PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS
The paper considers the specific features of the technical operation of asynchronous motors in hoisting machines and typical damages to stator windings. It is established that one promising approach to motor protection is the use of computer monitoring systems. These systems' algorithmic and ap...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/874 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104385738604544 |
|---|---|
| author | Yenikieiev, Olexander Kuts, Yurii Tkachenko, Andrii Sherbak, Leonid |
| author_facet | Yenikieiev, Olexander Kuts, Yurii Tkachenko, Andrii Sherbak, Leonid |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Olexander Yenikieiev",
"institution": null
},
{
"author": "Yurii Kuts",
"institution": null
},
{
"author": "Andrii Tkachenko",
"institution": null
},
{
"author": "Leonid Sherbak",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Yenikieiev, Olexander |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:49Z |
| description | The paper considers the specific features of the technical operation of asynchronous motors in hoisting machines and typical damages to stator windings. It is established that one promising approach to motor protection is the use of computer monitoring systems. These systems' algorithmic and application software includes measuring and controlling stator winding currents. A method for calculating the operating modes of asynchronous motors with a break in one of the parallel branches of the stator phase winding is developed. Based on the derived equations, a computer simulation scheme was compiled using the graph method in the MatLab software environment with the Simulink extension to calculate the symmetric and asymmetric operating modes of an asynchronous motor, considering the current distribution in the parallel branches of the phase windings, and the results of theoretical studies are experimentally confirmed. As a result, graphs are provided to show the relationship between the steady-state temperatures of the stator windings' frontal sections and the values of the phase currents. It is shown that current overload of the operating branch of the damaged phase winding can occur even at the nominal linear current. At the same time, in the operating parallel branch of the phase winding with a break, there is a significant thermal overload, which leads to rapid degradation of the winding insulation materials and the development of a malfunction to a more serious one. A characteristic feature of the operating mode of an asynchronous motor with a break in the parallel branch of the stator phase winding is that at a reduced load, the motor can operate for an extended period without overheating. It is demonstrated that the nature of the asymmetry of linear currents by phase can be used as a diagnostic indicator. |
| doi_str_mv | 10.15407/srenergy2024.04.098 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:03:27Z |
| format | Article |
| fulltext |
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 98
ISSN 2786-7102 (Online), ISSN 2786-7633 (Print)
https://doi.org/10.15407/srenergy2024.04.098
УДК 621.355:786
Олександр Єнікєєв1, д-р техн. наук, доцент, https://orcid.org/0000-0001-8633-3233
Юрій Куц2,3, д-р техн. наук, професор, https://orcid.org/0000-0002-8493-9474
Андрій Ткаченко1*, канд. техн. наук, https://orcid.org/0009-0005-0752-0900
Леонід Щербак3, д-р техн. наук, професор, https://orcid.org/0000-0002-1536-4806
1Європейський університет, бульв. Академіка Вернадського, 16-в, м. Київ, 03115, Україна;
2Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені
Ігоря Сікорського», Берестейський просп., 37, м. Київ, 03056, Україна;
3Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150,
Україна
*Автор-кореспондент: tkachenko.aat@gmail.com
_______________________________________________________________________________________
ФАЗОВИЙ МЕТОД ВИЯВЛЕННЯ ОБРИВІВ В СТАТОРНИХ ОБМОТКАХ
АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ
Анотація. Розглянуто особливості технічної експлуатації асинхронних двигунів
вантажопідйомних машин та типові пошкодження обмоток статора. Встановлено, що одним із
перспективних шляхів вирішення завдань захисту двигунів є використання комп’ютерних систем
моніторингу. Алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення цих систем включає операції
вимірювань та контролю струмів статорних обмоток. Запропоновано метод моніторингу та
діагностування асинхронних трифазних двигунів за кутами зсуву фаз лінійних струмів. Розроблено
методику розрахунку режимів роботи асинхронних двигунів при обриві однієї з паралельних гілок
фазної обмотки статора. На підставі отриманих рівнянь за допомогою методу графів складено
схему комп’ютерного моделювання у програмному середовищі MatLab із розширенням Simulink для
розрахунку симетричних та несиметричних режимів роботи асинхронного двигуна з урахуванням
розподілу струмів у паралельних гілках фазних обмоток. Результати теоретичних досліджень
підтверджено експериментально. Наведено графіки залежностей величин сталих температур
лобових частин статорних обмоток від величин фазних струмів. Показано, що струмове
перевантаження працюючої гілки пошкодженої фазної обмотки може мати місце навіть при
номінальному лінійному струмі. Водночас в працюючій паралельній гілці фазної обмотки з обривом
має місце суттєве теплове перевантаження, яке призводить до швидкої деградації ізоляційних
матеріалів обмотки та розвинення несправності до більш серйозної. Характерною особливістю
режиму роботи асинхронного двигуна при обриві паралельної гілки фазної обмотки статора є те,
що при зниженому навантаженні двигун може тривалий час працювати без перегріву. Показано,
що в якості діагностичного показника доцільно використовувати характер асиметрії лінійних
струмів за фазою.
Ключові слова: моніторинг, діагностичні ознаки, комп’ютерна система, математичне
моделювання, обрив гілки, програмне середовище MatLab із розширенням Simulink, комп’ютерне
моделювання.
1. Вступ
Одними з найбільш поширених електричних машин є асинхронні двигуни (АД) [1, 2]. За даними
статистики ЄС про виробництво промислових товарів, з приблизно 10 млн багатофазних двигунів
змінного струму (за винятком тягових) потужністю 0,75–375 кВт домінують трифазні АД, що становить
близько 85 % частки ринку [3]. Споживання ними електричної енергії на промислових підприємствах
становить до 70 % від загального [4]. АД є достатньо надійними машинами, при забезпеченні
номінальних режимів роботи термін їх експлуатації складає 20–40 тис. годин [5]. Однак, як показують
дослідження [6], АД нерідко експлуатуються у достатньо важких умовах та за незадовільного
технічного обслуговування. Як наслідок цього суттєво зростає вірогідність пошкоджень, що є
причиною значних збитків.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 99
Найбільш поширеними причинами виходу з ладу АД є несправності обмоток статора: обриви та
міжвиткові замикання [7]. Своєчасне їх виявлення дає змогу не допустити більш серйозних
пошкоджень [8], отже зменшити час відновлення, скоротити витрати на обслуговування та втрати від
позапланових простоїв, а також покращити ефективність роботи електродвигунів та виробничих
механізмів [9]. Одним із найбільш перспективних шляхів вирішення цих завдань є використання
комп’ютерних систем моніторингу [10, 11], алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення яких
включає також операції опрацювання даних вимірювань та контролю роботи двигунів [12]. Це, у свою
чергу, потребує створення сучасних систем моніторингу стану АД із діагностуванням аварійних
режимів роботи [13]. Одним із найбільш розповсюджених способів виявлення пошкоджень
електродвигунів є контроль величин струмів обмоток статора [14–15].
Метою статті є розроблення методології досліджень режимів роботи АД за умов наявності
обривів у статорних обмотках та визначення діагностичних ознак, що можуть бути використані в
комп’ютерних системах моніторингу та діагностування поточного стану АД в робочих умовах.
