TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG BẢN SAO SỐ VÀ CẢM BIẾN ẢO NHIỆT ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA DEVELOPMENT OF DIGITAL TWIN AND VIRTUAL SENSOR TEMPERATURE FOR THREE – PHASE INDUCTION MOTORS II.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ không đồng bộ ba pha
2.1.1.1 Phần tĩnh hay stato (Stator)
Stato bao gồm: vỏ, lõi sắt và dây quấn [7] a/ Vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy làm bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000 KW) thường dùng tấm thép hàn lại làm thành vỏ Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau b/ Lõi sắt:
Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lỗi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối Mỗi lá théo kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành khối Nếu lõi sắt quá dài thì thường ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài 6 đến 8 cm, đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn
Dây quấn Stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện với lõi sắt
Rôto có hai bộ phận chính là: Lõi sắt và dây quấn [7] a/ Lõi sắt
Người ta thường dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở Stato Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá Rôto của máy Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn b/ Rôto và dây quấn rôto
Rôto có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc
- Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn như dây quấn Stato Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ Trong máu điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp
- Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn Stato Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc Dây quấn lồng sóc không cần cắt điện với lõi sắt
2.1.2 Mối quan hệ giữa các hệ quy chiếu [8]
2.1.2.1 Mối quan hệ giữa hệ quy chiếu ABC và hệ quy chiếu vuông góc tĩnh αβ a Mối quan hệ điện áp stator giữa hệ quy chiếu ABC và hệ quy chiếu vuông góc tĩnh αβ
Hình 2.2 Vector không gian điện áp Stator và các điện áp pha
Biểu diễn điện áp stator dưới dạng vector:
3 [ V sa + V sb (cos(120) + j sin(120)) + V sc (cos(240) + jsin(240)) ] =V sα + jV sβ
3 [V sa + V sb (cos(120) + V sc (cos(240))
6 b Mối quan hệ dòng điện stator giữa hệ quy chiếu ABC và hệ quy chiếu vuông góc tĩnh αβ[8]
Hình 2.3 Các thành phần dòng I sα và I sβ của vector dòng 𝐼 s trong hệ quy chiếu αβ
Chuyển vector không gian 𝐼 𝑆 gồm ba thành phần dòng điện dây quấn ba pha stator [ISA, ISB,
ISC] thành dạng phức với hai thành phần Isα và Isβ trên khung tham chiếu vuông góc tĩnh 𝛼𝛽 Cụ thể vector 𝐼 𝑆 được tính như sau:
Thay vào (2.2) và (2.3) ta được:
√3(𝐼 𝑆𝐴 + 2𝐼 𝑆𝐵 ) (2.4) Khi đó ta có thể viết lại dưới dạng ma trận như sau:
Từ (2.5) ta có thể biến đổi ngược từ hệ quy chiếu 𝛼𝛽 về ABC như sau:
2.1.2.2 Mối quan hệ giữa hệ quy chiếu αβ và hệ quy chiếu vuông góc quay dq a Mối quan hệ điện áp của stator giữa hệ quy chiếu αβ và hệ quy chiếu vuông góc quay dq
Hình 2.4 Biểu diễn vector điện áp của Stator trong hệ quy chiếu αβ và dq
V sβ ] = [ cos𝜃 sin 𝜃 −sin𝜃 cos𝜃 ] [ V sd
Biến đổi ngược (2.7) ta được:
V sβ ] (2.8) b Mối quan hệ dòng điện của stator giữa hệ quy chiếu αβ và hệ quy chiếu vuông góc quay dq
Hình 2.5 Biểu diễn vector dòng điện của Stator trong hệ quy chiếu αβ và dq
Ta có, trong hệ quy chiếu dq
Mà trong hệ quy chiếu αβ thì:
𝐼̅ 𝑠 = (𝐼 𝑠𝛼 cos(𝜃) + 𝐼 𝑠𝛽 sin(𝜃)) + j(𝐼 𝑠𝛼 cos(𝜃) − 𝐼 𝑠𝛽 sin(𝜃)) (2.10) Suy ra:
Biến đổi ngược ta được:
2.1.3 Phương trình toán của Động cơ không đồng bộ ba pha
2.1.3.1 Mạch tương đương một pha động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 2.6 Mạch tương đương một pha của mô hình động cơ không đồng bộ ba pha
2.1.3.2 Mạch tương đương một pha của mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ quy chiếu dq
Hình 2.7 Mạch tương đương một pha của mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ quy chiếu dq [13]
2.1.3.3 Phương trình toán của Động cơ không đồng bộ ba pha [8, 13]
Mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ quy chiếu αβ, được trình bày như sau:
Mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ quy chiếu rotor (hệ quy chiếu dq)[13], được trình bày như sau:
𝐽× (𝑇 𝑒 − 𝑇 𝐿 ) (2.37) Trong hệ quy chiếu dq, 𝛹 𝑞𝑟 = 0, và 𝛹 𝑟 = 𝛹 𝑑𝑟 (2.38)
𝛹 𝑠 : Từ thông của stator (Wb)
𝛹 𝑟 : Từ thông của rotor (Wb)
𝜔 𝑒 : Vận tốc góc của hệ quy chiếu (rad/s)
𝜔 𝑟 : Vận tốc góc của rotor (rad/s)
𝜔 𝑚 : Vận tốc cơ học (rad/s) J: Hệ số ma sát (kg.𝑚 2 )
𝑇 𝐿 : Mô men tải (Nm) 𝑃: Số đôi cực
2.1.3.4 Tổn hao công suất của động cơ không đồng bộ ba pha
Tổn hao trên Stator trong hệ quy chiếu abc:
2.1.3.5 Nội suy nhiệt độ động cơ dựa vào độ tăng nhiệt độ dây quấn stator[12] Độ tăng nhiệt độ của mỗi dây quấn stator được mô tả bởi phương trình sau:
𝑑𝑡 (2.40) Trong đó: 𝐼 1 2 R 1 : nhiệt lượng tỏa của vật dẫn ra (W)
𝐶 𝑇 : công suất nhiệt của vật dẫn (W-s/ o C)
𝑑𝑡 : độ tăng nhiệt độ ( o C/s) Nhiệt độ của động cơ:
𝑇 𝑣𝑖𝑟 : Nhiệt độ môi trường Δt: Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ dây quấn stator và bên ngoài vỏ động cơ
Hình 2.8 Sơ đồ bố trí cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ dây quấn stator, vỏ động cơ và môi trường
2.1.3.6 Nhận dạng thông số động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thực nghiệm
Hình 2.9 Mạch đấu nối thử nghiệm DC
Hình 2.10 Mạch đấu nối thử nghiệm không tải Động cơ được cấp cung điện áp với tần số định mức la 50Hz:
Ta dung đồng hồ đa năng, đo được:
𝑃 𝑛𝑙 : Tổng công suất đầu vào 3 pha (W)
Ta có: Ở chế độ không tải, độ trượt s rất nhỏ, do đó 𝑅 2 1−𝑠
Ta có điện kháng không tải:
Với: 𝑆 𝑛𝑙 = 3𝑉 1,𝑛𝑙 𝐼 1,𝑛𝑙 ( tổng công suất biểu kiến đầu vào) Điện kháng không tải:
Hình 2.11 Mạch đấu nối thử nghiệm khóa rotor
𝑃 𝑏𝑙 : Tổng công suất đầu vào 3 pha (W)
Ta có, công suất phản kháng khi khóa rotor:
Với, 𝑆 𝑏𝑙 = 3𝑉 1,𝑏𝑙 𝐼 1,𝑏𝑙 Điện kháng khi khóa rotor:
16 Điện trở khi khóa rotor:
3𝐼1,𝑏𝑙 2 (2.49) Khi khóa rotor thì hệ số trượt s =1, ta có:
Trở kháng 𝑍 𝑏𝑙 = 𝑅 1 + j𝑋 1 + ( 𝑅 2 + j𝑋 2 mắc song song với j𝑋 𝑚 ), nên:
𝑋𝑚+ 𝑋2)) (2.50) Điện trở khi khóa rotor:
𝑋𝑚+ 𝑋2 ) 2 (2.51) Điện kháng khi khóa rotor:
𝑋𝑚 ) 2 (2.54) Bảng phân bố điện kháng trong động cơ:
Bảng 2.1 Bảng phân bố điện kháng động cơ
