Andrzej GĘBURA Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych CECHY DIAGNOSTYCZNE SKŁADOWEJ PULSACJI PRĄDNIC PRĄDU STAŁEGO W pracy omówiono 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. Przedstawiono również opracowaną przez autora i wdrożoną pod jego kierunkiem metodę diagnostyczną 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 zespołu napędowego LUZES-III 1, w którym rolę prądnicy obserwatora pełniła lotnicza prądnica GSR- ST-12000 WT. Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, metoda diagnostyczna FDM-A, zwarcie elektryczne, pulsacja komutatorowa, pulsacja żłobkowa, pulsacja biegunowa, prądnica komutatorowa prądu stałego. 1. Wstęp Charakterystyka pulsacji prądnicy prądu stałego 1 LUZES-III - Lotniskowe Urządzenie Zasilania Elektroenergetycznego Samolotów, opracowane w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych w Warszawie.
a) b) Rys. 1. Wirnik z dwoma zwojami i komutatorem o czterech wycinkach oraz wykres siły elektromotorycznej między szczotkami tak uzwojonej maszyny W klasycznym, szkolnym ujęciu, prądnicę komutatorową prądu stałego przedstawia się w postaci schematu rys. 1a, zaś przebieg jej siły elektromotorycznej jak na rys.1a. Prądnica komutatorowa prądu stałego składa się z: nieruchomego stojana, który poglądowo można przedstawić jako pary magnesów stałych (rys. 1b: N biegun północny, S biegun południowy) wytwarzających stałe pole magnetyczne, o natężeniu B i zwrocie od N do S ; wirnika obracanego zewnętrzną siłą mechaniczną z prędkością ω 2. Na wirniku nawinięte są zwoje, w których indukuje się siła elektromotoryczna e. Indukującą się tu siłę elektromotoryczną (SEM) można opisać wzorem: e = k B sin(ω 2 t) (1)
gdzie: k współczynnik konstrukcyjny danej prądnicy, B indukcja magnetyczna, ω 2 chwilowa prędkość kątowa wirnika prądnicy; komutatora, czyli zamocowanego na wirniku pierścienia wykonanego z materiału elektrycznie przewodzącego; pierścień ten jest pocięty na segmenty, które są od siebie odizolowane elektrycznie tworzące tzw. klepki komutatora; do każdej klepki jest przyłączony koniec zwoju; komutator pełni rolę mechanicznego prostownika prądu; szczotek elektrycznych + i - na rys. 1a, które ślizgają się po klepkach komutatora. Do szczotek przyłączone są przewody przekazujące prąd do obwodów odbiorników. W celu zwiększenia wartości indukcji B, układa się zwoje wirnika na rdzeniu wykonanym z pakietu blach krzemowych, uzyskując w ten sposób wzmocnienie wartości SEM (e) około 10.000 razy. Aby zwoje na wirniku były dobrze mechanicznie związane z rdzeniem, układa się je w specjalnie wykonanych rowkach zwanych żłobkami. W przekroju poprzecznym rdzenia wirnika żłobki te mają kształt zębów, stąd dalej stosowano pojęcie zęby wirnika. Porównanie przebiegu teoretycznego funkcji opisanej wzorem (1) - rys. 1b, z przebiegiem rzeczywistym składowej pulsacji prądnicy komutatorowej 2 (rys. 2) nie wykazuje żadnego podobieństwa między nimi. Dzieje się tak dlatego, że w nieobciążonej prądnicy komutatorowej prądu stałego dominują pulsacje żłobkowe, a nie komutatorowe. Oba typy pulsacji przedstawiono na rys. 3. Pulsacje żłobkowe powstają w wyniku zmiany reluktancji, wywołanej wirowaniem uzębionego wirnika. Częstotliwość pulsacji żłobkowych f Ż zgodnie z [1-4] można wyrazić wzorem: f Ż =Ż n/60 (2) gdzie: Ż liczba żłobków wirnika, n prędkość obrotowa 3 [obr/min]. 2 Przedstawiono przebieg napięcia wyjściowego dla prądnicy typu GSR-ST-12000 WT. 3 W niniejszym opracowaniu można przyjąć n/60=ω 2 (rys. 2).
