Размещено на http://www.allbest.ru/

Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

(ГНУ ВИЭСХ)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Совершенствование системы технического сервиса и повышение эффективности работы сельских электроустановок

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

На правах рукописи

Некрасов Алексей Иосифович

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сырых Николай Николаевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Воробьёв Виктор Андреевич;

доктор технических наук, профессор Гольдберг Оскар Давидович;

доктор технических наук, профессор Мамедов Фуад Алиевич.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Северо-Западный НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии (г. Санкт-Петербург - Пушкин).

Защита состоится « » 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ), по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Р. Краусп.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

технический сельский обслуживание электроустановка

Актуальность работы. Вопросы совершенствования системы технического сервиса и повышения эксплуатационной надежности электрооборудования в современных условиях развития агропромышленного комплекса страны приобретают исключительно важное значение.

Проблема устойчивого энергетического обеспечения сельского хозяйства включает ряд неотложных мер по совершенствованию организации системы технического сервиса электрооборудования для сельскохозяйственного производства и быта сельского населения. Надежная и экономичная работа электрооборудования в сельском хозяйстве зависит от комплекса организационных и технических мероприятий, осуществляемых при разработке, изготовлении, монтаже и эксплуатации электротехнических изделий. Возрастающие требования сельскохозяйственного производства к надежности работы электрооборудования и повышение удельного веса затрат, связанных с его обслуживанием и ремонтом, требуют внедрения системы эксплуатации, при которой обеспечиваются минимальные затраты на проведение техобслуживания и устранение аварийных отказов оборудования с учетом возможных технологических ущербов, наносимых выходом из строя электроустановок и электрооборудования.

Многоукладность сельскохозяйственного производства и неоднородность форм организации сельских товаропроизводителей при недостатке материальных средств на приобретение нового электротехнического оборудования и материалов, высоких тарифов на электроэнергию и недостатке квалифицированного электротехнического персонала требует разработки и внедрения новых методов и форм организации технического обслуживания и ремонта электрооборудования.

Проведение научных исследований и разработка научно-обоснованных рекомендаций по совершенствованию системы технического сервиса электрооборудования в изменяющихся условиях развития сельскохозяйственного производства, обеспечивающей повышение эксплуатационной надежности и эффективности работы сельских электроустановок для увеличения выпуска сельскохозяйственной продукции, является актуальной задачей, результаты решения которой необходимы развивающемуся отечественному сельхозтоваропроизводителю.

В работе представлены результаты исследований, проводимых с участием автора, при выполнении государственных и отраслевых научно-технических программ, планов и контрактов. Государственная научно-техническая программа 0.51.21. «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства 1981-1985г. и 1986-1990г.»; Отраслевая научно-техническая программа О.сх 71 «Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения 1986-1990г.»; Государственные контракты с Минсельхозом РФ №148.21.2.26.2000 «Разработка нормативно-методических технологических основ интенсивного машинного производства продукции» - 2000 г. и №1409/26 «Проведение исследований и разработка рекомендаций по выбору энергоносителей и ресурсосбережению в АПК» - 2002г.; Планы НИОКР ВИЭСХ по программам фундаментальных и приоритетных прикладных исследований РАСХН (ВАСХНИЛ) - 1983-2007гг.

Цель работы. Совершенствование системы технического сервиса и повышение эффективности работы сельских электроустановок.

Предмет исследования. Система электрооборудования сельскохозяйственных предприятий, взаимосвязи и закономерности параметров, обеспечивающих повышение эффективности использования сельских электроустановок.

Методика исследования. Системный подход к комплексу теоретических и экспериментальных данных в области использования электрифицированной техники в условиях сельского хозяйства, полученных при помощи методов математической статистики, теории вероятностей, теории массового обслуживания, математического моделирования, теоретических основ электротехники.

Научная новизна.

Разработаны математические модели оптимизации основных параметров различных стратегий технического обслуживания электрооборудования по критерию минимума средних эксплуатационных затрат с использованием информации о надежности и соотношении затрат на проведение профилактики и устранение отказов.

Исследованы зависимости средних удельных эксплуатационных затрат от периодичности выполнения профилактических мероприятий, а также зависимости средних эксплуатационных затрат и среднего времени безотказной работы электрооборудования при возможных отклонениях от оптимальной периодичности.

Предложен графический метод определения оптимальной периодичности технического обслуживания электрооборудования на основании численного определения параметров и характеристик процесса восстановления.

Разработаны математические модели обоснования потребности электротехнических служб в невосстанавливаемых элементах при эксплуатации электроустановок по критерию достаточности при заданной степени риска для различных законов надежности.

Разработана математическая модель обоснования потребности в восстанавливаемых электротехнических изделиях, на примере электродвигателей, с использованием в качестве критерия допускаемую по нормативам продолжительность простоев технологических процессов.

Получены аналитические зависимости и выявлены характерные эксплуатационные закономерности неполнофазных режимов работы асинхронных электродвигателей различных типоразмеров со схемами соединения обмоток «звезда» и «треугольник» при изменяющихся нагрузочных, пусковых и неполнофазных режимах, позволяющие повысить эффективность защит при перегрузках.

Предложены новые технические решения с разработкой экспериментальных и макетные образцов электрооборудования для реализации резонансных методов передачи и применения электрической энергии с обоснованием перспективных направлений их эффективного использования в сельскохозяйственном производстве. Новизна разработок защищена 10 патентами на изобретения.

