Experimental Electrical Parameter Identification and Model Validation of an Induction Motor for Digital Twin Applications
यह शोध पत्र एक डिजिटल ट्विन फ्रेमवर्क के भीतर एक इंडक्शन मोटर के विद्युत मापदंडों की पहचान करने और उन्हें मान्य करने के लिए एक प्रयोगात्मक कार्यप्रणाली प्रस्तुत करता है, जो विभिन्न परिचालन स्थितियों में न्यूनतम सिमुलेशन त्रुटि के साथ एक अत्यधिक सटीक टाइम-डोमेन मॉडल प्राप्त करने के लिए सिंक्रोनाइज्ड मापन और स्टेडी-स्टेट परीक्षणों का उपयोग करता है।
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आधुनिक औद्योगिक दुनिया में, भारी मशीनरी पहियों को घुमाने, तरल पदार्थों को पंप करने और कन्वेयर बेल्ट चलाने के लिए इलेक्ट्रिक मोटरों पर निर्भर करती है। इनमें से, इंडक्शन मोटर एक कार्यवाहक (वर्कहॉर्स) है, जो एक मजबूत उपकरण है जो अपने घूमते हुए हिस्सों के साथ सीधे विद्युत संपर्क की आवश्यकता के बिना बिजली को गति में बदल देता है। इन मशीनों को कुशलतापूर्वक चलाने और यह अनुमान लगाने के लिए कि वे कब विफल हो सकती हैं, इंजीनियर अक्सर एक "डिजिटल ट्विन" बनाते हैं। यह उस भौतिक मोटर की एक आभासी प्रति है जो कंप्यूटर के भीतर रहती है। इस आभासी प्रति के उपयोगी होने के लिए, इसे वास्तविक मशीन की तरह ही व्यवहार करना चाहिए। यदि कंप्यूटर मॉडल यह सोचता है कि मोटर वास्तव में जितनी है उससे अधिक या कम शक्तिशाली है, तो रखरखाव या प्रदर्शन के बारे में इसके द्वारा किए गए अनुमान गलत होंगे। चुनौती एक विशिष्ट मोटर के सटीक आंतरिक विद्युत मूल्यों को समझने में निहित है, क्योंकि ये मान इस आधार पर थोड़े बदल सकते हैं कि मोटर का निर्माण कैसे किया गया है और इसका उपयोग कैसे किया जाता है। इन सटीक नंबरों के बिना, डिजिटल ट्विन एक विश्वसनीय प्रतिलिपि के बजाय केवल एक कच्चा रेखाचित्र मात्र है।
तिराना पॉलिटेक्निक विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक इंडक्शन मोटर के लिए अधिक भरोसेमंद डिजिटल ट्विन बनाने का लक्ष्य रखा, जिसके लिए उन्होंने मोटर के वास्तविक व्यवहार को सावधानीपूर्वक मापा और उन मापों को कंप्यूटर मॉडल में अनुवादित किया। उन्होंने एक टेस्ट बेंच बनाने के साथ शुरुआत की जहाँ एक छोटी इलेक्ट्रिक मोटर को एक जनरेटर से जोड़ा गया था, जो एक लोड के रूप में कार्य करता था ताकि कारखाने में मोटर द्वारा सामना किए जाने वाले प्रतिरोध का अनुकरण किया जा सके। मोटर के वास्तविक स्वरूप को समझने के लिए, वे निर्माता के सामान्य विनिर्देशों (स्पेसिफिकेशन) पर भरोसा नहीं करते थे। इसके बजाय, उन्होंने व्यावहारिक प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने मोटर के चलने के दौरान, उसके शाफ्ट को लॉक करके स्थिर अवस्था में रहने के दौरान, और बिना किसी लोड के स्वतंत्र रूप से घूमने के दौरान मोटर में प्रवाहित होने वाले वोल्टेज और करंट को मापा। चूंकि इन परीक्षणों में उपयोग की जाने वाली बिजली आपूर्ति एक ऊबड़-खाबड़, उच्च-आवृत्ति वाला सिग्नल उत्पन्न करती है जो वास्तविक विद्युत प्रवाह को धुंधला कर सकता है, इसलिए शोधकर्ताओं ने शोर (नॉइज़) को फ़िल्टर करने के लिए एक गणितीय तकनीक का उपयोग किया। इसने उन्हें बिजली के उस सुचारू, मौलिक तरंग को अलग करने की अनुमति दी जो वास्तव में मोटर को चलाती है, जिससे पावर कनवर्टर के कारण होने वाले विद्युत स्टैटिक को हटाया जा सका।