2. Методи та матеріали
2.1 Особливості роботи швидкісних асинхронних двигунів
АД у складі вантажопідйомних машин працюють в режимі з достатньо високою періодичністю
вмикання, за умов складних діаграм навантажень, затяжними пусками тощо [16]. Тривалість робочого
циклу АД та величини навантаження на механізми підйому неможливо визначити заздалегідь [17], що
ускладнює облік усіх можливих режимів роботи при виборі двигуна за потужністю, а ефективний
захист від теплових навантажень здійснюється не завжди. В результаті величина температури обмоток
АД нерідко перевищує максимально припустиму величину, що призводить до передчасного виходу з
ладу ізоляційних матеріалів [18–19].
Крім того, під час експлуатації вантажопідйомних машин можливий режим роботи із
загальмованим ротором внаслідок спроби підйому примерзлого або заклиненого вантажу, відмови
електричного обладнання керування гальмівного механізму тощо [20]. Робота АД в таких режимах
супроводжується суттєвим струмовим перевантаженням, що викликає швидке зростання температури
обмоток та нерівномірне теплове розширення конструкційних елементів машин. Це може викликати
вихід з ладу обмотки навіть при температурах, менших за максимально припустиму.
Подібні наслідки викликає неповнофазний режим роботи АД. Причинами його виникнення
можуть бути: поганий контакт на одній фазі магнітного пускача або рубильника; обрив в одній фазі
двигуна або дроту струмопроводу; поганий контакт у вивідній коробці силового тощо. Як наслідок
цього мають місце значні струмові перевантаження, перегрів і вихід з ладу АД.
Таким чином, на підставі аналізу особливостей роботи АД вантажопідйомних машин випливає,
що вони працюють у достатньо важких умовах. Для покращення надійності роботи двигуна,
зменшення кількості пошкоджень та попередження поламок доцільно використати системи захисту, які
здатні запобігти виникненню пошкоджень та унеможливити їхній розвиток. Дослідження умов
виникнення аварійних режимів роботи АД дасть змогу розробити рекомендації щодо вибору типу та
налаштувань засобів захисту.
2.2 Системи захисту та аварійні режими роботи
ДСТУ EN 60204-32:2018 передбачено, що усі двигуни, потужність яких перевищує 0,5 кВт,
повинні бути захищені від перегрівання шляхом [21]:
1. Захисту від перевантаження за допомогою пристроїв, що виявляють співвідношення часу і
величини струму (Pt) у колі і подають сигнал на відмикання або включення сигналізації у випадках,
коли раптове вимкнення АД неприпустиме, наприклад у приводах підйому вантажу.
2. Використання пристроїв для безпосереднього вимірювання температури обмоток двигуна.
3. Захисту від обмежень трифазних струмів, при чому кількість поточних пристроїв обмеження
може бути зменшена від 3 до 2.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 100
Вказані засоби захисту не захищають АД від усіх можливих анормальних режимів [22]. Зокрема,
у двигунах вантажопідйомних машин широко застосовуються схеми з паралельним з’єднанням гілок
статорних обмоток. Наприклад, обмотка статора двошвидкісного АД може передбачати перемикання зі
схеми «трикутник» у «подвійну зірку», при цьому «подвійна зірка» відповідає вищій швидкості та має
дві паралельні гілки у кожній фазній обмотці статора.
Відомо, що обрив паралельної гілки фазної обмотки статора призводить до менш помітного
зниження перевантажувальної здатності та пускового моменту електродвигуна. В якості прикладу на
рис. 1 наведено електромеханічні характеристики М() пошкодженої фази статора АД типу АО2-61
при обриві однієї з двох паралельних гілок (тут – кутова частота обертання ротора електродвигуна;
Мн, н – номінальні величини моменту та частоти обертання відповідно).
На підставі аналізу графіка рис. 1 випливає: обрив однієї з двох паралельних гілок фазної обмотки
статора двигуна АО2-61 призводить до зниження пускового моменту на 30 %, а максимального – на
31 % [23]. Втім, при номінальному навантаженні АД не зупиняється та може піти в хід. Також відомо,
що відсутність симетрії лінійних струмів за наявності цього аномального режиму роботи АД має
складний характер. Таким чином, доцільно виконати більш ретельні дослідження режиму роботи
двигуна за наявності такої несправності.
Рисунок. 1. Механічні характеристики двигуна АО2-61: номінальна – М(ω), та при обриві однієї з двох
паралельних гілок фазної обмотки статора – M’(ω)
2.3. Методика математичного моделювання асинхронних двигунів при обривах в
паралельних гілках фазних обмоток статора
В процесі дослідження особливостей режимів роботи АД обмотки статора авторами розглянуто
її модель у вигляді паралельного з’єднання додаткових елементів, як це показано на рис. 2, а. За такого
подання зручно імітувати обриви обмоток статора використовуючи паралельні гілки, короткозамкнені
витки тощо. Дослідження проводились за умови, що обрив має місце тільки в одній обмотці з n
паралельних гілок статора. Сигнальний граф математичної моделі для досліджень режимів роботи АД
зображено на рис. 2, б.
Рисунок 2. Cхема обмоток статора АД для складання математичної моделі
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 101
З аналізу рис. 2 зроблено висновок, що схема підключення обмоток статора має чотири гілки
дерева і (3n-1) гілок зв’язку. Усього схема має (3n+3) гілок та невідомих струмів. Для розрахунку
невідомих необхідно скласти (3n+3) незалежних рівнянь за першим та другим законами Кірхгофа. Для
випадку із двома паралельними гілками в кожній обмотці статора маємо таку систему рівнянь:
𝑖𝐴 + 𝑖𝐵 + 𝑖𝐶 = 0;
𝑖𝐴1 + 𝑖𝐴2 + 𝑖𝐴3+. . . +𝑖𝐴𝑛 = 𝑖𝐴;
𝑖𝐵1 + 𝑖𝐵2 + 𝑖𝐵3+. . . +𝑖𝐵𝑛 = 𝑖В;
𝑖𝐶1 + 𝑖𝐶2 + 𝑖𝐶3+. . . +𝑖𝐶𝑛 = 𝑖𝐶 .}
(1)
В рівняннях (1) і далі, з метою спрощення запису формул, часовий аргумент t при струмах,
напругах та потокозчепленнях не вказано. Для побудови повної системи рівнянь, що описують роботу
АД, система (1) доповнена такими рівняннями. Для контурів, що включають гілки дерева і одну з гілок
зв’язку, складено рівняння за другим законом Кірхгофа
𝑟𝐴1𝑖𝐴1 +
𝑑𝛹𝐴1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐵1𝑖𝐵1 −
𝑑𝛹𝐵1
𝑑𝑡
= 𝑢𝐴 − 𝑢𝐵 (2)
та (n-1) рівнянь для контурів зі струмами (iA1, iA2), (iA1, iA3) … (iA1, iAn):
𝑟𝐴1𝑖𝐴1 +
𝑑𝛹𝐴1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐴2𝑖𝐴2 −
𝑑𝛹𝐴2
𝑑𝑡
= 0;
𝑟𝐴2𝑖𝐴2 +
𝑑𝛹𝐴2
𝑑𝑡
− 𝑟𝐴3𝑖𝐴3 −
𝑑𝛹𝐴3
𝑑𝑡
= 0;
. . .
