ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLVI NR 3 (162) 2005

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLVI NR 3 (162) 2005 Grzegorz Grzeczka EKSPERYMENTALNE BADANIA WERYFIKUJĄCE MOŻLIWOŚĆ WYKORZYSTANIA PARAMETRÓW JAKOŚCIOWYCH ENERGII ELEKTRYCZNEJ WYTWARZANEJ W OKRĘTOWYCH ZESPOŁACH ZASILANIA ELEKTRYCZNEGO DO OCENY ICH STANU TECHNICZNEGO STRESZCZENIE W celu zweryfikowania informacji diagnostycznych zawartych w sygnałach reprezentujących parametry jakościowe okrętowego zespołu zasilania elektrycznego przeprowadzono badania systemu elektroenergetycznego zbudowanego w laboratorium eksploatacji elektrycznych urządzeń okrętowych Zakładu Elektrotechniki Okrętowej AMW. Celem badań eksperymentalnych było ustalenie faktu istnienia lub nie korelacji między wybranymi zmiennymi wejściowymi generowanymi w stanach awaryjnych a zmiennymi wyjściowymi zawartymi w parametrach jakościowych generowanej energii elektrycznej, jednak bez określenia postaci zależności funkcyjnych. Na podstawie przeprowadzonego eksperymentu można stwierdzić, że przekroczenie wartości granicznych wybranych parametrów jakościowych generowanej energii elektrycznej oraz jednoczesne wystąpienie ich w zestawach przedstawionych w artykule jednoznacznie określa przyczynę niesprawności. System elektroenergetyczny odgrywa newralgiczną rolę w procesie eksploatacji statku, z tego powodu jego funkcjonowanie objęte jest licznymi wymaganiami sformułowanymi w przepisach towarzystw klasyfikacyjnych. Wymagania te opisują warunki eksploatacji systemu elektroenergetycznego między innymi poprzez określenie dopuszczalnych wartości parametrów jakościowych energii elektrycznej wytwarzanej i użytkowanej na statkach morskich [5 7]. W celu spełnienia tych wymagań konieczne jest stosowanie układów pomiarowych parametrów jakościowych energii elektrycznej. Biorąc pod uwagę konieczność spełnienia licznych, często trudnych technicznie w realiach okrętowych, warunków pozyskiwania infor- 27

2 Grzegorz Grzeczka macji pomiarowej, celowe wydaje się wykorzystanie pomiarów parametrów jakościowych energii elektrycznej nie tylko do zapewnienia warunków bezpiecznego i efektywnego funkcjonowania elektroenergetycznego systemu okrętowego, ale również do oceny jego stanu technicznego [3]. Pozwoli to na pełne wykorzystanie resursów w procesie eksploatacji zespołu zasilania elektrycznego (ZZE) przy zminimalizowaniu prawdopodobieństwa awarii, czyli diagnostykę on-line. W celu zweryfikowania informacji diagnostycznych zawartych w sygnałach reprezentujących parametry jakościowe ZZE postanowiono przeprowadzić badania w oparciu o system elektroenergetyczny zrealizowany w laboratorium eksploatacji elektrycznych urządzeń okrętowych Zakładu Elektrotechniki Okrętowej AMW. System ten stanowi dokładne odwzorowanie układu okrętowego, składa się z trzech ZZE pracujących w sieci IT oraz kilku grup odbiorników. Prądnice synchroniczne poszczególnych zespołów napędzane są silnikami wysokoprężnymi niedoładowanymi. Ważny element stanowi cyfrowy system pomiarowy parametrów eksploatacyjnych elektrowni, zapewniający nie tylko dokładne pomiary, ale również rejestrację parametrów eksploatacyjnych. Umożliwia to jednoznaczne określenie oraz monitorowanie warunków realizowanego eksperymentu. Celem wstępnych badań doświadczalnych było ustalenie faktu istnienia lub nie korelacji między wybranymi wielkościami wejściowymi a wielkościami wyjściowymi, jednak bez określenia postaci zależności funkcyjnych. Badania polegały na kolejnym wykonywaniu uszkodzeń (x) i wielokrotnym rejestrowaniu wartości parametrów wyjściowych (y) przed i po wystąpieniu uszkodzenia. Następnie analizowano wpływ uszkodzeń (wielkości wejściowych) na przyjęte wskaźniki jakości energii elektrycznej (wielkości wyjściowej). Te z parametrów wyjściowych, które niosły najwięcej informacji o stanie technicznym ZZE zostały wybrane jako parametry diagnostyczne. Każda z wielkości wejściowych x i, inaczej każdy ze stanów obiektu badań, wymuszana była oddzielnie, przyjmując dwie wartości dwa zdarzenia polegające na wystąpieniu lub nie danego uszkodzenia ZZE. W czasie badania pojedynczego stanu i jego wpływu na wielkości wyjściowe pozostałe wielkości wejściowe były ustalone, monitorowane w sposób ciągły. Silnik wraz z prądnicą, biorąc pod wzgląd te parametry, był sprawny. Tworząc zbiór wielkości charakteryzujących jakościowy model obiektu badań zespół zasilania elektrycznego w postaci zestawienia, wykorzystano zarówno podstawy teoretyczne jego działania [8, 9], jak i informacje o obiekcie badań zebrane od eksploatatorów oraz firm realizujących naprawy i remonty okresowe. 28 Zeszyty Naukowe AMW

