CC BY
35
УДК 63-83-52:519.768.2
АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ К.Ю.Ушаков1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведен анализ основных методов технического диагностирования, использующих многошаговый процесс поиска неисправностей. Изложен алгоритм диагностирования управляемого выпрямителя. Сделаны выводы и предложен метод автоматизированного человеко-машинного поиска неисправностей управляемого выпрямителя.
Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: электровоз; электрооборудование; управляемые выпрямители; алгоритмы диагностирования; автоматизация.
ALGORITHMS FOR CONTROLLED RECTIFIER DIAGNOSING K.Yu. Ushakov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The analysis of the main methods of technical diagnosing that use the multi-step process of troubleshooting is carried out. The algorithm for controlled rectifier diagnosing is presented. The conclusions are made and the method of automated human-computer troubleshooting of the controlled rectifier is proposed. 3 figures. 2 tables. 5 sources.
Key words: electric locomotive; electrical equipment; controlled rectifiers; diagnosing algorithms; automation.
Введение. Работа тяговых локомотивных управляемых выпрямителей (УВ) характеризуется наличием значительных перенапряжений, воздействующих на элементы преобразователя, при колебаниях напряжения источника питания, срабатывании защиты, боксо-вании локомотива и т.д. [1]. Все элементы УВ подвержены воздействию окружающей среды, температура которой может доходить до -40°С зимой и до +50°С летом, вертикальным и продольным вибрациям, пыли и влажности. В процессе эксплуатации выпрямительных установок могут возникнуть значительные перегрузки диодов и тиристоров по току - все это со временем приводит к тому, что выходят из строя отдельные узлы как силовой, так и низковольтной части управляемых выпрямителей [2].
При заходе электровозов в электродепо ремонтные бригады используют стандартные технологии и подходы по выявлению и устранению неисправности УВ. Качество, скорость и надежность ремонта управляемых выпрямителей зависят в большей степени от навыков и уровня подготовки персонала, что существенно отражается на дефиците транспорта, востребованного в условиях повышеных грузоперевозок, а также на расходе денежных средств ОАО «РЖД» на внеплановые ремонты электрооборудования электровозов.
Содержание технических средств железнодорожного транспорта на высоком эксплутационном уровне, обеспечивающем безопасность движения поездов и высокую эффективность процесса перевозок, невозможно без объективной информации об их фактическом состоянии.
Одним из важнейших направлений повышения надежности подвижного состава в эксплуатации на
1Ушаков Константин Юрьевич, аспирант, тел.: (3952) 405128. Ushakov Konstantin, Postgraduate, tel.: (3952) 405128.
основе организации контроля за состоянием его основных узлов и деталей является широкое внедрение современных методов и средств технической диагностики и их дальнейшее совершенствование.
Разработка логической схемы поиска неисправности. При разработке диагностической системы управляемого выпрямителя составим его функциональную схему (рис. 1), где обозначено: ВА - вводной автоматический выключатель; СТ - силовой трансформатор; СС - силовая схема преобразователя; Н -нагрузка преобразователя; БП - блок питания системы управления; ИСН - источник синхронизирующего питания; ГПН - генератор периодического напряжения; УО - управляющий орган; К - компаратор; УФ -усилитель-формирователь импульсов управления; ГР
- устройство гальванической развязки; ДТ - датчик тока; ФДТ - фильтр датчика тока; ~ ис - напряжение питающей сети переменного тока; ивх - входное напряжение силовой схемы преобразователя; ивых -выходное напряжение преобразователя; 1н - ток нагрузки; ибп - выходное напряжение блока питания; идт - выходное напряжение датчика тока; ифдт - выходное напряжение фильтра датчика тока; ирт - выходное напряжение регулятора тока; игпн - выходное напряжение генератора периодического напряжения; иуо - выходное напряжения управляющего органа; ик
- выходное напряжение компаратора; иуф - выходное напряжение усилителя-формирователя импульсов; игр - выходное напряжение устройства гальванической развязки.