𝑟𝐴𝑛−1𝑖𝐴𝑛−1 +
𝑑𝛹𝐴𝑛−1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐴𝑛𝑖𝐴𝑛 −
𝑑𝛹𝐴𝑛
𝑑𝑡
= 0.}
(3)
Подібно до (3) для контурів зі струмами (iВ1, iВ2), (iВ1, iВ3) … (iВ1, iВn) складено по (n-1) рівнянь
𝑟𝐵1𝑖𝐵1 +
𝑑𝛹𝐵1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐵2𝑖𝐵2 −
𝑑𝛹𝐵2
𝑑𝑡
= 0;
𝑟𝐵2𝑖𝐵2 +
𝑑𝛹𝐵2
𝑑𝑡
− 𝑟𝐵3𝑖𝐵3 −
𝑑𝛹𝐵3
𝑑𝑡
= 0;
…
𝑟𝐵𝑛−1𝑖𝐵𝑛−1 +
𝑑𝛹𝐵𝑛−1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐵𝑛𝑖𝐵𝑛 −
𝑑𝛹𝐵𝑛
𝑑𝑡
= 0.}
(4)
Наступне рівняння отримано для контуру зі струмами iВ, iВ1, iС1, iС,
𝑟𝐵1𝑖𝐵1 +
𝑑𝛹𝐵1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐶1𝑖𝐶1 −
𝑑𝛹𝐶1
𝑑𝑡
= 𝑢𝐵 − 𝑢𝐶 . (5)
Завершують повну систему рівнянь для статорних обмоток (n-1) виразів для контурів зі
струмами (iС1, iС2), (iС1, iС3) … (iС1, iСn), яка за структурою подібна до рівнянь (3) та (4)
𝑟𝐶1𝑖𝐶1 +
𝑑𝛹𝐶1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐶2𝑖𝐶2 −
𝑑𝛹𝐶2
𝑑𝑡
= 0;
𝑟𝐶2𝑖𝐶2 +
𝑑𝛹𝐶2
𝑑𝑡
− 𝑟𝐶3𝑖𝐶3 −
𝑑𝛹𝐶3
𝑑𝑡
= 0;
. . .
𝑟𝐶𝑛−1𝑖𝐶𝑛−1 +
𝑑𝛹𝐶𝑛−1
𝑑𝑡
− 𝑟𝐶𝑛𝑖𝐶𝑛 −
𝑑𝛹𝐶𝑛
𝑑𝑡
= 0,}
(6)
де uA, uB, uC – фазні напруги; 𝑟А1 , 𝑟А2 , 𝑟В1 , 𝑟В2 , 𝑟С1 , 𝑟С2 – активні опори паралельних гілок статора;
𝛹А1, 𝛹А2, 𝛹В1 , 𝛹В2 , 𝛹С1 , 𝛹С2 – потокозчеплення гілок обмоток статора; 𝑖А1 , 𝑖А2 , 𝑖В1 , 𝑖В2 , 𝑖С1 , 𝑖С2 – струми
паралельних гілок фазних обмоток статора.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 102
В результаті отримано систему рівнянь (1–6) для статора, яка включає 4+1+(n-1)+(n-1)+1+(n-1)
= 3+3n рівнянь для 3+3n невідомих струмів (три фазних струму iA, iB, iC та 3n струмів паралельних
гілок). При складанні рівнянь зроблено наступні припущення: витіснення струму, насичення і втрати в
магнітопроводі відсутні; комплексні опори обмоток не мають ємнісних складових; джерело живлення
є ідеальним.
Система рівнянь для ротора складається з трьох рівнянь з трьома невідомими фазними струмами
ротора iA, iB, iC
𝑖𝑎 + 𝑖𝑏 + 𝑖𝑐 = 0;
𝑟𝑎𝑖𝑎 +
𝑑𝛹𝑎
𝑑𝑡
− 𝑟𝑏𝑖𝑏 −
𝑑𝛹𝑏
𝑑𝑡
= 0;
𝑟𝑏𝑖𝑏 +
𝑑𝛹𝑏
𝑑𝑡
− 𝑟𝑐𝑖𝑐 −
𝑑𝛹𝑐
𝑑𝑡
= 0.
} (7)
Рівняння (1–7) становлять систему рівнянь, достатню для розрахунку струмів статора та ротора
АД. Потокозчеплення кожної з обмоток, що входять у систему рівнянь (2–7), визначаються як підсумок
власного потокозчеплення обмотки j (ijLj) та потокозчеплень інших обмоток ∑ 𝑖кМ𝑗𝑘
𝑛
к=1 , к ≠ 𝑗. В якості
прикладу нижче наведено рівняння для потокозчеплення першої паралельної гілки обмотки фази А
статора
𝛹𝐴1 = 𝑖𝐴1𝐿𝐴1 + 𝑖𝐴2𝑀𝐴1𝐴2 + 𝑖𝐴3𝑀𝐴1𝐴3+. . . +𝑖𝐴𝑛𝑀𝐴1𝐴𝑛 + 𝑖𝐵1𝑀𝐴1𝐵1 + 𝑖𝐵2𝑀𝐴1𝐵2 +
+𝑖𝐵3𝑀𝐴1𝐵3+. . . +𝑖𝐵𝑛𝑀𝐴1𝐵𝑛 + 𝑖𝐶1𝑀𝐴1𝐶1 + 𝑖𝐶2𝑀𝐴1𝐶2 + 𝑖𝐶3𝑀𝐴1𝐶3+. . . +𝑖𝐶𝑛𝑀𝐴1𝐶𝑛 +
𝑖𝑎𝑀𝐴1𝑎 + 𝑖𝑏𝑀𝐴1𝑏 + 𝑖𝑐𝑀𝐴1𝑐;
𝛹𝐴2 = 𝑖𝐴1𝑀𝐴2𝐴1 + 𝑖𝐴2𝐿𝐴2 + 𝑖𝐴3𝑀𝐴2𝐴3+. . . +𝑖𝐴𝑛𝑀𝐴2𝐴𝑛 + 𝑖𝐵1𝑀𝐴2𝐵1 + 𝑖𝐵2𝑀𝐴2𝐵2 +
+𝑖𝐵3𝑀𝐴2𝐵3+. . . +𝑖𝐵𝑛𝑀𝐴2𝐵𝑛 + 𝑖𝐶1𝑀𝐴2𝐶1 + 𝑖𝐶2𝑀𝐴2𝐶2 + 𝑖𝐶3𝑀𝐴2𝐶3+. . . +𝑖𝐶𝑛𝑀𝐴2𝐶𝑛 +
𝑖𝑎𝑀𝐴2𝑎 + 𝑖𝑏𝑀𝐴2𝑏 + 𝑖𝑐𝑀𝐴2𝑐;
.
.
.
