agroengineeringАгроинженерияAgricultural Engineering (Moscow)2687-11492687-1130РГАУ-МСХА10.26897/2687-1149-2023-4-85-90agroengineering-632Research ArticleЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВАPOWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTIONМоделирование потерь энергии в асинхронном электродвигателеModeling of energy losses in an asynchronous electric motorОськинС. В.OskinS. V.

Оськин Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор

350044,  г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Sergey V. Oskin - DSc (Eng), Professor

13. Kalinina str., Krasnodar, 350044

kgauem@yandex.ruМирошниковА. В.MiroshnikovA. V.

Мирошников Алексей Владимирович - аспирант

350044,  г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Aleksei V. Miroshnikov - postgraduate student

13. Kalinina str., Krasnodar, 350044

el-mash@kubsau.ruНагучевЗ. Х.NaguchevZ. H.

Нагучев Заур Хамедович - аспирант

350044,  г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Zaur H. Naguchev - postgraduate student

13. Kalinina str., Krasnodar, 350044

el-mash@kubsau.ruУкраинцевМ. М.UkrainiantsevM. M.

Украинцев Максим Михайлович - канд. техн. наук, доцент

347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21

Maksim M. Ukrainiantsev - CSc (Eng), Associate Professor

21, Lenina str., Zernograd, 347740, Rostov region

rostmax@rambler.ruКубанский государственный аграрный университет имени И.Т. ТрубилинаРоссияKuban State Agrarian University named after I.T. TrubilinRussian FederationАзово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУРоссияAzov-Black Sea Engineering Institute of Don SAURussian Federation2023080920232548590Copyright © Оськин С.В., Мирошников А.В., Нагучев З.Х., Украинцев М.М., 20232023Оськин С.В., Мирошников А.В., Нагучев З.Х., Украинцев М.М.Oskin S.V., Miroshnikov A.V., Naguchev Z.H., Ukrainiantsev M.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://agroengineering.timacad.ru/jour/article/view/632

Особые условия эксплуатации электродвигателей в агропромышленном комплексе приводят к их высокой аварийности. Внедрение частотных преобразователей приводит к необходимости анализа теплового состояния электрических машин в неноминальных и аварийных режимах работы и разработки адекватной компьютерной модели процесса функционирования электропривода в различных режимах работы. Созданная авторами тепловая компьютерная модель на основе расчетов всех потерь в электрической машине дает возможность проанализировать аэродинамику машины и температурные режимы. В результате реализации модели с помощью программного продукта Comsol установлены скорости и направления воздушных потоков в отдельных составляющих электродвигателя. Отмечено, что скорость воздушного потока резко изменяется: в начале воздушного канала она составляет 14 м/с, в конце – до 3 м/с. Интерфейс мультифизика программного продукта объединяет расчеты аэродинамики и тепловое исследование. Результаты теплового анализа показали, что при номинальном режиме работы максимальная температура корпуса составила 43°C, а температура лобовой части обмотки статора – 112°C. Исследования переходного процесса пуска электродвигателя показали неравномерность нагрева передней и задней частей обмотки статора, разница температур составила 3°C. Полученная тепловая компьютерная модель позволяет установить влияние потерь в машине, состояния окружающей среды, конструктивных элементов электродвигателя на температуру отдельных составляющих объекта исследований, а также оценить изменение эксплуатационных условий работы и регулирование скорости вращения ротора. Обнаружение более нагретой части машины дает возможность правильно установить датчики температуры устройств аварийной защиты.

Special operating conditions of operating electric motors in the agro-industrial sector determine their high accident rate. The rapid introduction of frequency converters leads to the need to analyze the thermal state f electric machines in non-nominal and emergency operating modes and the development of relevant software simulation model of electric drive performance in various operating modes. The thermal computer model developed by the authors and based on the calculation of all losses in an electric machine makes it possible to analyze the aerodynamics of the machine and temperature conditions. As a result of the model implementation, the speeds and directions of air flows in the individual components of the electric motor are established in the Comsol software. It is noted that the air flow velocity changes dramatically from the beginning of the air channel to the end – from 14 m/s to 3 m/s. The multiphysics interface in the software product combines aerodynamic analysis and thermal research. The results of thermal analysis showed that under nominal operating conditions the maximum body temperature was 43 degrees, and the temperature of the stator winding front part was 112 degrees. Studies of the transient process of electric motor start-up showed uneven heating of the front and back parts of the stator winding, the temperature difference was 3 degrees. The obtained computer model will make it possible to establish the influence of losses in the machine, environmental conditions, constructive elements of the electric motor on the temperature of individual components of the research object. Change of operating conditions and regulation of the rotor speed can also be estimated by means of the obtained computer model. Determining a more heated part of the machine makes it possible to properly install the temperature sensors of the emergency protection devices

