DIAGNOZOWANIE POKŁADOWYCH PRĄDNIC LOTNICZYCH

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 61 Politechniki Wrocławskiej Nr 61 Studia i Materiały Nr Andrzej GĘBRA *, Tomasz RADOŃ Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna,, modulacja częstotliwości, silnik turbinowy, łożysko toczne, pulsacje żłobkowe, pulsacje komutatorowe, impulsy zanikowe, impulsy przepięciowe DIAGNOZOWANIE POKŁADOWYCH PRĄDNIC LOTNICZYCH W pracy omówiono wybrane zagadnienia dotyczące diagnozowania komutatorowych prądnicy prądu stałego. Opisano zjawiska towarzyszące zmianom w charakterze pulsacji podczas zwarć lub przerw w uzwojeniach w wirniku lub stojanie. Wskazano na możliwość diagnozowania tych elementów prądnic za pomocą analizy parametrów składowych pulsacji. Zaproponowano zastosowanie metody obserwacji szczególnych korelacji pulsacji do wykrywania zwarć wirnika lub stojana - analizując kształt i amplitudę składowej pulsacji prądnicy komutatorowej prądu stałego, można wykrywać zwarcia i przerwy w obwodzie wirnika. W przypadku prądnic prądu przemiennego omówiono szereg metod diagnostycznych opartych na obserwacji zmian kształtu przebiegu modulacji napięcia lub częstotliwości, umożliwiających wykrywanie wielu wad mechanicznych i elektrycznych prądnic oraz ich układów regulacji. Referat omawia aspekty diagnostyczne związane z obserwacją parametrów dynamicznych lotniczych pokładowych pierwotnych i wtórnych źródeł prądu przemiennego 1. Charakterystyka pulsacji prądnicy prądu stałego Pulsacje żłobkowe napięcia wyjściowego prądnicy powstają w wyniku zmiany reluktancji, wywołanej wirowaniem uzębionego wirnika. Częstotliwość pulsacji żłobkowych f Ż zgodnie z [-3] można wyrazić wzorem: f Ż =Ż n/60 (1) gdzie: Ż - liczba żłobków wirnika, n - prędkość obrotowa. Pulsacje biegunowe napięcia w literaturze łączone są z tzw. pulsacjami obroto- * Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, ul. Księcia Bolesława 6, Warszawa andrzej.gebura@itwl.pl

2 wymi, ze względu na ich wzajemne podobieństwo. Zjawisko pulsacji biegunowych i obrotowych jest widoczne w postaci zmodulowań amplitudy na przebiegu napięcia wyjściowego komutatorowej prądnicy prądu stałego, o czym świadczą zmiany przebiegu obwiedni przedstawionego na rysunku 3 Częstotliwość tej modulacji jest wprost proporcjonalna do iloczynu liczby biegunów stojana oraz prędkości kątowej wirnika, natomiast głębokość amplitudy jest proporcjonalna do zmian reluktancji magnetycznej między wirnikiem a stojanem. Częstotliwość pulsacji biegunowych f b można przedstawić za pomocą wzoru: gdzie: p - liczba par biegunów magnetycznych stojana. f b =p n/60 () Rys. 1 Zmiany składowej pulsacji dla lotniczej prądnicy prądu stałego przy minimalnym obciążeniu Pulsacje komutatorowe napięcia związane są ze współdziałaniem szczotek i komutatora. W czasie wirowania twornika szczotki zwierają na przemian różną liczbę zezwojów uzwojenia, co powoduje zmianę liczby zwojów w gałęziach równoległych i wywołuje okresowe pulsacje napięcia na szczotkach. Częstotliwość tych pulsacji f k zależy od liczby wycinków komutatora i można ją wyrazić wzorem [1-]: f k = K n / 60 (3)