𝛹𝐴𝑛 = 𝑖𝐴𝑛𝑀𝐴𝑛𝐴1 + 𝑖𝐴𝑛𝑀𝐴𝑛𝐴2 + 𝑖𝐴3𝑀𝐴𝑛𝐴3+. . . +𝑖𝐴𝑛𝐿𝐴𝑛 + 𝑖𝐵1𝑀𝐴𝑛𝐵1 + 𝑖𝐵2𝑀𝐴𝑛𝐵2 +
+𝑖𝐵3𝑀𝐴𝑛𝐵3+. . . +𝑖𝐵𝑛𝑀𝐴𝑛𝐵𝑛 + 𝑖𝐶1𝑀𝐴𝑛𝐶1 + 𝑖𝐶2𝑀𝐴𝑛𝐶2 + 𝑖𝐶3𝑀𝐴𝑛𝐶3+. . . +𝑖𝐶𝑛𝑀𝐴𝑛𝐶𝑛 +
𝑖𝑎𝑀𝐴𝑛𝑎 + 𝑖𝑏𝑀𝐴𝑛𝑏 + 𝑖𝑐𝑀𝐴𝑛𝑐 .
(8)
Разом отримано n виразів для n потокозчеплень паралельних гілок фази А. Аналогічно
вищевикладеному складається по n рівнянь для потокозчеплень паралельних гілок фазних обмоток В і
С і три рівняння для потокозчеплень фазних обмоток ротора – всього (3n+3) рівнянь для (3n+3) рівнянь
потокозчеплень (ψА1, ψА2, ψА3, …, ψАn, ψB1, ψB2, ψB3, …, ψBn, ψC1, ψC2, ψC3, …, ψCn).
Рівняння динаміки АД можна отримати, виходячи з виразів (10–12):
𝑊э =
1
2
(∑ 𝛹𝐴𝑘𝑖𝐴𝑘
𝑛
𝑘=1 + ∑ 𝛹𝐵𝑘𝑖𝐵𝑘
𝑛
𝑘=1 +∑ 𝛹𝐶𝑘𝑖𝐶𝑘
𝑛
𝑘=1 ); (9)
𝑀 = 𝑍𝑝
𝜕𝑊э
𝜕𝜙
; (10)
𝑀 −𝑀𝐶 =
𝐽
𝑍𝑝
𝑑𝜔
𝑑𝑡
, (11)
де Zp – число пар полюсів; 𝑊э – електромагнітна енергія; 𝜙, ω – кут обертання ротора та кутова частота
відповідно; J – зведений до валу двигуна момент інерції механічної частини приводу; 𝑀,𝑀𝐶 –
електромагнітний момент та статичний момент опору на валу АД.
Рівняння (1–7) та (11) становлять математичну модель АД у трифазних неперетворених
координатах, котру доповнено рівняннями зв’язку потокозчеплень (8). Розглянута математична модель
дає змогу виконувати аналіз як симетричних, так і несиметричних режимів роботи АД з урахуванням
розподілу струмів у паралельних гілках фазних обмоток. Наприклад, для досліджень режимів роботи
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 103
АД за наявності обриву однієї або декількох паралельних гілок статора обмотки достатньо прийняти
активний опір відповідної гілки рівним нескінченності.
Відповідно до рівнянь математичної моделі (1–7) та (11) у середовищі MatLab Simulink
реалізовано структурну програму аналізу режимів роботи АД при обриві однієї з двох паралельних
гілок обмотки статора (рис. 3).
Рисунок 3. Структурна програма моделювання режимів роботи АД при обриві паралельної гілки статора
обмотки в середовищі MatLab Simulink
Як приклад на рис. 4 наведено результати моделювання АД при обриві паралельної гілки обмотки
статора – фазні струми статора Iф(t) та електромагнітний момент M(t) при пуску на холостому ході АД
при обриві паралельної гілки.
Рисунок. 4. Графічне представлення результатів моделювання фазних струмів статора та
електромагнітного моменту двигуна АО2-61 (2р = 6) при пуску
3. Результати моделювання та експериментальних досліджень
В табл. 1 представлені дані моделювання для двигуна АО2-61 при обриві першої з двох
паралельних гілок статорної обмотки фази С.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 104
Таблиця 1. Розрахункові значення струмів у фазах та паралельних гілках двигуна АО2-61 при обриві
однієї з двох паралельних гілок обмотки фази
М/Мн IA/ Iном IA1/ 2Iном IA2/ 2Iном IВ/ Iном IВ1/ 2Iном IВ2/ 2Iном IС/ Iном IС1/ 2Iном IС2/ 2Iном
0,00 0,26 0,35 0,20 0,26 0,33 0,22 0,17 0,00 0,34
0,1 0,28 0,37 0,21 0,28 0,34 0,23 0,18 0,00 0,36
0,2 0,33 0,42 0,24 0,32 0,39 0,26 0,21 0,00 0,42
0,3 0,39 0,50 0,29 0,38 0,47 0,31 0,25 0,00 0,50
0,4 0,47 0,61 0,37 0,46 0,56 0,37 0,30 0,00 0,61
0,5 0,57 0,72 0,44 0,55 0,67 0,45 0,37 0,00 0,73
0,6 0,68 0,85 0,53 0,66 0,79 0,53 0,44 0,00 0,88
0,7 0,80 1,00 0,64 0,78 0,94 0,64 0,52 0,00 1,04
0,8 0,95 1,17 0,79 0,92 1,09 0,76 0,62 0,00 1,24
0,9 1,14 1,38 0,96 1,11 1,29 0,93 0,76 0,00 1,51
З метою встановлення невизначеності розрахунків проведено дослід на АД АО2-61 (схема
підключення забезпечує 2р = 6) при обриві однієї з двох паралельних гілок обмотки фази статора. У
табл. 2 наведено дослідні дані.
Таблиця 2. Дослідні значення струмів у фазах та паралельних гілках двигуна АО2-61 при обриві однієї
з двох паралельних гілок обмотки фази
М/Мн IA/ Iном IA1/ 2Iном IA2/ 2Iном IВ/ Iном IВ1/ 2Iном IВ2/ 2Iном IС/ Iном IС1/ 2Iном IС2/ 2Iном
0,5 0,58 0,75 0,4 0,57 0,7 0,43 0,39 0,00 0,78
0,7 0,84 1,1 0,6 0,8 1,03 0,67 0,57 0,00 1,14
0,8 0,97 1,18 0,8 0,95 1,2 0,78 0,63 0,00 1,26
На рис. 5 показано залежності величин фазних струмів АД від ковзання: I(s) – фазних струмів
справного двигуна, IА(s) – струму фази А з обривом, IВ(s), IС(s) – струмів фаз В і С без обривів.
Рисунок 5. Графіки залежностей струмів фаз двигуна АО2-61 (2р = 6) від ковзання I(s) – справного
двигуна; IА(s), IВ(s), IС(s) – струмів фаз А (з обривом), В, С відповідно
З аналізу рис. 5 можна зробити висновок, що обрив паралельної гілки фазної обмотки призводить
до збільшення струмів фаз без несправності на (10–15) % відносно струмів непошкодженого двигуна.
У пошкодженій фазі струм дещо менший. Однак слід зазначити, що у пошкодженій фазі працює тільки
одна паралельна гілка, отже в ній також можливе струмове перевантаження, що викликає швидке
розвинення несправності до повного виходу з ладу обмотки в результаті обриву, міжфазного замикання
або замикання на корпус. Таким чином, передбачені ДСТУ методи захисту АД можуть бути
неефективними для виявлення його несправності.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 105
Для дослідження теплового стану електродвигунів виконано моделювання із використанням
еквівалентних теплових схем заміщення. На рис. 6 показано графіки залежності сталих температур
лобових частин паралельних гілок обмоток статора при різних величинах навантаження на валу.
