Andrzej GĘBURA Tomasz RADOŃ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 33, s. 57 74, 2013 r. DOI 10.2478/afit-2013-0005 PULSACJE NAPIĘCIA WYJŚCIOWEGO JAKO ŹRÓDŁO INFORMACJI DIAGNOSTYCZNYCH O KOMUTATOROWYCH PRĄDNICACH PRĄDU STAŁEGO W pracy omówiono wybrane problemy eksploatacyjne komutatorowych prądnic prądu stałego. Omówiono pewne aspekty komutacji oraz wpływ zjawisk fizycznych na kształtowanie się składowej pulsacji napięcia wyjściowego komutatorowych prądnic prądu stałego. Składowa pulsacji jest wypadkową wielu zjawisk fizycznych, w związku z tym zgodnie z wiedzą zawartą w literaturze specjalistycznej jest rozdzielana na kilka składowych. Omówiono każdą z nich, systematyzując dostępną w literaturze wiedzę teoretyczną, jednocześnie weryfikując ją z wynikami własnych badań laboratoryjnych. Szczególną uwagę zwrócono na zjawiska komutacji omówiono objawy nieprawidłowości, możliwości ich wykrywania i przeciwdziałania. Omówiono również pewne zjawiska towarzyszące zmianom w charakterze pulsacji podczas zwarć lub przerw w uzwojeniach w tworniku lub stojanie wskazano na możliwość diagnozowania tych elementów prądnic za pomocą analizy parametrów składowych pulsacji. Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, komutacja prądu, metoda diagnostyczna FDM-A, zwarcie elektryczne, pulsacja komutatorowa, pulsacja żłobkowa, pulsacja biegunowa, prądnica komutatorowa prądu stałego, zwarcie elektryczne, szczotki stykowe.
58 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ 1. Wstęp charakterystyka pulsacji prądnicy prądu stałego Wiele zalet prądnic prądu stałego, jak: możliwość pracy równoległej, łatwość współpracy 1 z bateriami pokładowymi, prostota sterowania odbiornikami, znaczna przeciążalność i inne, powoduje, że na długie lata mają zagwarantowane miejsce w układach autonomicznych takich obiektów, jak: samoloty, śmigłowce, samochody, statki i okręty. Z eksploatacją prądnic komutatorowych wiąże się wiele specyficznych problemów. Prądnice te zostaną omówione w kontekście własnych badań laboratoryjnych autorów, doświadczeń z badań na statkach powietrznych oraz analizy literaturowej. Ideą przewodnią artykułu będzie możliwość diagnozowania i wcześniejszego rozpoznawania szeregu groźnych zjawisk, z których problemy te wynikają. Praca kontynuuje problematykę badań nad prądnicami prądu stałego, opisaną w [3, 5], gdzie przedstawiono możliwości zastosowania analizy modulacji składowej pulsacji tego typu prądnic do diagnozowania stanu technicznego mechanicznego zespołu napędowego, na którym jest zabudowana. Omawiane są tam zmiany składowych pulsacji do analizy zewnętrznych zjawisk, jakimi są niesprawności zespołu napędowego, a komutatorowa prądnica prądu stałego służy jako czujnik diagnostyczny dla zespołu napędowego. Metoda badań nosi roboczą nazwę FDM-A i bazuje na pomiarze modulacji częstotliwości napięcia składowej pulsacji żłobkowej. W niniejszym artykule natomiast opisano możliwości autodiagnostyczne prądnicy. Metoda bazuje na pomiarze modulacji amplitudy wszystkich trzech składowych pulsacji napięcia wyjściowego: żłobkowej, biegunowej i komutatorowej. Stworzone zostały w ten sposób przesłanki do diagnozowania zużycia komutatorów, przerw i zwarć w uzwojeniach, niewspółosiowości twornika względem stojana. Pulsacje komutatorowe napięcia wyjściowego prądnicy są związane 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, wywołując okresowe pulsacje napięcia na szczotkach. Częstotliwość tych pulsacji f k zależy od liczby wycinków komutatora, co można opisać wzorem [11, 12]: 1 W lotnictwie stosuje się pojęcie tzw. pracy buforowej, tj. uzupełniania zapotrzebowania energetycznego sieci przez pokładową baterię akumulatorową z chwilą, gdy zapotrzebowanie to przekracza możliwości energetyczne prądnicy.
