Развитие теории и разработка методов оценки теплового состояния электродвигателей при проектировании и эксплуатации асинхронных электроприводов : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук : 05.09.01 : 05.09.03

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Асин- хронные двигатели (АД) − самый распространенный тип электродвигателей. По экс- пертным оценкам в Российской Федерации число таких двигателей составляет 230…270 млн единиц [1]. В том числе, по данным ООО «Новатек-Электро», исполь- зуется не менее 50 млн. трехфазных АД напряжением 0,4 кВ. Ежегодный выход этих двигателей из строя составляет от 10…12 [2] до 20…25% [3, 4, 5, 6]. В некоторых от- раслях усредненный ресурс электродвигателей переменного тока намного меньше нормативного, так, в сельском хозяйстве он меньше в 2,5…3,5 раза [7].
Значительная доля выходов АД из строя связана с повреждением обмоток ста- тора [8, 9]. В различных источниках приводятся разные цифры, характеризующие эту долю, доходящие до 68% для крановых приводов [10] и даже до 80% для элек- троприводов в сельскохозяйственной отрасли [11]. Отмечается, что большую роль в статистике отказов АД играют эксплуатационные причины, приводящие к перегреву обмоток [12]. Это связано с тем, что надежность и долговечность изоляции статор- ной обмотки зависит от теплового режима, что приводит к выводу о важности пра- вильной оценки теплового состояния обмотки статора АД как в ходе эксплуатации, так и на этапе проектирования электропривода (ЭП), чтобы исключить в дальней- шем такие режимы эксплуатации, которые ведут к ускорению расхода ресурса изо- ляции обмоток и преждевременному выходу двигателя из строя. Следует отметить и другую сторону задачи правильного выбора двигателей при проектировании ЭП, в существенной степени определяющую его ресурсоэффективность. На большинстве работающих промышленных установок мощность электродвигателей завышена на 20…40%, что говорит о существовании резерва для сокращения затрат на создание ЭП и снижения потребления электроэнергии в ходе эксплуатации за счет более ра- ционального выбора установленной мощности двигателей [13].
Таким образом, важной проблемой, тесно связанной с вопросами ресурсоэф- фективности ЭП, является проблема оценки теплового состояния АД (как на стадии проектирования ЭП, так и на стадии его эксплуатации) с точки зрения обеспечения отработки им нормативного срока службы. Здесь необходимо особо подчеркнуть
9
тесную связь теплового состояния электродвигателя с режимами работы. Другие факторы, влияющие на надежность, в основном зависят либо от условий внешней среды (влажность, агрессивная среда, запыленность и т.д.), либо предопределены
конструктивно (влияние ШИМ, несимметрии напряжения сети и т.д.).
Рисунок В.1 иллюстрирует целый спектр взаимосвязанных вопросов, необхо- димость решения которых вытекает из проблемы правильной оценки теплового со- стояния двигателя на этапах конструирования ЭП и его эксплуатации. Так, возника- ет потребность в тепловых моделях электродвигателей, ориентированных на задачи электропривода. Для ЭП необходимы модели, описывающие не установившееся со- стояние, а процессы нагрева и охлаждения − термодинамические модели (ТДМ). Для ТДМ в задачах электропривода характерен широкий диапазон изменения темпера- туры греющихся элементов, что вызывает, в ряде случаев, необходимость учета температурной зависимости параметров модели и изучение влияния этого фактора на ее свойства. Вопрос о влиянии температурной зависимости параметров на свой- ства ТДМ в литературе практически не рассматривался. Отсюда возникает необ- ходимость построения обобщенного описания ТДМ электродвигателя и исследова- ния ее свойств. Вместе с тем, в задачах электропривода возникает необходимость также и в достаточно простых ТДМ, определение параметров которых можно было бы провести при ограниченном объеме информации о машине. Способы расчета параметров даже весьма простой двухмассовой ТДМ АД в условиях ограниченной информации о машине практически отсутствуют. Важными представляются так- же и аспекты, связанные с использованием ТДМ для построения систем тепловой
защиты.
Для решения вопросов о допустимости пусковых режимов электропривода,
представляет интерес оценка теплового состояния АД в этих режимах, а также во- просы, связанные с рациональностью компоновки энергетического канала электро- привода с этой точки зрения.

