CC BY
22
УДК 621.865.8:004.891
ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ АКТИВНОСТИ
© 2014 г. Т. Н. Круглова, И.В. Ярошенко
Круглова Татьяна Николаевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: krugk>vatanya@ rambler. ru
Ярошенко Игорь Владимирович - инженер ООО «ДИАКС» г. Москва. E-mail: i.v.yaroshenko@bk.ru
Kruglova Tatyana Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «mechatronics and hy-dropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: kruglovatanya@ rambler. ru
Yaroshenko Igor Vladimirovich - engineer of the «DIAKS» Moscow. E-mail: i.v.yaroshenko@bk.ru
Приводится способ решения актуальной научно-практической задачи диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей по результатам анализа электроразрядной активности. Разработана математическая модель диагностирования с использованием аппарата нечеткой логики, позволяющая, по результатам замера электроразрядной активности, отнести текущее состояние объекта к одному из видов диагноза: «Норма», «Норма с отклонениями», «Норма со значительными отклонениями», «Ухудшенное» - что дает возможность технически планировать сроки технического обслуживания и ремонта оборудования, повысить надежность и эффективность функционирования высоковольтных мехатронных модулей.
Ключевые слова: высоковольтный мехатронный модуль; электроразрядная активность; нечеткая модель диагностирования.
The way of the solution of an actual scientific and practical problem of diagnosing of technical condition high-voltage the mechatronic modules by results of the analysis of electrodischarge activity is given. The mathematical model of diagnosing with use of the device of the fuzzy logic, allowing, by results of measurement of electrodischarge activity is developed, to refer current state of object to one of types of the diagnosis: «Norm», «Norm with deviations», «Norm with considerable deviations», «Degraded» that will allow to plan technically terms of maintenance and equipment repair, to increase reliability and efficiency of functioning high-voltage the mechatronic modules.
Keywords: high-voltage mechatronic module; electrodischarge activity; indistinct model of diagnosing.
Введение
Эксплуатационная надежность высоковольтных мехатронных модулей движения является технически и экономически важной задачей. В процессе эксплуатации могут возникать повреждения элементов модуля движения, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу его из строя и к непоправимым последствиям. Кроме того, эксплуатация находящихся в неудовлетворительном техническом состоянии ме-хатронных модулей движения обусловливает как прямые финансовые потери, связанные с непрогнозируемым выходом из строя оборудования и нарушением технологического процесса, так и значительные (до 5 - 7 %) косвенные непродуктивные затраты электроэнергии, вызванные повышенным электропотреблением (при той же полезной мощности). Поэтому актуальной является проблема поддержания работоспособного состояния мехатронных модулей, которую можно решить путем целенаправленных управляющих воздействий. Для эффективного управления техническим состоянием высоковольтных мехатронных модулей необходимо оперативно получать системати-
зированную достоверную информацию о текущем состоянии объекта, для чего целесообразно разработать модели, методы и средства диагностирования технического состояния.
Нечеткая модель диагностирования высоковольтных мехатронных модулей движения
В процессе функционирования на мехатронный модуль движения 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. Одно из направлений решения проблемы неопределенности является применение аппарата нечеткой логики, позволяющего, наряду с традиционными математическими подходами, применить «объективизацию» субъективных знаний экспертов и решать трудноформализуемые задачи.
Одним из наиболее комплексных методов диагностики высоковольтных модулей движения является метод электроразрядной активности (ЭРА), который проводится на рабочем напряжении и позволяет выявить дефекты в следующих узлах: в цепях питания электродвигателя; статорной обмотке; пакетах активной части; цепях питания ротора; щеточно-контакт-ном аппарате; контактных соединений в клеммной коробке [1].
