Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych 3 Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych Andrzej GĘBURA, Tomasz TOKARSKI 3.1. Wprowadzenie Przetwornica jest to urządzenie elektromechaniczne przemieniające jeden rodzaj energii elektrycznej w drugi. Pokładowe elektroenergetyczne przetwornice lotnicze słuŝą do zasilania lokalnych sieci elektroenergetycznych prądem przemiennym 1. Przetwornica elektromaszynowa stanowi zespół dwóch maszyn elektrycznych na jednym wale: a) szeregowo-bocznikowego, obcowzbudnego silnika prądu stałego; b) prądnicy synchronicznej 2. Przetwornica elektromaszynowa (rys. 3.1) 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 duŝej (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. We współczesnym lotnictwie zdecydowanie odchodzi się od stosowania przetwornic elektromaszynowych z uwagi na ich niską sprawność energetyczną, znaczny cięŝar i wysoki poziom hałasu. W nowych statkach powietrznych stosuje się przetwornice elektroniczne. JednakŜe na starszych typach statków powietrznych przetwornica elektromaszynowa jest nadal stosowana. Przetwornica ta to proste złoŝenie dwóch maszyn elektrycznych: silnika i prądnicy. Wirniki tych dwóch maszyn mają wspólny wał osadzony na swych końcach na dwóch łoŝyskach. Prostota mechaniczna konstrukcji przetwornicy umoŝliwia łatwą identyfikację uszkodzeń elementów mechanicznych podczas monitorowania metodą FAM-C. 1 Spotyka się takŝe w instalacjach specjalnych, np. uzbrojenia, wyjściowe napięcie: o podwyŝszonej częstotliwości 10 khz, prądu stałego z kluczowaniem i inne. JednakŜe nie są to pokładowe sprzętowe instalacje elektroenergetyczne i niniejszy rozdział ich nie omawia. 2 W niektórych konstrukcjach są dwie prądnice na wspólnym wale, jak np. w przetwornicy PTO-1000/1500. 1

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 Rys. 3.1. Przetwornica elektromaszynowa jako obiekt mechaniczny: 1, 2 łoŝysko 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 duŝych zespołów maszynowych rodzajami zuŝycia, jak wady montaŝowe i zuŝyciowe. Eksploatowane w lotnictwie Sił Zbrojnych RP przetwornice nie miały i nie mają urządzeń diagnostycznych 3 umoŝliwiających śledzenie rozwoju ich zuŝycia zdaniem autorów, takiej funkcji nie mogą pełnić przenośne stanowiska pomiarowe (pulpit kontroli naziemnej węzła elektroenergetycznego) wyposaŝone 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 przewaŝnie czasu na spokojną i obiektywną analizę przyczyny, tym bardziej nie praktykuje się wykonywania jakichkolwiek badań podczas zadania bojowego. Najdokładniejsze informacje (w tym przypadku informacje diagnostyczne) pozyskuje się bezpośrednio u źródła, a nie u pośredników, gdyŝ wówczas informacja ta moŝe 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 łoŝyska 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 przyczynowo-skutkowe do bazy danych. Formalnie wszystko się zgadza. Wyraźnie moŝna więc podkreślić, Ŝe powinien istnieć układ diagnostyczny bieŝącego stanu technicznego przetwornic. 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 wydłuŝanie 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 umoŝliwiającego wcześniejsze ocenianie stanu technicznego przetwornic i długofalową prognozę (na 100 200 h lotu). Układy diagnostyczne powinny umoŝliwić monitorowanie i kompleksową ocenę stanu technicznego przetwornic. MoŜliwa byłaby wówczas eksploatacja według stanu technicznego dotychczas odbywa się ona według czasu eksploatacji (wg godzin nalotu 3 We wnioskach do niniejszego rozdziału będzie przedstawiony wstępny projekt koncepcyjny takiego urządzenia diagnostycznego. 2

