Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 9
1.1. Структурный анализ основных видов высоковольтных мехатронных
1.2. Анализ основных методов и средств диагностирования высоковольтных мехатронных модулей 12
1.3. Выводы по главе 1 28
Глава 2. Диагностирование высоковольтных мехатронных модулей в производственных условиях и постановка задач исследования 29
2.1. Диагностика электродвигателей на рабочем напряжении 29
2.2. Диагностика статорных обмоток гидрогенераторов на рабочем напряжении 48
2.3. Анализ и синтез структуры системы диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 59
2.4. Направления и задачи разработки системы диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 67
ГЛАВА 3. Модели, методы и алгоритмы диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 70
3.1. Разработка концепции моделирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 70
3.2. Математическая модель и метод классификации технического состояния высоковольтных мехатронный модулей 81
3.3. Математическая модель и метод поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей 92
3.4. Алгоритм оценки технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 99
3.5. Алгоритм поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей 103
3.6. Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Аппаратно-программные средства повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования технического состояния 108
4.1. Устройство диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей 108
4.2. Программное обеспечение повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования технического состояния 117
4.3. Экспериментальные исследования методов и средств повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей по результатам диагностирования технического состояния 121
4.4. Анализ эффективности применения методов повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования технического состояния 142
4.5. Выводы по главе 4 151
Заключение 152
Список использованных источников 155
- Анализ основных методов и средств диагностирования высоковольтных мехатронных модулей
- Диагностика статорных обмоток гидрогенераторов на рабочем напряжении
- Математическая модель и метод классификации технического состояния высоковольтных мехатронный модулей
- Программное обеспечение повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования технического состояния
Анализ основных методов и средств диагностирования высоковольтных мехатронных модулей
Надежная работа высоковольтного оборудования промышленных предприятий является одним из основных факторов, определяющих стабильное электроснабжение объектов народного хозяйства. Ежегодный рост электропотребления в регионах Российской Федерации при резком повышении требований к надежности и долговечности оборудования ставит новые задачи по повышению эксплуатационной надежности электрооборудования [1,2].
Основными видами высоковольтного электрооборудования являются генераторы и электродвигатели. В зависимости от сферы применения различают турбо- и гидрогенераторы.
Турбогенератор (ТГ) - основной вид генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии. Представляет собой неявнополюсный синхронный генератор, основная функция которого состоит в конвертации механической энергии в работе от паровой или газовой турбины в электрическую при высоких скоростях вращения ротора (3000, 1500 об/мин). Механическая энергия от турбины конвертируется в электрическую при помощи вращающегося магнитного поля, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, что в свою очередь приводит к возникновению трехфазного переменного тока и напряжения в обмотках статора. В зависимости от систем охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько видов: генераторы с воздушным охлаждением, генераторы с водородным охлаждением и генераторы с водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генератор с во-дородно-водяным охлаждением [3].
Гидрогенератор (ГГ) — электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях (ГЭС). Педставляет собой синхронную явнополюсную электрическую машину вертикального или горизонтального исполнения, приводимую во вращение от гидротурбины. Конструкция гидрогенератора в основном определяется параметрами гидротурбины, которые в свою очередь зависят от природных условий в районе строительства гидроэлектростанции (напора воды и ее расхода). В связи с этим для каждой гидроэлектростанции обычно проектируется новый гидрогенератор [3].
Гидрогенераторы обычно имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м), чем в первую очередь определяется вертикальное исполнение большинства гидрогенераторов, так как при горизонтальном исполнении становится невозможным обеспечение необходимой механической прочности и жесткости элементов их конструкции.
Вертикальные гидрогенераторы обычно состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники. По особенностям конструкции гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные. У подвесных гидрогенераторов подпятник располагается над ротором в верхней крестовине, у зонтичных подпятник располагается под ротором в нижней крестовине или опирается на крышку турбины (в этом случае верхняя крестовина у гидрогенератора отсутствует).
Горизонтальные капсульные гидрогенераторы представляют собой часть герметичной капсулы, содержащей помимо гидрогенератора гидротурбину и системы обеспечения. Капсула помещается непосредственно в проточную часть гидроэлектростанции.
На гидроаккумулирующий электростанциях используются обратимые гидрогенераторы (гидрогенераторы-двигатели), которые могут как вырабатывать электрическую энергию, так и потреблять ее. От обычных гидрогенераторов они отличаются особой конструкцией подпятника, позволяющей ротору вращаться в обе стороны.
