СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРАБОТОСПОСОБНОГО ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА
METHOD FOR DETERMINATION OF INOPERATIVE GENERATOR UNIT

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано для определения неработоспособного генераторного агрегата (ГА) в судовых электростанциях.
Известен способ определения неработоспособного ГА  (Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы: Учебник-5-е изд., перераб. и доп. – Ленинград, Судостроение, 1987.-272с. ил. (стр.132), согласно которому при параллельной работе нескольких источников электроэнергии выявляют источник электроэнергии, перешедший в двигательный режим работы, и через выдержку времени признают его неработоспособным.
Способ в целом обеспечивает определение неработоспособного ГА при параллельной работе нескольких ГА, но так как идентификация неработоспособного ГА осуществляется не в момент отказа и перехода в двигательный режим, а с заранее заданной выдержкой времени, то данный способ допускает большую неточность в определении момента изменения технического состояния с работоспособного на неработоспособное, что при применении его, например, в средствах защиты может привести к несвоевременному отключению ГА, перегрузке работающих ГА и обесточиванию судна. При этом величина выдержки времени определяется, как правило, временем рекуперации энергии в сеть при работе судовых кранов, грузовых лебедок и другой подъемно-транспортной техники на борту судна и может достигать, согласно Правилам Российского Морского Регистра Судоходства, 10 секунд (Правила классификации и постройки морских судов,  2016г., с56, п.8.2.4).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится способ определения неработоспособного генераторного агрегата по патенту № 2686103, опубл. 24.04.2019, согласно которому при параллельной работе нескольких ГА измеряют загрузку каждого из ГА, определяют величину неравномерности загрузки генераторных агрегатов, определяют момент отклонения последней за установленные пределы допуска и момент перехода ГА в двигательный режим и при совпадении этого момента с моментом отклонения неравномерности  загрузки генераторных агрегатов за пределы допуска, ГА, перешедший в двигательный режим, признают неработоспособным.
Данный способ в целом обеспечивает определение  неработоспособного ГА при параллельной работе нескольких ГА. Однако так как идентификация неработоспособного ГА осуществляется в момент перехода неработоспособного ГА в двигательный режим, то в величину времени диагностирования входит интервал, в течение которого происходит уменьшение загрузки ГА от загрузки в момент возникновения дефекта до полной разгрузки ГА и перехода его в двигательный режим.
Предлагаемое изобретение позволяет решить проблему сокращения времени диагностирования агрегата за счет идентификации неработоспособного ГА до момента перехода в двигательный режим работы.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе определения неработоспособного ГА заключающемся в том, что измеряют загрузку каждого ГА, дополнительно рассчитывают среднее арифметическое значение загрузки работающих ГА, определяют ГА, загрузка которого уменьшается, определяют величину отклонения загрузки этого ГА от среднеарифметического значения загрузок, и в момент времени, когда эта величина отклонения будет положительной, начнет увеличиваться и превысит допустимое значение, данный ГА идентифицируют как неработоспособный.
Сущность изобретения заключается в том, что определение неработоспособного ГА осуществляется не тогда, когда он полностью разгрузился и перешел в двигательный режим, а несколько ранее, когда после возникновения дефекта его загрузка и развиваемая им мощность начнет уменьшаться, а загрузка оставшихся работоспособными агрегатов начнет увеличиваться. При этом определяют среднее арифметическое значение загрузок работающих ГА и рассчитывают величину отклонения загрузки ГА, загрузка которого уменьшается от среднеарифметического значения загрузок ГА. Так как среднеарифметическое значение загрузок ГА остается постоянным, а загрузка неработоспособного ГА уменьшится, то величина отклонения загрузки начнет увеличиваться и превысит допустимое значение, тогда, если величина отклонения будет положительной, то этот ГА определят как неработоспособный.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача – сокращение времени диагностирования за счет идентификации неработоспособного ГА до момента перехода в двигательный режим работы решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электроснабжения и технической диагностики не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность указанного способа поясняется изображением функциональной схемы  устройства, реализующего предлагаемый способ, на примере параллельной работы «n» ГА.
