Новые алгоритмы диагностирования преобразователя частоты

Оригинальная статья / Original article

УДК: 63-83-52:519.768.2

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-128-135

НОВЫЕ АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ © М.П. Дунаев1, А.М. Дунаев2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. Целью данной статьи является разработка новых логических алгоритмов диагностирования электрооборудования. Материалы. Методы. Исходными материалами для написания статьи послужили результаты исследования двух новых логических алгоритмов диагностирования, примененных к определению неисправностей современных промышленных преобразователей частоты. Для графической интерпретации алгоритмов диагностирования был использован метод графов. Результаты. Разработанные новые алгоритмы диагностирования были сопоставлены с известными логическими алгоритмами. В качестве критерия сравнения новых и известных алгоритмов был использован общепризнанный критерий средних затрат на процедуру диагностирования. Заключение. Предложенные в статье новые логические алгоритмы диагностирования по критерию средних затрат превосходят известные логические алгоритмы и рекомендуются в качестве основы для построения структуры базы знаний экспертного комплекса для наладки преобразователей частоты. Ключевые слова: диагностика, алгоритм, наладка, преобразователь частоты.

Формат цитирования: Дунаев М.П., Дунаев А.М. Новые алгоритмы диагностирования преобразователя частоты // Вестник ИрГТУ, 2016. № 6. С. 128-135. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-128-135

NEW DIAGNOSTIC ALGORITHMS OF FREQUENCY CONVERTERS M.P. Dunaev, A.M. Dunaev

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Abstract. Purpose. The purpose of this article is development of new logical algorithms of electrical equipment diagnostics. Materials. Methods. The results of studying two new logical diagnostic algorithms used for fault identification in modern industrial frequency converters are used as source materials for this article. A method of graphs is used for graphic interpretation of diagnostic algorithms. Results. Developed new diagnostic algorithms are compared with known logic algorithms. A generally accepted criterion of diagnosing procedure average costs is used as a comparison criterion of new and known algorithms. Conclusion. Proposed in the article new logic diagnostic algorithms outperform the known logic algorithms by the criterion of average costs and are recommended as a basis for building the structure of the expert complex knowledge base for frequency converter adjusting. Keywords: diagnostics, algorithm, adjusting, frequency converter

For citation: Dunaev M.P., Dunaev A.M. New diagnostic algorithms of frequency converters. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 128-135. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-128-135

Введение

Успешность процедуры поиска неисправностей электрооборудования в значительной степени определяется применяемыми методами диагностирования. Алгоритмы логического диагностирования [1-6], используемые на данный момент, имеют по большей части в своей основе алгоритм половинного деления. Широко распростра-

ненным вариациями алгоритма половинного деления являются:

- алгоритм половинного деления при равных вероятностях технических состояний [1, 4];

- алгоритм половинного деления с неравными вероятностями технических состояний и равными ценами элементарных проверок [5].;

1

Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, e-mail: mdunaev10@mail.ru

Dunaev Mikhail, Doctor of Engineeing sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, email: mdunaev10@mail.ru

2Дунаев Андрей Михайлович, аспирант, e-mail: mdunaev10@mail.ru Dunaev Andrei, Postgraduate, e-mail: mdunaev10@mail.ru

- алгоритм половинного деления при равных вероятностях технических состояний элементов и с учетом цен их элементарных проверок [2];

- алгоритм поиска с учетом относительной вероятности [6].

Времявероятностный алгоритм [3, 5] отличается от вариаций алгоритма половинного деления [1, 2, 4, 6] самой парадигмой поиска неисправного блока, заключающейся в выстраивании проверок по мере убывания отношения «вероятность неисправности / время проверки», но, к сожалению, также не обеспечивает наилучший результат поиска неисправности с точки зрения минимума затрат на поиск. Авторам статьи представляется перспективным провести синтез новых алгоритмов диагностирования путем комбинирования известных алгоритмов диагностирования, что должно привести к сокращению сроков наладки электрооборудования. Данный подход был применен при разработке новых алгоритмов диагностирования, возможность реализации которых описана в работе [7]. Часть из этих диагностических алгоритмов описана в источниках [8-11], пара других алгоритмов логического диагностирования будет подробно освещена далее.