Rys. 2. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000WT przy obciążeniu minimalnym (I = 1 A) Pulsacje biegunowe w literaturze [1-3] łączone są z tzw. pulsacjami obrotowymi, ze względu na ich wzajemne podobieństwo. Zjawisko pulsacji biegunowych i obrotowych jest widoczne w postaci zmodulowań amplitudy na przebiegu napięcia wyjściowego komutatorowej prądnicy prądu stałego, o czym świadczą zmiany przebiegu obwiedni przedstawionego na rys. 2a. Częstotliwość tej modulacji jest wprost proporcjonalna do iloczynu liczby biegunów stojana oraz prędkości kątowej wirnika, natomiast głębokość amplitudy jest proporcjonalna do zmian reluktancji magnetycznej między wirnikiem a stojanem. Częstotliwość pulsacji biegunowych f b można wyrazić wzorem: f b =2p n/60 (3) gdzie: p liczba par biegunów magnetycznych stojana
Rys. 3. Kształt pulsacji dla prądnicy prądu stałego: a) rozwinięcie elementów mechanicznych węzła komutatora; b) przebieg pulsacji komutatorowych U x = f(t); c) przebieg pulsacji żłobkowych (linia ciągła) U z = f(t) z zanaczeniem pulsacji komutatorowych (linia przerywana) Sygnał modulacji biegunowych niesie informacje o anizotropii 4 blach obwodu magnetycznego prądnicy. W literaturze specjalistycznej modulację biegunową zazwyczaj łączy się z modulację obrotową, która charakteryzuje się tym, że częstotliwość tego typu zmodulowania jest równa częstotliwości pierwszej, ewentualnie drugiej harmonicznej (w pewnych przypadkach pierwszej podharmonicznej) prędkości obrotowej wirnika prądnicy. Sygnał modulacji obrotowej niesie natomiast informację diagnostyczną o błędach: 4 Jest to geometryczne zróżnicowanie przenikalności blach magnetycznych obwodu magnetycznego prądnicy. Blachy te w kierunku walcowania mają większą przenikalność magnetyczną niż w kierunku poprzecznym.
wykonania prądnicy, zwłaszcza o niedokładności wymiarów geometrycznych, przejawiającej się asymetrią szczeliny powietrznej między stojanem a wirnikiem; geometrii montażu prądnic, takich jak błędy montażu prądnicy (błąd równoległego przesunięcia osi wału wirnika prądnicy i osi wału napędowego zwany niekiedy błędem mimośrodowości oraz błąd kątowego przesunięcia osi wału wirnika prądnicy i wału napędowego). W celu zmniejszenia pulsacji biegunowych oraz obrotowych zaleca się [2] : - stosowanie selekcjonowanych łożysk tocznych ze zmniejszonym 5 luzem promieniowym, - dokładną obróbkę tarcz łożyskowych prowadzącą do zmniejszenia mimośrodowości osi wirowania wirnika względem osi symetrii stojana, - dokładne ustawianie w procesie montażu symetrii pakietu wirnika w stosunku do osi (błąd nie powinien przekraczać ±0,01 mm), - minimalizację niewyważenia wirnika. 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 i wywołuje okresowe pulsacje napięcia na szczotkach. Częstotliwość tych pulsacji f k zależy od liczby wycinków komutatora, co można wyrazić wzorem [1-2]: f k = K n / 60 (4) gdzie: K liczba wycinków (klepek) komutatora. W wielu opracowaniach [1-4] do pulsacji komutatorowych zalicza się także pulsacje napięcia wywołane przez iskrzenie występujące pod szczotkami w czasie pracy prądnicy. Zjawisko to, opisane w literaturze, 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 6 się pod pole magnetyczne stojana.
Aby zapobiec iskrzeniu pod szczotkami, powstającemu z przyczyn mechanicznych, powierzchnia powinna być szczególnie gładka, a szczotki starannie dotarte 7. Zalecany docisk szczotek co najmniej 300 G/cm 2 [2]. Korzystne jest również ustawienie obok siebie dwóch, połączonych równolegle szczotek. Bicie komutatora powinno być małe, nie przekraczające wartości ±0,02 mm. Należy też odpowiednio dobrać skład 8 materiałowy szczotek węglowych: - zbytnie zwiększanie zawartości miedzi zmniejsza co prawda spadek napięcia przejścia szczotka-klepka komutatora, lecz może być przyczyną zwiększonego iskrzenia [2] i [4], - zwiększanie zawartości sadzy wprawdzie zmniejsza tarcie lecz pogarsza własności mechaniczne. 