10
Оценка допустимости режимов работы двигателя на этапах конструирования элек- тропривода и его эксплуатации
Системы теп- ловой защиты на основе ТДМ
Оценка теплового со- стояния двигателя на этапе эксплуатации электропривода
Необходимость тепло- вых моделей электро- двигателей, ориентиро- ванных на задачи элек- тропривода
Оценка теплового со- стояния двигателя на этапе проектирования электропривода
Необходимость оценки теплового состояния двигателя на основе «ресурсного» подхода
Необходимость оценки теплового состояния обмоток ротора и статора АД при пуске
Необходимость способов расчета параметров про- стых ТДМ
Необходимость динамических моделей
Необходимость простых моделей
Необходимость учета температурной зави- симости параметров ТДМ
Построение обоб- щенного описания ТДМ и исследова- ния его свойств
Необходимость экспериментальной диагно- стики состояния изоляции обмоток (экспери- ментальные методы отслеживания изменения остаточного ресурса)
Рисунок В.1 – Взаимосвязь вопросов, вытекающих из необходимости оценки допустимости режимов работы двигателя на этапах конструирования электропривода и его эксплуатации
При оценке теплового состояния электродвигателя необходимо учитывать, что для изоляции его обмоток деструктивным фактором является не температура сама

11
по себе, а процессы в изоляции, которые от нее зависят. Поэтому актуальной про- блемой является разработка методов оценки теплового состояния машины с учетом влияния этих процессов на термический ресурс изоляции. Такие методы позволили бы получить более обоснованную оценку теплового состояния двигателя, а значит, обеспечить более высокую эффективность, чем прямые методы на основе усредне- ния температуры обмотки или классические косвенные методы средних потерь и эк- вивалентных величин. Вопросами, связанными с влиянием температуры на процес- сы в изоляции обмоток в течение длительного времени занимались такие известные ученые, как Brancato E.L., Bussing W., Dakin T.W., Habetler T.G., Kaufhold M., Montanari G.C., Stone G.C. и многие другие. Тем не менее, в настоящее время от- сутствуют способы учета нелинейного характера связи скорости термического старения изоляции с температурой при использовании классических методов для
оценки теплового состояния электродвигателя.
Важным вопросом является проблема экспериментальной диагностики со-
стояния изоляции обмоток, возможность осуществлять мониторинг изменения оста- точного ресурса изоляции обмотки для принятия своевременных решений по даль- нейшей эксплуатации машины или планирования ее обслуживания. Проблемой ди- агностики электрических машин и в целом электропривода занимались многие из- вестные ученые, среди которых Бешта А.С., Гольдберг О.Д., Козярук А.Е., Котеле- нец Н.Ф., Лукьянов С.И., Мозгалевский А.В., Муравлев О.П., Новожилов А.Н., Оси- пов О.И., Петухов В.С., Сарваров А.С., Сташко В.И., Стрельбицкий Э.К., Таран В.П., Усынин Ю.С., Хомутов О.И., Хомутов С.О., Antonino-Daviu J., Bellini A., Bonnett A.H., Cardoso A.J.M., Dоrrell D.G., Filippetti F., Habetler T.G., Nussbaumer P., Thomson W.Т., Toliyat H.A. и др. Однако, задачи разработки простых в реализации способов диагностики в настоящее время остаются актуальными.
Поскольку реальные условия функционирования ЭП могут быть самые раз- личные, а косвенные методы оценки теплового состояния (метод средних потерь и методы эквивалентных величин) не всегда дают адекватный результат [14], актуаль- ны и прямые способы оценки на основе вычисления температуры с использованием математического моделирования. Эти методы приобретают особую актуальность с

