CC BY
43СЕКЦИЯ 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.019.34
О.А. Белов, Г.С Мясников
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: boa-1@mail.ru
ВНЕДРЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Асинхронный электродвигатель на сегодняшний день является основным приводом судовых механизмов, систем и устройств. Надежность и эффективность его работы обеспечивается системой мероприятий, где наряду с конструктивными решениями важное место отводится техническому обслуживанию и поддержанию эксплуатационных характеристик электроприводов в процессе работы. Важным элементом в этой системе является защита электропривода от различных аварийных режимов. Однако разнообразие режимов работы и особенности условий эксплуатации асинхронного электропривода не позволяют обеспечить эффективную защиту электропривода традиционными средствами. Это требует разработки принципиально новых подходов к решению данной проблемы и внедрения комплексной защиты судовых электроприводов.
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, электропривод, электрическая защита, тепловая защита, тепловое реле, короткое замыкание, акустическая защита.
O.A. Belov, G.S. Myasnikov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskу, 683003 e-mail: boa-1@mail.ru
IMPLEMENTATION OF INTEGRATED PROTECTION OF SHIP ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVES
Asynchronous electric motor today is the main drive of ship mechanisms, systems and devices. Reliability and efficiency of its work is ensured by a system of measures, where along with constructive solutions, an important place is given to maintenance and maintenance of the operational characteristics of electric drives during operation. An important element in this system is the protection of the drive from various emergency conditions. However, a variety of operating modes and features of the operating conditions of an asynchronous electric drive do not allowto provide effective protection of the electric driveby traditional means. This requires the development of fundamentally new approaches to solving this problem and the introduction of integrated protection of marine electric drives.
Key words: asynchronous electric motor, electric drive, electric protection, thermal protection, thermal relay, short circuit, acoustic protection.
Уровень энергоемкости и автоматизации современных судов неизменно увеличивается, и эта тенденция продолжает сохраняться на протяжении последних десятилетий. Асинхронный электропривод является ключевым элементом судовой энергетической установки, общесудовых систем и устройств, а также технологических линий и судовых производств. Около 70% электроэнергии, производимой на судне, потребляется асинхронными электродвигателями. От надежности и безотказности работы асинхронных электроприводов зависит не только качество и количество производимой продукции, эффективность и трудоемкость различных технологических операций, но и создание комфортных условий обитаемости экипажа, придание судну важных мореходных свойств, в т. ч. обеспечения живучести судна и безопасности мореплавания [1, 2].
Внезапный отказ и утрата работоспособности практически любого судового электропривода сопровождается снижением эксплуатационных характеристик судна, повышает вероятность возникновения технических, экологических и навигационных происшествий. Причины отказов (инициирующие события) судового электрооборудования, в том числе и асинхронных двигателей, рассмотрены в публикациях [3-5].
Основные причины отказов можно условно разделить на три группы:
- конструкторско-технологические причины, связанные с ошибками в проектировании, нарушением технологии сборки, внутренними дефектами и несоответствием оборудования фактическим условиям эксплуатации;
-ремонтно-сервисные причины, обусловленные низким уровнем технического обслуживания и ремонта, что приводит к повышению интенсивности процессов изнашивания, старения и возникновению внезапных отказов, как правило, со значительными разрушениями деталей и узлового оборудования;
- эксплуатационные причины, вызванные нарушением правил и норм эксплуатации, превышением или значительным отклонением эксплуатационных параметров, снижением сопротивления изоляции и возникновением коротких замыканий.
Слабоформализуемым элементом в каждой из указанных групп является «человеческий фактор», связанный с уровнем квалификации персонала, его психофизиологическим и эмоциональным состоянием, степенью ответственности и мотивированности, способностью безошибочно выполнять контрольные и управляющие функции в процессе эксплуатации технических средств [6].
Все эти факторы могут проявляться не сразу, а только при определенных, чаще всего, предельно допустимых условиях эксплуатации. Вместе с тем следует отметить, что наличие тех или иных инициирующих событий в отдельности не обязательно приводит к возникновению аварийного отказа. Как правило, указанные инициирующие события имеют общую природу и образуют взаимосвязанные цепочки, приводящие в итоге к серьезным авариям с необратимыми последствиями [7].
