NAZIEMNE ELEKTROENERGETYCZNE UK ADY ZASILANIA SAMOLOTÓW I ICH DIAGNOSTYKA

Transkrypt

1 P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 103 Transport 2014 Micha Kalisiak, Kamil Zaczkowski Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych NAZIEMNE ELEKTROENERGETYCZNE UKADY ZASILANIA SAMOLOTÓW I ICH DIAGNOSTYKA Rkopis dostarczono: stycze 2014 Streszczenie: W pracy przedstawiono problemy techniczne zwizane z zastosowaniem naziemnych róde energii elektrycznej do obsugi wojskowych statków latajcych. Zaprezentowano lotniskowe urzdzenia zasilania elektrycznego serii LUZES skonstruowane i badane przez ITWL. Autorzy zwrócili uwag na potrzeb i moliwoci diagnozowania naziemnych róde energii elektrycznej. Przedstawili dwa urzdzenia skonstruowane w ITWL pod nazw LUK-1 (prdu staego) i LUK-2 (prdu przemiennego) Sowa kluczowe: naziemne róda zasilania, diagnostyka, jako energii elektrycznej 1. WSTP Zasady eksploatacji pokadowych systemów elektroenergetycznych wojskowych statków powietrznych s objte dosy spójnym i przejrzystym systemem norm i przepisów. Troska o poprawne spenienie tych wymaga jest widoczna ju w fazie ich produkcji, gdzie poddawane s szeregom surowych testów. Po zamontowaniu na pokad wojskowego statku powietrznego wze elektroenergetyczny jest kontrolowany przez liczne ukady monitorujce jego sprawno. Okresowo sprawdzane s te szczegóowe parametry przy pomocy naziemnych urzdze diagnostycznych m.in. tzw. wózków diagnostycznych. Personel techniczny jest centralnie koordynowany przez Sekcj Inynieryjn (SIL) eskadr lotniczych. Wród eksploatowanego sprztu mona zauway, e dla poszczególnych typów samolotów czy migowców wykorzystuje si wyposaone w identyczne typy podstawowych agregatów (np. prdnice lub regulatory napi) róda zasilania. Prdnice napdzane s mechanicznie za pomoc przekadni montowanej na silnikach lotniczych. Napd statków powietrznych jest realizowany przez silniki turboodrzutowe lub turbomigowe napdzane tym samym nonikiem energii (paliwo lotnicze do silników turbinowych). Tymczasem lotniskowe systemy zasilania elektroenergetycznego samolotów nie maj ju tak przejrzystej struktury. Organizacyjnie caa infrastruktura LZE (Lotniskowe zasilanie elektroenergetyczne) ma zoon podlego organizacyjn:

2 90 Micha Kalisiak, Kamil Zaczkowski W czasie lotów podlegaj organizacyjnie pod dyurnego inyniera lotów (DIL), Wszelkie bloki prostownicze, falownikowe, elektromaszynowe zwizane z wytwarzaniem energii elektrycznej dla wojskowych statków powietrznych podlegaj pod pion NOSP (Naziemna obsuga statków powietrznych) JW., Podwozia samobienych LZE podlegaj pod pion transportu samochodowego JW, Sie elektroenergetyczna przemysowa podlega pod suby zwizane z konserwacj budynków i infrastruktury lotniskowej. 2. LOTNISKOWE RÓDA ZASILANIA ELEKTROENERGETYCZNEGO LZE W LOTNICTWIE SI ZBROJNYCH RP Wród lotniskowych róde zasilania, mona zaobserwowa znacznie wiksze (ni dla wojskowych statków powietrznych) zrónicowanie typów oraz róde energii ze wzgldu na sposób pozyskiwania energii elektrycznej dostosowanej do potrzeb pokadowej instalacji elektroenergetycznej wojskowego statku powietrznego: 1. LZE samojezdne z wasnym napdem a. LUZES-V/D (prod. WCBKT) podwozie samojezdne, olej napdowy, Rys.1. Luzes V/D. ródo:

3 Naziemne elektroenergetyczne ukady zasilania samolotów i ich diagnostyka 91 b. APA-5 i APA-4 (prod. Ros.) podwozie samojezdne, olej napdowy; Rys.2. APA-5. ródo: 2. LZE elektromechaniczne (przetwarzajce energi elektryczn sieci przemysowych na energi mechaniczn a nastpnie na elektryczn) do zasilania napiciem przemiennym 115 V, 400 Hz: a. LUZES-II oraz LUZES-IIM (prod. WCBKT) wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), b. LUZES-III (prod. WCBKT) wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), c. LUZES-VII (prod. WCBKT), d. ZR-1000 (prod. Opole), 3. LZE prostownikowe: a. LZE-VI oraz LZE-6M (prod. WCBKT) bloki tyrystorowo-prostownicze - wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), b. LUZES-III (prod. WCBKT) wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), c. LUZES-IIM (prod. WCBKT) wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), d. AXA V (prod. WCBKT) wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), 4. LZE falownikowe: a. 3GVF-200/87-N, 30 kva (prod. duskiej) wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz), b. AXA2300Compact, 90 kva wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz) c. AXA 15 3x36 wymagaj zasilania energi elektryczn ze stacjonarnej sieci przemysowej (230/380V, 50 Hz)

4 92 Micha Kalisiak, Kamil Zaczkowski Przedstawione powyej urzdzenia prostownikowe, falowniki, przetwornice elektromaszynowe wykorzystuj energi: mechaniczn pozyskan z procesu spalania paliw pynnych (1.), elektryczn pozyskan z sieci przemysowej (2-4). Pierwsze z nich s przydatne w warunkach wojennych i podczas przebazowa, ale jednoczenie s drogie w eksploatacji i emituj znaczny poziom haasu. Drugie z nich pozyskujc energi z sieci przemysowej emituj znacznie niszy poziom haasu (zwaszcza ukady prostownikowe i falownikowe). Jednake w czasie przebazowa doprowadzenie takiego zasilania jest wielce problematyczne. Zasilanie ich z agregatów prdotwórczych zazwyczaj zmniejsza ich wydajno energetyczn i obnia parametry jakoci energii elektrycznej dostarczanej do wojskowego statku powietrznego. Typ LZE 3GVF- 200/87-N AXA 15 3x36 AXA 230Compact Zestawienie mocy dysponowanej poszczególnych typów LZE Tabela 1 Napicie wyj. Napicie wyj. Napicie wyj. Napicie wyj. 3x36 V 3x200V 1x115V +28 V P[moc] I[prd] P[moc] I[prd] P[moc] I[prd] P[moc] I[prd] kVA 40A 30kVA 40A ,7kVA 30A kVA 125A 90kVA 50A 116,8kV A 600A LUZES II/M 1,08kVA 25A 39kVA 110A 40kVA 40A 20kW 500A A APA-5D kVA 111A 40kVA 40A 24kVA 650A EGU 17/35 1,5kVA 40A 20kVA 100A 4kVA 30A 6kW 400A LZE-6/M ,1 kw 600A LUZES V/D 0,9kW 25A 90kVA 200A 7kW 45A 14kW 500A Jak przedstawiono w tabeli 1 znaczne jest take zrónicowanie mocy poszczególnych urzdze LZE. W zwizku z tym nie maj one uniwersalnego zastosowania do wszystkich statków powietrznych RP. Jeszcze gorsza sytuacja wystpuje, w problemie sterowania systemem jakoci i sprawnoci LZE. Po zmontowaniu LZE ma bardzo skromne ukady kontroli (przewanie jest to woltomierz i amperomierz). Wyjtkiem s ukady AXA sterowane ju mikroprocesorowo. Operator nie ma duych szans na dokonanie szybkiej obiektywnej oceny rozmiaru niesprawnoci i przedsiwzi rodki zaradcze. Niesprawnoci LZE s zazwyczaj ujawniane dopiero po podczeniu do statku powietrznego. Narusza to sprawno wykonywania obsug lub rozruchów, a czasami powoduje uszkodzenia wojskowych statków powietrznych. Taki system wykrywania usterek w istotny sposób zmniejsza zdolno bojow wojskowych statków powietrznych. Jednoczenie nie ma spójnego systemu powiadamiania o niesprawnociach LZE do bazy uszkodze wojskowych statków powietrznych dane takie trafiaj bardzo rzadko. Zazwyczaj tylko wtedy, kiedy ich uszkodzenie byo bezporedni i ewidentn przyczyn uszkodzenia wojskowego statku powietrznego. W zwizku z tym naleaoby wprowadzi na wszystkie LZE moduy

