DIAGNOZOWANIE PRZETWORNIC ELEKTROMECHANICZNYCH METODĄ ANALIZY MODULACJI CZĘSTOTLIWOŚCI dr inż. Andrzej Gębura, mgr inż. Tomasz Tokarski Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, ul. Księcia Bolesława 6, 01-494 Warszawa, skr. poczt,. 96 tel. 0-22-6851134 e-mail: andrzej.gebura@itwl.pl Streszczenie W pracy omówiono metody diagnozowania lotniczych przetwornic elektromaszynowych stosowane w Pracowni Osprzętu Lotniczego Zakładu Awioniki ITWL. Omówiono każdą z nich, systematyzując dostępną w literaturze wiedzę teoretyczną, jednocześnie weryfikując ją z wynikami własnych badań laboratoryjnych. Szczególnie wyeksponowano, opracowaną przez autorów i wdrożoną pod ich kierunkiem, metodę diagnostyczną opartą na pomiarze i analizie parametrów jednej ze składowych pulsacji prądu stałego. Metodę tę nazwano FAM-C (FM modulacja częstotliwości, A prąd przemienny, C poziom zaawansowania metody). Przedstawiono również pokrewną metodę opartą na pomiarze i analizie parametrów jednej ze składowych pulsacji prądu stałego. Metodę tę nazwano FDM-A (FM modulacja częstotliwości, D prąd stały, A poziom zaawansowania metody). Ponadto przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych. Omówiono także możliwość wykorzystania pulsacji żłobkowych przetwornicy w czasie dobiegu wirnika po zasileniu zewnętrznym uzwojenia wzbudzenia silnik prądu stałego zamienia się wówczas w prądnicę prądu stałego. Umożliwia to stosowanie metody FDM-A. Ponieważ prądnica prądu stałego ma zazwyczaj co najmniej kilkakrotnie większą rozdzielczość, można monitorować elementy mechaniczne generujące wyższe częstotliwości. Aby przybliżyć czytelnikowi to zagadnienie, omówiono wpływ zjawisk fizycznych wpływających na kształtowanie się składowej pulsacji napięcia wyjściowego komutatorowych prądnic prądu stałego. Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, przetwornica elektromaszynowa, modulacja częstotliwości, metody diagnostyczne FAM-C i FDM-A, zwarcie elektryczne, pulsacja komutatorowa, pulsacja żłobkowa, pulsacja biegunowa, prądnica komutatorowa prądu stałego, dobieg maszyny. 1. Wstęp Przetwornica jest to urządzenie elektromechaniczne przemieniające jeden rodzaj energii elektrycznej w drugi. Pokładowe elektroenergetyczne przetwornice lotnicze służą do zasilania lokalnych sieci elektroenergetycznych prądem przemiennym 1. wale: Przetwornica elektromaszynowa stanowi zespół dwóch maszyn elektrycznych na jednym a) szeregowo-bocznikowego, obcowzbudnego silnika prądu stałego, b) prądnicy synchronicznej 2. 1 Spotyka się także w instalacjach specjalnych, np. uzbrojenia, wyjściowe napięcie: o podwyższonej częstotliwości 10 khz, prądu stałego z kluczowaniem i inne. Jednakże nie są to pokładowe sprzętowe instalacje elektroenergetyczne i niniejszy artykuł ich nie omawia. 2 W niektórych konstrukcjach są dwie prądnice na wspólnym wale, jak np. w przetwornicy PTO-1000/1500.
