автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Диагностическое обеспечение исполнительного устройства гребной электрической установки переменного тока

На правах рукописи

Та Тхань Хай

ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - «электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о АПР ¿С!3

Санкт-Петербург - 2013

005052269

005052269

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), кафедра систем автоматического управления

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент

Бруслиновский Борис Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Дмитриев Борис

Федорович, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, профессор кафедры электротехники и электрооборудования судов

кандидат технических наук, доцент, Амбросовский Виктор Михайлович, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, доцент кафедры корабельных систем управления.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения.

Защита состоится « 27 » марта 2013 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина).

Автореферат разослан « 26 » февраля 2013 года.

Ученый секретарь

Совета по защите докторских и кандидатских Диссертаций Д 212.238.05 кандидат технических наук

М.П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современных морских судах установлены многочисленные и разнообразные механизмы и системы, обеспечивающие работу энергетической установки и судовых устройств, в том числе и гребной электрической установки (ГЭУ). В основном механизмы приводятся в действие с помощью электроприводов, а в ГЭУ - исполнительного устройства (ИУ). С ростом мощности установленных на судах исполнительных устройств возрастают и требования безопасности, безотказности и долговечности к эксплуатации. Такие требования могут быть обеспечены путем установления устройств защиты, однако такой подход усложняет схему, что и снижает надежность ИУ ГЭУ. Техническая диагностика, благодаря теории, методам и средствам диагностирования, позволяет определить техническое состояние (запас работоспособности) ИУ ГЭУ, обнаруживать дефекты и устранить подобные отказы путем технического обслуживания и ремонта.

Высокой эффективности эксплуатации ИУ ГЭУ можно достичь только в том случае, когда объект работоспособен, т.е. он выполняет заданные функции с параметрами, установленными нормативно - технической документацией. Обеспечение безотказности и контролепригодности становится возможным, если в процессе проектирования объекта разработано диагностическое обеспечение (ДО). ДО разрабатывается на втором этапе проектирования системы диагностирования, параллельно с проектированием технических средств диагностирования и деятельности оператора. ДО позволяет проектировщику принимать объективные решения при разработке структуры и конструкции объекта.

Таким образом, задачи ДО, связанные с поддержанием безотказности и повышением контролепригодности являются актуальными и решаются в рамке данной работы на основе технической диагностики, судовых электроприводов и гребных электрических установок, которые получили в последнее время теоретическое и прикладное развитие отечественными и зарубежными учеными.

Цель диссертационной работы - поддержание безотказности и повышение контролепригодности исполнительного устройства гребной электрической установки при эксплуатации судна по назначению за счет формирования совокупности диагностических параметров и построения алгоритма поиска дефектов при снижении его степени работоспособности.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ и обоснование актуальности диагностического обеспечения ИУ ГЭУ переменного тока;

2. Формирование перечня оцениваемых диагностических показателей и условий работоспособности ИУ ГЭУ, определение признаков наличия дефектов;

3. Разработка и анализ диагностических моделей типов ИУ ГЭУ для определения контрольных точек и построения алгоритма поиска причин, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока;

4. Построение математических моделей элементов ИУ ГЭУ переменного тока для разработки его диагностических моделей в САПР Oread;

5. Исследование влияния дефектов элементов на степень работоспособности ИУ ГЭУ.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач

использовались методы теории графов, теории автоматического управления, теории чувствительности, компьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктов.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Диагностические модели (ДМ) ИУ ГЭУ переменного тока (с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения) в виде диаграммы прохождения сигналов (ДПС), анализ ДМ методом теории чувствительности.

2. Процедура разработки диагностического обеспечения ИУ ГЭУ. Алгоритм поиска причин, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ. Алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ.

3. Диагностические модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, синхронного двигателя с обмоткой возбуждения и гребного винта, построенные в САПР Oread.

4. Метод исследования влияния дефектов элементов ИУ ГЭУ на его работоспособность использованием САПР Oread.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Диагностические модели (ДМ) ИУ ГЭУ переменного тока (с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения) в виде диаграммы прохождения сигналов (ДПС), анализ ДМ методом теории чувствительности, отличающиеся тем, что в их основу положены методы и структурные схемы векторного управления электроприводами.

2. Процедура разработки диагностического обеспечения ИУ ГЭУ, алгоритм поиска причин, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ, алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ, отличающийся тем, что анализ получаемых по этому методу таблиц чувствительности позволяет выбрать последовательные контрольные точки для проверки состояния ИУ ГЭУ, что дает возможность построения алгоритма поиска дефектов, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ.

3. Диагностические модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, синхронного двигателя с обмоткой возбуждения и гребного винта, построенные в САПР Oread, отличающиеся тем, что позволяют изменять параметры элементов ИУ ГЭУ в широких диапазонах и имитировать переход ИУ ГЭУ из области работоспособности в область неработоспособности и наоборот.

4. Метод исследования влияния дефектов элементов ИУ ГЭУ на его работоспособность использованием САПР Oread, отличающиеся тем, что путем моделировании дефектов на основе анализа выходных характеристик в заданных контрольных точках диагностической модели определяется запас работоспособности ИУ ГЭУ.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов данной работы обусловливается корректным использованием указанных выше методов, применением современных компьютерных средств и программных комплексов, а также результатами экспериментального исследования разработанных в работе диагностических моделей разных типов ИУ ГЭУ переменного тока в лабораторных условиях.

