SCHEME-FIELD MODELING OF THERMAL PROCESSES IN INDUCTION MOTORS

D. O. Litvinov, O. O. Shlyanin, Т. V. Bondarchuk, O. V. Stremydlovska, Riham Matar

Abstract


Purpose. Development of a new approach for increasing thermal calculations accuracy by thermal field and scheme combinating simulation in determining the effective heat conductivities in details and nodes of induction motor.
Research methods: the heat conductivity theory, heat transfer, thermal equivalent circuit, thermal potentials, thermal field simulation, finite elements methods.
The obtained results. The integrated method for conversion data of field modeling into thermal circuit model parameters is researched, which significantly reduces influence of nodes quantity of the thermal circuit on the accuracy of parameters determination by matrix invariancy of geometrical conductivities to temperature changes of heat conductivity values of induction motors constructional and active materials. By means of this method, for discretization induction motor spatial model on separate components, it is possible in advance to determine the components of matrix conductivities and to prevent the degeneration of this matrix in the scheme model.
Scientific novelty. A new method of scheme model conversion with the use of an integral thermal potential is researched, which allows to pass from heat resistances, as a parameters of thermal equivalent circuit, to geometric conductivities of this scheme. It has been proved that by processing the data arrays of field modeling for determination geometric conductivities of thermal equivalent circuit, it is possible to prevent degeneration of matrix conductivities for the stationary thermal mode of induction motor in short-circuit mode, having provided reduction of nodes quantity and increase in computing efficiency and accuracy.
Practical significance. The integrated method for converting data of induction motor field modeling into thermal model parameters allows at increase in the number of nodes in thermal scheme from one to ten to reduce the average value of a relative error from 9,2% to 2,42%, what completely meets requirements at designing of induction motors, and also for imitating modeling of thermal processes dynamics at the variable operating conditions.

Keywords


asynchronous motor; thermal replacement circuit; thermal conductivity; thermal resistance; integral method; finite element method

References


Petrenko, A. N., Tanyanskiy, V. Ye., Petrenko, N.YA. (2012). Issledovaniye temperaturnogo polya i teplovykh potokov chastotno-upravlyayemogo asinkhronnogo dvigatelya. Visnik NTU "KHPI", 49(955), 61–65.

Kotsur, M. I. (2014) Osobennosti udarnogo teplovogo vozdeystviya na asinkhronnyy dvigatel' s modifitsirovannoy sistemoy impul'snogo regulirovaniya v usloviyakh chastykh puskov. Elektrotehnika i elektroenergetika., 1, 32–36. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2014-1-5.

Filippov, I. F. (1986). Teploobmen v elektricheskikh mashinakh. L.: Energoatomizdat, 256.

Sipaylov, G. A., Sannikov, D. I., Zhadan, V. A. (1989). Teplovyye, gidravlicheskiye i aerodinamichesiye raschety v elektricheskikh mashinakh. M.: Vyssh. shk., 239.

Zaliznyy, D. I., Shirokov, O. G., Popichev, V. V. (2015). Adaptivnaya matematicheskaya model' teplovykh protsessov asinkhronnogo dvigatelya s korotkozamknutym rotorom. Vestnik GGTU im. P. O. Sukhogo, 1, 30–43.

Wallmark, O. (2012) Analysis of Electrical Machines. Royal Institute of Technology Stockholm. Sweden.

Ostashevskiy, N. A., Shayda, V. P. (2010). Matematicheskaya model' teplovogo sostoyaniya chastotno-upravlyayemogo asinkhronnogo dvigatelya v nestatsionarnykh rezhimakh. Elektromashinostroyeniye i elektrooborudovaniye, 75, 46–51.

Petrushin, V. S., Yakimets, A. M. (2008). Osobennosti teplovykh raschetov neustanovivshikhsya rezhimov raboty reguliruyemykh asinkhronnykh dvigateley. Elektromashinostroyeniye i elektrooborudovaniye, 71, 47–51.