3 Eksperymentalne badania weryfikujące możliwość wykorzystania parametrów... Na tej podstawie określono, że najważniejszymi elementami, które mają wpływ na pracę okrętowej prądnicy synchronicznej i jakość wytwarzanej przez nią energii elektrycznej, są: silnik spalinowy, a bezpośrednio regulator prędkości obrotowej tłokowego silnika spalinowego; regulator napięcia okrętowej prądnicy synchronicznej; wielkość i rodzaj obciążenia prądnicy; sprzęgło elastyczne znajdujące się pomiędzy silnikiem i prądnicą; posadowienie zespołu zasilania elektrycznego; elementy konstrukcyjne okrętowej prądnicy synchronicznej (uzwojenia, wirnik, pierścienie ślizgowe, łożyska, wentylator). Do przeprowadzenia eksperymentu czynnego wytypowano następujące uszkodzenia zespołu zasilania elektrycznego: zwarcie elementu prostowniczego (diody) w regulatorze napięcia prądnicy synchronicznej; przerwa na elemencie prostowniczym (diodzie) w regulatorze napięcia prądnicy synchronicznej; uszkodzenie regulatora prędkości obrotowej tłokowego silnika spalinowego polegające na zmianie nachylenia charakterystyki statycznej regulatora (wolniejsza reakcja na zmiany obciążenia); uszkodzenie regulatora prędkości obrotowej tłokowego silnika spalinowego polegające na pęknięciu jednej ze sprężyn w regulatorze odśrodkowym; poluzowanie jednego punktu mocowania fundamentu do ZZE polegające na odkręceniu śruby mocującej zestaw do fundamentu; przerwa zasilania jednego wtryskiwacza paliwa tłokowego silnika spalinowego (sporządzono nowy przewód paliwowy z zaworem umożliwiającym odcięcie dopływu paliwa, wymieniono oryginalny przewód paliwowy łączący pompę paliwową z wtryskiwaczem na zastępczy przewód z zaworem); przerwa zasilania dwóch wtryskiwaczy paliwa tłokowego silnika spalinowego (sporządzono dwa przewody paliwowe z zaworami umożliwiającymi odcięcie dopływu paliwa, wymieniono dwa oryginalne przewody paliwowe łączące pompę paliwową z wtryskiwaczami na zastępcze przewody z zaworami). Rozważając zagadnienie, czy można oceniać stan zespołu prądotwórczego za pomocą oceny jakości energii elektrycznej, przeanalizowano zagadnienia związane z jej wytwarzaniem oraz zdefiniowaniem opisującego ją zbioru parametrów, uwzględniając zdania wielu autorów [1 3, 9]. 3 (162)

4 Grzegorz Grzeczka Analiza możliwości pomiaru jakości energii elektrycznej pozwala wskazać takie wielkości, dla których zmianom parametrów je opisujących można przyporządkować odpowiednio zdefiniowane wskaźniki, które są mierzalne [3]. Wytypowano następujące wielkości pomiarowe: napięcie twornika, prąd obciążenia, prąd wzbudzenia, napięcie wzbudzenia prądnicy synchronicznej. Na ich podstawie wyznaczano mierzalne wskaźniki, które opisują m.in. zmiany napięć i częstotliwości, zniekształcenia napięć i prądów, asymetrię napięć fazowych, proporcjonalność rozkładów mocy czynnych i biernych, poziom emitowanych zakłóceń [1, 3]. Ze względu na złożoność badanego obiektu i trudności w opracowaniu matematycznego modelu obiektu badań, kierując się celem badań oraz wiedzą o obiekcie, zdefiniowane wielkości charakteryzujące badany obiekt zostaną sklasyfikowane jako: wielkości wejściowe (realizowane uszkodzenia), wielkości wyjściowe (rejestrowane parametry jakościowe), wielkości stałe oraz wielkości zakłócające (wynikające z procesu eksploatacyjnego), a model obiektu badań zostanie utworzony na podstawie wyników badań eksperymentalnych. Jakościowy model matematyczny obiektu badań (MQ) według powszechnie przyjętej klasyfikacji będzie modelem typu statycznego, z losowym wyjściem i zdeterminowanym dyskretnym nieliniowym wejściem o wielu wielkościach wyjściowych i wejściowych [4]. Zgodnie z przyjętą nomenklaturą badań eksperymentalnych oznacza to, że przyjęty model badanego obiektu powinien być modelem typu: M : S PZ C A( i + j), (1) gdzie: S PZ C model statyczny; model z losowym wyjściem i zdeterminowanym dyskretnym (dwuwartościowym) wejściem; model liniowy (największa liczba i wartości wielkości wejściowych wynosi n max = 2, a liczba wielkości wyjściowych j; z nich na podstawie wyników badań zostaną wybrane parametry diagnostyczne). Teoria doświadczeń obejmuje przede wszystkim statyczne obiekty badań [4], a samo zjawisko, jakim jest zmiana stanu technicznego obiektu badań (ZZE), może być rozpatrywane w tzw. czasie długim, odpowiadającym czasowi życia maszyny, stąd plan badań tego typu obiektu można zakwalifikować jako plan typu statycznego. 30 Zeszyty Naukowe AMW

