Математическая модель расчета температуры обмоток асинхронного двигателя по температуре его корпуса

Одним из главных параметров, обеспечивающих нормативный срок службы электродвигателя, является соответствие класса изоляции электродвигателя его текущей температуре. Превышение температуры выше нормативного значения приводит к увеличенному расходу ресурса и преждевременному выходу из строя электродвигателя. Поэтому для уменьшения затрат на обслуживание, ремонт и замену оборудования необходимо контролировать тепловые параметры обмоток статора для предотвращения аварийных или пред-аварийных ситуаций. При этом непосредственное измерение температуры обмоток статора не всегда возможно. Целью данной работы является разработка математической модели для контроля температуры обмоток статора асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором при известной температуре корпуса двигателя. В основе работы лежит метод определения количества перенесенной теплоты через статор электродвигателя, который представлен в виде плоской стенки. Приведена математическая модель, позволяющая по известным геометрическим параметрам статора двигателя и температуре его корпуса с достаточной степенью точности определять температуру его нагрева. Теоретические расчеты подтверждены экспериментальными данными, полученными при работе двигателя в различных режимах. В ходе проведенного исследования получены результаты, подтверждающие работоспособность предложенного метода определения температуры обмоток асинхронного двигателя (в том числе бесконтактным путем). Дальнейшая работа может быть направлена в сторону улучшения математической модели и возможности контроля других точек обмотки электродвигателя. Также следует учитывать распределение тепловых потоков не только радиально, но и по оси электрической машины.

1. Жежеленко, И. В. Критерии выявления межвитковых замыканий в статорных обмотках с использованием векторного анализа фазных токов электродвигателя / И. В. Жежеленко, В. Е. Кривоносов, С. В. Василенко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 3. С. 202–218. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-202-218

2. Лицкевич, А. П. Вероятностная оценка долгосрочного ресурса морской портовой кабельной линии при воздействии случайных изменений температуры / А. П. Лицкевич, А. А. Халезин // Транспортное дело России. 2015. № 2. С. 145–149.

3. Дубяго, М. Н. Метод исследования термофлуктуационных процессов в задачах диагностики и прогнозирования изоляционных материалов / М. Н. Дубяго, Н. К. Полуянович, В. Х. Пшихопов // Вестник Донского государственного технического университета. 2017. № 3 (90). С. 117–127. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2017-17-3-117-127

4. Брякин, И. В. Контроль температуры обмоток и защита от перегрева электрических машин переменного тока / И. В. Брякин, И. В. Бочкарев, Х. Г. Багиев, К. К. Келебаев // Вестник ЮУрГУ. Сер. Энергетика. 2019. Т. 19, № 1. С. 75–84. https://doi.org/10.14529/power190109

5. Online Capacitance and Dissipation Factor Monitoring of AC Stator Insulation / K. Younsi, P. Neti, M. Shah [et al.] // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2010. Vol. 17, No 5. Р. 1441–1452. https://doi.org/10.1109/tdei.2010.5595545

6. Staton, D. A. Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Model / D. A. Staton, A. Cavagnino // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55, No 10. Р. 3509–3516. https://doi.org/10.1109/tie.2008.922604

7. Зализный, Д. И. Адаптивная математическая модель тепловых процессов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором / Д. И. Зализный, О. Г. Широков, В. В. Попичев // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2015. № 1 (60). С. 31–43.

8. Зюзев, А. М. Двухканальная термодинамическая модель асинхронного двигателя для систем тепловой защиты / А. М. Зюзев, В. П. Метельков // Вестник ЮУрГУ. Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 2 (39). С. 4–11. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2018-2(39)-4-11

9. Kylander, G. Thermal modelling of small cage induction motors: Technical Report No. 265. Göteborg, 1995. 113 р. URL: https://webfiles.portal.chalmers.se/et/PhD/KylanderGunnarPhD.pdf

10. Петушков, М. Ю. Тепловая модель асинхронного двигателя / М. Ю. Петушков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. 2011. № 4. С. 48–50.

11. Popova, L. Combined Electromagnetic and Thermal Design Platform for Totally Enclosed Induction Machines: Master’s thesis / L. Popova. Lappeenranta University of Technology, 2010. 62 p. URL: https://lutpub.lut.fi/bitstream/handle/10024/63035/nbnfi-fe201006091991.pdf?sequence=1&isAllowed=y

12. Пугачев, А. А. Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов в асинхронном двигателе / А. А. Пугачев, Д. А. Бондаренко // Вестник Брянского государственного технического университета. 2015. № 3 (47). С. 77–82.

13. Зализный, Д. И. Расчет температур в проводах низковольтных воздушных линий электропередачи / Д. И. Зализный, Г. И. Селиверстов, Д. Г. Кроль // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2025. Т. 68, № 4. С. 311–323. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-4-311-323

14. Пат. RU 2635824 С2, МПК G01R 31/34 (2006.01). Устройство диагностики технического состояния электродвигателя подвижного роботизированного комплекса: № 2016116067: заявлено 25.04.2016: опубл: 16.11.2017 / А. Ю. Бердников, А. И. Гладышев, К. В. Капелько URL: https://patents.google.com/patent/RU2635824C2/ru

15. Пат. RU 2772109, МПК H02K 15/12 (2022.02); H04W 24/04 (2022.02). Устройство эксплуатационного контроля нагрева электродвигателей: № 2021107262: заявлено 08.09.2020: опубл: 17.05.2022 / С. В. Волобуев, О. А. Волобуева, А. С. Феклистов, В. А. Петрухин URL: https://patents.google.com/patent/RU2772109C2/ru

16. Таранов, Д. М. Тепловые модели электропривода / Д. М. Таранов, А. Е. Чуркин, А. В. Лыткин // Эпоха науки. 2015. № 1. С. 16.

17. Киселев, А. В. Анализ теплового состояния первичного источника электрической энергии забойной телеметрической системы / А. В. Киселев, А. Г. Гарганеев, О. С. Качин // Доклады ТУСУР. 2014. № 4 (34). C. 189–193.

18. Сабденов, К. О. Особенности оптимизационной задачи на подбор материалов для минимизации потери тепла через плоскую стенку / К. О. Сабденов, М. Ерзада // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331, № 6. С. 169–174. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/6/2686

19. Постников, И. М. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для электротехн. спец. высш. учеб. заведений УССР / И. М. Постников. Киев: Гостехиздат УССР, 1952. 736 с.

20. Секретарев, Ю. А. Модели текущего технического состояния электрооборудования для расчета надежности систем электроснабжения монопотребителей в рамках риск-ориентированного подхода / Ю. А. Секретарев, А. А. Горшунов // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2025. Т. 68, № 1. С. 17–34. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-1-17-34