Shirokov, O. G., Zaliznyy D. I. (2008). Teplovyye skhemy zameshcheniya elektroenergeticheskikh ustroystv. Naukoyemkiye tekhnologii, 2, 63–67.

Anuchin, A. S., Fedorova K. G. (2014). Dvukhmassovaya teplovaya model' asinkhronnogo dvigatelya. Elektrotekhnika, 2, 21–25.

Malafeyev, S. I., Zakharov, A. V., Kudryashov, S. V. (2009). Modelirovaniye teplovykh perekhodnykh protsessov v ventil'no-induktornom dvigatele. Elektrichestvo, 3, 54–57.

Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. (2004). IEC Revision of Publication 60034, 1, 137.

Staton, D., Cavagnino A. (2008). Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Models. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55(10), 3509–3516.

Mahdavi, S., and all (2013). Thermal Modeling as a Tool to Determine the Overload Capability of Electrical Machines. International Conference on Electrical Machines and Systems. Busan. Korea, 454–458.

Andriyenko, P. D., Kotsur, I. M., Yarymbash, D. S. (2008). Primeneniye metodov mate-maticheskogo modelirovaniya dlya opredeleniya parametrov induktora. Vestnik SevNTU. Sevastopol', 88, 117 – 120.

Andriyenko, P. D., Yarymbash, D. S. (2008). Modelirovaniye elektromagnitnykh i teplovykh protsessov pri induktsionnom nagreve mundshtuka pressa. Razrabotka rudnykh mestorozhdeniy. Krivoy Rog, 92, 163–167.

Andriyenko, P. D., Yarymbash, D. S. (2006). Osobennosti modelirovaniya temperaturnogo sostoyaniya tekhnologicheskoy sistemy kak ob"yekta upravleniya. Yelektromashinobuduvannya ta yelektroobladnannya. Odessa, 66, 291–293.

Kilimnik, I. M., Yarymbash, D. S. (2007). Osobennosti modelirovaniya elektromagnitnykh protsessov v induktore kalibra mundshtuka pressa. Visnyk Kremenchuts'kogo derzhavnogo polstekhnschnogo unsversytetu. Kremenchuk: KDPU, 4(45), 53–55.

Yarymbash, D. S., Tyutyunnik, A. V., Zagrunnyy, O. L. (2006). Povysheniye effektivnosti upravleniya rezhimami elektricheskogo obogreva pri pressovanii zagotovok podovykh blokov. Elektrotehnika i elektroenergetika. Zaporozh'ye: ZNTU, 2, 56–60.

Belyayev, N. M., Ryadno, A. A. (1982) Metody teorii teploprovodnosti. M.: Vyssh. shkola, 302.

Yarymbash, D.S. (2015) The research of electromagnetic and thermoelectric processes in the AC and DC graphitization furnaces. Scientific Bulletin of National Mining University, 3, 95–102.

Yarymbash, D.S., Oleinikov, A.M. (2015). On specific features of modeling electromagnetic field in the connection area of side busbar packages to graphitization furnace current leads. Russian Electrical Engineering, 86(2), 86–92. DOI: http://dx.doi.org/10.3103/S1068371215020121.

Yarymbash, D. S., Kotsur, M. I., Yarymbash, S. T., Kotsur, I. M. (2016). Features of three-dimensional simulation of the electromagnetic fields of the asynchronous motors. Electrical Engineering And Power Engineering, 2, 43–50. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2016-2-5.

Mademlis, C., Margaris, N., and Xypteras J. (2000). Magnetic and Thermal Performance of a Synchronous Motor under Loss Minimization Control. IEEE Trans. on Energy Conversion, 15(2), 135–142. DOI: 10.1109/60.866990

Mellor, P.Y., Roberts, D., Turner, D.R. (1991). Lumped parameter thermal model for electrical machines of TEFC design. IEEE Proceedings B (Electric Power Applications), 138(5). 205–218. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/ip-b.1991.0025.

