三相异步电动机定子绕组温度在线监测.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.03.022 第21卷第3期北京科技大学学报 Vol.21 No.3 1999年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1999 三相异步电动机定子绕组温度在线监测张惠浩王绍纯北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要基于过程辨识理论，依据三相异步电动机在αB坐标系下的数学模型，建立了定子绕组温度预测的数学模型，并以80C552单片机为核心构成三相异步电动机定子绕组温度在线监测硬件与软件系统，通过实验验证了此方法的正确性与可行性，关键词异步电动机：定子绕组温度：在线监测分类号TM343.2:TP206.3 三相异步电动机在故障状态运行时，流过转子漏感，M为定子与转子互感. 定子绕组的电流过大，使定子绕组温升过高，导 1.2定子电阻的估计致定子绕组绝缘层烧毁，这是电机烧损的根本由于电阻变化率相对于供电频率慢得多，原因.对电动机定子绕组温度进行在线监测，将从而使电流、电压、磁通均具有正弦特性，故由有效地防止电动机烧损，本文基于过程辨识理 (1),(2)式可得：论提出了定子绕组温度在线预测的方法， V=R,in-@W (9) Vg=Rig+w,Ψa (10) 1定子绕组温度在线预测基本原理由上式可得： V:=R:i+aw:+3@.TR (11) 11三相异步电动机的数学模型式中：g=R+奶，=i话+话，T=(2/3)(ww- 根据电动机坐标变换理论，在αB坐标系统中，电动机的数学模型为： Ψwa）. V。=R,。+ 对式(11)求解得 dt (1) R.=-3@.Tat/9o:Ti+4V-4oy (12) V=Rin+due 2 dt (2) V,i是可直接测得量，0，是电网频率，需要求T, 0=R.i+du+ dt (3) Ψ。 0=R+警-oW 134,,的计算 (4) 由式(1人式(8)可得：式中：ia,分别为定子a,B方向的电流分量，ia,w 财-2L--M.LLa-MR (13) 分别为转子α，B方向的电流分量，'a,'分别为定 LnωLm 子a,B方向的电压分量，9，w分别为定子磁链在 =P.-(亿.L.-Mr)E (14) 0, a,B方向的分量，a,We分别为转子磁链在a,B轴式中：P.=Vgia-Vaiw. 向的分量，R,R分别为定子和转子电阻，①为转 1.4T的计算子机械角速度的p倍，p为电机极对数. 2 T=(gde-oia） (15) 各轴磁链方程为： Vao=Lssia+Mir 由式(5)式(8)得： (5) M Ψg=Lgn+Mie (6) w-we=(y.4-wia） (16) Wra=Lnira Misa (7) 由此得五-号必 (17) Wis=Lnin+Miw (8) 式中：i=V匠-流，im=4/M. 式中：L=Las+M,L为定子漏感，Ln=Lm+MLr为 1.5定子绕组温度与电阻的关系利用温度升高时，导体电阻增大的关系可 1998-10-25收稿张惠浩男，24岁，硕士

第 21 卷第 3 期 1 9 9 9 年 6 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n vi e sr iyt o f S e i e n c e a n d Te e h n o l o yg B e ij i n g V 6】 . 2 1 N 0 3 J U n e l, , , 三相异步电动机定子绕组温度在线监测张惠浩王绍纯北京科技大学信息工程学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘要基于过程辨识理论 , 依据三相异步电动机在 a p坐标系下的数学模型 , 建立了定子绕组温度预测的数学模型 , 并以 80 C 5 52 单片机为核心构成三相异步电动机定子绕组温度在线监测硬件与软件系统 , 通过实验验证了此方法的正确性与可行性 . 关键词异步电动机 : 定子绕组温度 : 在线监测分类号 T M 3 4 3 . 2 ; T P 2 0 6 . 3 三相异步电动机在故障状态运行时 , 流过定子绕组的电流过大 , 使定子绕组温升过高 , 导致定子绕组绝缘层烧毁 , 这是电机烧损的根本原因 . 对电动机定子绕组温度进行在线监测 , 将有效地防止电动机烧损 . 本文基于过程辨识理论提出了定子绕组温度在线预测的方法 `1 . 1 定子绕组温度在线预测基本原理 L l 三相异步电动机的数学模型根据电动机坐标变换理论 , 在a 刀坐标系统中 , 电动机的数学模型为 L2] : R 、 = ( 12 ) 、了. 、、、产歹. J 、声. 21 , 、ù 4 飞了. 、 .、了.、口了J 二一 * 、 s 、 + 争、一 isR , 十晋转子漏感 , 材为定子与转子互感 . 1 .2 定子电阻的估计由于电阻变化率相对于供电频率慢得多 , 从而使电流、电压、磁通均具有正弦特性 , 故由 ( 1 ) , ( 2 )式可得 : Vsa 二 R 。 isa 一。 . 灼 ( 9 ) 心 = R :标+ 山。怖 ( 10 ) 由上式可得 : 岭= R了厅+ 。 : 试+ 3。。兀R , ( 1 1) 式中 : 岭二此 + 吟 , 打= 疏+ 偏 , 兀 = ( 2/ 3) · (怖与一鞠isa ) . 对式 ( 1 1) 求解得 2 1了 o 一 * r 、。 + 争 + 。 