Положения выносимые на защиту

Математические модели и методики обоснования основных параметров различных стратегий технического обслуживания электрооборудования. Методика и графический метод определения оптимальной периодичности технического обслуживания электрооборудования при различных законах надежности и соотношениях затрат на выполнение профилактических мероприятий и устранение возможных отказов электрооборудования.

Математические модели и методики обоснования потребности электротехнических служб в невосстанавливаемых и восстанавливаемых запасных электротехнических изделиях для технического обслуживания и ремонта сельских электроустановок.

Результаты исследования параметров аварийных режимов асинхронных электродвигателей при потере фазы в системе питания для совершенствования защит.

Новые технические решения по созданию электрооборудования для реализации резонансных методов передачи и применения электрической энергии в сельском хозяйстве.

Практическая ценность и реализация

1. Методические рекомендации и научно-технические материалы в количестве 6 наименований /1, 14, 23, 26, 84, 85,/ по организации технического сервиса и повышения надежности сельских электроустановок с примерами расчетов, в установленном порядке рассмотрены и утверждены Минсельхозом РФ и Россельхозакадемией, изданы и рекомендованы для практического применения инженерно-техническими работниками энергетических служб сельскохозяйственных предприятий, служб Агротехсервиса и другими специалистами.

2. Результаты научных исследований и разработок по совершенствованию эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве используются при обосновании дополнений и уточнений нормативов Системы ППРЭсх, использованы в исходных требованиях на разработку технико-эксплуатационных показателей кормоприготовительной техники для личных подсобных хозяйств, утвержденных Госагропромом СССР, а также приняты предприятием «Агропромэнерго» Верхне-Мамонского района Воронежской области для использования в работе.

3. Разработанная научно-техническая продукция используется в учебном процессе энергетических факультетов. По заявкам в библиотеку МГАУ им. В.П. Горячкина направлено 60 экз. Методических рекомендаций 14, 23 и 20 экз. монографии 82, в библиотеку АЧГАА 20 экз. монографии 82, указанных в списке публикаций автора.

4. Новые технические решения на уровне изготовленных образцов электрооборудования для резонансных методов передачи и применения электрической энергии с перспективами использования их в производстве.

Экспериментальный образец оборудования для резонансного метода передачи электрической энергии по результатам испытаний на объекте КС-5, с комплектом техдокументации приняты комиссией ООО “Cургутгазпром'' для внедрения в производство.

Макетные образцы разработок с резонансной системой питания мобильных и стационарных потребителей неоднократно демонстрировались на выставках, конференциях, докладах и отмечены медалью Лауреат ВВЦ в 1995г., Золотыми медалями и Дипломами 5 и 6 Московского международного салона инноваций и инвестиций ВВЦ в 2005 и 2006гг., Золотой и Серебряной медалями 10 Международного салона промышленной собственности «АРХИМЕД-2007», Золотой медалью Выставки-демонстрации День Российского поля в 2007г.

Внедрение разработок позволит снизить аварийность электроустановок в 1,5-2 раза, уменьшить эксплуатационные затраты на 20-30%, значительно снизить ущербы от отказов и повысить эффективность работы электрооборудования.

Апробация результатов исследований. Выполненные по теме диссертации исследования и разработки в течение 1983-2007гг. доложены, обсуждены и одобрены на 35 Международных, Всесоюзных, Всероссийских, Республиканских и других научно-технических саммитах, симпозиумах, конференциях, семинарах, советах и совещаниях, проводимых в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Тамбове, Кирове, Йошкар-Оле, Минске, Киеве, Алма-ате, Севастополе, Харькове, Варшаве, Праге, Вене, Дели и других городах. Название и время проведения конференций отражены в публикациях автора.

Публикация. Результаты исследований и основное содержание диссертации опубликовано в 127 печатных работах, в том числе в монографии, 9 книгах и брошюрах, из них 11 публикаций в изданиях Перечня ВАК для докторских диссертаций, 10 патентах РФ на изобретения. Общий объём публикаций на долю соискателя составляет более 20 печатных листов.

Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа содержит 257 с. основного текста, 67 рис., 50 табл., 359 библ. наим.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель исследований и научная новизна, приведены основные положения, выносимые на защиту, указана связь работы с научно-техническими программами и контрактами.

Глава 1. Состояние и направления развития системы технического сервиса сельских электроустановок

На основании выполненного анализа рассмотрено состояние и направления развития системы технического сервиса и эффективности использования электрооборудования в сельском хозяйстве. Рассмотрена структура технического обслуживания и ремонта сельских электроустановок, приведена классификация мероприятий по повышению эксплуатационной надежности и эффективности использования электрооборудования в сельском хозяйстве.

Становление и совершенствование системы эксплуатации происходит в непосредственной взаимосвязи с решением общих проблем сельской электрификации, уровня насыщенности сельскохозяйственного производства электротехническим оборудованием, увеличения объемов электропотребления. Включение вопросов эксплуатации в государственные научно-технические программы и их целевое финансирование позволили значительно поднять уровень эксплуатации сельских электроустановок. Были разработаны новое электрооборудование и электродвигатели специального сельскохозяйственного исполнения, разработаны и утверждены система планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания электрооборудования сельскохозяйственных предприятий (Система ППРЭсх, 1987г.), система условных единиц, штатные нормативы энергетических служб, действующие до настоящего времени.