2. Pulsacje żłobkowe w tworniku Zjawisko różnorodnych pulsacji żłobkowych jest dobrze opisane w literaturze dotyczącej prądnic induktorowych prądu przemiennego [1, 2]. Nie mają one uzwojonego wirnika sygnał użyteczny odbierany jest z uzwojenia nawiniętego na stojanie. Wirnik ma wyfrezowane żłobki (zęby), dzięki czemu odbywa się modulacja natężenia pola magnesów stałych. W prądnicach tych pulsacje żłobkowe są podstawowym zjawiskiem powstawania sygnału użytecznego. Ponieważ nie ma w nich uzwojeń na wirniku, jak w klasycznej komutatorowej prądnicy prądu stałego dlatego powstaje tylko zmienna składowa pulsacji (pulsacje komutatorowe nie występują). Z informacji literaturowych [1-2] wynika, że w celu uzyskania sygnału napięcia wyjściowego maksymalnie zbliżonego do sinusoidy, w prądnicach induktorowych najczęściej stosuje się skośny kształt zęba 9 (rys. 4b). Rzadko w prądnicach induktorowych stosowane są wirniki o żłobkach w kształcie jaskółczego ogona (taki kształt przedstawiono na rys. 4c), gdyż powstaje wówczas niesymetryczny kształt napięcia wyjściowego [1]. Tego rodzaju kształt żłobków jest natomiast powszechnie stosowany w klasycznych 10 komutatorowych prądnicach prądu stałego, 5 Z uwagi na znaczny poziom drgań prądnic lotniczych oraz znaczący poziom udarów podczas lądowania (ok. 4 8 g) łożyska te muszą mieć w stosunku do prądnic stacjonarnych znacznie większy poziom luzów. 6 Konstruktorzy starają się tak zaprojektować prądnicę, aby komutowany zezwój był w strefie magnetycznie obojętnej w czasie zwierania dwóch klepek komutatora (wraz z przytwierdzonym do nich zezwojem) przez szczotkę. 7 Zgodnie z technologiami remontowymi za dotartą uznaje się szczotkę, której powierzchnia styku z komutatorem jest zabłyszczona w 80%. 8 Szczotka węglowa jest sprasowaną pod ciśnieniem mieszaniną: grafitu, miedzi, sadzy i ewentualnie innych dodatków. 9 Chodzi o kształt widoczny na przekroju poprzecznym wirnika. 10 Dotyczy prądnic mocy, tj. prądnic dostarczających energię elektryczną do zasilania urządzeń pokładowych.
ponieważ kształt ten gwarantuje możliwość dobrego mechanicznego mocowania (blokowania) 11 uzwojeń na wirniku. Odcinki czasu między przejściami przebiegu pulsacji żłobkowych przez ustalony poziom odniesienia dla prędkości kątowej wirnika prądnicy ω 2 = const będą zależne tylko od błędu kątowego nacięcia zębów (rys. 2). Ponieważ błędy te pojawiają się cyklicznie po każdym jednym pełnym obrocie wirnika, 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 12 (po odfiltrowaniu ewentualnych błędów nacięcia żłobków wirnika) będą miarą chwilowych zmian prędkości kątowych wirnika. Opisane własności pulsacji żłobkowych stały się powodem do potraktowania ich jako źródła informacji diagnostycznych o stanie technicznym zespołu napędowego prądnicy, co dało podstawę do opracowania metody FDM-A, którą omówiono w dalszej części opracowania. Pomiar wartości amplitudy pulsacji żłobkowych umożliwia lokalizowanie przerw w uzwojeniach wirnika. Z danych zebranych podczas badań własnych autora [7] oraz wynika, że po zerwaniu uzwojenia następuje zmniejszenie wartości względnej (odniesionej do wartości skutecznej napięcia wyjściowego prądnicy U w ) pulsacji żłobkowych δ Ż. Wartość tą można wyrazić wzorem: m=ż δ Ż = Σ (U maxm - U minm ) 100% / Ż U w (5) m=1 gdzie: m liczba naturalna numer kolejnego okresu pulsacji żłobkowych, U maxm maksymalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w danym okresie m, U minm minimalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w danym okresie m, Ż liczba żłobków wirnika. 11 Podczas obciążania prądnic występują znaczne siły (siła F=B I l, gdzie B-indukcja magnetyczna, I natężenie prądu płynącego przez zwój, l długość odcinka zwoju znajdującego się w polu magnetycznym) wyrywające zezwoje ze żłobków, dlatego też w czasie uzwajania wirników prądnic po ułożeniu zezwojów na dnie żłobków wbija się nad nimi kliny blokujące z materiału izolacyjnego. 12 Poziom potencjału e = 0.
Rys. 4. Typowe przebiegi napięcia wyjściowego prądnic induktorowych dla zębów wirnika w kształcie: a) trapezu, b) prostokątnym, c) jaskółczego ogona Równocześnie zachodzą, praktycznie niezauważalne, zwłaszcza dla niższych wartości ω 2, zmiany (zmniejszanie) wartości skutecznej napięcia wyjściowego U w po zerwaniu uzwojenia (tablica 1 - na podstawie danych z [5]). Wartość względna tych zmian przy przerwaniu jednego zwoju wirnika δu w nie przekracza 0,01%. Zorientowanie się o wystąpieniu przerwy w uzwojeniu poprzez pomiar wartości napięcia wyjściowego U w w czasie pracy prądnicy na pokładzie statku powietrznego przez załogę jest zupełnie niemożliwe gdyż jednocześnie działa regulator napięcia.