Устройство определения неработоспособного ГА (Фиг.) содержит: по числу ГА: датчики загрузки ГА1.1, 1.2 … 1.n, блоки контроля работы соответствующих ГА 2.1, 2.2 … 2.n, блоки контроля уменьшения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n, , блоки вычитания 4.1, 4.2, … 4.n, управляемые ключи 5.1, 5.2, … 5.n, блоки контроля увеличения сигнала 6.1, 6.2, … 6.n, пороговые блоки  7.1, 7.2, … 7.n, логические элементы «И» 8.1, 8.2, … 8.n,  а также блок вычисления среднеарифметического значения 9, причем выходы датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n соединены с входами соответствующих блоков контроля уменьшения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n, со вторыми входами соответствующих блоков вычитания  4.1, 4.2, … 4.n , и соответствующими из первых входов блока вычисления среднеарифметического значения 9, выходы блоков контроля работы ГА 2.1, 2.2 … 2.n соединены с соответствующими из вторых входов блока вычисления среднеарифметического значения 9, выход которого соединен с первыми входами блоков вычитания 4.1, 4.2, … 4.n, выходы блоков вычитания  4.1, 4.2, … 4.n соединены с  информационными входами соответствующих управляемых ключей 5.1, 5.2, … 5.n, выходы блоков контроля уменьшения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n соединены с управляющими входами соответствующих управляемых ключей 5.1, 5.2, … 5.n, выходы которых соединены с входами соответствующих блоков контроля увеличения сигнала 6.1, 6.2, … 6.n и пороговых блоков 7.1, 7.2, … 7.n, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих логических элементов «И» 8.1, 8.2, … 8.n, выходы блоков контроля увеличения сигнала 6.1, 6.2, … 6.n соединены с первыми входами соответствующих логических элементов «И» 8.1, 8.2, … 8.n.
Датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n – известные функциональные блоки, формирующие на своем выходе сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального загрузке ГА (нагрузке сети, которую принимает на себя данный ГА). Блоки контроля работы ГА 2.1, 2.2 … 2.n – известные функциональные блоки, формирующие на своем выходе сигнал логической «1», если данный ГА работает и сигнал логического «0» в обратном случае. В качестве этих блоков могут быть использованы блок контакты генераторных автоматов соответствующих ГА. Блоки контроля уменьшения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n – известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на их входах уменьшается и сигнал логического «0» в обратном случае. Блоки вычитания 4.1, 4.2, … 4.n – известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигналы в виде напряжения, пропорционального разности сигналов на первом и втором входах. Могут быть выполнены на базе операционных усилителей. Управляемые ключи 5.1, 5.2, … 5.n - известные функциональные блоки, на выходе каждого из которых в момент появления сигнала логической «1» на его управляющем входе появляется сигнал, поступивший на его информационный вход (Воловиков В.А. Схемотехника электронных устройств судовой автоматики. Учебное пособие. 1986г. с .61, рис. 27). Блоки контроля увеличения сигнала 6.1, 6.2, … 6.n – известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигналы логической «1», если сигналы на их входах увеличиваются. Могут быть выполнены на базе операционных усилителей. Пороговые блоки 7.1, 7.2, … 7.n – известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигнал логической «1», если на их входах – сигналы, превышающие пороговое (допустимое) значение и сигнал логического «0» в обратном случае. Могут быть выполнены на базе операционных усилителей. Логические элементы «И» 8.1, 8.2, …8n – известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигналы логической «1», если на все их входы поступили сигналы логической «1» и сигналы логического «0» в обратном случае. Блок вычисления среднего арифметического 4 – известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал, пропорциональный значению суммы сигналов в виде напряжений, поступающих на его первые входы, деленной на количество вторых входов, на которые поступили сигналы логической «1». Может быть выполнен на базе операционных усилителей.