Совершенствованию системы технического сервиса и повышению надежности работ сельских электроустановок посвящены работы многих известных ученых: Будзко И.А., Прищеп Л.Г., Бородин И.Ф., Стребков Д.С., Кормановский Л.П., Морозов Н.М., Гольдберг О.Д., Пястолов А.А., Сырых Н.Н., Мусин А.М., Славин Р.М., Русан В.И., Казимир А.П., Ерошенко Г.П., Таранов М.А., Овчаров В.В., Шувалов А.М., Ромашин М.С., Грундулис А.О., Мамедов Ф.А., Литвин В.И., Хомутов О.И., Воронин Е.А., Буторин В.А., Данилов В.Н., Оськин С.В. и их учеников.

Многолетний опыт эксплуатации используемого в сельском хозяйстве электрооборудования показал, что несмотря на появление нового, более совершенного электрооборудования и устройств защиты от аварийных режимов, выход из строя электродвигателей по прежнему остается на уровне 20-25 % в год. Выполненный анализ и опыт применения действующей системы ППРЭсх свидетельствует о том, что наряду с неукомплектованностью электротехнических служб сельхозпредприятий и не выполнением основных требований технического обслуживания, а также тяжелыми условиями окружающей среды, причиной этому являются имеющиеся недостатки в научном обосновании отдельных её положений и использование в связи с этим принятых усредненных показателей, что не может обеспечить требуемую надежность и поддержание работоспособности электрооборудования с минимальными затратами материальных и трудовых ресурсов.

Выполненная работа свидетельствует о необходимости дополнения и уточнения ряда эксплуатационных показателей по периодичности выполнения профилактических мероприятий, характеристикам надежности электрооборудования, режимам работы и степени ответственности технологических процессов, по обоснованию потребностей электротехнических служб в запасных изделиях, а также разработке нового более совершенного и эффективного в применении электрооборудования для сельского хозяйства. На основании анализа состояния вопроса сформулированы следующие задачи исследования.

Задачи исследования.

Разработать математические модели оптимизации основных параметров различных стратегий технического обслуживания электрооборудования по критерию минимума средних эксплуатационных затрат с использованием информации о надежности и соотношении затрат на проведение профилактики и устранение отказов.

Исследовать зависимости средних удельных эксплуатационных затрат от периодичности выполнения профилактических мероприятий, а также зависимости средних эксплуатационных затрат и среднего времени безотказной работы электрооборудования при возможных отклонениях от оптимальной периодичности.

Разработать графический метод определения оптимальной периодичности технического обслуживания электрооборудования на основании численного определения параметров и характеристик процесса восстановления.

Разработать математические модели обоснования потребности электротехнических служб для технического обслуживания и ремонта электрооборудования в невосстанавливаемых элементах по критерию достаточности (при заданной степени риска) для различных законов надежности, и в восстанавливаемых электротехнических изделиях (на примере электродвигателей) с использованием в качестве критерия допускаемую по нормативам продолжительность простоев технологических процессов.

Исследовать неполнофазные режимы работы асинхронных электродвигателей для различных схем соединения обмоток, при различной мощности и нагрузке в целях совершенствования их защиты.

Разработать методику энергетического мониторинга сельскохозяйственных электроприводов для выявления резервов и потенциала экономии электроэнергии. Разработать рекомендации по рациональному применению и экономии электроэнергии в личных подсобных хозяйствах и быту сельского населения.

Разработать и исследовать новые технические решения для реализации резонансных методов передачи и применения электрической энергии с обоснованием перспективы их использования в сельскохозяйственном производстве.

Глава 2. Разработать математические модели оптимизации основных параметров стратегий технического обслуживания электрооборудования и расчета потребности в неремонтируемых запасных элементах

При разработке математических моделей функционирования электрооборудования использованы труды известных ученых по теории надежности Гнеденко Б.В., Соловьева А.Д., Барзиловича Е.Ю., Каштанова В.А. и других.

Основой математической модели, описывающей функционирование электрооборудования при его эксплуатации, является процесс восстановления, при рассмотрении которого приняты следующие основные обоснованные допущения: в момент начала эксплуатации электротехническое изделие абсолютно исправно; времена жизни элементов … являются независимыми случайными величинами, одинаково распределёнными Р{<t} = со средним сроком службы

и дисперсией . (1)

При этих предположениях поток случайных точек времени 0<t1<t2<t3…<…, являющихся моментами отказов, будет соответствовать процессу восстановления, схематично представленному на рис.1.

?1 ?2 ?3 ?n+1 ?n+2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

0 t1 t2 t3 tn+1 t

Рис. 1. Схема процесса восстановления электротехнического изделия

При разработке математических моделей процесса восстановления использованы следующие характеристики: -- число отказов (восстановлений), произошедших за время t, случайная величина с законом распределения , являющимся n-кратной свёрткой одинаковых функций :

(2)

-- среднее число отказов до момента t или функция восстановления (первый начальный момент случайной величины );

-- второй начальный момент случайной величины n(t);

-- плотность восстановления,

где .

Распределения суммы случайных величин функции и плотности определяются рекуррентно:

(3)

С использованием полученных соотношений определены характеристики процесса восстановления при наиболее распространённых законах надёжности электротехнических изделий (элементов): экспоненциальном, Эрланга и нормальном, которые приведены в табл.1, где

- комплексное число, .

Поскольку при законе надёжности Вейбулла-Гнеденко вычисление функций , и аналитическими методами с использованием свёрток затруднено (интегралы не берутся) их вычисление выполнено численными методами и оформлено в виде таблиц с двумя входами и , которые представлены в / 14 /.