электродвигательпотеримоделированиеComsolтепловая компьютерная модельтемператураelectric motorlossesmodelingaero-dynamicstemperatureventilationfrequency converterReferencesОськин С.В., Тарасенко Б.Ф. Надежность технических систем и экологический, экономический ущербы в сельском хозяйстве // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101. С. 985-1004. EDN: SZVWXZ.Oskin S.V., Tarasenko B.F. Reliability of technical systems and environmental and economic losses in agriculture. Polythematic Online Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2014;101:985-1004. (In Rus.)Жадан В.А., Санников Д.И. Методика расчета температуры ребристых обдуваемых корпусов электрических машин // Известия Томского политехнического института. 1968. Т. 190. С. 106-111. URL: bulletin_tpu-1968-v190-17_bw.pdf.Zhadan V.A., Sannikov D.I. Calculation technique of the temperature of finned ventilated cases of electric machines. Izvestia of Tomsk Polytechnic Institute. 1968;190:106-111. (In Rus.)Жадан В.А., Санников Д.И. Несимметрия нагрева корпуса электрических машин с внешним обдувом // Известия Томского политехнического института. 1967. Т. 172. С. 104-111. URL: bulletin_tpu-1967-v172-19_bw.pdf.Zhadan V.A., Sannikov D.I. Unbalanced heating of an electric machine body with external blowing. Izvestia of Tomsk Polytechnic Institute. 1968;190:106-111. (In Rus.)Осташевский Н.А., Петренко А.Н. Исследование теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя при изменении нагрузки // Електротехнiка i електромеханiка. 2010. № 3. С. 25-29. EDN: RWNPQV.Ostashevsky N.A., PetrenkoA.N. Thermal state of a frequency-controlled induction motor under load variation. Elektrotekhnika i Elektromekhaníka. 2010;3:25-29. (In Rus.)Петренко А.Н. Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания // Електротехнiка i електромеханiка. 2010. № 5. С. 21-23. EDN: RWNQDD.PetrenkoA.N. Experimental study of a frequency-controlled induction motor heating under different power sources. Elektrotekhnika i Elektromekhaníka. 2010;5:21-23. (In Rus.)Петушков М.Ю. Тепловая модель асинхронного двигателя // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2011. № 4 (162). С. 48-50. EDN: OCQJEJ.Petushkov M.Y. Thermal model of asynchronous motor. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2011;4 (162):48-50. (In Rus.)Klimenta D.O., HannukainenA. Novel approach to analytical modelling of steady-state heat transfer from the exterior of tefc induction motors. Thermal science. 2017;21(3):1529-1542. https://doi.org/10.2298/TSCI150629091KKlimenta D.O., HannukainenA. Novel approach to analytical modelling of steady-state heat transfer from the exterior of tefc induction motors. Thermal science. 2017;21(3):1529-1542. https://doi.org/10.2298/TSCI150629091KОсташевский Н.А., Шайда В.П., Петренко А.Н. Исследование теплового состояния асинхронного частотно-управляемого двигателя с помощью метода конечных элементов // Електротехнiка i електромеханiка. 2011. № 5. С. 39-42. EDN: RWCNBJ.Ostashevskiy N.A., Shayda V.P., PetrenkoA.N. Research into thermal state of a frequency-controlled asynchronous motor by means of a finite element method. Elektrotekhnika i Elektromekhaníka. 2010;3:25-29. (In Rus.)Oskin S.V., MiroshnikovA.V. Defining acceptable motor reduction in variable-speed drives of agricultural machinery. International conference on industrial engineering, applications and manufacturing (ICIEAM). 2020;1-5. https://doi.org/10.1109/ICIEAM48468.2020.9111949Oskin S.V. Miroshnikov, A.V. Defining acceptable motor reduction in variable-speed drives of agricultural machinery. 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2020. pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/ICIEAM48468.2020.9111949Oskin S.V., MiroshnikovA.V., Tsokur D.S. Investigation of the aerodynamic characteristics of electric motors when regulating their speed in the Comsol package. International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 2021:585-590. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon52004.2021.9537420Oskin S.V., MiroshnikovA.V., Tsokur D.S. Investigation of the aerodynamic characteristics of electric motors when regulating their speed in the comsol package. 2021 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 2021. pp. 585-590. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon52004.2021.9537420

The authors declare that there are no conflicts of interest present.