5 Naziemne elektroenergetyczne ukady zasilania samolotów i ich diagnostyka 93 diagnostyczne wraz z komunikatywnymi i jednoznacznymi elementami informujcymi o uszkodzeniu lub niesprawnoci poszczególnych podzespoów LZE. Wzorcem mogyby by panele diagnostyczne montowane seryjne na zasilaczach i falownikach serii AXA. Pokrewnym tematem jest wydajno energetyczna oraz parametry wyjciowe na kocach kabli wydawczych LZE. Istniejce na zasilaczach i falownikach serii AXA moduy diagnostyczne ledz parametry poszczególnych bloków wewntrznych oraz poziom napicia na wejciu kabli wydawczych. Nie maj moliwoci zadawania obcie symulujcych rzeczywist wspóprac z sieci pokadow wojskowych statków powietrznych. Konstruktorzy tych urzdze utrzymuj, e wartoci takie mona przeliczy automatycznie wprowadzajc do paneli danych moduu diagnostycznego parametry dugoci i przekroju y przewodzcych kabla wydawczego. Mona uzna t argumentacje (pod warunkiem utrzymania wysokiej dyscypliny technologicznej montau tych kabli w procesie produkcyjnym), ale tylko dla stanów ustalonych. W stanach przejciowych proces przeliczeniowy znacznie si komplikuje. Procesy przejciowe w eksploatacji wojskowych statków powietrznych s czstym zjawiskiem zwaszcza podczas rozruchów. Charakteryzuj si one podczas rozruchów silników turbinowych znacznymi zmianami poziomów obcie (turbostartery migowców i samolotów zmiana z poziomu okoo 30 A do 800 A; rozruchy bezporednie np. migowca Mi-8 to zmiana z 60A do 1500 A, TS-11 Iskra 1200A ). Przy gwatownym wzrocie obcienia wynikajcego z zapotrzebowania energetycznego wojskowego statku powietrznego nastpuje chwilowe zmniejszenie wartoci napicia na wyjciu kabla wydawczego. Znane s przypadki zaprzestania lub ograniczenia pracy niektórych urzdze pokadowych w tym czasie. Przy wyczeniu obcienia z kolei nastpuje indukowanie si zakóce w postaci impulsów Diraca. Takie impulsy niejednokrotnie uszkadzay urzdzenia pokadowe np. stacje radiolokacyjne. Warto tych impulsów oraz stromo zbocza zaley wprost proporcjonalnie od pojemnoci wewntrznej danego LZE. Zwarzywszy, e maj one zazwyczaj bloki filtracyjne to pojemno wewntrzna jest znaczna. Z punktu widzenia automatyki znaczny wspóczynnik wzmocnienia oraz dua impedancja wejciowa poszczególnych bloków take wpywa na podwyszenie amplitudy i stromoci zbocza takich impulsów. Tak, wic impulsy te z zaoenia bd wysze i bardziej strome dla ukadów LZE elektronicznych i agodniejsze dla ukadów elektromaszynowych. Pewien przeom w diagnostyce zewntrznej LZE zosta dokonany przez ITWL, który w latach opracowa lotnicze urzdzenia kontrolne LUK-1 (prd stay) i LUK-2 (prd przemienny). Operator ma moliwo zaczenia obcie rezystancyjnych (do 40 kw) staych jak i przecie (do 70 kw) jednoczenie przeprowadzajc diagnostyk urzdzenia obcianego. cznie ITWL wytworzy i przekaza do eksploatacji 6 sztuk LUK-1 i 6 sztuk LUK-2. Znalazy one uznanie zwaszcza w zakadach remontowych. Na lotniskach polowych wad okazaa si ich znaczna masa (okoo 40 kg). Moliwe jest jednak, e w przyszoci starsza technologia zostanie zastpiona nowoczeniejszymi rozwizaniami, które umoliwi polepszenie procesów diagnostycznych jak i równie poprawienie komfortu pracy z urzdzeniami kontrolnymi.