Całkowicie możliwe jest - jak wynika z doświadczeń zespołu kierowanego przez autora - przy pomocy aktualnie posiadanej aparatury pomiarowej, mierzenie amplitudy pulsacji żłobkowych i wykrywanie przerw w uzwojeniach wirnika. Parametry pulsacji żłobkowych przed i po zerwaniu uzwojenia GSR-ST-12000 WT ω 2 obr min 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 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 U 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 δ ż % 1,3 2,2 0,9 1,8 1,1 1 1,6 1,6 0,9 1,1 1,1 0,8 Tablica 1. Uwagi dotycz. uzwojeń Sprawne Zerwanie Wskaźniki dotyczące porównania parametrów przed i po zerwaniu Przerwanie uzwojenia powoduje zmniejszanie się wartości pulsacji żłobkowej (tablica 1 wskaźnik δ ż ) od 0,8% do 1,5%, co przy posiadanej przez pracownię aparaturze o klasie 0,1% jest całkowicie mierzalne. Możliwe jest także opracowanie półautomatycznego elektronicznego testera diagnostycznego. 3. Pulsacje biegunowe Zjawisko pulsacji biegunowych można dobrze zaobserwować na krzywej przebiegu napięcia wyjściowego [5] prądnicy prądu stałego w postaci modulacji amplitudy - rys. 2. Częstotliwość modulacji jest wprost proporcjonalna do iloczynu liczby biegunów stojana oraz prędkości kątowej wirnika, a głębokość amplitudy proporcjonalna do zmian reluktancji magnetycznej między wirnikiem a stojanem. Sygnał ten niesie informacje o anizotropii blach obwodu magnetycznego prądnicy. Modulacja może spowodować niewielkie błędy pomiaru T i. Z uwagi na swoją powtarzalność, charakterystyczną dla danego egzemplarza prądnicy, jest łatwa do odfiltrowania. Względna wartość pulsacji biegunowej δ b można wyrazić wzorem : δ b = {(U maxo -U mino )100 / (U maxo + U mino )} MAX (6) gdzie: o liczba naturalna oznaczająca tutaj numer kolejnego okresu pulsacji biegunowej; U maxo maksymalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji w okresie o;
U mino minimalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji w danym okresie o. Pulsacje biegunowe niosą ze sobą kilka informacji diagnostycznych: a) parametr fazy informuje o ewentualnych błędach rozkładu geometrycznego nabiegunników stojana, b) amplituda pulsacji (przebiegu obwiedni na rys. 2) świadczy, ogólnie ujmując, o nierównomierności rozkładu pola magnetycznego pod biegunami magnetycznymi stojana, a w pewnych przypadkach również o zwarciu lub przerwaniu uzwojeń wirnika lub stojana: - jeżeli amplituda pulsacji biegunowych osiąga, równomierne w całym okresie, zwiększone wartości zbliżone do amplitudy pulsacji żłobkowych wirnika, oznacza to przeciążenie jednego zwoju na skutek zwiększonej upływności jego izolacji lub częściowego zwarcia z masą albo między zwojami wirnika w danym żłobku; - jeżeli amplituda pulsacji biegunowych osiąga nierównomierne w całym okresie wartości, np. na jeden obrót wirnika jedna wartość szczytowa tej obwiedni ulega zmniejszeniu, oznacza to 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 wirnika, zmniejszeniu (tabl. 2) może to sygnalizować zerwanie uzwojenia wirnika. 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. Parametry pulsacji biegunowych przed i po zerwaniu uzwojenia GSR-ST-12000 WT Tablica 2. ω 2 obr/ 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 Uwagi min dotycz. uzwojeń 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 Sprawne 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 Zerwane δ b % 0,6 1 0,3 1,1 0,7 0,5 0,6 0,9 0,7 0,8 0,6 0,8 Porównanie 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 punkcie. 4. Pulsacje komutatorowe Zjawisko pulsacji komutatorowych nie jest wykorzystywane w metodzie FDM-A [6 7], ponieważ zostało uznane jako sygnał zakłócający. Dotychczasowe badania przeprowadzone pod kierunkiem autora [5, 8]] wykazały, że wartość amplitudy tych pulsacji jest wprost proporcjonalna do poziomu obciążenia prądowego. Na rys. 3 przedstawiono wzajemne zależności pomiędzy pulsacją komutatorową, żłobkową, położeniem żłobków wirnika i klepek komutatora. Z badań przeprowadzonych z użyciem prądnicy GSR-ST-12000 WT wynika, że przy prądzie obciążenia prądnicy poniżej 10% wartości znamionowej - amplituda pulsacji komutatorowych (rys. 3b) jest prawie niezauważalna na tle pulsacji żłobkowych (rys. 3d); przy obciążeniu rzędu 10% pulsacje są ledwie widoczne na przebiegu napięcia wyjściowego. Przesunięcia kątowe poszczególnych półsinusoid pulsacji komutatorowych (rys. 3d) zmieniają się względem pulsacji żłobkowych oraz ulegają indywidualnym przesunięciom kątowym podczas wibracji mechanicznych szczotek w szczotkotrzymaczu oraz w czasie obciążania prądowego prądnicy. W związku z powyższym pulsacje komutatorowe nie mogą być wykorzystywane do diagnozowania wielkości wad par kinematycznych zespołu napędowego. Mogą służyć natomiast jako źródło informacji diagnostycznych innych wad i uszkodzeń, np. węzła komutatorowo-szczotkowego. Rys. 5. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000WT przy obciążeniu znamionowym
Rys. 6. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-120000Wt przy zwarciu uzwojenia w wirniku Przy obciążeniu znamionowym 13 (rys. 5) wartość szczytowa pulsacji komutatorowych osiąga poziom około 50% pulsacji żłobkowych. Oznacza to, że śledząc przesunięcia fazowe pulsacji komutatorowych w przyszłości będzie można diagnozować stan węzła komutatorowo szczotkowego prądnicy. Ciekawych danych dostarczyły próby kontrolowanego zwarcia w wirniku. Z chwilą zwarcia uzwojenia pośrodku jednego z uzwojeń wirnika okazało się, że dominującą amplitudowo stała się pulsacja biegunowa (rys. 6 - składowa wolnozmienna), a drugą w kolejności pulsacja komutatorowa (rys.6 - szybkozmienna). O ile jednak składowa pulsacji biegunowej była stabilna pod względem częstotliwości i amplitudy, to składowa pulsacji komutatorowej przybierała największą wartość w momencie przechodzenia pod kolejnym biegunem stojana prądnicy. Jednoznaczna zmiana relacji pomiędzy amplitudami składowych pulsacji umożliwi prawdopodobnie w niedługim czasie wykrywanie zwarć w wirnikach prądnic komutatorowych. W przyszłości możliwe będzie również opracowanie automatycznego elektronicznego testera. 5. Opis metody diagnostycznej FAM-C oraz FDM-A Pełny opis metody diagnostycznej FAM-C zawarto w [6], [7], [9-14]. Celowe jest jednak podsumowanie najważniejszych jej elementów niezbędnych do zrozumienia kontekstu zagadnień poruszanych w artykule. Każdej wadzie montażowej lub zużyciowej, np. przekoszeniu połączeń wielowypustowych skrzyń napędów towarzyszy zmodulowanie wyjściowej prędkości kątowej. Okres zmodulowań jest charakterystyczny dla typu wady i kątowej prędkości znamionowej danej pary. Amplituda 13 Dla prądnicy GSR-ST-12000 WT wynosi ona 300A.
zmodulowań jest natomiast proporcjonalna do wielkości określonej wady. Zmodulowania te przenoszone są, poprzez układ transmisji, do wirnika prądnicy. W uzwojeniach wirnika indukuje się siła elektromotoryczna. Prądnica lotnicza, będąca maszyną synchroniczną, odzwierciedla zmiany chwilowej prędkości kątowej (rys.7a) w postaci modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego (rys. 7b). Mierząc przyrosty czasu pomiędzy kolejnymi przejściami przez poziom zero (rys.7b, punkty 1-2, 2-3, 3-4 itd.) i odkładając podwojoną ich odwrotność na płaszczyźnie współrzędnych prostokątnych (t, f i ), otrzymuje się zbiór (rys. 7c) odzwierciedlający, w sposób dyskretny, przebieg zmian prędkości wirnika prądnicy (rys. 7a). Dla każdego odchylenia (rys. 7b) można przyporządkować dwa parametry: * czas odchylenia t odi, * amplitudę odchylenia F. Czas odchylenia można zastąpić częstotliwością procesu f p zgodnie ze wzorem: f pi =1/(2t odi ) (7) Każde odchylenie (rys. 7b) może być przedstawione na płaszczyźnie (f p, F) - rys. 7c. Punkty na płaszczyźnie (f p, F), otrzymywane z pomiarów na obiektach rzeczywistych, mają tendencję do grupowania się w zbiory. Ponieważ każdy z nich charakteryzuje inny podzespół układu napędowego, stąd nazwano je zbiorami charakterystycznymi [13]. Wysokość (rozpiętość) każdego zbioru W F charakteryzuje wielkość wady danego podzespołu (np. wielkość skoszenia wałów transmisji, natomiast miejsce przecięcia osi odciętych (f p ) przez oś symetrii zbioru wyznacza częstotliwość kinematyczną, umożliwiającą lokalizację danego elementu na schemacie kinematycznym zespołu napędowego.
