Виявлення дефектів ізоляції всипних обмоток електричних машин на основі аналізу швидкоплинних електромагнітних процесів

Автор(и)

  • Вадим Володимирович Чумак Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-8401-7931
  • Михайло Анатолійович Коваленко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-5602-2001
  • Оксана Леонідівна Тимощук Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-1863-3095
  • Роман Павлович Духно Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0009-0008-9506-2234

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342301

Ключові слова:

високочастотна модель, ланцюгова схема заміщення, хвильові процеси, діагностика ізоляції обмоток

Анотація

Об’єктом дослідження є швидкоплинні процеси, що відбуваються в асинхронному двигуні із короткозамкненим ротором та всипною обмоткою статора. Досліджувані процеси використовуються для створення ефективних діагностичних методів оцінки стану найменш надійного елемента електричної машини – ізоляції обмоток. В роботі вирішується проблема, пов’язана із підвищенням експлуатаційної надійності електричних машин зі всипними обмотками.

Представлена високочастотна модель швидкоплинних перехідних процесів в обмотках електричних машин з метою неруйнівної діагностики ізоляції. Ця модель дозволяє аналізувати високочастотні та імпульсні явища з еквівалентною частотою до десятків МГц, які при експлуатації машини можуть виникати при комутаційних і атмосферних перенапруженнях, а також при живленні електричних двигунів від інверторів. Розробка моделі базується на основі частотного та часового діапазонів при вищезгаданих впливах на прикладі малопотужного багатовиткового асинхронного двигуна.

Для створення моделі використовувалась багатоланкова ланцюгова схема заміщення у вигляді послідовно з’єднаних чотириполюсників з індуктивно-резистивно-ємнісними параметрами, що відповідають частинам фази обмотки з умовно однаковими зосередженими параметрами.

Створена модель та запропонований метод дозволяє досягати необхідних випробувальних перенапруг для виявлення прихованих і нерозвинених дефектів з мінімальним щадним енергетичним впливом без її незворотного руйнування. Врахування розподілених параметрів секцій обмотки у поєднанні з імпульсним характером збудження забезпечують неруйнівний контроль всипних обмоток машин змінного струму у порівнянні з класичними випробувальними методами.

Запропонований метод дозволяє отримати більші в 2–2.5 рази повздовжні випробувальні градієнти при співмірному енергетичному впливі на рівні 0,1 Дж. Отримані результати дозволять підвищити надійність експлуатації електричних машин на підприємствах за умов втілення розробленого методу в систему планово-попереджувальних ремонтів електрообладнання

Біографії авторів

Вадим Володимирович Чумак, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра електромеханіки

Михайло Анатолійович Коваленко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електромеханіки

Оксана Леонідівна Тимощук, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра математичних методів системного аналізу

Інститут прикладного системного аналізу

Роман Павлович Духно, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра електромеханіки

