Цифрові двійники електричних машин різних типів

Автор(и)

  • Владислав Плюгін Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова https://orcid.org/0000-0003-4056-9771
  • Євген Цегельник Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова
  • Олексій Словіковський Національний університет біоресурсів і природокористування України

DOI:

https://doi.org/10.33042/2079-424X.2024.63.2.01

Ключові слова:

цифровий двійник, асинхронний двигун, синхронна машина, постійний магніт, машина постійного струму, моделювання, перехідні процеси

Анотація

. Зростаючий попит на ефективність, надійність і прогнозне технічне обслуговування в промислових системах викликав значний інтерес до застосування цифрових близнюків електричних машин. Ця стаття має на меті розглянути ключові аспекти щодо створення цифрових двійників для деяких із найбільш часто використовуваних електричних машин, включаючи асинхронну машину з короткозамкненим ротором, машину постійного струму з лінійним електричним збудженням, машину постійного струму з постійними магнітами, синхронну машину з електричним збудженням і синхронну машину з постійними магнітами. Ці машини, критичні в різних галузях промисловості, вимагають точного моделювання та моніторингу в реальному часі для оптимізації їх продуктивності та терміну служби. Кожен тип машини створює унікальні завдання для цифрового двійника, наприклад, точне фіксування електромагнітних взаємодій у роторі з короткозамкненою кліткою або моделювання систем збудження в синхронних машинах і машинах постійного струму. У цій статті досліджуються методології подолання цих проблем, зосереджуючись на зборі даних, математичному моделюванні, які корисні у подальшому в аналізі у реальному часі та прогнозній діагностиці. У статті також висвітлюються переваги технології цифрового близнюка, зокрема підвищена ефективність роботи, скорочення часу простою завдяки прогнозному технічному обслуговуванню та оптимізоване керування за змінних умов навантаження. Крім того, обговорюється інтеграція цифрових близнюків у структурі Інтернету речей (IIoT), що відкриває шлях для більш автономних промислових середовищ. Висновки в цій статті дають важливу інформацію як для дослідників, так і для інженерів, які прагнуть запровадити цифрові двійники в системах електричних машин, сприяючи покращенню промислової автоматизації та управлінню життєвим циклом машини.

Біографії авторів

Владислав Плюгін, Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова

Доктор технічних наук, професор,
кафедра систем електропостачання та електроспоживання міст

Євген Цегельник, Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова

канд. техн. наук, старший дослідник,
кафедра автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій

Олексій Словіковський, Національний університет біоресурсів і природокористування України

аспірант каф.  автоматики та робототехнічних систем ім. акад. І.І. Мартиненка

Посилання

Reed, S., Löfstrand, M., & Andrews, J. (2021). Modelling cycle for simulation digital twins. Manufacturing Letters, 28, 54–58. https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2021.04.004

Gehrmann, C., & Gunnarsson, M. (2019). A digital twin based industrial automation and control system security architecture. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(1), 669–680. https://doi.org/10.1109/TII.2019.2938885

Qi, Q., Tao, F., Hu, T., Anwer, N., Liu, A., Wei, Y., ... & Nee, A.Y. (2021). Enabling technologies and tools for digital twin. Journal of Manufacturing Systems, 58, 3–21. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2019.10.001

Brovkova, M., Molodtsov, V., & Bushuev, V. (2021). Implementation specifics and application potential of Digital Twins of technological systems. The Inter-national Journal of Advanced Manufacturing Technology 117, 2279–2286. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07141-z

Mahmoodian, M, Shahrivar, F, Setunge, S, & Mazaheri, S. (2022). Development of digital twin for intelligent maintenance of civil infrastructure. Sustainability, 14(14), 8664. https://doi.org/10.3390/su14148664

Cimino, C., Negri, E., & Fumagalli, L. (2019). Re-view of digital twin applications in manufacturing. Computers in Industry, 113, 1–15. https://doi.org/10.1016/j.compind.2019.103130

Sinner, P., Daume, S., Herwig, C., & Kager, J. (2020). Usage of digital twins along a typical process development cycle. In C. Herwig, R. Pörtner, J. Möller (Eds.), Digital Twins. ABE, vol. 176 (pp. 71–96). Springer. https://doi.org/10.1007/10_2020_149

Kritzinger, W., Karner, M., Traar, G., Henjes, J., & Sihn, W. (2018). Digital twin in manufacturing: A categorical literature review and classification. IFAC-PapersOnline, 51(11), 1016–1022. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.08.474

Brandtstaedter, H., Ludwig, C., Hübner, L., Tsouchnika, E., Jungiewicz, A., & Wever, U. (2018). Digital twins for large electric drive trains. In 2018 Petroleum and chemical industry conference Europe (PCIC Europe) (pp. 1–5). IEEE. https://doi.org/10.23919/PCICEurope.2018.8491413

Rasheed, A., San, O., & Kvamsdal, T. (2020). Digital twin: Values, challenges and enablers from a modeling perspective. IEEE Access, 8, 21980–22012. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2970143

Hartmann, D., Herz, M., & Wever, U. (2018). Model order reduction a key technology for digital twins. In W. Keiper, A. Milde, S. Volkwein (Eds.), Reduced-Order Modeling (ROM) for Simulation and Optimization (pp. 167–179). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-75319-5_8