Для определения одного технического состояния объекта диагностирования можно подсчитать средние затраты диагностирования [3, 5], обозначенные как C(Z0, ЕТ). Указанные средние затраты диагностирования определяются по формуле

N Zi

C

i=1 Zо

где ЕТ - множество технических состояний объекта диагностирования (ОД), t(e) - время проверки /-го блока, Zo и Z - первая и /-я проверка алгоритма диагностирования соответственно, e/ - техническое состояние /-го функционального блока, p(e) - вес /-го технического состояния среди других технических состояний.

Формула (1) может служить критерием поиска наилучшего алгоритма диагностирования, позволяя дать количе-

ственную оценку эффективности алгоритмам диагностирования при разных сочетаниях элементарных проверок ОД, тем самым являясь целевой функцией оптимизации алгоритмов диагностирования.

Рассмотрим пример процесса определения неисправности, используя для этого схему преобразователя частоты (ПЧ). Функциональная схема ПЧ изображена рис. 1, где ВА (1) - автоматический вводной выключатель, ВФ (2) - входной фильтр импульсных помех, НВ (3) - неуправляемый мостовой диодный выпрямитель, СФ (4) -сглаживающий выходной фильтр НВ, АИ (5) - автономный транзисторный инвертор, Н (6) - нагрузка ПЧ, БП (7) - блок питания СУ, СУ (8) - система управления ПЧ, ПУ (9) - панель управления и сигнализации, ~ис - напряжение переменного тока питающей сети, ивх -напряжение входа силовой схемы ПЧ, ивых - напряжение выхода преобразователя, ибп -напряжение выхода БП, иу - задание частоты на выходе ПЧ.

На рис. 2 построена логическая модель преобразователя частоты, разработанная согласно функциональной схеме (рис. 1) с учетом допущений, принятых в работе [1]. Выходные и входные сигналы преобразователя частоты обозначены вершинами с именами Х\ и У/, где / - индекс элемента логической модели ПЧ, на выходе (входе) которого имеются соответствующие сигналы. Элементы преобразователя частоты обозначены вершинами с индексами /, принятыми в соответствии с номерами элементов на функциональной схеме ПЧ, изображенной на рис. 1.

Сигналы ис, иу (рис. 1) соответствуют входным внешним сигналам X1, Х2 (рис. 2) Выходной сигнал 1н (рис. 1) соответствует внешнему выходному сигналу У6 (рис. 2).

ММ-алгоритм диагностирования

Новый алгоритм диагностирования по критериям минимума времени первой проверки и с учетом равных весов технических состояний (М^алгоритм) рассмотрим на примере диагностирования схемы преобразователя частоты (рис. 1).

_I -Uc

BA

ВФ

HB

Рис. 1. Функциональная схема ПЧ Fig. 1. Functional diagram of a frequency converter

Рис. 2. Логическая модель ПЧ Fig. 2. Logic model of a frequency converter

функциональная схема которого показана на рис. 1.

Проведем детальное рассмотрение графа ММ-алгоритма (рис. 3).

Согласно правилам, изложенным выше, первой элементарной проверкой следует выбрать проверку четвертого блока 14 (рис. 3), поскольку данная проверка имеет наименьшую продолжительность: и = 0,02 (из табл. 1).

В случае положительного результата проверки (14 = 1) следующим необходимо проверить восьмой блок. Если результат проверки восьмого блока будет положителен (18 = 1), то далее следует проверить пятый блок. В случае отрицательного результата проверки восьмого блока (18 = 0) проверке нужно подвергнуть седьмой блок.

В случае положительного результата проверки (17 = 1) следующим необходимо проверить девятый блок. В случае отрицательного результата проверки (17 = 0) можно с уверенностью сделать вывод о неисправности седьмого блока.

Данный алгоритм логического диагностирования имеет отличия от распространенного N-алгоритма (алгоритма диагностирования с учетом равного времени проверки и равных весов технических состояний), которые выражаются в изменении правила выбора первой элементарной проверки Zo.