Рассмотрены следующие стратегии обслуживания электрооборудования, устанавливающие правила назначения и проведения профилактических мероприятий. Послеотказовая стратегия технического обслуживания электрооборудования не предусматривает профилактических мероприятий, а сводится к замене или ремонту отказавшего оборудования. Стратегия обслуживания по расписанию предусматривает проведение через определенные периоды времени принудительного обслуживания электротехнического изделия независимо от его технического состояния и продолжительности работы после восстановления при отказе. Стратегия обслуживания по наработке предусматривает проведение восстановительных мероприятий либо в заранее запланированный момент с заданной периодичностью, либо в случае отказа, если он произошел раньше этого момента. При такой стратегии профилактические мероприятия выполняют также с постоянной периодичностью, но время отсчитывают заново от проведенного мероприятия (аварийного или профилактического). Схемы работы электрооборудования для рассматриваемых стратегий обслуживания показаны на рис.2.

Таблица 1. Характеристики процесса восстановления

Характеристики процесса	Законы надёжности
	Экспоненциальный	Эрланга кго порядка	Нормальный
Функция распределения nго отказа
Вероятность того, что за время t произойдёт ровно n отказов
Среднее число отказов за время t (функция восстановления)	Н1(t)= ?t.
Плотность восстановления числа отказов за время t	h(t)= ?

Для совершенствования системы технического обслуживания сельских электроустановок на основе разработанной математической модели разработана методика оптимизации основных параметров различных стратегий обслуживания электрооборудования по критерию минимума средних эксплуатационных затрат. Основным фактором, влияющим на эксплуатационные затраты и эксплуатационную надёжность устройств является периодичность выполнения профилактических (восстановительных) мероприятий. Для этого необходимо определение оптимальной периодичности при планово-предупредительных стратегиях по минимуму средних удельных эксплуатационных затрат на одном цикле восстановления с априорно известными законами надёжности электротехнических изделий с возрастающей во времени интенсивностью отказов и соотношениях затрат на устранение аварийных отказов и затрат на выполнение профилактических работ, а также сравнения их с послеотказовой стратегией, при этом />1.

Затраты, связанные с последствиями отказов электрооборудования, влияющие на оптимальную периодичность технического обслуживания электрооборудования определяются по составляющим экономического ущерба, включающего технологический ущерб от недовыпуска или снижения качества продукции и ущерб, обусловленный преждевременно вышедшим из строя электрооборудованием.

Основные соотношения и характеристики рассмотренных стратегий обслуживания электрооборудования, необходимые для оценки надёжности, планирования эксплуатационных работ и оценки эффективности применения различных стратегий приведены в табл.2.

Для послеотказовой стратегии обслуживания определены следующие характеристики ; , где - среднее время работы устройства до отказа при отсутствии профилактических воздействий.

Уравнение первой производной от выражения (2), при ее нулевом значении, является уравнением для нахождения опт; (опт) - интенсивность отказов в момент t=опт .

а)

б) в)

Рис. 2. Схемы работы электротехнического устройства при разных стратегиях обслуживания: а) - послеотказовая ; б) -по расписанию; в) - по наработке; t1, t2, t3, t4 - моменты отказа изделия; - время работы устройства до отказа; -периодичность профилактических обслуживания;

Si - возможные дискретные состояния процесса (устройства): S0-работоспособное; S1- аварийный ремонт при отказе; S2-профилактический восстановительный ремонт; - среднее время, затрачиваемое на выполнение аварийно-восстановительных работ (на устранение отказа); -среднее время, затрачиваемое на выполнение профилактических восстановительных работ (на профилактику

Таблица 2. Основные параметры планово-предупредительных стратегий обслуживания электрооборудования

Параметры планово-предупредительной стратегии обслуживания	Планово-предупредительная стратегия обслуживания
	по расписанию	по наработке
Средние удельные затраты на одном цикле восстановления при периодичности
Уравнение для нахождения	( 4 )	( 41 )
Оптимальные средние удельные затраты при=
Среднее время между аварийными отказами (восстановлениями)
Среднее время между планово-профилактическими ремонтами (восстановлениями)
Среднее время между восстановлениями любого типа (аварийными и профилактическими)
Среднее число аварийных отказов (восстановлений) в год
Среднее число планово-профилактических ремонтов (восстановлений) в год
Общее число аварийных и планово-профилактических ремонтов (восстановлений) в год

На рис. 3 приведены зависимости затрат на устранение последствий отказов электрооборудования и выполнения профилактических (восстановительных) мероприятий от периодичности их проведения. Значения функции, удовлетворяющие правой части уравнений (4) и (41) из табл.2 соответствуют оптимальной величине .

Рис.3. Зависимости для определения оптимальной периодичности профилактического обслуживания электрооборудования при стратегии обслуживания строго по расписанию(а) и стратегии обслуживания по наработке (б): b(*) и b(*) - при законе надежности Вейбулла-Гнеденко, k(*) и k(*) - при законе надежности Эрланга

Для построения этих зависимостей осуществлено численное вычисление интегралов и характеристик и в соответствии с функциями: - при стратегии обслуживания по расписанию; - при стратегии обслуживания по наработке.

Расчетные данные для построения зависимостей 1,5(*) при нормированном распределении Вейбулла-Гнеденко с параметром b=1,5 и 2(*) при нормированном распределении Эрланга с параметром k=2 приведены в табл.3

Таблица 3. Результаты расчетов для построения зависимостей при стратегии обслуживания по расписанию для закона Вейбулла-Гнеденко для 1,5(*) и закона Эрланга для 2(*)

*	Закон Вейбулла-Гнеденко	Закон Эрланга
	Н(*)	h(*)	*h(*)	1,5(*)	H(*)	h(*)	*h(*)	2(*)
0,3	0,16	0,77	0,23	0,07	0,13	0,70	0,21	0,08
0,4	0,24	0,86	0,34	0,10	0,20	0,80	0,32	0,12
0,5	0,33	0,93	0,46	0,13	0,29	0,86	0,43	0,14
0,6	0,43	0,98	0,59	0,16	0,37	0,91	0,55	0,18
0,7	0,53	1,02	0,71	0,19	0,47	0,94	0,66	0,19

В табл.4, приведены результаты расчетов для закона Вейбулла-Гнеденко с параметром b = 2 и стратегии обслуживания по наработке, а зависимость для определения оптимальной периодичности обслуживания электрооборудования для этого случая представлена на рис.3.

