NAZIEMNE ELEKTROENERGETYCZNE UKŁADY ZASILANIA SAMOLOTÓW I ICH DIAGNOSTYKA

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 102 Transport 2014 Michał Kalisiak, Kamil Zaczkowski Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych NAZIEMNE ELEKTROENERGETYCZNE UKŁADY ZASILANIA SAMOLOTÓW I ICH DIAGNOSTYKA Rękopis dostarczono: styczeń 2014 Streszczenie: W pracy przedstawiono problemy techniczne związane z zastosowaniem naziemnych źródeł energii elektrycznej do obsługi wojskowych statków latających. Zaprezentowano lotniskowe urządzenia zasilania elektrycznego serii LUZES skonstruowane i badane przez ITWL. Autorzy zwrócili uwagę na potrzebę i możliwości diagnozowania naziemnych źródeł energii elektrycznej. Przedstawili dwa urządzenia skonstruowane w ITWL pod nazwą LUK-1 ( prądu stałego) i LUK-2 (prądu przemiennego) Słowa kluczowe: naziemne źródła zasilania, diagnostyka, jakość energii elektrycznej 1. WSTĘP Zasady eksploatacji pokładowych systemów elektroenergetycznych wojskowych statków powietrznych są objęte dosyć spójnym i przejrzystym systemem norm i przepisów. Troska o poprawne spełnienie tych wymagań jest widoczna już w fazie ich produkcji, gdzie poddawane są szeregom surowych testów. Po zamontowaniu na pokład wojskowego statku powietrznego węzeł elektroenergetyczny jest kontrolowany przez liczne układy monitorujące jego sprawność. Okresowo sprawdzane są też szczegółowe parametry przy pomocy naziemnych urządzeń diagnostycznych m.in. tzw. wózków diagnostycznych. Personel techniczny jest centralnie koordynowany przez Sekcję Inżynieryjną (SIL) eskadr lotniczych. Wśród eksploatowanego sprzętu można zauważyć, że dla poszczególnych typów samolotów czy śmigłowców wykorzystuje się wyposażone w identyczne typy podstawowych agregatów (np. prądnice lub regulatory napięć) źródła zasilania. Prądnice napędzane są mechanicznie za pomocą przekładni montowanej na silnikach lotniczych. Napęd statków powietrznych jest realizowany przez silniki turboodrzutowe lub turbośmigłowe napędzane tym samym nośnikiem energii (paliwo lotnicze do silników turbinowych). Tymczasem lotniskowe systemy zasilania elektroenergetycznego samolotów nie mają już tak przejrzystej struktury. Organizacyjnie cała infrastruktura LZE (Lotniskowe zasilanie elektroenergetyczne) ma złożoną podległość organizacyjną:

2 Naziemne elektroenergetyczne układy zasilania samolotów i ich diagnostyka 2 W czasie lotów podlegają organizacyjnie pod dyżurnego inżyniera lotów (DIL), Wszelkie bloki prostownicze, falownikowe, elektromaszynowe związane z wytwarzaniem energii elektrycznej dla wojskowych statków powietrznych podlegają pod pion NOSP (Naziemna obsługa statków powietrznych) JW., Podwozia samobieżnych LZE podlegają pod pion transportu samochodowego JW, Sieć elektroenergetyczna przemysłowa podlega pod służby związane z konserwacją budynków i infrastruktury lotniskowej. 2. LOTNISKOWE ŹRÓDŁA ZASILANIA ELEKTROENERGETYCZNEGO LZE W LOTNICTWIE SIŁ ZBROJNYCH RP Wśród lotniskowych źródeł zasilania, można zaobserwować znacznie większe (niż dla wojskowych statków powietrznych) zróżnicowanie typów oraz źródeł energii ze względu na sposób pozyskiwania energii elektrycznej dostosowanej do potrzeb pokładowej instalacji elektroenergetycznej wojskowego statku powietrznego: 1. LZE samojezdne z własnym napędem a. LUZES-V/D (prod. WCBKT) podwozie samojezdne, olej napędowy, Rys.1. Luzes V/D. Źródło:

3 Naziemne elektroenergetyczne układy zasilania samolotów i ich diagnostyka 3 b. APA-5 i APA-4 (prod. Ros.) podwozie samojezdne, olej napędowy; Rys.2. APA-5. Źródło: 2. LZE elektromechaniczne (przetwarzające energię elektryczną sieci przemysłowych na energię mechaniczną a następnie na elektryczną) do zasilania napięciem przemiennym 115 V, 400 Hz: a. LUZES-II oraz LUZES-IIM (prod. WCBKT) wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz), b. LUZES-III (prod. WCBKT) wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (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 - wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz), b. LUZES-III (prod. WCBKT) wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz), c. LUZES-IIM (prod. WCBKT) wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz), d. AXA V (prod. WCBKT) wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz), 4. LZE falownikowe: a. 3GVF-200/87-N, 30 kva (prod. duńskiej) wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz), b. AXA2300Compact, 90 kva wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz) c. AXA 15 3x36 wymagają zasilania energią elektryczną ze stacjonarnej sieci przemysłowej (230/380V, 50 Hz)

