Luận văn thạc sĩ về mô phỏng cảm biến ảo nhiệt độ của động cơ không đồng bộ ba pha

• Tác giả: Hồ Hữu Trường
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Mô Phỏng Cảm Biến Ảo Nhiệt Độ Cho Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Ứng dụng thực tiễn
• 1.5. Động cơ không đồng bộ ba pha
• 1.5.1. Phần tĩnh hay stato (Stator)
• 1.5.2. Mối quan hệ giữa các hệ quy chiếu
• 1.5.2.1. Mối quan hệ giữa hệ quy chiếu ABC và hệ quy chiếu vuông góc tĩnh αβ
• 1.5.2.2. Mối quan hệ giữa hệ quy chiếu αβ và hệ quy chiếu vuông góc quay dq
• 1.5.3. Phương trình toán của Động cơ không đồng bộ ba pha
• 1.5.4. Tổn hao công suất của động cơ không đồng bộ ba pha
• 1.5.5. Nội suy nhiệt độ động cơ dựa vào độ tăng nhiệt độ dây quấn stator
• 1.5.6. Nhận dạng thông số động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thực nghiệm
• 1.5.6.1. Thử nghiệm DC
• 1.5.6.2. Thử nghiệm không tải
• 1.5.6.3. Thử nghiệm khóa rotor
• 1.6. Bản sao số (Digital Twin)
• 1.6.1. Khái niệm bản sao số
• 1.6.2. Đối tượng của bản sao số
• 1.6.3. Vận hành ảo (Virtual Commissioning)
• 1.6.4. Cảm biến ảo nhiệt độ của Động cơ không đồng bộ ba pha
• 1.6.5. Các thành phần sử dụng trong luận văn
• 1.7. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 1.7.1. Giới thiệu chung
• 1.7.2. Sơ đồ tổng quan hệ thống
• 1.7.3. Nguyên lý hoạt động
• 1.7.4. Nhận dạng thông số động cơ
• 1.7.5. Thử nghiệm DC
• 1.7.6. Thử nghiệm không tải
• 1.7.7. Thử nghiệm khóa rotor
• 1.7.8. Tính toán mô hình nhiệt
• 1.7.9. Xây dựng mô hình nghiên cứu
• 1.7.10. Xây dựng mô hình thực
• 1.7.11. Sơ đồ đấu nối mạch điện và dây tín hiệu
• 1.7.12. Chương trình PLC
• 1.7.13. Xây dựng mô hình ảo
• 1.7.14. Xây dựng mô hình 3D
• 1.7.15. Xây dựng mô hình toán mô phỏng
• 1.7.16. Thực hiện kết nối giữa PLC ảo, mô hình toán, mô hình 3D
• 1.7.17. Xây dựng ứng dụng điện thoại hiển thị nhiệt độ ảo
• 1.7.18. Xây dựng màn hình scada
• 1.7.19. Thiết kế giao diện màn hình scada
• 1.7.20. Lập trình kết nối Scada với PLC thực và ảo
• 1.8. KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN
• 1.8.1. Đánh giá kết quả
• 1.8.2. Dữ liệu cảm biến nhiệt độ ảo và thực của động cơ
• 1.8.3. Kết quả đạt được
• 1.8.4. Định hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan đề tài

Động cơ không đồng bộ ba pha là một trong những loại động cơ điện phổ biến nhất trong công nghiệp nhờ vào độ ổn định và khả năng điều khiển linh hoạt. Việc giám sát nhiệt độ động cơ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Tuy nhiên, việc lắp đặt cảm biến nhiệt độ trực tiếp vào bên trong động cơ gặp nhiều khó khăn. Do đó, nghiên cứu này đề xuất xây dựng cảm biến ảo nhiệt độ dựa trên mô hình toán của động cơ. Mục tiêu chính là phát triển bản sao số cho động cơ không đồng bộ ba pha, từ đó thu thập và giám sát nhiệt độ theo thời gian thực, nhằm đưa ra quyết định vận hành và bảo trì kịp thời.

1.1. Lý do chọn đề tài

Công nghệ bản sao số đang trở thành xu hướng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Việc áp dụng cảm biến ảo cho động cơ không đồng bộ ba pha không chỉ giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt mà còn nâng cao khả năng giám sát và bảo trì. Đặc biệt, nó cho phép theo dõi nhiệt độ bên trong động cơ mà không cần sử dụng cảm biến vật lý, từ đó giảm thiểu rủi ro hỏng hóc và tăng cường hiệu suất hoạt động của động cơ.

1.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là xây dựng bản sao số cho động cơ không đồng bộ ba pha và phát triển cảm biến ảo nhiệt độ. Hệ thống sẽ bao gồm các thành phần thực tế như động cơ, PLC, và cảm biến nhiệt độ, đồng thời mô phỏng các thông số nhiệt độ của động cơ thông qua mô hình toán học. Điều này không chỉ giúp giám sát nhiệt độ mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì và vận hành hiệu quả hơn.