Таблица 4

Результаты расчетов для построения зависимости (*) при стратегии обслуживания по наработке для закона Вейбулла-Гнеденко (b =2)

*	F(*)	(*)			b(*)
0,3	0,07	0,47	0,29	0,14	0,07
0,4	0,12	0,63	0,38	0,24	0,12
0,5	0,18	0,79	0,47	0,37	0,19
0,6	0,24	0,94	0,55	0,52	0,27
0,7	0,32	1,10	0,62	0,68	0,37

При пользовании графическими зависимостями, отложив по оси ординат значения функций 1,5(*) и 2(*), соответствующие заданному соотношению затрат, находят на оси абсцисс соответствующие значения в относительных единицах, а её временные значения вычисляются по формулам: для закона надежности Вейбулла-Гнеденко, где а - параметр масштаба; для закона надежности Эрланга, где Т - среднее время работы изделия до отказа при этом законе.

Оптимальной периодичности профилактического обслуживания электрооборудования до его отказа соответствуют минимальные (оптимальные) средние удельные эксплуатационные затраты. Эффективность применения рассматриваемых стратегий определяется сравнением средних удельных эксплуатационных затрат , и для конкретных условий работы электрооборудования.

Наличие большой номенклатуры электрооборудования в сельскохозяйственном производстве с различными стоимостными и надежностными показателями на практике вынуждает в ряде случаев отступать от оптимальной периодичности обслуживания для некоторых видов электрооборудования. По полученным выражениям проведена оценка изменения затрат при отклонении от оптимальных периодичностей и по результатам расчетов построены зависимости средних удельных эксплуатационных затрат (в относительных единицах) применительно к стратегии обслуживания по наработке при законе надежности Вейбулла - Гнеденко и Эрланга с различными соотношениями затрат на устранение отказа и выполнение профилактического обслуживания электрооборудования / = j , представленные на рис. 4.



(а) - при законе надежности изделий Вейбулла-Гнеденко

(б) - при законе надежности изделий Эрланга

Рис.4. Изменение средних удельных эксплуатационных затрат в относительных единицах при отступлении от оптимальных периодичностей при законе надежности изделий Вейбулла-Гнеденко (а) и Эрланга (б) при различном j соотношении затрат Сар и

Разработанная методика позволяет при планировании профилактических мероприятий в целом по сельскохозяйственному объекту обоснованно подходить к отступлениям от оптимальных периодичностей с учетом надежности, возможного ущерба и затрат на профилактику, при этом более строго выдерживая опт при обслуживании электрооборудования, задействованного на выполнении ответственных технологических процессов.

По результатам исследований установлено, что применение планово-предупредительных стратегий обслуживания с оптимальной периодичностью не только снижает затраты на эксплуатацию, но и увеличивает среднее время работы изделий до отказа. При этом также установлено, что с увеличением периодичности профилактического обслуживания среднее время работы изделия уменьшается, приближаясь к значению времени безотказной работы при послеотказовой стратегии (=).

Влияние периодичностей выполнения профилактических мероприятий на надёжность работы изделия (на среднее время безотказной работы) показано зависимостями, представленными на рис.5.

Рис. 5. Влияние периодичностей профилактического обслуживания электрооборудования на среднее время его безотказной работы

Анализ зависимости затрат на эксплуатацию электрооборудования от периодичности проведения профилактических мероприятий показывает, что при определенных условиях оптимум носит неявно выраженный характер. Поэтому при планировании работ и составлении графиков по обслуживанию электрооборудования при вынужденных отступлениях от оптимальной периодичности необходимо учитывать степень ответственности технологических процессов и требования надежности. Применение предложенной методики обеспечивает условия для внедрения эффективной ресурсосберегающей системы технического сервиса сельских электроустановок и повышения эксплуатационной надежности электрооборудования сельскохозяйственных предприятий.

Глава 3. Разработать методы расчета потребности в запасных изделиях при эксплуатации электрооборудования

С использованием полученных характеристик процесса восстановления разработаны математические модели и методика определения потребности электротехнических служб для технического обслуживания и ремонта электрооборудования в невосстанавливаемых запасных изделиях (элементах), необходимых для обеспечения непрерывной работы электроустановок с заданной вероятностью в течение планируемого периода времени, и с использованием методов теории массового обслуживания разработана методика определения потребности в восстанавливаемых изделиях по допустимому(нормативному) времени простоев технологических процессов при возможных отказах электрооборудования(на примере электродвигателей).

