基于最小二乘法的同步电机热参数辨识王兆娜

基于最小二乘法的同步电机热参数辨识王兆娜

王兆娜

(国网山西省电力公司长治市上党区供电公司山西长治047100)

摘要：同步发电机内部的发热问题一直是同步电机研究中的重要问题,如何确定发电机内部的温度分布和最高温升位置,不仅决定了同步发电机绝缘等级的选择,还可以作为发电机安全运行和稳定运行的主要参考。同步发电机工作时的温度状况决定了同步发电机的寿命以及性能，发电机的温度以及散热问题一直备受关注，关于同步发电机的热参数辨识成为了研究的重点。通过研究同步发电机的发热机理，以及同步发电机的参数辨识方法，本文重点介绍了基于最小二乘法的同步发电机热参数辨识方法，通过建立基于最小二乘法的同步发电机热参数辨识模型，在此模型的基础上进行实例计算，将由MATLAB模拟仿真的热参数实际值与通过最小二乘法计算的理论值相比较，得出此类辨识方法的准确性。实验结果表明，最小二乘法的热参数辨识方法精确度很高，可以较准确的辨识同步发电机的热参数。

关键词：同步发电机;参数辨识;最小二乘法;MATLAB

0引言

同步电机作为交流电机的重要组成部分越来越受到广泛的关注，作为同步电机的重要分支—永磁电机同样关注度极高。同步机又许多优点[1]：在相同容量大小的电机，永磁电机所属出的电功率常常是其他电机的几倍之多；由于其转动惯量的值相较于其他电机也明显较小，由此可获得较快的加速度；转动脉动比较小，可以得到平稳的转矩，尤其是电机在极低的速度下也能够满足相应的高精度[2]位置控制要求。

同步电机的热参数辨识对同步电机的使用寿命、提高效率和控制成本等方面具有很重要的意义[3]。本文研究的目的在于通过应用最小二乘法对电机的热参数进行辨识，分析热参数对于电机温升的影响，在建立基于最小二乘法的同步发电机热参数辨识的数学模型基础上，通过模型的实例计算，从何有效地监测同步电机的温度上升情况以及温度分布，使得电机出现过热的情况时，能够有依据的选择现有的电机冷却技术进行有效地冷却处理。

1同步发电机发热机理及热参数对电机温升的影响

1.1发热机理

同步发电机的发热原因多种多样，包括同步发电机中的各类不同损耗，定子上会出现的铜损和铁损,转子上会出现铜损,机械损耗如轴承机械损耗和其他损耗如风扇和转动部件风阻损耗等；同样也包括在同步发电机中的各类零部件在运行过程中的过热问题。

1.2永磁同步电机的温升问题[4]

对于永磁同步发电机，虽然在相同的结构及相同的额定功率下，其本身的效率比感应电机的效率要高很多，同样不可避免的也会被由于温升而引起的电机的安全问题所困扰。电机的温度升高不但会令永磁体本身的重要属性磁密度不断降低，甚至会出现永久性退磁的糟糕状况，还在以下几个方面会对同步电机产生不利的影响：1.使绕组的绝缘层被破坏或者是寿命下降；2.电机的精确度因为发热的膨胀而不断的下降。

1.3热参数对电机温度的影响

电机中的各类热阻在电机运行时产生热量，热量会伴随着电机运行的同时在电机内部传输，使得电机的温度分布以及电机整体的温度发生变化。本文通过分析电机的热参数对电机温度的影响。由电机损耗所产生的热量传输机理可以利用电子电路的模型来进行模拟。热量通常是从温度高往温度低流动,类似电流流动,从电势高向电势低的方向流动。因此热量传输可以利用电流的传输特性来进行模拟。

2最小二乘法简介及应用

2.1最小二乘法的简介及原理

最小二乘法[5]是相当经典并且相当有效的一种数据处理方法。最小二乘法作为一类参数估计方法的形式而存在，它不但可用于动态的系统，还可应用在静态的系统；不仅仅可用在线性的系统，也可用在非线性的系统；除此之外，许多用在系统的辨识参数的估计算法通常也能够被理解为最小二乘的一类推广。综上所述，最小二乘法在关于系统辨识这一科学问题研究上得到了广泛的应用，方法也是相对完善。

2.2最小二乘法在同步电机参数辨识中应用的基础

永磁同步电机是在三相坐标系中的模型，是直接反映其本身物理结构特性的数学模型，具有实际物理意义，但不利于用作静态的求解以及动态的分析。因此人们建立了两相坐标系。这同样也是应用最小二乘法来进行同步发电机的参数辨识的基础。对于不同的研究目的，同步发电机可以采用不同的模型，但是所有的模型都是基于同步发电机基本方程推导得出。

2.3同步电机热参数辨识模型

同步发电机常用模型[6]为二阶模型、三阶模型、五阶模型和六阶模型等。然而对于快速响应、高顶值倍数励磁系统，若采用二阶模型，暂态分析结果偏保守。三阶模型比较适用于凸极机。六阶模型比五阶模型的计算结果更为精确，但由于本文不涉及转子超瞬变过程的研究，因此五阶模型已能够研究需求。

4实例计算

4.1同步电机MATLAB仿真建模

根据模块化的建模思想，将控制系统分为几个功能相对独立的子模块，通过整合这一些功能不尽相同的模块，就可将MATLAB[7]中电机的参数辨识仿真模型，并且实现永磁同步电机参数的辨识算法。其中，参数辨识模块因为需要大量矩阵运算，本文通过使用M语言这一手段来实现这一模块的编写工作，而后作为一个模块来嵌入到SIMULINK环境中，充分利用了SIMULINK提供得模块化环境以及M语言的灵活性，做到两者的有机结合。

4.2仿真结果分析与计算值对比

5总结

本文研究了同步电机的发热机理，在大量的理论知识的基础上，对电机发热的原因进行了两个方面的总结。由于本文采用永磁同步发电机的模型进行模拟仿真，故对永磁同步电机在发热机理。研究了最小二乘法的基本原理，为后面最小二乘法的应用提供了理论基础。分析最小二乘法在同步电机参数辨识的应用，详细介绍了同步电机模型是最小二乘法应用的基础。在分析永磁同步电机数学模型的基础上，通过Matlab/Simulink仿真验证了基于最小二乘法的永磁同步电机热参数辨识的准确性。

参考文献:

[1]钟步青.浅谈同步电动机的特点与启动[J].华北电力技术,1986(6):27-32.

[2]李兵强,吴春,林辉.基于参考输入学习的永磁同步电机高精度位置伺服系统[J].中国电机工程学报,2012,32(3):96-102.

[3]李程.永磁同步电机参数辨识研究[D].山东大学,2014.

[4]和伟超.电动汽车用永磁同步电机水冷系统设计及温升分析[D].浙江大学,2013.

[5]田垅,刘宗田.最小二乘法分段直线拟合[J].计算机科学,2012,39(s1):482-484.

[6]陈剑,王茂海,刘连光.同步发电机辨识参数对数据误差的敏感性分析[J].电力系统保护与控制,2017,45(8):1-6.

[7]DongL,LiF,LiuQ,etal.MATLABToolboxesforReferenceElectrodeStandardizationTechnique(REST)ofScalpEEG[J].FrontiersinNeuroscience,2017,11.

作者简介：

王兆娜（1991.09-），女，汉族，山东临沂，本科，助理工程师，主要研究方向：智能电网，新能源发电等；