Adamou, A.A., & Alaoui, C. (2023). Energy efficiency model-based digital shadow for induction motors: towards the implementation of a digital twin. Engineering Science and Technology, an International Journal, 44, 101469. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101469

Pliugin, V., Petrenko, O., Grinina, V., Grinin, O., & Yehorov, A. (2017). Imitation model of a high-speed induction motor with frequency control. Electrical Engineering & Electromechanics, 6, 14–20. https://doi.org/10.20998/2074-272x.2017.6.02

Pliuhin, V., Zablodskiy, M., Sukhonos, M., Tsegelnyk, Y., & Piddubna, L. (2023). Determination of massive rotary electric machines parameters in ANSYS RMxprt and ANSYS Maxwell. In O. Arsenyeva, et al. (Eds.), Smart Technologies in Urban Engineering. STUE 2022. LNNS, vol. 536 (pp. 89–201). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-20141-7_18

Pliuhin, V., Tsegelnyk, Y., Plankovskyy, S., Aksonov, O., & Kombarov, V. (2023). Implementation of induction motor speed and torque control system with reduced order model in ANSYS Twin Builder. In D.D. Cioboată (Eds.). International Conference on Reliable Systems Engineering (ICoRSE) - 2023. ICoRSE 2023. LNNS, vol. 762 (pp. 514–531). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-40628-7_42

Pliuhin, V., Aksonov, O., Tsegelnyk, Y., Plankovskyy, S., Kombarov, V., & Piddubna, L. (2021). Design and simulation of a servo-drive motor using ANSYS Electromagnetics. Lighting Engineering & Power Engineering, 60(3), 112–123. https://doi.org/10.33042/2079-424X.2021.60.3.04

Pliuhin, V., Zaklinskyy, S., Plankovskyy, S., Tsegelnyk, Y., Aksonov, O., & Kombarov, V. (2023). A digital twin design of induction motor with squirrel-cage rotor for insulation condition prediction. International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics, 2023(14), 185–191. https://doi.org/10.17683/ijomam/issue14.22

Bensalem, Y., & Abdelkrim, M.N. (2016). Modeling and simulation of induction motor based on finite element analysis. International Journal of Power Electronics and Drive Systems, 7(4), 1100–1109. https://doi.org/10.11591/ijpeds.v7i4.pp1100-1109

Mersha, T.K., & Du, C. (2021). Co-simulation and modeling of PMSM based on ANSYS software and Simulink for EVs. World Electric Vehicle Journal, 13(1), 4. https://doi.org/10.3390/wevj13010004

Ferkova, Z. (2014). Comparison of two-phase induction motor modeling in ANSYS Maxwell 2D and 3D program. In 2014 ELEKTRO (pp. 279–284). IEEE. https://doi.org/10.1109/ELEKTRO.2014.6848902

Tikhonova, O., Malygin, I., & Plastun, A. (2017). Electromagnetic calculation for induction motors of various designs by “ANSYS maxwell. In 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) (pp. 1–5). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076294

ANSYS Inc. (2022). ANSYS Twin Builder Reference Guide.

Schilders, W. (2008). Introduction to model order reduction. In W. Schilders, H.A. Vorst, J. Rommes (Eds.), Model Order Reduction: Theory, Research Aspects and Applications. MATHINDUSTRY, vol. 13 (pp. 3–32). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-540-78841-6_1

Li, X., Niu, W., & Tian, H. (2024). Application of digital twin in electric vehicle powertrain: A review. World Electric Vehicle Journal, 15(5), 208. https://doi.org/10.3390/wevj15050208

Duan, H., & Tian, F. (2020). The development of standardized models of digital twin. IFAC-PapersOnLine, 53(5), 726–731. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2021.04.164

Guinea-Cabrera, M.A., & Holgado-Terriza, J.A. (2024). Digital twins in software engineering – A systematic literature review and vision. Applied Sciences, 14(3), 977. https://doi.org/10.3390/app14030977

Guo, H., Wang, S., Shi, J., Ma, T., Guglieri, G., Jia, R., & Lizzio, F. (2024). Dynamically updated digital twin for prognostics and health management: Application in permanent magnet synchronous motor. Chinese Journal of Aeronautics, 37(6), 244–261. https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.12.031

Liu, L., Guo, Y., Yin, W., Lei, G., & Zhu, J. (2022). Design and optimization technologies of permanent magnet machines and drive systems based on digital twin model. Energies, 15(17), 6186. https://doi.org/10.3390/en15176186

Ibrahim, R.A., & Zakzouk, N.E. (2022). A PMSG wind energy system featuring low-voltage ride-through via mode-shift control. Applied Sciences, 12(3), 964. https://doi.org/10.3390/app12030964

Ibrahim, M., Rjabtšikov, V., & Gilbert, R. (2023). Overview of digital twin platforms for EV applications. Sensors, 23(3), 1414. https://doi.org/10.3390/s23031414

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-08-30

Як цитувати

Плюгін, В., Цегельник, Є., & Словіковський, О. (2024). Цифрові двійники електричних машин різних типів. Світлотехніка, 63(2), 35–45. https://doi.org/10.33042/2079-424X.2024.63.2.01

Номер

Том 63 № 2 (2024): Світлотехніка та Електроенергетика

Розділ

Електроенергетика

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Світлотехніка та Електроенергетика

Creative Commons License

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

   Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).