Устройство определения неработоспособного ГА, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Допустим, что при параллельной работе генераторных агрегатов произошел отказ одного из них, например j-ого по причине выхода из строя системы подачи топлива. В этом случае загрузка неработоспособного агрегата начнет уменьшаться, а загрузка остальных работающих ГА начнет увеличиваться. В связи с этим сигнал на выходе датчика загрузки 1.j уменьшается, а на выходах остальных датчиков загрузки 1.1, 1.2 … 1.n – увеличивается. Эти сигналы поступают на первые входы блока вычисления среднеарифметического значения 9, на вторые входы которого поступают сигналы логической «1» с выходов блоков контроля работы соответствующих ГА 2.1, 2.2 … 2.n, если генераторы работают и сигналы логического «0», если они не работают в данный момент. На выходе блока  9 формируется сигнал, пропорциональный среднеарифметическому значению загрузки работающих ГА (Рср.арифм.) и поступает на первые входы блоков вычитания 4.1, 4.2, … 4.n. Сигналы, пропорциональные загрузке соответствующих ГА (Р1, Р2 … Рj, … Рn) с датчиков загрузки 1.1, 1.2 … 1.n  поступают на входы соответствующих блоков контроля уменьшения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n и вторые входы соответствующих блоков вычитания 4.1, 4.2, … 4.n, на выходах которых появляются сигналы, пропорциональные отклонению загрузки соответствующего ГА от среднеарифметического значения. Эти сигналы поступают на информационные входы соответствующих управляемых ключей 5.1, 5.2, … 5.n. При этом на выходе блока контроля уменьшения загрузки 3.j появляется сигнал логической «1» и поступает на управляющий вход управляемого ключа 5j, на информационный вход которого поступает сигнал пропорциональный значению отклонения загрузки j – го ГА от среднеарифметического значения Роткл.j = Рср.арифм. – Рj с выхода блока вычитания 4j. На выходе управляемого ключа 5j формируется сигнал Роткл.j = Рср.арифм. – Рj и поступает на входы блоков контроля увеличения сигнала 6j и порогового блока 7j. Так как Рj уменьшается, а Рср.арифм. не меняет своего значения, то Роткл.j увеличивается. При этом на выходе блока контроля увеличения сигнала 6j появляется сигнал логической «1» и поступает на первый вход логического элемента «И» 8j. В момент, когда Рср.арифм. превысит значение Рj и Роткл.j станет больше допустимого значения, на выходе порогового блока 7j появится сигнал логической «1» и поступит на второй вход логического элемента «И» 8j, на выходе которого сформируется сигнал логической «1», информирующий о неработоспособности j-го ГА.
Так как загрузка остальных ГА увеличивается, то на выходах всех остальных блоков контроля уменьшения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n - сигнал логического «0», соответствующие им управляемые ключи закрыты и сигналы с их информационных входов на выходы не поступают, а, следовательно, не увеличиваются. Поэтому на выходах соответствующих блоков контроля увеличения сигнала 6.1, 6.2, … 6.n – сигналы логического «0», которые поступают на первые входы соответствующих логических элементов «И». На их выходах – сигналы логического «0», информирующие о работоспособном состоянии соответствующих ГА.
Если одновременно с j – ым ГА выйдет из строя топливная система и на i – ом ГА, то его загрузка также начнет уменьшаться. На выходе соответствующего блока контроля уменьшения загрузки 3i появится сигнал логической «1» и с его выхода поступит на управляющий вход управляемого ключа 5i, на выходе которого появится сигнал, пропорциональный значению отклонения загрузки i – го ГА от среднеарифметического значения Роткл.i = Рср.арифм. – Рi с выхода блока вычитания 4i. Так как Рi уменьшается, а Рср.арифм. не меняет своего значения, то Роткл.i увеличивается. При этом на выходе блока контроля увеличения сигнала 6i появляется сигнал логической «1» и поступает на первый вход логического элемента «И» 8i. В момент, когда Рср.арифм. превысит значение Рi и Роткл.i станет больше допустимого значения, на выходе порогового блока 7i появится сигнал логической «1» и поступит на второй вход логического элемента «И» 8i, на выходе которого сформируется сигнал логической «1», информирующий о неработоспособности i-го ГА.
Устройство, функциональная схема которого представлена на фиг., полностью реализует предлагаемый способ определения неработоспособного ГА:
Блок 3 определяет ГА, загрузка которого уменьшается;
Блок 9 формирует сигнал, пропорциональный среднему арифметическому значению загрузки работающих ГА;
Блок вычитания 4 определяет величину отклонения загрузки ГА от среднеарифметического значения;
Блок 6 определяет момент, когда величина отклонения загрузки ГА от среднеарифметического значения увеличивается;
Блок 7 определяет момент, когда величина отклонения загрузки ГА от среднеарифметического значения будет больше положительного допустимого значения;
Логический элемент «И» формирует на своем выходе сигнал логической «1», информирующий о неработоспособном состоянии ГА, в момент времени, когда его загрузка уменьшается, когда величина отклонения загрузки ГА от среднеарифметического значения увеличивается и величина отклонения загрузки ГА от среднеарифметического значения будет больше допустимого значения.
Пример реализации способа.