Значимость полученных результатов для теории и практики:

Теоретическая значимость работы обусловлена её новизной и заключается в развитии актуального научного направления, связанного с разработкой диагностических моделей ИУ ГЭУ переменного тока в виде диаграммы прохождения сигналов. Исследование разработанных моделей с применением теории графов, теории чувствительности и метод оценки по частотным характеристикам передаточных функций, позволяет определить контрольные точки и построить алгоритм поиска причин, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ.

Практическая ценность результатов работы:

- созданы полезные в инженерном проектировании модели разных типов ИУ ГЭУ переменного тока, подлежащие к диагностированию, применимые в условиях ограниченного объема априорных сведений об объектах (паспортных данных гребных электродвигателей и гребного винта, неопределенности изменения параметров элементов ИУ ГЭУ);

- разработан метод имитации и исследования влияния дефектов, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ, современными компьютерными средствами в учебном процессе.

Внедрение результатов работы. Теоретические положения, методики расчета и конкретные структуры семейства адаптивных систем использованы в:

• рабочем проектировании организации систем диагностировании электроприводов универсальных и транспортных судов;

• программном комплексе для расчета частотных характеристик функций передачи и ранжирования диагностических параметров ИУ ГЭУ (2012 г.), № 2012619612;

• методическом указании к лабораторным работам по дисциплине «Надежность и техническая диагностика судового оборудования и автоматики» с названием «Исследование влияния дефектов на работоспособность ИУ ГЭУ переменного тока». Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты

диссертационной работы докладывались на 5 международных и всероссийских научно -технических конференциях: на XXVIII международной межвузовской школе - семинаре «Методы и средства диагностики в технике и социуме» (2011 г., г. Иванофранковск, Украина), Э65 всероссийской научно - практической конференции «Энергосбережение в промышленности» (2012 г., г. Чевоксары), I всероссийском конгрессе молодых ученых (2012 г., г. Санкт-Петербург), 64-м и 65-м научно — технических конференциях профессорско — преподавательского состава университета в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2011 и 2012 гг.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, в том числе 4 статьи (из них 3 статьи - в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК), 4 работ в материалах международных и всероссийских научно - технических конференциях и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012619612.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 89 наименований, и трех приложений. Работа содержит 95 рисунков и 13 таблиц. Основная часть работы изложена на 160 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определена область, исследований, сформулированы цель и задачи исследования диссертации, изложены основные результаты, выносимые на защиту, их теоретическая и практическая значимости, отражены о реализации и апробации работы.

В первой главе проведена классификация используемых типов ИУ ГЭУ в отрасли судостроения, на основе которой выбран ИУ ГЭУ переменного тока в качестве объекта диагностирования, выполнен анализ ИУ ГЭУ переменного тока как объекта диагностирования. Проанализированы два основных свойств надежности ИУ ГЭУ: безотказность и ремонтопригодность. Рассмотрены причины снижения работоспособности ИУ ГЭУ и процентное распределение его отказов. Перечислены методы диагностирования элементов ИУ ГЭУ переменного тока, включающие в себя метод теплового диагностирования, метод ударных импульсов, метод спектрального анализа, метод анализ спектров модулей векторов Парка тока и напряжения и логический метод. Сформулирована характеристика ИУ ГЭУ переменного тока как объекта диагностирования.

Возможные способы поддержания безотказности и повышения ремонтопригодности ИУ ГЭУ переменного тока могут быть:

- разработка новых конструкций ИУ ГЭУ, исходя из особенностей ее эксплуатации и места на судне;

- правильный выбор режима работы элементов ИУ ГЭУ;

- автоматизация изготовления элементов массового использования с целью снижения влияния субъективных факторов в производстве;

- включение устройств защиты;

- снабжение ИУ ГЭУ средствами технического диагностирования.

Сформулирована процедура решения общей задачи диагностического обеспечения ИУ ГЭУ переменного тока, включающая теоретический анализ диагностических моделей в виде ДПС и экспериментальное исследование диагностических моделей ИУ ГЭУ в САПР Oread. Общая процедура разработки диагностического обеспечения показана на рис. 1.

Рис. 1. Общая процедура разработки диагностического обеспечения ИУ ГЭУ Во второй главе Проведена классификация диагностических моделей непрерывных объектов, а в частности - исполнительного устройства гребной электрической установки, на основе результата которой выбрана диаграмма прохождения сигналов в качестве диагностической модели. Построены диагностические модели ИУ ГЭУ переменного тока в виде ДПС на основе их структурных и функциональных схем. Анализ ДМ осуществляется методом теории чувствительности, на основе результата которой выбраны контрольные точки (диагностические показатели). Разработаны алгоритм и программа расчета чувствительности функции передачи по частотным характеристикам, построен алгоритм поиска причин, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока. Разработан алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ.

Под термином «диагностическая модель» объекта подразумевается его формальное описание с помощью математических или графических представлений. При построении диагностической модели необходимо располагать о нем определенными сведениями, такими как структура, законы управления и регулирования, регулируемые процессы и др. Классификация диагностических моделей ИУ ГЭУ приведена на рис. 2.