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych oraz wg okresu kalendarzowego ). W niniejszym rozdziale autorzy opisują badania realizowane podczas działalności zawodowej 4 na statkach powietrznych, które umoŝliwiają 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 równieŝ badania laboratoryjne, gdzie zadawano określone wady i mierzono zmianę parametrów diagnostycznych. Badania te mają docelowo umoŝliwić określenie kompleksowego pakietu poziomów diagnostycznych przetwornic elektromaszynowych róŝnych typów. UmoŜliwi 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 łoŝysk, błędy montaŝowe), jak i elektryczne (uszkodzenia układu filtracyjnego, układu stabilizacji prędkości obrotowej, jak teŝ zwojów prądnicy, pogorszenie stanu komutacji szczotek lub silnika). 3.2. Badania kompleksowe przetwornic elektromaszynowych Typowe uszkodzenia przetwornic: a) zuŝycie pierścieni stykowych po przejściu szczotek tworzą się rowki, przy zwiększaniu ich głębokości następuje zwieranie komutacyjne dodatkowej wycinki komutatora (bo zmniejsza się średnica komutatora), co powoduje (okresowe) zwieranie dodatkowego zwoju wirnika, a więc i nadmierne grzanie się wirnika; b) odłamania i pęknięcia szczotek, iskrzenie szczotek i opalenia komutatora oraz nagar na szczotkach świadczący o zacieraniu się szczotek w obsadach, w końcowym etapie tego typu zuŝycia dochodzi do nadmiernego osadzania się pyłu szczotkowego na wycinkach komutatora (wygląd komutatora: wycinki tracą swój metaliczny połysk, niewidoczne stają się izolacyjne przerwy między wycinkami), obserwowane jest wówczas zwiększone iskrzenie przechodzące w miarę dalszego zuŝycia w pierścień łukowy, następuje szybko postępujące wypalanie komutatora; zewnętrznie obserwuje się wówczas trudności z uruchomieniem przetwornicy; c) przerwa w przewodach zewnętrznej sieci zasilającej, przetwornica nie uruchamia się; d) przerwa w obwodzie zasilania uzwojenia stycznika rozruchowego, przetwornica nie uruchamia się; e) przerwa lub zwarcie w uzwojeniu wirnika, przetwornica nie uruchamia się; f) podwyŝszone napięcie i częstotliwość przerwa w jednym z uzwojeń prądu zmiennego wzmacniacza magnetycznego; g) rozbieganie się (nadmierny wzrost prędkości obrotowej wirnika powyŝej wartości dopuszczalnej); 4 Prace związane z przedłuŝeniem resursów statków powietrznych i z badaniami wypadków lotniczych. 3

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 h) obniŝona wartość napięcia lub częstotliwości; i) uszkodzenie łoŝysk mogące powodować nadmierne nagrzewanie się przetwornicy. W czasie badań związanych z przedłuŝeniem resursów lub z wypadkami lotniczymi kontrolowane są róŝne parametry, co umoŝliwia diagnozowanie stanu technicznego przetwornic elektromaszynowych statków powietrznych. Metody te moŝna podzielić na klasyczne i częstotliwościowe. Pierwsza grupa metod umoŝliwia diagnozowanie głównie uszkodzeń podzespołów elektrycznych i elektronicznych, druga zuŝycie węzłów mechanicznych i częściowo układów sterowania i regulacji. 3.2.1. Klasyczne metody badań przetwornic lotniczych Podczas badań zuŝyciowych przetwornic skorzystano z klasycznych metod badań parametrów określonych w normie obronnej [15], takich jak: a) współczynnik całkowitej zawartości harmonicznych; b) wartość skuteczna dowolnej wyŝszej harmonicznej napięcia w stosunku do wartości pierwszej harmonicznej; c) współczynnik amplitudy napięcia; d) wartość skuteczna napięcia wyjściowego; e) głębokość modulacji amplitudy; f) wartość skuteczna harmonicznych obwiedni modulacji amplitudy; g) wartość impulsów napięcia na wyjściu przetwornic. Sposób przeprowadzania pomiarów oraz wartości graniczne parametrów wyszczególnionych w ppkt. a g przedstawiono w [12, 15] nie wymagają one dodatkowego omówienia. Istotna jest natomiast interpretacja diagnostyczna wartości parametrów. Ad a) Wartość całkowitej zawartości harmonicznych oznaczana jest jako m i określana wzorem: gdzie: U 0 wartość skuteczna składowej zerowej; U 1 wartość skuteczna pierwszej harmonicznej (400 Hz); U 2 wartość skuteczna drugiej harmonicznej; U n wartość skuteczna n-tej harmonicznej. (3.1) Z punktu widzenia kształtu sygnałów, im bardziej sygnał napięciowy jest odchylony od kształtu sinusoidy, tym większą ma zawartość harmonicznych. Znaczące wartości m (graniczna wartość 8%) wskazują na uszkodzenie układu filtra przetwornicy. Przekroczenie granicznych wartości m moŝe takŝe wynikać z braku wzajemnego odizolowania blach krzemowych w pakietach obwodu magnetycznego lub nieprawidłowej, tzn. zbyt szerokiej, pętli histerezy materiału obwodu magnetycznego przetwornicy. MoŜe to 4

