CC BY
34
УДК 629.5.06:621.31
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИОНИСТОРОВ
Л.А.Толстова
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: BEG985@mail.ru
Приведены особенности современного технического состояния электрооборудования рыболовецких судов. Предлагается применение метода вероятностных характеристик и варьируемого параметра при оценке состояния объекта диагностирования. Средствами пакета MATLAB создана модель емкостного источника питания, которая позволяет моделировать работу батареи ионисторов при питании асинхронного электропривода.
Ключевые слова: электрооборудование судов, оценка технического состояния, объект диагностирования, метод вероятностных характеристик, ионистор.
Improvement of ships' electric-power systems serviceability with the use of ionistors . L.ATolstova (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatski, 683003)
Features of up-to-date technical state of fishing ships' electrical equipment are given. Methods of probable graphs and variable parameters for stating value of the object of diagnostication are offered. By means of assets of the MATLAB packet, a model of a capacitive power supply was created. It allows modeling the performance of ionistor battery by supplying of induction motor drive.
Key words: ships' electrical equipment, valuing of technical state, object of diagnostication, probable graphs method, ionistor.
Современное техническое состояние рыбопромыслового флота России характеризуется несколькими особенностями, которые порождены проблемами конкуренции и усилением требова-
ний к технологии добычи и обработки морепродуктов и ранее не проявлялись в такой значительной мере.
Во-первых, это расширение спектра судового электрооборудования и средств автоматики в сторону мощных электронных устройств. В этой ситуации задачи диагностики и регулирования мощного судового электронного оборудования выступают на передний план, так как выход из строя мощных полупроводниковых приборов во время ведения промысла может приводить к значительным экономическим потерям, а в случае выхода из строя систем управления ответственными энергетическими процессами - к потере безопасности мореплавания [1, 2].
Во-вторых, усложнение состава судового электрооборудования, рост его количества и широкое внедрение комплексных средств автоматизации на судах, как правило, приводит к увеличению интенсивности отказов. Вследствие этого простои судов, вызванные техобслуживанием и ремонтом оборудования, и связанные с ними убытки существенно возрастают [1, 3].
В-третьих, из-за уменьшения количественного состава промысловых судов (примерно в 2,5 раза) обострилась проблема повышения качества систем автоматики судовой энергетической системы. Участились случаи выхода генераторов из синхронизма из-за неэффективной системы регулирования напряжения и частоты вращения. Не уделяется достаточного внимания и отстройке динамических параметров электронных регуляторов, что оборачивается неминуемыми потерями топлива [4].
Снизить интенсивность отказов электрооборудования на стадии эксплуатации можно за счет регулярной оценки состояния электрооборудования и своевременного восстановления его работоспособности. Решить эти задачи позволяет своевременное и рациональное применение методов и средств диагностирования с последующей настройкой основных параметров систем регулирования и управления. В настоящее время известно множество методов оценки степени работоспособности судовых систем и поиска дефектов в них [5, 6]. Подробный анализ их эффективности показывает, что наряду с множеством определенных достоинств они имеют ряд недостатков. Как правило, это методы, предусматривающие процедуру съема информации с достаточно большого количества контрольных точек объекта диагностирования. При этом процесс диагностирования предполагает выполнение разветвленных алгоритмов, сложность которых увеличивается с ростом размерности диагностируемой электрической цепи.
С точки зрения развития аналитического аппарата диагностирования предлагается развить приложение теории многополюсника к задачам диагностики. Использование ее аппарата для описания диагностических задач представляется весьма перспективным особенно для задач параметрической диагностики, так как позволяет построить эффективные процедуры поиска неисправных элементов электронной цепи и прогнозировать состояние системы при минимальных затратах на создание специальной аппаратуры.
