Диагностическое обеспечение гребной электрической установки переменного тока

Актуальность темы

и подход к ее решению. Возрастающие требования безопасности, безотказности и долговечности делают весьма важной оценку технического состояния различных устройств судового оборудования, и в частности гребной электрической установки (ГЭУ). Целью технической диагностики является поддержание безотказности и повышение ресурса судового оборудования. Наиболее важным показателем надежности ГЭУ является отсутствие отказов во время его функционирования (безотказность), 1ак как отказ ГЭУ может привести к тяжелым последствиям. Техническая диагностика, благодаря раннему обнаружению дефектов, позволяет ус гранить подобные отказы путем технического обслуживания и ремонта, что повышает эффективность эксплуатации ГЭУ [28]. Непрерывное усложнение ГЭУ, обусловленное требованием повышения эффективности использования, и рост степени автоматизации управления ГЭУ, выдвигают на первый план проблему оптимальной организации эксплуатации, как отдельных систем, так и судна в целом. Важная роль отводится при этом определению состояния ГЭУ, которое вследствие воздействия внешних и внутренних факторов изменяется с течением времени. Знание сосюяния ГЭУ в любой момент времени позволяет персоналу использовать ее оптимальным образом.

Меньше чем за 50 лет в рамках технической диагностики было решено много практических задач и получено много существенных теоретических результатов. Но, несмотря на значительный прогресс в теории и практике автоматизации обнаружения дефектов судовых машин и механизмов, оценка технического состояния судового оборудования на большинстве российских судов выполняется на основе субъективного метода оценки высококвалифицированными специалистами, получившими опыт ориентирования во внешних признаках изменения технического состояния. Последние достижения науки предопределяют необходимость перехода от субъективных методов оценки сосюяния к объективным методам.

Обеспечить требуемый уровень контролепригодносш ГЭУ можно только на этапе проектирования. Это становится возможным, если в процессе проектирования объекта будет разработано диагностическое обеспечение. Разработка диагностического обеспечения обычно начинается на втором этапе проектирования системы диагностирования оборудования [48].

Теоретический анализ объекта диагностирования при решении задач диагностирования предполагает некоторую идеализацию, которая абстрагирует подходящим образом выбранные существенные свойства объекта. Реальный объект при этом заменяется диагностической моделью (ДМ) [47]. Для получения диагностического обеспечения применяют и анализируют диагностическую модельформальное описание объекта, учитывающее возможность изменения его состояния. ДМ могут быть непрерывными, дискретными и специальными. Описание может быть представлено в аналитической, табличной, векторной, графической или другой форме [47, 48, 49]. Оценка состояния технического объекта осуществляется по диагностическим признакам (параметрам и характеристикам). Обычно в качестве диагностических парамегров принимаются параметры ДМ. В’этом случае выбор или посгроение адекватной ДМ имеет существенное значение для оценивания состояния объекта [30].

Высокая техническая культура современного производства немыслима без постоянного совершенствования методов для контроля технического состояния ГЭУ. Отсутствие технических средств диагностирования, их малая эффективность приводят к возникновению аварийных ситуаций, низкой эффективное! и эксплуатации, дополнительным затратам на ремонт. В настоящее время диагностическое обеспечение, направленное на решение актуальных задач контроля и регулирования технического состояния судового оборудования, и в частности ГЭУ, отстает от потребностей потребителя.

Усложнение ГЭУ и широкое внедрение комплексных средств автоматизации на судах приводит, как правило, к увеличению интенсивности отказов. Вследствие этого простои судов, вызванные ремонюм оборудования, и связанные с ними убытки существенно возрастают. В этой ситуации задачи диагностирования мощного судового электронного оборудования выступают на передний план, так как отказ мощных полупроводниковых приборов во время ведения промысла может привести к значительным экономическим потерям, а в случае отказа систем управления ответственными энергетическими процессами — к потере безопасности мореплавания.

ГЭУ, как и все судовое электрооборудование, должна обладать высокой безотказностью, т. е. безотказностью действия в условиях эксплуатации, а также иметь простое устройство и быть безопасной для обслуживания [28, 29, 60]. Поэтому актуальность задачи поддержания высокой безотказности и повышение ремонтопригодности, в том числе путем систематического контроля технического состояния ГЭУ, а также их периодического регулирования — давно привлекает к себе внимание специалистов. Снизить интенсивность отказов ГЭУ при эксплуатации можно за счет регулярного оценивания состояния и своевременного восстановления работоспособности. Решить эти задачи позволяет своевременное и рациональное применение методов и средств диагностирования с последующей настройкой основных параметров систем.

Таким образом, задачи, связанные с повышением контролепригодности, являются актуальными и решаются в данной работе в рамках электроприводов, гребных электрических установок и технической диагностики, получивших в последнее время значительное теоретическое и прикладное развитие в отечественной и зарубежной научно-технической литературе усилиями российских и зарубежных ученых, в числе которых в библиографии к диссертации названы по электроприводу Самосейко В. Ф., Соколовский Г. Г., по гребным электрическим установкам Воскобович В. Ю., Полонский В. И., Рукавишников С. Б., Ясаков Г. С. и по технической диагностике Калявин В. П., Мозгалевский A.B., Е. Моек и X. Штриккет.

В настоящее время для ГЭУ применяются методы как тестового, так и рабочего диагностирования. Но они разработаны и применены для отдельных частей, ГЭУ. Для поиска дефектов часто применяются диагностические словари наиболее вероятных I отказов ГЭУ и их частей. Отсутствуют методы построения и анализа диагностической модели ГЭУ, поиска дефектов до требуемой глубины, определения" контролепригодности, которые учитывают особенности их диагностирования. Поэтому разработка диагностической модели, обоснование диагностических параметров, построение алгоритма поиска дефекта и исследование влияния дефектов на работоспособность ГЭУ в! настоящее время являются актуальными.

Цель и задачи работы. Повышение контролепригодности гребной электрической установки при использовании судна по назначению за счет обоснования совокупности диагностических параметров и построения алгоритма поиска дефектов при снижении ее степени работоспособности.

Отсутствие объективной оценки степени работоспособности в зависимости от условий эксплуатации, режимов работы ГЭУ и возникающих отказов диктует необходимость и актуальность постановки и решения следующих задач исследования:

— Анализ и обоснование актуальности диагностирования ГЭУ переменного тока;

— Обоснование классов степени работоспособности ГЭУ;

— Разработка и анализ ДМ ГЭУ с целью обоснования контрольных точек, наиболее чувствительных к изменению ее степени работоспособности;

— Построение алгоритма поиска причины снижения степени работоспособности.

ГЭУ.

— Апробация методов путем разработки ДМ ГЭУ переменного тока в ОКСАБ.

— Исследование влияния дефектов компонентов ГЭУ на степень ее работоспособности.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные результаты работы получены в рамках применения методов теории графовтеории чувствительностиалгебраических методов теории системкомпьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктов.

Научные результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, вытекающие из поставленной цели и решения сформулированных задач:

1. Характеристика ГЭУ переменного тока как объекта диагностирования.

2. Аналитические зависимости и характеристики степени работоспособности.

ГЭУ.

3. Диагностическая модель ГЭУ в виде диаграммы прохождения сигналов и метод ее анализа с использованием теории чувствительности функции передачи.

4. Алгоритм поиска причины снижения степени работоспособности ГЭУ.

5. Диагностические модели дизель-генератора, преобразователя частоты и исполнительного устройства ГЭУ переменного тока в ОЯСАБ.

6. Метод исследования влияния дефектов на работоспособность ГЭУ переменного тока с применением системы ОЯСАГ).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана диагностическая модель ГЭУ переменного тока в виде ДПС на основе ее структурной схемы. Модель позволяет судить о возможности оценки и нахождения причин снижении степени работоспособности ГЭУ.

2- Разработан метод и, алгоритм вычисления чувствительности операторов диаграммы прохождения сигналов ГЭУ для. определения их степени влияния на работоспособность при наличии возможных дефектов вГЭУ, позволяющие выбрать, контрольные точки для. оценивания состояния ГЭУ и составлять алгоритмпоиска причины снижения ее степени работоспособности, что является частью при решениизадачи разработки диагностического обеспечения.

3. Разработаны процедура построения ДМ"ГЭУ переменного тока, состоящейиз трех основных частей: дизель-генератора-, статического преобразователя частоты и исполнительного устройства в системе ОКСАН). Диагностическая модель ГЭУ позволяет изменять состояние ее. элементов в, области работоспособности и также: в области неработоспособности путем, изменения значений параметров модели ее компонентов.,.

4. Предложен метод исследования влияния — дефектов на работоспособность ГЭУ переменного" • тока сиспользованием системы СЖСАЭ, позволяющий-исследовать влияние. дефектов, 1 приводящих к снижениюстепениработоспособности: ГЭУ или ее отказу .При этом глубина поиска, дефектов может быть увеличена за счет детализации компонентов модели ГЭУ на этапепроектирования^.

5. Разработан и реализован. методимитации/, дефектовГЭУ. , путем: моделирования, снятия необходимых характеристик на основе выбранных контрольных точек и их анализа на основе полученных результатов.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации подтверждается ¦ тем, что выдвинутые в работе положения, и предложенные метод и модели находятся в ходе современных информационных технологий, многочисленными литературными даннымии обуславливается корректным использованием указанных выше методов исследованияприменением современных компьютерных средств, и программных комплексова также результатами исследования построенных диагностических моделей ГЭУ в лабораторных работах.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что:

— создание полезных в инженерном проектировании алгоритма и программы расчета чувствительности функции передачи для анализа объектов, ДМ которых описывается в виде диаграммы прохождения сигналов.

— применение метода имитации и исследования дефектов для ГЭУ компьютерными программами в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Теоретические положения, алгоритм и метод расчета чувствительности функции передачи ГЭУ реализованы в: рабочем проектировании системы автоматизации электропитания универсального атомного ледокола судов;

— программе вычисления чувствительности функции передачи по критерию частотных характеристик (2011 г.). № гос. регистрации — № 2 011 614 870- методических указаниях к лабораторным работам по дисциплине «Надежность и техническая диагностика технических систем» с названием «Исследование влияния дефектов на работоспособность ГЭУ» .

Результаты диссертационной работы использованы в учебной дисциплине «Надежность и техническая диагностика технических систем» .

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 6 международных и всероссийских научно-технических конференциях: на XXV международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики» (2008 г., г. Йошкар-Ола), XXVI, XXVII международных межвузовских школах-семинарах «Методы и средства диагностики в технике и социуме» (2009, 2011 годы, г. Ивано-Франковск, Украина), VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученных (2011 г., г. Санкт-Петербург), на научно-технических конференциях в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2010 и 2011 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них -5 статей (2 статьи включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК) и 6 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций. Одна статья находится в печати журнала, входящего в перечень, рекомендованный ВАК.

4.5 Основные результаты четвертой главы:

1. Предложен метод исследования работоспособности ГЭУ переменного тока с использованием системы автоматизированного проектирования СЖСАО, позволяющий имитировать дефекты ГЭУ при снижении ее степени работоспособности путем снятия и анализа необходимых характеристик.

3. Рассмотрено влияние на работоспособность * ГЭУ изменения напряжения дизель-генератора, напряжения преобразователя частоты, токов и электромагнитного момента ГЭД, момента сопротивления и частоты вращения ГВ. Полученные результаты подтвердили правильность выводов, сделанных в п. 2.5 и п. 3.6.

4. На основе результатов моделирования дефектов ДГ, ПЧ и ИУ показано, что дефекты типы КЗ и обрыва наиболее сильно влияют на работоспособность ГЭУ. КЗ или обрыв фаз СГ, КЗ или обрыв диодов, транзисторов ПЧ, КЗ или обрыв фаз ГЭД приводят к отказу ГЭУ, вызывают срабатывание защиты, в результате чего судно теряет скорость хода.

5. С учетом достоинства системы (ЖСАО при разработке диагностического обеспечения и при исследовании работоспособности ГЭУ переменного тока, в работе доказано, что предложенная диагностическая модель позволяет исследовать-влияние различных дефектов, приводящих к отказу ГЭУ или снижению ее степени работоспособности. При этом глубина поиска дефектов может быть увеличена за счет детализации структуры ГЭУ.

ЖСАБ, позволяющие имитировать отказы элементов ГЭУ, и дают возможность исследовать изменение диагностических параметров ГЭУ при этом.

8. Предложен метод исследования работоспособности ГЭУ с использованием системы (ЖСАО, разработан и реализован метод имитации дефектов ГЭУ при снижении ее степени работоспособности методом моделирования, позволяющие подтвердить правильность решения поставленной задачи.

9. Все решенные вопросы направлены на ближайшее практическое приложение полученных в диссертации результатов к разработке нового перспективного направления при решении задачи технического диагностирования судового электрооборудования в целом и гребной электрической установки в частности.