5 Eksperymentalne badania weryfikujące możliwość wykorzystania parametrów... Wielkości zakłócające Z1 Z2 Wielkości wejściowe Wielkości wyjściowe X1 Y1 X2 MQ Y2 X3 Y3 C1 C2 C3 Wielkości stałe Rys. 1. Wielkości charakteryzujące obiekt badań Analizując możliwości symulowania uszkodzeń, spośród planów statycznych wybrano plany zdeterminowane (PS/D), które stanowią podstawową grupę planów stosowanych w badaniach doświadczalnych [4]. Plany tego typu ułatwiają techniczno-organizacyjne przygotowanie badań, a wszystkie układy wartości wielkości wejściowych zostają ustalone przed rozpoczęciem badań doświadczalnych i w trakcie ich realizacji nie ulegają zmianie. Wybierając dowolny plan badań doświadczalnych, a szczególnie plan statyczny zdeterminowany, przyjmuje się model jakościowy MQ utworzony w wyniku zestawienia wielkości charakteryzujących obiekt badań, który można opisać za pomocą funkcji obiektu badań. Funkcja taka opiera się na założeniu, że w obiekcie badań wielkość wyjściowa zależy wyłącznie od znanej liczby i wielkości wejściowych: x 1, x 2,...,x i oraz pewnej, również znanej, liczby s wielkości stałych: c 1, c 2,..., c s. Istniejące zakłócenia {z k } mają natomiast charakter wyłącznie przypadkowy i powodują jedynie przypadkowe błędy wielkości wyjściowej Δy. Kierując się ograniczeniem liczby układów wartości wielkości wejściowych (m.in. ze względu na koszt symulowania uszkodzeń) do niezbędnego minimum, zdecydowano się na plan typu selekcyjnego. Na wybór tego typu planu ma również wpływ cel badań, którym jest wyznaczenie jedynie modelu jakościowego, a nie ilościowego obiektu badań. Podstawową cechą planów statycznych zdeterminowanych 3 (162)

6 Grzegorz Grzeczka selekcyjnych (PS/DS) jest to, że liczba układów wartości wielkości wejściowych jest znacznie zmniejszona w stosunku do liczby układów planu kompletnego, przy zachowaniu możliwości określenia funkcji obiektu badań [4]. Zgodnie z wymaganiami określonymi na tym etapie opracowano szczegółowy plan eksperymentu oraz zaprojektowano i wykonano niezbędną do jego przeprowadzenia aparaturę umożliwiającą realizację symulacji uszkodzeń i pomiarową. Eksperyment przeprowadzony zgodnie z założeniami wykazał istnienie jednoznacznych zależności pomiędzy symulowanymi uszkodzeniami a mierzonymi i wyznaczanymi parametrami jakościowymi energii elektrycznej. Szczegółowe omówienie wyników badań przekracza możliwości niniejszego opracowania, dlatego poniżej przedstawiono jedynie końcowe zestawienie reguł wnioskowania. Zostały one zamieszczone w tabelach przyporządkowujących relacje defekt symptom poszczególnym badanym eksperymentalnie uszkodzeniom. Przyjęto w nich, że jeżeli parametr-symptom na skutek wpływu uszkodzenia przekracza wartość przyjętą dla niego jako dopuszczalną, to reprezentowany jest przez jedynkę. Jeżeli natomiast nie jest czuły na dane uszkodzenie, to reprezentowany jest przez zero. Tabela 1. Symptomy wyznaczane na podstawie pomiaru napięcia wzbudzenia Rodzaj uszkodzenia S fu1 S fu2 S fu3 Wielkości, współczynniki/ jednostki U fn U af p nuf [V] [V] Zwarcie diody Przerwa na diodzie Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr 1, 0% P n Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr 1, 100% P n Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr Uszkodzenie mocowania ramy fudamentowej Uszkodzenie wtryskiwacza nr 1, 100% P n Uszkodzenie wtryskiwaczy nr 1 i nr Zeszyty Naukowe AMW