Shuyskiy, V.P. (1968). Raschet elektricheskikh mashin. L.: Energiya, 732.

Lykov, A.V. (1967). Teoriya teploprovodnosti: uchebnoye posobiye. M.: Vysshaya shkola, 600.

Yarymbash, D. S., Tyutyunnik, A. V., Zagrunnyy, O. L. (2006). Modelirovaniye temperaturnykh rezhimov elektrotekhnologicheskoy sistemy «induktory–mundshtuk» na podgotovitel'nom etape tura pressovaniya. Elektrotehnika i elektroenergetika. Zaporozh'ye: ZNTU, 1, 56 – 60.


GOST Style Citations


1. Петренко А.Н. Исследование температурного поля итепловых потоков частотно-управляемогоасинхронного двигателя [Текст] / А.Н. Петренко, В.Е. Танянский, Н.Я. Петренко // Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955). С. 61 – 65.

2.Коцур М. И. Особенности ударного теплового воздействия на асинхронный двигатель с модифицированной системой импульсного регулирования в условиях частых пусков [Текст] / М. И. Коцур // Електротехніка та електроенергетика. – 2014. – № 1. – С. 32–36. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2014-1-5.

3 Филиппов И.Ф. Теплообмен  в электрических машинах [Текст] – Л.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.

4. Сипайлов Г.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах[Текст] / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. – М.: Высш. шк., 1989. – 239 с.

5. Зализный Д. И. Адаптивная математическая модель тепловых процессов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [Текст] / Д. И. Зализный, О. Г. Широков, В. В. Попичев // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2015. – № 1. – С. 30 – 43.

6. Wallmark, O. Analysis of Electrical Machines [Text] / O. Wallmark. – Royal Institute of Technology Stockholm. – Sweden. – 2012.

7. Осташевский, Н. А. Математическая модель теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя в нестационарных режимах [Текст] / Н.А. Осташевский, В.П. Шайда // Электромашиностроение и электрооборудование. – 2010. – № 75. – С. 46–51.

8. Петрушин В. С. Особенности тепловых расчетов неустановившихся режимов работы регулируемых асинхронных двигателей [Текст] / В. С. Петрушин, А. М. Якимец // Электромашиностроение и электрооборудование. – 2008. – № 71. – С. 47–51.

9. Широков О. Г. Тепловые схемы замещения электроэнергетических устройств [Текст] / О. Г. Широков, Д. И. Зализный // Наукоемкие технологии. – 2008. – № 2. – С. 63–67.

10. Анучин, А. С. Двухмассовая тепловая модель асинхронного двигателя / А. С. Анучин, К. Г. Федорова // Электротехника. – 2014. – № 2. – С. 21–25.

11. Малафеев, С. И. Моделирование тепловых переходных процессов в вентильно-индукторном двигателе [Текст] / С. И. Малафеев, А. В. Захаров, С. В. Кудряшов // Электричество : Теорет. и науч.-практ. журн. – 2009. – №3. – С. 54–57.

12. Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance [Text] // IEC Revision of Publication60034. – draft 1. – 2004. – 137 р.

13. Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Models [Text] / D. Staton, A. Cavagnino // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – Vol. 55. – № 10. – October 2008. – P. 3509–3516.

14. Thermal Modeling as a Tool to Determine the Overload Capability of Electrical Machines [Text] / S. Mahdavi and all / International Conference on Electrical Machines and Systems. – Oct. 26–29. – 2013. – Busan. – Korea. – P. 454–458.

15. Андриенко П.Д. Применение методов математического моделирования для определения параметров индуктора [Текст] / П.Д. Андриенко, И.М. Коцур, Д.С. Ярымбаш // Вестник СевНТУ – Севастополь, 2008. – Вып. 88. – С. 117 – 120.

16. Андриенко П.Д. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве мундштука пресса [Текст] / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог, 2008. – Вып. 92. – С. 163 – 167.