При определении потребности инженерных служб по эксплуатации электрооборудовании в невосстанавливаемых запасных элементах используются характеристики процесса восстановления, в частности закон распределения nго отказа элемента при его различных законах надёжности, позволяющий определить наименьшее число запасных элементов , чтобы с заданной вероятностью обеспечить бесперебойную работу электроустановки, в которую входит рассматриваемый элемент, в течении времени t, используя неравенство , где величина определяет степень риска. При экспоненциальном законе надёжности элемента, вероятность того, что случайная величина n(t) примет значение, не превосходящее n, выражается интегральным законом Пуассона:

 (5)

где - параметр закона Пуассона, представляющий собой математическое ожидание случайной величины n(t), которое при статистических расчётах принимается равным среднему числу отказов за время t, т.е. . Так как в большинстве практических случаев среднее число отказов приходится определять применительно не к одному рабочему элементу, а к большой совокупности эксплуатируемых однотипных элементов N, то в этом случае , а вероятность того, что среднее число отказов не превысит числа запасных элементов , определяется выражением

(6)

Исходя из этого выражения для определения необходимого числа запасных элементов предложена формула:

(7)

где - коэффициент увеличения потребности в запасных элементах по сравнению со средним значением, учитывающий дисперсию. Полученные значения коэффициента приведены в табл. 5 и определяются при пользовании методикой по известному значению и заданному параметру .

Таблица 5. Значения коэффициента для определения n

		0,90	0,92	0,94	0,95	0,97	0,98	0,99
25	1,24	1,27	1,30	1,325	1,38	1,41	1,47
50	1,18	1,20	1,22	1,235	1,275	1,30	1,34
75	1,15	1,16	1,17	1,185	1,22	1,24	1,27
100	1,12	1,14	1,15	1,16	1,19	1,21	1,23
150	1,10	1,11	1,13	1,135	1,155	1,17	1,19
200	1,09	1,10	1,11	1,115	1,135	1,15	1,17
300	1,07	1,08	1,09	1,095	1,105	1,112	1,13
400	1,06	1,07	1,08	1,085	1,095	1,10	1,12
600	1,05	1,06	1,06	1,065	1,075	1,08	1,09
800	1,05	1,05	1,05	1,055	1,065	1,07	1,08
1000	1,04	1,04	1,05	1,05	1,055	1,06	1,07

В отличие от экспоненциального закона надёжности элемента, использование закона при распределении Эрланга и Нормальном, ограничено лишь одним эксплуатируемым элементом. В этом случае целесообразно использовать другие характеристики процесса восстановления, в частности функцию восстановления и дисперсию числа отказов. При этом большое значение имеют оценки, приближённые результаты и периоды пополнения запасными элементами. Так, если , то целесообразно использовать асимптотическое поведение процесса восстановления при . При этом в соответствии с центральной предельной теоремой теории вероятностей закон распределения достаточно большого числа отказов сколь угодно близок к нормальному с математическим ожиданием и дисперсией а за величину n можно взять

(8)

где квантиль нормированного распределения.

При большом числе N эта формула принимает вид:

(9)

где , .

Приведены также другие оценки функции восстановления и дисперсии числа отказов за время t (для и ).

При законе надёжности Вейбулла-Гнеденко в связи с затруднениями вычисления характеристик процесса восстановления элемента аналитическими методами, изложена методика численного определения функции восстановления и среднего квадратического отклонения числа отказов от среднего значения за время t. По результатам вычислений для практического пользования составлены таблицы с широким диапазоном изменения параметров масштаба a, формы кривой b и времени t / 14 /.

На основании проведенных исследований разработаны Методические рекомендации, предназначенные для специалистов энергетических служб хозяйств, служб агротехсервиса, региональных органов материально - технического снабжения АПК для обоснования и формирования номенклатуры и объемов запасов электротехнических изделий и их элементов на ремонтно-эксплуатационные нужды. Обеспеченность энергетических служб сельскохозяйственных предприятий и других служб технического сервиса оптимальным количеством запасных элементов и изделий позволит значительно повысить эффективность работы электрифицированной техники в сельском хозяйстве.

На основании разработанной математической модели представлена методика обоснования потребности в восстанавливаемых изделиях на примере электродвигателей, с использованием методов теории массового обслуживания на основе информации об эксплуатационной надёжности электродвигателей и организации их капитального ремонта при пуассоновском потоке возникающих требований на ремонт. В качестве критерия используется допускаемое по нормативам продолжительность простоев технологических процессов при отказах электродвигателей. Методика позволяет обосновать необходимый резерв электродвигателей, предназначенный для оперативной замены вышедших из строя основных, установленных на технологическом оборудовании электродвигателей сельскохозяйственного предприятия.

Для решения задачи определения потребности в восстанавливаемых изделиях электрохозяйство сельскохозяйственного предприятия представлено замкнутой системой массового обслуживания с однотипными электродвигателями, где n - число электродвигателей установленных на различном технологическом оборудовании(величина их задана), m - число запасных (резервных) электродвигателей, хранящихся на складе сельскохозяйственного предприятия (величина их подлежит определению). Законы распределения наработки электродвигателей до отказа и времени нахождения их в ремонте соответствуют экспоненциальному закону с параметрами и соответственно.

Состояния парка электрооборудования характеризуется числом отказавших электродвигателей. Переход парка электродвигателей из одного состояния в другое при отказах осуществляется с интенсивностью, зависящей от числа n работающих электродвигателей, а при восстановлении - с постоянной интенсивностью .

Граф состояний парка электродвигателей изображён на рис.6.



Рис. 6. Граф состояний S парка однотипных электродвигателей с рабочими n и резервными m электродвигателями

Парк однотипных электродвигателей сельскохозяйственного предприятия состоит из совокупности однотипных рабочих и резервных электродвигателей (n+m). С использованием уравнений Колмогорова для предельных вероятностей состояний применительно к процессу гибели и размножения получены формулы вероятностей нахождения парка в любом состояний:

при ;

при (10)

где P0-вероятность нахождения парка в S 0.

где .