12
учетом того, что и функционирование механической части ЭП может отличаться своими особенностями, которые часто затруднительно учесть аналитически и это также требует использования математических моделей [15–19]. Таким образом, в на- стоящее время актуальной задачей является построение и использование для оценки режимов работы ЭП комплексных моделей, включающих в себя как электродвига-
тель (с его ТДМ), так и преобразователь и механическую часть привода [20–22]. Целью диссертационной работы является разработка методов и технических решений для эффективной оценки теплового состояния асинхронных двигателей на этапах проектирования и эксплуатации электропривода, направленных на повыше- ние их надежности и долговечности, а также научно обоснованных решений для по- вышения ресурсоэффективности асинхронных электроприводов за счет рациональ-
ного выбора их параметров на стадии проектирования.
Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены сле-
дующие задачи:
1. Получение обобщенного описания ТДМ АД для произвольного количества
узлов и охлаждающих сред и его исследование с учетом специфики использования в задачах электропривода, в том числе с учетом влияния на свойства ТДМ темпера- турной зависимости параметров при широком диапазоне изменения температуры элементов модели.
2. Обоснование рационального уровня детализации, а также структуры ТДМ АД для задач электропривода, связанных с оценкой теплового состояния двигателя на этапах проектирования электропривода и его функционирования.
3. Анализ математического описания взаимосвязей параметров двухмассовой ТДМ АД с учетом особенностей двигателей закрытого и защищенного исполнения, разработка методики расчета параметров модели. Оценка возможности использова- ния экспериментальных данных при расчете параметров ТДМ АД и разработка ме- тодики их применения.
4. Разработка методики оценки теплового состояния АД на основе учета рас- хода термического ресурса изоляции для различных режимов работы электроприво- да на этапе его проектирования.

13
5. Разработка предложений по технической реализации решения проблемы
мониторинга теплового состояния АД в ходе эксплуатации на основе построения различных вариантов систем защиты двигателя как с использованием ТДМ, так и с использованием средств измерения температуры.
6. Разработка предложений по технической реализации решения проблемы мониторинга расхода термического ресурса изоляции обмотки статора АД в ходе эксплуатации.
7. Разработка методики оценки теплового состояния АД в пусковых режимах и анализ на ее основе вопросов рационального согласования параметров электроме- ханического комплекса с учетом особенностей системы электропривода, разработка программных средства для оценки теплового состояния АД в пусковых режимах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получено и исследовано обобщенное описание ТДМ АД с учетом специфи- ки использования в задачах электропривода, отличающееся тем, что учитывает про- извольное количество узлов и охлаждающих сред, а также обоснованы рациональ- ный уровень сложности (подробности) и структура ТДМ АД для задач электропри- вода.
2. Выполнен анализ математического описания взаимосвязей параметров двухмассовой ТДМ АД, получены аналитические соотношения для расчета пара- метров этой модели, отличающиеся тем, что для их использования требуется мини- мальный объем исходных данных, а также выполнен анализ возможностей и разра- ботана методика использования экспериментальных данных при расчете параметров двухмассовой ТДМ АД.
3. Разработана методика оценки теплового состояния АД на этапе проектиро- вания электропривода и в ходе его эксплуатации на основе вычисления расхода тер- мического ресурса изоляции обмотки, отличающаяся тем, что позволяет учесть не- линейный характер зависимости между скоростью термического старения изоляции обмотки и ее температурой, что повышает ее эффективность.
4. Предложен принцип построения систем тепловой защиты АД на основе ТДМ с разделением быстрого и медленного каналов модели, отличающийся тем, что

14
позволяет упростить решение проблемы определения начальных условий для ТДМ
при возобновлении работы после отключения привода.
5. Предложен принцип построения системы мониторинга теплового состояния
АД на основе усреднения скорости старения изоляции, отличающийся тем, что он обеспечивает более высокую эффективность оценки теплового состояния АД, чем системы, построенные на основе усреднения температуры, позволяя более адекватно учесть влияние колебаний температуры на скорость термического старения изоля- ции.
6. Предложен подход к мониторингу и прогнозированию состояния изоляции обмотки статора АД в ходе эксплуатации электропривода на основе использования информации об эффективном значении емкостных токов утечки, отличающийся тем, что позволяет экспериментальным путем получить данные, необходимые для оценки остаточного ресурса изоляции обмотки.
7. Получены аналитические выражения для оценки теплового состояния АД в пусковых режимах, отличающиеся тем, что они требуют сравнительно небольшого объема исходных данных и позволяют выполнить согласование параметров элек- тромеханического комплекса с учетом особенностей системы электропривода.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Предложенные варианты ТДМ АД обеспечивают более простое параметри- рование в условиях недостатка данных, а также упрощение решения проблемы на- чальных условий при определенной форме представления модели, что позволяет уп- ростить и расширить использование ТДМ для построения систем защиты и монито- ринга теплового состояния АД.
2. Предложенный подход к эквивалентированию тепловых режимов по расхо- ду термического ресурса изоляции дает возможность более адекватно оценивать те- пловые режимы АД. Это, с одной стороны, позволяет избежать при проектировании электропривода неоправданного завышения мощности двигателя, обеспечивая тем самым повышение ресурсоэффективности электропривода, а с другой стороны, по- зволяет избежать выбора такого варианта, при котором происходило бы чрезмерно