इन साफ मापों के साथ, टीम ने मोटर के विशिष्ट विद्युत गुणों की गणना की, जैसे कि इसके आंतरिक तारों का प्रतिरोध और इंडक्टेंस, जो इस बात का माप है कि मोटर चुंबकीय ऊर्जा को कैसे संग्रहीत करती है। उन्होंने इन मानों को मानक परीक्षणों का उपयोग करके निर्धारित किया: स्थिर वाइंडिंग के प्रतिरोध को खोजने के लिए एक डायरेक्ट करंट परीक्षण, मोटर के व्यवहार को समझने के लिए जब वह घूम नहीं सकती (लॉक्ड-रोटर) परीक्षण, और यह देखने के लिए कि वह स्वतंत्र रूप से चलते समय चुंबकीय क्षेत्रों को कैसे संभालती है, एक नो-लोड परीक्षण। एक बार जब उनके पास ये नंबर आ गए, तो उन्होंने एक सिमुलेशन वातावरण में एक समय-आधारित कंप्यूटर मॉडल बनाया। इस मॉडल को मोटर की विद्युत प्रतिक्रियाओं की प्रति सेकंड नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। यह सुनिश्चित करने के लिए कि मॉडल वास्तव में सटीक है और केवल भाग्यशाली नहीं है, उन्होंने इसे उन समय अवधियों के डेटा के विरुद्ध परखा जिनका उपयोग उन्होंने नंबरों की गणना के लिए नहीं किया था। यह अलगाव महत्वपूर्ण था; इसका अर्थ था कि यदि मॉडल वास्तविक मोटर से मेल खाता है, तो यह इसलिए था क्योंकि मॉडल मौलिक रूप से सही था, न कि इसलिए कि शोधकर्ताओं ने केवल उस विशिष्ट क्षण में फिट होने के लिए नंबरों में हेरफेर किया था।
परिणामों ने दिखाया कि कैलिब्रेटेड मॉडल उल्लेखनीय रूप से सटीक था। जब शोधकर्ताओं ने मोटर के शाफ्ट को लॉक करके उसका अनुकरण किया, तो कंप्यूटर का करंट का पूर्वानुमान वास्तविक माप के लगभग पूर्ण रूप से मेल खाया, जिसमें अंतर इतना कम था कि उसे मापना भी कठिन था। उन परीक्षणों में जहाँ मोटर विभिन्न गति पर स्वतंत्र रूप से घूम रही थी, मॉडल ने उच्च सटीकता के साथ वास्तविक मोटर के व्यवहार को ट्रैक करना जारी रखा, और विभिन्न आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) के बीच करंट के प्रवाह की बारीकियों को पकड़ा। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनके मॉडल में मोटर के कोर में गर्मी के रूप में नष्ट होने वाली ऊर्जा के लिए एक विशिष्ट घटक शामिल नहीं था, फिर भी सिमुलेशन और वास्तविकता के बीच का तालमेल मजबूत बना रहा, जिसमें सिम्युलेटेड करंट ने मापे गए करंट का बारीकी से अनुसरण किया। यह सफलता दर्शाती है कि उनके द्वारा विकसित पद्धति एक ऐसा डिजिटल ट्विन तैयार कर सकती है जो भौतिक रूप से सुसंगत और विश्वसनीय है। यह सिद्ध करके कि ऑफलाइन मापों से बना मॉडल वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन की भविष्यवाणी सटीक रूप से कर सकता है, यह अध्ययन भविष्य की प्रणालियों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है जो मोटरों की वास्तविक समय में निगरानी करेंगे, और विफलताओं को होने से पहले रोकने के लिए बदलते परिवेश के अनुसार अपने आंतरिक गणनाओं को समायोजित करेंगे।
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