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych powodować nadmierne grzanie się blach obwodów magnetycznych na skutek prądów wirowych i doprowadzić, zwłaszcza na duŝych wysokościach lotu (mniejszy wydatek powietrza chłodzącego), do spalenia się uzwojeń przetwornicy (przewaŝnie uzwojeń wirnika). Zwiększona wartość wyŝszych harmonicznych moŝe objawiać się zwiększeniem zakłóceń odbiorników radiowych. Ad b) Wartość skuteczna dowolnej wyŝszej harmonicznej w stosunku do pierwszej harmonicznej nie powinna przekraczać 5% [15]. W praktyce pomiarowej często wartości zbliŝone do granicznej przyjmuje trzecia harmoniczna, w szczególności dla przetwornic elektronicznych przy niedostatecznym wygładzeniu sygnału z generatora fali prostokątnej. W przypadku przetwornic elektromaszynowych podobny efekt osiąga się przy nasycaniu obwodów magnetycznych części prądnicowej. Bardzo niepokojącym zjawiskiem moŝe być ukazanie się parzystych harmonicznych. Świadczyć to moŝe o: mimośrodowym przemieszczeniu osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana; obluzowaniu nabiegunników stojana. Obie te przyczyny mogą spowodować cięŝkie uszkodzenia przetwornicy. Według danych uzyskanych z WSK Warszawa II, zuŝycie pierścieni stykowych (patrz pkt a), spowodowane błędnym wykonaniem obsad łoŝyskowych tarcz łoŝyskowych (pokryw bocznych) stojana, było przyczyną przegrzania się uzwojeń. W praktyce diagnostycznej naleŝy przyjąć, Ŝe po przekroczeniu względnej wartości parzystej harmonicznej powyŝej 2% trzeba przeprowadzić szczegółowy przegląd stanu technicznego przetwornicy: łoŝysk i prawidłowości ich mocowania w gniazdach łoŝyskowych; mocowania nabiegunników stojana. Ad c) Pomiar współczynnika amplitudy (k a) napięcia polega na obliczeniu stosunku wartości szczytowej sygnału wyjściowego do jego wartości skutecznej. Dla przebiegu sinusoidalnego wartość k a wynosi 1,41, zaś dla przebiegu trójkątnego k a = 1,73. Według normy [15] dla przetwornic lotniczych powinno być zapewnione k a = 1,41± 0,15. Niespełnienie tego warunku moŝe świadczyć, Ŝe: 1) jeŝeli k a < 1,26, to sygnał wyjściowy jest zbyt silnie tłumiony, np. z powodu zwarcia uzwojeń wewnątrz przetwornicy; 2) jeŝeli k a > 1,56, moŝe to świadczyć o niesprawności filtra elektrycznego przetwornicy (przebicie kondensatora, zwarcia w dławiku). Ad d) Pomiar napięcia wyjściowego nie wymaga osobnego omówienia 5. NaleŜy tu zwrócić uwagę na przyczyny takich odchyleń, do których naleŝy zaliczyć: uszkodzenie potencjometru regulacyjnego; uszkodzenie wzmacniacza magnetycznego. Za szczególnie niebezpieczne naleŝy uznać uszkodzenia objawiające się impulsami napięcia. Częstym symptomem, zwykle niewyczuwalnym słuchowo przez obsługę (z uwagi na wysoki poziom hałasu na pokładzie statku powietrznego), są niestabilne obroty wirnika prądnicy. W takich przypadkach nieocenione usługi oddałoby śledzenie dynamiki częstotliwości. 5 Według normy [15] wartość napięcia wyjściowego przetwornicy powinna zawierać się w granicach 112 118V w stanie pracy podstawowej i 108 122V w warunkach pracy awaryjnej. 5