3 3 gdzie: K - liczba wycinków komutatora. Dotychczasowe badania przeprowadzone w ITWL [5-6] wykazały, że wartość amplitudy tych pulsacji jest wprost proporcjonalna do poziomu obciążenia prądowego. Z badań przeprowadzonych z użyciem lotniczej prądnicy prądu stałego wynika, że przy prądzie obciążenia prądnicy poniżej 10% wartości znamionowej - amplituda pulsacji komutatorowych jest prawie niezauważalna na tle pulsacji żłobkowych. Przy obciążeniu rzędu 10% pulsacje są ledwie widoczne na przebiegu napięcia wyjściowego (rys. 1). Przesunięcia kątowe poszczególnych półsinusoid pulsacji komutatorowych zmieniają się względem pulsacji żłobkowych oraz ulegają indywidualnym przesunięciom kątowym podczas wibracji mechanicznych szczotek w szczotkotrzymaczu oraz w czasie obciążania prądowego prądnicy. Przy obciążeniu znamionowym wartość szczytowa pulsacji komutatorowych osiąga poziom około 50% pulsacji żłobkowych; dopiero przy przeciążeniu prądnicy powyżej 00% mocy znamionowej prądnicy amplituda pulsacji komutatorowych zaczyna przewyższać poziom amplitudy pulsacji żłobkowych. Oznacza to, że mogą służyć jako źródło informacji diagnostycznych takich uszkodzeń jak np. węzeł komutatorowo-szczotkowy prądnicy. 3. MOŻLIWOŚCI DIAGNOZOWANIA ZWARĆ W WIRNIK KOMTATOROWEJ PRĄDNICY PRĄD STAŁEGO Ciekawych danych dostarczyły próby kontrolowanego zwarcia w wirniku. Z chwilą zwarcia uzwojenia pośrodku jednego z uzwojeń wirnika okazało się, że dominującą stała się pulsacja biegunowa widoczna jako składowa wolnozmienna - rys.. Kształt pulsacji żłobkowej praktycznie się nie zmienia. Jednocześnie powstaje bardzo silna składowa komutatorowa (nie zaznaczona na rys. aby nie zaciemniać rysunku), która to ma kształt impulsów (pomiędzy wierzchołkami pulsacji żłobkowych) zwiększających wielokrotnie swoją amplitudę w chwili zbliżania się zwartego uzwojenia do danego bieguna stojana prądnicy. Wartość amplitudy pulsacji komutatorowych przewyższa wówczas około 00% 300% wartości amplitudy pulsacji żłobkowych. Składowa pulsacji biegunowej przekracza wielokrotnie wartość pozostałych rodzajów pulsacji (głębokość modulacji biegunowej osiąga wartość 300%-500% wartości amplitudy pulsacji żłobkowych) i jest stabilna pod względem częstotliwości i amplitudy. Składowa pulsacji komutatorowej przybierała największą wartość w momencie przechodzenia zwartego zwoju pod kolejnym biegunem stojana prądnicy (rys. szczyty przebiegów) i zmniejsza swą amplitudę przy przechodzeniu zwartego uzwojenia pomiędzy biegunami. Powyższe relacje umożliwiły autorom wykrycie kilku zwarć wirnika podczas normalnej pracy węzła elektroenergetycznego statku latającego (bez wyłączania silnika głównego i demontażu wirnika). Według wiedzy autorów w literaturze opisywane są sposoby lokalizowania zwarć wirników maszyn

4 elektrycznych ale dopiero po zdemontowaniu wirnika diagnozowanej prądnicy z zespołu napędowego co wymaga specjalistycznej aparatury, narzędzi i zaplecza warsztatowego. W dodatku przy zwarciu nieznacznej części zezwojów wirnika prądnicy komutatorowej prądu stałego zmiana napięcia wyjściowego jest na tyle nieznaczna, że jest niezauważalna na woltomierzu pokładowym. Tak więc systematyczne demontaże prądnic w celu poszukiwania potencjalnych zwarć w warunkach intensywnej eksploatacji często z daleka od zaplecza technicznego byłoby bardzo utrudnione. 6 u [V] Rys.. Kształt napięcia wyjściowego prądnicy prądu stałego w chwili uszkodzenia uzwojenia wirnika (zwarcia uzwojenia pośrodku jednego z uzwojeń) t [s 3 PARAMETRY JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDNIC PRĄD PRZEMIENNEGO W STANIE STALONYM Przy rozpatrywaniu sieci elektroenergetycznych należy rozpatrzyć dwa rodzaje sieci prądu przemiennego: a) opartą na prądnicy prądu przemiennego zwykle w nowoczesnych konstrukcjach jest to sieć trójfazowa 00 V, stabilizowana (regulatorem prędkości obrotowej) o częstotliwości 400 Hz, albo niestabilizowana o częstotliwości zmieniającej się z