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 59 f k = K n / 60 (1) gdzie: K liczba wycinków komutatora. W wielu opracowaniach [7, 8, 11, 12] do pulsacji komutatorowych zalicza się także pulsacje napięcia wywołane przez iskrzenie występujące pod szczotkami w czasie pracy prądnicy. Zjawisko to, zgodnie z literaturą, jest spowodowane: nierównomiernościami powierzchni komutatora, wywołującymi drgania mechaniczne styku szczotka komutator, SEM samoindukcji, powstającą w komutowanym zwoju w momencie jego zwierania lub rozwierania przez szczotkę, SEM transformacji, SEM rotacji, jeżeli część komutowanego zwoju dostanie się 2 pod pole magnetyczne stojana. Aby zapobiec iskrzeniu pod szczotkami, powstającemu z przyczyn mechanicznych, powierzchnia powinna być szczególnie gładka, a szczotki starannie dotarte 3. Zalecany docisk szczotek to co najmniej 300 G/cm 2 [12]. Korzystne jest również ustawienie obok siebie dwóch połączonych równolegle szczotek. Bicie komutatora powinno być małe, nieprzekraczające wartości ±0,02 mm. Należy też odpowiednio dobrać skład 4 materiałowy szczotek węglowych: zbytnie zwiększanie zawartości miedzi zmniejsza spadek napięcia przejścia szczotka wycinek komutatora, lecz może być przyczyną zwiększonego iskrzenia [7, 12]; zwiększanie zawartości sadzy wprawdzie zmniejsza tarcie, lecz pogarsza własności mechaniczne. Zgodnie z [1] rysy komutatora widoczne gołym okiem są niedopuszczalne. Częstą przyczyną ich powstania jest szlifowanie powierzchni komutatora zbyt grubym papierem ściernym (nie wolno używać papierów ściernych o grubości większej niż 400 500) lub też wadliwie przeprowadzona obróbka mechaniczna. Przykładowo, toczenie komutatorów o znacznych średnicach jest kłopotliwe i może być wadliwie wykonane przy zbyt dużej prędkości obrotowej lub zbyt du- 2 Konstruktorzy starają się tak zaprojektować prądnicę, aby komutowany zezwój był w strefie magnetycznie obojętnej w czasie zwierania dwóch wycinków komutatora (wraz z przytwierdzonym do nich zezwojem) przez szczotkę. 3 Zgodnie z technologiami remontowymi za dotartą uznaje się szczotkę, której powierzchnia styku z komutatorem jest zabłyszczona w 80%. 4 Szczotka węglowa jest sprasowaną pod ciśnieniem mieszaniną grafitu, miedzi, sadzy i ewentualnie innych dodatków.
60 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ żym posuwie. Dopuszczalna prędkość skrawania wynosi 1,5 m/s, posuw 0,05 0,1 mm. Uszkodzenia uzwojeń twornika często są przyczyną nieprawidłowej pracy styku szczotka komutator. Prawie wszystkie tego typu uszkodzenia objawiają się słabszymi lub silniejszymi wypaleniami na partiach określonych wycinków wycinki uszkodzonych zezwojów są wyraźnie ciemniejsze. Nieprawidłowa praca komutatora i szczotek dużych maszyn elektrycznych spowodowana niekorzystnym doborem składu chemicznego szczotki lub przemieszczeniem strefy magnetycznie obojętnej może występować także w maszynach niewielkiej mocy, lecz nie jest tak istotna. Zjawisko to staje się groźne w maszynach dużych mocy (w lotnictwie powyżej 1,5 kw). Zwykle początkowo maszyna pracuje poprawnie, z czasem jednak wykazuje dużą skłonność do nadmiernego iskrzenia. Po pewnym czasie eksploatacji maszyny uzyskują na komutatorach tzw. mozaikową politurę nierównomierne zabarwienia wycinków komutatora która może stopniowo doprowadzić do opalenia się co drugiego, co trzeciego, co czwartego lub dalszego wycinka komutatora. Stwierdzenie tej usterki jest możliwe nawet w warunkach normalnej pracy prądnicy za pomocą prostej metody pomiarowej, opisanej w [10], co zostanie omówione w dalszej części artykułu. Nieprawidłowa praca komutatora i szczotek może być również spowodowana dostaniem się oleju w strefę szczotek, np. podczas konserwacji silnika lotniczego (olej transformatorowy). Co gorsza, jeżeli olej np. hydrauliczny dostaje się do styku szczotki z komutatorem w czasie pracy prądnicy, jak wykazały doświadczenia przeprowadzone w ITWL, powoduje to pulsacyjne zmiany napięcia wyjściowego. W dodatku, po podłączeniu układu regulatora napięcia amplituda tych zmian się zwiększa, a także występują inne niekorzystne zjawiska, m.in. impulsy przepięciowe. Jak wynika z badań laboratoryjnych przeprowadzonych w ITWL na zespole napędowym LUZES-III, przy prędkości obrotowej wału prądnicy GSR-ST-12000WT n = 6000 obr/min, wzbudzanej z obcego źródła zasilania bez regulatora napięcia, bez obciążenia prądowego, i powlekaniu komutatora kroplami lotniczego oleju hydraulicznego z częstością ok. 5 kropli/min, zaobserwowano na woltomierzu wahania wartości napięcia wyjściowego w zakresie 10 15%. Po przestawieniu obwodu wzbudzenia na układ samowzbudzenia i podłączeniu etatowego węglowego regulatora napięcia, wahania tego napięcia wzrosły prawie dwukrotnie. W warunkach obciążenia prądowego takie zjawisko spowoduje wahania natężenia prądu w obwodzie wyjściowym prądnicy, tak że następuje przyśpieszone zużycie szczotek komutatora, osmalenie wycinków komutatora, a nawet przegrzanie linek komutatora. Stosowane w prądnicach lotniczych szczotki stykowe, gdy są nasiąknięte olejem, mają tendencję do zwiększania swojej objętości. Powoduje to klinowanie