Рис. 2. Классификация диагностических моделей ИУ ГЭУ переменного тока

В математических представлениях диагностические модели ИУ ГЭУ могут быть линейные или нелинейные алгебраические уравнения, линейные (передаточные функции, характеристические уравнения) или нелинейные дифференциальные уравнения. В качестве графического представления диагностические модели ИУ ГЭУ могут быть диаграмма прохождения сигналов, которая представляет собой ориентированный граф - графическое изображение соотношений между переменными. Установлено, выбрана диаграмма прохождения сигналов в качестве диагностической модели ИУ ГЭУ переменного тока для исследования.

Построение диагностических моделей ИУ ГЭУ в виде диаграммы прохождения сигналов осуществляется на основе его функциональных схем, причем узлы диаграммы соответствуют переменным (параметрам ИУ ГЭУ) и обозначаются буквой и с индексом соответствующего сигнала, а ветви диаграммы соответствуют операторам - передаточным функциям (из узла к узлу), обозначенные соответствующей функцией с указанием направления действия.

Диагностическая модель ИУ ГЭУ с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором показана на рис. 3.

ротором

Диагностическая модель с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения представлена на рис. 4.

Рис. 4. Диагностическая модель с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения По теории чувствительности операторы в разных степенях влияют на чувствительность функции передачи объекта (т.е. его работоспособность) в зависимости от их места расположения на диаграмме. Степень влияния каждого оператора может быть определена относительной чувствительности функции передачи объекта к нему. Относительная чувствительность определяется по формуле:

уТт _ дЪ1Г„ _ 81У0, Т^ = и„ы Т^ Э1пГа 8ТИ ГГ01 т" 1У0/ Результат вычисления чувствительности функции передачи вписывается в таблицу, в каждой строке которой записываются чувствительности одной функции передачи ТУу ко всем т операторам ветвей 7*, а в каждом столбце записываются чувствительности всех п функций

передачи к изменению одного к - го оператора 7*, к = \,т (табл. 1).

Анализ таблицы осуществляется сравнением суммы всех чувствительностей одной строки к другой, в результате получается последовательность упорядочения функций передачи по их чувствительности:

т т т

Щ, если: >~>ХК" >->2Х~

*=1 *=1 *=1 На основе упорядочения функций передачи можно определить контрольные точки (рис. 3, 4), которые сформируют совокупность диагностических показателей ИУ ГЭУ с:

- асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

5ИУГЭУ-АД = (41а, У2, ¡'¡р, ¡¡р, ю)\ где и^ - продольная составляющая напряжения на выходе ПЧ (КТ1), у/2 -потокосцепление ротора (КТ2), и/р - поперечная составляющая напряжения на выходе ПЧ (КТЗ), ¡¡р - поперечная составляющая тока обмотки статора (КТ4) и со - частота вращения вала АД (КТ5);

- синхронным двигателем с обмоткой возбуждения

Биугэу-СД = ('р, (о, 'о. */);

где ¡//; - поперечная составляющая тока обмотки (КТ1), со - частота вращения вала СД (КТ2), ¡¡а - продольная составляющая тока обмотки (КТЗ), г/- ток обмотки возбуждения (КТ4).

Функции передачи щ Операторы ветвей Т¿

Т, п Тт

Wo, У: У":

...

щ К1

...

W " nm УтГ у.- УгГ

При каждой контрольной точке на ДМ имеется последовательность проверки состояния ИУ ГЭУ. Для построения алгоритма поиска причин, приводящих к снижению работоспособности объекта, используется метод вычисления чувствительности функций передачи по частотным характеристикам. Причем логарифмическая чувствительность одной функции передачи к 1-му оператору определяется следующим образом:

д\пА{а) дЛ(со) А, (а) дЫ(р(а)) 3<p(co) (р,(ы)

9 ln А, (со) дА,(ш) Л(ш) a In (р, ( új ) д<р,((о) tp(oj)

где Л(со), ip(co) и Ai со), ф/(ш) - амплитудные и фазовые частотные характеристики ИУ ГЭУ /-го оператора соответственно.

Алгоритм вычисления значений критерия u¡ показан на рис. 5. На основе данного алгоритма создан программный комплекс для расчета частотных характеристик функций передачи и ранжирования диагностических параметров ИУ ГЭУ с помощью компьютерным средством Delphi 7.

Результат вычисления программ позволяет определить последовательность проверки операторов для разных контрольных точек:

- ИУ ГЭУ с АД с короткозамкнугым ротором

• Для контрольной точки КТ1: Т34, Т23, Toi, Т12, T4Í, Т42, T¡¡;

• Для контрольной точки КТ2: Т34, Т23, Toi, Tu, Т42',

• Для контрольной точки КТЗ: R34, R45, Rey, R23, R12, R¡6, Roi, R?s, R53, R? 1, R62;

• Для контрольной точки KT4: Rjj, R4¡, R23, R12, Roi, R53',

• Для контрольной точки КТ5: R34, R23, Ri2, Roi;

- ИУ ГЭУ с СД с обмоткой возбуждения

• Для контрольной точки КТ1: G34, G23, G45, G¡2, G01, G¡6, G¡¡, G42;

• Для контрольной точки КТ2: G34, G23, Gn, G01, G42\

• Для контрольной точки КТЗ: H23, H 12, Hoi, Нз\\

• Для контрольной точки KT4: Fu, F12, Foi, F3\.

