CN110333443B - 感应电机定子绕组温升测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应电定子绕组温升测试方法。该方法基于电机瞬态热路模型，结合参数估计方法，利用定子绕组瞬态温升实测数据得到其温升曲线，从而获得定子绕组的温升限值。本发明具有测试时间明显减少的优势，且可获得定子绕组稳态温度与载流的关系曲线，仅需数个实验即可获得电机定子绕组的温升曲线。同时，根据曲线可得到绕组的温升限值及长时间可靠运行的最大电流值。

Description

感应电机定子绕组温升测试方法

技术领域

本发明属于电机控制技术，具体为一种感应电定子绕组温升测试方法。

背景技术

感应电机定子绕组运行温度是电机安全运行的重要参数，如果定子绕组工作温度在一定时间内超过其绝缘材料的极限温度，将严重影响电机性能，降低电机使用寿命，严重时会导致电机损毁。因此，实际中需对电机定子绕组进行温升测试，得到其稳态温度及温升限值，以验证电机绝缘耐热性能，并为后续电机设计和改进提供指导依据。

实验上电机绕组温升测量方法主要有温度计、热电偶和热电阻等，但存在测量精度易受外界环境的影响、热态电阻不易测量、试验时间长、无法获得稳态温度等缺点。

理论上电机绕组的温升测量方法主要有等效热路法和数值分析法两类。等效热路法是将温度场简化为带有集总参数的热路进行计算，其准确度很大程度上取决于热路拓扑结构和热路参数。数值分析法如有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)，其精度受电机的结构参数以及所用材料的物性参数影响，且材料的物性参数较难确定，另外，数值分析法尤其是有限元法计算量庞大。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于瞬态热路模型的感应电机定子绕组温升测量方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种感应电机定子绕组温升测试方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电机定子绕组瞬态热路模型，确定定子绕组温度表达式，将此热路模型等效为一个非线性多输出多输入系统，得到状态方程；

步骤2、建立参数向量，采用参数估计方法获得定子绕组瞬态热路模型的多组热参数估计值，将多组热参数带入离散状态方程计算得到多个定子绕组温度；

步骤3、以定子绕组温度计算结果与实测结果的最小误差为目标建立定子绕组瞬态热路模型热参数的优化函数，通过对比定子绕组温度计算值与实际测量定子绕组温度的差值确定满足优化函数设定值的最佳热参数；

步骤4、根据最佳热参数确定电机定子绕组瞬态热路模型具体形式，绘制电机定子绕组的温升曲线获得定子绕组的温升限值。

优选地，步骤1确定的定子绕组温度表达式为：

式中，P_eq为电机热损耗，R_j表示第j个定子热阻，C_i表示第i个定子热容，T_i为第i 个节点温度，T_e为环境温度，n为自然数。

优选地，所述定子绕组热损耗P_eq具体为：

其中，P₀为初始温度T_e下的电机热损耗。

优选地，步骤1将定子绕组热模型等效为一个非线性多输入多输出系统，得到的线性状态方程：

其中，T＝[T₁ T₂... T_n]^T，

U＝[P_eq T_e]^T；

矩阵A中各系数如下：

优选地，步骤2建立的参数向量为：

X＝[C₁ C₂ ...C_n R₁ R₂ ... R_n+1]^T

优选地，步骤3建立的定子绕组瞬态热路模型热参数的优化函数为：

其中，T^(k)为k时刻定子绕组的计算温度，

为k时刻感应电机定子绕组的实测温度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明无需等待绕组温升达到稳态，明显减少测试时间；(2)本发明仅需数个实验即可获得电机定子绕组的温升曲线；(3) 本发明根据温升曲线可得到绕组的温升限值及长时间可靠运行的最大电流值。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是感应电机定子绕组瞬态热路模型示意图。

图3是不同电流条件下定子绕组温升实验结果示意图。

图4是94A、108A和120A条件下定子绕组温升曲线图。

图5是定子绕组温升计算与实测值对比图。

具体实施方式

一种基于瞬态热路模型的感应电机定子绕组温升测量方法，通过选择合适的电机定子绕组瞬态热路模型，并基于控制理论，得到定子绕组温度的状态方程，通过遗传算法得到状态方程的各个参量拟合值，将参量带入离散状态方程求解定子绕组温度，以定子绕组温度计算值与实测值的误差最小值为目标优化函数，若该最小差值满足目标优化函数设定值，进而得到最佳热参数值，将具体的状态方程绘制温升特性曲线，根据温升特性曲线获得定子绕组的温升限值，具体步骤为：

