葛玉敏譯磁性測量手冊.  北京機械工業出版社 2013.9

 

 

 

 


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