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 Ad e) Głębokość modulacji amplitudy w przetwornicach elektromaszynowych zaleŝy od: skuteczności układu stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy; stanu łoŝyskowania wirnika, tj. wad mimośrodowości lub przekoszenia osi symetrii wirnika przetwornicy względem stojana [7, 12]. Granica dopuszczalnej głębokości modulacji amplitudy wynosi 1%. Zbyt duŝa głębokość modulacji amplitudy powoduje pulsacje natęŝenia światła sygnalizatorów, co przyśpiesza zmęczenie wzroku 6. Ad f) Wartości skuteczne harmonicznych modulacji amplitudy zaleŝą od: dynamiki układu stabilizacji napięcia wyjściowego, w szczególności jego drgań własnych oraz drgań układu wirnik przetwornicy układ regulacji napięcia; liczby elementów łoŝyskowych, typu zuŝycia łoŝysk; wady geometrycznej układu kinematycznego wirnika prądnicy stojan prądnicy. Ad g) Wartość impulsów na wyjściu przetwornic zaleŝy od: nierównomierności prędkości kątowych, o czasie trwania tak krótkim (poniŝej 1 ms), Ŝe układ stabilizacji napięcia wyjściowego, z uwagi na swoją stałą czasową (ok. 2 ms regulatory elektroniczne, ok. 20 ms i więcej regulatory węglowe lub oparte na wzmacniaczach magnetycznych), nie są w stanie ich zmniejszyć; zakłócenia w układzie komutacji w części silnikowej przetwornicy (chwilowe braki pełnego styku z komutatorem, zwiększone lub zmniejszone przerwy komutacyjne pomiędzy wycinkami komutatora, drgania szczotek na skutek wibracji statku powietrznego). Impulsy przepięciowe mogą osiągać wartość do 600 V i trwać od 0,5 µs do kilkunastu µs. W zasadzie nie stanowią one zagroŝenia przeciąŝeniowego dla odbiorników napięcia (z uwagi na krótki czas trwania). Mogą jednak spowodować przebicie lub osłabienie izolacji. Pojawienie się takich impulsów świadczy o uszkodzeniu kondensatora na wyjściu przetwornicy lub o wadach mechanicznych, wyszczególnionych powyŝej. 3.2.2. Częstotliwościowe metodyki badań przetwornic lotniczych metoda FAM-C i FDMA Metoda FAM-C [1, 2] została opracowana w ITWL w latach 90. i jest systematycznie rozwijana. W skrócie moŝna powiedzieć, Ŝe 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, moŝna diagnozować zespół napędowy, gdyŝ przebieg zmian częstotliwości chwilowej (napięcia wyjściowego prądnicy synchronicznej) f i = f(t) = (3.2) 6 Granica ta wywodzi się z dopuszczalnego dla oka ludzkiego poziomu amplitudy migotania (pulsacji strumienia świetlnego) oświetlenia. 6

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych jest dyskretnym zobrazowaniem przebiegu prędkości kątowych poszczególnych węzłów zespołu napędowego: ω(t) == (3.3) gdzie: j numer obserwowanego podzespołu lub pary kinematycznej, f mj częstotliwość drgań mechanicznych charakterystyczna dla danego podzespołu lub pary kinematycznej, f mj częstotliwość drgań elektrycznych odzwierciedlająca w sposób dyskretny częstotliwość drgań mechanicznych charakterystyczną dla danego podzespołu lub pary kinematycznej. W Pracowni Lotniczych Urządzeń Elektroenergetycznych i Napędów Elektrycznych ITWL moŝna 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, Ŝe obie maszyny (prądnica i silnik napędowy) osadzone są na wspólnym wale, w przetwornicy trudno spodziewać się wielu zbiorów charakterystycznych. Jednakowa prędkość znamionowa powoduje, Ŝe wada np. mimośrodowości wirnika silnika i mimośrodowości wirnika prądnicy odłoŝy się w tym samym zbiorze charakterystycznym. Oczywiście punkty charakterystyczne wady przekoszenia [13] obu maszyn będą się odkładały w innym zbiorze niŝ punkty charakterystyczne wady mimośrodowości. Wada mimośrodowości będzie charakteryzowana zbiorem o częstotliwości bazowej równej pierwszej harmonicznej prędkości obrotowej wirnika przetwornicy (tablice 3.1 i 3.2) wada przekoszenia drugiej harmonicznej. ZłoŜenie obu wad pierwszej podharmonicznej prędkości obrotowej. 3.3. Badania laboratoryjne kontrolowanych uszkodzeń przetwornic metodą FAM-C Wykonano badania parametrów elektrycznych przetwornic o róŝnych kontrolowanych (wprowadzanych przez badających) poziomach zuŝycia elementów elektrycznych i mechanicznych. Badania były prowadzone zarówno metodami klasycznymi (szybka transformata Fouriera), jak i nowatorskimi (np. FAM-C). Realny poziom zuŝycia oceniany był poprzez pomiary mechaniczne. Badania wykonano na przetwornicach PAG-1F, PT-500, PO-750. Przetwornice te przygotowano do kontrolowanego zadawania błędów montaŝowych: mimośrodowości, przekoszenia osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana. Układy pomiarowe jedno- i trójfazowe (rys. 3.3 i 3.4) umoŝliwiają monitorowanie tych błędów. Szczegółowe właściwości obu układów pomiarowych omówiono w [3]. a) 7