Przetwornica elektromaszynowa przetwarza prąd stały o napięciu 28 V na prąd przemienny: jednofazowy 115 V, 400 Hz, trójfazowy o napięciu międzyprzewodowym 3 36 V i częstotliwości 400 Hz albo o napięciu lub częstotliwości specjalnej. Jest ona wtórnym źródłem napięcia o dużej (w stosunku do głównego źródła energii elektrycznej, tj. pokładowej prądnicy prądu przemiennego) stabilności parametrów. W celu zapewnienia stabilizacji napięcia wyjściowego i częstotliwości montowana jest tzw. skrzynka regulacji. W nowoczesnym lotnictwie zdecydowanie odchodzi się od stosowania przetwornic elektromaszynowych z uwagi na ich niską sprawność energetyczną, znaczny ciężar i wysoki poziom hałasu. Jednakże na starszych typach statków powietrznych jest ona nadal stosowana. Jednocześnie jest to proste złożenie dwóch maszyn elektrycznych. Wirniki tych dwóch maszyn mają wspólny wał osadzony na swych końcach na dwóch łożyskach. Prostota mechaniczna konstrukcji przetwornicy umożliwia łatwą identyfikację uszkodzeń elementów mechanicznych podczas monitorowania metodą FAM-C. 1. 4. 7. 2. 6. 3. 9. 5. 8. Rys. 1. Przetwornica elektromaszynowa jako obiekt mechaniczny: 1, 2 łożysko toczne, 3 wał, 4 silnik prądu stałego, 5 wirnik silnika prądu stałego, 6 stojan silnika prądu stałego, 7 prądnica prądu przemiennego, 8 wirnik prądnicy prądu przemiennego, 9 stojan prądnicy prądu przemiennego Przetwornice elektromaszynowe stanowią małogabarytowy zespół napędowy, który boryka się m.in. z typowymi dla dużych zespołów maszynowych rodzajami zużycia, jak wady montażowe i zużyciowe. 2
Eksploatowane w lotnictwie Sił Zbrojnych RP przetwornice nie miały i nie mają urządzeń diagnostycznych 3 umożliwiających śledzenie rozwoju ich zużycia zdaniem autorów, takiej funkcji nie mogą pełnić przenośne stanowiska pomiarowe (pulpit kontroli naziemnej węzła elektroenergetycznego) wyposażone w przyrządy wychyłowe: woltomierz, amperomierz i częstotliwościomierz. Jednostki wojskowe, podając objawy zgłaszanych usterek, opisują zmianę parametrów układów (głównie radioelektronicznych) zasilanych z przetwornic. Objawy te pojawiają się w dodatku w czasie wykonywania zadania przez wojskowy statek powietrzny. Nie ma wówczas przeważnie czasu na spokojną i obiektywną analizę przyczyny, tym bardziej nie praktykuje się wykonywania jakichkolwiek badań podczas zadania bojowego. Teoria mówi, że najdokładniejsze informacje (w tym przypadku informacje diagnostyczne) pozyskuje się bezpośrednio u źródła, a nie u pośredników, gdyż wówczas informacja ta może być bardzo zniekształcona. Tymczasem dotychczasowe dane o usterkach w lotniczych bazach danych to głównie zgłaszane symptomy niepoprawnego działania odbiorników energii elektrycznej (pobieranej z przetwornic), a nie samych przetwornic. Niekiedy pilot stwierdza np. buczenie w odbiorniku radiowym FM, spowodowane uszkodzeniem łożyska przetwornicy, która generuje wówczas szerokopasmowe wahania prędkości kątowej wirnika, przekładające się na modulacje częstotliwości sieci 1 115 V, 400 Hz, zasilającej przedmiotowy odbiornik radiowy FM. Blok zasilania odbiornika radiowego FM przekazuje te zmodulowania do toru głównego, co objawia się buczeniem. Specjaliści klucza obsługi urządzeń radiowych wymieniają zazwyczaj dany odbiornik FM i podają te zwięzłe informacje przyczynowoskutkowe do bazy danych. Formalnie wszystko się zgadza. Wyraźnie można więc podkreślić, że powinien istnieć układ diagnostyczny stanu technicznego przetwornic, umożliwiający określenie jej bieżącego stanu technicznego. Byłyby to prognozy krótkoterminowe. Drugą sprawą są prognozy długoterminowe. Są one coraz bardziej istotne z uwagi na konieczność oszczędzania w lotnictwie wojskowym. Powszechnie więc praktykuje się wydłużanie resursów międzyremontowych, m.in. przetwornic. Usterki definiowane przez obsługę jako defekty np. odbiornika radiowego w rzeczywistości często wynikają z niepoprawnej pracy przetwornicy i na odwrót. W tej sytuacji pilną sprawą staje się opracowanie precyzyjnego narzędzia diagnostycznego umożliwiającego wcześniejsze ocenianie stanu technicznego przetwornic i długofalową prognozę (na 100 200 h lotu). Układy diagnostyczne powinny umożliwić monitorowanie i kompleksową ocenę stanu technicznego przetwornic. Możliwa 3 We wnioskach do niniejszej pracy będzie przedstawiony wstępny projekt koncepcyjny takiego urządzenia diagnostycznego. 3