Проведение диагностики высоковольтных меха-тронных модулей движения на рабочем напряжении сопряжено с трудностями, связанными с большим разнообразием конструктивных исполнений, фирм производителей и способов подключения их к сети. Это влечет за собой необходимость использовать различные варианты съема сигналов и типы датчиков, применительно к каждому конкретному случаю. Различные подходы к каждому двигателю соответственно затрудняют анализ их технического состояния, потому что не работает один из основных методов анализа -сравнение с однотипным оборудованием. Это затрудняет накопление данных по одинаковому оборудованию, не позволяет обобщать результаты, получать граничные критерии. Величина ЭРА в изоляции дви-
гателей также зависит от режима работ, наибольшая активность в изоляции статора бывает при пуске двигателя, поскольку в этом случае обмотка подвергается наибольшим электродинамическим воздействиям. При выборе способа съема сигнала при измерениях ЭРА главным фактором являются габаритные размеры машины, в зависимости от которых в данных произведено условное разделение машин на два вида: с крупными габаритами (рис. 1 а) и малыми габаритами, обычно это двигатели с мощностью менее 3 МВА (рис. 1 б).
При больших габаритах двигателя может применяться методика обследования модулей с установкой датчиков по торцевым щитам. Эти двигатели имеют большое число катушек, внутренний диаметр магни-топровода статора может составлять несколько метров (рис. 2).
Обозначение точек размещения датчиков приведено на рис. 2. Размещение датчиков для проведения измерений зависит от конструктивного исполнения модуля. В остальном измерения проводятся так же, как для генераторов за исключением некоторых конструктивных особенностей, описанных ниже.
Рис. 1. Двигатели с крупными (а) и малыми (б) габаритами
Рис. 2. Диагностика крупного электродвигателя: варианты применения датчиков при измерениях на крупном электродвигателе
б
п
При малых габаритах двигателя используется схема измерения, приведенная на рис. 3, измерения выполняются анализатором или осциллографом.
проявлениям дефектов, следовательно, входными данными модели являются виды дефектов, а выходами - состояния объекта (рис. 4). Как видно из таблицы, все неисправности проходят одинаковые стадии развития: появление признаков, устойчивая фиксация, динамичное развития, предельное состояние, следовательно, для каждого из входов необходимо задать функции принадлежности, отражающие данные стадии (рис. 5).
Рис. 3. Схема измерения ЭРА модуля с малыми габаритами
Для измерений используются датчики типа ТМР^ и датчики СТ-45. Датчик СТ-45 устанавливается или на шину заземления, или поводок заземления, или на кабель, а датчики ТМР^ - на корпус клеммной коробки и на боковую поверхность электродвигателя.
Учитывая большую гамму применяемых двигателей (заводов-изготовителей, тип изоляции и т.д.), невозможно дать критические величины ЭРА. По этой причине в таблице определен качественный подход к оценке технического состояния.
Задачей диагностики является определение технического состояния объекта по наблюдаемым
Неисправность 1
Неисправность 2
Неисправность 3
Неисправность 4
Неисправность 5
Неисправность 6
Нечеткая база знаний
«Норма»
«Норма с отклонением»
«Норма со значительным отклонением»
«Ухудшенное»
Рис. 4. Структура нечеткой системы диагностирования
Классификация технического состояния высоковольтных двигателей
Техническое состояние Норма (Н) Норма с отклонениями (НСО) Норма со значительными отклонениями (НСЗО) Ухудшенное (У)И
Коронная активность в статорной обмотке Появление признаков явления Явление фиксируется устойчиво Имеется динамика развития Переход в предельное состояние
и о <D & Частичные разряды в корпусной изоляции, разряды в кабельной линии То же То же То же То же
Искрения в контактах в районе клеммной коробки » » » »
m Пазовый разряд в обмотке статора Появление признаков явления Явление фиксируется устойчиво Имеется динамика развития
Искровые разряды в активной стали Появление признаков явления Явление фиксируется устойчиво
Разряды в обмотке ротора » Явление фиксируется устойчиво Имеется динамика развития
Первые два состояния позволяют дальнейшую эксплуатацию объекта, последнее требует его останова, следовательно, в качестве интервала определения функции принадлежности входов принимаем [-1 1]. Функции принадлежности «Появление» и «Фиксация» задаются на интервале [-1 0), который показывает, что объект не нуждается в немедленной остановке. Функции принадлежности «Динамика» и «Предел» задаются на интервале [0 1], что показывает необходимость останова объекта.