По полученным значениям вероятностей нахождения парка электродвигателей в том или другом состоянии основные характеристики процесса функционирования парка электродвигателей при скользящим резервировании электроприводов определяются по выражениям.

1. Среднее количество «простаивающих» технологических процессов из-за отказов электродвигателей при различном количестве резервных электродвигателей

. (11)

2. Коэффициент простоя технологического процесса, показывающий, какую часть рабочего времени каждый технологический процесс простаивает в ожидании замены отказавшего электродвигателя

(12)

3. Среднее время простоя технологического процесса в ожидании замены отказавшего электродвигателя, где кисп - усредненный коэффициент использования повремени электродвигателя на технологическом процессе

(13)

4. Среднее количество не используемых резервных электродвигателей, находящихся на складе

(14)

Необходимое число электродвигателей, которые должны находиться в резерве определяется из условия где - среднее время вынужденного простоя технологического процесса при отказе электродвигателя, определяемое по формуле (13) при различном количестве резервных электродвигателей; - допустимая длительность вынужденного простоя технологического процесса (нормативная величина).

На основании выполненной работы разработаны Методические рекомендации по определению потребности в электродвигателях для скользящего резервирования сельскохозяйственных электроприводов.

В диссертации выполнены исследования влияния различных факторов на величину запаса двигателей (сроки службы двигателей, продолжительность их ремонта, степень ответственности технологического процесса, число электродвигателей, работающих в хозяйстве и др.).

Глава 4. Анализ анормальных режимов, возникающих при эксплуатации асинхронных электродвигателей и требования к защитам

С использованием метода симметричных составляющих выполнен анализ наиболее распространённого аварийного режима асинхронного двигателя, связанного с обрывом фазы (в расчётных схемах фаза А) для схем соединения обмоток электродвигателя 380/220В и 380/660В, представленных на рис. 7.

Рис.7. Схемы соединения обмоток электродвигателя с обозначением расчетных параметров

Получены соотношения для определения токов, напряжений, моментов и скольжений АД при потере фазы с учетом схемы соединения обмоток двигателя, состояния двигателя в момент потери фазы, степени загрузки двигателя и механической характеристики рабочей машины, места потери фазы. Сопротивления прямой Z1 и обратной последовательностей определены в соответствии с Г-образной схемой замещения с учётом изменения скольжения двигателя из-за деформации его механической характеристики при уменьшении критического момента Мкр и критического скольжения для различной нагрузи m=М/Мн на валу, остающейся обычно неизменной при обрыве фазы.

С учётом принятых условий получены коэффициенты, определяющие относительное увеличение скольжение двигателя по сравнению с трехфазным питанием . Фактическое скольжение двигателя с номинальным скольжением Sн с различной кратностью максимального (критического) скольжения и загрузкой m, определяющее сопротивление прямой и обратной последовательностей при обрыве фазы, рассчитывается по уточненному соотношению .

В результате выполненного анализа аварийного режима двигателя со схемой соединения при обрыве фазы А получены расчётные соотношения, которые позволяют определять все основные параметры аварийного режима при обрыве фазы во время работы двигателя с различной нагрузкой и при его пуске, при и приведены в табл.6.

Таблица 6

Расчетные соотношения для определения токов и напряжений

Параметры	Расчетные соотношения
Фазные (они же и линейные) токи	, =
Фазные напряжения	;
Линейные напряжения	;
Напряжение смещения и разрыва Полное сопротивление	;

Выполненные расчеты показывают, что при потере фазы наиболее тяжелые условия возникают у электродвигателей мощностью 10 кВт и менее широко используемых в сельском хозяйстве. При этом условия работы АД при потере фазы ухудшаются с уменьшением номинальной мощности, синхронной частоты вращения и с увеличением номинального скольжения. Также установлено, что для АД с вентиляторной характеристикой нагрузки (q=2) при потере фазы происходит снижение момента сопротивления, но аварийный характер режима (перегрузка по току) сохраняется даже при 25% загрузке двигателя, в отличие от более мощных электродвигателей, которые уже при загрузке m не имеют перегрузки по току.

Исследованы особенности аварийного режима при обрыве фазы двигателя, с соединением обмоток по схеме «треугольник». В этом случае линейные токи и линейные напряжения (они же и фазные) могут определяться по тем же выражениям с заменой сопротивлений прямой и обратной последовательности при «треугольнике» эквивалентной «звездой»: и . При этом распределение токов по фазам определяется соотношениями: ; , а их значения определяются по выражениям:

; (15)

При пусковом режиме ; , т.е. по наиболее нагруженной фазе протекает полный пусковой ток трёхфазного питания.

Следовательно при одинаковой кратности изменения линейного тока кратность изменения тока в наиболее нагруженной обмотке двигателя при обрыве фазы будет раз выше, чем в симметричном режиме, а в других менее нагруженных фазах составит . В этих условиях, защита от перегрузок, реагирующая на линейные токи, допускает 15% перегрузку фазной обмотки, что приводит к дополнительному сокращению срока её службы. Поэтому для мощных электродвигателей, выпускаемых на напряжение 380/660 В, используемых в мелиорациии и системах водоснабжения, запускаемых с переключением со «звезды на треугольник», целесообразным и экономически оправданным является применение более совершенных и дорогостоящих устройств защиты.

Исследовано влияние значений критического момента, тока холостого хода, вентиляторного момента на валу двигателя и сопротивления статора на величину скольжения и параметры неполнофазного режима, а также моментов обратной последовательности на результирующий момент.