С_Начало )

Ввод функциональной схемы ИУ

Ввод количества операторов и0, числа контрольных точек КТ, число контуров пк, технических параметров ИУ. Фиксированной частоты со

Рис. 5. Алгоритм расчета чувствительностей частотных характеристик ФП ИУ ГЭУ На основе выбранных контрольных точек и ранжирования степени влияния операторов можно построить алгоритмы поиска причин, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока. Алгоритм для ИУ ГЭУ с АД с короткозамкнутым ротором показан на рис. 6.

Рис. 6. Алгоритм поиска дефектов ИУ ГЭУ с АД с короткозамкнутым ротором

Рис. 7. Алгоритмы поиска дефектов ИУ ГЭУ с СД с обмоткой возбуждения Алгоритм для ИУ ГЭУ с СД с обмоткой возбуждения показан на рис. 7.

Оценка достоверности процесса диагностирования ИУ ГЭУ осуществляется путем

сравнения заданного значения вероятности Ро с величиной вероятности р(п,т), которая рассчитывается по формуле:

п т

Р(.»> ™)=-г-'4-,

(=1

где 5у - прямые и косвенные диагностические признаки; п, т - числа оцениваемых соответственно прямых и косвенных диагностических признаков; к] - коэффициенты, учитывающие безотказность основных частей объекта, участвующих в формировании данного признака; сь с^ — коэффициенты,

учитывающие важность признаков ^'¡.у.

Алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ переменного тока приведен на рис. 8.

Рис. 8. Алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ

В третьей главе представлено математическое описание компонентов ИУ ГЭУ переменного тока. Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть представлена в фазных координатах abc и в физических единицах. Математическая модель синхронного двигателя может быть описана в ортогональных роторных координатах dq ив относительных единицах. Математическая модель гребного винта построена на основе кривых универсальных коэффициентов (кривых Папмеля).

Предложена процедура создания иерархических схем и проекта моделирования в САПР Oread. Обоснованы способы графического решения алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих работу компонентов ИУ ГЭУ переменного тока, которые позволяют построить иерархические схемы и создать проекты имитационного моделирования ИУ ГЭУ. Построены диагностические модели отдельных компонентов на основе математического описания и применения процедур создания иерархических схем и проектов моделирования. Разработаны общие схемы ИУ ГЭУ переменного тока для исследования его работоспособности.

Диагностическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором построена на основе графического решения алгебраических и дифференциальных уравнений математического описания в фазных координатах abc, и паспортных данных асинхронного двигателя типа АМ 101 — 2. Разработанная диагностическая схема АД с короткозамкнутым ротором показана на рис. 9, а его компактная форма в библиотеке Oread представлена на рис. 10.

Рис. 9. Схема АД с короткозамкнутым ротором Рис. 10. Форма АД в

библиотеке Oread

Диагностическая модель синхронного двигателя с обмоткой возбуждения разработана на основе графического решения алгебраических и дифференциальных уравнений математического описания в ортогональных роторных координатах dq, и паспортных данных синхронного двигателя типа МСС 115 - 8. Входными сигналами для схемы СД являются трехфазные напряжения питания, момент сопротивления гребного винта, приложенный на валу СД и постоянное напряжение питания обмотки возбуждения, а выходным сигналом является частота вращения гребного вала.

Диагностическая схема синхронного двигателя с обмоткой возбуждения представлена на рис. 11, а его компактная форма в библиотеке Oread показана на рис. 12.

R1

Рис. 11. Схема СД с обмоткой возбуждения Рис. 12. Форма СД в

библиотеке Oread

Диагностическая модель гребного винта фиксированного шага построена на основе решения графического решения алгебраических и дифференциальных уравнений математического описания гребного винта. Динамика ГВ характеризуется универсальными коэффициентами упора Кт и момента Км. Эти коэффициенты сохраняют конечные значения при любом значении частоты вращения ГВ.

Диагностическая схема гребного винта фиксированного шага представлена на рис. 13, а его компактная форма в библиотеке Oread показана на рис. 14.

EVALUE V(signvc)'V(M)

f——P"

-IIN-

EVALUE V(signvc)*V(T)

rfL

EVALUE (1/(10'm))'(V(Trb)-V(R))

Рис. 13. Схема ГВ фиксированного шага Рис. 14. Форма ГВ в

библиотеке Oread

В третьем главе разработаны диагностические ИУ ГЭУ переменного тока, которые дают возможность имитировать различные дефекты, приводящих к снижению работоспособности или отказу ИУ ГЭУ.

В четвертой главе представлен метод исследования работоспособности ИУ ГЭУ с применением САПР Oread, который позволяет проанализировать характеристики при возникновении дефектов, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ. Рассмотрено влияние на работоспособность ИУ ГЭУ изменения напряжения питающей сети, напряжения обмотки возбуждения (СД) и момента сопротивления гребного винта.

Характеристики ИУ ГЭУ в работоспособном и граничном состояниях

В данном исследовании рассматривается ИУ ГЭУ в режиме относительно медленного изменения скорости при движении судна в свободной воде вследствие перехода от одной установившегося режима к другому.