MN-алгоритм предполагает, что первым должен быть проверен тот блок функциональной схемы ПЧ, продолжительность проверки t(ei) которого будет минимальна.

В случае, если продолжительность элементарных проверок t(e) одинакова, первой следует проводить проверку того функционального блока, который расположен максимально близко к центру функциональной схемы ПЧ.

Последующие элементарные проверки проводятся согласно правилам N-алгоритма, описанным в работах [1, 4].

На рис. 3 приведен граф MN-алгоритма преобразователя частоты,

Рис. 3. Граф М^алгоритма Fig. 3. MN-algorithm graph

Таблица 1

Характеристики технического состояния ПЧ

Table 1

Characteristics of frequency converter technical condition_

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9

P(e) 0,01 0,04 0,05 0,02 0,4 0,1 0,14 0,2 0,04

te 0,05 0,05 0,1 0,02 0,07 0,06 0,05 0,5 0,1

p(e)/t(e) 0,2 0,8 0,5 1 5,71 1,67 2,8 0,4 0,4

Если результат проверки девятого блока будет отрицателен (Р9 = 0), логичен вывод о неисправности девятого блока. В случае положительного результата проверки (Р9 = 1) необходимо приступить к проверке восьмого блока.

Далее необходимо перейти к проверке пятого блока. Если результат проверки пятого блока будет положителен (Р5 = 1), то неисправен шестой блок. При отрицательном результате проверки пятого блока (Р5 = 0) будет неисправным пятый блок.

В случае отрицательного результата проверки четвертого блока (Р4 = 0) следующим нужно проверить второй блок. При положительном результате проверки второго блока (Р2 = 1) далее необходимо подвергнуть проверке третий блок. Если результат проверки второго блока будет отрицателен (Р2 = 0), то следующим нужно проверить первый блок.

Если результат проверки третьего блока будет положителен (Рз = 1), закономерен вывод о неисправности четвертого блока. В случае отрицательного результата проверки (Рз = 0) следует считать неисправным третий блок.

В случае положительного результата проверки первого блока р = 1) можно сделать вывод о неисправности второго блока, а при отрицательном результате проверки р = 0) следует считать неисправным первый блок.

Длина алгоритма диагностирования может составлять от 3 до 4 шагов в зависимости от результатов промежуточных проверок.

Средние затраты на определения одного технического состояния ПЧ для ММ алгоритма диагностирования определятся по выражению (1):

ОРо, Ет) = р^т) + р&НЦе^Ш] +

+ р(езМе4Мец)Н(ез)] + + р(е1Ще4Н(е2)Н(е1)] + р(е8Ш(е4Ме8)] + + р(е5Ш(е4Ме5)Н(е8)] + + р(етМе4Ме8Мет)] + + р(е9Ше4Ме8)Н(етН(е9)] = 0,4595.

MТ-алгоритм диагностирования

Другой новый алгоритм диагностирования по критериям минимума времени первой проверки и неравным временем Це) их элементарных проверок (МТ-алгоритм) также рассмотрим на примере диагностирования схемы преобразователя частоты, функциональная схема которого показана на рис. 1.

Данный алгоритм логического диагностирования имеет отличия от распространенного Т-алгоритма (алгоритма диагностирования с учетом неравного времени проверки и равных весов технических состояний), которые выражаются в изменении правила выбора первой элементарной проверки Z0.

МТ-алгоритм предполагает, что первым должен быть проверен тот блок функциональной схемы ПЧ, продолжительность проверки Це) которого будет минимальна.

В случае, если продолжительность элементарных проверок Це) одинакова, первой следует проводить проверку того функционального блока, который расположен максимально близко к центру функциональной схемы ПЧ.

Последующие элементарные проверки проводятся согласно правилам Т-алгоритма, описанным в работе [2], т.е. проверки выбираются с учетом того, что они должны делить ПЧ на части, суммы времени элементарных проверок которых близки к 0,5:

к N

X Цег)* I 0,5,

г =1 г=к+1

N

I «ег)=1.