byłaby wówczas eksploatacja według stanu technicznego dotychczas odbywa się ona według czasu eksploatacji (wg godzin nalotu oraz wg okresu kalendarzowego ). W niniejszej pracy autorzy opisują badania, realizowane podczas działalności zawodowej 4 na statkach powietrznych, które umożliwiają lokalizację defektów na podstawie posiadanych wzorców parametrycznych, określonych bądź w normach specjalistycznych, bądź wynikających z wieloletniego doświadczenia. Istotną rolę odgrywa tu opracowana w ITWL metoda FAM-C. Opisano również badania laboratoryjne, gdzie zadawano określone wady i mierzono zmianę parametrów diagnostycznych. Badania te mają docelowo umożliwić określenie kompleksowego pakietu poziomów diagnostycznych przetwornic elektromaszynowych różnych typów. Umożliwi to w konsekwencji opracowanie polowych testerów diagnostycznych małych, lekkich i prostych w obsłudze. Wykorzystane będą kompleksowo zarówno metoda FAM-C i FDM-A [1, 2, 5, 6, 9-11, 13, 18], jak i pomiar klasycznych parametrów jakości energii elektrycznej [15]. Lokalizowane będą zarówno wady mechaniczne (stan łożysk, błędy montażowe), jak i elektryczne (uszkodzenia układu filtracyjnego, układu stabilizacji prędkości obrotowej, jak też zwojów prądnicy, pogorszenie stanu komutacji szczotek lub silnika). 2. Częstotliwościowe metodyki badań przetwornic lotniczych metoda FAM-C i FDM-A Metoda FAM-C [1, 2] została opracowana w ITWL w latach 90. i jest systematycznie rozwijana. W skrócie można powiedzieć, że opiera się ona na obserwacji dynamiki drgań własnych poszczególnych węzłów zespołu napędowego. Prądnica synchroniczna przetwarza więc mechaniczne drgania własne na drgania elektryczne. Analizując zmiany modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego, można diagnozować zespół napędowy, gdyż przebieg zmian częstotliwości chwilowej (napięcia wyjściowego prądnicy synchronicznej) j m = j= 1 f i = f(t) = 2π f ( t) (1) jest dyskretnym zobrazowaniem przebiegu prędkości kątowych poszczególnych węzłów zespołu napędowego: j m = j= 1 ej ω(t) = ω ( t) = 2π f ( t) (2) gdzie: j numer obserwowanego podzespołu lub pary kinematycznej, mj j m = j= 1 f mj częstotliwość drgań mechanicznych charakterystyczna dla danego podzespołu lub pary kinematycznej, mj 4 Prace związane z przedłużeniem resursów statków powietrznych i z badaniami wypadków lotniczych. 4
f mj częstotliwość drgań elektrycznych odzwierciedlająca w sposób dyskretny częstotliwość drgań mechanicznych charakterystyczna dla danego podzespołu lub pary kinematycznej. W Pracowni Lotniczych Urządzeń Elektroenergetycznych i Napędów Elektrycznych ITWL można przeprowadzić obserwację metodą FAM-C chwilowych wartości częstotliwości napięcia wyjściowego na płaszczyźnie (t, f i ) oraz zobrazowania zbiorów charakterystycznych na płaszczyźnie (f p, F). Z uwagi na to, że obie maszyny (prądnica i silnik napędowy) osadzone są na wspólnym wale, w przetwornicy trudno spodziewać się wielu zbiorów charakterystycznych. Jednakowa prędkość znamionowa powoduje, że wada np. mimośrodowości wirnika prądnicy i mimośrodowości wirnika prądnicy odłoży się w tym samym zbiorze charakterystycznym. Oczywiście punkty charakterystyczne wady przekoszenia [13] obu maszyn będą się odkładały w innym zbiorze niż punkty charakterystyczne wady mimośrodowości. Wada mimośrodowości będzie charakteryzowana zbiorem o częstotliwości bazowej równej pierwszej harmonicznej prędkości obrotowej wirnika przetwornicy (tablice 1 i 2) wada przekoszenia drugiej harmonicznej. Złożenie obu wad pierwszej podharmonicznej prędkości obrotowej. 3. Badania laboratoryjne kontrolowanych uszkodzeń przetwornic metodą FAM-C Wykonano badania parametrów elektrycznych przetwornic o różnych kontrolowanych (wprowadzanych przez badających) poziomach zużycia elementów elektrycznych i mechanicznych. Badania były prowadzone zarówno metodami klasycznymi (szybka transformata Fouriera), jak i nowatorskimi (np. FAM-C). Realny poziom zużycia oceniany był poprzez pomiary mechaniczne. Badania wykonano na przetwornicach PAG-1F, PT-500, PO-750. Przetwornice te przygotowano do kontrolowanego zadawania błędów montażowych: mimośrodowości, przekoszenia, osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana. Układy pomiarowe jedno- i trójfazowe (rys. 3 i 4) umożliwiają monitorowanie błędów montażowych: mimośrodowości, przekoszenia osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana. Szczegółowe właściwości obu układów pomiarowych omówiono w [3]. a.) 5