6 94 Micha Kalisiak, Kamil Zaczkowski 3. PRZYCZYNY I SKUTKI ZEJ JAKOCI ENERGII LOTNISKOWYCH RÓDE ZASILANIA W zwizku z tym, e we wspóczesnym lotnictwie nastpi znaczny postp technologiczny i ukady elektromechaniczne s wypierane przez ukady elektroniki bardzo istotn rol odgrywa dostarczanie do statków powietrznych energii o jak najlepszych parametrach. Prócz rygorystycznych zaoe, co do agregatów montowanych bezporednio na statku powietrznym coraz wiksz uwag zwraca si na róda zasilania suce do obsugi przed i po locie. Nie s one uywane jedynie do uruchomienia statku powietrznego, ale maj równie znaczcy wpyw na procesy przygotowawcze przed lotami. To one stanowi podstawowe ródo zasilania dla wszelkiego rodzaju agregatów na pokadzie, które wymagaj wstpnej kalibracji w czasie obsug. Czsto zy stan urzdzenia bd za jako energii dostarczanej przez nie moe skutkowa niewaciwymi odczytami parametrów z przyrzdów pokadowych w czasie lotu tudzie w skrajnych przypadkach moe spowodowa awari lub niedopuszczenie maszyny do eksploatacji. Czstymi przyczynami problemów ze ródami zasilania jest dugotrwae zaniedbywanie kontroli tych urzdze w bardziej szczegóowy sposób anieli dorane przegldy mechaniczne lub pomiary parametrów podstawowych takich jak napicie lub prd. W zwizku z tym, e w urzdzeniach lotniczych wystpuj zaawansowane technologicznie ukady elektroniczne s one bardziej podatne na zakócenia wystpujce w ukadach zasilania. Zjawiska te ze wzgldu na swoje charakterystyki nie s do wykrycia za pomoc powszechnych przyrzdów kontrolno-pomiarowych jak woltomierze, itp. Niezbdne staje si stosowanie specjalistycznych ukadów, które s w stanie zarejestrowa i przeanalizowa stany przejciowe powstajce w wle energetycznym w skutek np. zaczenia rónego typu odbiorników, bd rozruchu silnika. Procesy te mog wygenerowa tak istotne dla waciwej pracy stany przejciowe, e moe doj nie tylko do niewaciwej pracy, ale równie do uszkodzenia bloków. Prace nad urzdzeniem diagnostycznym tego typu prowadzone byy w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych na przeomie lat 1993/1994. Zaowocoway one powstaniem urzdze LUK-1 i LUK-2, o których mowa bya ju wczeniej. Umoliwiay one wykrywanie niebezpiecznych zjawisk statycznych jak i dynamicznych mogcych zagrozi waciwej pracy i eksploatacji statku powietrznego. Jak bardzo istotna jest waciwa praca urzdze zasilania lotniskowego moe zilustrowa przykad niepoprawnej pracy przetwornicy jedno fazowej PO-750, która konwertuje napicie stae 28V na napicie przemienne 115V o czstotliwoci f=400hz charakteryzujce si wysok stabilnoci i jakoci energii. Napicie wyjciowe przetwornicy jest stosowane m.in. do zasilania urzdze radionawigacyjnych niezbdnych do zapewnienia bezpieczestwa lotu. W przykadzie tym wida znaczcy wpyw niepoprawnej pracy ukadu zasilania LZE na parametry wyjciowe przetwornicy. Na rysunku nr 2 przedstawiono niewaciw prac zasilacza napicia staego LUZES II/M.