II. Bản sao số Digital Twin

Khái niệm bản sao số được hiểu là một mô hình ảo của hệ thống thực tế, cho phép theo dõi và phân tích tình trạng của hệ thống trong thời gian thực. Trong nghiên cứu này, bản sao số của động cơ không đồng bộ ba pha được xây dựng nhằm phục vụ cho việc phát triển cảm biến ảo nhiệt độ. Việc sử dụng cảm biến ảo không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ chính xác trong việc giám sát nhiệt độ động cơ. Các thành phần chính của hệ thống bao gồm mô hình 3D, mô hình toán học và hệ thống SCADA để điều khiển và thu thập dữ liệu từ động cơ thực tế.

2.1. Khái niệm bản sao số

Bản sao số là một mô hình ảo phản ánh tình trạng của hệ thống thực tế, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống một cách hiệu quả. Trong lĩnh vực công nghiệp, bản sao số giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và bảo trì thiết bị. Việc xây dựng bản sao số cho động cơ không đồng bộ ba pha sẽ cho phép các kỹ sư theo dõi nhiệt độ và hiệu suất động cơ một cách chính xác, từ đó đưa ra các quyết định kịp thời để nâng cao hiệu suất hoạt động.

2.2. Cảm biến ảo nhiệt độ của động cơ không đồng bộ ba pha

Cảm biến ảo nhiệt độ là một ứng dụng quan trọng trong việc giám sát động cơ. Thông qua việc sử dụng mô hình toán học của động cơ, cảm biến ảo có thể cung cấp thông tin về nhiệt độ bên trong động cơ mà không cần đến cảm biến vật lý. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu rủi ro hỏng hóc do việc lắp đặt cảm biến trong môi trường khắc nghiệt. Hệ thống sẽ thu thập và phân tích dữ liệu từ động cơ thực tế, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho việc bảo trì và vận hành.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống bản sao số và cảm biến ảo nhiệt độ hoạt động hiệu quả trong việc giám sát nhiệt độ của động cơ không đồng bộ ba pha. Dữ liệu nhiệt độ được thu thập và hiển thị qua hệ thống SCADA, cho phép người dùng theo dõi tình trạng của động cơ trong thời gian thực. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của động cơ mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng cường độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Đánh giá kết quả

Hệ thống đã cho thấy khả năng thu thập và phân tích dữ liệu nhiệt độ một cách chính xác. Các thông số nhiệt độ được ghi nhận từ cảm biến ảo đã có sự tương đồng cao với dữ liệu từ cảm biến vật lý, chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng cảm biến ảo trong giám sát động cơ. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống giám sát tự động trong công nghiệp.

3.2. Định hướng phát triển

Nghiên cứu có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại động cơ khác hoặc các thiết bị công nghiệp khác. Việc phát triển thêm các cảm biến ảo cho các thông số khác như áp suất, độ rung cũng sẽ giúp nâng cao khả năng giám sát và bảo trì thiết bị. Công nghệ bản sao số sẽ tiếp tục là một công cụ quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và bảo trì trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị phổ biến trong công nghiệp nhờ tính ổn định và khả năng điều khiển linh hoạt. Theo ước tính, tuổi thọ của động cơ phụ thuộc nhiều vào quá trình vận hành và bảo dưỡng, trong đó giám sát nhiệt độ là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động an toàn và kéo dài tuổi thọ. Tuy nhiên, việc đo nhiệt độ trực tiếp bên trong động cơ gặp nhiều khó khăn do cấu trúc phức tạp và môi trường làm việc khắc nghiệt. Do đó, việc xây dựng cảm biến nhiệt độ ảo dựa trên mô hình toán học của động cơ là giải pháp tối ưu để giám sát nhiệt độ theo thời gian thực.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng bản sao số (digital twin) của động cơ không đồng bộ ba pha và phát triển cảm biến nhiệt độ ảo nhằm thu thập, giám sát nhiệt độ động cơ trong quá trình vận hành. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022. Hệ thống nghiên cứu bao gồm mô hình thực tế với các thiết bị như động cơ không đồng bộ ba pha, máy phát điện DC, PLC, biến tần và các cảm biến vật lý; đồng thời xây dựng mô hình ảo gồm mô hình 3D, mô phỏng toán học và PLC ảo.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua khả năng giám sát nhiệt độ động cơ không cần cảm biến vật lý bên trong, giúp giảm thiểu rủi ro hỏng hóc, tối ưu hóa công tác bảo trì và nâng cao hiệu quả vận hành. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ bản sao số trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha và công nghệ bản sao số (digital twin). Mô hình toán học được xây dựng trong hệ quy chiếu αβ và dq, bao gồm các phương trình điện áp, từ thông và dòng điện của stator và rotor. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hệ quy chiếu αβ và dq: chuyển đổi các đại lượng điện áp và dòng điện ba pha sang hệ tọa độ vuông góc để đơn giản hóa phân tích và điều khiển.
• Mạch tương đương một pha: mô hình hóa động cơ qua các thành phần điện trở và điện cảm, phục vụ cho việc tính toán tổn hao và nhiệt độ.
• Bản sao số (Digital Twin): bản sao ảo của động cơ thực, bao gồm mô hình 3D, mô hình toán học và mô hình tự động hóa, cho phép mô phỏng và giám sát đồng thời với hệ thống thực.
• Cảm biến nhiệt độ ảo (Virtual Sensor): cảm biến được xây dựng dựa trên mô hình toán học để nội suy nhiệt độ bên trong động cơ mà không cần cảm biến vật lý.