Основным потребителем электроэнергии в мире является электродви 11 гатель, являющийся – электрической машиной (электромеханическим преобразователем), в котором электрическая энергия преобразуется в механическую и приводит в движение различные объекты [3].
Все рассмотренные виды высоковольтного электрооборудования относятся к классу электрических вращающихся машин и обладают обратимостью и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режиме [1].
Вне зависимости от режима, такая машина имеет жесткую связь с другим объектом, который приводит ее во вращение (генераторный режим) (рис.1.1, а), либо является исполнительным элементом (двигательный режим) (рис.1.1,б). Такое конструктивное объединение электрических и механических объектов получил название модуль движения [4].
Повышение эффективности энергоснабжения производства и улучшение качества выпускаемой продукции неразрывно связаны с повсеместным внедрением мехатроники. Несмотря на то, что мехатpоника является одной из самых молодых областей технической науки XX века, можно констатировать, что уже в настоящее время происходит мехатpонизация техносфеpы [5,6], связанная с решительным поворотом развития производственной и бытовой техносpеры в направлении все более широкого внедрения мехатрон-ных средств автоматизации. В последнее десятилетие в инженерной практике в качестве такого предметного наполнителя все чаще выступают мехатрон-ные системы и технологии, которые призваны определить облик техносферы XXI века. За время своего сравнительно непродолжительного существования мехатроника проникла во все сферы человеческой деятельности, демонстрируя яркий пример впечатляющих итогов междисциплинарного взаимодействия, причем наибольшее применение достижения мехатроники находят в таких отраслях как энергетика, машино- и приборостроение, как станко- и автомобилестроение, робототехника и вычислительная техника, а также авиакосмическая, медицинская, офисная и бытовая техника.
Рассмотрены актуальные проблемы, базовые понятия, основные задачи и принципы мехатроники, основные требования, принципы построения, методы проектирования и современные тенденции развития мехатронных систем, разработаны методы и принципы интеллектуального управления ме-хатронными объектами [7-16].
Современное генерирующее и потребляющее оборудование изготавливается по мехатронному принципу, предусматривающим жесткую связь электрической вращающейся машины с механическим устройством и системой управления (рис. 1.2).
В России, так и во всем мире, сложилась тенденция «старения» парка электрооборудования, в первую очередь - наиболее ответственного и дорогостоящего. На данный момент возраст большинства преобразователей электрической энергии современных станций составляет 30 лет и более, поэтому одной из возникших на современном этапе стратегических задач является оценка возможности продолжения эксплуатации оборудования по истечении нормированного срока его службы.
Одним из способов повышения эффективности функционирования является включение системы диагностирования технического состояния в состав мехатронного модуля движения (рис.1.3). Такая модернизация позволит контролировать реальное техническое состояние модуля, своевременно выявлять дефекты его отдельных узлов, технически обоснованно планировать сроки и содержание ремонтных работ, повысить ресурс и надежность оборудования, продлить межремонтный период и срок службы, тем самым повысить надежность и эффективность функционирования мехатронных модулей движения [17].
Диагностика статорных обмоток гидрогенераторов на рабочем напряжении
Методы основываются на контроле питающего тока (рис.2.4) или напряжения на клеммах двигателя. Дефекты искажают рабочий ток двигателя или напряжение на клеммах двигателя по следующим причинам:
1) Механические дефекты (диссипационного характера). На фоне основной ток, обусловленный потреблением исполнительного механизма, добавляются пульсации тока из-за бросков от трения. Трение в дефекте модулирует момент сопротивления при вращении машины, что, при известном законе изменения напряжения промышленной сети, определяет появление дополнительных гармоник в питающем токе, т.е. появлении "автографа дефекта" или "отпечатка пальца" в питающем токе.
2) Контактные дефекты. Возникают из-за изменений переходного сопротивления, однако из-за малости изменений контактного сопротивления ток будет иметь слабые признаки "автографа". Однако при контактных явлениях будут излучаться мощные ВЧ электромагнитные волны, которые и будут признаком дефекта.
3) Дефекты из-за разрядов в пакете активной стали. Такие дефекты также могут вызывать изменения в токе (AIмаг). При этом важной будет тепловая мощность дефекта. Очевидно, что мощность дефекта зависит от размера дефекта и не зависит от мощности двигателя. При разряде в пакете сердечника будут излучаться ВЧ электромагнитные волны, по которым будет фиксироваться дефект.
