神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)機(jī)繞組溫升預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：電動(dòng)機(jī)是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進(jìn)行電能的傳遞或機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通運(yùn)輸和家用電器中有著廣泛的應(yīng)用。文章針對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、散熱過(guò)程復(fù)雜、難于準(zhǔn)確計(jì)算的問(wèn)題，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)），采用Matlab計(jì)算軟件，通過(guò)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的溫升實(shí)驗(yàn)，闡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)機(jī)繞組溫升預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；Matlab軟件；溫升預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM303.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）17-0042-02

電動(dòng)機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、冶金、化工、紡織、礦山、交通運(yùn)輸?shù)葒?guó)名經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)使用的中型電機(jī)大約有2 000萬(wàn)臺(tái)，然而每年燒毀的電機(jī)約為320萬(wàn)臺(tái)，平均每臺(tái)的維修費(fèi)用1 000元，總費(fèi)用為32億元左右。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，關(guān)鍵的問(wèn)題是電機(jī)過(guò)熱載保護(hù)尚有不盡人意之處，傳統(tǒng)的熱過(guò)載保護(hù)方案可以分為直接測(cè)溫法和間接測(cè)溫法，但是直接測(cè)溫法需要改變電機(jī)生產(chǎn)工藝，而間接測(cè)溫法又無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型。因此，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以其組織結(jié)構(gòu)、高度非線(xiàn)性映射性、高度并行處理的方式等優(yōu)點(diǎn)，為預(yù)測(cè)和計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的繞組溫度提供了快捷、方便、準(zhǔn)確的可能。文章主要通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)機(jī)溫升預(yù)測(cè)，從而進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)的智能熱過(guò)載保護(hù)的探討研究。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)

概論

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)并行，分布處理結(jié)構(gòu)。它由處理單元及稱(chēng)為聯(lián)接的無(wú)向信號(hào)通道互連而成。這些處理單元（PE-processing element）具有局部?jī)?nèi)存，并可以完成局部操作。每個(gè)處理單元有一個(gè)單一的輸出聯(lián)接，這個(gè)輸出可以根據(jù)需要被分支成希望個(gè)數(shù)的許多并行聯(lián)接，且這些并行聯(lián)接都輸出相同的信號(hào)，即相應(yīng)處理單元的信號(hào)，信號(hào)的大小因分支的多少而變化。處理單元的輸出信號(hào)可以是任何需要的數(shù)學(xué)模型，每個(gè)處理單元中進(jìn)行的操作必須是完全局部的。

1.2 BP網(wǎng)絡(luò)概念及應(yīng)用

1986年，由Rumelhart和Hinton 和Williams 完整而簡(jiǎn)明地提出一種ANN的誤差反向傳播訓(xùn)練算法（簡(jiǎn)稱(chēng)BP算法）。當(dāng)前，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際使用中，絕大部分人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用BP網(wǎng)絡(luò)，它是前向網(wǎng)絡(luò)的核心部分，體現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最精華的部分。

目前BP網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在函數(shù)逼近。即使用輸入矢量和相對(duì)應(yīng)的輸出矢量訓(xùn)練一個(gè)網(wǎng)絡(luò)逼近一個(gè)函數(shù)。其中模式識(shí)別，使用一個(gè)特定的輸出矢量將它與輸入矢量聯(lián)系起來(lái)。其算法是多層前饋型網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)不但有輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)，而且還有一層或多層隱含節(jié)點(diǎn)。

2 MATLAB軟件在BP網(wǎng)絡(luò)的重要函數(shù)應(yīng)用

MATLAB語(yǔ)言使人們從繁多的程序代碼中解放出來(lái)。開(kāi)發(fā)者使用其豐富函數(shù)可無(wú)需重復(fù)編程，只要簡(jiǎn)單地調(diào)用和使用。MATLAB語(yǔ)言最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單和直接

MATLAB的BP網(wǎng)絡(luò)工具箱包含了大量的BP網(wǎng)絡(luò)分析和設(shè)計(jì)的許多工具函數(shù)，表1羅列了主要的函數(shù)的名稱(chēng)和基本功能。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)機(jī)繞組溫升預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)

異步電動(dòng)機(jī)的電流和溫度的變化，可以反映出它在運(yùn)行中是否正常。當(dāng)有故障時(shí)，大多會(huì)引起定子電流增大和電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高。因此，對(duì)運(yùn)行中的異步電動(dòng)機(jī)，監(jiān)視它的電流和溫度是極其重要的。電動(dòng)機(jī)銘牌上對(duì)電機(jī)的額定電流和允許溫升都有規(guī)定。允許溫升是指在環(huán)境溫度40℃及在海拔1 000 m高度以下的條件下定子繞組的穩(wěn)定溫升。電機(jī)的溫升是由電機(jī)內(nèi)部的損耗（主要是繞組的銅損耗和鐵心的損耗，它們是電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱的熱源）和散熱通風(fēng)的條件所決定，它的允許值是被電機(jī)繞組的絕緣材料的等級(jí)所限制。以下采用電阻法測(cè)異步電動(dòng)機(jī)溫升。

繞組溫升的計(jì)算公式為：

Δt=（R2-R1）/R1×（Ka+t1）-（t2-t1）

式中，Δt為繞組溫升；R2為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的繞組電阻；R1為實(shí)驗(yàn)結(jié)束的繞組電阻；Ka當(dāng)繞組為銅制導(dǎo)線(xiàn)時(shí)取234.5，當(dāng)繞組為鋁制導(dǎo)線(xiàn)時(shí)取228；t1為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的室溫；t2為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的室溫。

①實(shí)驗(yàn)進(jìn)行依據(jù)。異步電動(dòng)機(jī)繞組溫升的測(cè)量主要是為了檢驗(yàn)異步電動(dòng)機(jī)在正常工作狀態(tài)下各部位的溫升是否正常。在測(cè)試的過(guò)程中，使用了溫度計(jì)和萬(wàn)用表，并利用上文所提到的各種公式，計(jì)算了繞組的溫升。當(dāng)前這種測(cè)試方法的主要依據(jù)為：隨著溫度的改變導(dǎo)體的電阻將改變的原理。即同一段導(dǎo)體，在不同的溫度下，其具有不同的電阻值。

②實(shí)驗(yàn)步驟。在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，使用溫度計(jì)量出異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的環(huán)境溫度t2，并且在異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，使用用萬(wàn)用表測(cè)量異步電動(dòng)機(jī)單相繞組的電阻R。啟動(dòng)后，異步電動(dòng)機(jī)配以額定負(fù)載運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行30 min以后，依然使用溫度計(jì)量出此時(shí)繞組的溫度T， 當(dāng)溫度計(jì)的溫升刻度保持穩(wěn)定時(shí)馬上停機(jī)，并立刻測(cè)出此時(shí)電動(dòng)機(jī)單相繞組的電阻值R。異步電動(dòng)機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)電路接線(xiàn)圖如圖1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)樣本的數(shù)據(jù)處理

采集實(shí)驗(yàn)樣本并且進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電機(jī)繞組溫升預(yù)測(cè)關(guān)鍵的一步。通過(guò)對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，采集了14組數(shù)據(jù)。其中12組用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，其余兩組用于測(cè)試訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)正確性與適用性，將采集到的12組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中用MATLAB分別對(duì)從1.5A和5A的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

由于采集的數(shù)據(jù)是一些離散的點(diǎn)，所以存在一定的誤差，曲線(xiàn)不夠光滑，因此不能直接用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，需要經(jīng)過(guò)擬合才能應(yīng)用。可以采用三層BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)擬合各條實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，擬合后的溫升曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。從圖中可以看出擬合后的溫升曲線(xiàn)比實(shí)測(cè)光滑很多。

為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效率，還需要對(duì)“輸入——目標(biāo)”樣本集數(shù)據(jù)作必要的預(yù)處理，即進(jìn)行歸一化處理，使輸入和目標(biāo)數(shù)據(jù)落入[-1，1]區(qū)間。歸一化公式為：

Pn=2×（P-minp）（maxp-minp）-1

Tn=2×（T-mint）（maxt-mint）-1

式中：P為原始輸入數(shù)據(jù)；minp，maxp為P中的最小值和最大值；Pn為歸一化后的輸入數(shù)據(jù)；mint，maxt分別為T(mén)中的最小值和最大值；Tn為歸一化后的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)合BP網(wǎng)絡(luò)，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行繞組溫升預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

影響電動(dòng)機(jī)繞組溫升的因素有發(fā)熱和散熱兩個(gè)過(guò)程。發(fā)熱的主要影響因素有電流、電壓、電源頻率、功率、轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)散熱與當(dāng)前電機(jī)溫度和環(huán)境溫度相關(guān)聯(lián)。其中電壓、電流及環(huán)境溫度可分別通過(guò)電壓、電流互感器及溫度傳感器直接測(cè)得，電源頻率和功率因數(shù)則是利用以測(cè)得的電壓、電流通過(guò)計(jì)算獲得。一旦BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)到某一時(shí)刻的溫升可能超過(guò)長(zhǎng)期使用的允許溫升，就發(fā)送時(shí)間參數(shù)到保護(hù)器，經(jīng)過(guò)延時(shí)時(shí)間，切斷電動(dòng)機(jī)電源，從而達(dá)到保護(hù)的電機(jī)的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文的重點(diǎn)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)機(jī)繞組溫升預(yù)測(cè)中的使用。通過(guò)電機(jī)的溫升實(shí)驗(yàn)，證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用對(duì)電機(jī)繞組溫升的預(yù)測(cè)是可行的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)，充分發(fā)揮了電機(jī)的作用，其保護(hù)效果明顯優(yōu)于其它傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，并且具有研究意義。

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