Ngoài ra, luận văn còn áp dụng lý thuyết về tổn hao công suất và nội suy nhiệt độ dựa trên độ tăng nhiệt độ dây quấn stator, giúp xác định nhiệt độ ảo chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ hệ thống thực nghiệm gồm động cơ không đồng bộ ba pha, máy phát điện DC, PLC thực, biến tần và các cảm biến vật lý như cảm biến nhiệt độ RTD, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại, cảm biến dòng điện, điện áp và encoder đo tốc độ. Dữ liệu điện áp, dòng điện và tốc độ được PLC thực thu thập và truyền đến PLC ảo qua giao thức Modbus TCP/IP.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thử nghiệm DC, không tải và khóa rotor để nhận dạng các thông số điện trở, điện cảm và điện kháng của động cơ.
• Xây dựng mô hình toán học dựa trên các thông số thực nghiệm, mô phỏng trong hệ quy chiếu dq.
• Phát triển mô hình 3D và mô phỏng vật lý bằng phần mềm NX để tạo bản sao số.
• Lập trình PLC thực và PLC ảo để điều khiển, thu thập và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực.
• Xây dựng cảm biến nhiệt độ ảo dựa trên mô hình toán học và dữ liệu thu thập được.
• Thiết kế giao diện SCADA và ứng dụng điện thoại để giám sát nhiệt độ ảo và thực của động cơ.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một hệ thống động cơ không đồng bộ ba pha thực tế được mô phỏng song song với bản sao số. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 4 tháng, từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nhận dạng thông số động cơ: Thử nghiệm DC cho kết quả điện trở stator trung bình là 10,083 Ω, điện trở rotor 10,115 Ω. Điện cảm dây quấn stator và rotor lần lượt là 0,0339 H và 0,0789 H, điện cảm từ hóa 0,2407 H. Các thông số này được sử dụng để xây dựng mô hình toán chính xác.

2. Mô hình nhiệt và cảm biến ảo: Hệ số công suất nhiệt 𝐶𝑇 được xác định là 568,19 W-s/°C. Thời gian tăng nhiệt độ thực nghiệm là khoảng 665 giây, tương ứng với hệ số τ = -70. Mô hình nhiệt dựa trên phương trình nội suy nhiệt độ dây quấn stator cho phép tính toán nhiệt độ ảo sát với nhiệt độ thực tế.

3. Kết nối và trao đổi dữ liệu: Hệ thống PLC thực và PLC ảo kết nối thành công qua giao thức Modbus TCP/IP, truyền dữ liệu điện áp, dòng điện và tốc độ theo thời gian thực. Màn hình SCADA hiển thị đồng thời các thông số thực và ảo, giúp giám sát hiệu quả.

4. Độ chính xác cảm biến ảo: Nhiệt độ ảo đo được từ bản sao số có sai số nhỏ so với cảm biến vật lý, cho thấy khả năng nội suy nhiệt độ bên trong động cơ hiệu quả, hỗ trợ công tác bảo trì dự phòng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của nghiên cứu là do việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình toán học chính xác, thử nghiệm thực tế và công nghệ bản sao số hiện đại. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô hình toán hoặc cảm biến vật lý, nghiên cứu này tích hợp cả hai thành phần trong một hệ thống đồng bộ, nâng cao tính ứng dụng thực tiễn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nhiệt độ thực và nhiệt độ ảo theo thời gian, bảng thống kê các thông số điện trở và điện cảm thu được từ thử nghiệm, cũng như sơ đồ kết nối hệ thống PLC và SCADA. Việc này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của cảm biến ảo và tính khả thi của bản sao số trong giám sát động cơ.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu chi phí bảo trì, nâng cao độ tin cậy vận hành và mở rộng ứng dụng công nghệ digital twin trong ngành công nghiệp sản xuất và tự động hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống giám sát cảm biến ảo trong các nhà máy công nghiệp: Áp dụng bản sao số và cảm biến nhiệt độ ảo để giám sát động cơ không đồng bộ ba pha, nhằm giảm thiểu rủi ro hỏng hóc và tối ưu hóa bảo trì. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật tự động hóa chịu trách nhiệm.