15
быстрое исчерпание термического ресурса изоляции обмоток, обеспечивая тем са-
мым повышение надежности.
3. Предложенные варианты систем защиты и мониторинга теплового состоя-
ния электродвигателя дают возможность обеспечить более надежный контроль теп- лового состояния в ходе эксплуатации электропривода, позволяя снизить вероят- ность преждевременного выхода его из строя.
4. Предложенный подход к мониторингу и прогнозированию состояния изоля- ции обмотки электродвигателя на основе использования информации о емкостных токах утечки дает возможность осуществлять прогнозирование вероятного срока службы изоляции обмотки, что полезно как при организации обслуживания элек- тропривода по состоянию, так и при реализации концепции проактивного диагно- стирования и обслуживания.
5. Предложенные методы оценки теплового состояния обмоток АД в пусковых режимах позволяют при проектировании электроприводов избежать таких вариан- тов компоновки электромеханических узлов электропривода, которые ведут к пере- греву обмоток с сокращением сроков службы машины или к вынужденному сокра- щению межремонтных интервалов с соответствующим увеличением затрат. Полу- ченные результаты также позволяют выявить возможности снижения термических перегрузок обмоток электродвигателя в ходе эксплуатации за счет управления пус- ковыми режимами.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе нашли применение положения теории электропривода, теории электрических машин, тео- рии дифференциальных и интегральных уравнений, матричной алгебры, численные методы: методы численного интегрирования и дифференцирования, численные ме- тоды решения задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравне- ний, численные методы аппроксимации экспериментальных данных, метод наи- меньших квадратов, генетические алгоритмы, теория вероятностей и математиче- ской статистики, методы математического моделирования с привлечением совре- менных компьютерных программных продуктов.

16
Основные положения, выносимые на защиту:
1.Обобщенное математическое описание термодинамической модели элек- трической машины для произвольного количества узлов и охлаждающих сред и ре- зультаты его анализа.
2.Математическое описание взаимосвязей параметров двухмассовой ТДМ АД, позволяющее аналитическим путем или численными методами определить зна- чения этих параметров при различном составе исходных данных о двигателе.
3. Подход к эквивалентированию тепловых режимов и оценке теплового со- стояния электродвигателя, основанный на вычислении расхода термического ресур- са изоляции и методика использования прямой оценки теплового состояния АД на основе вычисления расхода термического ресурса.
4. Методика применения косвенной оценки теплового состояния АД на этапе конструирования электропривода при использовании классических методов средних потерь и эквивалентных величин с учетом влияния колебаний температуры обмотки на термический ресурс изоляции.
5. Форма представления двухмассовой ТДМ АД (двухканальная ТДМ АД), требующая минимального объема информации для ее параметрирования, предна- значенная для использования в системах тепловой защиты двигателя и алгоритмы работы системы тепловой защиты на основе такой ТДМ, позволяющие упростить решение проблемы определения начальных условий при возобновлении ее работы после отключения привода.
6. Система мониторинга теплового состояния АД на основе усреднения скоро- сти старения изоляции с помощью скользящего окна и алгоритмы работы такой сис- темы при использовании ТДМ и при использовании средств измерения температуры обмотки.
7. Система мониторинга теплового состояния АД на основе вычисления оста- точного термического ресурса изоляции и алгоритмы работы такой системы как при использованием ТДМ, так и при использовании средств измерения температуры об- мотки.