Рисунок 6. Графіки сталої температури лобових частин обмоток двигуна АО2-61 (2р = 6), при обриві
першої паралельної гілки фази А статора
З аналізу рис. 6 випливає, що обрив паралельної гілки призводить до значного перегріву окремих
паралельних гілок статора обмотки. Так, при номінальному моменті опору на валу двигуна температура
паралельної гілки пошкодженої фази перевищує номінальну в ~4,4 рази. Однак при навантаженні 64 %
номінальної температури обмоток не перевищують максимально допустимої і двигун може працювати
тривалий час.
Аналіз розподілу температур в сталому режимі роботи АД також проводився шляхом
експериментальних досліджень. З цією метою в лобові частини обмоток статора було розміщено
термопари. Оскільки дослідження температурного поля за несправностей обмотки статора пов’язано з
ризиком виходу АД з ладу, оцінку перегрівів у всьому діапазоні навантажень отримати неможливо. У
табл. 3 наведено дослідні та розрахункові перевищення температур лобових частин обмоток у
встановленому режимі при зниженому навантаженні.
Таблиця 3. Відносні температури лобових частин паралельних гілок фазних обмоток статора після
завершення теплових перехідних процесів
𝑀/МН θA2/θH θB1/θH θB2/θH θC1/θH θC2/θH
Розрахунок
0,51 0,28 0,18 0,27 0,18 0,24
0,64 1,072 0,66 1,02 0,68 0,93
0,7 1,23 0,76 1,16 0,78 1,06
Дослід
0,51 0,30 0,15 0,25 0,17 0,20
0,64 1,00 0,59 0,97 0,63 0,86
0,70 1,25 0,73 1,18 0,73 1,01
У табл. 4 подано величини відносних моментів опору на валу двигуна та відповідні їм різниці
фаз лінійних струмів (ΔΨ) при обриві однієї з двох паралельних гілок обмотки фази статора.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 106
Таблиця 4. Різниця фаз лінійних струмів при зміні статичного навантаження на валу двигуна
4. Обговорення
В результаті аналізу розподілу струмів (табл. 1) при обриві паралельної гілки в обмотці статора
встановлено, що має місце асиметрія за величиною як лінійних струмів, так і струмів в паралельних
гілках. Зокрема, при навантаженні більше 0,7МН у гілках фазних обмоток мають місце струмові
перевантаження, хоча лінійні струми не перевищують номінальних величин.
Результати розрахунку теплового стану двигуна (табл. 3) дають змогу встановити, що при обриві
однієї з двох паралельних гілок фазної обмотки статора найбільш нагрітою є лобова частина гілки
пошкодженої фази. Наприклад, момент опору 0,7МН має місце теплове перевантаження 1,25θH.
Перевищення температурами номінальних значень має місце і в паралельних гілках інших фаз. Так,
при тому ж навантаженні температури других паралельних гілок справних фаз В та С склали 1,18θH і
1,01θH відповідно. Однак момент опору 0,64МН температури всіх паралельних гілок близькі до
номінальних і двигун може працювати тривалий час.
Величини різниці фаз ΔΨ між лінійними струмами (табл. 4) свідчать, що виникнення
несправності викликає також фазну несиметрію лінійних струмів. При цьому характер несиметрії
лінійних струмів зберігається із зміною навантаження. Так із зростанням моменту опору від 0 до МН
максимальна зміна кута зсуву фаз між лінійними струмами становить 1,20, а максимальне відхилення
від нормального кута зсуву фаз 1200 становить 170. Сучасні методи детермінованої та статистичної
фазометрії [24, 25] дають змогу вимірювати фазові зсуви сигналів в околі частоти мережевої напруги з
похибкою порядку 0,05о–0,1о, що цілком достатньо для практичного застосування в системах
моніторингу робочого стану АД в процесі їх роботи. Таким чином, фазовий зсув лінійних струмів
обмоток статора АД є надійною діагностичною ознакою для виявлення обривів обмоток статора.
5. Висновки
В роботі запропоновано математичну модель роботи асинхронного двигуна у вигляді системи
рівнянь, достатніх для розрахунку струмів його статора та ротора. На основі розробленої моделі
запропоновано методику математичного моделювання асинхронних двигунів при обривах в
паралельних гілках фазних обмоток статора.
В результаті проведеного в середовищі MatLab Simulink моделювання встановлено, що обрив
паралельної гілки обмотки статора АД супроводжується складним характером несиметрії струмів за
величиною та фазою. В цьому випадку можливий режим роботи АД, в якому лінійні струми не
перевищують номінальної величини, а в працюючій гілці пошкодженої фазної обмотки статора має
місце струмове перевантаження. Таким чином, незважаючи на те, що ДСТУ встановлює жорсткі
вимоги до систем захисту двигунів, існуючі засоби захисту можуть бути неефективними стосовно
виявлення подібних режимів роботи, що підтверджує необхідність розроблення нових програмних та
апаратних засобів захисту і моніторингу роботи АД.
Показано, що виявлення анормального режиму роботи доцільно виконувати шляхом контролю
різниці фаз лінійних струмів. Цей діагностичних показник є зручним для використання, оскільки
величина несиметрії за фазою є суттєвою у порівнянні із нормальним режимом роботи. Крім того, кут
зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора АД малочутливий до зміни навантаження
електродвигуна, що дає змогу виявляти несправності в широкому діапазоні змін моменту опору на валу
двигуна. На цій основі зроблено висновок про можливість використання фазового зсуву лінійних
№ з/п 𝑀/МН ΔΨАВ ΔΨВС ΔΨСА
1 0 109,4 111,9 136,7
2 0,5 111,7 112,1 137,3
3 0,66 109,3 110,8 138,2
4 0,85 110,7 111,5 137,8
5 0,87 110,9 110,8 138,3
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 107
струмів обмоток статора АД як надійної діагностичної ознаки для виявлення обривів в обмотках і
перспективність використання фазового методу в системах моніторингу стану працюючих АД.
Посилання
1. Mamchur D. An analysis on induction motor reliability and lifetime estimation methods. Przegląd elektrotechniczny.
2020. Vol. 1. Iss. 12. P. 220—223. https://doi.org/10.15199/48.2020.12.47
2. Garcia M., Panagiotou P. A., Antonino-Daviu J. A., Gyftakis K. N. Efficiency Assessment of Induction Motors
Operating UnderDifferent Faulty Conditions. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. Vol. 66. Iss. 10.
P. 8072—8081. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2885719
3. Payán M. B., Fernandez J. M. R., Ortega J. M. M., Santos J. M. R. Techno-economic optimal power rating of
induction motor. Applied Energy. 2019. Vol. 240. P. 1031—1048. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.02.016
4. de Almeida A. T., Fong J., Falkner H., Bertoldi P. Policy options to promote energy efficient electric motors and
drives in the EU. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 74. P. 1275—1286.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.112
5. Laughton M. A., Say M. G. Electrical Engineers Reference Book. Elsevier, 2016. 992 p.
6. Яковлєв А.І. Резерви зниження величини збитків при виході з ладу електрообладнання на технологічних
агрегатах. Економіка. Фінанси. Право. 2016. № 9. С. 4—9. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ecfipr_2016_9_3
(дата звернення: 18.06.2024).
