Αντικείμενο
του έργου

Από τα μέσα της δεκαετίας του 1990 ξεκίνησε μία πολύ αξιόλογη και εντατική προσπάθεια ανάπτυξης κατ' αρχήν μεθοδολογιών επιτήρησης λειτουργίας (Condition Monitoring) για τον εντοπισμό σφαλμάτων/ βλαβών στα υποσυστήματα διαφόρων ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων όπως οι μετατροπείς ισχύος, οι ηλεκτρικές μηχανές και οι ένσφαιροι τριβείς (ρουλεμάν) των αξόνων έδρασης.

Στην αρχή οι μέθοδοι εφαρμόζονταν σε περιβάλλον προσομοίωσης. Έπειτα, άρχισαν οι πρώτες εφαρμογές σε εργαστηριακό περιβάλλον σε μικρή όμως κλίμακα ισχύος (έως 3kW). Για την ανίχνευση των σφαλμάτων στους μετατροπείς ισχύος και στις ηλεκτρικές μηχανές χρησιμοποιούνταν τα ρεύματα των τριών φάσεων όπου με κατάλληλη επεξεργασία ανιχνεύονταν μοτίβο (από γραφική παράσταση ρευμάτων ή άλλων μεγεθών), ενδεικτικά του σφάλματος. Το κύριο μειονέκτημα αυτών των μεθόδων είναι αφενός η αποτυχία σε περίπτωση εμφάνισης μεγαλύτερων του ενός σφαλμάτων, και αφετέρου η δυσκολία στον να εκτελεστούν σε πραγματικό χρόνο αφού απαιτείται η περαιτέρω επεξεργασία των μοτίβο ειδικών αλγορίθμων οπότε εισάγονται και επιπλέον ασάφειες. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν μέθοδοι ψηφιακής επεξεργασίας των ρευμάτων των ηλεκτρικών μηχανών (MCSA, Motor Current Signature Analysis), για την ανάδειξη συχνοτήτων που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες βλάβες, όπως σφάλματα τυλιγμάτων στάτη (βραχυκυκλώματα σπειρών φάσης, καμένες σπείρες κ.λ.π.), τυλιγμάτων δρομέα (σπασμένες μπάρες ή δακτύλιοι βραχυκύκλωσης), εκκεντρότητα, αζυγοσταθμία κ.λ.π.. To βασικό όμως μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η μεταβολή των συχνοτήτων εμφάνισης σφαλμάτων με τη μεταβολή του σημείου λειτουργίας (ροπή-ταχύτητα). Το ίδιο συνέβη και με τους μετατροπείς ισχύος. Με την ψηφιακή επεξεργασία των ρευμάτων τους (που ουσιαστικά τροφοδοτούν τις ηλεκτρικές μηχανές) ή τη μαθηματική τους επεξεργασία ή συνδυασμό και των δύο εξάγονται κατάλληλοι δείκτες ο συνδυασμός των οποίων οδηγεί στον εντοπισμό σφάλματος(ων).

Όμως, οι μέθοδοι που αφορούν τους μετατροπείς έχουν κυρίως εφαρμογή στον εντοπισμό ανοικτοκυκλωμένων στοιχείων και όχι βραχυκυκλωμένων. Παράλληλα με τις μεθόδους εντοπισμού σφαλμάτων στα ημιαγωγικά στοιχεία των μετατροπέων ισχύος, εντάθηκε και η αναζήτηση μεθόδων για την πρόγνωση της γήρανσης ή της μόνιμης βλάβης των ημιαγωγικών στοιχείων λόγω της ανάπτυξης υψηλών θερμοκρασιών σε αυτά. Εφαρμόστηκαν μέθοδοι σε εργαστηριακό επίπεδο, οι οποίες όμως απαιτούν εκτός από τα αισθητήρια ρεύματος, και αισθητήρια μέτρησης της τάσεως σε ορισμένα σημεία του μετατροπέα, κάτι που στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές δεν είναι δυνατόν λόγω προβλημάτων προσέγγισης και κόστους. Από τις παραπάνω προσπάθειες οι περισσότερες δεν έχουν εφαρμοστεί ακόμη σε πραγματικό χρόνο, δηλ. η επεξεργασία των μεγεθών λαμβάνει χώρα μετά τη λήψη τους. Επιπλέον έχουν αναπτυχθεί και ενσωματωθεί σε κάποιες εφαρμογές μέθοδοι ειδικής ταξινόμησης (classification methods), ώστε αυτές να μειώσουν το χρόνο που απαιτείται σε περίπτωση εφαρμογής σε πραγματικό χρόνο.