При исследовании в работоспособном и граничном состояниях установлено, что входные фазные напряжения ГЭД устанавливаются в пределах: Um0J¡ = [342,418]5, т.е. амплитуда напряжения будет изменяться в пределах: [/входаш1Л =[483,591]В- А номинальное значение напряжения при этом устанавливалось UmM = £/фш -V2 = 537S, начальные фазы трех фаз

сдвинуты друг друга 120 градусов.

Изменение характеристик ИУ ГЭУ переменного тока при варьировании амплитуды напряжения питающей сети в диапазоне ±10% от номинального, показано на рис. 15. а)

б)

г)

д)

Рис. 15. Характеристики ИУ ГЭУ в граничном состоянии, а - трехфазное напряжение питающей сети, б - частота вращения гребного винта, в - электромагнитный момент ГЭД, г - момент сопротивления ГВ, д - ток обмотки статора Исследование изменения характеристик ИУ ГЭУ при наличии дефектов

1. При обрыве одной фазы обмотки статора

Характеристики ИУ ГЭУ при обрыве одной фазы обмотки статора ГЭД показаны на рис.

16.

б)

г)

Рис. 16. Характеристики ИУ ГЭУ при обрыве одной фазы обмотки статора ГЭД, а - напряжение разрываемой фазы, б - частота вращения ГВ, в - электромагнитный момент ГЭД, г - момент

сопротивления ГВ

Результат моделирования показывает, что дефект типа обрыв одной фазы обмотки статора ГЭД значительно уменьшает работоспособность ИУ ГЭУ, причем частота вращения ГВ уменьшается и выходит из области работоспособности.

2. При коротком замыкании двумя фазами обмотки статора

Характеристики ИУ ГЭУ при коротком замыкании двумя фазами обмотки статора ГЭД показаны на рис. 17. а)

! !

б)

Рис. 17. Характеристики ИУ ГЭУ при коротком замыкании двумя фазами обмотки статора ГЭД,

а - относительное напряжение между коротко-соединенными фазами, и напряжение на этих фазах, б — частота вращения ГВ, в — электромагнитный момент ГЭД, г - момент сопротивления

Результат моделирования показывает, что при коротком замыкании двумя фазами обмотки статора ГЭД останавливается и приводит к отказу ИУ ГЭУ в целом. При этом судно не может поддерживать заданную скорость, теряет ход в свободной воде и переходит к аварийному режиму.

Разработка диагностических моделей ИУ ГЭУ переменного тока с применением САПР Oread может реализовать основные дефекты его элементов, которые могут уменьшать работоспособность или приводить ИУ ГЭУ к отказу. Результаты исследования дают возможность выводить подходы к защите элементов ИУ ГЭУ, а также позволяют проектировщику принимать объективные решения при разработке структуры и конструкции объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследование структуры ИУ ГЭУ, формирование его особенностей как объекта диагностирования и условий работоспособности показывают, что на живучесть и работоспособность судна значительно влияет надежность ИУ ГЭУ, отказ которого может приводить к большому ущербу с точки зрения экономики и безопасности.

2. Поддержание безотказности и повышение контролепригодности осуществляются путем оценки прямых и непрямых диагностических параметров ИУ ГЭУ при помощи предложенного метода, решающего последовательно задачи контроля работоспособности и поиска дефектов, результат которых обладает достаточной точностью и достоверностью для прогнозирования или выводить рекомендации дальнейшей эксплуатации.

3. Результаты теоретического и экспериментального исследований позволяют определить совокупность перечня оцениваемых диагностических показателей, условий работоспособности (область и степень работоспособности), признаков наличия дефектов, алгоритмов поиска причин снижения работоспособности ИУ ГЭУ и определения достоверности процедуры диагностирования.

4. Разработаны диагностические модели ИУ ГЭУ переменного тока в виде диаграммы прохождения сигналов на основе их функциональных схем, которые позволяют исследовать изменение его состояния при снижении работоспособности и оценить степень влияния отказов.

5. Предложены методы анализа ДМ ИУ ГЭУ на основе теории графов и теории чувствительности, которые позволяют определить совокупность оцениваемых диагностических показателей (т.е. выбрать контрольные точки), построить алгоритм и программу вычисления чувствительности функции передачи по частотным характеристикам. Построены алгоритмы поиска причин снижения работоспособности и определения достоверности процедуры диагностирования ИУ ГЭУ.

6. Приведены математические модели элементов ИУ ГЭУ переменного тока в разных системных координатах, на основе которых можно построить диагностические модели в САПР Oread.

7. Разработаны диагностические модели ИУ ГЭУ переменного тока, которые позволяют имитировать возможные дефекты его элементов и исследовать их влияние на степень работоспособности ИУ ГЭУ.

8. Все решенные вопросы направлены на ближайшее практическое внедрение полученных в диссертации результатов к разработке нового перспективного направления при решении

задачи диагностического обеспечения не только для исполнительного устройства гребной электрической установки переменного тока, но и для судовых электроприводов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Та Тхань Хай. Диагностическая модель исполнительного устройства гребной электрической установки постоянного тока [Текст] / Та Тхань Хай, Калявин В.П. и др. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб., 2011. - Вып.6. - С.56-61.