4) Дефекты, сопровождающиеся частичными разрядами в изоляции, мощность этих дефектов мала 10-6"-8 Вт и их вклад в изменение тока ничтожен. Однако разряды излучают электромагнитные волны, которые могут быть измерены, рис.2.5,б.
Определение дефектов неэлектрическими методами Неэлектрическими методами диагностики, позволяющими определить наличие дефекта, являются: 1) Виброконтроль (рис.2.4,б) - при этом фиксируются вибрации или зву ковые колебания на корпусе двигателя, измеряется виброускорение, виброско рость или виброперемещение. Указанные характеристики могут быть получе ны по результатам измерения датчиком-акселерометром, измеряющим уско рение, т.е. a. И далее путем вычисления определить остальные параметры: виброскоростиv=jadt, виброперемещениях=у(Й. 2) Тепловизионный контроль - измеряются температура и область (объ ем) с повышенной температурой, это позволяет оценить мощность выделе ний в дефекте. Электрические измерения механических характеристик дефекта
При возникновении механических дефектов, например, распрессовки обмотки или магнитопровода, возникает вибрация, которая приводит к изменениям полного реактивного сопротивления - импеданса; закон изменения импеданса во времени - Z(t) будет соответствовать геометрическим изменениям узлов конструкции, т.е. определять вибрацию. Методом, позволяющим контролировать вибрацию [77], является измерение гармоник емкостного тока в цепи заземления.
Энергетические характеристики дефектов
Учитывая многообразие дефектов и явлений в них, в общем случае сложно определить величины характеристик дефектов в двигателях. По этой причине будем рассматривать это явление с энергетических позиций, т.е. по оценке мощности дефекта, с учетом энергии, потребляемой на активацию дефектов, далее уже оценивать характеристики собственно дефекта.
Любые дефекты, которые возникают в двигателях, в любом случае трансформируют часть подводимой мощности на активацию дефекта, т.е. на его, дефекта, "собственное питание", вследствие чего и возникают: механические (вибрации, трения и т.п.); - электрические (искрения в контактах, разряды в изоляции); тепловые (нагревы). Таким образом, оценив мощность дефекта, далее можно определить величины диагностических характеристик, т.е. питающих дефект токов и напряжений, полосу частот питающих токов и т.д., т.е. определить принципиальную возможность измерения диагностических характеристик на фоне реальных, т.е. потребляемых двигателем в рабочем режиме, токов и напряжений, а также внешних помех. В табл.2.1 даны величины амплитуд гармоник питающих двигатель токов, которые могут служить оценкой энергии уровня помех.
Используя данные табл. 2.1 и 2.2, можно оценить чувствительность измерений при контроле вибрационных и механических дефектов. Из соотношения чувствительности 8=исети/ишум или S= Рсети/Ршум.
По табл.2.2 видно, что мощности измеряемых сигналов Рсигн=10-150 Вт, в то же время уровень шумов по табл.2.1 оценивается Ршум= 1 кВт ч- 150 кВт, так как в этом случае S 10 3 10 2, то диагностирование дефектов в мощных двигателях по гармоническому анализу питающих двигатель токов (анализ «автографов токов») невозможно. Таблица 2.2
Оценка мощности, потребляемой дефектом, и особенности сигнала на них ЧР Вибрационный дефект Механические дефекты (поломка подшипника) Искрения, замыкания пластин сердечника Формуларасчетамощности Р=UoQсрn Р=МтрС0,Мтр=Fтрr P=U2/rk dt Диапазон параметров Uo 104 ВОср 10-8 Клп 100 имп/сек Fтр 10Нсо 150 1/сек (1500об/мин)r 5-10"2м U=0,01 0,5В г=10-3 Ом Диапазонмощностидефекта К)"3 К)"1 Вт 10 150 Вт 1 50 Вт U 500 Вт
Особенности выходного сигнала и их полоса частот Отдельные импульсы, длиной ЮО-300нс по 1-5 импульсов ЧР на период 50Гц, характерная частота 10МГц Частота явлений 10-200Гц Непрерывный квазипериодический сигнал, характерная частота потребляемого явления 1-10 кГц Непрерывный сигнал от тока К.З., соответствует частотам питающего тока. Зона искрений излучает электромагнитную волну 50МГц
Обозначение в формулах U0 – рабочее напряжение, Q – величина кажущегося заряда, n – число импульсов ЧР в сек. Fтр - сила трения, Мтр - момент трения, со- частота вращения Ф – магнитный поток, rk – контактное сопротивление, U – напряжение на контакте.