6. 3. 9. 1. 5. 8. 2. 10. 4. 7. b.) 10. 11. Kierunek przemieszczania 12. Rys. 2. Uproszczony rysunek złożeniowy przetwornicy elektromaszynowej przystosowanej w ITWL do kontrolowanego zadawania błędów montażowych: a) przekrój podłużny, b) widok od strony tarczy łożyskowej pokrywy bocznej. 1, 2 łożysko toczne, 3 wał, 4 silnik prądu stałego, 5 wirnik silnika prądu stałego, 6 stojan silnika prądu stałego, 7 prądnica prądu przemiennego, 8 wirnik prądu przemiennego, 9 stojan prądnicy prądu przemiennego, 10 płyta łożyskowa (pokrywa boczna), 11 wyfrezowania pionowe, 12 śruba montażowa. 6
Prądnica jednofazowa prądu przemiennego Przystawka 1-fazowa AC kształtująca sygnał TTL przy przejściu napięcia przez poziom Karta licznikowa AC Komputer pomiarowy z oprogramowaniem FAM-C F f p fi Rys. 3. Sposób pozyskiwania sygnału diagnostycznego z badanej przetwornicy przy pomocy metody FAM-C jednofazowo 7
Prądnica trójfazowa prądu przemiennego Przystawka 3-fazowa AC kształtująca sygnał TTL przy przejściu napięcia przez poziom zerowy Karta licznikowa AC dwutorowa (dwa rzędy liczników) Komputer pomiarowy z oprogramowaniem FAM-C F f p fi t Rys. 4. Sposób pozyskiwania sygnału diagnostycznego z badanej przetwornicy przy pomocy metody FAM-C trójfazowo Następnie wykonano badania parametrów elektrycznych przetwornic o różnych poziomach zużycia elementów elektrycznych i mechanicznych. Badania były prowadzone zarówno metodami klasycznymi (szybka transformata Fouriera), jak i nowatorskimi (np. FAM-C). Realny poziom zużycia oceniany był poprzez pomiary mechaniczne. 8
fi [Hz] t [s] Rys. 5. Przebieg zmian częstotliwości chwilowej przetwornicy PAG-1F przed zmianami fi [Hz] t [s] Rys. 6. Przebieg zmian częstotliwości przetwornicy PAG-1F przed zmianami (stan wyjściowy) powiększenie 9
F [Hz] f p [Hz] Rys. 7. Zbiory charakterystyczne przetwornicy PAG-1F przed zmianami (stan wyjściowy) 3.1. Zmniejszony docisk szczotki komutacyjnej Przetwornica PAG-1F służy do elektromaszynowego przetwarzania napięcia stałego 28 V na trójfazowe napięcie o wartości skutecznej napięcia przewodowego 3 36 V i częstotliwości f un = 400 Hz. Przetwornica ta składa się z dwóch maszyn elektrycznych: - silnika prądu stałego, - prądnicy trójfazowej prądu przemiennego. Obserwacje dokonane metodą FAM-C wykazały w stanie wyjściowym (przed ingerencją w docisk szczotki) wahania przebiegu częstotliwości chwilowej f i = f(t) o amplitudzie 2 F = 7,5 Hz. Wahania te były stabilne zarówno w amplitudzie, jak i w częstotliwości tych wahań (rys. 5 i 6). Poziom wartości średniej częstotliwości wynosił 431,25 Hz. Częstość wahań przebiegu f i = f(t) wynosił f p = 50 Hz (rys. 5). Zobrazowania F = f(f p ) uwidoczniły także istnienie zbiorów charakterystycznych o innych wartościach f p (rys. 7). Dla przetwornicy PAG-1F zmniejszono docisk jednej szczotki pojawiło się wzmożone iskrzenie podczas pracy. Średnia częstotliwość napięcia wyjściowego po uszkodzeniu zmniejsza się o ok. 50 Hz (osiąga poziom ok. 350 Hz). Na przebiegach f i = f(t) - rys. 61 i rys. 62 składowa szybkozmienna mierzona przy pomocy przystawki FAM-C jednofazowej, ma częstość około 50Hz (rys. 8 i 9). Składowa wolnozmienna charakteryzuje się czasem trwania odchylenia t od ~5 10 s i przyrostem amplitudy F~3 25Hz. Stochastycznie pojawiają się skokowe przełączenia poziomu częstotliwości o amplitudzie F ok. 7 Hz. Na przebiegu (rys. 9) można zauważyć pewne podcięcia, które wynikają prawdopodobnie z zaczepiania krawędzią szczotki o normalnej sile docisku o niektóre krawędzie klepek komutatora. Zobrazowania F = f(f p ) wykazują zmniejszenie wartości f p poszczególnych zbiorów oraz zwiększenie wysokości zbiorów charakterystycznych (rys. 10). 10
