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研究生: 曾昱翔
Tseng, Yu-Hsiang
論文名稱: 三相感應馬達參數量測系統之數位孿生平台開發
Development of Digital Twin Platform for Three-phase Induction Motor Parameter Measurement System
指導教授: 蔡明祺
Tsai, Mi-Ching
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2024
畢業學年度: 113
語文別: 中文
論文頁數: 145
中文關鍵詞: 馬達參數量測感應馬達數位孿生
外文關鍵詞: Motor Parameter Measurement, Induction Motor, Digital Twin
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  • 現今,三相感應馬達日益進步,且廣泛的應用於多元市場大至提煉鋼鐵之鼓風機,小至自動門上的小型馬達,因此本研究旨在探討感應馬達生產過程中,量測電氣參數與原始設計之間可能出現的誤差。這些誤差會導致馬達性能異常,進而影響其正常運行及使用壽命。為解決此問題,本研究提出與傳統量測感應馬達測量所對應模型於虛擬數位孿生平台,並於虛擬端完成對馬達參數量測,之於不同工況測驗環境下實際端進行對比。
    由於三相感應馬達為高度耦合且非線性之模型,本研究將基於感應馬達原始架構進行推導,從架構相對容易推導之單相變壓器至三相變壓器探討三相間電磁感應再依序整理至相對複雜非線性之三相感應馬達,此整體推導架構有助於將整體感應馬達內部資訊的模組化並將所需之資訊可視化,通過上述虛擬模型透過改變輸入電壓、電流等不同工況下獲得電氣參數,並對比實際工況下對比實測所獲得電氣參數。最後,利用台達變頻器以及Baker Exp4000進行虛實感應馬達特性對比,依此判斷數位孿生系統正確性以及準確度。本研究為量測感應馬達方面提出新想法以及規劃,不僅減少量測時間以及損耗,且其數位孿生並具備重要的理論意義。

    With the rapid advancement of three-phase induction motors, these systems have become indispensable across a wide range of industries, from large-scale applications like blowers in steel refining to small-scale uses such as motors in automatic doors. Ensuring the precision of electrical parameters during production is critical, as any discrepancies from the original design can lead to abnormal motor performance, reduced efficiency, and a shortened lifespan.
    This study aims to address these challenges by proposing a virtual digital twin platform for induction motor parameter measurement. Unlike traditional measurement methods, this approach enables parameter analysis in a virtual environment and comparison with actual measurements across various operational scenarios.
    The research begins with a simplified derivation based on single-phase transformer models, progressing to the more complex nonlinear three-phase induction motor system. This structured derivation facilitates the modularization and visualization of motor internal data. The virtual model enables the analysis of electrical parameters under diverse conditions, such as changes in input voltage and current, which are then compared against real-world test results.
    To validate the proposed approach, a Delta inverter and Baker Exp4000 are used for comprehensive virtual and physical tests, ensuring the digital twin system's accuracy and reliability. This innovative method reduces measurement time, minimizes energy losses, and provides significant theoretical contributions to the field of induction motor parameter analysis and digital twin technology.

    中文摘要 II Abstract III 致謝 XVIII 圖目錄 XXII 表目錄 XXVII 符號表 XXIX 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 3 1.2.1感應馬達量測規範 4 1.2.2傳統感應馬達實際量測參數[5] 5 1.2.3單相變壓器模型以及對應之感應電機[6] 6 1.2.4三相鼠籠式感應馬達建模 8 1.2.5變頻器自適應量測架構 9 1.2.6雙埠網路以及數位孿生 10 1.4研究目的 13 1.5論文章節概要 15 第二章 單相變壓器三相變壓器模型建立以及參數量測 17 2.1單相變壓器建模 17 2.2虛實功率以及功因角 18 2.3單相變壓器量測 20 2.3.1單相變壓器直流測試 21 2.3.2單相變壓器開路測試 22 2.3.3單相變壓器短路測試 25 2.4三相變壓器建模以及參數量測 29 2.4.1 三相變壓器模型座標軸轉換 32 2.4.2 單相變壓器→三相變壓器建模 34 2.4.3 三相變壓器量測 38 第三章 三相感應馬達理論建模以及量測參數 52 3.1變壓器與感應馬達架構推導 52 3.2三相鼠籠式感應馬達量測 54 3.2.1三相鼠籠式感應馬達直流測試 55 3.2.2三相鼠籠式感應馬達堵轉測試 57 3.2.3三相鼠籠式感應馬達空載測試 59 3.3三相鼠籠式感應馬達動態架構 61 3.3.1三相鼠籠式感應馬達動態模型定子電感整理 63 3.3.2三相鼠籠式感應馬達動態模型轉子電感整理 64 3.3.3三相鼠籠式感應馬達動態模型定子電壓方程式 66 3.3.4三相鼠籠式感應馬達動態模型轉子電壓方程式 67 3.3.5三相鼠籠式感應動態模型馬達扭矩方程式 67 3.3.6三相鼠籠式感應動態模型馬達電樞扭矩端 68 3.3.7三相鼠籠式感應馬達動態模型機械端 68 3.3.8三相鼠籠式感應馬達動態模型統整 69 第四章 三相鼠籠式感應馬達實測以及數位孿生驗證 71 4.1實驗系統架構與軟硬體介紹 71 4.1.1三相鼠籠式感應馬達 71 4.1.2硬體端 72 4.1.3軟體端 77 4.2實際實驗流程以及記錄數據 78 4.2.1配線確認 78 4.2.2電源測定 79 4.2.3實際直流測試 80 4.2.4實際堵轉測試 81 4.2.5實際空載測試 83 4.2.6實際參數結果 85 4.3 數位孿生參數驗證以及特性驗證 86 4.3.1直流測試數位孿生 86 4.3.2空載測試數位孿生 87 4.3.3堵轉測試 88 4.3.4虛擬參數以及實際參數對比 88 4.3.5變頻器驗證 89 4.3.6 飽和電感對應之數位孿生分析 91 4.3.7 動力計特性曲線Baker以及數位孿生對比分析 93 4.3.8 實驗結論 101 第五章 結論與未來建議方向 102 5.1 結論 102 5.2 未來建議方向 103 參考資料 104

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