Анализ чувствительности различных схем измерений Уровни помех при измерениях пульсаций тока AI(t, со) относятся к технике анализа гармоник питающего двигатель тока с наличием предпробойных явлений [70] - метод MCSA {Motor current signature analysis). "Измеряемая характеристика" - AIq(t, со) при измерениях MCSA в зоне повышенных частот, это зоны 15-50 гармоник. Данный ток (на частоте в полосе coq), накладывается на рабочий ток 10, питающий двигатель. Рабочий ток может быть представлен как сумма токов по всем гармоникам:
Математическая модель и метод классификации технического состояния высоковольтных мехатронный модулей
Предложенная структура системы многопараметрического диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей, отличающаяся конструктивной простотой и надежностью, которая достигается применением минимального количества элементов и связей, а также применением электронных и программных средств для обработки диагностической информации Направления и задачи разработки системы диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей
Эксплуатация высоковольтных мехатронных модулей требует согласованного и надежного функционирования всех его элементов, достичь которого можно целенаправленным управлением его техническим состоянием, которое может быть идентифицировано с помощью применения методов и средств технической диагностики.
Целью работы является повышение эффективности функционирования высоковольных мехатронных модулей совершенствованием моделей, методов и средств многопараметрического диагностирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать концепцию, модели и методы диагностирования высоковольтного мехатронного модуля. 2. Составить модели классификации технического состояния и поиска неисправностей высоковольтного мехатронного модуля. 3. Разработать алгоритм классификации технического состояния и поиска неисправностей. 4. Разработать аппаратно-программные средства диагностирования технического состояния высоковольтного мехатронного модуля. 5. Создать инженерную методику повышения эффективности функционирования высоковольтного мехатронного модуля по результатам диагностирования его технического состояния. 6. Сформулировать и выдать рекомендации организациям, занимающимся наладкой и эксплуатацией высоковольтных мехатронных модулей, по практической реализации полученных результатов.
Для решения поставленных задач, необходимо использовать методы мехатроники, построения микропроцессорных систем, искусственного интеллекта, теории надежности, технического диагностирования и прогнозиро 68 вания. При разработке и исследовании моделей, методов и алгоритмов диагностирования целесообразно использовать методы идентификации, компьютерного моделирования, программирования, теории нечеткой логики. Аналитические исследования планируется провести на ЭВМ, а экспериментальные - в производственных условиях.
1. Проведены диагностические исследования высоковольтных электродвигателей с помощью контроля параметров ЭРА, вибрации, тока и температуры. Установлено, что данные методы исследований наиболее полно и точно позволяют выявить неисправности объектов. Наиболее эффективно совместное применении данных методов в рамкам многопараметрической системы диагностирования.
2. Анализ и синтез структуры системы диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей показал целесообразность применения методов функционального диагностирования.
3. Разработан алгоритм комплексного многопараметрического диагностирования высоковольтных мехатронных модулей.
4. Предложена структура системы многопараметрической систем диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей, позволяющая реализовать разработанный алгоритм диагностирования и отличающаяся конструктивной простотой и надежностью
5. Исходя из цели, заключающейся повышении эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей совершенствованием моделей, методов и средств многопараметрического диагностирования, поставлены следующие задачи: разработать концепцию, модели и методы диагностирования высоковольтных мехатронных модулей; составить модели классификации технического состояния и поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей; разработать алгоритм классификации технического состояния и поиска неисправностей; разработать аппаратно-программные средства диагностирования технического состояния высоко 69 вольтных мехатронных модулей; создать инженерную методику повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей по результатам диагностирования его технического состояния; сформулировать и выдать рекомендации организациям, занимающимся наладкой и эксплуатацией высоковольтных мехатронных модулей, по практической реализации полученных результатов.
6. В основу решения поставленных задач необходимо положить методы мехатроники, искусственного интеллекта, теории надежности, технического диагностирования. При разработке и исследовании методов и алгоритмов повышения эффективности функционирования целесообразно использовать методы идентификации, компьютерного моделирования, программирования, теории нечетких множеств, нечеткой логики и нейронных сетей. Аналитические исследования планируется выполнить на ЭВМ, а экспериментальные -на реальных объектах в производственных условиях.