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 61 szczotek w ich obsadach sprężyny dociskowe w pewnym momencie nie są już w stanie zapewnić odpowiedniego docisku szczotki do komutatora. Powstaje zwiększone iskrzenie, a nawet łuk elektryczny powodujący niszczenie komutatora. Taki łuk elektryczny powoduje zwieranie większej liczby wycinków niż w warunkach normalnych zwieraniu komutacyjnemu ulegają zezwoje położone daleko poza strefą magnetycznie obojętną. Niektóre wycinki komutatora mogą ulec zespawaniu. Sumaryczny prąd płynący poprzez poszczególne linki szczotkowe znacznie zwiększa swoją wartość, a przede wszystkim ulega znacznemu zwiększeniu amplituda pulsacji linki te ulegają przegrzaniu, a nawet przepaleniu. Jeżeli ilość oleju, która przedostała się do komutatora, była znaczna, to należy również liczyć się z koniecznością wymiany wszystkich szczotek. Szczotki raz nasiąknięte olejem nie nadają się do użytku. Szkodliwy wpływ na trwałość szczotek stykowych i wycinków komutatora ma eksploatowanie prądnic w warunkach podwyższonej wilgotności. Nadmierna wilgotność, zgodnie z [1], powoduje tworzenie się na komutatorach grubej, nierównej i prawie czarnej pseudopolitury komutatorowej. W konsekwencji może to spowodować zwiększenie amplitudy pulsacji i stopniową degradację węzła komutatora. 2. Pulsacje żłobkowe prądnic komutatorowych W klasycznych 5 komutatorowych prądnicach prądu stałego powszechnie stosowane są żłobki w kształcie jaskółczego ogona, ponieważ gwarantuje to dobre mechaniczne mocowanie (blokowanie) uzwojeń na tworniku. Odcinki czasu między przejściami przebiegu pulsacji żłobkowych przez ustalony poziom odniesienia dla prędkości kątowej twornika prądnicy ω 2 = const będą zależne tylko od błędu kątowego nacięcia zębów (rys. 1 2). Błędy te pojawiają się cyklicznie po każdym pełnym obrocie twornika, dlatego łatwo można je odfiltrować. Niezaprzeczalny jest natomiast fakt sztywnego wzajemnego położenia kątowego żłobków względem siebie. W związku z tym, dla ω 2 = var odcinki czasu między kolejnymi przejściami przez poziom zero 6 (po odfiltrowaniu ewentualnych błędów nacięcia żłobków twornika) będą miarą chwilowych zmian prędkości kątowych twornika. Opisane własności pulsacji żłobkowych są dobrym źródłem informacji diagnostycznych o stanie technicznym zespołu napędowego prądnicy, co zaowocowało opracowaniem metody FDM-A, którą omówiono m.in. w [4, 5]. Ponieważ komuta- 5 Dotyczy prądnic mocy, tj. prądnic dostarczających energię elektryczną do zasilania urządzeń pokładowych. 6 Poziom potencjału e = 0.
62 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ torowe prądnice prądu stałego mają od Ż = 20 do Ż =140 żłobków twornika, zaś łożyska ich tworników mają od N = 5 do N = 11 elementów tocznych, to współczynnik krotności wynosi od k r = 5 do k r = 20, a więc zapewniają obserwację ruchu tych elementów z błędem niższym niż 10% [4]. Tak więc prądnica komutatorowa prądu stałego może być dobrym przetwornikiem do diagnozowania swoich własnych łożysk tocznych. Rys. 1. Zmiany składowej pulsacji dla lotniczej prądnicy prądu stałego bez zwarcia Pomiar wartości amplitudy pulsacji żłobkowych umożliwia lokalizowanie przerw w uzwojeniach twornika. Z danych zebranych podczas badań własnych autorów [2, 4] oraz literatury [8, 11, 12] wynika, że po zerwaniu uzwojenia następuje zmniejszenie wartości względnej (odniesionej do wartości skutecznej napięcia wyjściowego prądnicy U w ) pulsacji żłobkowych δ ż. Wartość tę można wyrazić wzorem: δ n= Ż ż = ( Umax m Umin m) 100% / muw n= 1 (2) gdzie: m numer kolejnego okresu pulsacji żłobkowych, wyrażony liczbą naturalną; U max-m maksymalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w danym okresie n; U min-m minimalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w danym okresie n; Ż liczba żłobków twornika.
