斷續(xù)周期工作制電機(jī)等效溫升試驗(yàn)方法研究

丁媛媛 金寅德 周智敏 高慶云 俞芃

摘 要 為提高斷續(xù)周期工作制電機(jī)溫升試驗(yàn)效率，本文提出等效溫升試驗(yàn)方法，其原理是控制電機(jī)在額定電流下持續(xù)運(yùn)行、快速達(dá)到額定工況下的最高溫升，以用時(shí)tk和溫升值τm為依據(jù)評(píng)估電機(jī)發(fā)熱情況;通過(guò)基于GA-BP的等效溫升試驗(yàn)預(yù)測(cè)模型事先獲得tk和τm，可減少試驗(yàn)測(cè)量次數(shù)，縮短試驗(yàn)用時(shí)。驗(yàn)證結(jié)果表明所提出的等效試驗(yàn)方法可行，可在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 斷續(xù)周期工作制;電機(jī)溫升;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

引言

電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損耗等會(huì)引起電機(jī)各組成部分的溫度升高，部件溫度比環(huán)境溫度高出的值稱為“溫升”，過(guò)高的溫升會(huì)損害電機(jī)的壽命，制造廠家必須對(duì)電機(jī)開展溫升預(yù)測(cè)與試驗(yàn)研究。根據(jù)電機(jī)承載情況，我國(guó)將電機(jī)工作制劃分為S1-S9，共9類。斷續(xù)周期工作制（S3-S5）電機(jī)因每周期的斷能停轉(zhuǎn)時(shí)段能進(jìn)行短暫散熱，其相對(duì)連續(xù)工作制（S1）電機(jī)需更多的時(shí)間方可到達(dá)熱平衡狀態(tài)，試驗(yàn)效率很低。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電機(jī)溫升的研究主要集中在連續(xù)工作制電機(jī)上，常采用等效熱路法和溫度場(chǎng)法進(jìn)行溫升估算，而斷續(xù)周期工作制電機(jī)因負(fù)載復(fù)雜，用上述方法預(yù)測(cè)溫升精度極低，無(wú)法滿足電機(jī)發(fā)展需要[1-4]，為此本文提出通過(guò)讓斷續(xù)周期工作制電機(jī)在額定電流下持續(xù)運(yùn)行的方式進(jìn)行等效溫升試驗(yàn)，通過(guò)搭建基于GA-BP的溫升預(yù)測(cè)模型可進(jìn)行等效試驗(yàn)電機(jī)溫升測(cè)量時(shí)間和溫升值的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，1次溫升試驗(yàn)僅需1次測(cè)量，用時(shí)可縮短至0.7h（傳統(tǒng)方法約9h） ，可提高試驗(yàn)效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

1斷續(xù)周期工作制電機(jī)等效溫升試驗(yàn)原理分析

圖1所示為電機(jī)電流、溫升隨時(shí)間變化曲線，虛線為連續(xù)工作制電機(jī)，在溫升試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)在額定電流下持續(xù)運(yùn)行，試驗(yàn)人員多次測(cè)量溫升直至其1h內(nèi)變化小于2K，此時(shí)電機(jī)進(jìn)入熱平衡狀態(tài)，最高溫升τs未超過(guò)電機(jī)絕緣材料所允許的極限值，則說(shuō)明該電機(jī)為合格品。實(shí)線為斷續(xù)周期工作制電機(jī)，負(fù)載時(shí)溫度升高，停轉(zhuǎn)時(shí)溫度下降，需更多的時(shí)間才能到達(dá)熱平衡，最高溫升τm小于τs。

鑒于電機(jī)結(jié)構(gòu)確定后，其各部件的發(fā)熱散熱特性也隨之決定，為提高斷續(xù)周期工作制電機(jī)試驗(yàn)效率，本文提出一等效溫升試驗(yàn)法：在傳統(tǒng)試驗(yàn)中，電機(jī)在額定工況下用時(shí)td到熱平衡狀態(tài)，將測(cè)得的最高溫升τm與電機(jī)允許值比較，判斷電機(jī)是否合格;而在等效試驗(yàn)中，電機(jī)以額定電流持續(xù)運(yùn)行，無(wú)停轉(zhuǎn)散熱，用時(shí)tk即可到達(dá)τm，tk遠(yuǎn)小于td。若試驗(yàn)人員tk時(shí)刻測(cè)出的溫升τx≈τm，則說(shuō)明電機(jī)合格，若τx明顯大于或小于τm，則說(shuō)明電機(jī)熱性能與預(yù)期不符。由此可知等效溫升試驗(yàn)法的關(guān)鍵是在試驗(yàn)前獲知tk和τm，此法可有效減少測(cè)量次數(shù)和試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，優(yōu)化效果顯著。

2等效溫升試驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)tk和τm，本文提出借助遺傳算法（ Genetic algorithm，GA）優(yōu)化三層BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于GA-BP的斷續(xù)周期工作制電機(jī)等效溫升試驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)[5]，既有不用建立數(shù)學(xué)模型就可實(shí)現(xiàn)函數(shù)映射的優(yōu)點(diǎn)，也存在收斂速度慢、易陷入局部極值的缺點(diǎn)，而GA通過(guò)全局尋優(yōu)可求得BP網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)初始權(quán)、閾值，大幅提高網(wǎng)絡(luò)的擬合精度和收斂速度。根據(jù)電機(jī)工作原理確定模型的輸入節(jié)點(diǎn)為7，輸出節(jié)點(diǎn)為2，如圖2所示。

對(duì)20個(gè)不同型號(hào)的S5工作制電機(jī)開展傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)（獲得td、τm）和等效溫升試驗(yàn)（多次測(cè)量獲得到達(dá)τm的時(shí)刻tk），將采集的數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練。GA參數(shù)為種群規(guī)模50、最大遺傳代數(shù)120、雜交概率0.80、變異概率0.01;BP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)10、訓(xùn)練算法Levenberg-Marquardt、訓(xùn)練精度0.001。訓(xùn)練結(jié)束后，向模型輸入任一S5工作制電機(jī)的7個(gè)參數(shù)，模型均能給出等效溫升試驗(yàn)所需的tk和τm。

3等效溫升試驗(yàn)法可行性分析

選擇不同型號(hào)的S5工作制電機(jī)進(jìn)行傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)和等效溫升試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。兩種方法測(cè)得的最高溫升值誤差在-1.2至1.5K之間，誤差小，可滿足實(shí)際工程需要;等效法用時(shí)0.6-0.7h，相比傳統(tǒng)的8-9h，試驗(yàn)效率提高顯著，所提出的等效溫升試驗(yàn)法可行。

4結(jié)束語(yǔ)

由于斷續(xù)周期工作制電機(jī)存在間歇停轉(zhuǎn)，溫升試驗(yàn)用時(shí)遠(yuǎn)超連續(xù)工作制電機(jī)，本文提出電機(jī)以額定電流持續(xù)運(yùn)行的等效溫升試驗(yàn)法，利用GA-BP算法建立模型對(duì)等效試驗(yàn)的測(cè)量時(shí)間和溫升值進(jìn)行預(yù)測(cè)，可大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，減少試驗(yàn)設(shè)備占用率，降低人力成本，可在電機(jī)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[基金項(xiàng)目] 浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（Y201738410），浙江省教育廳訪問(wèn)工程師校企合作項(xiàng)目（FG2018076），校級(jí)企業(yè)經(jīng)歷工程項(xiàng)目（XQ20180003），浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目（2019R454010）。