Όσον αφορά τα σφάλματα σε ρουλεμάν ή κιβώτια ταχυτήτων (γρανάζια κ.λ.π), οι μέθοδοι ανίχνευσης τον πρώτο καιρό πραγματοποιούνταν με επιταχυνσιόμετρα (ανάδειξη χαρακτηριστικών συχνοτήτων μετά από ψηφιακή επεξεργασία), ενώ κατόπιν αναλύοντας τα ρεύματα των μηχανών (ψηφιακή επεξεργασία με τη MCSA), αποδείχθηκε ότι οι ενδεικτικές συχνότητες βλαβών εμφανίζονταν σε αυτά. Ένα από τα βασικά όμως μειονεκτήματα είναι το γεγονός ότι όταν εμφανίζονται ταυτόχρονα σφάλματα και στο ηλεκτρικό και στο μηχανικό μέρος δεν είναι δυνατή η δυσχεραίνεται κατά πολύ η διάκρισή τους. Το προτεινόμενο προϊόν θα είναι ένα σύστημα το οποίο θα περιέχει έναν αριθμό μικροελεγκτών οι οποίοι θα λαμβάνουν τα ρεύματα ως αναλογικά σήματα μέσω αισθητηρίων ρεύματος από έναν κεντρικό μικροελεγκτή και στη συνέχεια θα γίνεται παράλληλη επεξεργασία ώστε να ανιχνεύονται παραπάνω τους ενός σφαλμάτων ανεξάρτητα εάν αυτά λαμβάνουν ταυτόχρονα και στο ηλεκτρικό και στο μηχανικό μέρος των διαφόρων συστημάτων. Οι καινοτομίες του προτεινόμενου προϊόντος έγκεινται καταρχήν στο ότι θα κατασκευαστεί μία αξιόπιστη εμπορικά συσκευή η οποία σε πάρα πολύ κοντά στον πραγματικό, θα καταδεικνύει τις προαναφερθείσες βλάβες, ή την προδιάθεση εμφάνισης αυτών, υπολογίζοντας ταυτόχρονα και υπολειπόμενο χρόνο ζωής των διαφόρων υποσυστημάτων/εξαρτημάτων. Ταυτόχρονα θα αναπτυχθεί και θα ενσωματωθεί μία μεθοδολογία υπολογισμού της γήρανσης των ημιαγωγικών ισχύος χωρίς την απαίτηση των αισθητηρίων τάσης, ενώ θα επιχειρηθεί και η ελαχιστοποίηση του αριθμού των αισθητηρίων ρεύματος. Επίσης, σημαντικά καινοτόμα στοιχεία αποτελούν η «αναίμακτη» εφαρμογή της, σε προσπελάσιμα σημεία των συστημάτων που θα εφαρμοστεί (δηλ. χωρίς την απαίτηση τροποποίησής τους), η εύκολη τροποποίησή της συσκευής και η κατά περίπτωση ρύθμισή της ώστε να μπορεί να προσαρμόζεται σε διαφορετικές εφαρμογές κάθε φορά, ανάλογα με τη ζήτηση, και να λειτουργεί το ίδιο αξιόπιστα. Για την εκμετάλλευση στο μέγιστο των δυνατοτήτων της συσκευής προβλέπεται η δημιουργία μίας εφαρμογής, η οποία θα δίνει τη δυνατότητα αποστολής και λήψης των αποτελεσμάτων σε πραγματικό χρόνο σε κινητό τηλέφωνο, ή σε οποιαδήποτε πλατφόρμα επικοινωνίας, και η αποστολή συναγερμών στο προσωπικό χειρισμών.

Τα τελευταία χρόνια γίνεται συστηματική και εντατική προσπάθεια της επιτήρησης λειτουργίας (Condition Monitoring) με στόχο την πρόγνωση ή τη διάγνωση βλαβών σε ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα κίνησης ή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε διάφορους τομείς όπως η βιοτεχνία/βιομηχανία, ναυτιλία, κ.λ.π.

Αυτά τα συστήματα αποτελούνται από τους μετατροπείς ισχύος, τις ηλεκτρικές μηχανές και τα κιβώτια ταχυτήτων. Οι μετατροπείς οι οποίοι αποτελούνται από ημιαγωγικά στοιχεία και ρυθμίζουν βασικές παραμέτρους των τάσεων, και των ρευμάτων, που τροφοδοτούν μία ηλεκτρική μηχανή, έτσι ώστε αυτή να μπορέσει να λειτουργήσει με επιθυμητή ταχύτητα και ροπή, είτε σαν κινητήρας είτε σαν γεννήτρια, όπως αυτό απαιτείται από τις ανάγκες λειτουργίας.