𝑋𝑛𝑙− 𝑋𝑏𝑙 ) (2.55) Dựa vào tỷ lệ ở bảng trên ta tính 𝑋 1
Bản sao số (Digital Twin)
2.2.1 Khái niệm bản sao số
Bản sao số là một bản sao ảo của một sản phẩm, một máy móc, một quy trình hoặc một cơ sở sản xuất hoàn chỉnh Nó chứa tất cả các dữ liệu và mô hình mô phỏng có liên quan đến bản gốc của nó Bản sao số không chỉ cho phép các sản phẩm được hình thành, mô phỏng và sản xuất nhanh hơn so với trước đây, mà còn được thiết kế nhằm cải thiện tính kinh tế, hiệu suất, độ mạnh mẽ hoặc khả năng tương thích với môi trường Bản sao số của một sản phẩm cũng có thể đi cùng với nó như một chiếc bóng kỹ thuật số trong tất cả các giai đoạn của chuỗi giá trị - từ thiết kế đến sản xuất, vận hành đến bảo dưỡng và thậm chí là tái chế Nó liên kết liền mạch và lý tưởng với nhau ba chữ Ps: product (sản phẩm), production (sản xuất) và
Bản sao số có những lợi ích sau [3]:
- Được tạo ra mà không cần mô hình mẫu thực tế
- Cho phép xác định lỗi từ rất sớm trong quá trình phát triển sản phẩm máy
- Tiết kiệm thời gian và chi phí khi thực hiện kiểm tra, chạy thử thực tế
- Cho phép kỹ sư thiết kế và lập trình máy từ bất cứ nơi đâu
- Có thể sử dụng để kiểm thử, tối ưu hóa máy móc hoặc hướng dẫn vận hành trên môi trường ảo
Hình 2.12 Máy bay và bản sao số [2]
Mô hình mô phỏng của bản sao số [3], bào gồm:
- Mô hình vật lý và động học: Được mô phỏng bằng phần mềm thiết kế cơ khí: Sử dụng các phần mềm thiết kế mô hình 3D
- Mô hình điện và đặc tính: Sử dụng phần mềm mô phỏng mô hình toán của động cơ
- Mô hình tự động hóa: Sử dụng chương trình PLC
- Quá trình thiết lập bản sao số của một đối tượng vật lý như sau:
Hình 2.13 Quá trình thiết lập bản sao số
2.2.2 Đối tượng của bản sao số Đối tượng của bản sao số là bất cứ đối tượng vật lý hay sinh học nào xuất hiện trong cuộc sống thường ngày như một sản phẩm, máy móc, quy trình hoặc một cơ sở sản xuất hoàn chỉnh
Hình 2.14 Ứng dụng Digital twin trong công nghiệp
Vận hành ảo (Virtual Commissioning)
Vận hành ảo bao gồm một số lĩnh vực phụ đan xen nhau nhằm mục đích tạo ra, sửa đổi và mở rộng hệ thống và các thành phần hệ thống của một dây chuyền sản xuất nhằm kiểm tra và tối ưu hóa quá trình Quá trình này giúp phát hiện và loại bỏ các lỗi ở giai đoạn phát triển ban đầu trước khi nhà máy thực sự đi vào hoạt động [4]
Vận hành ảo có các lợi ích sau [3]:
- Giúp các nhà chế tạo máy giải quyết các thách thức lớn trong quá trình kiểm tra, chạy thử
- Giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí trong qua trình kiểm tra và chạy thử
- Tránh các tình huống chưa thể lường trước
- Xác định sớm lỗi phần mềm và cơ khí
Cảm biến ảo nhiệt độ của Động cơ không đồng bộ ba pha
- Cảm biến nhiệt độ ảo là phần của bản sao số động cơ
- Để tính toán nhiệt độ bên trong Động cơ ta xây dựng một cảm biến ảo (Virtual sensor) dựa trên mô hình toán cơ bản của Động cơ không đồng bộ ba pha [12]
Các thành phần sử dụng trong luận văn
STT Tên công cụ Mục đích sử dụng
1 TIA Portal V16 Lập trình điều khiển cho PLC
2 S7-PLCSIM Advanced V3.0 Mô phỏng phần cứng PLC
3 NX (version NX 12.0.0.27) Tạo ra mô hình 3D (cho vận hành ảo)