4 Przedstawione powyżej urządzenia prostownikowe, falowniki, przetwornice elektromaszynowe wykorzystują energię: mechaniczną pozyskaną z procesu spalania paliw płynnych (1.), elektryczną pozyskaną z sieci przemysłowej (2-4). Pierwsze z nich są przydatne w warunkach wojennych i podczas przebazowań, ale jednocześnie są drogie w eksploatacji i emitują znaczny poziom hałasu. Drugie z nich pozyskując energię z sieci przemysłowej emitują znacznie niższy poziom hałasu (zwłaszcza układy prostownikowe i falownikowe). Jednakże w czasie przebazowań doprowadzenie takiego zasilania jest wielce problematyczne. Zasilanie ich z agregatów prądotwórczych zazwyczaj zmniejsza ich wydajność energetyczną i obniża parametry jakości energii elektrycznej dostarczanej do wojskowego statku powietrznego. Typ LZE Zestawienie mocy dysponowanej poszczególnych typów LZE Tabela 1 Napięcie wyj. Napięcie wyj. Napięcie wyj. Napięcie wyj. 3x36 V 3x200V 1x115V +28 V P[moc] I[prąd] P[moc] I[prąd] P[moc] I[prąd] P[moc] I[prąd] 3GVF- 200/87-N kVA 40A 30kVA 40A AXA 15 3x36 0,7kVA 30A AXA 230Compact kVA 125A 90kVA 50A 116,8kVA 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 także zróżnicowanie mocy poszczególnych urządzeń LZE. W związku z tym nie mają one uniwersalnego zastosowania do wszystkich statków powietrznych RP. Jeszcze gorsza sytuacja występuje, w problemie sterowania systemem jakości i sprawności LZE. Po zmontowaniu LZE ma bardzo skromne układy kontroli (przeważnie jest to woltomierz i amperomierz). Wyjątkiem są układy AXA sterowane już mikroprocesorowo. Operator nie ma dużych szans na dokonanie szybkiej obiektywnej oceny rozmiaru niesprawności i przedsięwziąć środki zaradcze. Niesprawności LZE są zazwyczaj ujawniane dopiero po podłączeniu do statku powietrznego. Narusza to sprawność wykonywania obsług lub rozruchów, a czasami powoduje uszkodzenia wojskowych statków powietrznych. Taki system wykrywania usterek w istotny sposób zmniejsza zdolność bojową wojskowych statków powietrznych. Jednocześnie nie ma spójnego systemu powiadamiania o niesprawnościach LZE do bazy uszkodzeń wojskowych statków powietrznych dane takie trafiają bardzo rzadko. Zazwyczaj tylko wtedy, kiedy ich uszkodzenie było bezpośrednią i ewidentną przyczyną uszkodzenia wojskowego statku powietrznego. W związku z tym