2. Та Тхань Хай. Использование метода чувствительности функции передачи для анализа диагностической модели гребной электрической установки [Текст] / Та Тхань Хай, Калявин В.П., Нгуен Ван Чьен // Приборостроение. - СПб., 2012. - Вып.5. - С.29-33.

3. Та Тхань Хай. Применение теории чувствительности функции передачи для разработки диагностического обеспечения исполнительного устройства гребной электрической установки [Текст] / Калявин В.П., Бруслиновский Б.В., Та Тхань Хай // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -СПб., 2012. - Вып.9. - С.70-75.

Свидетельства регистрации программы ЭВМ:

4. Та Тхань Хай. Программный комплекс для расчета частотных характеристик функций передачи и ранжирования диагностических параметров исполнительного устройства гребной электрической установки / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012619612, Москва 24 октября 2012 г.

Другие статьи и конференции:

5. Та Тхань Хай. Применение теории чувствительностей функции передачи для разработки диагностического обеспечения исполнительного устройства гребной электрической установки постоянного тока [Текст] / Та Тхань Хай // Материалы XXVIII международ, межвуз. школы-семинара. «Методы и средства диагностики в технике и социуме», 3-8 октября. Ивано-Франковск, 2011 г.

6. Та Тхань Хай. Построение и анализ диагностической модели исполнительного устройства гребной электрической установки переменного тока / [Текст] / Та Тхань Хай // Материалы I всероссийского конгресса молодых ученых, 10-13 апреля. Санкт-Петербург, 2012г.

7. Та Тхань Хай. Построение и анализ диагностической модели исполнительного устройства гребной электрической установки переменного тока / [Текст] / Та Тхань Хай // Материалы всероссийской научно - практической конференции. «Энергосбережение в промышленности», г. Чебоксары, 2012г.

8. Та Тхань Хай. Диагностическая модель исполнительного устройства гребной электрической установки постоянного тока / 64-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета СПбГЭТУ (ЛЭТИ) 25 января -5 февраля 2011 г.

9. Та Тхань Хай. Диагностическая модель исполнительного устройства гребной электрической установки переменного тока / 65-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета СПбГЭТУ (ЛЭТИ) 24 января -4 февраля 2012 г.

Подписано в печать 11.02.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 9.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

■1 лК, .д

04201355730

На правах рукописи

Та Тхань Хай

ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСИОНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - к.т.н., доц. Бруслиновский Б. В.

Санкт-Петербург — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ КАК ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ....12

1 Л. Выбор типа ИУ ГЭУ в качестве объекта исследования............................12

1.2. Анализ надежности ИУ ГЭУ переменного тока....................................27

1.3. Анализ причин снижения работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока.. .32

1.4. Методы диагностирования ИУ ГЭУ переменного тока...........................37

1.5. Характеристика ИУ ГЭУ переменного тока как объекта диагностирования...42

Основные результаты первой главы..........................................................45

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИУ ГЭУ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА..................................................................47

2.1 Классификация и выбор диагностической модели..................................48

2.2 Построение ДМ ИУ ГЭУ переменного тока в виде диаграммы прохождения сигналов........................................................................................53

2.2.1 Структурные схемы ИУ ГЭУ переменного тока на основе векторного управления.........................................................................54

2.2.2 Функциональные схемы системы векторного управления ИУ ГЭУ переменного тока...............................................................................60

2.2.3 Диагностические модели ИУ ГЭУ переменного тока в виде диаграммы прохождения сигналов..........................................................69

2.3 Построение и анализ таблиц чувствительности ИУ ГЭУ переменного тока..75

2.3.1 Построение таблиц чувствительности ИУ ГЭУ.........................75

2.3.2 Оценка чувствительности передаточных функций по частотным характеристикам.................................................................................76

2.3.3 Анализ таблиц чувствительности ИУ ГЭУ..............................80

2.4 Ранжирование диагностических параметров ИУ ГЭУ переменного тока.......93

2.5 Алгоритм проверки степени работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока..................................................................................................97

2.6 Определение степени работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока.........99

2.7 Достоверность диагностирования ИУ ГЭУ переменного тока..................102

Основные результаты второй главы........................................................105

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИУ ГЭУ ПЕРМЕННОГО ТОКА В ORCAD..........................................................106

3.1. Математические модели компонентов ИУ переменного тока..................106

3.1.1 Математические модели гребных электродвигателей.......................106

3.1.1.1 Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором..................................................................106

3.1.1.2 Математическая модель синхронного двигателя с обмоткой возбуждения.....................................................................................109

3.1.2. Математическая модель гребного винта фиксированного шага..........112

3.2 Процедура создания иерархических схем и проекта моделирования в Oread...............................................................................................113

3.3. Разработка диагностических моделей компонентов РТУ ГЭУ в Oread.........116

3.3.1 Разработка диагностических моделей гребных электродвигателей.......116

3.3.1.1 Диагностическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором...................................................................117

3.3.1.2 Диагностическая модель синхронного двигателя с обмоткой возбуждения.....................................................................................120

3.3.2 Диагностическая модель гребного винта фиксированного шага.........125

3.4 Диагностические модели ИУ ГЭУ переменного тока..............................127

3.4.1 Диагностическая модель ИУ ГЭУ с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором...................................................................127

3.4.2 Диагностическая модель ИУ ГЭУ с синхронным двигателем с обмоткой

возбуждения......................................................................................129