4 SIMIT V 10.2 Lập trình mô phỏng đặc tính vật lý, đặc tính điện, tự động
5 C# Lập trình màn hình scada
8 Động cơ không đồng bộ ba pha
12 Cảm biến nhiệt độ RTD
13 Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại
15 Đồng hồ đa năng Selec
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Giới thiệu chung
Khi động cơ hoạt động, chúng ta có thể xác định các thông số điện áp, dòng điện của stator và tốc độ của động cơ bằng các thiết bị đo chuyên dụng như cảm biến áp, cảm biến dòng và encoder Bản sao số của động cơ giúp chúng ta nội suy ra các thông số khác như từ thông, dòng điện rotor, … đặc biệt là nhiệt độ cuộn dây stator Qua đó, giúp chúng ta giám sát quá trình làm việc của động cơ
Quá trình điều khiển và thu thập dữ liệu được thực hiện bởi PLC thực, sau đó gửi tín hiệu điện áp, dòng điện, tốc độ, nhiệt độ môi trường sang PLC ảo PLC ảo kết nối với mô hình mô phỏng phương trình toán và mô hình 3D của động cơ
Mô hình ảo vận hành song song với mô hình thực tế, màn hình scada sẽ kết nối đồng thời PLC thực và PLC ảo để điều khiển và thu thập dữ liệu
Ngoài ra, nhiệt độ ảo của động cơ không những được hiển thị trên màn hình giám sát scada mà còn hiển thị trên App điện thoại.
Sơ đồ tổng quan hệ thống
Sơ đồ tổng quan hệ thống bao gồm hệ thống thực, hệ thống ảo và màn hình scada
Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể
Hệ thống chi tiết như sau:
Hệ thống thực bao gồm động cơ không đồng bộ ba pha, máy phát điện DC, PLC thực, biến tần, đồng hồ đa năng, cảm biến nhiệt độ RTD, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại, cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện, tủ điện, giá đỡ
Hệ thống ảo bao gồm: PLC ảo, mô hình 3D, mô hình mô phỏng mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 3.2 Sơ đồ chi tiết hệ thống
Nguyên lý hoạt động
Hệ thống scada kết nối đồng thời kết nối PLC thực và PLC ảo thông qua giao thức
Hệ thống PLC thực và PLC ảo kết nối thông qua giao thức ModBus TCP/IP
PLC thực kết nối với biến tần và đồng hồ đa năng thông qua giao thức Modbus RTU
Cảm biến nhiệt độ RTD, cảm biến nhiệt độ hồng ngoài, cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện kết nối với PLC thực qua khối analog input
Encoder kết nối với PLC thực thông qua khối digital input
PLC ảo kết nối với phần mềm mô hình 3D thông qua mapping I/O
PLC ảo kết nối với phần mềm mô phỏng mô hình toán thông qua coupling.
Nhận dạng thông số động cơ
Kết quả đo và tính toán như sau:
STT Điện áp Vdc: U1-V1 (V) Dòng điện Idc (A) Điện trở R1 (Ω)
Bảng 3.1 Dữ liệu thử nghiệm DC
Kết quả đo được bằng đồ hồ đa năng:
Hình 3.3 Dữ liệu thu thập bằng đồng hồ đa năng lúc thử nghiệm không tải
𝐼 1,𝑛𝑙 = 0.4949 (A) (3.2) Điện kháng không tải của motor: 𝑋 𝑛𝑙 = 𝑄 𝑛𝑙
Tiến hành thử nghiệm khóa rotor với tần số thử nghiệm là: 𝑓 𝑡𝑒𝑠𝑡 = 12.5 Hz
Kết quả đo được bằng đồng hồ đa năng:
Hình 3.4 Dữ liệu thu thập bằng đồng hồ đa năng lúc thử nghiệm khóa rotor
𝑃 𝑏𝑙 = 175,72 (W) (3.6) Tính công suất biểu kiến:
𝑆 𝑏𝑙 = 3𝑉 1,𝑏𝑙 𝐼 1,𝑏𝑙 = 3x34.15x1.819 6,356 (VA) (3.7) Công suất phản kháng:
𝑄 𝑏𝑙 = √186.356 2 − 175,72 2 = 62,113 (Var) (3.8) Điện kháng khi khóa rotor:
3𝑥1.18192 ) = 25,0297 (Ω) (3.9) Điện trở khi khóa rotor:
𝑋𝑚+𝑋1− 𝑋𝑏𝑙) (3.11) Động cơ được thiết kế theo kiểu C nên: 𝑋 1 = 0,3(𝑋 1 + 𝑋 2 ) và 𝑋 2 = 0,7(𝑋 1 + 𝑋 2 ) hoặc
Từ đó ta có phương trình:
𝑘 2 𝑋 2 2 + (𝑋 𝑏𝑙 (1 − 𝑘) − 𝑋 𝑏𝑙 (1 + 𝑘)𝑋 2 + 𝑋 𝑛𝑙 𝑋 𝑏𝑙 ) = 0 (3.12) Thay các giá trị vào ta có:
0,429𝑋 2 2 – 109,702𝑋 2 + 2159,2518 = 0 (3.13) Giải phương trình bậc 2 và chọn nghiệm:
75,631 ) 2 = 10,115 (Ω) (3.18) Kết luận: Thông số của động cơ như bảng sau
Tính toán mô hình nhiệt
Xác định hệ số 𝐶 𝑇 và Δt bằng phương pháp thực nghiệm, dữ liệu được thu thập bằng cảm biến và mô hình toán Chi tiết xem phần phụ lục
Trong đó, t thời gian tăng t = 665s = 11.083 min và T = 6,15, 𝑇 0 = 0.9
Từ đó ta tính ra hệ số τ = -70.1
Xây dựng mô hình nghiên cứu
3.6.1 Xây dựng mô hình thực
Hình 3.5 Sơ đồ khối mô hình thực tế
3.6.1.2 Sơ đồ đấu nối mạch điện và dây tín hiệu a Sơ đồ đấu nối mạch điện
Nguồn điện AC cung cấp cho bộ nguồn DC 24V, đồng hồ đa năng Bộ nguồn DC cung cấp nguồn 24V cho PLC và các module
Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối mạch điện b Sơ đồ đấu nối tín hiệu
Tín hiệu của biến tần và đồng hồ đa năng được kết nối vào khối CM của PLC
Tín hiệu cảm biến nhiệt độ RTD kết nối vào module analog input RTD
Tín hiệu cảm biến nhiệt độ hồng ngoại kết nối vào khối analog input onboard
Tín hiệu cảm biến điện áp và dòng điện được kết nối vào khối analog input
Hình 3.7 Sơ đồ đấu nối tín hiệu c Mô hình thực tế
Hình 3.8 Hình ảnh mô hình thực tế đã hoàn thiện
3.6.1.3 Chương trình PLC a Chương trình PLC thu thập dữ liệu bằng cảm biến nhiệt RTD, cảm biến nhiệt hồng ngoại, encoder thông qua khối AI và AI RTD
Chương trình PLC thu thập nhiệt độ dây quấn stator, nhiệt độ, nhiệt độ môi trường bằng cảm biến nhiệt RTD, cảm biến nhiệt hồng ngoại và encoder Tín hiệu được kết nối vào khối analog input của PLC
Hình 3.9 Chương trình PLC thu thập nhiệt độ môi trường, dây quấn stator, nhiệt độ vỏ động cơ
Chương trình PLC thu thập nhiệt độ trục rotor:
Hình 3.10 Chương trình PLC thu thập nhiệt độ trục rotor của động cơ
Chương trình PLC thu thập tốc độ động cơ:
Hình 3.11 Chương trình PLC thu thập tốc độ động cơ bằng encoder b Chương trình điều khiển động cơ thông qua biến tần và thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, công suất thông qua đồng hồ đa năng thông qua giao thức Modbus RTU Động cơ được điều khiển bằng PLC thông qua biến tần Sau khi nhận tín hiệu từ scada PLC thực hiện ghi dữ liệu xuống biến tần thông qua giao thức Modbus RTU, đồng thời PLC
32 đọc lên dữ liệu cần thiết từ biến tần Kết nối được xây dựng với PLC thực đóng vai trò Master, biến tần là Slave1 và đồng hồ đa năng là Slave2
Chương trình PLC như sau:
Hình 3.12 Chương trình PLC kết nối, ghi và đọc dữ liệu bằng giao thức Modbus RTU c Chương trình PLC kết nối giữa PLC thực và PLC ảo thông qua giao thức Modbus TCP/IP
Việc kết nối giữa PLC thực và PLC ảo giúp hệ thống trao đổi dữ liệu theo thời gian thực giữa hai hệ thống thực và hệ thống ảo Kết nối được xây dựng dựa trên giao thức Modbus TCP/IP, trong đó:
PLC thực đóng vai tròng là Master:
Hình 3.13 Chương trình PLC khối master giao thức Modbus TCP/IP
PLC ảo đóng vai trò client:
Hình 3.14 Chương trình PLC khối client giao thức Modbus TCP/IP
Kết quả dữ liệu được truyền thành công từ DB7 của PLC thực sang DB4 của PLC ảo thông qua giao thức Modbus TCP/IP:
Hình 3.15 Hình ảnh truyền dữ liệu theo giao thức Modbus TCP/IP
3.6.2 Xây dựng mô hình ảo
Mô hình 3D được xây dựng mô phỏng lại hệ thực tế bao gồm: động cơ không đồng bộ ba pha, máy phát điện DC, khung, tủ điện
STT Bộ phận Hình ảnh
1 Động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 3.16 Mô hình 3D của động cơ không đồng bộ ba pha
3.6.2.2 Xây dựng mô hình toán mô phỏng
Dựa vào các thông số điện áp và dòng điện của stator để tính toán và nội suy ra các thông số khác của động cơ như từ thông, mô men điện từ Điện áp và dòng điện sau khi PLC thu thập về bằng cảm biến điện áp, cảm biến dòng Sau đó được chuyển qua PLC ảo thông qua giao thức Modbus TCP/IP Tiếp tục dữ liệu được truyền đến mô hình mô phỏng thông qua chức năng Coupling
Dữ liệu điện áp và dòng điện sẽ được chuyển từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq Sau đó thực hiện tính toán theo thuật toán của mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 3.17 Thuật toán mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha[13]
Mô hình toán được xây dựng bằng phần mềm, kết quả như sau:
Hình 3.18 Mô hình mô phỏng mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha
3.6.2.3 Thực hiện kết nối giữa PLC ảo, mô hình toán, mô hình 3D a Kết giữa PLC ảo và phần mềm mô phỏng thuật toán [6]
Kết nối được thiết lập thông qua chức năng Coupling PLC Advandce trên phần mềm SIMIT, nội dung được thể hiện thông qua các hình ảnh sau:
Hình 3.19 Các hình ảnh thực hiện coupling giữa SIMIT và PLCSIM Advandce
Kết quả truyền dữ liệu giữa PLCSIM Advandce và SIMIT
Hình 3.20 Kết quả truyền dữ liệu giữa SIMIT và PLCSIM Advandce khi vận hành d Kết nối giữa PLC ảo và phần mềm mô phỏng 3D [5]
Mô hình mô phỏng 3D được xây dựng bằng phần mềm NX, được kết nối với PLC ảo bằng chức năng Mapping I/O
Hình 3.21 Các hình ảnh kết nối giữa phần mềm NX và PLCSIM Advandce
3.6.2.4 Xây dựng ứng dụng điện thoại hiển thị nhiệt độ ảo
3.6.3 Xây dựng màn hình scada
3.6.3.1 Thiết kế giao diện màn hình scada
Màn hình scada được thiết kế bao gồm các nút nhất điều khiển và hiển thị dữ liệu:
3.6.3.2 Lập trình kết nối Scada với PLC thực và ảo a Lập trình kết nối Scada và PLC thực
//Khai bao DB7 public struct DB7
{ public double Va; public double Vb; public double Vc; public double Ia; public double Ib; public double Ic; public short Speed; public double Hz; public double Temperature;
} //Ket noi voi Real PLC Plc PLC = new Plc(CpuType.S71200, txtIP.Text, 0, 0);
// Nut nhan Start private void btn_Start(object sender, EventArgs e)
Plc PLC = new Plc(CpuType.S71200, txtIP.Text, 0, 0); if (PLC.Open() == ErrorCode.NoError)
RealLoad.DiscreteValue2 = true; standardControl5.DiscreteValue1 = true;
VirtualLoad.DiscreteValue1 = true; standardControl1.DiscreteValue1 = true;
MessageBox.Show("Can not connect to PLC");
} //Nut nhan Stop private void btn_Stop(object sender, EventArgs e)