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 b) Rys. 3.2. Uproszczony rysunek złoŝeniowy przetwornicy elektromaszynowej przystosowanej w ITWL do kontrolowanego zadawania błędów montaŝowych: a) przekrój podłuŝny, b) widok od strony tarczy łoŝyskowej pokrywy bocznej 1, 2 łoŝysko 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 łoŝyskowa (pokrywa boczna), 11 wyfrezowania pionowe, 12 śruba montaŝowa Następnie wykonano badania parametrów elektrycznych przetwornic o róŝnych poziomach zuŝycia elementów elektrycznych i mechanicznych. Badania były prowadzone zarówno metodami klasycznymi (szybka transformata Fouriera), jak i nowatorskimi (np. FAM-C). Realny poziom zuŝycia oceniany był poprzez pomiary mechaniczne. Rys. 3.3. Sposób pozyskiwania sygnału diagnostycznego z badanej przetwornicy przy pomocy metody FAM-C jednofazowo Rys. 3.4. Sposób pozyskiwania sygnału diagnostycznego z badanej przetwornicy przy pomocy metody FAM-C trójfazowo 8

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych Rys. 3.5. Przebieg zmian częstotliwości chwilowej przetwornicy PAG-1F przed zmianami Rys. 3.6. Przebieg zmian częstotliwości przetwornicy PAG-1F przed zmianami (stan wyjściowy) powiększenie 9

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 Rys. 3.7. Zbiory charakterystyczne przetwornicy PAG-1F przed zmianami (stan wyjściowy) 3.3.1. Badanie zmniejszonego docisku szczotki komutacyjnej Przetwornica PAG-1F słuŝy 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. 3.5 i 3.6). Poziom wartości średniej częstotliwości wynosił 431,25 Hz. Częstość wahań przebiegu f i = f(t) wynosił f p = 50 Hz (rys. 3.5). Zobrazowania F = f(f p) uwidoczniły takŝe istnienie zbiorów charakterystycznych o innych wartościach f p (rys. 3.7). Dla przetwornicy PAG-1F zmniejszono docisk jednej szczotki pojawiło się wzmoŝone 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) składowa szybkozmienna mierzona przy pomocy przystawki FAM-C jednofazowej, ma częstość około 50 Hz (rys. 3.8 i 3.9). Składowa wolnozmienna charakteryzuje się czasem trwania odchylenia t od ~5 10 s i przyrostem amplitudy F~3 25 Hz. Stochastycznie pojawiają się skokowe przełączenia poziomu częstotliwości o amplitudzie F ok. 7 Hz. Na przebiegu (rys. 3.9) moŝna zauwaŝyć pewne podcięcia, które wynikają prawdopodobnie z zaczepiania krawędzią szczotki o normalnej sile docisku o niektóre krawędzie wycinków komutatora. Zobrazowania F = f(f p) wykazują zmniejszenie wartości f p poszczególnych zbiorów oraz zwiększenie wysokości zbiorów charakterystycznych (rys. 3.10). 10

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych Rys. 3.8. Przebieg zmian częstotliwości przetwornicy PAG-1F przy zmniejszeniu docisku szczotki komutacyjnej, poniŝej wartości siły dopuszczalnej Rys. 3.9. Przebieg zmian częstotliwości przetwornicy PAG-1F przy zmniejszeniu docisku szczotki komutacyjnej, poniŝej wartości siły dopuszczalnej powiększenie 11