5 Naziemne elektroenergetyczne układy zasilania samolotów i ich diagnostyka 5 należałoby wprowadzić na wszystkie LZE moduły diagnostyczne wraz z komunikatywnymi i jednoznacznymi elementami informującymi o uszkodzeniu lub niesprawności poszczególnych podzespołów LZE. Wzorcem mogłyby być panele diagnostyczne montowane seryjne na zasilaczach i falownikach serii AXA. Pokrewnym tematem jest wydajność energetyczna oraz parametry wyjściowe na końcach kabli wydawczych LZE. Istniejące na zasilaczach i falownikach serii AXA moduły diagnostyczne śledzą parametry poszczególnych bloków wewnętrznych oraz poziom napięcia na wejściu kabli wydawczych. Nie mają możliwości zadawania obciążeń symulujących rzeczywistą współpracę z siecią pokładową wojskowych statków powietrznych. Konstruktorzy tych urządzeń utrzymują, że wartości takie można przeliczyć automatycznie wprowadzając do paneli danych modułu diagnostycznego parametry długości i przekroju żył przewodzących kabla wydawczego. Można uznać tą argumentacje (pod warunkiem utrzymania wysokiej dyscypliny technologicznej montażu tych kabli w procesie produkcyjnym), ale tylko dla stanów ustalonych. W stanach przejściowych proces przeliczeniowy znacznie się komplikuje. Procesy przejściowe w eksploatacji wojskowych statków powietrznych są częstym zjawiskiem zwłaszcza podczas rozruchów. Charakteryzują się one podczas rozruchów silników turbinowych znacznymi zmianami poziomów obciążeń (turbostartery śmigłowców i samolotów zmiana z poziomu około 30 A do 800 A; rozruchy bezpośrednie np. śmigłowca Mi-8 to zmiana z 60A do 1500 A, TS-11 Iskra 1200A ). Przy gwałtownym wzroście obciążenia wynikającego z zapotrzebowania energetycznego wojskowego statku powietrznego następuje chwilowe zmniejszenie wartości napięcia na wyjściu kabla wydawczego. Znane są przypadki zaprzestania lub ograniczenia pracy niektórych urządzeń pokładowych w tym czasie. Przy wyłączeniu obciążenia z kolei następuje indukowanie się zakłóceń w postaci impulsów Diraca. Takie impulsy niejednokrotnie uszkadzały urządzenia pokładowe np. stacje radiolokacyjne. Wartość tych impulsów oraz stromość zbocza zależy wprost proporcjonalnie od pojemności wewnętrznej danego LZE. Zwarzywszy, że mają one zazwyczaj bloki filtracyjne to pojemność wewnętrzna jest znaczna. Z punktu widzenia automatyki znaczny współczynnik wzmocnienia oraz duża impedancja wejściowa poszczególnych bloków także wpływa na podwyższenie amplitudy i stromości zbocza takich impulsów. Tak, więc impulsy te z założenia będą wyższe i bardziej strome dla układów LZE elektronicznych i łagodniejsze dla układów elektromaszynowych. Pewien przełom w diagnostyce zewnętrznej LZE został dokonany przez ITWL, który w latach opracował lotnicze urządzenia kontrolne LUK-1 (prąd stały) i LUK-2 (prąd przemienny). Operator ma możliwość załączenia obciążeń rezystancyjnych (do 40 kw) stałych jak i przeciążeń (do 70 kw) jednocześnie przeprowadzając diagnostykę urządzenia obciążanego. Łącznie ITWL wytworzył i przekazał do eksploatacji 6 sztuk LUK- 1 i 6 sztuk LUK-2. Znalazły one uznanie zwłaszcza w zakładach remontowych. Na lotniskach polowych wadą okazała się ich znaczna masa (około 40 kg). Możliwe jest jednak, że w przyszłości starsza technologia zostanie zastąpiona nowocześniejszymi rozwiązaniami, które umożliwią polepszenie procesów diagnostycznych jak i również poprawienie komfortu pracy z urządzeniami kontrolnymi.

6 3. PRZYCZYNY I SKUTKI ZŁEJ JAKOŚCI ENERGII LOTNISKOWYCH ŹRÓDEŁ ZASILANIA W związku z tym, że we współczesnym lotnictwie nastąpił znaczny postęp technologiczny i układy elektromechaniczne są wypierane przez układy elektroniki bardzo istotną rolę odgrywa dostarczanie do statków powietrznych energii o jak najlepszych parametrach. Prócz rygorystycznych założeń co do agregatów montowanych bezpośrednio na statku powietrznym coraz większą uwagę zwraca się na źródła zasilania służące do obsługi przed i po locie. Nie są one używane jedynie do uruchomienia statku powietrznego, ale mają również znaczący wpływ na procesy przygotowawcze przed lotami. To one stanowią podstawowe źródło zasilania dla wszelkiego rodzaju agregatów na pokładzie, które wymagają wstępnej kalibracji w czasie obsług. Często zły stan urządzenia bądź zła jakość energii dostarczanej przez nie może skutkować niewłaściwymi odczytami parametrów z przyrządów pokładowych w czasie lotu tudzież w skrajnych przypadkach może spowodować defekt lub niedopuszczenie maszyny do eksploatacji. Częstymi przyczynami problemów ze źródłami zasilania jest długotrwałe zaniedbywanie kontroli tych urządzeń w bardziej szczegółowy sposób aniżeli doraźne przeglądy mechaniczne lub pomiary parametrów podstawowych takich jak napięcie lub prąd. W związku z tym, że w urządzeniach lotniczych występują zaawansowane technologicznie układy elektroniczne są one bardziej podatne na zakłócenia występujące w układach zasilania. Zjawiska te ze względu na swoje charakterystyki nie są do wykrycia za pomocą powszechnych przyrządów kontrolno pomiarowych jak woltomierze, itp. Niezbędne staje się stosowanie specjalistycznych układów, które są w stanie zarejestrować i przeanalizować stany przejściowe powstające w węźle energetycznym w skutek np. załączenia różnego typu odbiorników, bądź rozruchu silnika. Procesy te mogą wygenerować tak istotne dla właściwej pracy stany przejściowe, że może dojść nie tylko do niewłaściwej pracy, ale również do uszkodzenia bloków. Prace nad urządzeniem diagnostycznym tego typu prowadzone były w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych na przełomie lat 1993/1994. Zaowocowały one powstaniem urządzeń LUK-1 i LUK-2 o, których mowa była już wcześniej. Umożliwiały one wykrywanie niebezpiecznych zjawisk statycznych jak i dynamicznych mogących zagrozić właściwej pracy i eksploatacji statku powietrznego. Jak bardzo istotna jest właściwa praca urządzeń zasilania lotniskowego może zilustrować przykład niepoprawnej pracy przetwornicy jedno fazowej PO-750, która konwertuje napięcie stałe 28V na napięcie przemienne 115V o częstotliwości f=400hz charakteryzujące się wysoką stabilnością i jakością energii. Napięcie wyjściowe przetwornicy jest stosowane m.in. do zasilania urządzeń radionawigacyjnych niezbędnych do zapewnienia bezpieczeństwa lotu. W przykładzie tym widać znaczący wpływ niepoprawnej pracy układu zasilania LZE na parametry wyjściowe przetwornicy. Na rysunku nr 2 przedstawiono niewłaściwą pracę zasilacza napięcia stałego LUZES II/M.