fi [Hz] t [s] Rys. 8. Przebieg zmian częstotliwości przetwornicy PAG-1F przy zmniejszeniu docisku szczotki komutacyjnej, poniżej wartości siły dopuszczalnej fi [Hz] t [s] Rys. 9. Przebieg zmian częstotliwości przetwornicy PAG-1F przy zmniejszeniu docisku szczotki komutacyjnej, poniżej wartości siły dopuszczalnej powiększenie 11
F [Hz] f p [Hz] Rys. 10. Zbiory charakterystyczne przetwornicy PAG-1F po zmniejszeniu docisku szczotki komutacyjnej, poniżej wartości siły dopuszczalnej - powiększenie 3.2. Przekoszenie osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana Dokonano przekoszeń dzięki podłużnemu pionowemu rozfrezowaniu otworów montażowych pod śrubami mocującymi pokrywę boczną (oprawę łożyskową) maszyny z częścią cylindryczną. Przemieszczając jedną tarczę łożyskową (pokrywę boczną) w górę, a drugą w dół uzyskano mierzalny kąt przekoszenia. Dla przetwornicy PAG-1F przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym można zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 75 Hz, a więc w pobliżu pierwszej podharmonicznej znamionowej prędkości obrotowej świadczącej o istnieniu pewnej małej mimośrodowości i przekoszenia (według wyliczeń wartość przekoszenia osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana wynosi około 0,0079 o ) zawieszenia wirnika względem stojana. Z chwilą przekoszenia wirnika o kąt ok. 0,04 o (tablica 1, p. 6) zaczyna dominować częstotliwość drugiej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej. Wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej zwiększa się z poziomu F = 4,11 (0,95% w stosunku do wartości średniej częstotliwości) do F = 13,94 Hz (1,09%). Dla przetwornicy PT-500C przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym można zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 200 Hz, a więc w pobliżu 12
pierwszej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej wału przetwornicy świadczącej o istnieniu pewnej niewielkiej mimośrodowości zawieszenia wirnika względem stojana. Z chwilą przekoszenia wirnika o kąt ok. 0,2 o (tablica 1, p. 8) zaczyna dominować częstotliwość drugiej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej (rys. 12). Wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej zwiększa się z poziomu F = 0,17 (0,04% w stosunku do wartości średniej częstotliwości) do F = 12,29 Hz (1,02%). Dla przetwornicy PO-750 przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym można zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 175 Hz, a więc w pobliżu pierwszej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej świadczącej o istnieniu pewnej niewielkiej mimośrodowości zawieszenia wirnika względem stojana. Z chwilą przekoszenia wirnika o kąt ok. 0,2 o (tablica l, p. 10) zaczyna dominować częstotliwość drugiej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej. Wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej zwiększa się z poziomu F = 0,24 Hz (0,067% w stosunku do wartości średniej częstotliwości) do F = 1,87 Hz (0,52%). Z uwagi na niespełnienie warunku Kotelnikowa-Shannona należy dane te traktować tylko informacyjnie ocena związków pomiędzy przekoszeniem a zmodulowaniem częstotliwości powinna być dokonana metodą FDM-A w czasie dobiegu maszyny. Przy zwiększaniu wartości kąta przekoszenia osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana można zauważyć zwiększającą się amplitudę modulacji przebiegu częstotliwości chwilowej o okresie równym drugiej harmonicznej prędkości obrotowej. Amplituda tych zmodulowań zwiększa się wraz ze wzrostem wartości kąta przekoszenia (tablica 1). 3.3. Mimośrodowość osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana Dokonano równoległego przesunięcia osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana, wykorzystując podłużne pionowe rozfrezowanie otworów montażowych pod śrubami mocującymi pokrywę boczną (oprawę łożyskową) maszyny z częścią cylindryczną, wykonane celem realizacji poprzedniego punktu. Przemieszczając obie oprawy łożyskowe w dół, uzyskano mierzalną wartość mimośrodu. Dla przetwornicy PAG-1F przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym można zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 75 Hz, a więc w pobliżu pierwszej podharmonicznej znamionowej prędkości obrotowej świadczącej o istnieniu pewnej niewielkiej mimośrodowości i przekoszenia zawieszenia wirnika względem stojana. Z chwilą ustawienia mimośrodu a = 0,2 mm (tablica 1, p. 11) wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej F zwiększa się z poziomu 4,11 Hz (0,95%) do 13,94 Hz (1,09%). 13