m 、 o 一 * r 、 + 争一。。、 ù 、产尹尸,. 奋、`ù ūUz J l. `.1 了`龟.、了 1. 、式中 : ias 为分别为定子 a 刀方向的电流分量 , iar , ir, 分别为转子 a 刀方向的电流分量 , 氏 , 心分别为定子 a 刀方向的电压分量 , 沁粼, 分别为定子磁链在 a 刀方向的分量 , 琳a, 鞠分别为转子磁链在 a 刀轴向的分量 , sR 火丁分别为定子和转子电阻 , 。。为转子机械角速度的p 倍 , p 为电机极对数 . 各轴磁链方程为 : 叽 = L ` , i as + 九五 r。 ( 5 ) 灼 = L s s标+ 树叨 ( 6 ) 怀 = L tT ir 。 + iM 二 (7 ) 鞠二 L o ir, + 械叨 (8) 式中 : sL 、 = 瓦 : + 人成丈。为定子漏感 , L 。二 L 。 + 叼声, 为 Vs 瓜是可直接测得量 , 。 s 是电网频率 , 需要求兀 , 尹 s · 1 . 3 叭 ,琳的计算由式 ( 1卜式( 8) 可得 : ZL法。一材卫只 L 。。 , , , 1 , 、 . , 吠 = — · — 一下书二气L 斤 L 。一几至一 )l 二乙。田、儿 T 、 - L , ~ , , , , 刁、 . , 听 = 介蕊尹 r 一气乙 n 乙 s : 一八理一 )l 安田 , ( 13 ) ( 14 ) 式中 : rP = 心几一凡标 . 1 .4 兀的计算 ~ 2 , I d = 一三一 L脚扣 l明一恻叨 l ` ) 沙由式( 5) 一式 (8) 得 : M , 怖峋一灼 l , = 万一 L尹alr 明一笋lrP , ) J曰 rT 由此得: 兀 = 2 M 了I 万琳` qS r 式中 : 杨一福二溉; ,瑞一州M . 1 . 5 定子绕组温度与电阻的关系利用温度升高时 , 导体电阻增大的关系可 19 9 8 一 10 一 2 5 收稿张惠浩男 , 2 4 岁 , 硕士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 03. 022

Vol.21 No.3 张惠浩等：三相异步电动机定子绕纽温度在线监测 ·295· 以间接测量定子绕组的温度.电阻值随温度变信号处理电路包括滤波电路、电压偏置与化的关系由下式表示：增益可调电路及限幅电路，.滤波电路是为了消 t=(R;/R,)(to+K)-K (18) 除传感器输出的高次谐波，采用带通滤波中心式中：R为绕组在温度，时的电阻值，R为绕组电频率=50Hz.由于传感器的输出是交变的，而阻在线估计值，K为电阻常数，K=235℃. 80C552单片机AD转换的电压范围为0-5V, 根据公式(18)，由在线估计的电阻值，可估因此必须加一偏置电压，使输出电位抬高.增益算出绕组温度，该方法测算的温度实际上是整可调电路是为了保证三路电压与三路电流信号个绕组的平均温度通道的一致性.限幅电路把电压限制在0-5V之间，可以防止对80C552的损坏. 2系统硬件结构与软件结构系统须检测同一时刻的三相电压和电流值，因此须加入采样保持电路，进行同步采样，分时 2.1系统硬件结构转换，以得到同一时刻的电流、电压值.80C552 系统硬件结构图如图1所示.由于电机的电单片机内部有8路10位AD转换通道，能满足压和电流都比较大，无法由单片机直接采样，必须用传感器转换成适合80C552AD转换的电本系统的设计要求，压范围，因此选用LEM电压传感器和电流传感 2.2系统软件结构 (1)主程序框图.系统主程序设计如图2所示. 器模块电压传感器 ,信号处理电路 →采样保持电路电压传感器 →信号处理电路采样保持电路电压传感器 →信号处理电路 80C552 采样保持电路电流传感器信号处理电路采样保持电路电流传感器一→信号处理电路采样保持电路电流传感器 →信号处理电路采样保持电路图1系统硬件结构 (2)温度预测模块.温度预测是依据第一部求出温度t(冷端为0℃)时的热电势，查表计算分中所给出的公式进行的，由同步采样获得三可得温度t值. 路电压，电流的瞬时值，经过坐标变换，获得'。 3.1在轻载条件下 ,V,i,w的值.根据公式，对定子绕组的电阻进实际试验中p=150W,根据预测数据，画出行在线估计，并由电阻与温度的关系，预测温度温度随时间变化曲线(t-τ曲线)，如图4. 值.其程序框图如图3所示. 在热稳定时(t=80min)测得热电偶输出 Et,)=1.281mV,冷端温度=18.44℃，查分度 3实验与结果分析表，计算得：E(o,0)=0.736mV,再按热电偶中间温以1台型号为YZA7134-550W的三相异步度定律： Et,0)=Et,a)+E(t,0)=1.281mV+0.736mV= 电动机为实验电机，在不同的负载条件下进行 2.017mV, 温度预测试验，并在热稳定时与热电偶测得的从而得：t=49.88℃，温度进行比较.将镍铬一镍硅热电偶（偶丝直径为0.5mm,分度号为K)热端插入到定子线槽内相对误差=-0.96%. 进行测温，冷端温度由1/10分度标准温度计测 3.2额定负载(P=550W)时实际试验中，P=550W,根据测试数据，画出量.根据热电偶中间温度定律： EAB(t,0)=EAB(1,fo)+EAB(fo,0) t-t曲线，如图5所示