Для предотвращения таких последствий необходимо изолировать инициирующие события друг от друга или разорвать общую цепочку инициирующих событий, в т. ч. снизить негативное влияние «человеческого фактора». Именно эту функцию в системе судового электропривода выполняет электрическая защита.
На сегодняшний день судовые электроприводы имеют ряд типовых электрических защит и блокировок, строящихся на базе тепловых и электромагнитных реле:
- защита от короткого замыкания;
- защита от перегрузки (тепловая защита);
- защита от снижения напряжения и обрыва фазы;
- нулевая защита;
- грузовая защита и т. д.
Указанные виды защит в большинстве случае реагируют на аварийные отклонения параметров и не отслеживают возникающие инициирующие события в процессе эксплуатации. Это, по сути, приводит к генерации новых инициирующих событий, и процесс развития аварийного отказа приобретает лавинообразную форму [7].
Так, проведенные лабораторные исследования показали, что при одинаковых начальных условиях и нагрузке до 0,5Рн, отключение одной из фаз асинхронного электродвигателя вызывает срабатывание защиты в интервале до 8 мин, при этом температура обмотки статора в момент отключения превышает предельно допустимую на 10%. При увеличении нагрузки до 0,8Рн разброс параметров увеличивается, интервал времени срабатывания сокращается до 5 мин, но отклонение предельной температуры достигает 15%.
Исследование тепловой защиты электродвигателя показало, что при плавном увеличении нагрузки на валу тепловые реле срабатывают относительно корректно, обеспечивая заданный уровень параметров. При резком увеличении нагрузки на валу тепловая защита, из-за большой инерционности тепловых реле, срабатывает с недопустимым запаздыванием, когда температура обмоток уже значительно превысила допустимый уровень.
Значительный разброс по критическим параметрам имеют и другие виды защит, что в реальных условиях приводит не только к аварийным отключениям с необратимыми последствия-
ми, но и снижает ресурс электрооборудования, происходит интенсивное старение и накопление внутренних дефектов, снижается работоспособность и надежность технических средств [8].
Таким образом, с учетом широкого диапазона режимов работы и особенностей эксплуатации судовых электроприводов традиционные средства защиты являются недостаточно эффективными и надежными. Это требует разработки принципиально новых подходов к решению данной проблемы и внедрению комплексной защиты судовых электроприводов, например на базе виброакустических средств контроля.
Элементная база системы виброакустического контроля включает в себя набор пьезоэлектрических датчиков, блок коммутации, микроконтроллеры и микропроцессорную систему с установленным программным обеспечением и устройством вывода информации.
С наименьшими затратами система может быть внедрена на основе одноплатного микрокомпьютера RaspberryPi, нескольких микроконтроллеров ArduinoUno, релейного и клеммного модуля, объединенных на общей печатной плате и заключенных в пластиковый корпус, с возможностью крепления на DIN-рейку или на плоскую поверхность. Коммутация нескольких устройств в одну сеть возможна с помощью встроенного интерфейса Ethernet на 10/100 Мбит. Обмен данными напрямую с ПК или планшетом возможен через Wi-Fi или Bluetooth. Преимуществами такой комплектации являются низкая стоимость компонентов, доступность на рынке, возможность использования отечественных комплектующих.
Внедрение виброакустического контроля в систему управления судовым электроприводом позволяет не только осуществлять непрерывный мониторинг и регистрацию виброакустической «картины» защищаемого оборудования, но и обеспечит своевременную диагностику большинства характерных неисправностей, к которым относятся:
- неправильное соединение отдельных частей или фаз обмоток;
- обрывы одной или нескольких параллельных ветвей обмоток;
- неравномерный воздушный зазор между статором и ротором;
- расцентровка электродвигателя с рабочей машиной;
- неисправности в соединительной муфте;
- искривление вала;
- неуравновешенность вращающихся частей электродвигателя или рабочей машины;
- ослабление крепления или посадки вращающихся частей;
- дефекты подшипников электропривода.