г = 1

На рис. 4 приведен граф МТ-алгоритма преобразователя частоты, функциональная схема которого показана на рис. 1.

Проведем детальное рассмотрение графа МТ-алгоритма, приведенного на рис. 4. Согласно правилам, изложенным выше, первой элементарной проверкой

Рис. 4. Граф МТ-алгоритма Fig. 4. MT-algorithm graph

следует выбрать проверку четвертого блока 14 (рис. 4), поскольку данная проверка имеет наименьшую продолжительность: и = 0,02 (из табл. 1).

В случае положительного результата проверки (14 = 1) следующим необходимо проверить восьмой блок. Если результат проверки восьмого блока будет положителен (18 = 1), то далее следует проверить пятый блок. В случае отрицательного результата проверки восьмого блока (18 = 0) проверке нужно подвергнуть седьмой блок.

В случае положительного результата проверки (17 = 1) следующим необходимо проверить девятый блок. В случае отрицательного результата проверки (17 = 0) можно с уверенностью сделать вывод о неисправности седьмого блока.

Если результат проверки девятого блока будет отрицателен (19 = 0), логичен вывод о неисправности девятого блока. В случае положительного результата проверки (19 = 1) необходимо приступить к проверке восьмого блока.

Далее необходимо перейти к проверке пятого блока. Если результат проверки пятого блока будет положителен (15 = 1), то неисправен шестой блок. При отрицательном результате проверки пятого блока (15 = 0) будет неисправным пятый блок.

В случае отрицательного результата проверки четвертого блока (14 = 0) следу-

ющим нужно проверить третий блок. При положительном результате проверки второго блока (Z2 = 1) далее необходимо подвергнуть проверке третий блок. Если результат проверки третьего блока будет положителен (Z3 = 1), то очевиден вывод о неисправности четвертого блока.

Если результат проверки третьего блока будет отрицателен (Z3 = 0), необходимо проверить второй блок. В случае положительного результата проверки (Z2 = 1) следует считать неисправным третий блок.

В случае положительного результата проверки первого блока (Zi = 1) можно сделать вывод о неисправности второго блока, а при отрицательном результате проверки (Z1 = 0) следует считать неисправным первый блок.

Длина алгоритма диагностирования может составлять от 2 до 4 шагов в зависимости от результатов промежуточных проверок.

Средние затраты на определения одного технического состояния ПЧ для МТ-алгоритма диагностирования определятся по выражению (1):

C(Zo, Ет) = p(e4)t(e4) + p(e3)[t(e4)+t(es)] + + p(e2)[t(e4) + t(e2) + t(e3)] + p(ei)[t(e4) + + t(e3) + t(e2) + t(ei)] + p(e8)[t(e4)+t(e8)] + + p(ee)[t(e4) + t(e5) + te)] + p(e7)[t(e4) + + t(e8)+t(e7)] + p(eg)[t(e4) + t(e8)+t(e7) + + t(e9)] = 0,462.

Теперь сравним ММ-алгоритм и МТ-алгоритм с двумя широко распространенными алгоритмами логического диагностирования. Итоговые данные сравнения продемонстрированы в табл. 2.

мов логического диагностирования преобразователя частоты имеют два алгоритма диагностирования ПЧ (ММ-алгоритм и МТ-алгоритм).

Сравнение алгоритмов диагностирования Comparison of diagnostic algorithms

Таблица 2

Table 2

Название алгоритма Средние затраты C(Z0,Et) Место алгоритма

Algorithm name Average costs Algorithm place

MN-алгоритм / MN-algorithm 0,4595 1

МТ-алгоритм / MT-algorithm 0,462 2

Р-алгоритм [1] / P-algorithm 0,5141 3

Т-алгоритм [1] / T-algorithm 0,5598 4

Выводы

Анализируя итоговую табл. 2, можно заметить, что наименьшие средние затраты О(Р0,Ет) среди рассмотренных алгорит-

Следовательно, оба этих алгоритма можно рекомендовать для построения базы метазнаний экспертного комплекса для наладки ПЧ.

1. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С., Халчев В.Ф. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза. М.: Энергия, 1976. 464 с.

2. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высш. шк., 1975. 207 с.

3. Кудрицкий В.Д., Синица Н.А, Чинаев П.И. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское Радио, 1977. 256 с.

4. Ксёндз С.П. Диагностика и ремонтопригодность радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1989. 248 с.

5. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 160 с.

6. Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электропривода. Иркутск: ИрГТУ, 2004. 138 с.

7. Дунаев М.П., Дунаев А.М. Классификация логических алгоритмов технической диагностики // Вест-

кии список

ник Инженерной школы ДВФУ. 2014. № 2. (Электронный ресурс). URL: http://vestnikis.dvfu.ru/2014 (24.02.2016).

8. Дунаев М.П. Многокритериальный логический метод диагностирования // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. С. 179-182. (Специальный выпуск журнала).

9. Мытник И.А. Модернизированный метод поиска неисправностей для устройств плавного пуска // Вестник ИрГТУ. 2013. № 4. С. 163-167.

Мытник И.А. Разработка РТР-алгоритма для диагностирования электрооборудования // Вестник ИрГТУ. 2013. № 6. С. 166-169.

10. Дунаев М.П., Ушаков К.Ю. Времявероятностный метод для диагностирования электрооборудования электровоза // Вестник ИрГТУ. 2012. № 10. С. 224232.

1. Parkhomenko P.P., Sogomonyan E.S., Khalchev V.F. Modeli ob"ektov, metody i algoritmy diagnoza [Object models, diagnostic methods and algorithms]. Moscow, Energiya Publ., 1976, 464 p.

2. Mozgalevskii A.V., Gaskarov D.V. Tekhnicheskaya diagnostika [Technical diagnosis]. Moscow, Vyssh. shk. Publ., 1975, 207 p.

3. Kudritskii V.D., Sinitsa N.A, Chinaev P.I. Avtomati-zatsiya kontrolya radioelektronnoi apparatury [Electronic equipment control automation]. Moscow, Sovetskoe Radio Publ., 1977, 256 p.

4. Ksendz S.P. Diagnostika i remontoprigodnost' radi-

oelektronnykh sredstv [Diagnosis and maintainability of radio-electronic equipment]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1989, 248 p.

5. Osipov O.I., Usynin Yu.S. Tekhnicheskaya diagnostika avtomatizirovannykh elektropri-vodov. [Technical diagnostics of automated electric drives]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 160 p.

6. Dunaev M.P. Ekspertnye sistemy dlya naladki el-ektroprivoda [Expert systems for electric drive adjusting]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2004, 138 p.

7. Dunaev M.P., Dunaev A.M. Klassifikatsiya logicheskikh algoritmov tekhnicheskoi diagno-stiki

[Classification of logic algorithms for technical diagnosis]. Vestnik Inzhenernoi shkoly DVFU - The Far Eastern Federal University: School of Engineering Bulletin, 2014, no. 2. Available at: http://vestnikis.dvfu.ru/2014 (24 February 2016).

8. Dunaev M.P. Mnogokriterial'nyi logicheskii metod diagnostirovaniya [Multicriteria logic method of diagnosing]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Mod-elirovanie - Modern Technologies. System Analysis. Modeling, 2011. pp. 179-182. (Spetsial'nyi vypusk zhurnala - Journal special edition).

9. Mytnik I.A. Modernizirovannyi metod poiska neis-pravnostei dlya ustroistv plavnogo puska [Upgraded method for soft starter troubleshooting identification].

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 22.03.2016 г.

Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2013, no. 4, pp. 163-167.

10. Mytnik I.A. Razrabotka RTR-algoritma dlya diagnostirovaniya elektrooborudovaniya [Developing RTR-algorithm for electrical equipment diagnosing]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2013, no. 6. pp. 166-169.

11. Dunaev M.P., Ushakov K.Yu. Vremyaveroyatnostnyi metod dlya diagnostirovaniya elektrooborudovaniya elektrovoza [Time probability method for electric locomotive equipment diagnostics]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2012, no. 10. pp. 224-232.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

The article was received 22 March 2016