7 Eksperymentalne badania weryfikujące możliwość wykorzystania parametrów... Tabela 2. Symptomy wyznaczane na podstawie pomiaru prądu wzbudzenia Rodzaj uszkodzenia S fi1 S fi2 S fi3 Wielkości, współczynniki/ jednostki U fi U af p nif [A] [A] Zwarcie diody Przerwa na diodzie Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr 1, 0% P n Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr 1, 100% P n Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr Uszkodzenie mocowania ramy fudamentowej Uszkodzenie wtryskiwacza nr 1, 100% P n Uszkodzenie wtryskiwaczy nr1 i nr Tabela 3. Symptomy wyznaczane na podstawie pomiaru prądu twornika Rodzaj uszkodzenia Wielkości, współczynniki/jednostki I n k i s i h Di THD i TDF i p ni [A] [%] [%] Zwarcie diody Przerwa na diodzie Uszkodzenie reg. prędk obr. nr 1, 0% P n Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr 1, 100% P n Uszkodzenie reg. prędk. obr. nr 2 Uszkodzenie mocowania ramy fudamentowej Uszkodzenie wtryskiwacza nr 1, 100% P n Uszkodzenie wtryskiwaczy nr1 i nr (162)

8 Grzegorz Grzeczka Tabela 4. Symptomy wyznaczane na podstawie pomiaru napięcia twornika 34 Zeszyty Naukowe AMW

9 Eksperymentalne badania weryfikujące możliwość wykorzystania parametrów... Analiza wyników zobrazowanych w tabelach pozwala na twierdzenie, że każdemu z wykonanych uszkodzeń towarzyszy jednoznaczny, charakterystyczny dla danego stanu eksploatacyjnego systemu elektroenergetycznego, zestaw wskaźników jakościowych przekraczających ustalone wartości graniczne. Na tej podstawie można przyjąć, że przekroczenie wartości granicznych rejestrowanych wskaźników jakościowych oraz jednoczesne wystąpienie ich w zestawach przedstawionych w tabelach obrazujących wyniki eksperymentu jednoznacznie określa przyczynę niesprawności. Uzyskane złożone reguły wnioskowania w postaci implikacji: jeżeli x oraz y oraz z, to uszkodzenie 1 lub uszkodzenie 2... są podstawą do skonstruowania systemu ekspertowego. Na uwagę zasługuje również fakt, że zaplanowany i wykonany program badań umożliwił przeprowadzenie niezbędnych testów diagnostycznych w warunkach dobrze odwzorowujących zarówno proces eksploatacji okrętowego systemu elektroenergetycznego, jak i wytypowane uszkodzenia. BIBLIOGRAFIA [1] Arrilaga J., Wattson N. R., Chen S., Power System Quality Assessment, John Wiley and Sons Ltd., UK, [2] Kowalski Z., Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej, t. I, [3] Mindykowski J., Ocena jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych z układami przekształtnikowymi, Okrętownictwo i Żegluga, Gdańsk [4] Polański Z., Planowanie doświadczeń w technice, PWN, Warszawa [5] Przepisy klasyfikacji i budowy statków morskich, Polski Rejestr Statków, Gdańsk [6] Przepisy Towarzystwa Klasyfikacyjnego Det Norske Veritas. [7] Przepisy Towarzystwa Klasyfikacyjnego Lloyds Register of Shipping. [8] Roszczyk S., Maksimow J. I., Kowalski Z., Cichy M., Statyczne i dynamiczne własności okrętowych zespołów prądotwórczych, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk [9] Wyszkowski S., Elektrotechnika okrętowa, t. I, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk (162)

10 Grzegorz Grzeczka ABSTRACT To verify diagnostic information contained in signals representing quality parameters of on board generators carried out were investigations of an electro-energy system built in the laboratory of operation of marine electric appliances of the Marine Electrical Engineering Department, Naval University. The aim of the experimental investigations was to discover the existence or nonexistence of correlation between selected input variables generated in damage conditions and output variables contained in quality parameters of the electric energy generated, however, without defining function dependences. The experiment allows for a conclusion that exceeding the boundary value for selected quality parameters of the electric energy generated and their simultaneous occurrence in the systems presented in the paper points to the cause of malfunction. Recenzent prof. dr hab. inż. Maciej Woropay 36 Zeszyty Naukowe AMW