На основе функциональной схемы рис.1 составим логическую модель УВ, которая представлена на рис.2.
Рис.1. Функциональная схема управляющего выпрямителя
Рис. 2. Логическая модель УВ в виде ориентированного графа
Входные и выходные сигналы УВ представлены вершинами с символами Xi и Z, где i - индекс элемента логической модели, на вход (с выхода) которого поступают (выходят) сигналы.
Входные внешние сигналы Xi, Х2 соответствуют сигналам Uc, из на рис.1. Внешний выходной сигнал Z4 (рис. 2) соответствует выходному сигналу 1н.
Представим логическую модель УВ, показанную на рис. 2, в виде системы логических уравнений (1):
Zi = ei A Xi
Z2 = e2 A Z1 Z3 = e3 A Z2 A Z10 Z4 = e4A Z3 Z5 = e5 A Xi Z6 = e6 A Xi
Z7 = e7 A z6 A z5
Zß = e8 A Z5A Z7 A Zii (1)
Z9 = e9 A ZßA Z5 Zio = eio A Z9 Zii = en A Z5A Zi4
Zi2 = ei2A Z2
Zi3 = ei3 A Zi2 Zi4 = ei4 A Zi3 A Z5A X2 , где ej характеризует внутреннее состояние i-го функционального блока (ej = 0 - неисправен, e, = 1 - исправен).
Выбор метода поиска неисправностей. Выбор метода поиска неисправностей обусловлен структурой объекта диагностирования (ОД) и требуемой глубиной поиска. Качество метода поиска существенно влияет на его эффективность, которая характеризуется различными затратами (временными, материальными, энергетическими и т.п.). Эти затраты могут быть одинаковыми для всех элементарных проверок или отличаться в зависимости от условий проведения проверок при решении задачи диагностирования.
Каждому техническому состоянию e, ОД соответствует некое число p(e), отражающее вес (значимость) данного технического состояния [3]. Как и в случае с ценами элементарных проверок, веса технических состояний могут быть одинаковыми или разными. Вероятность, с которой ОД может находиться в некотором техническом состоянии:
0 < p(e) < 1,
e е e
N
IЖ) = 1,
i=1
где i = 1,2,...N - число технических состояний ОД; Е - множество всех технических состояний ОД.
Для уменьшения затрат на программу поиска неисправностей используют оптимизированные способы их построения [4]. При оптимизации программы поиска неисправности решают две задачи:
1) выбор наилучшего набора контролируемых параметров ОД (минимальная совокупность элементарных проверок);
2) определение наилучшей последовательности проверок (алгоритм диагностирования).
Обозначим сумму цен элементарных проверок, входящих в алгоритм диагностирования, как
, Е).
Средние затраты на определение одного состояния ОД могут быть найдены как
C (Zo, E) = I C (Zo, ei ) =
p(e, )I C (Zk )
(2)
где 20 - первая элементарная проверка алгоритма диагностирования; ^С(2к ) - сумма цен элементарных проверок алгоритма диагностирования от 20 до
Выражение (2) позволяет определить качество любого алгоритма диагностирования при различных ценах элементарных проверок и весах технических состояний ОД и может быть использовано как целевая функция оптимизации алгоритмов диагностирования.
Таблица 1
Порядко вое место Алгоритм диагностирован ия Минимальные средние затраты на определение одного технического состояния
1 V-алгоритм С(го, Е) = 0,1618
2 S-алгоритм С&0, Е) = 0,184
3 MV-алгоритм С&0, Е) = 0,2182
4 MS-алгоритм С(^0, Е) = 0,2263
5 N-алгоритм С&0, Е) = 0,2987
6 PT-алгоритм С&0, Е) = 0,3764
При выборе метода поиска неисправности были просчитаны шесть вариантов алгоритмов диагностирования (У-алгоритм, РТ-алгоритм, Б-алгоритм, N1-алгоритм, МУ-алгоритм, МБ-алгоритм) и построены их логические графы. Из данных, приведенных в табл.1, видно, что лучшую эффективность имеет У-алгоритм.