2. Nâng cấp phần mềm SCADA và ứng dụng di động: Phát triển giao diện người dùng thân thiện, tích hợp cảnh báo sớm khi nhiệt độ ảo vượt ngưỡng an toàn. Mục tiêu tăng tỷ lệ phát hiện sự cố lên trên 90% trong vòng 3 tháng, do bộ phận IT và kỹ thuật vận hành phối hợp thực hiện.

3. Mở rộng nghiên cứu sang các loại động cơ khác: Áp dụng phương pháp xây dựng bản sao số và cảm biến ảo cho động cơ đồng bộ, động cơ servo nhằm đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 12-18 tháng, do các nhóm nghiên cứu kỹ thuật điện và tự động hóa đảm nhận.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ digital twin và cảm biến ảo để nâng cao kỹ năng vận hành và bảo trì thiết bị. Mục tiêu hoàn thành trong 6 tháng, do phòng đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chịu trách nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về xây dựng bản sao số và cảm biến ảo, giúp cải thiện kỹ năng thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển động cơ trong công nghiệp.

2. Nhà quản lý bảo trì thiết bị công nghiệp: Tham khảo để áp dụng công nghệ giám sát nhiệt độ ảo, từ đó lập kế hoạch bảo trì dự phòng hiệu quả, giảm thiểu thời gian chết máy và chi phí sửa chữa.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha, ứng dụng digital twin và phương pháp thử nghiệm thực tế.

4. Các công ty phát triển phần mềm SCADA và giải pháp công nghiệp 4.0: Nghiên cứu cung cấp cơ sở để phát triển các sản phẩm giám sát và điều khiển thông minh tích hợp bản sao số, nâng cao giá trị sản phẩm trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bản sao số (digital twin) là gì và có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   Bản sao số là mô hình ảo mô phỏng chính xác hệ thống thực tế, cho phép giám sát và điều khiển đồng thời. Trong nghiên cứu, nó giúp xây dựng cảm biến nhiệt độ ảo để theo dõi nhiệt độ động cơ không cần cảm biến vật lý.

2. Cảm biến nhiệt độ ảo hoạt động như thế nào?
   Cảm biến ảo dựa trên mô hình toán học động cơ và dữ liệu điện áp, dòng điện, tốc độ thu thập từ PLC thực để nội suy nhiệt độ bên trong động cơ, cung cấp thông tin theo thời gian thực mà không cần cảm biến vật lý.

3. Phương pháp nhận dạng thông số động cơ được thực hiện ra sao?
   Thông số được xác định qua các thử nghiệm DC, không tải và khóa rotor, đo điện áp, dòng điện và công suất để tính toán điện trở, điện cảm và điện kháng, làm cơ sở xây dựng mô hình toán chính xác.

4. Hệ thống PLC thực và PLC ảo kết nối như thế nào?
   Hai hệ thống kết nối qua giao thức Modbus TCP/IP, PLC thực đóng vai trò Master truyền dữ liệu điện áp, dòng điện, tốc độ sang PLC ảo để mô phỏng và tính toán nhiệt độ ảo, đảm bảo đồng bộ dữ liệu theo thời gian thực.

5. Lợi ích của việc sử dụng cảm biến nhiệt độ ảo trong công nghiệp là gì?
   Giúp giám sát nhiệt độ động cơ liên tục, giảm chi phí lắp đặt cảm biến vật lý, phát hiện sớm sự cố nhiệt độ, tối ưu hóa bảo trì và nâng cao độ tin cậy vận hành thiết bị.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công bản sao số động cơ không đồng bộ ba pha kết hợp mô hình 3D, mô hình toán học và PLC ảo.
• Phát triển cảm biến nhiệt độ ảo dựa trên mô hình toán học, cho phép giám sát nhiệt độ bên trong động cơ theo thời gian thực.
• Kết quả thử nghiệm và mô phỏng cho thấy nhiệt độ ảo có độ chính xác cao, phù hợp với yêu cầu giám sát công nghiệp.
• Hệ thống PLC thực và PLC ảo kết nối hiệu quả qua giao thức Modbus TCP/IP, dữ liệu được hiển thị trên SCADA và ứng dụng di động.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng công nghệ bản sao số trong các loại động cơ khác và phát triển giải pháp giám sát thông minh cho ngành công nghiệp.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa thuật toán cảm biến ảo, mở rộng quy mô thử nghiệm và phát triển các ứng dụng công nghiệp thực tế. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng công nghệ này để nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị.