Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и измерительных средств диагностирования электромеханического оборудования 8
1.1 Методы диагностирования электроприводного оборудования 8
1.2 Особенности использования информационно-измерительных средств в диагностических процедурах 23
1.3 Цели и задачи работы 28
2. Анализ информационного содержания сигналов о параметрах электромеханических систем 29
2.1 Взаимодействие механических элементов электропривода запорной арматуры 29
2.2 Электромагнитные преобразования в электродвигателе при изменении нагрузки на валу 44
2.3 Повышение информативности результатов измерений 50
Выводы по главе 2 68
3. Исследование диагностических признаков состояния электромеханического оборудования 69
3.1 Экспериментальная установка для исследования электроприводной арматуры 69
3.2 Исследование процесса деградации механизмов электропривода 75
Выводы по главе 3 95
4. Разработка информационно-измерительной системы диагностики электроприводной арматуры 96
4.1 Комплексная информационно-измерительная система технической диагностики оборудования энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-1000 96
4.2 Особенности промышленных испытаний системы диагностирования 99
4.3 Методика оценки технического состояния электроприводной арматуры 106
Выводы по главе 4 113
Основные выводы и результаты работы 114
Библиографический список 116
- Особенности использования информационно-измерительных средств в диагностических процедурах
- Электромагнитные преобразования в электродвигателе при изменении нагрузки на валу
- Исследование процесса деградации механизмов электропривода
- Особенности промышленных испытаний системы диагностирования
Введение к работе
В комплексе средств автоматизации ядерных установок механизмы управления технологическими процессами занимают важное место, обеспечивая поддержание необходимых режимов работы установки и её ядерной безопасности. В настоящее время более 5% всех неисправностей связано с механизмами управления [51], что вызывает свыше 14% простоев на АЭС.
Безопасность эксплуатации атомных станций во многом обеспечивается надежностью электроприводной арматуры (ЭПА) технологических систем энергоблока атомной станции. В комплексе средств автоматизации электроприводная арматура занимает важное место, обеспечивая поддержание необходимых режимов работы и безопасность в аварийных условиях. Известно, что значительное количество всех аварий, возникающих на АЭС, связано с неисправностью механизмов ЭПА.
Существующие в настоящее время штатные методики контроля параметров ЭПА, используемые на заводе изготовителе предусматривают натурные испытания ЭПА с использованием вибрационных методов диагностики. В период проведения планово-предупредительных ремонтов АЭС роль диагностических процедур значительно возрастает и усложняется из-за присутствия радиоактивности. Возникает необходимость разработки специфических методов и соответствующих инструментальных средств, позволяющих определить состояние механизмов ЭПА в процессе их эксплуатации.
Целью работы является повышение безопасности эксплуатации атомных станций за счет совершенствования методов диагностирования механизмов электроприводной арматуры атомной станции.
Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:
1. Исследовать особенности процесса образования дефектов в кинематических парах электроприводной арматуры;
2. Исследовать диагностические возможности использования токового сигнала питания асинхронного двигателя и разработать метод дистанционного обследования электроприводной арматуры;
3. Проанализировать достоверность результатов комплексных изменений электрических сигналов;
4. Разработать информационно-измерительную систему диагностики электромеханического оборудования;
5. Разработать методику диагностирования электроприводной арматуры энергоблока ВВЭР-1000.
Методы исследования. Для анализа токовых сигналов ЭПА использовались методы спектрального анализа и цифровой обработки сигнала. Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах с помощью цифровой информационно-измерительной системы.
Научная новизна работы.
1.Получено обоснование использования асинхронного двигателя электроприводной арматуры как электромеханического преобразователя, генерирующего сигнал о состоянии кинематических пар привода по изменению момента сопротивления нагрузки, приведенного к валу электродвигателя.
2.Установлено, что в определенных частотных диапазонах спектра токового сигнала асинхронного двигателя, работающего в двигательном режиме, содержатся гармоники, отражающие проявление дефектов, возникающих в кинематических парах механических узлов привода.
3.Предложен метод выявления дефектов механических элементов электроприводной арматуры, основанный на выделении в спектре токового сигнала соответствующих гармоник, проявляющихся в виде амплитудной модуляции основной сетевой гармоники питающей сети.
Практическая ценность работы. Применение разрабатываемой методики и диагностической системы при эксплуатации атомных станций позволяет проводить оперативный контроль технического состояния электроприводной арматуры, что в конечном состоянии позволит перейти от их планового обслуживания к обслуживанию по фактическому состоянию. Положительный результат получен при использовании разрабатываемых средств и методов диагностирования электроприводов запорной арматуры энергоблоков АЭС.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. Научно-практическая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов», 2000 г.
2. Научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»,2001г.
3. Научная конференция «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», 2002 г.
4. Научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов», 2002 г.
5. Научная конференция молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», 2004 г.
6. Научно-практическая конференция «Проблемы развития атомной энергетики на Дону», 2006 г.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, приложений, изложенных на 127 стр, в том числе 15 табл, 56 рис. Список используемой литературы содержит 129 наименований.
Глава I настоящей работы содержит обзор существующих методов технической диагностики механического оборудования, их классификацию и анализ использования в атомной промышленности систем диагностики с целью выбора и обоснования методики и алгоритма диагностирования в составе системы технической диагностики ЭПА.
Глава II настоящей работы содержит теоретические исследования работы привода ЭПА, физических процессов, возникающих при взаимодействиях в кинематических парах привода при его нормальном состоянии и при наличии дефектов, обоснование использования для целей технического диагностирования токового сигнала, регистрируемого со статорных обмоток асинхронного электродвигателя при работе ЭПА.
Глава III настоящей работе содержит материалы экспериментальных исследований работы модели привода ЭПА и анализа токовых сигналов, полученных для нормального состояния модели привода ЭПА и привода с внесенными дефектами и экспериментального подтверждения возможности диагностирования технического состояния привода ЭПА по анализу изменения (росту, смещению в область низких или высоких частот) гармоник АЧХ.
Глава IV содержит методику диагностирования привода ЭПА, разработанную на основе экспериментальных исследований и описание системы технической диагностики приводов ЭПА для реактора с ВВЭР-1000, работающей в условиях эксплуатации атомной станции. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Метод выявления дефектов электромеханических систем по токовому сигналу асинхронного электродвигателя, работающего в двигательном режиме.
2. Структура информационно-измерительной диагностической системы, содержащей тракты измерения токового сигнала, идентифицирующих зарождение и развитие дефектов.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований. Личный вклад автора. Лично автором выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволивший выявить процессы образования дефектов в токовом сигнале асинхронного двигателя, а также разработан вариант диагностической системы.
Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы, были обсуждены с участием научного руководителя д.т.н., профессора Чернова А.В.,., зам. директора по научной работе ВИ (ф) ЮРГТУ (НПИ) Никифоровым В.Н., начальником отдела ТДО АС НИИ "Энергомашиностроение" ВИ (ф) ЮРГТУ (НПИ), к.т.н. Пугачевой О.Ю. и др.
Особенности использования информационно-измерительных средств в диагностических процедурах
Система контроля и диагностики характеризуется следующими тенденциями развития: децентрализация управления или повышение степени распределенности вычислительных мощностей по различным иерархическим уровням; повышение степени распределенности управления по однородным компонентам (многопостовые системы, канальная электроника); повышение степени согласования компонентов по производительности и их параллельная работа во времени. Обычно система диагностирования содержит объект и средства диагностирования. Последние реализуют некоторый алгоритм диагностирования, задающий последовательность и способ анализа результатов элементарных проверок объекта диагностирования (ОД) (рис 1.3).
Под элементарной проверкой ОД (к=1, ..., п) понимается некоторый эксперимент над ОД, заключающийся в подаче на него тестирующего воздействия и анализе отклика (ответа) ОД на это воздействие.
Правильное сочетание имеющихся воздействий и реакций позволяет получать сравнительно небольшие информационные массивы даже для достаточно сложных блоков. Применительно к ОД атомной энергетики известные методы диагностики могут быть классифицированы по нескольким признакам. Необходимость зондирующего сигнала разделяет методы диагностики на два класса: тестовую (активную), использующую этот специальный сигнал (ступенчатый, гармонический и т.д.), и функциональную (пассивную), где зондирующий сигнал не требуется. Наконец, алгоритмы диагностики могут базироваться на различных принципах выявления потери работоспособности: сопоставление результатов контроля с эталонными характеристиками, сопоставление с результатами моделирования на встроенной в систему математической модели и сопоставление с характеристиками дублирующего канала [19, 77, 84].
Диагностирование механического оборудования В разработанной системе диагностики привода ЭПА возможность повышения надежности за счет диагностики в полной мере реализована за счет использования цифровых средств обработки информации, где введение диагностики усложняет лишь программное обеспечение, но не аппаратную реализацию [83].
При разработке системы диагностики приводов ЭПА предусмотрен следующий комплекс научно-технических мероприятий, большинство из которых в предыдущих работах реализовано лишь частично и лишено системного подхода [2, 69]:
1) организация сбора и обработки данных об уровне надежности системы-прототипа и определение на базе научно обоснованной методики значений количественных показателей требуемой надежности разрабатываемой системы;
2) анализ характера отказов элементов и системы в целом и их последствий, составление перечня объектов диагностики;
3) определение алгоритма управления объектом (аварийная остановка, ввод резерва, сигнализация и т.д.) при каждом возможном виде отказа;
4) применение научно обоснованных критериев для выбора принципов диагностирования узлов и всей системы (функционального, тестового или комбинированного), способов сопоставления контролируемых параметров;
5) распределение реализации задач диагностики системы между жестко программируемыми и свободно программируемыми средствами и разработка конкретных алгоритмов диагностики узлов и системы в целом;
6) определение преимущественно на основе математического моделирования значений параметров и периодичности контроля для каждого из разработанных алгоритмов диагностики;
7) разработка аппаратурного и программного обеспечения автоматической диагностики системы управления и защиты, в том числе средств измерения, необходимых для контроля работоспособности.
Анализ результатов исследований по функционированию электромеханических и механических систем показывает, что примерно 90 % отказов возникает вследствие скрытых внутренних дефектов и лишь 10 % - из-за неправильной эксплуатации [1, 4, 5, 10].
Поэтому следует особое внимание уделить выявлению дефектов, проявляющихся в результате старения, износа, технических погрешностей изготовления и сборки.
Особенностью разработки и эксплуатации автоматизированных систем диагностики оборудования атомных станций является удовлетворение требований определенных производственных условий [80] концепция современной методологии промышленных исследований предусматривает предварительное изучение характера измеряемых сигналов. Если количественные оценки измерений будут меняться по времени или по реализации, то необходимо использовать специальные методы для обработки сигналов и получения информации. Теория статистических измерений [15, 16, 35, 37, 41, 42] позволяет использовать информационные модели разных видов. В основу информационной модели закладываются фундаментальные свойства временных последовательностей: стационарность и эргодичность. Если данные свойства сигналов не известны, то проблематично доказывать корректность статистических выводов и, следовательно, достоверность информации.
В атомной энергетике применение универсальных компьютерных средств диагностики и управлении зародилось в начале 80-х годов. На рис. 1.4. представлена структурная схема информационно-вычислительного комплекса СКДЭА, разработанного в концерне «Росэнергоатом» [28]. Вычислительный комплекс СКДЭА основан на рассмотренных выше методах диагностирования оборудования АЭС.
Из зарубежных информационно-измерительных систем диагностики ЭПА наибольшее распространение получили комплексы фирмы «Framatom ANP» [129] и ряда других фирм.
Анализ имеющихся технических средств систем диагностики оборудования атомных станций сводится к обнаружению явной тенденции использования проблемно-ориентированных цифровых систем. Этому способствует быстрое совершенствование микропроцессорной техники, тенденции к миниатюризации, снижение стоимости, повышение быстродействия и объема оперативной памяти.
Электромагнитные преобразования в электродвигателе при изменении нагрузки на валу
Если в качестве опорного вектора выбрать потокосцепление ротора и ориентировать по нему координатную систему d-q так, чтобы ее вещественная ось q совпадала с направлением \/2,то угловая частота вращения системы координат со (ww) будет равна угловой частоте питания статора со і, т.к. векторы пото-косцеплений статора и ротора вращаются с одинаковой частотой.
Для анализа вынужденных колебаний будем использовать линеаризованное уравнение механизма с одной степенью свободы [66], так как при исследовании колебаний линеаризация не вносит существенной погрешности даже при значительных амплитудах колебаний угла ср. Поскольку частота вращения ротора прямолинейно зависит от проекции тока статора 1Х (2.47), то колебания частоты вращения ротора вызывают колебания проекции тока статора 1Ц.
Для оценки технического состояния основного энергетического оборудования (в том числе ЭПА), в качестве инструмента математической обработки применяются преобразование Фурье, цифровые фильтры и методы статистического анализа данных [33].
Рассмотрение токового сигнала как набора гармонических колебаний с различными амплитудами, частотами и фазами предполагает решение задачи диагностирования спектральными методами, где поставщиком информации об изменениях амплитудно-частотных свойств колебательной системы является амплитудный спектр, анализ которого является одним из наиболее эффективных методов анализа сигналов [33].
Если токовый сигнал представить в виде ряда: CO где S(t) - периодические компоненты сигнала; (pk - начальная фаза k-й гармоники сигнала; Ск - амплитуда k-й гармоники, то совокупность чисел Ск называют амплитудным спектром сигнала, числа фк - спектром фаз.
Переход от (2.61) к (2.62) является преобразованием Фурье. Функция S(co) называется спектральной плотностью мощности, модуль которой \S(co)\ характеризует распределение интенсивности гармонических составляющих сигнала S(t) по частотам [33].
Математический аппарат Фурье-анализа колебательных процессов является основой для получения спектральных характеристик, как самого сигнала, так и диагностируемой системы. Для статистического анализа случайных стационарных процессов (которыми являются проявление колебательных процессов в токовом сигнале ЭПА) разработаны стандартные процедуры, реализуемые с помощью ЭВМ, и позволяющие получать спектральные оценки токовых сигналов в реальном масштабе времени. Основой таких процедур является быстрое преобразование Фурье (БПФ)
Формулы (2.61, 2.62) иллюстрируют интегральное (непрерывное) преобразование Фурье аналогового сигнала. Однако, при прохождении аналогового токового сигнала x(t) через измерительный тракт, он подвергается аналого-цифровому преобразованию, включающему дискретизацию сигнала по времени, квантование по уровню и цифровое кодирование (рис. 2.9) [33,91].
Выражения (2.63) и (2.64) определяют понятие «дискретного преобразования Фурье» (ДПФ), и поскольку в них используются конечные суммы, то они хорошо подходят для вычисления в цифровой форме. Вычислительной процедурой или алгоритмом ДПФ является процедура быстрого преобразования Фурье (БПФ). Соответствующие этому преобразованию вычислительные процедуры хорошо освещены в специальной литературе [33,91]. В рамках настоящей работы остановимся лишь на параметрах преобразования Фурье наиболее важных для практического применения спектрального анализа временных последовательностей.
Основными параметрами спектрального анализа, определяющими параметры ввода данных для цифровой обработки стационарных колебательных процессов, являются наибольшая и наименьшая частоты спектра (Гц).
Наименьшая частота анализируемого процесса определяет длительность записи реализации Т, с условием, что в этот временной промежуток должно укладываться не менее двух целочисленных периодов исследуемого процесса.
Исследование процесса деградации механизмов электропривода
Регистрация и первичная обработка сигналов производилась с помощью переносной информационно-измерительной системы состоящей из модуля Е14-140 фирмы L-card (г. Москва) и портативного компьютера NOTEBOOK 1500MHz. Модуль El4-140 предназначен для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. На модуле имеется один АЦП, на вход которого при помощи коммутатора может быть подан один из 16 или 32 аналоговых каналов с внешнего разъёма модуля.
Характер протекания вибрационных процессов, вызванных изменением состояния контактирующих поверхностей, имеет ряд общих черт, несмотря на различие конструкций и назначения кинематических узлов, которые описаны в главе 2. Это позволяет сформулировать некоторые закономерности для диагностирования дефектов контактирующих поверхностей типа абразивного изнашивания, выкрашивания и задира общие для зубчатых колес, подшипников и других узлов, содержащих пару трения. В основе методов диагностирования дефектов [82] заложена закономерность роста амплитуд и числа кратковременных импульсов в измеряемых сигналах, модулирующих вынужденные и собственные частоты механизмов.
Измерения токового сигнала асинхронного двигателя ЕМ-6-4 проводились с частотой дискретизации 5 кГц. Это позволяет строить результирующие спектры более точно отражающие взаимодействия в кинематических парах исследуемых приводов. Использование при расчете результирующих спектров «перекрытия» на 99 % минимизирует возможную погрешность, что позволяет достоверно решить задачи диагностики: «исправно-неисправно», «работоспособно-частично работоспособно-неработоспособно» и произвести «поиск дефекта» после окончания диагностики. На рисунке 3.7 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) нормальной работы редуктора без нагрузки на выходном валу, при выборке 8192 точек для преобразования Фурье.
Таким образом, в режиме холостого хода двигатель работает на частотах превышающих номинальные значения. В значительной мере проявляется частота вращения ротора /,, что говорит о небольшой нагрузке на ротор двигателя, вследствие незначительного трения в кинематических парах зубчатых зацеплениях редуктора.
В режиме нагрузки на выходной вал на шкиф редуктора 8 подвешен груз весом 2 кг, создающий постоянный момент на выходном валу редуктора. Через передачи редуктора момент на выходном валу передается на ротор двигателя в виде момента сопротивления. Увеличенная нагрузка на каждом валу редуктора отражается и в АЧХ электродвигателя.
В АЧХ токового сигнала при работе редуктора под нагрузкой четко прослеживается увеличение амплитуды каждой составляющей, соответствующей работе редуктора, не менее чем на 10 дБ. А также появление гармоник кратных частоте вращения вала червяка /,. Таким образом, если считать данный режим работы редуктора нормальным режимом функционирования, в АЧХ токового сигнала присутствие частотных составляющих, обусловленных работой кинематических пар, является допустимым. Изменение амплитуды составляющих АЧХ говорит об увеличении нагрузки на соответствующую частоте кинематическую пару.
Наиболее часто встречающимся дефектом электроприводного оборудований является дефект «бой вала». Научиться его идентифицировать в токовом сигнале очень важно. Для моделирования дефекта был применен груз массой 20 г., подвешенный к муфте 11 таким образом, что добавочный груз создает смещение масс вала ротора в одну сторону, тем самым создавая при вращение ротора биение вала. Испытание редуктора производилось в режиме холостого хода, без нагрузки на выходной вал.
Изменение состояния наружного кольца подшипника 6000 и состояния тел качения подшипника 625 производилось механическим воздействием, путем созданием раковин на поверхности. Поскольку характер проявления вибрации в токовом сигнале носит амплитуд но-модулированный характер, проявление этих дефектов в АЧХ токового сигнала ожидалось в районе 50±6,8 Гц для подшипника 6000 и 50±37,3 Гц для подшипника 625.
Особенности промышленных испытаний системы диагностирования
Анализ полученных результатов показывает что, в результате применения системы диагностирования фиксируются такие неисправности ЭПА как биение валов, неисправное состояние подшипников качения, неравномерная нагрузка на выходной вал редуктора ЭПА и дефекты выходного вала редуктора ЭПА. Сравнение априорных данных о колебательных характеристиках ЭПА, находящегося в исправном состоянии, с текущими значениями собственных частот позволяет выдавать заключение (диагноз) о техническом состоянии объекта контроля.
Разработанная система диагностирования ЭПА является системой-советчиком и выводит на экран в графической форме результат обработки зарегистрированного токового сигнала, окончательный диагноз ставит оператор-диагност имеющий соответствующую подготовку.
Мобильность данной системы и относительная оперативность выдаваемых ею результатов контроля позволяют производить измерения дистанционно, вдали от исследуемого оборудования, когда доступ к объекту контроля затруднен или невозможен, например, ввиду наличия радиации или высокой температуры, и не требует прокладки дополнительных, помехозащищенных линий связи. С целью увеличения помехозащищенности измерительного тракта, измерительные блоки при этом могут подключаться непосредственно к токоведущим жилам электродвигателя в шкафах РТЗЭО, а информационно-регистрирующая часть системы в виде персонального компьютера устанавливается стационарно в помещении щита управления. Достоинством такого варианта системы является возможность осуществления непрерывного мониторинга в режиме реального времени.
Предлагаемая система может найти как самостоятельное применение для решения задач диагностики электроприводной арматуры энергоблоков АЭС, так и войти в состав комплексной системы диагностики (КСД) охватывающей более широкий круг задач.
Реализуемый системой метод диагностики чувствителен к появлению аномалии в работе электроприводной арматуры, что позволяет не допустить возникновения аварийной ситуации и своевременно принять решение об остановке оборудования и выводе его в ремонт, с другой стороны осуществление периодического (мобильной системой) или постоянного (стационарной системой) мониторинга состояния электроприводной арматуры, совместно с другими (штатными) мероприятиями позволит перейти от планового обслуживания оборудования к обслуживанию по фактическому состоянию. Эти достоинства разработанной системы и метода токовой диагностики ЭПА позволяют в конечном счете повысить надежную и безопасную эксплуатацию АЭС, а также снизить процент затрат на ремонт за счет сокращения сроков простоя и ремонта электроприводного оборудования.