Посилання

  1. Asgari, A., Hanisch, L. V., Anspach, J., Franzki, J., Kahn, M., Kurrat, M., Henke, M. (2024). Reliability of Insulation Systems and Its Impact on Electric Machine Design for Automotive and Aviation Applications. Energies, 18 (1), 92. https://doi.org/10.3390/en18010092
  2. Zhang, J., Wang, J., Li, H., Zhang, Q., He, X., Meng, C. et al. (2025). A Review of Reliability Assessment and Lifetime Prediction Methods for Electrical Machine Insulation Under Thermal Aging. Energies, 18 (3), 576. https://doi.org/10.3390/en18030576
  3. Saeed, M., Fernández, D., Guerrero, J. M., Díaz, I., Briz, F. (2024). Insulation Condition Assessment in Inverter-Fed Motors Using the High-Frequency Common Mode Current: A Case Study. Energies, 17 (2), 470. https://doi.org/10.3390/en17020470
  4. Ghassemi, M. (2019). Accelerated insulation aging due to fast, repetitive voltages: A review identifying challenges and future research needs. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 26 (5), 1558–1568. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.008176
  5. Hassan, W., Hussain, G. A., Wahid, A., Safdar, M., Khalid, H. M., Jamil, M. K. M. (2024). Optimum feature selection for classification of PD signals produced by multiple insulation defects in electric motors. Scientific Reports, 14 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-024-73196-z
  6. Li, Z., Qian, Y., Wang, H., Zhou, X., Sheng, G., Jiang, X. (2021). A novel image‐orientation feature extraction method for partial discharges. IET Generation, Transmission & Distribution, 16 (6), 1139–1150. https://doi.org/10.1049/gtd2.12356
  7. Ji, Y., Giangrande, P., Madonna, V., Zhao, W., Galea, M. (2021). Reliability-Oriented Design of Inverter-Fed Low-Voltage Electrical Machines: Potential Solutions. Energies, 14 (14), 4144. https://doi.org/10.3390/en14144144
  8. Wang, J., Kong, Y., Cai, Y., Wang, Y. (2024). Effect of the repetition frequency and polarity of square wave voltage on the partial discharge of electric machine insulation for more electrical aircraft. Journal of Physics: Conference Series, 2820 (1), 012110. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2820/1/012110
  9. Sun, H., Wang, Y., Lu, F., Ding, Y., Xinyang, Z., Yin, Y. (2023). Research on Partial Discharge of More Electric Aircraft Propulsion Motor Insulation Under Low Pressure and Square Wave Voltage. https://doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.20221785
  10. Jiang, J., Li, Z., Li, W., Ranjan, P., Wei, X., Zhang, X., Zhang, C. (2023). A review on insulation challenges towards electrification of aircraft. High Voltage, 8 (2), 209–230. https://doi.org/10.1049/hve2.12304
  11. Ji, Y., Giangrande, P., Zhao, W. (2024). Effect of Environmental and Operating Conditions on Partial Discharge Activity in Electrical Machine Insulation: A Comprehensive Review. Energies, 17 (16), 3980. https://doi.org/10.3390/en17163980
  12. Zhou, X., Giangrande, P., Ji, Y., Zhao, W., Ijaz, S., Galea, M. (2024). Insulation for Rotating Low-Voltage Electrical Machines: Degradation, Lifetime Modeling, and Accelerated Aging Tests. Energies, 17 (9), 1987. https://doi.org/10.3390/en17091987
  13. Chumack, V., Kovalenko, M., Tymoshchuk, O., Stulishenko, A., Ihnatiuk, Y. (2023). Design of a multilink system for calculating high-frequency processes in electric machines with mesh windings. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (8 (123)), 54–63. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.282375
  14. Kovalenko, M., Chumack, V., Tymoshchuk, O., Kovalenko, M., Bazenov, V., Ihnatiuk, Y., Stulishenko, A. (2023). Research of high-frequency remagnetization model in laminated magnetic cores of electromechanical and electromagnetic energy converters. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (5 (124)), 6–15. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.286002
  15. Chumak, V., Dukhno, R., Stulishenko, A., Svyatnenko, V. (2024). High-Frequency Processes In The Windings Of General-Purpose Electrical Machines In The Presence Of Defects In The Ground-Wall Insulation. Engineering, Energy, Transport AIC, 2 (125), 130–141. https://doi.org/10.37128/2520-6168-2024-2-15
  16. Kaganov, Z. G. (1990). Elektricheskie tsepi s raspredelyonnymi parametrami i cepnye skhemy. Moscow: Energoatomizdat, 248.
  17. Mahdavi, S., Hameyer, K. (2012). High frequency equivalent circuit model of the stator winding in electrical machines. 2012 XXth International Conference on Electrical Machines, 1706–1711. https://doi.org/10.1109/icelmach.2012.6350110
  18. Heller, B., Veverka, A. (1960). Vlnové procesy v elektrických strojích. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 392.
  19. Boglietti, A., Carpaneto, E. (1999). Induction motor high frequency model. Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference. Thirty-Forth IAS Annual Meeting (Cat. No.99CH36370), 3, 1551–1558. https://doi.org/10.1109/ias.1999.805947
  20. Ostroverkhov, M., Chumack, V., Kovalenko, M., Falchenko, M. (2022). Voltage Control of the Magnetoelectric Generator Based on the Change of the Magnetic Resistance of the Auxiliary Flux Circuits. 2022 IEEE 8th International Conference on Energy Smart Systems (ESS), 169–174. https://doi.org/10.1109/ess57819.2022.9969289
  21. Ostroverkhov, M., Chumack, V., Kovalenko, M., Ihnatiuk, Y. (2022). Magnetoelectric Generator with Magnetic Flux Shunting for Electric Power Complexes. 2022 IEEE 8th International Conference on Energy Smart Systems (ESS), 160–164. https://doi.org/10.1109/ess57819.2022.9969246
  22. Kovalenko, M. A., Kovalenko, I. Y., Tkachuk, I. V., Harford, A. G., Tsyplenkov, D. V. (2024). Mathematical modeling of a magnetic gear for an autonomous wind turbine. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2, 88–95. https://doi.org/10.33271/nvngu/2024-2/088
Виявлення дефектів ізоляції всипних обмоток електричних машин на основі аналізу швидкоплинних електромагнітних процесів

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-31

Як цитувати

Чумак, В. В., Коваленко, М. А., Тимощук, О. Л., & Духно, Р. П. (2025). Виявлення дефектів ізоляції всипних обмоток електричних машин на основі аналізу швидкоплинних електромагнітних процесів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5 (137), 19–30. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342301

Номер

Том 5 № 5 (137) (2025): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Vadim Chumack, Mykhailo Kovalenko, Oksana Tymoshchuk, Roman Dukhno

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.