На сегодняшний день в литературе описаны как простые тепловые модели асинхронных электрических двигателей, которые дают только примерное представление о нагреве двигателя, так и очень сложные, где необходимо знать специфические параметры, которые зачастую известны только заводам-изготовителям.
При частотном регулировании электродвигатель, как правило, эксплуатируется при переменных потоке, теплоотдаче и соотношениях потерь в статорной и роторной цепях. Вместе с тем наиболее критичной к нагреву частью асинхронного электродвигателя является изоляция обмотки статора [2]. По данным [1] доля отказов по причине повреждения обмоток для асинхронных электродвигателей мощностью более 5 кВт составляет 85–95%.
В основу простейшей одномассовой тепловой модели положено уравнение теплового баланса [3]. При построении данной модели делаются следующие допущения – электродвигатель представляется как однородная масса с равномерно распределенными источниками тепла, с бесконечной внутренней теплопроводностью, с теплоотдачей, пропорциональной разности температуры двигателя и окружающей среды.
Уравнение теплового баланса для данной тепловой модели представлено следующим образом [3]:
Полученное выражение соответствует инерционному звену. При постоянных потерях в двигателе и постоянной теплоотдаче во внешнюю среду превышение температуры изменяется по экспоненциальному закону (рис. 1):
Данным уравнениям соответствует структурная схема динамической тепловой модели, приведенная на рис. 2. Тепловая модель представляется в виде апериодического звена, на вход которого подается мощность потерь, и на выходе которого – перегрев.
В классических косвенных методах проверки электродвигателя по нагреву (метод средних потерь и метод эквивалентных величин) используется именно данная тепловая модель электродвигателя.
К достоинствам одномассовой модели можно отнести ее простоту и надежность оценки теплового состояния двигателя при его работе с постоянной мощностью (потери в двигателе DP и тепловой поток в двигателе постоянны) и неизменной температурой окружающей среды. Параметры такой модели можно косвенно рассчитать из паспортных данных электрического двигателя.