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 63 Równocześnie, zmiany wartości skutecznej napięcia wyjściowego ΔU w po zerwaniu uzwojenia (tabela 1) są praktycznie niewykrywalne przy pomocy woltomierza, zwłaszcza dla niższych wartości ω 2 wartość względna tych zmian δu w nie przekracza 0,01%. W tej sytuacji, uwzględniając nawet dodatkowo działanie regulatora 7 napięcia, niemożliwe staje się stwierdzenie przerwy w uzwojeniu poprzez pomiar wartości napięcia wyjściowego U w w czasie pracy. Natomiast całkowicie możliwe jest, jak wynika z doświadczeń autorów, mierzenie amplitudy pulsacji żłobkowych i wykrywanie przerw w uzwojeniach twornika za pomocą rejestratora o odpowiedniej prędkości próbkowania wstępnie należy przyjąć za wystarczającą prędkość próbkowania rejestratora dziesięciokrotnie większą niż częstotliwość pulsacji żłobkowej danej komutatorowej prądnicy prądu stałego. Przerwanie uzwojenia powoduje zmniejszanie się wartości pulsacji żłobkowej od 0,8% do 1,5%, co przy posiadanej przez pracownię aparaturze o czułości pomiarów około 0,1% jest całkowicie mierzalne. Należy tylko policzyć liczbę żłobków danej prądnicy. Jeżeli teraz na przebiegu systematycznie pojawia się zmniejszona liczba pulsacji komutatorowej, zliczana co jeden okres obrotu twornika prądnicy, to z dużym prawdopodobieństwem można sądzić, że wystąpiło przerwanie uzwojenia twornika. Tabela 1 Parametry pulsacji żłobkowych przed i po zerwaniu uzwojenia GSR-ST-12000 WT [2, 4] ω 2 [obr/min] 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 Uwagi U ws [V] 28,6 28,5 28,5 28,5 28,6 28,7 28,7 28,6 28,6 28,6 28,6 28,9 δ ż [%] 6,3 5,8 5,6 5,8 5,5 5,6 5,7 5,8 5,4 5,4 5,9 5,5 U wz [V] 28,6 28,5 28,5 28,9 28,6 28,6 28,5 28,9 28,6 28,6 28,5 28,5 δ ż [%] 5,0 3,6 4,7 4,0 4,4 4,6 4,1 4,2 4,5 4,3 4,8 4,7 Sprawne Zerwanie ΔU w [V] 0 0 0-0,4 0 0,1 0,2-0,3 0 0 0,1 0,4 δu w [%] 0,00 0,00 0,00-0,01 0,00 0,00 0,01-0,01 0,00 0,00 0,00 0,01 Porównania 8 Δδ ż [%] 1,3 2,2 0,9 1,8 1,1 1 1,6 1,6 0,9 1,1 1,1 0,8 7 Opóźnienie działania regulatorów węglowych jest rzędu 30 50 ms, regulatorów elektronicznych ok. 3 20 ms. 8 Porównania przyrostów parametrów przed zerwaniem uzwojenia i po nim.
64 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ Możliwe jest także opracowanie półautomatycznego elektronicznego testera diagnostycznego. Musiałby on mieć możliwość wprowadzania przez operatora liczby żłobków twornika (ewentualnie typu prądnicy przy jednocześnie wcześniej wczytanej tablicy parametrów konstrukcyjnych wszystkich eksploatowanych w kraju komutatorowych prądnic prądu stałego) i śledziłby amplitudy od poszczególnych żłobków twornika należałoby śledzić wartości szczytowe poszczególnych pulsacji żłobkowych. Jeżeli co pełną liczbę żłobków powtarza się pulsacja żłobkowa o zmniejszonej amplitudzie, to tester powinien wyświetlić informację o przerwaniu uzwojeń. 3. Pulsacje biegunowe Zjawisko pulsacji biegunowych można zaobserwować na krzywej przebiegu napięcia wyjściowego (na podstawie danych zawartych w [2, 4]) prądnicy prądu stałego w postaci zmodulowań amplitudy, co przedstawiono na rys. 1 w postaci zmian wierzchołków przebiegu. Częstotliwość tej modulacji jest wprost proporcjonalna do iloczynu liczby biegunów stojana oraz prędkości kątowej twornika, a głębokość amplitudy proporcjonalna do zmian reluktancji magnetycznej między twornikiem a stojanem. Sygnał ten niesie informacje o anizotropii blach obwodu magnetycznego prądnicy. Modulacja ta może spowodować niewielkie błędy pomiaru ΔT i. Z uwagi na swoją powtarzalność, charakterystyczną dla danego egzemplarza prądnicy, jest łatwa do odfiltrowania. Względną wartość pulsacji biegunowej δ b można wyrazić wzorem: δ b = {(U max-o U min-o )100 / (U max-o + U min-o )} MAX (3) gdzie: o liczba naturalna oznaczająca numer kolejnego okresu pulsacji biegunowej; U max-o maksymalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w okresie o; U min-o minimalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w danym okresie o. Pulsacje biegunowe niosą ze sobą kilka informacji diagnostycznych: parametr fazy informuje o ewentualnych błędach rozkładu geometrycznego nabiegunników stojana; amplituda pulsacji (przebiegu obwiedni na rys. 1) świadczy, ogólnie biorąc, o nierównomierności rozkładu pola magnetycznego pod biegunami magnetycznymi stojana, a w pewnych przypadkach również o zwarciu lub przerwaniu uzwojeń twornika lub stojana:
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 65 jeżeli amplituda pulsacji biegunowych osiąga, równomierne w całym okresie, zwiększone wartości zbliżone do amplitudy pulsacji żłobkowych twornika, to oznacza przeciążenie jednego zwoju na skutek zwiększonej upływności jego izolacji lub częściowego zwarcia do masy albo między zwojami twornika w danym żłobku; jeżeli amplituda pulsacji biegunowych osiąga nierównomierne w całym okresie wartości, np. na jeden obrót twornika jedna wartość szczytowa tej obwiedni ulega zmniejszeniu, co oznacza przeciążenie jednego zwoju na skutek zwiększonej upływności jego izolacji lub częściowego zwarcia do masy albo między zwojami jednego bieguna stojana; jeżeli wartość amplitudy pulsacji biegunowych ulega, równomiernie w całym okresie obrotu twornika, zmniejszeniu (tabela 2) może to sygnalizować zerwanie uzwojenia twornika. Ze względu na złożoność diagnostyczną sygnału i jego małą amplitudę względem składowej nośnej (pulsacji żłobkowej) lokalizowanie przerwanych uzwojeń poprzez pomiar pulsacji biegunowych wydaje się mało dokładne. Tabela 2 Parametry pulsacji biegunowych przed zerwaniem uzwojenia i po nim GSR-ST-12000 WT ω 2 [obr/min] 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 Uwagi U w1 V 28,6 28,5 28,5 28,5 28,6 28,7 28,7 28,6 28,6 28,6 28,6 28,9 δ b1 % 4,2 4,2 3,9 4,4 4,1 4,1 4,0 4,4 4,1 4,1 4,3 4,3 U w2 V 28,6 28,5 28,5 28,9 28,6 28,6 28,5 28,9 28,6 28,6 28,5 28,5 δ b2 % 3,6 3,2 3,6 3,3 3,4 3,6 3,4 3,5 3,4 3,3 3,7 3,5 Sprawne Zerwane Δδ b % 0,6 1 0,3 1,1 0,7 0,5 0,6 0,9 0,7 0,8 0,6 0,8 Sygnał pulsacji biegunowej rośnie natomiast znacząco w przypadku zwarcia dowolnego uzwojenia jego amplituda rośnie kilkakrotnie w stosunku do amplitudy pulsacji żłobkowych. Ponieważ w czasie zwarcia zwoju wydatnie rośnie amplituda pulsacji komutatorowej, zjawisko zwarcia omówiono w następnym rozdziale.
66 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ 4. Pulsacje komutatorowe charakterystyka ogólna Komutacja jest to zwieranie (i rozwieranie) poszczególnych obwodów (zezwojów) uzwojenia twornika. Teoretyczny sposób tworzenia się składowej pulsacji komutatorowej przedstawiono na rys. 2, gdzie zilustrowano wzajemne zależności pomiędzy pulsacją komutatorową, żłobkową, położeniem żłobków twornika i wycinków komutatora. Jest to przebieg idealny, możliwy do uzyskania przy założeniach: braku wibracji szczotek w uchwytach, niewystępowania zmian obciążenia prądnicy, idealnego doboru położenia szczotek w strefach magnetycznie obojętnych stojana, cienkiej szczotki komutatorowej, braku zmian prędkości kątowej twornika. Rys. 2. Kształt przebiegu składowej napięcia pulsacji dla prądnicy prądu stałego: a) rozwinięcie elementów mechanicznych węzła komutatora; b) przebieg pulsacji komutatorowych; c) rozwinięcie żłobków wirnika; d) przebieg pulsacji żłobkowych (linia ciągła) z zaznaczeniem pulsacji komutatorowych (linia przerywana)
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 67 Lotnicze komutatorowe prądnice prądu stałego mają uzwojenia pętlicowe na twornikach. Końcówki tych zezwojów są przymocowane do wycinków komutatora. Obracający się komutator powoduje, że szczotka węglowa zwiera kilka (2 4) wycinków, zwierając (łącząc końcówki) tym samym odpowiednią liczbę zezwojów. Ponieważ szczotki a właściwie ich osie symetrii są ustawione w strefie magnetycznie obojętnej stojana, napięcie i prąd zwarcia są stosunkowo niewielkie (najmniejsze) w rejonie środka szczotki; natomiast im bliżej końca szczotki, tym wartość napięcia rośnie zwierane (lub rozwierane) obwody są już poza strefą magnetycznie obojętną. Najważniejsze są tu napięcia między komutatorem a obiema krawędziami zewnętrznymi szczotki. Szczególną rolę odgrywa napięcie na krawędzi wybiegającej, tj. w chwili, gdy obwód zwarty cewki komutującej zostaje przerwany. Do pomiaru można zastosować cienką szczotkę stykową przyklejoną do szczotki miedziano-grafitowej, oddzieloną materiałem izolacyjnym. Zgodnie z [10], wykonanie pomiarów w sposób klasyczny za pomocą woltomierza wskazówkowego daje tylko wartości średnie napięć, co nie jest w pełni miarodajne dla oceny jakości komutacji. Istotnym uzupełnieniem może być rejestracja przebiegów napięć za pomocą oscyloskopu. Pomiar oscyloskopowy umożliwia odczytanie napięć, jakie powstają na krawędzi wybiegającej 9. Istotnym uzupełnieniem może być rejestracja przebiegów. Napięcie, jakie powstaje w chwili przerwania obwodu RL, w którym płynie prąd, można opisać zależnością: u(t) = L c I 0 δ(t) (4) gdzie: L c indukcyjność cewki, I 0 przerwany prąd, δ(t) delta Diraca. W warunkach rzeczywistych zawsze obok indukcyjności występuje pewna pojemność własna C w i upływność G w. Wówczas: gdzie: u(t) = I 0 e -αt sin ω o t / ω o C w (5) ω 0 = (1/ L c C w a 2 ) 1/2 (6) 9 Krawędź wybiegająca szczotki komutatorowej krawędź, spod której wybiegają kolejne działki komutatora w czasie jego obracania.