Rys. 7. Sposób tworzenia punktów charakterystycznych na płaszczyźnie (f p, F): a) zmiana napięcia wyjściowego w czasie, b) zmiana wyjściowej prędkości kątowej wirnika prądnicy i odwzorująca ją zmiana częstotliwości, c) punkty charakterystyczne na płaszczyźnie (f p, F W metodzie FDM-A najpierw odfiltrowuje się z sygnału wyjściowego prądnicy prądu stałego składową zmienną, którą poddaje się analogicznej obróbce, jak w metodzie FAM-C. Należy tu jednak zwrócić uwagę na pewne różnice w procesie obróbki:
- metoda FAM-C wykorzystuje sygnał wyjściowy prądnicy prądu przemiennego. Sygnał ten charakteryzuje się naturalnym poziomem zerowym w miejscu przecięcia przebiegu napięcia wyjściowego z tym poziomem zliczane są przyrosty czasu. Dla składowej pulsacji sygnału napięcia wyjściowego prądnicy prądu przemiennego przyjmuje się sztuczny poziom zerowy. W dotychczasowych aplikacjach poziom ten, nazywany linią odniesienia (rys. 2a), wyznaczany był z reguły pól. Poziom ten został tak dobrany, aby pola powierzchni składowej pulsacji pod i nad tą linią były sobie równe; - w metodzie FAM-C konstrukcja prądnicy prądu przemiennego gwarantuje symetrię dolnej i górnej połówki okresu przebiegu, w związku z czym można tu opierać się na zliczaniu przyrostów czasów poszczególnych półokresów przebiegów rys. 2 ( t c1, t c2...). Dla składowej pulsacji prądnicy prądu stałego taka symetria nie występuje, dlatego w metodzie FDM-A stosuje się zliczanie przyrostów czasów poszczególnych okresów przebiegów rys. 2a ( T 1, T 2...); - prądnice lotnicze, wykorzystywane w metodzie FAM-C (rys. 2), mają znacznie dłuższe czasy trwania półokresów napięcia wyjściowego niż okresy składowej pulsacji prądnic lotniczych wykorzystywanych w metodzie FDM-A (rys. 2). W związku z tym, w praktyce metoda FDM-A charakteryzuje się znacznie większą czułością niż metoda FAM-C za pomocą prądnic prądu stałego można obserwować zjawiska zaburzeń prędkości kątowej o znacznie krótszym czasie trwania. 6. Badania złożonych wad montażowych i zużyciowych układu napędowego LUZES-III 14 14 Jest to układ napędowy złożony z silnika prądu stałego, sprzęgła kłowego oraz jednostopniowej przekładni TUN-75/R; na przekładni tej zamontowana jest prądnica prądu stałego albo przemiennego.
Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 Z 12 Z 13 Z 14 Z 15 Z 20 Z 21 Z 22 Z 23 Z 24 Z 25 49 13 46 18 32 38 31 38 26 18 50 50 43 22 52 Rys. 8. Stanowisko badawcze LUZES-III schemat kinematyczny Badania przeprowadzono na zmodyfikowanej przekładni TUN-75/R [5, 8]. Stanowisko badawcze (rys. 8) składało się z silnika prądu stałego połączonego sprzęgłem kłowym z przekładnią, na której zamontowano prądnicę GSR-ST-120000 WT. Oprzyrządowanie stanowiska umożliwiało zmianę wartości równoległego przesunięcia osi (mimośrodowości), a także skoszenia osi sprzęgła łączącego silnik napędowy z przekładnią. Ponadto, na kole zębatym badanej przekładni wykonano podszlifowania na dwóch zębach 15 w celu zwiększenia luzów międzyzębnych do wartości l i = 0,2m (tj. 0,2 wartości modułu m koła zębatego) i l 2 = 0,4m. Na przebiegu tym f i =f(t) (rys. 9a, 9b) pojawiły się krótkotrwałe wahnięcia ( szpilki ) o czasie powtarzania równym okresowi obrotu koła zębatego, na którym wykonano podszlifowanie. Następnie zwiększano kąt skoszenia osi sprzęgła kłowego przy czym zaobserwowano
zwiększenie wolnozmiennych zmodulowań przebiegu f i = f(t) (rys. 9c). Wraz ze zwiększaniem kąta skoszenia osi sprzęgła kłowego zwiększała się wyraźnie wysokość W F zbioru charakterystycznego (rys.10) o częstotliwości charakterystycznej 16 f p [12] równej: f p = 2 f N /i (8) gdzie: f N częstotliwość znamionowa składowej pulsacji prądnicy; i wartość przełożenia przekładni. Rys. 9. Przebieg zmian częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy GSR-ST-12000WT dla przekładni TUN-75/R przy przekoszeniu sprzęgła kłowego S o kąty otrzymane z pomiaru metodą FDM-A: a) β=0,2 o, b) β=0,2 o z rozszerzoną skalą czasu, c) β=0,5 o 15 Na kole zębatym z 18 (rys. 9). 16 Dla przypadku przedstawionego na rysunku 8 wartość ta wynosiła około 3,1 khz.