7 Naziemne elektroenergetyczne układy zasilania samolotów i ich diagnostyka 7 U[V] a U[V] t [s] b Rys.3. Przebiegi napięć na zasilaczu LUZES II/M i LZE-6/M t [s] Rys. 3 przedstawia dwa przebiegi napięcia stałego 28V. Wykres (b) przedstawia przebieg napięcia z zasilacza LZE-6/M, który generuje napięcie o parametrach właściwych. Na wykresie (a) oznaczono urządzenie LUZES II/M, które generuje napięcie o parametrach niespełniających kryteriów prawidłowej pracy urządzeń tego typu. Widoczne jest znaczne przekroczenie składowej zmiennej prądu stałego. Ma to bezpośredni wpływ na pracę agregatów np. ww. przetwornicy. U[V] Rys.4. Niepoprawny przebieg napięcia na wyjściu przetwornicy PO-750 z widoczną modulacją amplitudy t [s]

8 U[V] Rys. 5. Poprawny przebieg napięcia na wyjściu przetwornicy PO-750 bez widocznej modulacji amplitudy Pozornie nieistotny parametr jakim jest tętnienie napięcia stałego na wyjściu z zasilacza LUZES II/M znacząco wpływa na prace przetwornicy elektro-mechanicznej powodując widoczną modulacje amplitudową napięcia wyjściowego (rys. 4). Proste z punktu widzenia budowy urządzenie nie nadaje się do użytku, ponieważ tak zniekształcone napięcie będzie miało negatywny wpływ na prace urządzeń pokładowych. t [s] 4. WNIOSKI Na podstawie opisanego powyżej przykładu i analizy zjawisk zachodzących w agregatach lotniczych można wyciągnąć następujące wnioski: jakość energii elektrycznej naziemnych układów zasilania ma znaczący wpływ na zdolność i przygotowanie statku powietrznego do lotu; układy lotniskowego zasilania elektroenergetycznego LZE mają duże zróżnicowanie pod względem technicznym i nie są objęte spójnym systemem nadzoru technicznego; zachodzi konieczność zmodernizowania obecnie stosowanych, układów kontrolnopomiarowych o możliwość analizy parametrów energii elektrycznej w stanach przejściowych; istotnym jest stworzenie jednolitego procesu kontroli jakości urządzeń LZE składające się z uniwersalnego układu kontrolno-pomiarowego oraz zbioru procedur umożliwiających utrzymanie ich w dobrym stanie technicznym.

9 Naziemne elektroenergetyczne układy zasilania samolotów i ich diagnostyka 9 Bibliografia 1. Gębura A.: Metody FDM-A i FAM-C w diagnozowaniu podzespołów wojskowych statków latających, 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., Karpiński M.: Sprawozdanie z badań kwalifikacyjnych lotniskowego zasilacza elektroenergetycznego LZE-6, Wyd. ITWL, Warszawa Markiewicz W., Karpiński M., Gębura A., Prażmowski W.: Protokół z kwalifikacji badań laboratoryjnych lotniskowego urządzenia zasilania elektroenergetycznego samolotu LUZES-V, Grudzień 1993 niepublikowane. 6. Strona internetowa 7. Strona internetowa 8. Żmudziński Z.: Projekt koncepcyjny diagnostyki lotniskowych urządzeń 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