Основные результаты третьей главы........................................................130

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИУ ГЭУ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА........................131

4.1. Характеристики ИУ ГЭУ переменного тока в работоспособном состоянии..........................................................................................131

4.1.1 Характеристики асинхронного двигателя в работоспособном состоянии..........................................................................................132

4.1.2 Характеристики синхронного двигателя в работоспособном состоянии......................................................................................................................133

4.2. Характеристики ИУ ГЭУ при граничном состоянии..............................135

4.3 Исследование влияния дефектов асинхронного двигателя на работоспособность ИУ ГЭУ..................................................................137

4.4 Исследование влияния дефектов синхронного двигателя на работоспособность ИУГЭУ...........................................................................................142

4.5 Исследование влияния дефектов ГВ на работоспособность ИУ ГЭУ...........147

Основные результаты четвертой главы....................................................148

Заключение.......................................................................................150

Список сокращений и условных обозначений............................................152

Список литературы............................................................................153

Приложение 1....................................................................................161

Приложение 2....................................................................................163

Приложение 3....................................................................................187

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и подход к её решению. На современных морских судах установлены многочисленные и разнообразные механизмы и системы, обеспечивающие работу энергетической установки и судовых устройств, в том числе и гребной электрической установки (ГЭУ). В основном механизмы приводятся в действие с помощью электроприводов, а в ГЭУ - исполнительного устройства (ИУ). С ростом мощности установленных на судах исполнительных устройств возрастают и требования безопасности, безотказности и долговечности к эксплуатации. Такие требования могут быть обеспечены путем установления устройств защиты, однако такой подход усложняет схему, что и снижает надежность ИУ ГЭУ.

Актуальность технической диагностики подтверждается следующими данными по выходу из строя электрооборудования в России: отказы силовых трансформаторов 10/0,4 кВ составили в среднем 9,6/100 шт. в год; изоляционных элементов, аппаратов комплектных распределительных устройств 10 кВ - 5,0/100 шт. в год; линейных разъединителей ЮкВ - 4,5/100 шт. в год; выключателей 10 кВ - 4,0/100 шт. в год; изоляционных элементов 10 кВ - 8,0/100 шт. в год.

В других отраслях технической диагностики исследования показали в США техническое обслуживание и ремонт самолета в 3-4 раза больше его стоимости, ремонт и обслуживание радиотехнического оборудования - 1200% от его стоимости. В СССР (по 1981 г.) ремонтом и обслуживанием металлорежущих станков занимались в 4 раза больше рабочих, чем изготовлением этого оборудования. Стоимость заводского ремонта в ВВС США в 1987 г. составила 15 млрд. долл., что в 2 раза больше, чем в 1980 г.

ИУ ГЭУ могут быть достаточно эффективными только при условии высокой надежности, которая закладывается при проектировании устройств. Длительное время надежность достигалась введением разнообразных коэффициентов запаса при расчетах, обеспечивающих облегчение режимов, в которых работали устройства в целом при выполнении ими своих функций, что приводило к

увеличению их срока службы. При этом устройства получались большими по массе и размерам. Невозможность обеспечения абсолютной безотказной работы устройства и, как следствие, его высокой эффективности потребовала изыскания новых путей решения проблемы. Повышение эффективности эксплуатации устройства связано с необходимостью оценки их состояния, что и определило формирование нового научного направления - техническая диагностика. Следует заметить, что состояние устройств в какой-то степени оценивалось и ранее по штатным приборам. Но ограниченная информация о состоянии устройств затрудняла установление причины нарушения в их работе. Поиск дефектов требовал больших затрат времени. Ограниченная информация не позволила обнаружить дефекты элементов устройства, которые явно не отражались на его функционировании,, но повышали вероятность отказа с течением некоторого времени.

Техническая диагностика, благодаря теории, методам и средствам диагностирования, позволяет определить техническое состояние (запас работоспособности) ИУ ГЭУ, обнаруживать дефекты и устранить подобные отказы путем технического обслуживания и ремонта.

Процесс диагностирования предусматривает взаимодействие объекта с техническими средствами диагностирования и оператором, которые объединяются в систему диагностирования (СД). На втором этапе проектирования СД производится разработка диагностического обеспечения объекта. Разработка диагностического обеспечения начинается с выбора типов и построения диагностических моделей, при этом реальный объект заменяется диагностической моделью (ДМ), которая должна отражать законы функционирования или изменения состояния объекта. При построении ДМ допускается некоторая идеализация, которая абстрагирует подходящим образом основные свойства объекта. ДМ могут быть описаны в аналитической, табличной, векторной, графической форме. Выбор ДМ во многом определяется специфическими особенностями построения, использования и эксплуатации

объекта. Систематизация моделей должна облегчить проектировщику принятие решения при выборе и определении методов анализа ДМ.

Состояние ИУ ГЭУ определяется совокупностью диагностических оцениваемых параметров. Как правило, судить о состоянии ИУ ГЭУ можно либо по правильности и качеству выполнения возложенных на него функций, либо по значению совокупности параметров, отражающих изменения, происходящие в его структуре или в элементах, входящих в него.