7. Singh A., Grant B. A review of induction motor fault modeling. Electric Power Systems Research. 2016. Vol. 133.
P. 191—197. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2015.12.017
8. Husari F., Seshadrinath J., Early Stator Fault Detection and Condition Identification in Induction Motor Using Novel
Deep Network. IEEE Transactions on Artificial Intelligence. 2021. Vol. 3. Iss. 5. P. 809—818.
https://doi.org/10.1109/TAI.2021.3135799
9. Garcia-Calva T., Morinigo-Sotelo D., Fernandez-Cavero V., Romero-Troncoso R. Early Detection of Faults in
Induction Motors—A Review. Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 21. https://doi.org/10.3390/en15217855
10. de Jesús Rangel-Magdaleno J. Induction Machines Fault Detection: An Overview. IEEE Instrumentation &
Measurement Magazine. 2021. Vol. 24. Iss. 7. P. 63—71. https://doi.org/10.1109/MIM.2021.9549228
11. Ugwiri M. A., Carratù M., Pietrosanto A., Paciello V., Lay-Ekuakille A. Vibrations Measurement and Current
Signatures for Fault Detection in Asynchronous Motor. 2020 IEEE International Instrumentation and Measurement
Technology Conference (I2MTC) (2020, May 25–28, Dubrovnik, Croatia). P. 1—6.
https://doi.org/10.1109/I2MTC43012.2020.9128433
12. Yenikieiev O., Zakharenkov D., Gasanov M., Yevsyukova F., Naboka O., Ruzmetov A. Improving the Productivity
of Information Technology for Processing Indirect Measurement Data. International Conference on Reliable
Systems Engineering (ICoRSE). 2022. Vol. 534. P. 80—94. https://doi.org/10.1007/978-3-031-15944-2_8
13. Марченко Н.Б., Щербак Т.Л. Багаторівневі системи моніторингу стану та діагностики складних технічних
об’єктів. Моделювання та інформаційні технології: зб. наук. праць. Київ: ІПМЕ НАН України, 2019. Вип. 87.
С. 77—84. http://doi.org/10.5281/zenodo.3612248
14. Gangsar P., Tiwari R. Signal based condition monitoring techniques for fault detection and diagnosis of induction
motors: Astate-of-the-art review. Mechanical Systems and Signal Processing. 2020. Vol. 144. 106908.
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106908
15. Bakhri S., Ertugrul N. A Negative Sequence Current Phasor Compensation Technique for the Accurate Detection of
StatorShorted Turn Faults in Induction Motors. Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 9. 3100.
https://doi.org/10.3390/en15093100
16. Molnár D., Blatnický M., Dižo J. Design of the Power of an Electric Lifting Motor for a Single Girder Bridge Crane
with a 500 Kg Load Capacity. Transport Technic and Technology. 2021. Vol. 17. Iss. 2. P. 23—29.
https://doi.org/10.2478/ttt-2021-0010
17. Bobojanov M.K., Rismukhamedov D.A., Tuychiev F.N., Shamsutdinov Kh.F. Development of new pole-changing
winding for lifting and transport mechanisms. E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 365.
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202336504024
18. Zagirnyak M., Mamchur D., Kalinov A. A comparison of informative value of motor current and power spectra for
the tasks of induction motor diagnostics. 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and
Exposition, PEMC 2014 (2014, September 21–24). P. 540—545. https://doi.org/10.1109/EPEPEMC.2014.6980549
19. Sumislawska M., Gyftakis K. N., Kavanagh D. F., McCulloch M. D., Burnham K. J., Howey D. A. The Impact of
Thermal Degradation on Properties of Electrical Machine Winding Insulation Material. IEEE Transactions on
Industry Applications. 2016. Vol. 52. Iss. 4. P. 2951—2960. https://doi.org/10.1109/TIA.2016.2544745
20. Haniszewski T. Modeling the dynamics of cargo lifting process by overhead crane for dynamic overload factor
estimation. Journal of Vibroengineering. 2017. Vol. 19. Iss. 1. P. 75—86. https://doi.org/10.21595/jve.2016.17310
21. ДСТУ EN 60204-32:2018 Безпечність машин. Електрообладнання машин. Частина 32. Вимоги до
вантажопідіймальних машин (EN 60204-32:2008, IDT; IEC 60204-32:2008, IDT).
https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2885719
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.02.016
https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.112
http://nbuv.gov.ua/UJRN/ecfipr_2016_9_3
https://doi.org/10.1016/j.epsr.2015.12.017
https://doi.org/10.3390/en15217855
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106908
https://doi.org/10.3390/en15093100
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202336504024
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 108
22. Стадній О.Ю., Васюра А.С., Дорощенков Г.Д. Аварійні ситуації в роботі асинхронних двигунів, заходи та
засоби їх запобігання. Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. 2019. Вип. 37(1). С. 109—
115. https://doi.org/10.31649/1681-7893-2019-37-1-109-115
23. Федоров М.М., Ткаченко А.А. Режими роботи асинхронних двигунів при несправностях в обмотка статора.
Вибухозахищене електрообладнання. Збірник праць. УкрНДІВЕ, 2006. С. 320—324.
24. Babak V.P., Babak S.V., Eremenko V.S., Kuts Y.V., Myslovych M.V., Scherbak L.M., Zaporozhets A. Models and
Measures in Measurements and Monitoring. Studies in Systems, Decision and Control. Springer International
Publishing, 2021. Vol. 360. P. 227—266. https://doi.org/10.1007/978-3-030-70783-5
25. Zhong M., Kuts Y., Kochan O., Lysenko Iu., Levchenko O., Vlakh-Vyhrynovska H. Using signal phase in
computerized systems of non-destructive testing. Measurement Science Review. 2022. Vol. 22. Iss. 1. P. 32—43.
https://doi.org/10.2478/msr-2022-0004
References
1. Mamchur, D. (2020). An analysis on induction motor reliability and lifetime estimation methods. Przegląd
elektrotechniczny, 1(12), 220–223. https://doi.org/10.15199/48.2020.12.47
2. Garcia, M., Panagiotou, P. A., Antonino-Daviu, J. A., & Gyftakis, K. N. (2019). Efficiency Assessment of Induction
Motors Operating UnderDifferent Faulty Conditions. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 66(10), 8072–
8081. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2885719
3. Payán, M. B., Fernandez, J. M. R., Ortega, J. M. M., & Santos, J. M. R. (2019). Techno-economic optimal power
rating of induction motors, Applied Energy, 240, 1031–1048. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.02.016
4. de Almeida, A. T., Fong, J., Falkner, H., & Bertoldi, P. (2017). Policy options to promote energy efficient electric
motors and drives in the EU. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 74, 1275–1286.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.112
5. Laughton, M. A., & Say, M. G. (2016). Electrical Engineers Reference Book (992 p.). Elsevier.
6. Yakovlev, A.I. (2016). Reserves for losses decrease in case of technological units’ electrical equipment failure.
Economics. Finances. Law, 9, 4–9. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ecfipr_2016_9_3 (Last accessed: 18.06.2024)
[in Ukrainian].