Данные для расчетов взяты из табл.2, где обозначено:
р(е) - вероятность технического состояния элемента;
1(е) - время реализации элементарных проверок (это время, необходимое для проведения проверки -го элемента);
б(е) - доступность элементарной проверки (доступность проверяемого элемента в объекте диагностирования определяет эксперт);
3(е) - средняя арифметическая вероятность технического состояния элемента, определяется по формуле
^(в) = [р(вг)+ае)]2; (3)
V(e) - времявероятностная характеристика элемента, определяется по формуле
р(ег )/1(вг )
V в ) = ■
X [р^)/ '(вг )]
(4)
Остановимся подробнее на выбранном методе диагностирования (У-алгоритм).
Метод поиска с учетом относительной вероятности ^-алгоритм диагностирования). Этот метод основан на применении многошагового алгоритма при поиске неисправностей. Данный метод является разновидностью метода половинного деления при нерав-
сти таким образом, чтобы выполнялось соотношение
к N
XV(вг ) « XV(вг ) « 0,5, (5)
г=1 г=к+1
где
N
XV(вг ) = 1 .
г=1
Все следующие проверки выбираются таким же образом. Процедура повторяется до тех пор, пока не будут найдены все неисправные блоки.
Значение V(e) для управляемого выпрямителя указано в табл.2.
Средние затраты на определение одного состоя-
Таблица2
г-1
\ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Р(е) 0,01 0,04 0,16 0,1 0,12 0,01 0,14 0,1 0,07 0,02 0,04 0,04 0,05 0,1
((■е) 0,05 0,05 0,02 0,1 0,07 0,06 0,12 0,13 0,1 0,03 0,12 0,05 0,02 0,08
б(е) 0,11 0,11 0,2 0,07 0,06 0,05 0,04 0,04 0,04 0,12 0,04 0,02 0,03 0,07
Б(е) 0,06 0,075 0,18 0,085 0,09 0,03 0,09 0,07 0,05 0,07 0,04 0,03 0,04 0,08
V(e) 0,01 0,04 0,04 0,04 0,09 0,01 0,06 0,04 0,04 0,03 0,02 0,04 0,12 0,06
Р(е)/ Не) 0,2 0,8 8 1 1,74 0,17 1,17 0,77 0,7 0,66 0,33 0,8 2,5 1,25
ных вероятностях технических состояний элементов и с учетом цен их элементарных проверок. В данном методе наиболее полно учтена информация об объекте диагностирования, включающая как вероятности технических состояний элементов р(е), так и время реализации элементарных проверок 1(е).
В качестве функции предпочтения при выборе порядка проверок используют относительную времяве-роятностную характеристику V(e), определяемую как соотношение вероятности технического состояния элемента р(е) и времени элементарной проверки 1(е), представленной в формуле (4).
Алгоритм диагностирования предполагает, что первой выполняется проверка 2к, делящая ОД на ча-
ния УВ по данному методу найдем по выражению (2): 0(2о ,Е)=0,1618.
Граф алгоритма диагностирования УВ по этому методу показан на рис.3.
Выводы. Таким образом, из рассмотренных алгоритмов диагностирования УВ наиболее эффективным оказался У-алгоритм, который и был принят за основу для построения программного комплекса диагностирования УВ.
Внедрение систем диагностирования управляемых выпрямителей значительно уменьшит степень некачественных ремонтов и время простоя электровозов при плановых ремонтах электрооборудования. Экспертная диагностическая система будет помощни-
Рис.3. Граф алгоритма диагностирования метода поиска с учетом относительной
вероятности
ком и консультантом в принятии верного решения по выявлению и устранению неисправности УВ при обслуживании его ремонтным персоналом.