68 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ Zgodnie z [10] napięcie, jakie powstaje w chwili przerwania obwodu RL, którym płynie prąd, można opisać równaniem: gdzie prawie zawsze: więc: a = G w / C w (7) a 2 << 1/ L c C w (8) U max I 0 (L c C w ) (9) Występująca w powyższym wyrażeniu indukcyjność L c jest w odniesieniu do cewki komutującej indukcyjnością, jaką posiada cewka w chwili kończenia komutacji, ale z uwzględnieniem wszystkich wzajemnych sprzężeń z sąsiednimi obwodami zwartymi (równocześnie komutującymi). Wiadomo bowiem, że szczotka jest zwykle szersza od wycinka komutatora i komutuje równocześnie większą liczbę cewek. Ze względu na umieszczenie kilku bloków cewek w jednej warstwie w żłobku nie wszystkie cewki mają w chwili kończenia komutacji taki sam współczynnik L c. Największy ma tu cewka, która komutuje w żłobku ostatnia i ona też ma najgorsze warunki komutacji. Dla niej napięcie na krawędzi wybiegającej szczotki będzie największe i w rezultacie największe prawdopodobieństwo iskrzenia. 5. Pulsacje komutatorowe w badaniach autorów Dotychczasowe badania przeprowadzone przez autorów [2, 4] wykazały, że wartość amplitudy tych pulsacji jest wprost proporcjonalna do poziomu obciążenia prądowego. Z badań przeprowadzonych z użyciem prądnicy GSR-ST-12000 WT wynika, że przy prądzie obciążenia prądnicy poniżej 10% wartości znamionowej amplituda pulsacji komutatorowych (rys. 2b) jest prawie niezauważalna na tle pulsacji żłobkowych (rys. 2d). Przy obciążeniu rzędu 10% pulsacje te są ledwie widoczne na przebiegu napięcia wyjściowego. Przesunięcia kątowe poszczególnych półsinusoid pulsacji komutatorowych (rys. 2d) zmieniają się względem pulsacji żłobkowych oraz ulegają indywidualnym przesunięciom kątowym podczas wibracji mechanicznych szczotek w uchwycie oraz w czasie obciążania prądowego prądnicy (w tzw. stanach przejściowych). W związku z powyższym, zgodnie z [2], pulsacje komutatorowe nie mogą być wykorzystywane do diagnozowania
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 69 wielkości wad par kinematycznych zespołu napędowego, który ją napędza nie istnieją bowiem liniowe zależności pomiędzy modulacją częstotliwości tej składowej a wahaniami prędkości kątowej, związanymi z wadami poszczególnych par kinematycznych. Mogą służyć natomiast jako źródło informacji diagnostycznych innych wad i uszkodzeń, np. węzła komutatorowo-szczotkowego. Przy obciążeniu znamionowym 10 (rys. 3) wartość szczytowa pulsacji komutatorowych osiąga poziom ok. 50% pulsacji żłobkowych. Oznacza to, że śledząc przesunięcia fazowe pulsacji komutatorowych metodą FDM-A można diagnozować stan węzła komutatorowo-szczotkowego prądnicy. Ciekawych danych dostarczyły próby kontrolowanego zwarcia w tworniku. Badania przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych na stanowisku napędowym przy obcym wzbudzeniu z zasilacza prądu stałego. Okazało się, że z chwilą zwarcia uzwojenia pośrodku jednego z uzwojeń twornika dominująca amplitudowo stała się składowa pulsacji biegunowej (rys. 4, składowa wolnozmienna), a druga w kolejności pulsacja komutatorowa (rys. 4, szybkozmienna). O ile jednak amplituda składowej pulsacji biegunowej była stabilna co do częstotliwości i wartości amplitudy, to składowa pulsacji komutatorowej zmienia się w czasie obracania się twornika prądnicy i przybierała największą wartość w momencie przechodzenia pod kolejnym biegunem stojana prądnicy. Podobne relacje zaobserwowano podczas zwarcia w tworniku prądnicy prądu stałego GS-18 MO na pokładzie śmigłowca Mi-8 po odłączeniu pokładowej baterii akumulatorowej od elektrycznej sieci pokładowej. Przebiegi składowych pulsacji zarejestrowane na pokładzie śmigłowca były znacznie stłumione w stosunku do badania wykonanego w warunkach laboratoryjnych. Najwyraźniej objawiał się tu wpływ układu regulatora napięcia. Dlatego też należy rozpatrzeć możliwość zwierania słupka węglowego regulatora napięcia za pomocą rezystora zastępczego na czas prowadzenia obserwacji diagnostycznej. Jednoznaczna zmiana relacji pomiędzy amplitudami składowych pulsacji