Программное обеспечение повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования технического состояния
Для раннего обнаружения дефектов высоковольтных мехатронных модулей используется сочетание различных методов и средств диагностирования, организованных по определенным принципам в сложные автоматизированные системы. Выполняемые такими системами диагностические операции описываются различными моделями, составляемыми для исследования и познания закономерностей, присущих исследуемому объекту, процессу, явлению. Существует три основных метода моделирования: математический, физический и смешанный [18].
По типу используемых математических описаний выделяют непрерывные, дискретные и гибридные модели. По методам представления взаимосвязей между состоянием объекта, его элементами и параметрами выходных сигналов модели можно разделить на аналитические, графоаналитические, функционально-логические и информационные [19].
В процессе функционирования, на мехатронный модуль оказывают влияние различные внешние и внутренние факторы, приводящие к изменению его состояния, но учесть их в полном объеме при применении стандартных методов моделирования невозможно ввиду дефицита информации, ее неполноты, ограниченности, нечеткости и качественного неформализованного представления. Неформализованные задачи обычно обладают следующими особенностями: ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью исходных данных; ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречи 71 востью знаний о проблемной области и о решаемой задаче; - большой размерностью пространства решения, т.е. перебор при поиске решения весьма велик; - динамически изменяющимися данными и знаниями.
Одним из путей решения проблемы неопределенности связано с созданием математических методов для описания нечетко определенных предметных областей. В подобных ситуациях широкое применение находит аппарат нечеткой логики, предложенной Л. Заде [81], который расширил классическое понятие множества, допустив, что характеристическая функция (функция принадлежности элемента множеству) может принимать любые значения в интервале (0;1), а не только значения 0 либо 1. Такие множества он назвал нечеткими (fuzzy), определил ряд операций над ними и предложил обобщение известных методов логического вывода modus ponens и modus tollens. Теория нечетких множеств, предложенная Л.Заде, позволяет описывать нечеткие понятия и знания, оперировать ими и делать нечеткие выводы.
Известно [82] определение математической модели как упрощенного отображения существующих сторон реального объекта, выраженное в математической форме и позволяющее математически описать правило преобразования входных Х в выходные Y параметры: где М - некоторая математическая модель системы.
Для разработки моделей необходимо применять эвристические подходы, основанные на задании параметров процессов с применением экспертных оценок, применение экспертных решений и оценки их последствий с помощью средств искусственного интеллекта. Как показала практика [82], применение подобных подходов в других технических системах дает хорошие результаты, т. к. позволяет наряду с традиционными математическими подходами применить «объективизацию» субъективных знаний экспертов и решать трудноформализуемые задачи.
При построении экспертных систем основным вопросом является: ка 72 кие знания должны быть в них представлены и в какой форме? Структура знаний зависит от сферы их использования и носит довольно сложный характер [82]. Эта структура включает в себя различные факты из предметной области, взаимосвязи между ними, правила действий и т.д. Она также должна включать в себя знания, касающиеся способа включения знаний о предметной области в экспертную систему. Сложность и многообразие структур знаний вызвали «к жизни» несколько различных методов их представления, из которых следует выделить следующие: логические модели, фреймовые и продукционные модели, семантические сети.
Модели знаний также можно условно разделить на декларативные и процедурные. Декларативная модель представления знаний основывается на предположении, что проблема представления некоей предметной области решается независимо от того, как эти знания потом будут использоваться. Поэтому модель как бы стоит из двух частей: статических описательных структур знаний и механизма вывода, оперирующего этими структурами практически независимо от их содержательного наполнения. В декларативных моделях не содержатся в явном виде описания выполняемых процедур. Эти модели представляют собой обычно множество утверждений. Предметная область представляется в виде синтаксического описания ее состояния (по возможности полного). Вывод решений основывается в основном на процедурах поиска в пространстве состояний.
В процедурном представлении, знания содержатся в процедурах - небольших программах, которые определяют, как поступать в специфичных ситуациях. При этом можно не описывать все возможные состояния среды или объекта для реализации вывода. Достаточно хранить некоторые начальные состояния и процедуры, генерирующие необходимые описания ситуаций и действий. Главное преимущество процедурных моделей представления знаний заключается в большей эффективности механизмов вывода за счет введения дополнительных знаний об их применении, однако это снижает их общность.