Plc PLC = new Plc(CpuType.S71200, txtIP.Text, 0, 0); if (PLC.Open() == ErrorCode.NoError)
RealLoad.DiscreteValue2 = false; standardControl5.DiscreteValue1 = false;
VirtualLoad.DiscreteValue1 = false; standardControl1.DiscreteValue1 = false;
//Nut nhan Reverse private void btnReverse_Click(object sender, EventArgs e)
Plc PLC = new Plc(CpuType.S71200, txtIP.Text, 0, 0); if (PLC.Open() == ErrorCode.NoError)
RealLoad.DiscreteValue2 = true; standardControl5.DiscreteValue1 = true;
VirtualLoad.DiscreteValue1 = true; standardControl1.DiscreteValue1 = true;
MessageBox.Show("Can not connect to PLC");
//Nut nhan Hz private void btnHz_Click(object sender, EventArgs e)
Plc PLC = new Plc(CpuType.S71200, txtIP.Text, 0, 0); if (PLC.Open() == ErrorCode.NoError)
PLC.Write("MD30", double.Parse(txtHz.Text));
MessageBox.Show("Set Hz error");
} // Doc du lieu die nap, dong dien va nhiet do private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
Plc PLC = new Plc(CpuType.S71200, txtIP.Text, 0, 0);
49 if (PLC.Open() == ErrorCode.NoError)
DB7 db7 = new DB7(); db7 = (DB7)PLC.ReadStruct(typeof(DB7),7,0); txtVa.Text = Convert.ToSingle(db7.Va).ToString(); txtVb.Text = Convert.ToSingle(db7.Vb).ToString(); txtVc.Text = Convert.ToSingle(db7.Vc).ToString(); txtIa.Text = Convert.ToSingle(db7.Ia).ToString(); txtIb.Text = Convert.ToSingle(db7.Ib).ToString(); txtIc.Text = Convert.ToSingle(db7.Ic).ToString(); txt_Actual_Hz.Text = db7.Hz.ToString(); txtSpeed.Text = Convert.ToSingle(db7.Speed).ToString(); txtTemperature.Text = Convert.ToSingle(db7.Temperature).ToString(); int counter=0;
Plotchart1((double)timer1.Interval/1000.0*(double)counter, db7.Temperature); counter++;
// Ham do thi realtime void Plotchart1(double dataX, double dataY)
{ chart1.Series[0].Points.AddXY(dataX, dataY); var chartArea = chart1.ChartAreas[0]; if (dataX > chartArea.AxisX.Maximum)
{ chartArea.AxisX.Maximum = dataX; if (dataX/chartArea.AxisX.Interval =)
} if (dataY > chartArea.AxisY.Maximum)
} b Lập trình kết nối Scada và PLC ảo
//Khoi tao DB 17 public struct DB17
{ public double PhisAlpha; public double PhisBeta; public double PhirAlpha; public double PhirBeta; public double IrAlpha; public double IrBeta; public double Ird; public double Irq; public double Te; public double Temperature;
Plc PLC1 = new Plc(CpuType.S71500, textBox10.Text, 0, 1);
Plc PLC1 = new Plc(CpuType.S71500, textBox10.Text, 0, 1);
51 if (PLC1.Open() == ErrorCode.NoError)
DB17 db17 = new DB17(); db17 = (DB17)PLC1.ReadStruct(typeof(DB17), 17, 0); txtPhisAlpha.Text = Convert.ToSingle(db17.PhisAlpha).ToString(); txtPhisBeta.Text = Convert.ToSingle(db17.PhisBeta).ToString(); txtPhirAlpha.Text = Convert.ToSingle(db17.PhirAlpha).ToString(); txtPhirBeta.Text = Convert.ToSingle(db17.PhirBeta).ToString(); txtIrAlpha.Text = Convert.ToSingle(db17.IrAlpha).ToString(); txtIrBeta.Text = Convert.ToSingle(db17.IrBeta).ToString(); txtIrd.Text = Convert.ToSingle(db17.Ird).ToString(); txtIrq.Text = Convert.ToSingle(db17.Irq).ToString(); txtTe.Text = Convert.ToSingle(db17.Te).ToString(); txtVirtualTemperature.Text =