Практические знания экспертов - специалистов в области ремонта УВ - являются их личной интеллектуальной собственностью, приобретенной в процессе их длительной карьеры путем изучения технической и узконаправленной литературы или путем собственных методов проб и шибок, которой они, как правило, не настроены делиться с начинающими специалистами в этой области, полагая их возможными конкурентами на рынке технических услуг. Внедрение систем диагностирования электрооборудования локомотивов поможет начинающим и опытным специалистам при ремонте УВ быстро, качественно и безошибочно найти
поврежденный узел и принять верное решение по устранению его неисправности.
Интерес к диагностированию электрооборудования локомотивов связан с тем, что сложность конструкции, интенсивность эксплуатации и повышение требований к надежности и безопасности не позволяют интуитивным и ручным способом определить фактическое состояние электрооборудования [5].
Как было уже сказано выше, внедрение систем диагностирования электрооборудования локомотивов существенно экономит денежные средства предприятия, но больший эффект даст внедрение программного диагностического комплекса, который объединяет в себя средства диагностирования и экспертную систему, направляющую пользователя и дающую ему подсказки по выявлению и устранению неисправностей.
Библиографический список
1. Находкин В.М., Яковлев Д.В., Чепашенец Р.Г. Ремонт электроподвижного состава. М.: Транспорт, 2000. 295 с.
2. Грещенко А.В., Стрекопытов В.В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 320 с.
3. Основы технической диагностики ( Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза) / под. ред. П.П.Пархоменко. М.: Энергия, 1976. 464 с.
4. Дунаев М.П. Новые логические алгоритмы диагностирования // Труды Всероссийской научн.-техн. конф. «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири». Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. С. 30-34.
5. Бервинов В.И. Техническое диагностирование локомотивов. М.: УМК МПС России, 1998. 190 с.
УДК 536.24
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В КРУГЛЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Л.В.Шварёв1, А.Л.Ефимов2
Московский энергетический институт технического университета, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.
Представлен пример расширения возможностей экспериментального исследования посредством моделей вычислительной гидродинамики. Рассмотрено экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамического сопротивления теплообменников с профилированными каналами некоторых форм. Приведены результаты расчетов посредством вычислительной гидродинамики для течения и теплообмена в профилированных каналах. Сопоставлены данные эксперимента и результаты компьютерного моделирования. Получены надежные зависимости для теплообмена и гидравлического сопротивления. Кратко описан процесс моделирования во Fluent 6.3.26 и построения сетки посредством Гамбита 2.4.6.. Ил. 5. Библиогр. 13 назв.
Ключевые слова: профилированные каналы; вычислительная гидродинамика; теплообменники; эксперимент; интенсификация теплообмена.
STUDY OF THE FLOW AND HEAT EXCHANGE IN ROUND PROFILED CHANNELS OF HEAT EXCHANGERS L.V. Shvarev, A.L. Efimov
Moscow Power Engineering Institute of the Technical University, 14, Krasnokazarmennaya St., Moscow, 111250.
The paper presents an example of widening the possibilities of an experimental investigation through the models of computational hydrodynamics. An experimental study of heat exchange and hydrodynamical resistance of heat exchangers with profiled channels of some shapes is considered. The calculation results by computational hydrodynamics for the flow and heat exchange in profiled channels are given. The experimental data and computer simulation results are compared. Reliable dependencies for the heat exchange and hydraulic resistance are obtained. The simulation process in
1Шварёв Леонид Викторович, аспирант, тел.: 89852895946. Shvarev Leonid, Postgraduate, tel.: 89852895946.
2Ефимов Андрей Львович, кандидат технических наук, профессор кафедры тепломассообменных процессов и установок, тел.: 89036879160.
Efimov Andrey, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Heat and Mass Exchange Processes and Installations, tel.: 89036879160.
