Математична модель асинхронного електродвигуна для методів функціональної діагностики за умов несиметрії напруги мережі живлення

Автор(и)

  • В. Є. Кривоносов Національний університет біоресурсів і природокористування України image/svg+xml
  • С. А. Прокопенко Національний університет біоресурсів і природокористування України image/svg+xml

DOI:

https://doi.org/10.31548/energiya4(86).2026.079

Ключові слова:

асинхронний двигун, несиметрія напруг мережі живлення, коефіцієнт несиметрії напруг, симетричні складові, зворотна послідовність, схема заміщення, статорна обмотка, виткове замикання, функціональна діагностика, фазні струми

Анотація

Асинхронний електродвигун є найпоширенішим приладом перетворення електричної енергії в механічну завдяки простоті конструкції. Сучасні автоматизовані технології, як в промислових, так і в агропромислових комплексах, не можуть бути ефективними без використання асинхронного двигуна (АД). АД як в регульованому, так і в нерегульованому електропроводах споживають від 60% до 80% електроенергії від загального обсягу електроспоживання електротехнічного комплексу. Щорічно аварійний вихід з експлуатації АД становить до 20-25%, а в деяких випадках до 30% [1]. До 80% аварійного виходу АД з ладу припадає на пошкодження ізоляції як корпусної до 20-25%, так і міжвиткової, на долю якої випадає до 80%. В таким чином оцінка технічного стану АД являє особливо важливим завданням для підвищення безаварійної роботи електротехнічного комплексу. Своєчасна діагностика стану АД дозволяє знизити витрати на ремонти і втрати робочого часу обслуговуючого персоналу, пов’язані з неплановими ремонтами та зупинками технологічних процесів. Найбільш перспективним напрямом виявлення несправностей в АД є функціональна діагностика, яка базується на аналізі фазних струмів. Мета дослідження – дослідження впливу несиметрії напруг мережі живлення на зміну значень фазних струмів АД, отримати аналітичний вираз фазного струму АД як функції коефіцієнта несиметрії напруг . В статті доведено, що для статорної обмотки АД, з'єднаної за схемою «зірка з ізольованою нейтраллю», вплив несиметрії живлення передається виключно через складову зворотної послідовності. Важливим є аналітичний вираз для розрахунку фазного струму АД як функції коефіцієнта несиметрії напруг , що враховує різне ковзання ротора відносно полів прямої (s) та зворотної (2 − s) послідовностей і, відповідно, суттєво різні значення опорів Z1 та Z2 схеми заміщення; опір зворотної послідовності Z2 для АД малої й середньої потужності у 5–8 разів менший за опір прямої послідовності Z1, унаслідок чого струм зворотної послідовності зростає непропорційно швидко відносно частки несиметрії напруги — цей ефект є фізичною причиною підвищеного нагрівання машини навіть за нормативно допустимих значень ; числовий приклад для АД 4А80А2У3 показав, що вже при  = 2 % (нормативна межа за ДСТУ EN 50160) струм найбільш навантаженої фази зростає на 11,9 %, а при = 4 % (гранична межа за ГОСТ 13109-97) — на 23,9 %, що за порядком величини перевищує типову зміну струму на початковій стадії міжвиткового замикання; отриманий результат обґрунтовує необхідність обов'язкового врахування поточного значення коефіцієнта несиметрії напруг мережі в розрахунковій (модельній) частині функціональних методів діагностики міжвиткових замикань статорних обмоток АД за модулями фазних струмів, в методу виявлення початкового моменту виникнення виткового замикання

Отримано: 12.06.2026.  Доопрацьовано: 08.08.2026. Прийнято: 20.08.2026

Посилання

1. Andriienko, V. M., & Kuievda, V. P. (2010). Electrical machines: A textbook (pp. 304–325). NUKhT.

2. Cruz, S. M. A., & Cardoso, A. J. M. (2001). Stator winding fault diagnosis in three-phase synchronous and asynchronous motors, by the extended Park's vector approach. IEEE Transactions on Industry Applications, 37(5), 1227–1233. https://doi.org/10.1109/28.952496

3. DSTU EN 50160:2014. (2014). Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks. State Committee of Ukraine for Technical Regulation and Consumer Policy.

4. Fortescue, C. L. (1918). Method of symmetrical co-ordinates applied to the solution of polyphase networks. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 37(2), 1027–1140.