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 Rys. 3.10. Zbiory charakterystyczne przetwornicy PAG-1F po zmniejszeniu docisku szczotki komutacyjnej, poniŝej wartości siły dopuszczalnej powiększenie 3.3.2. Przekoszenie osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana Dokonano przekoszeń dzięki podłuŝnemu pionowemu rozfrezowaniu otworów montaŝowych pod śrubami mocującymi pokrywę boczną (oprawę łoŝyskową) maszyny z częścią cylindryczną. Przemieszczając jedną tarczę łoŝyskową (pokrywę boczną) w górę, a drugą w dół, uzyskano mierzalny kąt przekoszenia. Dla przetwornicy PAG-1F przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym moŝna zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 75 Hz, a więc w pobliŝu 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 3.1, 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 moŝna zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 200 Hz, a więc w pobliŝu 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 3.1, 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 12

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych którym moŝna zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 175 Hz, a więc w pobliŝu 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 naleŝy 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 moŝna zauwaŝyć 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 3.1). 3.3.3. Mimośrodowość osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana Dokonano równoległego przesunięcia osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana, wykorzystując podłuŝne pionowe rozfrezowanie otworów montaŝowych pod śrubami mocującymi pokrywę boczną (oprawę łoŝyskową) maszyny z częścią cylindryczną, wykonane celem realizacji poprzedniego punktu. Przemieszczając obie oprawy łoŝyskowe w dół, uzyskano mierzalną wartość mimośrodu. Dla przetwornicy PAG-1F przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym moŝna zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 75 Hz, a więc w pobliŝu 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 3.1, p. 11) wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej F zwiększa się z poziomu 4,11 Hz (0,95%) do 13,94 Hz (1,09%). Dla przetwornicy PT-500C przed przemieszczeniem pokrywy bocznej uzyskano przebieg, w którym moŝna zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 200 Hz, a więc w pobliŝu 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 3.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 moŝna zaobserwować zmodulowania o częstości ok. 175 Hz, a więc w pobliŝu pierwszej harmonicznej znamionowej prędkości obrotowej świadczącej o istnieniu pewnej niewielkiej mimośrodowości zawieszenia wirnika względem stojana. Z chwilą ustawienia mimośrodu a = 0,4 mm (tablica 3.1, p. 13) wartość amplitudy wahań przebiegu częstotliwości chwilowej F zwiększa się z poziomu 0,24 Hz (0,067%) do 0,52 Hz (0,52%). 13

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 Przy zwiększaniu wartości mimośrodu osi obrotu wirnika względem osi symetrii stojana moŝna zauwaŝyć zwiększającą się amplitudę modulacji przebiegu częstotliwości chwilowej o okresie równym drugiej harmonicznej prędkości obrotowej. Amplituda tych zmodulowań zwiększa się wraz ze wzrostem wartości mimośrodu. Na podstawie pomiarów praktycznych oraz wyliczeń teoretycznych opracowano parametry graniczne dla niektórych typów przetwornic elektromaszynowych tablica 3.2. Tablica 3.2 Wykaz parametrów stanów granicznych uzyskanych metodą częstotliwościową Lp. Typ wady 1 Zmniejszony docisk szczotek Klasa PAG-1F PT-500C PO-750 F f śr f p F f śr f p F f śr f p Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz A <10 >380 0,2 <10 >380 0,1 < 8 >390 0,1 B 10 25 350 0,02 10 25 360 0,025 8 15 370 0,025 380 380 390 C >25 <350 >25 360 > 15 370 2 Przekoszenie A < 0,3%f ś - 400 < 0,3%f ś - 400 - - - B 0,3-400 0,3-400 - - - 0,8%f ś 0,8%f ś C 0,8-400 0,8-400 - - - 1,1%f ś 1,1%f ś D >1,1%f ś - 400 >1,1%f ś - 400 - - - 3 Mimośród A < 0,3%f ś - 200 < 0,3%f ś - 200 < 0,2%f ś - 200-200 0,3-200 0,2-200 - 200 0,8-200 0,4-200 B 0,3 0,8%f ś 0,8%f ś 0,4%f ś C 0,8 1,1%f ś 1,1%f ś 0,5%f ś D >1,1%f ś - 200 >1,1%f ś - 200 >0,5%f - 200 ś 3.4. 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), w miarę upływu czasu liczonego od zaprzestania dostarczania energii zewnętrznej, poszczególnych par kinematycznych sprzęŝonych ze sobą, poprzez kolejne coraz niŝsze znamionowe prędkości (rys. 3.11); dla kaŝdej z tych prędkości obserwuje się róŝne zjawiska dynamiczne, m.in. objawiają się róŝne lokalne rezonanse mechaniczne (rys. 3.12 ); b) rozpad dynamiki ruchu zespołu napędowego na indywidualnie drgające (w granicach więzów i wynikających z konstrukcji) ogniwa kinematyczne. 14