Οι βασικοί λόγοι για τους οποίους υπάρχει αυτό τον έντονο κίνητρο είναι τρείς:

i) Η αποφυγή απότομης και πιθανόν για μεγάλο χρονικό διάστημα διακοπής παραγωγής ή παρεχόμενης υπηρεσίας

ii), Ο καλλίτερος προγραμματισμός και ενδεχομένως η παράταση της συντήρησης για ένα χρονικό διάστημα που θα επιτρέψει και την εξυπηρέτηση έκτακτων αναγκών παραγωγής ή παράταση διαθεσιμότητας/υπηρεσίας και

iii) Ο ακριβής εντοπισμός των βλαβών έτσι ώστε μετά την σχετική αναγγελία (συναγερμό) με το είδος της βλάβης να μη χαθεί πολύτιμος χρόνος.

Επιπλέον για κάποιες βλάβες, ιδιαίτερα γι' αυτές που αφορούν τη λειτουργία των ημιαγωγικών ισχύος των μετατροπέων ισχύος, η μη έγκαιρη ανίχνευσή τους μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλες ταλαντώσεις αξόνων μηχανών-φορτίων με αποτέλεσμα την καταστροφή τους. Ιδιαίτερα στην περίπτωση των αιολικών πάρκων ή των πλοίων που υπάρχει πρόβλημα απόστασης σε περίπτωση εκτάκτου γεγονότος ο έγκαιρος και ακριβής εντοπισμός βλάβης σε οποιοδήποτε υποσύστημα ή η ανίχνευση πρόδρομων φαινομένων, είναι ένα πολύ καταλυτικό γεγονός.

Διάφορες μέθοδοι που έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί μέχρι σήμερα, για τη διάγνωση βλαβών, κυρίως σε απλά εργαστηριακά ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα πολύ μικρής ισχύος. Από αυτές, λίγες έχουν εφαρμοστεί πρακτικά. Αυτές οι μέθοδοι αφορούν τη διάγνωση βραχυκυκλωμένων ή ανοιχτοκυκλωμένων ημιαγωγικών στοιχείων των μετατροπέων (IGBT, MOSFETS κ.λ.π.), τη διάγνωση σφαλμάτων στα τυλίγματα των μηχανών (βραχυκυκλωμένες σπείρες, βραχυκυκλώματα μεταξύ τυλιγμάτων, σπασμένες μπάρες στο δρομέα κ.λπ.), εκκεντρότητα στις μηχανές (στατική ή δυναμική), και φθορές στα ρουλεμάν (κλωβό, κυλιόμενα στοιχεία κ.λ.π.).

Σε όλες τις περιπτώσεις η διάγνωση αφορούσε βλάβη ενός είδους κάθε φορά. Η παρούσα πρόταση επένδυσης αφορά στη σχεδίαση-ανάπτυξη-κατασκευή μίας συσκευής διάγνωσης/πρόγνωσης βλαβών που θα χρησιμοποιεί αισθητήρες ρεύματος, και θα εφαρμοστεί σε ευρείες κατηγορίες συστημάτων. Οι καινοτομίες της προτεινόμενης συσκευής αφορούν, πρώτον στο γεγονός ότι αυτή θα είναι απλή, στιβαρή, αξιόπιστη, οικονομική με χαμηλό κόστος κατασκευής, δεύτερον, στο ότι θα λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο, αναδεικνύοντας τάχιστα τις σχετικές βλάβες, ή ανιχνεύοντας έγκαιρα πρόδρομα φαινόμενα εκδήλωσης βλαβών, μειώνοντας σημαντικά το χρόνο επανόδου λειτουργίας, και τρίτον η προτεινόμενη μεθοδολογία θα καταστήσει τη συσκευή ικανή να διακρίνει ταυτόχρονα και με ασφάλεια διαφορετικούς τύπους βλαβών.

Επίσης η συσκευή θα τοποθετείται «αναίμακτα», δηλ. χωρίς την τροποποίηση των συστημάτων που θα εγκαθίσταται, και θα γίνει και μία προσπάθεια να συμπεριληφθεί μία μεθοδολογία υπολογισμού της γήρανσης των ημιαγωγικών στοιχείων χωρίς τη χρήση αισθητηρίων τάσης.

Η Συσκευή θα συμβάλει σημαντικά στη μείωση του κόστους παραγωγής στην Περιφέρεια ΑΜΘ για διάφορες δραστηριότητες με αποτέλεσμα την αύξηση των θέσεων εργασίας. Επίσης θα υπάρχει και περιβαλλοντικό όφελος, αφού θα αυξάνεται η διαθεσιμότητα των Αιολικών και των Φ/Β πάρκων.