V匕1 . 2 1 N 0 . 3 张惠浩等 : 三相异步电动机定子绕组温度在线监测一 2 9 5 . 以间接测量定子绕组的温度 . 电阻值随温度变化的关系由下式表示 sI] : t= 伍: R/ J ( 0t + 幻一 K ( 1 8 ) 式中: Rs 为绕组在温度 0t时的电阻值火: 为绕组电阻在线估计值犬为电阻常数人。 = 2 35 ℃ . 根据公式 ( 18 ) , 由在线估计的电阻值 , 可估算出绕组温度 , 该方法测算的温度实际 _ _ 「是整个绕组的平均温度 . 2 系统硬件结构与软件结构 .2 1 系统硬件结构系统硬件结构图如图 1所示 . 由于电机的电压和电流都比较大 , 无法由单片机直接采样 , 必须用传感器转换成适合 80 C 5 2 A / D 转换的电压范围 , 因此选用 LE M 电压传感器和电流传感器模块 . 信号处理电路包括滤波电路、电压偏置与增益可调电路及限幅电路 . 滤波电路是为了消除传感器输出的高次谐波 , 采用带通滤波中心频尊试 = 50 H z . 由于传感器的输出是交变的 , 而 8 0 C 5 5 2 单片机 A了D 转换的电压范围为 0 一 S V , 因此必须加一偏置电压 , 使输出电位抬高 . 增益可调电路是为了保证三路电压与三路电流信号通道的一致性 . 限幅电路把电压限制在 O一S V 之间 , 可以防止对 80 C 5 52 的损坏 . 系统须检测同一时刻的三相电压和电流值 , 因此须加入采样保持电路 , 进行同步采样 , 分时转换 , 以得到同一时刻的电流、电压值 . 80 C 5 52 单片机内部有 8 路 10 位 A了D 转换通道 , 能满足本系统的设计要求 . .2 2 系统软件结构 ( l) 主程序框图 . 系统主程序设计如图 2 所示 . 国书 { ” 七二电压传感器一 L 二门电压传感器电压传感器电流传感器 · 电流传感器电流传感器信号处理电路信号处理电路采样保持电路信号处理电路采样保持电路 - 州采样保持电路… 采样保持电路图 1 系统硬件结构 (2 ) 温度预测模块 . 温度预测是依据第一部分中所给出的公式进行的 , 由同步采样获得三路电压 , 一电流的瞬时值 , 经过坐标变换 , 获得凡 , 心人 , 标的值 . 根据公式 , 对定子绕组的电阻进行在线估计 , 并由电阻与温度的关系 , 预测温度值 . 其程序框图如图 3 所示 . 3 实验与结果分析以 1 台型号为 Y Z A 7 13 4 一 5 0W 的三相异步电动机为实验电机 , 在不同的负载条件下进行温度预测试验 , 并在热稳定时与热电偶测得的温度进行比较 . 将镍铬一镍硅热电偶 ( 偶丝直径为 .0 s r n r n , 分度号为 K ) 热端插入到定子线槽内进行测温 , 冷端温度由 1/ 10 分度标准温度计测量 . 根据热电偶中间温度定律 : E^ B ( t , 0 ) = E^ B ( t, ot ) 十五朋 ( 0t , 0 ) 求出温度 t( 冷端为 0 ℃ ) 时的热电势 , 查表计算可得温度 t 值 . .3 1 在轻载条件下实际试验中p = 1 50 W , 根据预测数据 , 画出温度随时间变化曲线 ( 卜 : 曲线 ) , 如图 .4 在热稳定时 ( : = 80 m in )测得热电偶输出 (E t, 0)t = 1 . 2 81 m V , 冷端温度 t0 = 18 . 4 ℃ , 查分度表 ,计算得 : (E t0, 0) = .0 7 36 m V , 再按热电偶中间温度定律 : (E r , 0 )绍( t , t0 ) + (E t0 , 0 ) = 1 . 2 8 1 m V + 0 . 7 3 6 m V = 2 . o l 7 m V , 从而得:t 二 4 .9 8 ℃ , 相对误差二一 0 .9 6% . 3 . 2 额定负载 ( P = 5 5 0 W )时实际试验中尹二 5 0 W , 根据测试数据 , 画出 t 一 r 曲线 , 如图 5 所示

Vol.21 No.3 张惠浩等：三相异步电动机定子绕组温度在线监测 ·297· 通过对数据的分析与讨论，可知温度预测的最稳态的时间也相应改变大相对误差为一1.18%，对于温度预测而言，这参考文献样的误差是允许的.另外，热电偶存在较大的热 1 Umanand L,Bhat S R.On Line Estimation of Stator Resis 惯性，因此热电偶测温也存在一定的误差，综上 tance of an Induction Motor for Speed Control Applica- 所述，可以认为，过程辨识理论用于温度预测是 tions.IEE ProcElectr Power Appl,1995,142(2):97 比较准确的. 2孟传富，钱庆镳.机电能量转换.北京：机械工业出从温度随时间变化曲线(t一t曲线)可知，在版社，1993.36 负载和环境条件改变时，电机的热平衡状态、电 3沈标正.电机故障诊断技术.北京：机械工业出版社， 1996.396 机温度上升速率、热稳定温度，以及电机到达热 On-Line Monitoring the Temperature of Stator Windings of Three-phase Induction Motors Zhang Huihao,Wang Shaochun Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the theory of process identification,according to the mathematical model of three- phase induction motors in aBcoordinate,the mathmatical model of the temperature forecast of the stator windings is developed.Based