7. Singh, A., & Grant, B. (2016). A review of induction motor fault modeling. Electric Power Systems Research, 133,
191–197. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2015.12.017
8. Husari, F., & Seshadrinath, J. (2021). Early Stator Fault Detection and Condition Identification in Induction Motor
Using Novel Deep Network. IEEE Transactions on Artificial Intelligence, 3(5), 809–818.
https://doi.org/10.1109/TAI.2021.3135799
9. Garcia-Calva, T., Morinigo-Sotelo, D., Fernandez-Cavero, V., & Romero-Troncoso, R. (2022). Early Detection of
Faults in Induction Motors—A Review. Energies, 15(21). https://doi.org/10.3390/en15217855
10. de Jesús Rangel-Magdaleno, J. (2021). Induction Machines Fault Detection: An Overview. IEEE Instrumentation &
Measurement Magazine, 24(7), 63–71. https://doi.org/10.1109/MIM.2021.9549228
11. Ugwiri, M. A., Carratù, M., Pietrosanto, A., Paciello, V., & Lay-Ekuakille, A. (2020, May 25–28). Vibrations
Measurement and Current Signatures for Fault Detection in Asynchronous Motor. 2020 IEEE International
Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) (pp. 1–6). Dubrovnik, Croatia.
https://doi.org/10.1109/I2MTC43012.2020.9128433
12. Yenikieiev, O., Zakharenkov, D., Gasanov, M., Yevsyukova, F., Naboka, O., & Ruzmetov, A. (2022). Improving the
Productivity of Information Technology for Processing Indirect Measurement Data. International Conference on
Reliable Systems Engineering (ICoRSE), 534 (pp. 80–94). https://doi.org/10.1007/978-3-031-15944-2_8
13. Marchenko, N.B., & Shcherbak, T.L. (2019). Multi-level systems for condition monitoring and diagnostics of
complex technical objects. Modeling and Information Technologies: coll. of science works. Kyiv: G.E. Pukhov
Institute for Modelling in Energy Engineering of NAS of Ukraine, 87, 77–84 [in Ukrainian].
http://doi.org/10.5281/zenodo.3612248
14. Gangsar, P., & Tiwari, R. (2020). Signal based condition monitoring techniques for fault detection and diagnosis of
induction motors: Astate-of-the-art review. Mechanical Systems and Signal Processing, 144, 106908.
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106908
15. Bakhri, S., & Ertugrul, N. (2022). A Negative Sequence Current Phasor Compensation Technique for the Accurate
Detection of StatorShorted Turn Faults in Induction Motors. Energies, 15(9), 3100.
https://doi.org/10.3390/en15093100
16. Molnár, D., Blatnický, M., & Dižo, J. (2021). Design of the Power of an Electric Lifting Motor for a Single Girder
Bridge Crane with a 500 Kg Load Capacity. Transport Technic and Technology, 17(2), 23—29.
https://doi.org/10.2478/ttt-2021-0010
17. Bobojanov, M.K., Rismukhamedov, D.A., Tuychiev, F.N., & Shamsutdinov, Kh. F. (2023). Development of new
pole-changing winding for lifting and transport mechanisms. E3S Web of Conferences, 365.
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202336504024
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2019-37-1-109-115
https://doi:10.1007/978-3-030-70783-5
https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2885719
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.02.016
https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.112
http://nbuv.gov.ua/UJRN/ecfipr_2016_9_3
https://doi.org/10.1016/j.epsr.2015.12.017
https://doi.org/10.3390/en15217855
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106908
https://doi.org/10.3390/en15093100
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202336504024
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 4(80) 109
18. Zagirnyak, M., Mamchur, D., & Kalinov, A. (2014, September 21–24). A comparison of informative value of motor
current and power spectra for the tasks of induction motor diagnostics. 16th International Power Electronics and
Motion Control Conference and Exposition, PEMC 2014 (pp. 540−545).
19. Sumislawska, M., Gyftakis, K. N., Kavanagh, D. F., McCulloch, M. D., Burnham, K. J., & Howey, D. A. (2016).
The Impact of Thermal Degradation on Properties of Electrical Machine Winding Insulation Material. IEEE
Transactions on Industry Applications, 52(4), 2951–2960. https://doi.org/10.1109/TIA.2016.2544745
20. Haniszewski, T. (2017). Modeling the dynamics of cargo lifting process by overhead crane for dynamic overload
factor estimation. Journal of Vibroengineering, 19(1), 75–86. https://doi.org/10.21595/jve.2016.17310
21. DSTU EN 60204-32:2018 Machine safety. Electrical equipment of machines. Part 32. Requirements for lifting
machines (EN 60204-32:2008, IDT; IEC 60204-32:2008, IDT).
22. Stadniy, O.Yu., Vasyura, A.S., & Doroshchenkov, G.D. (2019). Emergency situations in the operation of
asynchronous motors, measures and means of their prevention, Optoelectronic information-power technologies,
37(1), 109–115 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.31649/1681-7893-2019-37-1-109-115
23. Fedorov, M.M., & Tkachenko, A.A. (2006). Operation modes of induction motors with faults in the stator winding.
- Explosion-proof electrical equipment. Collection of works (рр. 320–324). UkrNDIVE.
24. Babak, V.P., Babak, S.V., Eremenko, V.S., Kuts, Y.V., Myslovych, M.V., Scherbak, L.M., & Zaporozhets, A. (2021).
Models and Measures in Measurements and Monitoring. Studies in Systems, Decision and Control, 360 (p. 227–
266). Springer International Publishing. https://doi:10.1007/978-3-030-70783-5
25. Zhong, M., Kuts, Y., Kochan, O., Lysenko, Iu., Levchenko, O., & Vlakh-Vyhrynovska, H. (2022). Using signal phase
in computerized systems of non-destructive testing. Measurement Science Review, 22(1), 32–43.
https://doi.org/10.2478/msr-2022-0004
PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR
WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS
Olexander Yenikieiev1, Dr. Sci. (Engin.), https://orcid.org/0000-0001-8633-3233
Yurii Kuts2,3, Dr. Sci. (Engin.), Professor, https://orcid.org/0000-0002-8493-9474
Andrii Tkachenko1*, PhD (Engin.), https://orcid.org/0009-0005-0752-0900
Leonid Sherbak3, Dr. Sci. (Engin.), Professor, https://orcid.org/0000-0002-1536-4806
1European University, 16-b, Academician Vernadsky Blv., Kyiv, 03115, Ukraine;
2National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 37,
Beresteiskyi Prosp., Kyiv, 03056, Ukraine;
3General Energy Institute of NAS of Ukraine, 172, Antonovycha St., Kyiv, 03150, Ukraine
*Corresponding author: tkachenko.aat@gmail.com
Abstract. The paper considers the specific features of the technical operation of asynchronous motors in
hoisting machines and typical damages to stator windings. It is established that one promising approach to
motor protection is the use of computer monitoring systems. These systems' algorithmic and application
software includes measuring and controlling stator winding currents. A method for calculating the
operating modes of asynchronous motors with a break in one of the parallel branches of the stator phase
winding is developed. Based on the derived equations, a computer simulation scheme was compiled using
the graph method in the MatLab software environment with the Simulink extension to calculate the
symmetric and asymmetric operating modes of an asynchronous motor, considering the current distribution
in the parallel branches of the phase windings, and the results of theoretical studies are experimentally
confirmed. As a result, graphs are provided to show the relationship between the steady-state temperatures
of the stator windings' frontal sections and the values of the phase currents. It is shown that current overload
of the operating branch of the damaged phase winding can occur even at the nominal linear current. At the
same time, in the operating parallel branch of the phase winding with a break, there is a significant thermal
overload, which leads to rapid degradation of the winding insulation materials and the development of a
malfunction to a more serious one. A characteristic feature of the operating mode of an asynchronous motor
with a break in the parallel branch of the stator phase winding is that at a reduced load, the motor can
operate for an extended period without overheating. It is demonstrated that the nature of the asymmetry of
linear currents by phase can be used as a diagnostic indicator.