步骤1、根据电机定子绕组瞬态热路模型，确定定子绕组温度表达式，将此热路模型等效为一个非线性多输出多输入系统，得到状态方程；

步骤2、建立参数向量，采用参数估计方法获得定子绕组瞬态热路模型的多组热参数估计值，将多组热参数带入离散状态方程计算得到多个定子绕组温度；

步骤3、以定子绕组温度计算结果与实测结果的最小误差为目标建立定子绕组瞬态热路模型热参数的优化函数，通过对比定子绕组温度计算值与实际测量定子绕组温度的差值确定满足优化函数设定值的最佳热参数；

步骤4、根据最佳热参数确定电机定子绕组瞬态热路模型具体形式，绘制电机定子绕组的温升曲线获得定子绕组的温升限值。

进一步的实施例中，步骤1确定的定子绕组温度表达式为：

式中，P_eq为电机热损耗，R_j表示第j个定子热阻，C_i表示第i个定子热容，T_i为第i 个节点温度，T_e为环境温度，n为自然数。

进一步的实施例中，所述定子绕组热损耗P_eq具体为：

其中，P₀为初始温度T_e下的电机热损耗。

进一步的实施例中，步骤1将定子绕组热模型等效为一个非线性多输入多输出系统，得到的线性状态方程：

其中，T＝[T₁ T₂... T_n]^T，

U＝[P_eq T_e]^T；

矩阵A中各系数如下：

进一步的实施例中，步骤2建立的参数向量为：

X＝[C₁ C₂ ... C_n R₁ R₂ ... R_n+1]^T

进一步的实施例中，步骤3建立的定子绕组瞬态热路模型热参数的优化函数为：

其中，T^(k)为k时刻定子绕组的计算温度，

为k时刻感应电机定子绕组的实测温度

实施例

如图1所示，本实施例针对四阶瞬态热路模型，一种感应电机定子绕组温升测试方法，包括以下步骤：

步骤1、采用图1所示瞬态热路模型，根据热电类比理论，得到绕组温度表达式：

其中，P_eq为电机热损耗，R₁为定子绕组绝缘层热阻，R₂为定子槽绝缘层热阻，R₃为忽略齿部的定子叠片热阻，R₄为定子叠片与机壳的热阻，R₅为气隙热阻，C₁为定子绕组热容，C₂为定子槽绝缘层热容，C₃为定子齿热容，C₄为定子轭热容，T₁为电机定子绕组温度，T₂为定子槽绝缘层温度，T₃为定子齿温度，T₄为定子轭温度，T_e为环境温度。在转子堵转、电机通直流电的情况下，转子温度、机壳温度和环境温度近似相等，均为 T_e，进一步地，所述定子绕组热损耗P_eq具体为：

其中，P₀为初始温度T_e下的电机热损耗。

将温度T作为状态变量，P_eq、T_e作为输入量，则式(1)可转换为如下所示的线性状态方程：

其中，T＝[T₁ T₂ T₃ T₄]^T，

u＝[P_eq T_e]^T；

矩阵A中各系数如下：

步骤2、建立参数向量：

X＝[C₁ C₂ C₃ C₄ R₁ R₂ R₃ R₄ R₅]^T

根据测量所得温度，通过遗传算法求解得到多组电机定子绕组温升模型中的未知参数向量X；

利用遗传算法对待辨识参数进行估计时，遗传算法的操作参数如表1所示。

表1

通过前期的温度测量，将时间作为自变量，温度测量值作为因变量，利用遗传算法得到温度随时间变化曲线方程的各项参数值，即获取多组不同的电机定子绕组温升模型中的未知参数向量X。

将热参数带入离散状态方程求得定子绕组温度，具体方法为：

k时刻的定子各部分温度为T_i ^(k)，环境温度为T_e ^(k)，电机热损耗为P_eq ^(k)，其中i＝1，2， 3，4；k∈N。

对(3)式按时间进行离散，令其中：T^(k)＝[T₁ ^(k) T₂ ^(k) T₃ ^(k) T₄ ^(k)]^T； U^(k)＝[P_eq ^(k) T_e ^(k)]^T

得到迭代方程：T^(k)＝CT^(k-1)+DU^(k-1) (6)

其中，C＝ΔtA+E，D＝ΔtB

其中，Δt为离散时间，E为单位矩阵。

步骤3、以热路模型的定子绕组温度计算结果与实测结果误差最小为目标，建立目标优化函数如下：

其中，X为待辨识参数向量表示为：

X＝[C₁ C₂ C₃ C₄ R₁ R₂ R₃ R₄ R₅]^T

为k时刻感应电机定子绕组的实测温度。

根据目标优化函数式(7)，求出多组定子绕组温度计算值与实际温度测量值的误差绝对值的最小值，当该最小误差温度满足给定的设定值时即可确定所求热参量，进而得到电机定子绕组的温升特性。若不满足，则重新收集温度数据进行步骤2获得新的热参数并重新进行步骤3。