Алгоритмическое и программное обеспечение предлагается развить в направлении использования специальных алгоритмов. К ним относятся процедуры:
- контроля и оценки работоспособности судового электрооборудования;
- определения границ допуска параметров элементов объекта диагностирования с учетом топологии их соединения;
- локализации и поиска дефектов;
- прогноза возможных дефектов и регулирования запаса работоспособности.
Анализ существующих методов оценки состояния объекта диагностирования позволяет сделать следующие выводы:
- для промысловых судовых электроэнергетических систем крайне необходима функция прогноза состояний для предупреждения отказов и снижения доли аварийности;
- крайне желательна диагностика без разборки объекта диагностирования из-за сложности технологических операций разборки и их трудоемкости;
- процесс локализации дефектов желательно обеспечить наиболее детальный, до элемента;
- процедуру диагностики необходимо строить на алгоритмической основе с использованием микропроцессорной техники.
Применение детерминированной модели диагностирования при решении задачи построения области работоспособных состояний объекта диагностирования позволяет контролировать появление только одиночных дефектов. При этом необходимым условием проведения процедуры диагностирования является наличие предварительной информации о возникновении в системе только одиночных отказов. При появлении двойных, тройных и т. д. отказов область работоспо-
собности на основе детерминированной модели не определена в силу потери однозначности соответствия между множеством значений диагностируемых параметров gi и совокупностью диагностических признаков {K1, K2}. Недостатки такого рода при решении многомерных задач характерны для детерминированных моделей. Одним из способов их преодоления является введение в рассмотрение вероятностных характеристик при оценке состояния системы. Действительно, при рассмотрении различных вариантов сочетания вариаций параметров количество попаданий в произвольную точку пространства диагностических признаков {K1, K2} зависит от положения этой точки. Для каждой точки пространства наблюдаемых диагностических признаков {K1, K2} введем счетное множество событий Вк, определяющих количество реализаций вектора параметров компонент, приводящих в данную точку. Введением множества Вк формализуется оценка многозначности функции состояния объекта диагностирования при его наблюдении в пространстве диагностирования. Среди совокупности реализаций, принадлежащих данной точке, отберем подмножества векторов, соответствующих различной кратности вариаций. Тогда для каждой точки пространства диагностических признаков можно определить условную вероятность P(Aj | Bk) наступления события А}- при условии нахождения системы в выбранной точке. Количество попаданий в любую фиксированную точку пространства {K1, K2} при всех сочетаниях вариаций параметрами различных компонент ОД образуют полную группу событий. Решить задачу распределения в пространстве диагностирования вероятностей отказов различной кратности j, (j = 0, 1, 2, ..., m) аналитически не представляется возможным. При решении таких сложных задач, как правило, применяют метод статистических испытаний [8]. Для его реализации можно использовать современные среды прикладного программирования, такие как MATLAB, VISUAL BASIC, EXEL и др.
Именно метод варьируемого параметра [7] и предполагается развивать при решении задач повышения эксплуатационной надежности с применением ионисторов.
Живучесть и управляемость судна с автономным плаванием всецело базируются на электрической энергии. В связи с этим бесперебойная обеспеченность судна электрической энергией во всех его режимах работы, включая аварийные, - главная задача. Внезапный отказ в работе электростанции может произойти по любой причине как электрического, механического, так и магнитного характера. С учетом технико-эксплуатационных характеристик дизель-генераторных агрегатов, генераторов, элементов релейно-защитной автоматики и при этом даже наилучшего варианта действия вахтенной службы машинно-котельного отделения время нахождения судна без электроэнергии составит 1 мин [4, 5]. В целом 60 с - небольшой временной интервал, но с учетом нахождения судна в открытом море, вероятности совпадения на рассматриваемый момент времени с плохими погодными условиями безопасность мореплавания в этом случае может оказаться под угрозой, что чревато гибелью не только судна, но и членов экипажа.