7 Naziemne elektroenergetyczne ukady zasilania samolotów i ich diagnostyka 95 U[V] a U[V] t [s] b Rys.3. Przebiegi napi na zasilaczu LUZES II/M i LZE-6/M t [s] Rys. 3 przedstawia dwa przebiegi napicia staego 28V. Wykres (b) przedstawia przebieg napicia z zasilacza LZE-6/M, który generuje napicie o parametrach waciwych. Na wykresie (a) oznaczono urzdzenie LUZES II/M, które generuje napicie o parametrach niespeniajcych kryteriów prawidowej pracy urzdze tego typu. Widoczne jest znaczne przekroczenie skadowej zmiennej prdu staego. Ma to bezporedni wpyw na prac agregatów np. ww. przetwornicy. U[V] Rys.4. Niepoprawny przebieg napicia na wyjciu przetwornicy PO-750 z widoczn modulacj amplitudy t [s]

8 96 Micha Kalisiak, Kamil Zaczkowski U[V] Rys. 5. Poprawny przebieg napicia na wyjciu przetwornicy PO-750 bez widocznej modulacji amplitudy Pozornie nieistotny parametr jakim jest ttnienie napicia staego na wyjciu z zasilacza LUZES II/M znaczco wpywa na prace przetwornicy elektro-mechanicznej powodujc widoczn modulacje amplitudow napicia wyjciowego (rys. 4). Proste z punktu widzenia budowy urzdzenie nie nadaje si do uytku, poniewa tak znieksztacone napicie bdzie miao negatywny wpyw na prace urzdze pokadowych. t [s] 4. WNIOSKI Na podstawie opisanego przykadu i analizy zjawisk zachodzcych w agregatach lotniczych mona wycign nastpujce wnioski: jako energii elektrycznej naziemnych ukadów zasilania ma znaczcy wpyw na zdolno i przygotowanie statku powietrznego do lotu; ukady lotniskowego zasilania elektroenergetycznego LZE maj due zrónicowanie pod wzgldem technicznym i nie s objte spójnym systemem nadzoru technicznego; zachodzi konieczno zmodernizowania obecnie stosowanych, ukadów kontrolnopomiarowych o moliwo analizy parametrów energii elektrycznej w stanach przejciowych; istotnym jest stworzenie jednolitego procesu kontroli jakoci urzdze LZE skadajce si z uniwersalnego ukadu kontrolno-pomiarowego oraz zbioru procedur umoliwiajcych utrzymanie ich w dobrym stanie technicznym.

9 Naziemne elektroenergetyczne ukady zasilania samolotów i ich diagnostyka 97 Bibliografia 1. Gbura A.: Metody FDM-A i FAM-C w diagnozowaniu podzespoów wojskowych statków latajcych, Monografia, Wyd. ITWL, Warszawa 2010, ISBN ISO-1540 Charakterystyka instalacji elektrycznej SP. 3. ISO-6858 Aircraft Ground support electrical supplies General requirements. 4. Malinowski L., Gebura A., Karpiski M.: Sprawozdanie z bada kwalifikacyjnych lotniskowego zasilacza elektroenergetycznego LZE-6, Wyd. ITWL, Warszawa Markiewicz W., Karpiski M., Gbura A., Pramowski W.: Protokó z kwalifikacji bada laboratoryjnych lotniskowego urzdzenia zasilania elektroenergetycznego samolotu LUZES-V, Grudzie 1993 niepublikowane. 6. Strona internetowa 7. Strona internetowa 8. mudziski Z.: Projekt koncepcyjny diagnostyki lotniskowych urzdze zasilania elektroenergetycznego samolotu LUZES, Wyd. ITWL, Warszawa GROUND POWER SUPPLIES SYSTEMS OF AIRCRAFT AND THEIR DIAGNOSTICS Summary: Some technical problems relevant to using of grand electric power sources for military aircraft services are presented in the paper. Present technical condition of the equipment is also presented as well as airfield electric power system LUZES designed and investigated in ITWL. Authors have paied attention to necessity and possibility of the ground electric power sources diagnostics. They have presented two units designed in ITWL named LUK-1 ( DC circuits) and LUK-2 ( AC circuits). Keywords: ground power sources, diagnostic, electric power quality

10