5 5 prędkością proporcjonalną do prędkości kątowej wału silnika głównego statku powietrznego częstotliwość Hz; b) opartą na przetwornicach elektromaszynowych albo elektronicznych; przeważnie jest to sieć lokalna tj. zasilająca wąską grupę (czasami jeden) odbiorników wymagających, ze względu na swoją konstrukcję wysokiej stabilności częstotliwości i napięcia. Sieci zasilane przez prądnice prądu przemiennego bazujące w swej konstrukcji na prądnicach, przeważnie trójfazowych, w wojskowych konstrukcjach lotniczych nie mają wyprowadzonego przewodu zerowego. Z punktu widzenia specyficznej dla wojskowych statków powietrznych wymagań dotyczących niezawodności eksploatacyjnej jest to niewątpliwie korzystne, gdyż zwarcie jednego punktu takiej sieci do masy nie powoduje jej wyeliminowania nie ulegają spaleniu bezpieczniki, prądnica oddaje bez zakłóceń energię elektryczną do odbiorników. Z punktu jakości energii elektrycznej brak wyprowadzenia przewodu zerowego powoduje zwiększony poziom zakłóceń w przewodach pomiędzy prądnicą a odbiornikami. Praktycznie biorąc energia elektryczna ma tak niską jakość, że nadaje się tylko do zasilania wszelkiego rodzaju grzejników np. oporowych sekcji grzejnych łopat. Aby zmniejszyć poziom zakłóceń energii elektrycznej doprowadzonej do szyny odbiorników montuje się przy prądnicy bloki filtrujące, zaś doprowadzenie energii do innych odbiorników odbywa się poprzez transformatory. Dla odbiorników wymagającej wysokiej jakości energii elektrycznej stosuje się różnego typu przetwornice. Parametry napięcia wyjściowego mogą być podzielone na parametry : amplitudy, fazy i kształtu. Do tych ostatnich zalicza się: współczynnik całkowitej zawartości harmonicznych, wartość skuteczna poszczególnych harmonicznych, współczynnik amplitudy napięcia wyjściowego. Parametry te stosunkowo rzadko obserwowane i niedoceniane przez służby technicznej obsługi statków powietrznych niosą w sobie liczne informacje diagnostyczne. Jednocześnie przekroczenie wartości progowych odchyłek może spowodować liczne kłopoty eksploatacyjne jak np. kłopoty z poprawną pracą regulatora napięcia prądnicy pokładowej [1, 4], kłopoty z poprawnym działaniem niektórych pokładowych odbiorników prądu przemiennego. Pomiar współczynnika całkowitej zawartości harmonicznych - współczynnik ten informuje o całkowitym zniekształceniu napięcia wyjściowego prądnicy (przetwornicy). Jest określany wzorem: m = K + 3 n + K+ n 100% (4) w którym: 1 - wartość skuteczna pierwszej harmonicznej napięcia f (400 ±0) Hz,, 3,... n - wartość skuteczna wyższych harmonicznych. Dopuszczalny poziom tego parametru według ISO (E) i NO-

6 15_A00 to m = 8%, zaś EN 8:1996-5%. Pomiar wartości skutecznych harmonicznych Wynik badania uznaje się za pozytywny, jeżeli żadna ze składowych harmonicznych (będąca całkowitą wielokrotnością składowej podstawowej h 1 400Hz), nie przekroczy 5% wartości skutecznej składowej podstawowej ( 1 ) według ISO (E) i NO-15_A00 albo 3% według EN 8:1996. Przy znacznych obciążeniach powodujących wchodzeniu w zakres nasycenia materiałów magnetycznych prądnic lub transformatorów, znaczące wartości osiąga trzecia harmoniczna. Dla przetwornic elektromaszynowych bardzo dużą uwagę przykłada się w działalności diagnostycznej, do wartości drugiej harmonicznej znacząca jej wartość (poziom % uznaje się za niedopuszczalny) może świadczyć o mimośrodowym przesunięciu osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana albo o kątowym przemieszczeniu pola jednego za nabiegunników stojana (np. od jego poluzowania). Pomiar współczynnika amplitudy napięcia wyjściowego Pomiaru dokonuje się za pomocą miernika do pomiaru wartości szczytowych i wartości skutecznych napięcia. k a = K n + K+ n (5) W praktyce oblicza się go ze wzorów k a = P / RMS (6) albo k a = PP / RMS (6) gdzie: P wartość szczytowa ( zero-pik ) napięcia, PP wartość międzyszczytowa ( pik-pik ) napięcia. Parametr współczynnik amplitudy napięcia powinien się mieścić w granicach 1,36-1,56. Wartość 1,73 odpowiada kształtowi przebiegu trójkątnego. Pomiar głębokości modulacji amplitudy - parametr ten jest istotny ze względu na zmęczenie oka personelu przy oddziaływaniu światła instalacji kontrolnej oraz w działaniu niektórych przyrządów pokładowych. wynik badania uznaje się za pozytywny, jeżeli głębokość amplitudy nie przekracza wartości a = 1%. W czasie badań parametrów amplitudowo-fazowych jakości energii elektrycznej węzłów energii elektrycznej prądu przemiennego przeprowadzanych przez specjalistów zakładu awioniki ITWL mierzone są m.in. takie parametry jak: wartość średnia częstotliwości, zakres wahania częstotliwości (nie powinien przekraczać 5