В качестве примера применения способа рассмотрим работу судовой электростанции в составе двух дизель генераторов ДГ1 и ДГ2 с номинальной мощностью по 100 кВт каждый. Пусть при параллельной работе данных ГА нагрузка ДГ1 составит 64кВт, а нагрузка ДГ2 составит 60кВт. Допустимая точность распределения активных нагрузок (Рдоп.) составляет 10% от номинальной мощности ДГ, то есть Рдоп.= 10 кВт в данном случае. Сигналы, пропорциональные загрузке первого и второго ДГ будут сформированы датчиками загрузки 1.1 и 1.2 соответственно, поступят на входы блоков контроля уменьшения нагрузки 2.1 и 2.2, на вторые входы блоков вычитания 4.1 и 4.2, первый и второй из первых входов блока вычисления среднеарифметического значения 9, на первый и второй из вторых входов которого поступают сигналы логической «1» с выходов блоков контроля работы 2.1 и 2.2. На выходе блока 9 формируется сигнал, пропорциональный Рср.арифм.=(64+60)/2=62кВт., который поступает на первые входы блоков вычитания 4.1 и 4.2.На второй вход блока вычитания 4.1 поступает сигнал о значении загрузки первого ГА с выхода блока 1.1 (64 кВт), а на второй вход блока вычитания 4.2 – с выхода блока 1.2 (60 кВт). На выходе первого блока вычитания формируется сигнал отклонения загрузки первого ГА от среднеарифметического значения Роткл.1= Рср.арифм.-Р1=62-64=-2кВт, который поступает на информационный вход первого управляемого ключа 5.1, на управляющий вход которого поступает сигнал с выхода первого блока контроля снижения нагрузки 3.1. На выходе второго блока вычитания формируется сигнал о величине отклонения загрузки второго ГА от среднеарифметического значения Роткл.2= Рср.арифм.-Р2=62-60=2кВт, который поступает на информационный вход второго  управляемого ключа 5.2, на управляющий вход которого поступает сигнал с выхода второго блока контроля снижения нагрузки 3.2. Допустим, что произошла потеря работоспособности первичного двигателя ДГ2, вызванная выходом из строя топливного насоса и прекращением поступления топлива в дизель. Тогда загрузка ДГ2 начнет уменьшаться, а загрузка ДГ1 – расти. Предположим, что загрузка второго ГА уменьшилась до 50 кВт, тогда на выходе второго блока вычитания и информационном входе второго управляемого ключа появится сигнал, пропорциональный 12 кВт (62-50=12 кВт). В этом случае сигнал на выходе датчика загрузки первого ДГ 1.1 будет увеличиваться, а на выходе датчика 1.2 – уменьшаться, на выходе блока контроля уменьшения загрузки 3.1 сигнал логического «0» не изменит своего значения, а на выходе блока 3.2 сформируется сигнал логической «1». Сигнал логической «1» с выхода блока контроля уменьшения загрузки 3.2 поступит на управляющий вход второго управляемого ключа 5.2 и  на его выходе появится сигнал с информационного входа, пропорциональный Роткл.2 = 12 кВт. Этот сигнал поступает на входы блоков 6.2 и 7.2, на выходах которых формируются сигналы логической «1», так как величина Роткл.2 увеличивается и превысила допустимое значение в 10 кВт. При поступлении сигнала логической «1» на оба входа логического элемента «И» 8.2 на его выходе появляется сигнал логической «1», информирующий о неработоспособном состоянии ДГ2. Так как нагрузка ДГ1 увеличивается и на выходе блока контроля снижения нагрузки 3.1сохраняется сигнал логического «0», то первый управляемый ключ 5.1 закрыт, сигнал на его выходе не меняется и меньше допустимого значения, на выходах блоков 6.1 и 7.2 – сигнал логического «0», на выходе логического элемента «И» 8.1 – сигнал логического «0», информирующий о работоспособном состоянии ДГ1.
При реализации способа, принятого за прототип, в этом случае идентификация неработоспособного состояния не происходит, оба агрегата определяются как работоспособные. Посредством способа, принятого за прототип, ДГ2 будет признан вышедшим из строя только тогда, когда он разгрузится и нагрузка на ДГ1 составит 124 кВт, то есть позже, чем в предлагаемом способе.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе разработки опытного образца устройства для диагностирования генераторных агрегатов в процессе функционирования, проводимой кафедрой электропривода и электрооборудования береговых установок  ГУМРФ имени адмирала С.О.Макарова. Были проведены расчеты и изготовлена действующая модель устройства, реализующего заявляемый способ, лабораторные испытания которой показали возможность использования данного способа в системах контроля технического состояния судовых электроэнергетических систем, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.