Предложенная методика анализа позволяет оценивать характер изменения токов, напряжений и моментов двигателя при обрыве фазы в зависимости не только от степени его загрузки, но и от кратности максимального момента, критического скольжения, характера статического момента на валу двигателя, параметров схемы замещения. Полученные результаты анализа аварийных режимов электродвигателей и выявленные закономерности изменения их параметров являются важной дополнительной информацией для уточнения требований при разработке, выборе и настройке защиты асинхронных двигателей от перегрузок при потере фазы, позволяющей выбирать уставки времени срабатывания защиты с учетом постоянной времени нагрева, величины перегрузки, годового числа использования электродвигателя, что обеспечивает условия для сохранения его ресурса и повышения эксплуатационной надежности сельскохозяйственных электроприводов.

Глава 5. Разработать практические рекомендации для повышения эффективности работы сельских электроустановок

Разработана методика энергетического мониторинга электроприводов сельскохозяйственных объектов для выявления резервов и потенциала экономии электроэнергии, предназначенная для практического применения специалистами сельскохозяйственных предприятий. Обоснован выбор мероприятий и последовательность проведения энергетического мониторинга сельскохозяйственных электроприводов, путем обследования их состояния и анализа факторов использования, а также контроля за режимом потребления и учетом расхода электроэнергии с разработкой и реализацией соответствующих мероприятий по снижению потерь электроэнергии и её рациональному использованию.

Продление срока службы электродвигателей и повышение уровня эксплуатации сельскохозяйственных электроприводов, осуществление и реализация мероприятий по энергосбережению позволит уменьшить непроизводственный расход электроэнергии на электропривод сельскохозяйственных машин и оборудования. Методика является составной частью общей методики энергетического мониторинга сельскохозяйственных объектов и определения резервов и потенциала экономии энергоресурсов в сельскохозяйственном производстве/ 82 /.

Разработаны рекомендации по рациональному использованию и экономии электрической энергии в личных подсобных хозяйствах и быту сельского населения.

Работа основана на результатах проведенных экспериментальных исследований электропотребления сельских жилых домов, анализа системы бытовых электроприборов и электрифицированной техники, необходимых для выполнения основных процессов и операций в сельском доме с подворьем в течение года. Для однотипных электроприборов и электрифицированных машин, сгруппированным по выполняемым технологическим процессам, даны практические рекомендации по их эффективному использованию и мерам энергосбережения. Разработаны технико-эксплуатационные требования к заявкам на разработку электрифицированной малогабаритной кормоприготовительной техники с для личных подсобных хозяйств.

Предложены новые технические решения и проведены исследования резонансной электрической системы (РЭС) с разработкой комплектов электрооборудования для реализации резонансных методов передачи и применения электрической энергии в сельском хозяйстве.

Комплект электрооборудования РЭС состоит из преобразователя частоты, повышающего резонансного трансформатора, линии передачи электроэнергии, понижающего резонансного трансформатора и согласующего устройства для подключения нагрузки.

Электрооборудование резонансной электрической системы, благодаря выполняемым преобразованиям и настройке системы «генератор - линия - электропотребитель» дает возможность осуществлять передачу электроэнергии в резонансном режиме для питания электроустановок.

Разработан экспериментальный комплект электрооборудования РЭС для передачи электрической энергии мощностью 20 кВт, работающего при напряжении на линии 10 кВ, частоте 3,6 кГц, имеющего согласующее устройство с инвертором для подключения нагрузки напряжением 220/380 В, 50 Гц. Проведены лабораторные исследования и производственные испытания комплекта оборудования резонансной электрической системы на КС-5 ОАО «Сургутгазпром».

Полученные результаты свидетельствуют о высокой ожидаемой эффективности применения РЭС для передачи электрической энергии по облегченным линиям при снижении расхода цветных металлов и потерь на сопротивлении линии.

Для исследования и демонстрации резонансного метода питания электроустановок разработан и изготовлен ряд действующих макетных и экспериментальных стационарных и мобильных образцов мощностью 5-100 Вт, а также высоковольтных генераторов, позволяющих получить высокое напряжение повышенной частоты, электрический холодноплазменный разряд для совершенствования существующих и создания новых экологически чистых энергосберегающих сельскохозяйственных электротехнологий.

На основании выполненных исследований и разработок сформулированы перспективные направления использования резонансных методов передачи и применения электрической энергии в сельском хозяйстве, которые могут быть использованы для электроснабжения удаленных сельских потребителей малой мощности (фермерские, крестьянские и личные подсобные хозяйства), питания экологически чистых электротранспортных средств для работы в закрытых помещениях (теплицах, фермах, складах) и мобильных электроагрегатов с активными рабочими органами в технических системах точного земледелия и животноводства, создания высоковольтных источников питания для электротехнологических установок. Реализация и внедрение разработанных технических решений и рекомендаций по резонансным методам передачи и применения электрической энергии в сельском хозяйстве позволит повысить эффективность работы сельских электроустановок.

Расчетная экономическая эффективность от внедрения выполненных исследований по совершенствованию системы технического сервиса сельских электроустановок для сельхозпредприятия с парком электродвигателей 500 шт. составляет 779,2 тыс. руб. в год, за счет снижения преждевременного выхода электрооборудования из строя и ущербов от простоев технологических процессов с учетом затрат на проведение профилактических работ.

Основные выводы и рекомендации

1. Выполненный анализ эффективности использования электрооборудования в сельском хозяйстве показал низкую эксплуатационную надежность электрооборудования из-за несовершенства системы технического обслуживания и ремонта и системы защиты его от аварийных ситуаций, не обеспечивающую эффективную работу электрифицированного технологического оборудования.