7 7 Hz), szybkość zmian częstotliwości (nie powinna być większa niż 15 Hz/min jej przekroczenie może świadczyć o nadmiernej precesji cieplnej punktu pracy regulatora prądnicy albo przetwornicy), wartości modulacji częstotliwości (otrzymywane z cząstkowej analizy Fouriera) mogą świadczyć o pewnych zaburzeniach geometrii ruchu elementów mechanicznych zespołu napędowego źródła napięcia oraz jego zespołu napędowego. W czasie tych typowych pomiarów stwierdzono pewne związki pomiędzy stanem technicznym zespołu napędowego a przebiegiem zmian częstotliwości chwilowej napięcia wyjściowego napędzanej przez niego prądnicy np. zerwania połączenia sprzęgła jednokierunkowego. Z tych obserwacji powstały w ITWL metody diagnostyczne FAM-C oraz FDM-A. Pełny opis metody diagnostycznej FAM-C zawarto w [5-7]. W oparciu metodę FAM-C został wykonany i wdrożony do eksploatacji system diagnostyczny SD-KSA. System ten przeznaczony jest do diagnozowania sprzęgieł jednokierunkowych i bloków regulatora hydraulicznego samolotów MiG-9 w oparciu o dane z testerów diagnostycznych DIA-KSA-CM (stanowiących integralną część systemu). System dostarcza dane dla personelu technicznego jednostki lotniczej, umożliwiające prognozowanie wystąpienia stanów awaryjnych ww. podzespołów samolotu. System SD-KSA umożliwia gromadzenie danych w bazie danych BD-KSA oraz zapewnia możliwość ich przesyłania do komputerowego systemu analizy niezawodności statków powietrznych. Bazując na obserwacjach przebiegu częstotliwości można oceniać stan techniczny sprzęgieł jednokierunkowych śmigłowców, węzłów łożyskowych przetwornic elektromaszynowych. Wielkość przekoszeń wałów transmisji itp. PODSMOWANIE Parametry jakości energii elektrycznej na pokładach statków powietrznych mają istotne znaczenie dla szybkiej i bezingerencyjnej oceny stanu technicznego podstawowych podzespołów węzła elektroenergetycznego statku powietrznego. Śledząc np. kształt i amplitudę składowych pulsacji komutatorowych prądnic lotniczych prądu stałego można podczas normalnej pracy zespołu napędowego znaleźć zwarcie w wirniku tej maszyny. W wielu parametrach jakości energii elektrycznej również kryją się informacje o stanie technicznym węzła elektroenergetycznego a nawet napędzającego prądnice pokładowe zespołu napędowego. Najbardziej precyzyjne i niezakłócone związki pomiędzy stanem technicznym ogniw kinematycznych zespołu napędowego a parametrami elektrycznymi, zdaniem autorów, można znaleźć w parametrach modulacji częstotliwości napięć wyjściowych prądnic. LITERATRA

8 1. Będkowski L.: Lotnicze urządzenia elektryczne-regulacja napięć prądnic pokładowych Warszawa Wróbel T.: Studium teoretyczne i eksperymentalne zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych prądu stałego. Dodatek do Biuletynu WAT nr 3(59), Warszawa Wróbel T.: Studium zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych o wyjściu stałoprądowym. Dodatek do Biuletynu WAT nr 6(98), Warszawa 1977 (in Polish). 4. Plamitzer M.: Maszyny elektryczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Gębura A., Prażmowski W., Kowalczyk A., Falkowski P., Głowacki T., Budzyński P., Pisarska K.: Sprawozdanie z pracy określenie związków pomiedzy parametrami jakości energii prądnic pokładowych a stanem zużycia skrzyń napędowych. Warszawa, czerwiec 1997r, niepublikowane, nr BT ITWL 11818/I. 6. Gębura A., Prażmowski W., Kowalczyk A., Falkowski P., Głowacki T., Budzyński P., Gajewski T., Pisarska K.: Sprawozdanie z pracy określenie związków pomiędzy parametrami jakości energii prądnic pokładowych a stanem zużycia skrzyń napędowych. Część I. Warszawa czerwiec 1997, niepublikowane, nr BT ITWL 103/I. 7. Gębura A.: Związki modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy z wybranymi wadami układu napędowego str od 75 do 74 monografii pod redakcją naukową prof. M. Orkisza p.t. Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym ; Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin 000.