Rys. 10. Zobrazowanie zbiorów charakterystycznych metodą pomiaru FDM-A dla przekładni TUN-75/R przy przekoszeniu sprzęgła kłowego S o kąty otrzymane z prądnicy GSR-ST- 12000WT: a) β = 0,2 o ; b) β = 0,2 o z rozszerzoną skalą czasu; c) β = 0,5 o
Kolejno ustawiano poziomy mimośrodowości a w zakresie od 1,7 mm do 3,5 mm. Przebieg zmian częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy GSR-ST-12000 WT dla a = 1,7 mm wykazał wyraźne zmodulowanie z okresem powtarzania równym czasowi pełnego obrotu sprzęgła kłowego, a więc z pierwszą harmoniczną obrotów tego sprzęgła. Równocześnie z tym samym okresem powtarzania pojawiały się podwójne piki częstotliwości od dwóch podszlifowanych zębów widoczne na płaszczyźnie (f p, t) rys. 9. Wraz ze zwiększaniem wartości mimośrodu amplituda zmodulowania również ulega zwiększeniu. Analogicznie zwiększeniu ulegają wysokości zbiorów charakterystycznych (f p, F). 7. Podsumowanie W pracy omówiono różne rodzaje pulsacji napięcia wyjściowego prądnicy prądu stałego. Jakkolwiek w praktyce występują one jednocześnie, to relacje amplitudowo-fazowe między nimi są bardzo zróżnicowane. Specjalistyczna literatura dobrze opisuje osobno każdą z nich. Autor, opierając się na licznych własnych doświadczeniach podjął się próby przedstawienia praktycznych relacjach między nimi. Składowa pulsacji niesie z sobą szereg informacji diagnostycznych, zarówno o stanie technicznym zespołu napędowego, jak i samej prądnicy prądu stałego, o czym praktycznie nie wspomina się w literaturze. Niektóre wskazówki i informacje diagnostyczne, zawarte w pewnych rodzajach pulsacji, są od kilku lat wykorzystywane w praktyce zawodowej przez zespół kierowany przez autora, inne mogą być wykorzystane w przyszłości. Oczywiście będzie to możliwe dopiero po przeprowadzeniu wielu żmudnych badań, umożliwiających znalezienie ścisłych zależności pomiędzy kolejnymi, niezbadanymi jeszcze parametrami wad a parametrami składowej napięcia wyjściowego. W pracy omówiono, stosowaną przez autora od wielu lat, metodę diagnostyczną FDM-A umożliwiającą ocenę diagnostyczną zespołu napędowego prądnicy. Metoda opiera się na pomiarze modulacji pulsacji żłobkowej prądnicy prądu stałego. Punktem wyjścia metody jest założenie, że luzy par kinematycznych oraz błędy wykonania i montażu podzespołów mechanicznych mają swoje odzwierciedlenie w okresowych oscylacjach prędkości kątowej wirnika prądnicy. Charakter zmian tych oscylacji przenosi się na parametry modulacji częstotliwości pulsacji żłobkowej prądnicy pokładowej, w związku z czym możliwe stało się opracowanie metody diagnozowania stanu technicznego elementów łańcucha kinematycznego układu napędowego. Śledząc zmiany modulacji częstotliwości składowej pulsacji napięcia prądnicy komutatorowej prądu stałego, można obserwować zużywanie się poszczególnych ogniw kinematycznych mechanicznego traktu napędowego. Zaproponowany sposób pomiaru modulacji
częstotliwości charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia. Metoda FDM-A (wykorzystująca prądnice prądu stałego) charakteryzuje się znacznie większą czułością niż prądnice prądu przemiennego oraz umożliwia śledzenie rozwoju zużycia przekładni zębatych (luzów międzyzębnych), co przy metodzie FAM-C, wykorzystującej typowe pokładowe prądnice prądu przemiennego, jest nieosiągalne. Jak wykazują badania i analizy wykonane pod kierunkiem autora [15], przy zastosowaniu metody FDM-A możliwe będzie m. in. diagnozowanie stanu łożysk tocznych. BIBLIOGRAFIA 1. Wróbel T.: Studium teoretyczne i eksperymentalne zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych prądu stałego. Dodatek do Biuletynu WAT nr 3(259), Warszawa 1974. 2. Wróbel T.: Studium zagadnienia pulsacji napięcia prądnic tachometrycznych o wyjściu stałoprądowym. Dodatek do Biuletynu WAT nr 6(298), Warszawa 1977 (in Polish). 