17. Андриенко П.Д. Особенности моделирования температурного состояния технологической системы как объекта управления [Текст] / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Електромашинобудування та електрообладнання – Одесса, 2006. – № 66. – С. 291 – 293.

18. Килимник И.М. Особенности моделирования электромагнитных процессов в индукторе калибра мундштука пресса [Текст] / И.М. Килимник, Д.С. Ярымбаш // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Кременчук: КДПУ, 2007. – №4(45). – Ч. 1. – С. 53 – 55.

19. Ярымбаш Д.С. Повышение эффективности управления режимами электрического обогрева при прессовании заготовок подовых блоков [Текст] / Д.С. Ярымбаш, А.В. Тютюнник, О.Л. Загрунный // Електротехніка та електроенергетика. – Запорожье: ЗНТУ, 2006. – № 2. – С. 56 – 60.

20. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности[Текст] / Н.М. Беляев, А.А. Рядно, в 2-х частях – М.: Высш. школа, 1982.– 302 с.

21. Ярымбаш Д.С. Исследование электромагнитных и термоэлектрических процессов в печах графитации переменного и постоянного тока [Текст] / Ярымбаш Д.С. // Науковий вісник НГУ – 2015. – №3. – С.95–102.

22. Yarymbash D.S. On specific features of modeling electromagnetic field in the connection area of side busbar packages to graphitization furnace current leads [Text]/ D.S.Yarymbash, A.M. Oleinikov // Russian Electrical Engineering, 2015, – Vol.86, – Issue 2, – pp. 86 – 92. DOI: http://dx.doi.org/10.3103/S1068371215020121.

23. Ярымбаш Д.С. Особенности трехмерного моделирования электромагнитных полей асинхронного двигателя [Текст] / Д. С. Ярымбаш, М. И. Коцур, С. Т. Ярымбаш, И. М. Коцур // Електротехніка та електроенергетика, 2016, – № 2, – С. 43–50. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2016-2-5.

24. Mademlis C. Magnetic and Thermal Performance of a Synchronous Motor under Loss Minimization Control [Text] / C.Mademlis, N.Margaris, and J.Xypteras // IEEE Trans. on Energy Conversion, 2000. – vol. 15, – no. 2, – pp. 135–142.DOI:10.1109/60.866990

25.Mellor, P.Y., Roberts, D., Turner, D.R., Lumped parameter thermal model for electrical machines of TEFC design [Text]/ P.Y. Mellor, D. Roberts, D.R. Turner // IEEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1991. – 138(5). – pp. 205–218. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/ip-b.1991.0025.

26. Шуйский В.П. Расчет электрических машин [Текст]/ Шуйский В.П. – Л.: Энергия, 1968, 732 с.

27. Лыков А.В. Теория теплопроводности [Текст]: учебное пособие / А.В. Лыков — М.: Высшая школа, 1967. — 600 с.

28. Ярымбаш Д.С. Моделирование температурных режимов электротехнологической системы «индукторы–мундштук» на подготовительном этапе тура прессования [Текст] / Д.С. Ярымбаш, А.В. Тютюнник, О.Л. Загрунный // Електротехніка та електроенергетика. – 2006. – № 1. – С. 56 – 60.




DOI: https://doi.org/10.15588/1607-6761-2017-1-9

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2017 D. O. Litvinov, O. O. Shlyanin, Т. V. Bondarchuk, O. V. Stremydlovska, Riham Matar

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Address of the journal editorial office:

Editorial office of the the science journal "Electrical Engineering and Power Engineering" ("Electrotechnics and Electroenergetics")

Zaporozhye National Technical University, 

 Zhukovskiy street, 64, Zaporizhzhya, 69063, Ukraine. 

Telephone: +38-061-769-82-96 – the Editing and Publishing Department.

E-mail: rvv@zntu.edu.ua


Reference to the journal is obligatory in the cases of complete or partial use of its materials.