步骤4、绘制电机定子绕组的温升曲线，根据温升曲线获得定子绕组的温升限值。

对本实施例进行验证，具体过程如下：

通过验证平台获得电机温升数据。验证平台由鼠笼式感应电机、直流电源、测温模块以及PC机组成。其中，感应电机参数如表2所示；测温模块采用NTC503J3950温度传感器，其B值精度为1％，阻值精度为1％；直流电源为电机提供72V直流电；温度、电流和电压数据通过232总线发送至PC机。

表2

将温度传感器探头置于电机机盖内部(所测温度为定子绕组端部温度，可近似为电机定子侧温度)。本验证在恒温恒湿、自然对流条件下进行，环境温度为30℃，测量时间间隔为0.3s。对电机定子绕组加载不同大小的直流电，测量定子绕组的温升。采用直流电进行温升测试，电机损耗仅在定子绕组内，因而无需考虑定子铁耗和转子损耗。

按电流大小不同共进行6组，分别为80A、94A、100A、108A、120A和134A。定子绕组的最高温度为110℃，未超过电机绝缘等级的要求。验证结果如图3所示。

进一步地，对估计参数进行实验验证与分析。

分别选取94A、108A和120A载流条件下30℃至80℃区间的数据进行参数估计。采用遗传算法操作参数，计算得到定子绕组热路模型热参数，如表3所示,可得到电机定子绕组温升的具体状态方程。

表3

图4给出了定子绕组在94A、108A和120A载流条件下从初始温度30℃上升到80℃的实测曲线和计算曲线。由图可见，定子绕组温度还未达稳态，计算值与实测值较为吻合，电机定子绕组通流后，其温度迅速升高，且加载电流越大，温升速率越高。

表4给出了计算值与实测值的计算误差，最大计算误差小于2％，平均计算误差小于 1％。

表4

进一步地，选取80℃至110℃区间定子绕组温度的数据来验证参数估计方法的有效性。图5为电机定子绕组温升的计算与实测值对比图，其中虚线为计算值，实线为实测值，两者基本吻合。

表5给出了从80℃至110℃区间的计算误差，最大计算误差在1％以内，平均计算误差在1％以内，表明本方法所用电机定子绕组温升模型参数估计方法是有效性的。

表5

因此，本发明可通过加载较大的负载电流，来减少测试时间。本发明还可获得传统测试方法由于电机绝缘等级的限制而无法得到的超温条件下定子绕组稳态温升。

Claims (6)

1.一种感应电机定子绕组温升测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据电机定子绕组瞬态热路模型，确定定子绕组温度表达式，将此热路模型等效为一个非线性多输出多输入系统，得到状态方程；

步骤2、建立参数向量，采用参数估计方法获得定子绕组瞬态热路模型的多组热参数估计值，将多组热参数带入离散状态方程计算得到多个定子绕组温度；

步骤3、以定子绕组温度计算结果与实测结果的最小误差为目标建立定子绕组瞬态热路模型热参数的优化函数，通过对比定子绕组温度计算值与实际测量定子绕组温度的差值确定满足优化函数设定值的最佳热参数；

步骤4、根据最佳热参数确定电机定子绕组瞬态热路模型具体形式，绘制电机定子绕组的温升曲线获得定子绕组的温升限值。

2.根据权利要求1所述的感应电机定子绕组温升测试方法，其特征在于，步骤1确定的定子绕组温度表达式为：

式中，P_eq为电机热损耗，R_j表示第j个定子热阻，C_i表示第i个定子热容，T_i为第i个节点温度，T_e为环境温度，n为自然数。

3.根据权利要求2所述的感应电机定子绕组温升测试方法，其特征在于，所述定子绕组热损耗P_eq具体为：

其中，P₀为初始温度T_e下的电机热损耗。

4.根据权利要求1所述的感应电机定子绕组温升测试方法，其特征在于，步骤1将定子绕组热模型等效为一个非线性多输入多输出系统，得到的线性状态方程：

其中，T＝[T₁ T₂ … T_n]^T，

U＝[P_eq T_e]^T；

矩阵A中各系数如下：

5.根据权利要求1所述的感应电机定子绕组温升测试方法，其特征在于，步骤2建立的参数向量为：

X＝[C₁ C₂ … C_n R₁ R₂ … R_n+1]^T。

6.根据权利要求1所述的感应电机定子绕组温升测试方法，其特征在于，步骤3建立的定子绕组瞬态热路模型热参数的优化函数为：

其中，T^(k)为k时刻定子绕组的计算温度，

为k时刻感应电机定子绕组的实测温度。

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