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych Rys. 3.11. 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 takŝe w instrukcjach eksploatacyjnych statków powietrznych zawartych jest wiele ograniczeń czasu dobiegu (w instrukcjach silnikowych nazywany jest czasem wybiegu) dla maszyn obrotowych. Zgodnie z praktyką oraz z danymi literaturowymi, im krótszy jest czas dobiegu, tym większe są momenty oporów łącznych danego zespołu mechanicznego. W ten sposób wiele instrukcji zaleca sprawdzenie węzłów łoŝyskowych wirników. Poza tym w czasie dobiegu następuje naturalny rozpad wszystkich podzespołów zespołu napędowego na niezaleŝne pary kinematyczne. Pary te wykonują, w duŝej części wzajemnie niezaleŝne od sąsiednich par kinematycznych, wahania kątowe, zwane drganiami swobodnymi. Czas tłumienia tych wahań jest zaleŝny od składowej tarcia suchego oraz od składowej tarcia wiskotycznego, czyli mokrego, oraz ewentualnego tłumienia powietrza (przy wyŝszych poziomach prędkości obrotowej). Częstotliwość takich wahań jest zaleŝna od wielu czynników, jak np.: momentu bezwładności im większe momenty bezwładności, tym większy okres wahań własnych, czyli mniejsza częstotliwość; spręŝystości im większy współczynnik spręŝystości (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. MoŜliwe jest więc wzbudzenie i zlokalizowanie wzbudzeń rezonansowych poszczególnych podzespołów mechanicznych przetwornicy, np. podpór łoŝyskowych. Ich lokalizowanie i obserwowanie jest bardzo istotne z punktu widzenia określenia ich Ŝywotności i wystawienia wiarygodnej prognozy eksploatacyjnej. Dla podpór łoŝyskowych wykładnikiem stanu zagroŝenia jest dobroć mechaniczna Q układu rezonansowego jeŝeli Q > 10, to wskazane jest odsunięcie danego zespołu od eksploatacji. JeŜeli częstotliwość wymuszeń jest zbliŝona do częstotliwości drgań (swobodnych) własnych układu, moŝe zaistnieć niebezpieczeństwo wystąpienia rezonansu. Wały maszynowe ze względu na skokowo zmienny przekrój poprzeczny, cięŝar własny, niewywaŝenie zawieszonych mas i luzy w łoŝyskach, stanowią złoŝony układ drganiowy. Drgania rezonansowe jednego elementu oddziałują na inne elementy układu. W takim układzie istnieje kilka prędkości krytycznych (rys. 3.12), które oblicza się zazwyczaj metodami przybliŝonymi. JeŜeli 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 (3.4) NapręŜenia powstające w wyniku drgań rezonansowych mogą doprowadzić do uszkodzeń zmęczeniowych. Prędkość kątowa, przy której występuje rezonans, nosi nazwę prędkości krytycznej (ω kr22 ), którą moŝna wyrazić wzorem: ω kr2 = (g/l) 1/2 (3.5) 15