Keywords: asynchronous motor, lifting machine, stator winding, break of parallel branch, protection,
current overload, diagnostics.
Надійшла до редколегії: 03.06.2024
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2019-37-1-109-115
https://doi:10.1007/978-3-030-70783-5
|
| id | systemreorg-article-874 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:23:15Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/c8/425be76b57f86b7f3b8fc509de4ef9c8.pdf |
| spelling | systemreorg-article-8742026-07-18T12:57:49Z PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS Фазовий метод виявлення обривів в статорних обмотках асинхронних двигунів Yenikieiev, Olexander Kuts, Yurii Tkachenko, Andrii Sherbak, Leonid asynchronous motor, lifting machine, stator winding, break of parallel branch, protection, current overload, diagnostics. моніторинг, діагностичні ознаки, комп’ютерна система, математичне моделювання, обрив гілки, програмне середовище MatLab із розширенням Simulink, комп’ютерне моделювання. The paper considers the specific features of the technical operation of asynchronous motors in hoisting machines and typical damages to stator windings. It is established that one promising approach to motor protection is the use of computer monitoring systems. These systems' algorithmic and application software includes measuring and controlling stator winding currents. A method for calculating the operating modes of asynchronous motors with a break in one of the parallel branches of the stator phase winding is developed. Based on the derived equations, a computer simulation scheme was compiled using the graph method in the MatLab software environment with the Simulink extension to calculate the symmetric and asymmetric operating modes of an asynchronous motor, considering the current distribution in the parallel branches of the phase windings, and the results of theoretical studies are experimentally confirmed. As a result, graphs are provided to show the relationship between the steady-state temperatures of the stator windings' frontal sections and the values of the phase currents. It is shown that current overload of the operating branch of the damaged phase winding can occur even at the nominal linear current. At the same time, in the operating parallel branch of the phase winding with a break, there is a significant thermal overload, which leads to rapid degradation of the winding insulation materials and the development of a malfunction to a more serious one. A characteristic feature of the operating mode of an asynchronous motor with a break in the parallel branch of the stator phase winding is that at a reduced load, the motor can operate for an extended period without overheating. It is demonstrated that the nature of the asymmetry of linear currents by phase can be used as a diagnostic indicator. Розглянуто особливості технічної експлуатації асинхронних двигунів вантажопідйомних машин та типові пошкодження обмоток статора. Встановлено, що одним із перспективних шляхів вирішення завдань захисту двигунів є використання комп’ютерних систем моніторингу. Алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення цих систем включає операції вимірювань та контролю струмів статорних обмоток. Запропоновано метод моніторингу та діагностування асинхронних трифазних двигунів за кутами зсуву фаз лінійних струмів. Розроблено методику розрахунку режимів роботи асинхронних двигунів при обриві однієї з паралельних гілок фазної обмотки статора. На підставі отриманих рівнянь за допомогою методу графів складено схему комп’ютерного моделювання у програмному середовищі MatLab із розширенням Simulink для розрахунку симетричних та несиметричних режимів роботи асинхронного двигуна з урахуванням розподілу струмів у паралельних гілках фазних обмоток. Результати теоретичних досліджень підтверджено експериментально. Наведено графіки залежностей величин сталих температур лобових частин статорних обмоток від величин фазних струмів. Показано, що струмове перевантаження працюючої гілки пошкодженої фазної обмотки може мати місце навіть при номінальному лінійному струмі. Водночас в працюючій паралельній гілці фазної обмотки з обривом має місце суттєве теплове перевантаження, яке призводить до швидкої деградації ізоляційних матеріалів обмотки та розвинення несправності до більш серйозної. Характерною особливістю режиму роботи асинхронного двигуна при обриві паралельної гілки фазної обмотки статора є те, що при зниженому навантаженні двигун може тривалий час працювати без перегріву. Показано, що в якості діагностичного показника доцільно використовувати характер асиметрії лінійних струмів за фазою. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2024-11-28 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/874 10.15407/srenergy2024.04.098 System Research in Energy; No. 4 (80) (2024): System Research in Energy; 98-109 Системні дослідження в енергетиці; № 4 (80) (2024): Системні дослідження в енергетиці; 98-109 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/874/782 Copyright (c) 2024 Olexander Yenikieiev, Yurii Kuts, Andrii Tkachenko, Leonid Sherbak https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | asynchronous motor lifting machine stator winding break of parallel branch protection current overload diagnostics. Yenikieiev, Olexander Kuts, Yurii Tkachenko, Andrii Sherbak, Leonid PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS |
| title | PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS |
| title_alt | Фазовий метод виявлення обривів в статорних обмотках асинхронних двигунів |
| title_full | PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS |
| title_fullStr | PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS |
| title_full_unstemmed | PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS |
| title_short | PHASE METHOD OF DETECTING BREAKS IN STATOR WINDINGS OF ASYNCHRONOUS MOTORS |
| title_sort | phase method of detecting breaks in stator windings of asynchronous motors |
| topic | asynchronous motor lifting machine stator winding break of parallel branch protection current overload diagnostics. |
| topic_facet | asynchronous motor lifting machine stator winding break of parallel branch protection current overload diagnostics. моніторинг діагностичні ознаки комп’ютерна система математичне моделювання обрив гілки програмне середовище MatLab із розширенням Simulink комп’ютерне моделювання. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/874 |
| work_keys_str_mv | AT yenikieievolexander phasemethodofdetectingbreaksinstatorwindingsofasynchronousmotors AT kutsyurii phasemethodofdetectingbreaksinstatorwindingsofasynchronousmotors AT tkachenkoandrii phasemethodofdetectingbreaksinstatorwindingsofasynchronousmotors AT sherbakleonid phasemethodofdetectingbreaksinstatorwindingsofasynchronousmotors AT yenikieievolexander fazovijmetodviâvlennâobrivívvstatornihobmotkahasinhronnihdvigunív AT kutsyurii fazovijmetodviâvlennâobrivívvstatornihobmotkahasinhronnihdvigunív AT tkachenkoandrii fazovijmetodviâvlennâobrivívvstatornihobmotkahasinhronnihdvigunív AT sherbakleonid fazovijmetodviâvlennâobrivívvstatornihobmotkahasinhronnihdvigunív |