umożliwia pracownikom Pracowni Osprzętu Zakładu Awioniki ITWL wykrywanie zwarć w twornikach prądnic komutatorowych w warunkach eksploatacji. W przyszłości będzie możliwe opracowanie automatycznego elektronicznego testera. Właściwie byłby to tester badania stanu technicznego prądnicy komutatorowej prądu stałego wspomniany w p. 2 (pulsacje żłobkowe w tworniku) rozbudowany o kanał wykrywania zwarć międzyzwojowych. W p. 2 omawiano problem przerw w uzwojeniach poszukiwana była zmniejszona amplituda pulsacji żłobkowych powtarzająca się z okresem odpowiadającym pełnemu obrotowi twornika. W przypadku poszukiwania zwarć tester musiałby śledzić relację pomiędzy amplitudą pulsacji biegunowych i komutatorowych. Po zwarciu wewnętrznym w ma- 10 Dla prądnicy GSR-ST-12000 WT wynosi ona 300 A.
70 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ szynie prądnicy dominujące co do amplitudy (rys. 4 i 5) stają się pulsacje biegunowe; składowa pulsacji biegunowej przekracza wielokrotnie wartość pozostałych rodzajów pulsacji. Po zwarciu głębokość modulacji biegunowej i komutatorowej osiąga wartość 300% 500% wartości amplitudy pulsacji żłobkowych i jest stabilna pod względem częstotliwości i amplitudy Rys. 3. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000WT przy obciążeniu znamionowym (I 300 A) bez zwarcia Rys. 4. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000WT przy zwarciu uzwojenia w wirniku, przebieg z rejestratora
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 71 6. Pulsacje komutatorowe a zużycie obwodowe komutatora Podczas długotrwałej pracy komutatorowej maszyny prądu stałego następuje zużycie ścierne powierzchni komutatora. Tak więc zmniejsza się średnica komutatora (rys. 5). Na początku szczotka Sz ślizga się po powierzchni Pk 1 większej średnicy, po pewnym okresie eksploatacji średnica ulega zmniejszeniu do Pk 2 na skutek procesów ściernych. Jednocześnie na skutek specyfiki konstrukcji komutatora zwiększa się długość łuku elektrycznego danej szczotki. W związku z tym zwiększeniu ulega także liczba zwieranych wycinków komutatora np. na początku okresu eksploatacji zwierane są dwa wycinki (K 4 oraz K 5 ), na końcu okresu eksploatacji trzy (K 4, K 5, K 6 ). Istotnym elementem dla diagnosty jest niedopuszczanie do dalszej eksploatacji takich prądnic komutatorowych, w których powstało zbyt głębokie wyżłobienie 11 komutatora, powodujące, że zwiększa się liczba zwieranych zezwojów. Zwieraniu ulegają wówczas zezwoje położone poza strefą magnetycznie obojętną, co powoduje zwiększanie prądów komutacji. Zgodnie z [6], kiedy szczotki maszyny pokrywają (łączą) więcej niż jeden wycinek komutatora, obok SEM samoindukcji powstaje jeszcze SEM indukcji wzajemnej, których wpływ jest złożony. Jednakże podstawowym elementem jest styk szczotek, którego rezystancja zależy nie tylko od marki szczotek, siły docisku, wielkości i jakości powierzchni styku szczotka komutator, charakteru i stopnia wibracji szczotek, warunków atmosferycznych i temperatury styku, ale także od uszkodzeń komutowanego obwodu (zwarć albo przerw w uzwojeniach). Innym problemem jest zróżnicowanie zużywania się długości szczotek w jednej prądnicy. Pierwszą zasadą doboru szczotek podczas ich wymiany przez obsługę techniczną statku powietrznego jest dobranie szczotek o jednakowym numerze serii, tj. jednakowej szarży. Wynika to z konieczności zachowania jednakowego składu mieszanki składników wyjściowych do procesu produkcyjnego szczotek. Minimalna zmiana składu ma duże znaczenie dla ścieralności szczotek węglowych podczas procesu eksploatacji. Podczas weryfikacji węzła komutatorowo-szczotkowego należy zwrócić uwagę (zgodnie z [6]), że dla szczotek zawierających dodatki metaliczne charakterystyki spadku napięcia w funkcji natężenia prądu są wyższe dla szczotek plusowych niż dla minusowych, zarówno w normalnych, jak i w wysokościowych warunkach. Ogólnie biorąc, według [6], dla 11 Dla prądnicy GSR-ST-12000WT głębokość graniczna do 1 mm; dla innych maszyn komutatorowych wartość ta jest wprost proporcjonalna do średnicy znamionowej komutatora.