17
8. Подход к мониторингу и прогнозированию состояния изоляции обмотки
электродвигателя на основе использования информации об эффективном значении емкостных токов утечки и алгоритм работы системы, реализующей этот подход, на основе идентификации параметров моделирующей кривой.
9. Аналитические соотношения, позволяющие оценить подъем температуры обмоток ротора и статора АД к концу пуска электропривода, а также решения, по- зволяющие снизить нагрев обмоток в пусковых режимах.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций опре- деляется корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, строгими математическими доказательствами, использованием апробированных ма- тематических и численных методов, а также соответствием результатов расчетов, моделирования и натурного эксперимента. Полученные результаты подтверждаются представительным обсуждением на научных конференциях международного и от- раслевого уровней.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках пла- новых госбюджетных научно-исследовательских работ: тема No 1803 «Разработка и исследование современных систем электропривода переменного тока с микропро- цессорным управлением, оптимизированных по энергетическим показателям» и те- ма No 1843 «Разработка научных основ создания энергоэффективных электромеха- нических устройств и систем переменного тока с микропроцессорным управлением и программных средств для их исследования», а также в рамках договора No П975.210.008/16, ЗАО «РОБИТЕКС» по теме: «Разработка микропроцессорной сис- темы управления частотно-регулируемого электропривода» (п. 3.4. Разработка алго- ритмов защиты двигателя от перегрева по току статора).
Результаты диссертационной работы использованы в производственной и научно-исследовательской деятельности ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (г. Екатеринбург), ЗАО «РОБИТЕКС» (г. Качканар, Свердловской обл.) при разработке электроприводов различного назначения, а также нашли применение в учебном процессе и отражены в учебных программах профили-

18
рующих дисциплин в ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России
Б.Н. Ельцина».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доклады-
вались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:
1. Международные научно-технические конференции «Электроприводы пере-
менного тока» ЭППТ-2012, ЭППТ-2015, ЭППТ-2018 (Екатеринбург, 2012, 2015, 2018 гг.).
2. VI-IX Международные (XVII-XX Всероссийские) конференции по автома- тизированному электроприводу (Тула, 2010; Иваново, 2012; Саранск, 2014; Пермь, 2016).
3. Международная научно-техническая конференция «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 2010).
4. Международная научно-практическая конференция в рамках выставки «Энергетика и электротехника – 2010» (Екатеринбург, 2010).
5.Международная научно-практическая конференция «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010).
6.IV Международная научно-техническая конференция «Электромеханиче- ские и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромехани- ческие системы» (Екатеринбург, 2011).
7. Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспекти- вы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения, Иваново, 2011).
8. V Юбилейная международная научно-техническая конференция, посвящен- ная памяти Г.А. Сипайлова (Томск, 2011).
9. VI-IX Всероссийские (с международным участием) научно-технические ин- тернет-конференции «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (Пермь, 2012–2015 гг.).
10. VI Международная научно-техническая конференция «Электромеханиче- ские преобразователи энергии» (Томск, 2013).
11. Международная научно-практическая конференция «Инновационное раз- витие современной науки» (Уфа, 2014).

19
12. Международная конференция «2016 International Symposium on Power Elec-
tronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM)» (Anacapri, Italy, 2016). 13. Международная конференция «2016 IEEE International Power Electronics
and Motion Control Conference (PEMC)» (Varna, Bulgaria, 2016).
14. Международные конференции «International Conference on Industrial Engi-
neering, Applications and Manufacturing (ICIEAM)» (Челябинск, 2016; Санкт- Петербург, 2017).
Личный вклад автора. В диссертационной работе обобщены результаты, по- лученные лично автором или в соавторстве. Автор принимал непосредственное уча- стие в постановке цели и задач исследования, в выборе методов исследования, раз- работке математических моделей, проведении экспериментальных и теоретических исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 69 на- учных трудах, среди которых: 20 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ [14–16, 18, 23–38], 11 публикаций, индексируемых в реферативной базе Scopus [39–49], 3 патента РФ на полезные модели [50–52], 7 свидетельств о государствен- ной регистрации программ для ЭВМ [17, 19, 53–57], 28 прочих публикаций [58–85]. В публикациях, выполненных в соавторстве, личный авторский вклад составляет не менее 50-75%.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из вве- дения, шести глав, заключения, списка используемой литературы из 329 наимено- ваний. Объем диссертации составляет 437 страниц, включая 198 рисунков, 26 таблиц и приложения на 23 страницах.