Ионисторы - электролитические двухслойные конденсаторы - устройства аккумулирования энергии. По своим характеристикам ионисторы объединяют алюминиевые электролитические конденсаторы и батарейки. Они рассчитаны на несколько сотен тысяч циклов зарядки и разрядки. Параметры современных ионисторов позволяют говорить о возможности создания на их основе резервного источника питания переменного тока напряжением 380 В, мощностью до 15 кВт, способного обеспечить электрической энергией судовую сеть в течение 30-90 с, которых должно быть достаточно для запуска имеющегося на судне аварийного дизель-генератора.
Для обоснования высказанного утверждения средствами пакета MATLAB 7.0 с расширением Simulink 5/6 создана модель источника питания емкостью 210 ф, нагруженного на трехфазный силовой ШИМ-преобразователь с подключенным к нему асинхронным электроприво-дом(АД) мощностью 15 кВт. Модели силового ШИМ-инвертора, асинхронного двигателя, ШИМ-генератора имеются в библиотеке Simulink 5/6, SimPower System [8]. Разработанные блоки моделируют работу батареи ионисторов в процессе питания силового ШИМ, параметры ио-нистора - начальное напряжение и емкость - задаются в параметрах питающего блока.
Полученные результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы:
- работоспособность и адекватность модели подтверждаются компьютерными экспериментами, сопоставимость модельных результатов пуска асинхронного двигателя с ШИМ-преобразователем и натурными испытаниями оценивается погрешностями не более 5%;
- учет процесса разрядки ионистора в режиме пуска асинхронного двигателя мощностью 15 кВт, проведенный с помощью модельного прибора, показывает, что в течение 50 с ионистор удерживает 70% номинального напряжения;
- показания прибора N(rpm), регистрирующего обороты АД, также подтверждают работоспособность резервного питания в течение 50 с.
- точка срыва рабочей характеристики АД при питании от ионистора при заданных параметрах оценивается временем 50 с [9].
Таким образом, созданная модель позволяет оценить время, в течение которого резервный источник питания на основе современных ионисторов с ШИМ-инвертором, при различных значениях мощности электропривода и величинах электрической емкости ионистора поддерживает работоспособность системы аварийного электроснабжения судна, тем самым повышая надежность судовой электроэнергетической системы.
Литература
1. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А., Кузнецов С.Е. Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств // Тезисы докладов 7-й Междунар. науч.-техн. конф. «ТРАНСТЕК 2000». - СПб., 2000. -С. 67.
2. Портнягин Н.Н. Повышение надежности и информационной безопасности судовой информационной системы методами технической диагностики // Системы защиты информации / Под. ред. акад. Колесникова. - СПб.: СПбГТУ, 2003. - С. 56-59.
3. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Выбор диагностических параметров при решении задач диагностирования электронных цепей высокой размерности // Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 10. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 13-19.
4. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Диагностирование и настройка динамических параметров системы автоматического регулирования генераторных агрегатов судовой электростанции // Розвщка i розробка нафтових i газових родовищ. Сер1я: Методи i засоби техн1чно1 д1агностики: Державний м1жв1домчий науково-техничний збiрник / Вип. 38. Т. 8. - 1вано-Франювськ, 2001. - С. 132-137.
5. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Теория и методы диагностики судовых электрических средств автоматизации: Моногр. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003 - 117 с.
6. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Теория, методы и эксперименты решения задач диагностики судовых электрических средств автоматизации: Моногр. // Судостроение. - СПб., 2004 - 157 с.
7. Портнягин Н.Н. Применение метода статистических испытаний для определения области работоспособности судовых электрических средств автоматизации // Эксплуатация морского транспорта / Под ред. П.С. Емельянова. - СПб.: Наука, 2003. - С. 340-345.
8. Дъяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». - М.: СОЛОН - Пресс, 2005. - 800 с.
9. Портнягин Н.Н., Толстова Л.А. Моделирование работы ШИМ-инвертора в системе автономного электропитания // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - № 6 (приложение «Технические науки»). - C. 20.