Dla przetwornicy PT-500C przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym można zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 200 Hz, a więc w pobliżu pierwszej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej świadczącej o istnieniu pewnej niewielkiej mimośrodowości zawieszenia wirnika względem stojana oraz o częstości ok. 200 Hz. Z chwilą ustawienia mimośrodu a = 0,35 mm (tablica l, p. 15) wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej F zwiększa się z poziomu 0,17 Hz (0,04%) do 12,29 Hz (1,022%). Dla przetwornicy PO-750 przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym można zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 175 Hz, a więc w pobliżu pierwszej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej świadczącej o istnieniu pewnej niewielkiej mimośrodowości zawieszenia wirnika względem stojana. Z chwilą ustawienia mimośrodu a = 0,4 mm (tablica 1, p. 13) wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej F zwiększa się z poziomu 0,24 Hz (0,067%) do 0,52 Hz (0,52%). Przy zwiększaniu wartości mimośrodu osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana można zauważyć zwiększającą się amplitudę modulacji przebiegu częstotliwości chwilowej o okresie równym drugiej harmonicznej prędkości obrotowej. Amplituda tych zmodulowań zwiększa się wraz ze wzrostem wartości mimośrodu. 14
Tablica 1. Zestawienie parametrów wybranych uszkodzeń montażowych przetwornic oraz parametrów ich odzwierciedlenia w zjawiskach elektrycznych. Lp. Typ Wartość liniowego Odległość D N β a f max f min f śr F Parametry uszkodzeń przetwornicy przemieszczenia pomiędzy z wyliczeń zmierzona podporami elektrycznych mechanicznie A 1 A 2 L - - mm mm mm mm o mm Hz Hz Hz Hz mm 1 PAG-1F 0,3 0,2 145 55,5 0,19757 0,1 1290,32 1281,23 1285,5 9,09 0,0981 0,15506 2 PT-500C 0,35 0,35 203,3 69,3 0,19728 0 1224,36 1183,78 1203,2 40,58 0 0,65866 3 PT-500 0,35 0,35 203,3 69,3 0,19728 0 1212 1200 1203,2 12 0,1727 0,19478 4 PO-750 0,5 0,0 258 70 0,11104 0 356,57 354,7 355,84 1,87 0 0,08169 5 PAG-1F 0,01 0,01 145 55,5 0,0079 0,01 434,59 430,48 432,51 4,11 0,13185 0,2084 6 PAG-1F 0,3-0,2 145 55,5 0,03951 0,5 1287,83 1273,89 1277,8 13,94 0,1513 0 7 PT-500 0,01 0,01 203,3 69,3 0,00564 0,01 402,58 402,41 402,49 0,17 0,00732 0,00825 8 PT-500 0,35 0,35 203,3 69,3 0,19728 0,35 1208,46 1196,17 1202,32 12,29 0,17709 0,19964 9 PO-750 0,03 0,03 258 70 0,01332 0,03 357,77 357,53 357,7 0,24 0,01174 0,01043 10 PO-750 0,5 0 258 70 0,11104 0 356,57 354,7 355,84 1,87 0 0,08169 11 PAG-1F 0,3-0,2 145 55,5 0,03951 0,2 1287,83 1273,89 1277,8 13,94 0,15137 0,23925 12 PT-500 0,35-0,35 203,3 69,3 0 0,35 1208,46 1196,17 1202,32 12,29 0,17709 0,19964 13 PO-750 0,5-0,4 258 70 0,02221 0,4 338,7 338,18 338,58 0,52 0,02688 0,02387 a β o
Tablica 2. Wykaz parametrów stanów granicznych uzyskanych metodą częstotliwościową l. Typ klasa PAG-1F PT-500C PO-750 p. Wady F f śr f p F f śr f p F f śr f p Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz 1 Zmniejszony docisk szczotek A <10 >380 <10 >380 < 8 >390 B 10 25 350 380 0,2 0,02 10 25 360 380 0,1 0,025 8 15 370 390 0,1 0,025 2 Przekoszeni e C A B C >25 <350 < 0,3%f ś 0,3 0,8%f ś 0,8 1,1%f ś - 400-400 - 400 >25 360 < 0,3%f ś 0,3 0,8%f ś 0,8 1,1%f ś > 15 370-400 - - - - 400 - - - - 400 - - - 3 Mimośród D A B C D >1,1%f ś - 400 >1,1%f ś - 400 - - - < 0,3%f ś 0,3 0,8%f ś 0,8 1,1%f ś - 200-200 - 200 < 0,3%f ś 0,3 0,8%f ś 0,8 1,1%f ś - 200-200 - 200 < 0,2%f ś 0,2 0,4%f ś 0,4 0,5%f ś - 200-200 - 200 >1,1%f ś - 200 >1,1%f ś - 200 >0,5%f ś - 200 4. Badanie przetwornic w czasie ich dobiegu Dobieg jest to stan energetyczny zespołu napędowego, w którym rozpędzona do prędkości znamionowej maszyna zostaje pozbawiona dostawy energii zewnętrznej. W tym momencie pojawiają się dwa kompleksy zjawisk fizycznych: a) przemieszczanie się poziomu prędkości obrotowej n (zazwyczaj quasi-płynne i monotonicznie opadajace), w miarę upływu czasu liczonego od zaprzestania dostarczania energii zewnętrznej, poszczególnych par kinematycznych sprzężonych ze sobą, poprzez kolejne coraz niższe znamionowe prędkości (rys. 11); dla każdej z tych prędkości obserwuje się różne zjawiska dynamiczne, m.in. objawiają się różne lokalne rezonanse mechaniczne (rys. 2 i 3); b) rozpad dynamiki ruchu zespołu napędowego na indywidualnie drgające (w granicach więzów i granic wynikających z konstrukcji) ogniwa kinematyczne. 16