on 80C552 single-chip micro-processor,the hardware and software system of on-line monitoring the temperature of the stator windings of three-phase induction motors are designed. The experiments verify the correctness and feasibility of this method. KEY WORDS induction motors the temperature of the stator windings;on-line monitoring 米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米 [Journal of University of Science and Technoloy Beijing(English Edition),1999,6(1):24] Prediction of Enthalpies of Fusion for Divalent Rara Earth Halides Based on Modeling by Artificial Neural Networks and Pattern Recognition Yimin Sun,Zhiyu Oiao,Minghong He Abstract:The artificial neural network(ANN)and the pattern recognition were applied to study the correla- tion of enthalpies of fusion for divalent rare earth halides with their microstructural parameters,such as ionic radius and electronegativity.The model,represented by a back-propagation neural network,was trained with a 12 set of published data for divalent rare earth halides and then was used to predict the unknown ones.Also the crite-rion equations were presented to determine the enthalpies of fusion for divalent rare earth halides using pattern recognition in this work.The results from the model in ANN and criterion equations are in very good agreement with reference data. Key words:BP neural network;pattern recognition;enthalpy of fusion;divalent rare earth halides;micro- structural parameters

V匕 l 一 2 1 N O 一 3 张惠浩等 : 三相异步电动机定子绕组温度在线监测一 2 97 - 通过对数据的分析与讨论 , 可知温度预测的最大相对误差为一 1 . 18 % , 对于温度预测而言 , 这样的误差是允许的 . 另外 , 热电偶存在较大的热惯性 , 因此热电偶测温也存在一定的误差 . 综上所述 , 可以认为 , 过程辨识理论用于温度预测是比较准确的 . 从温度随时间变化曲线 (卜 : 曲线 )可知 , 在负载和环境条件改变时 , 电机的热平衡状态、电机温度上升速率、热稳定温度 , 以及电机到达热稳态的时间也相应改变 . 参考文献 1 U m an an d L , B h at S R . 0 n L in e E s t im at i o n o f Sat o r R e s i s t a n c e o f an I n du e t i o n M o t o r fo r S P e e d C o n tr o l A PP li c a - it o ns . IE E P r o e E l e e tr P ow e r A P PI , 19 9 5 , 14 2 ( 2 ) : 9 7 2 孟传富 , 钱庆镶 . 机电能量转换 . 北京 : 机械工业出版社 , 19 9 3 . 3 6 3 沈标正 . 电机故障诊断技术 . 北京 : 机械工业出版社 , 199 6 . 