Своевременное обнаружение и устранение указанных дефектов позволяет локализовать отдельные «инициирующие события» и разорвать цепочку развития внезапного отказа и возникновения необратимых аварийных последствий.
Внедрение комплексной защиты электроприводов на базе рассмотренной микропроцессорной системы позволяет варьировать и расширять ее возможности в зависимости от типа электропривода и режимов его работы. Так, при соответствующей доработке программного обеспечения и применения в качестве датчиков температурных реле, уровнемеров, центробежных указателей скорости и других устройств, возможно добавление целого ряда функций:
- контроль, регистрация, а в отдельных случаях и регулирование температуры (обмоток статора, подшипников, масла, охлаждающей жидкости, помещений и т. д.);
- контроль давления;
- контроль уровня жидкостей и масел;
- контроль положения в пространстве (запрет на пуск в нерабочем положении);
- контроль и регистрация скорости вращения;
- контроль параметров электрической сети;
- мониторинг и регистрация потребления электроэнергии оборудованием.
Таким образом, внедряемая система способна не только обеспечивать непрерывную защиту электропривода, но и вести регистрацию всех параметров на устройстве, что фактически исключает потерю данных, позволяет удаленно производить мониторинг и управление оборудованием, осуществлять своевременную диагностику и контроль технического состояния, а также выдавать при необходимости запрет на запуск и своевременно инициировать аварийную остановку.
Для эффективного внедрения комплексной защиты асинхронных электроприводов требуется решение ряда сопутствующих задач. В частности, необходимо упростить процесс интерпретации полученных данных и тем самым снизить вероятность ошибки оператора. Кроме того необходима соответствующая подготовка и повышение квалификации операторов.
Другой проблемой, требующей решения, является технологическая вибрация судовых механизмов (например, поршневых компрессоров), которая существенно затрудняет использование виброакустических средств контроля. Решение данной проблемы и разработка системы, способной распознать среди прочих шумов и вибраций именно ту, которая является предпосылкой развития необратимого дефекта и выхода из строя оборудования, является актуальной задачей.
Таким образом, внедрение комплексной защиты судовых электроприводов в совокупности с решением сопутствующих задач и совершенствованием элементной базы и программного обеспечения позволит существенно повысить ее эффективность и обеспечить требуемый уровень надежности и безопасности судового электрооборудования.
Литература
1. Белов О.А. Обзор основных факторов снижения безопасности сложных технических систем / О.А. Белов, А.И. Парфенкин // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2015. - № 35. - С. 11.
2. Белов О.А. Методология анализа и контроля безопасности судна как сложной организационно-технической системы / О.А. Белов // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2015. - № 34. - С. 12-18.
3. Пантина А.И. Контроль технического состояния судовых асинхронных двигателей на основе характеристик внешнего электромагнитного поля / А.И. Пантина, О.А. Белов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2017. - Т. 13, № 1. - С. 32-36.
4. Труднев С.Ю. Разработка устройства диагностики защитной аппаратуры судового электрооборудования на основе ионистора / С.Ю. Труднев, Р.А. Юрьев, А.А. Марченко // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы Пятой всероссийской научно-практической конференции. - 2014. - С. 147-148.
5. Белов О.А. Методология оценки технического состояния электрооборудования при развитии параметрических отказов / О.А. Белов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 3. - С. 96-102.
6. Белов О.А. Оценка технической готовности системы с учетом влияния человеческого фактора / О.А. Белов // Вестник Камчатского государственного технического университета. -2014. -№ 30. - С. 11-16.
7. Белов О.А. Общий алгоритм развития опасных ситуаций в судовых условиях / О.А. Белов / Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Восьмой всероссийской научно-практической конференции, 2017. - С. 51-54.
8. Белов О.А. Процесс формирования постепенного отказа в технических системах / О.А. Белов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Шестой всероссийской научно-практической конференции, 2015. - С. 44-49.