n [obr/min] n N5 n N4 n N3 n N2 n N1 t[s] Rys. 11. Przebieg zmian średniej prędkości obrotowej po wyłączeniu źródła energii z zaznaczonymi pasmami prędkości znamionowych {n N1, n N2, n N3, n N4, n N5 } składowa wolnozmienna W instrukcjach fabrycznych sprzętu lotniczego, a także w instrukcjach eksploatacyjnych statków lotniczych zawartych jest wiele ograniczeń czasu dobiegu (w instrukcjach silnikowych nazywany jest czasem wybiegu) dla maszyn obrotowych. Zgodnie z praktyką oraz z przesłankami literaturowymi, im krótszy jest czas dobiegu, tym większe są momenty oporów łącznych danego zespołu mechanicznego. W ten sposób wiele instrukcji zaleca sprawdzenie węzłów łożyskowych wirników. Poza tym w czasie dobiegu następuje naturalny rozpad wszystkich podzespołów zespołu napędowego na niezależne pary kinematyczne. Pary te wykonują, w dużej części wzajemnie niezależne od sąsiednich par kinematycznych, wahania kątowe, zwane drganiami swobodnymi. Czas tłumienia tych wahań jest zależny od składowej tarcia suchego oraz od składowej tarcia wiskotycznego, czyli mokrego, oraz ewentualnego tłumienia powietrza (przy wyższych poziomach prędkości obrotowej). Częstotliwość takich wahań jest zależna od wielu czynników, jak np.: - momentu bezwładności im większe momenty bezwładności, tym większy okres wahań własnych, czyli mniejsza częstotliwość; 17
- sprężystości im większy współczynnik sprężystości (im większy moment siły gromadzi się w elemencie przy jego odkształceniu o jednostkowy kąt skręcenia), tym krótszy okres wahań własnych, czyli większa częstotliwość. W czasie dobiegu przetwornicy zmniejsza się płynnie częstotliwość wymuszeń oddziałujących na poszczególne jej podzespoły mechaniczne. Możliwe jest więc wzbudzenie i zlokalizowane wzbudzeń rezonansowych poszczególnych podzespołów mechanicznych przetwornicy, np. podpór łożyskowych. Ich lokalizowanie i obserwowanie jest bardzo istotne z punktu widzenia określenia ich żywotności i wystawienia wiarygodnej prognozy eksploatacyjnej. Dla podpór łożyskowych wykładnikiem stanu zagrożenia jest dobroć mechaniczna Q układu rezonansowego jeżeli Q > 10, to wskazane jest odsunięcie danego zespołu od eksploatacji. Jeżeli częstotliwość wymuszeń jest zbliżona do częstotliwości drgań (swobodnych) własnych układu, może zaistnieć niebezpieczeństwo wystąpienia rezonansu. Wały maszynowe ze względu na skokowo zmienny przekrój poprzeczny, ciężar własny, niewyważenie zawieszonych mas i luzy w łożyskach, stanowią złożony układ drganiowy. Drgania rezonansowe jednego elementu oddziałują na inne elementy układu. W takim układzie istnieje kilka prędkości krytycznych (rys. 12), które oblicza się zazwyczaj metodami przybliżonymi. Jeżeli np. na wale jest osadzona pewna liczba mas wirujących, np. m 1, m 2, m 4,, m n, to prędkość krytyczna całego układu jest wtedy obliczana ze wzoru Dunkerleva w postaci: 1/ω kr 2 = 1/ω kr1 2 + 1/ω kr2 2 + 1/ω kr3 2 + + 1/ω krm 2 Naprężenia powstające w wyniku drgań rezonansowych mogą doprowadzić do uszkodzeń zmęczeniowych. Prędkość kątowa, przy której występuje rezonans, nosi nazwę prędkości krytycznej (ω 2 kr2 ), którą można wyrazić wzorem: ω kr2 = (g/l) 1/2 co w praktyce inżynierskiej można wyrazić zależnością: n kr 300 (1/f) [obr/min] gdzie: f statyczna strzała ugięcia [cm], g przyśpieszenie ziemskie. Należy wyraźnie podkreślić, że wały nie powinny pracować z tą prędkością obrotową. Ich praca powinna odbywać się z tzw. prędkością znamionową, która różni się przynajmniej o 15% od ω kr2. Orientacyjnie dopuszczane strzałki ugięcia mają wartość: (0,0002 0,0003) l wały maszynowe, 18