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 co w praktyce inŝynierskiej moŝna wyrazić zaleŝnością: n kr 300 (1/f) [obr/min] (3.6) gdzie: f statyczna strzała ugięcia [cm], g przyśpieszenie ziemskie. NaleŜy wyraźnie podkreślić, Ŝe wały nie powinny pracować z tą prędkością obrotową. Ich praca powinna odbywać się z tzw. prędkością znamionową, która róŝni się przynajmniej o 15% od ω kr2. Orientacyjnie dopuszczane strzałki ugięcia mają wartość: (0,0002 0,0003) l wały maszynowe, (0,005 0,01) m u wały przekładni zębatej, gdzie: l odległość między sąsiednimi podporami, m u moduł zazębień. Rys. 3.12. 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} na przykładowym zobrazowaniu analizy Fouriera A = f(n) 3.5. Projekt koncepcyjny testerów do diagnozowania stanu technicznego przetwornic Proponowany system diagnostyczny o roboczym oznaczeniu SD-PTE, w tym elektroniczny tester przetwornic elektromaszynowych oznaczony symbolem ETP oraz baza danych do zbierania i ewidencjonowania danych BD-PTE, umoŝliwi automatyzację procesu diagnostycznego, zapewniającą prawidłową eksploatację lotniczych przetwornic elektromaszynowych, ograniczając jednocześnie udział obsługi do minimum. Tester będzie wykorzystywał wszystkie dotychczas stosowane metody diagnostyczne (stosowane dotychczas w czasie badań kompleksowych), zarówno klasyczne, jak i częstotliwościowe. Dodatkowo przewiduje się wykorzystanie parametrów okresu dobiegu wirnika przetwornicy wykorzystana byłaby cecha odwracalności silnika prądu stałego przejście z pracy silnikowej na prądnicową. Pomiar diagnostyczny byłby więc realizowany metodą FDM-A [4], bazującą na analizie dynamiki częstotliwości składowej pulsacji [14, 16-18]. W tym celu w momecie wyłączenia zasilania przetwornicy zasilone musiałoby być uzwojenie wzbudzenia silnika. Mierzone byłyby takie parametry, jak: a) całkowity czas do zatrzymania wirnika (świadczący o ogólnej sprawności łoŝysk); b) zmiany wysokości zbiorów charakterystycznych. Analiza parametrów poszczególnych składowych pulsacji umoŝliwiłaby stwierdzanie i ewentualną lokalizację takich uszkodzeń, jak: zwarcie w uzwojeniach, przerwa w uzwojeniach, zuŝycie łoŝysk tocznych [4]. Tester ETP umoŝliwi wskazanie stopnia zuŝycia poszczególnych podzespołów przetwornicy zamontowanej na pokładzie statku powietrznego. W bazie danych BD-PTE będzie moŝliwe ewidencjonowanie danych przyporządkowanych do poszczególnych przetwornic i statków powietrznych. Równocześnie będzie się tu odbywała obróbka statystyczna danych. MoŜliwe będzie takŝe śledzenie zuŝycia poszczególnych podzespołów 16

Diagnozowanie elektromechanicznych przetwornic lotniczych w funkcji czasu nalotu, a takŝe będą przedstawiane zbiorcze wykazy stanu technicznego przetwornic na wszystkich statkach powietrznych danej eskadry lotniczej. UmoŜliwi to przejście z dotychczasowego systemu eksploatacji przetwornic wg resursu na eksploatację według stanu technicznego, co przyniesie wymierne efekty ekonomiczne. Znaczna liczba przetwornic poddawana dotychczas remontowi kalendarzowemu będzie mogła być eksploatowana dłuŝej bez remontu. Eksploatacja wg stanu technicznego z okresowym monitorowaniem stanu technicznego dodatkowo umoŝliwi uniknięcie awarii przetwornic podczas lotu, co wydatnie wpłynie na realizację zadań lotniczych oraz poprawi poziom bezpieczeństwa lotów. Literatura 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. 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. 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. Z.16. 2003. 5. Gębura A.: Diagnostic of aircraft power transmission track based on the analysis of generator s frequency. Journal of Technical Physics. No. 1. 2002. 6. Gębura A.: Modulacja częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy a stan techniczny układu napędowego. Prace Naukowe ITWL. Z. 4. 1998. 7. Gębura A.: Przekoszenia połączeń wielowypustowych a modulacja częstotliwości prądnic. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, Z. 4(120). 1999. 8. Gębura A.: Związki modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy z wybranymi wadami układu napędowego. Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym; red. M. Orkisz, Wydawnictwo Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin 2000. 9. Gębura A., Falkowski P., Kowalczyk A., Lindstedt P.: Diagnozowanie skrzyń napędowych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. Z. 4. 1997. 10. Gębura A., PraŜmowski W., Kowalczyk A., Falkowski P., Głowacki T., Budzyński P., Pisarska K.: Sprawozdanie z pracy określenie związków pomiędzy parametrami jakości energii prądnic pokładowych a stanem zuŝycia skrzyń napędowych, niepublikowane, nr BT ITWL 11818/I. Warszawa 1997. 11. Gębura A., PraŜmowski 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 zuŝycia skrzyń napędowych część I, niepublikowane, nr BT ITWL 12023/I. Warszawa 1997. 12. Gębura A., Tokarski T.: Sprawozdanie z pracy Badanie trwałości lotniczych urządzeń 17

Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej. Tom 8 elektroenergetycznych badanie przetwornic lotniczych, niepublikowane, nr BT ITWL 19/50. Warszawa 2000. 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. 18. Wróbel T.: Studium zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych o wyjściu stałoprądowym. Dodatek do Biuletynu WAT nr 6(298), Warszawa 1977. 18