5. Górny, K., Kuwałek, P., & Pietrowski, W. (2021). Increasing electric vehicles reliability by non-invasive diagnosis of motor winding faults. Energies, 14(9), Article 2510. https://doi.org/10.3390/en14092510

6. Henao, H., Capolino, G. A., Fernandez-Cabanas, M., Filippetti, F., Bruzzese, C., Strangas, E., Pusca, R., Estima, J., Riera-Guasp, M., & Hedayati-Kia, S. (2014). Trends in fault diagnosis for electrical machines: A review of diagnostic techniques. IEEE Industrial Electronics Magazine, 8(2), 31–42. https://doi.org/10.1109/MIE.2013.2287651

7. Hubarevych, O. V., Hulak, S. O., & Poliakov, A. P. (2020). Diagnostics of induction motor stator windings using modeling based on the Park vector hodograph. Bulletin of Vinnytsia Polytechnic Institute, 3(150), 29–36. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2020-150-3-29-36

8. Kaplun, V. V., Kryvonosov, V. Ye., Prokopenko, S. O., et al. (2025). Functional diagnostics of inter-turn short circuits in motor windings under conditions of asymmetry of their resistances and supply voltage. In Modern technologies in energy and transport II (pp. 49–64). https://doi.org/10.1007/978-3-031-76650-3_4

9. Korniushyn, V. I., Boiko, V. M., & Tkach, V. V. (2021). Faults and repair of induction motors. NTU “KhPI” Publishing House.

10. Kryvonosov, V. Ye., Hryb, O. H., Vasylenko, S. V., & Kryvonosov, V. V. (2021). Method for diagnosing the initial moment of an inter-turn short circuit in motor stator windings (Ukraine Patent No. 124403). Ukrainian Institute of Intellectual Property.

11. Nandi, S., Toliyat, H. A., & Li, X. (2005). Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors—A review. IEEE Transactions on Energy Conversion, 20(4), 719–729. https://doi.org/10.1109/TEC.2005.847955

12. Penman, J., Sedding, H. G., Lloyd, B. A., & Fink, W. T. (1994). Detection and location of interturn short circuits in the stator windings of operating motors. IEEE Transactions on Energy Conversion, 9(4), 652–658. https://doi.org/10.1109/60.368345

13. Sakhoshko, T. H., & Pliuhin, V. Ye. (2025). Diagnostics of the technical condition of electric motors using digital twins. In Ye. I. Sokol (Ed.), H. V. Lisachuk (Comp.), Information technologies: Science, engineering, technology, education, health: Proceedings of the 33rd International Scientific and Practical Conference MicroCAD-2025, May 14–17, 2025 (p. 108). NTU “KhPI”.

14. Tallam, R. M., Habetler, T. G., & Harley, R. G. (2002). Transient model for induction machines with stator winding turn faults. IEEE Transactions on Industry Applications, 38(3), 632–637. https://doi.org/10.1109/TIA.2002.1003411

15. Thomson, W. T., & Fenger, M. (2001). Current signature analysis to detect induction motor faults. IEEE Industry Applications Magazine, 7(4), 26–34. https://doi.org/10.1109/2943.930988

16. Tomczyk, M., Mielnik, R., Plichta, A., Gołdasz, I., & Sułowicz, M. (2021). Application of genetic algorithm for inter-turn short circuit detection in stator winding of induction motor. Energies, 14(24), Article 8523. https://doi.org/10.3390/en14248523

17. Tsyplenkov, D. V., Ivanov, O. B., Bobrov, O. V., Kuznetsov, V. V., Artemchuk, V. V., & Babiak, M. O. (2020). Design of electrical machines: A textbook. Dnipro University of Technology.

18. Zhezhelenko, I. V., Kryvonosov, V. E., & Vasilenko, S. V. (2021). Criteria for detecting turn-to-turn short circuit in stator windings of an induction motor. Energy. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64(5), 401–412.

Опубліковано

2026-08-31

Номер

Розділ

Статті

Як цитувати

Кривоносов, В. Є., & Прокопенко, С. А. (2026). Математична модель асинхронного електродвигуна для методів функціональної діагностики за умов несиметрії напруги мережі живлення. Енергетика і автоматика, 4, 79-89. https://doi.org/10.31548/energiya4(86).2026.079