1,0
я &
с
«
я я
и
0
Фиксация
Динамика
Предел
& -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Вид дефекта
Рис. 5. Функции принадлежности входов нечеткой модели диагностирования
Взаимосвязь между входами и выходами нечеткой модели диагностирования (согласно таблице) описываются следующими нечеткими правилами:
Я}: если Х} есть «Появление» и Х2 есть «Появление»...и Х6 есть «Появление», то «Норма»;
Я2: если Хг есть «Фиксация» и Х2 есть «Фиксация».и Х6 есть «Фиксация», то «Норма с отклонениями»;
Я3: если Х} есть «Динамика» и Х2 есть «Динамика»...и Х6 есть «Динамика», то «Норма со значительными отклонениями»;
Я4: если Х} есть «Предел» или Х2 есть «Предел».или Х6 есть «Предел», то «Ухудшенное»;
Я5: если Х} есть «Появление» или Х2 есть «Появление». или Х6 есть «Появление», то «Норма»;
Я6: если Х} есть «Фиксация» или Х2 есть «Фиксация».или Х6 есть «Фиксация», то «Норма с отклонениями»;
Я7: если Х} есть «Динамика» или Х2 есть «Динамика»...или Х6 есть «Динамика», то «Норма со значительными отклонениями»;
Я8: если Х} есть «Предел» или Х2 есть «Предел».или Х6 есть «Предел», то «Ухудшенное».
Для преобразования четких входных значений в четкие выходные используется п - входной алгоритм нечеткого логического вывода Takagi - Sugeno [2]. В результате компьютерного моделирования разработанной нечеткой модели диагностирования получены поверхности отклика, представленные на рис. 6, и графики зависимостей состояния объекта от уровня развития неисправностей (рис. 7).
■1 и
б
Xi
Х5
Рис. 6. Поверхности отклика нечеткой модели диагностирования: а - «Норма»; б - «Норма с отклонениями»; в - «Норма со значительными отклонениями»; г - «Ухудшенное»
а
в
г
-0.1 в
-0.2
-0.24
-0.26
в г
Рис. 7. Зависимости состояния объекта от уровня развития дефекта: а - «норма»; б - «норма с отклонениями»; в - «норма со значительными отклонениями»; г - «ухудшенное»
Для удобства анализа полученных результатов изобразим все графики в одной системе координат (рис. 8).
I Состояние
0.35
Развитие дефекта
Ухудшенное
Рис. 8. Аналитические зависимости состояния объекта от уровня развития дефектов
Приведенные графики расположены в четырех квадрантах. Принадлежность текущего состояния объекта первому квадранту свидетельствует о исправном состоянии объекта и возможности его дальнейшей
эксплуатации. Если текущее значение принадлежит второму квадранту, то объект работоспособен, но имеют место незначительные отклонения, необходимо наблюдение. Попадание текущего состояния в третий квадрант свидетельствует о серьезных нарушениях в работе модуля, а в четвертый - о необходимости его немедленной остановки и ремонте.
Заключение
Разработанная нечеткая модель диагностирования технического состояния высоковольтного меха-тронного модуля движения позволяет по результатам контроля ЭРА определить текущее состояние объекта, отнеся его к одному из видов диагноза: «Норма», «Норма с отклонениями», «Норма со значительными отклонениями», «Ухудшенное», - а также спланировать сроки технического обслуживания и ремонта, что позволит значительно повысить надежность и эффективность функционирования высоковольтных меха-тронных модулей.
Литература
1. МУ 0633-06. Методические рекомендации по диагностике изоляции статорных обмоток вращающихся машин классов напряжения 3,15 - 24 кВ по характеристикам частичных разрядов.
2. Анисимов Д.Н. Нечеткие алгоритмы управления: учеб. пособие. М., 2004. 80 с.
Поступила в редакцию
9 января 2014 г.