(0,005 0,01) m u wały przekładni zębatej, gdzie: l odległość między sąsiednimi podporami, m u moduł zazębień. A A 1max A 2max A 3max A 5max A 4max n N1 n N2 n N3 n N4 n N5 n [obr/min] Rys. 12. Lokalne zjawiska rezonansowe obserwowane dla prędkości obrotowej po wyłączeniu źródła energii z zaznaczonymi pasmami prędkości znamionowych {n N1, n N2, n N3, n N4, n N5 } zobrazowane na przykładowym zobrazowaniu analizy Fouriera A = f(n) 5. Podsumowanie W pracy przedstawiono sposób diagnozowania wybranych wad przetwornic elektromaszynowych: zmniejszony docisk szczotki komutacyjnej, przekoszenie osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana, mimośrodowość osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana. Badania przeprowadzono w laboratorium ITWL przy pomocy nowatorskich metod diagnostycznych opartych na analizie dynamiki zmian wyjściowego napięcia przemiennego przetwornicy. Opisano również teoretycznie wykonywane w ITWL (w praktyce) badania przetwornic w czasie ich dobiegu. W tym celu silnik prądu przemiennego po rozpędzeniu wirnika zamieniano na prądnicę prądu stałego. Prądnica prądu stałego ma znacznie większą rozdzielczość niż prądnica prądu stałego stąd możliwość monitorowania szybkozmiennych procesów diagnostycznych jak drgania łożysk tocznych. BIBLIOGRAFIA 19
1. Biarda D., Falkowski P., Gębura A., Kowalczyk A.: Opis patentowy PL 175674B1, Sposób diagnozowania technicznego elementów sprzęgających silnik, a zwłaszcza lotniczy silnik spalinowy, z prądnicą prądu stałego, zgłoszenie 08.07.1996, udzielenie patentu 29.01.1999. 2. Biarda D., Falkowski P., Gębura A., Kowalczyk A.: Opis patentowy PL 175645B1, Sposób diagnozowania technicznego elementów sprzęgających silnik, a zwłaszcza lotniczy silnik spalinowy, z prądnicą prądu stałego, zgłoszenie 08.07.1996, udzielenie patentu 29.01.1999. 3. Gębura A.: Metoda modulacji częstotliwości napięcia prądnic pokładowych w diagnozowaniu zespołów napędowych. Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa 2010. 4. Gębura A.: Cechy diagnostyczne składowej pulsacji prądnic prądu stałego. Prace Naukowe ITWL 2003, zeszyt 16. 5. Gębura A.: Diagnostic of aircraft power transmission track based on the analysis of generator s frequency. Journal of Technical Physics 2002, No. 1. 6. Gębura A.: Modulacja częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy a stan techniczny układu napędowego. Prace Naukowe ITWL 1998, zeszyt 4. 7. Gębura A.: Przekoszenia połączeń wielowypustowych a modulacja częstotliwości prądnic. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 1999, zeszyt 4(120). 8. Gębura A.: Związki modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy z wybranymi wadami układu napędowego. W: Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym ; red. prof. M. Orkisz, Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin 2000, s. 75-94. 9. Gębura A., Falkowski P., Kowalczyk A., Lindstedt P.: Diagnozowanie skrzyń napędowych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 1997, zeszyt 4. 10. Gębura A., Prażmowski W., Kowalczyk A., Falkowski P., Głowacki T., Budzyński P., Pisarska K.: Sprawozdanie z pracy określenie związków pomiędzy parametrami jakości energii prądnic pokładowych a stanem zużycia skrzyń napędowych, Warszawa 1997, niepublikowane, nr BT ITWL 11818/I. 11. 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 1997, niepublikowane, nr BT ITWL 12023/I. 12. Gębura A., Tokarski T.: Sprawozdanie z pracy Badanie trwałości lotniczych urządzeń elektroenergetycznych badanie przetwornic lotniczych, Warszawa 2000, niepublikowane, nr BT ITWL 19/50. 13. Lindstedt P., Gębura A.: Diagnozowanie napędów lotniczych w oparciu o analizę parametrów prądnicy (in Polish). Diagnostic of air-drives basing on analysis of parameters of generator. 5-th International Conference Aircraft and helicopters diagnostic AIRDIAG 97, Warsaw 1997. 14. Liwschitz-Garik M.: Direct-current machines. D. Van Nostand Company, New York 1962. 15. NO-15-A200:2007 Wojskowe statki powietrzne Pokładowe układy zasilania elektrycznego Podstawowe parametry, wymagania i badania. 16. Plamitzer M.: Maszyny elektryczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1962. 17. Wróbel T.: Studium teoretyczne i eksperymentalne zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych prądu stałego. Dodatek do Biuletynu WAT nr 3(259), Warszawa 1974. 20
18. Wróbel T.: Studium zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych o wyjściu stałoprądowym. Dodatek do Biuletynu WAT nr 6(298), Warszawa 1977. 21