39 6 O n 一 L i n e M o n iot inr g ht e eT m P e r a h ir e o f S t at o r Wi n d i n g s o f T h r e e 一 P h a s e I n du e t i o n M o t o r s hZ a ng H 扮ih a o, 肠 n g hS a o c h u n Egn in emr g S e h o l , U S T B e ij in g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T B a s e d on ht e ht e o ry o f rP o e e s s id e nt iif e at i o n , a e e o r d in g t o ht e m hat e m a t i e a l m o de l o f thr e e - p h as e in du c it o n m o t o r s in 叨c o o r d i n a te , ht e m a ht m at i e a l m o de l o f ht e et m Pe r a t 双 e fo r e e as t o f het s at o r w in d in g s 1 5 de v e l o ep d . B a s e d on 8 0 C 5 5 2 s l n g l e 一 e h iP m i e r o 一 Por c e s s or, ht e h ar dw aer an d s o ft w aer sy s t e m o f on ~ lin e m o in ot inr g ht e t e m Pe r a tLir e o f ht e s at o r w i n d i n g s o f htr e e 一 Ph a s e i n du e t i o n m o t o r s aer d e s ign e d . Th e e xl 姆 r l n e in s , v e ir 勿 het e oer e in e s s an d fe as ib iliyt o f ht i s m e ht ed . K E Y 、 V O R D S in d u e t ion m o t o r s ; het t e m Pe r a tu r e o f ht e s at t o r w in d i n g s : o n 一 lin e m o n it o inr g O[J unr al of nU vlesr 仰 of sc ien c e an d eT e h n o loy B e ij ing (E n g lis h E id rio n) , 19 9 9 , 6 ( l ) : 2 4 ] R 曰五ict on o f E n ht a 】Pi e s o f Fu s ion for D i v a l e nt R a r a E aj rt h H a li d e s B a s e d on M o d e li n g b y A rt iif e i a l N e uar l N e 七刃 o d 留助d P a t e m eR e o gn it i o n h 初 in su 月 , 肋恤口沁认 iM 刀 gh o gn eH A b s t r a ct : Th e 翻rt iif e i al n aeur l n e tw o rk ( A N N ) 阴d ht e P at e rn re e o 加t i o n w e re a PPli e d t o s tu 勿 ht e e o r e l a - it on o f e n1 hL a lP i e s o f haf i o n of r d i v a l e in r a r e e 别rt h h a lid e s w iht ht e ir m i e r o s tru e tur a l P a I 田刀 e t e r s , s u e h a s i o in c m 山u s an d e l e e otr n e g at i v i .yt hT e m o de l , er P r e s e nt e d 勿 a b a e k 一 rP o Pa g at i o n n e uar l n e wt o kr , w a s atr in e d w iht a 12 s et o f Pu b 1ihs e d d a at fo r d i v a l e nt r ar e e a rt h h a lid e s an d ht e n w a s u s e d t o Per id e t ht e u ul m o wn on e s . A l s o het e ir et 一on e q u a t l o sn w e r e Per s e in e d t o d e t e mr in e het e n ht a lPi e s o f fus i o n fOr id v a l e nt r ar e e a rt h ha lid e s us ign Pat e m er c o gn lt lon i n ht i s w o r k . hT e r e s u lt s fr o m ht e m o d e l in A N N an d c ir t e ir o n e qu at i o n s ar e in v e yr g o o d a gr e e m e n t w iht er fe er n c e d a t a . K ey w o dr s : B P n e ur a l en wt o kr : Pat e m r e e o gn it i o n : e n ht a lPy o f fu s i o n : d i v a l e nt r ar e e a rt h h a lids s : m i e r o - slt u c tL ir a 1 Pa r 田叭 e et r s