3. Liwschitz-Garik M.: Direct-current machines D. Van Nostand Company, New York 1962. 4. Plamitzer M.: Maszyny elektryczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1962. 5. 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. 6. 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. 7. Gębura A., Prażmowski W., Kowalczyk A., Falkowski P., Głowacki T., Budzyński P., Pisarska K.: Sprawozdanie z pracy określenie związków pomiedzy parametrami jakości energii prądnic pokładowych a stanem zużycia skrzyń napędowych. Warszawa, czerwiec 1997r, niepublikowane, nr BT ITWL 11818/I. 8. Gębura A., Prażmowski W., Kowalczyk A., Falkowski P., Głowacki T., Budzyński P., Gajewski T., Pisarska K.: Sprawozdanie z pracy określenie związków pomiędzy parametrami jakości energii prądnic pokładowych a stanem zużycia skrzyń napędowych. Część I. Warszawa czerwiec 1997, niepublikowane, nr BT ITWL 12023/I. 9. Gębura A., Falkowski P., Kowalczyk A., Lindstedt P.: Diagnozowanie skrzyń napędowych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, Zeszyt 4/97. 10. Gębura A.: Przekoszenia połączeń wielowypustowych a modulacja częstotliwości prądnic. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, Zeszyt 4/99(120). 11. Gębura A.: Diagnostic of aircraft power transmission track based on the analisys of generator s frequency. Journal of Technical Physics. No. 1/2002. 12. Gębura A.: Modulacja częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy a stan techniczny układu napędowego. Prace Naukowe ITWL, Zeszyt 4/1998. 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, Warszawa 1997. 14. Gębura A.: Związki modulacji częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy z wybranymi wadami układu napędowego. [W:] Turbinowe silniki lotnicze w ujęciu problemowym ; monografia pod redakcją naukową prof. M. Orkisza, Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Lublin 2000, s. 75-94.
15. Gębura A., Tokarski T.: Sprawozdanie z pracy Badanie trwałości lotniczych urządzeń elektroenergetycznych badanie przetwornic lotniczych, Warszawa, grudzień 2000, niepublikowane, nr BT ITWL 19/50. SPIS RYSUNKÓW 1. Rys. 1. Wirnik z dwoma zwojami i komutatorem o czterech wycinkach oraz wykres siły elektromotorycznej między szczotkami tak uzwojonej maszyny 2. Rys. 2. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000 WT przy obciążeniu minimalnym (I 1 A) 3. Rys. 3. Kształt krzywej pulsacji dla prądnicy prądu stałego: a) rozwinięcie elementów mechanicznych węzła komutatora, b) przebieg pulsacji komutatorowych U K = f(t), rozwinięcie żłobków wirnika, c) przebieg pulsacji żłobkowych (linia ciągła) U ż = f(t), z zaznaczeniem pulsacji komutatorowych (linia przerywana) 4. Rys. 4. Typowe przebiegi napięcia wyjściowego prądnic induktorowych dla zębów wirnika w kształcie: a) trapezu, b) prostokątnym, c) jaskółczego ogona 5. Rys. 5. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000 WT przy obciążeniu znamionowym (I 300 A) 6. Rys. 6. Zmiany składowej pulsacji dla prądnicy prądu stałego GSR-ST-12000 WT przy zwarciu uzwojenia w wirniku 7. Rys. 7. Sposób tworzenia punktów charakterystycznych na płaszczyźnie (f p, F): a) zmiana napięcia wyjściowego w czasie; b) zmiana wejściowej prędkości kątowej wirnika prądnicy i odwzorowująca ją zmiana częstotliwości; c)punkty charakterystyczne na płaszczyźnie (f p, F) 8. Rys. 8. Stanowisko badawcze LUZES-III schemat kinematyczny 9. Rys. 9. Przebieg zmian częstotliwości napięcia wyjściowego prądnicy GSR-ST-12000WT dla przekładni TUN-75/R przy przekoszeniu sprzęgła kłowego S o kąty otrzymane z pomiaru metodą FDM-A: a) β = 0,2 o, b) β = 0,2 o z rozszerzoną skalą czasu, c) β = 0,5 o 10. Rys. 10. Zobrazowanie zbiorów charakterystycznych dla przekładni TUN-75/R przy przekoszeniu sprzęgła kłowego S o kąty otrzymane z prądnicy GSR-ST-12000WT: a) β = 0,2 o ; b) β = 0,2 o z rozszerzoną skalą czasu; c) β = 0,5 o metodą pomiaru FDM-A