72 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ szczotek czarnych 12, tj. bez dodatków metalicznych, charakterystyki Δu = f(i) szczotek minusowych są wyższe niż anodowych, zaś różnica w wielkościach spadków napięć plusowych i minusowych może osiągać 200%. Dlatego też należy to uwzględniać przy weryfikacji długości szczotek w czasie eksploatacji. Spr Pk 2 Pk 1 Sz g sz m 3 m 2 K 2 K 3 K 4 K 5 K 1 m2 K 6 m 1 K 7 g m1 Rys. 5. Zmiana geometrii liczby komutowanych wycinków komutatora na skutek ściernego zmniejszania wysokości tych wycinków: Sz szczotka węglowa, spr sprężyna dociskowa, K 1, K 2... K 7 kolejne wycinki komutatora, Pk 1 powierzchnia komutatora na początku eksploatacji, Pk 2 powierzchnia komutatora na końcu okresu eksploatacji, g sz grubość szczotki, m 1, m 2, m 3... kolejne przekładki izolacyjne (mikamit) pomiędzy wycinkami komutatora, ω kierunek i zwrot prędkości obrotowej komutatora 12 Szczotki czarne, tj. bez dodatków metalicznych, stosuje się tylko w maszynach małej mocy.
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych... 73 7. Podsumowanie W artykule przedstawiono zarówno teoretyczną, jak i praktyczną, kompleksową interpretację składowej pulsacji komutatorowej prądnicy prądu stałego. Zwrócono uwagę na zaobserwowaną w pracy zawodowej autorów korelację pomiędzy pulsacjami żłobkowymi, komutatorowymi i biegunowymi. Zostały omówione relacje pomiędzy każdym z ww. typów pulsacji a pewnymi procesami elektrycznymi, jak: wahania prędkości kątowej twornika, drgania szczotek w obsadach, zmiany poziomu obciążenia prądowego, bicie łożyskowe. Omówiono stosowaną przez autorów metodę obserwacji szczególnych korelacji pulsacji do wykrywania zwarć twornika lub stojana. Zaproponowano obserwację pulsacji żłobkowych do wykrywania przerw w uzwojeniach. Podano wstępnie propozycje algorytmu do skonstruowania automatycznego testera wykrywającego zwarcia lub przerwy w uzwojeniach. Opisane zostały zjawiska zaobserwowane przez autorów w czasie badań związanych z przedłużeniem resursów statków powietrznych, jak i badaniem wypadków lotniczych. Z przytoczonych materiałów wynika, że obserwacja i pomiar składowych pulsacji wraz z obserwacją i pomiarem pewnych łatwo dostępnych elementów mechanicznych węzła komutatorowo-szczotkowego umożliwi wcześniejsze wykrycie i przeciwdziałanie uszkodzeniom węzła komutatorowoszczotkowego. Literatura 1. Cempel Cz., Tomaszewski F. i inni: Diagnostyka maszyn. Zasady ogólne. Przykłady zastosowań. Międzyresortowe Centrum Naukowe Eksploatacji Majątku Trwałego, Radom 1992. 2. 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. ITWL, Warszawa, czerwiec 1997, niepublikowane. 3. Gębura A.: Cechy diagnostyczne składowej pulsacji prądnic prądu stałego, Prace Naukowe Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2003, z. 16. 4. Gębura A.: Metoda modulacji częstotliwości napięcia prądnic pokładowych w diagnozowaniu zespołów napędowych. Wydawnictwo ITWL, Warszawa 2010. 5. Gębura A.: Pulsacje napięcia wyjściowego prądnicy pokładowej prądu stałego źródłem informacji diagnostycznej o stanie układu napędowego. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 2003, z. 1(133). 6. Karasov M.F.: Komutacji kolektornych maszin postoionnogo toka. Gosudarstwiennoje Energiteciskoje Izdatelstwo, Moskwa 1961.
74 Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ 7. Liwschitz-Garik M.: Direct-current machines. D. Van Nostrand Company, New York 1962. 8. Plamitzer M.: Maszyny elektryczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1962. 9. Tertil Z.: Ocena komutacji maszyn elektrycznych w warunkach przemysłowych. Przegląd Elektrotechniczny 1964, nr 2. 10. Tertil Z.: Ocena komutacji maszyn elektrycznych w warunkach przemysłowych. Przegląd Elektrotechniczny 1982, nr 6. 11. Wróbel T.: Studium teoretyczne i eksperymentalne zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych prądu stałego. Dodatek do Biuletynu WAT nr 3(259), Warszawa 1974. 12. Wróbel T.: Studium zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych o wyjściu stałoprądowym. Dodatek do Biuletynu WAT nr 6(298), Warszawa 1977.