В настоящее время для ИУ ГЭУ применяются методы как тестового, так и рабочего диагностирования, которые разработаны и применены для отдельных частей ИУ ГЭУ. Отсутствуют методы построения и анализа ДМ ИУ ГЭУ, алгоритмы поиска дефектов до требуемой глубины, анализа контролепригодности, которые учитывают их особенности диагностирования. Поэтому разработка диагностического обеспечения ИУ ГЭУ, включающего в себя методы оценки, алгоритмы и программы диагностирования, является актуальной задачей.

Цель и задачи диссертационной работы - поддержание безотказности и повышение контролепригодности исполнительного устройства гребной электрической установки при эксплуатации судна по назначению за счет формирования совокупности диагностических параметров и построения алгоритма поиска дефектов при снижении его степени работоспособности.

Для достижения желаемой цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ и обоснование актуальности диагностического обеспечения ИУ ГЭУ переменного тока;

2. Формирование перечня оцениваемых диагностических показателей и условий работоспособности ИУ ГЭУ, определение признаков наличия дефектов;

3. Разработка и анализ диагностических моделей типов ИУ ГЭУ для определения контрольных точек и построения алгоритма поиска причин, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ переменного тока;

4. Построение математических моделей элементов ИУ ГЭУ переменного тока для разработки его диагностических моделей в САПР Oread;

5. Исследование влияния дефектов элементов на степень работоспособности ИУ ГЭУ.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории графов, теории автоматического управления, теории чувствительности, компьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктов.

Научные результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, вытекающие из решения поставленных задач:

1. Диагностические модели (ДМ) ИУ ГЭУ переменного тока (с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения) в виде диаграммы прохождения сигналов (ДПС), анализ ДМ методом теории чувствительности.

2. Процедура разработки диагностического обеспечения ИУ ГЭУ. Алгоритм поиска причин, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ. Алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ.

3. Диагностические модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, синхронного двигателя с обмоткой возбуждения и гребного винта, построенные в САПР Oread.

4. Метод исследования влияния дефектов элементов ИУ ГЭУ на его работоспособность использованием САПР Oread.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Диагностические модели (ДМ) ИУ ГЭУ переменного тока (с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения) в виде диаграммы прохождения сигналов (ДПС), анализ ДМ методом теории чувствительности, отличающиеся тем, что в их основу положены методы и структурные схемы векторного управления электроприводами.

2. Процедура разработки диагностического обеспечения ИУ ГЭУ, алгоритм поиска причин, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ, алгоритм определения достоверности диагностирования ИУ ГЭУ, отличающийся тем, что анализ получаемых по этому методу таблиц чувствительности позволяет

выбрать последовательные контрольные точки для проверки состояния ИУ ГЭУ, что дает возможность построения алгоритма поиска дефектов, приводящих к снижению степени работоспособности ИУ ГЭУ.

3. Диагностические модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, синхронного двигателя с обмоткой возбуждения и гребного винта, построенные в САПР Oread, отличающиеся тем, что позволяют изменять параметры элементов ИУ ГЭУ в широких диапазонах и имитировать переход ИУ ГЭУ из области работоспособности в область неработоспособности и наоборот.

4. Метод исследования влияния дефектов элементов ИУ ГЭУ на его работоспособность использованием САПР Oread, отличающиеся тем, что путем моделировании дефектов на основе анализа выходных характеристик в заданных контрольных точках диагностической модели определяется запас работоспособности ИУ ГЭУ.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов данной работы обусловливается корректным использованием указанных выше методов, применением современных компьютерных средств и программных комплексов, а также результатами экспериментального исследования разработанных в работе диагностических моделей разных типов РТУ ГЭУ переменного тока в лабораторных условиях.

Значимость полученных результатов для теории и практики:

Теоретическая значимость работы обусловлена её новизной и заключается в развитии актуального научного направления, связанного с разработкой диагностических моделей ИУ ГЭУ переменного тока в виде диаграммы прохождения сигналов. Исследование разработанных моделей с применением теории графов, теории чувствительности и метод оценки по частотным характеристикам передаточных функций, позволяет определить контрольные точки и построить алгоритм поиска причин, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ.

Практическая ценность результатов работы:

- созданы полезные в инженерном проектировании модели разных типов ИУ ГЭУ переменного тока, подлежащие к диагностированию, применимые в условиях ограниченного объема априорных сведений об объектах (паспортных данных гребных электродвигателей и гребного винта, неопределенности изменения параметров элементов ИУ ГЭУ);

- разработан метод имитации и исследования влияния дефектов, приводящих к снижению работоспособности ИУ ГЭУ, современными компьютерными средствами в учебном процессе.

Внедрение результатов работы. Теоретические положения, методики расчета и конкретные структуры семейства адаптивных систем использованы в:

• рабочем проектировании систем диагностировании электроприводов универсальных и транспортных судов;

• программном комплексе для расчета частотных характеристик функций передачи и ранжирования диагностических параметров ИУ ГЭУ (2012 г.), №2012619612;

• методическом указании к лабораторным работам по дисциплине «Надежность и техническая диагностика судового оборудования и автоматики» с названием «Исследование влияния дефектов на работоспособность ИГУ ГЭУ переменного тока».

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы докладывались на 5 международных и всероссийских научно - технических конференциях: на XXVIII международной межвузовской школе - семинаре «Методы и средства диагностики в технике и