Convert.ToSingle(db17.Temperature).ToString(); int counter = 0;
Plotchart2((double)timer1.Interval / 1000.0 * (double)counter, db17.Temperature); counter++;
KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN
Đánh giá kết quả
4.1.1 Dữ liệu cảm biến nhiệt độ ảo và thực của động cơ
Hình ảnh mà hình scada chạy kiểm nghiệm thực tế, giúp cho chúng ta giám sát được nhiệt độ của động cơ
Cho động cơ hoạt động ở tần số định mức 50 Hz, ta có kết quả như sau:
Hình 4.1 Mà hình scada hiển thị các thông số khi chạy thực tế
Nhiệt độ của động cơ được đo bằng cảm biến vật lý đặt bên trong cuộn dây stator
Hình 4.2 Nhiệt độ của động cơ đo bằng cảm biến vật lý đặt bên trong cuộn dây stator
Nhiệt độ của động cơ được đo bằng cảm biến ảo thông qua bản sao số:
Hình 4.3 Nhiệt độ của động cơ đo bằng cảm biến ảo thông qua bản sao số
Hình 4.4 Nhiệt độ của động cơ đo bằng cảm biến ảo thông qua bản sao số
Nhận xét: Độ tăng nhiệt độ của động cơ được đo bằng cảm biến vật lý và cảm biến ảo có sai số từ - 1.02 đến 1.4 độ trong trường hợp nhiệt độ môi trường gần bằng nhiệt độ bên trong động cơ
Khi tăng tải, gây quá tải cho động cơ thì nhiệt độ của động cơ tăng nhanh do dòng điện tăng cao Cảm biến nhiệt độ ảo cũng tăng nhanh hơn so với chế độ hoạt động bình thường
Sai số nhiệt độ ảo và vật lý
Khi tắt động cơ, nhiệt độ của động cơ giảm, giá trị thực được đo bằng cảm biến vật lý giảm nhanh Tuy nhiên cảm biến ảo cho giá trị giảm giá trị rất nhỏ Do đó sai số khi tắt động cơ giữa cảm biến nhiệt độ thực và ảo lớn
Hoàn thành việc xây dựng hệ thống thực bao gồm động cơ không đồng bộ ba pha, máy phát điện DC, PLC, giá đỡ, tủ điện, các loại cảm biến
Hoàn thành xây dựng chương trình scada, PLC để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu
Hoàn thành xây dựng mô hình ảo bao gồm PLC ảo, mô hình 3D, mô hình mô phỏng mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha
Hoàn thành kết nối và vận hành, liên kết dữ liệu theo thời gian thực giữa hệ thống thực và hệ thống ảo
Hoàn thành xây dựng cảm biến nhiệt độ ảo của động cơ không đồng bộ ba pha
Mô hình thực tế nghiên cứu được xây dựng bằng các thiết bị công nghiệp nhằm ứng dụng kết quả nghiên cứu vào lĩnh vực công nghiệp Tuy nhiên, trong công nghiệp hầu hết động cơ được bằng biến tần Vì vậy điện áp của stator là điện áp do biến tần xuất ra bằng tín hiệu xung PWM Các loại cảm biến điện áp, dòng điện trong công nghiệp đọc tín hiệu áp và dòng sau đó quy đổi về giá triệu hiệu dụng
Hệ thống được kết nối qua nhiều thiết bị và phần mềm nên ảnh hưởng đến sự đồng bộ của dữ liệu
Cải thiện chất lượng cảm biến ảo của động cơ thông qua việc cải thiện mô hình nhiệt
Định hướng phát triển
Thực hiện ước lượng tham số động cơ online bằng các thuật toán ước lượng
Xây dựng cảm biến nhiệt độ ảo dựa trên mô hình nhiệt khác phù hợp với thực tế hơn Xây dựng ứng dụng điện thoại để hiển thị nhiệt độ ảo, thông số động cơ và điều khiển động cơ
Xây dựng hệ thống và thuật toán có thể lấy dữ liệu điện áp, dòng điện của stator tức thời với tần số lấy mẫu lớn tầm từ 3 kHz hoặc ước lượng lại điện áp stator