full text pdf

Andrzej GĘBURA
Tomasz RADOŃ
PRACE NAUKOWE ITWL
Zeszyt 33, s. 57÷74, 2013 r.
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych
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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
58
Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ
1. Wstęp – charakterystyka pulsacji prądnicy prądu
stałego
Wiele zalet prądnic prądu stałego, jak: możliwość pracy równoległej, łatwość
współpracy1 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 fk 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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych...
59
fk = 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 się2 pod pole magnetyczne stojana.
Aby zapobiec iskrzeniu pod szczotkami, powstającemu z przyczyn mechanicznych, powierzchnia powinna być szczególnie gładka, a szczotki starannie
dotarte3. Zalecany docisk szczotek to co najmniej 300 G/cm2 [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 skład4 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
3
4
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.
Zgodnie z technologiami remontowymi za dotartą uznaje się szczotkę, której powierzchnia styku z komutatorem jest zabłyszczona w 80%.
Szczotka węglowa jest sprasowaną pod ciśnieniem mieszaniną grafitu, miedzi, sadzy
i ewentualnie innych dodatków.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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 klasycznych5 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 ω2 = 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 ω2 = 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 komuta5
6
Dotyczy prądnic mocy, tj. prądnic dostarczających energię elektryczną do zasilania
urządzeń pokładowych.
Poziom potencjału e = 0.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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 kr = 5 do kr = 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 Uw) pulsacji żłobkowych δż. Wartość tę można wyrazić wzorem:
n =Ż
δ ż =  (Umax −m − Umin−m )100% / mUw
(2)
n =1
gdzie: m
Umax-m
Umin-m
Ż
– numer kolejnego okresu pulsacji żłobkowych, wyrażony liczbą
naturalną;
– maksymalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji,
w danym okresie n;
– minimalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji, w danym okresie n;
– liczba żłobków twornika.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
Pulsacje napięcia wyjściowego jako źródło informacji diagnostycznych...
63
Równocześnie, zmiany wartości skutecznej napięcia wyjściowego ΔUw po zerwaniu uzwojenia (tabela 1) są praktycznie niewykrywalne przy pomocy woltomierza, zwłaszcza dla niższych wartości ω2 – wartość względna tych zmian δUw nie
przekracza 0,01%. W tej sytuacji, uwzględniając nawet dodatkowo działanie regulatora7 napięcia, niemożliwe staje się stwierdzenie przerwy w uzwojeniu poprzez
pomiar wartości napięcia wyjściowego Uw 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
ω2→
[obr/min]
Parametry pulsacji żłobkowych przed i po zerwaniu uzwojenia GSR-ST-12000 WT [2, 4]
4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500
Uws
[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
δż
[%]
6,3
Uwz
[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
δż
[%]
5,0
3,6
4,7
4,0
4,4
4,6
4,1
4,2
4,5
4,3
4,8
4,7
ΔUw
[V]
0
0
0
-0,4
0
0,1
0,2
-0,3
0
0
0,1
0,4
δUw
[%]
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
Δδż
[%]
1,3
Uwagi
Sprawne
5,8
5,6
5,8
5,5
5,6
5,7
5,8
5,4
5,4
5,9
5,5
Zerwanie
7
8
2,2
0,9
1,8
1,1
1
1,6
1,6
0,9
1,1
1,1
8
0,8
Opóźnienie działania regulatorów węglowych jest rzędu 30÷50 ms, regulatorów elektronicznych ok. 3÷20 ms.
Porównania przyrostów parametrów przed zerwaniem uzwojenia i po nim.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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 ΔTi. Z uwagi na swoją powtarzalność, charakterystyczną dla danego egzemplarza prądnicy, jest łatwa do odfiltrowania. Względną wartość pulsacji biegunowej δb można wyrazić wzorem:
δb = {(Umax-o – Umin-o )100 / (Umax-o + Umin-o)}MAX
(3)
gdzie: o
– liczba naturalna oznaczająca numer kolejnego okresu pulsacji
biegunowej;
Umax-o – maksymalna wartość chwilowa napięcia składowej pulsacji,
w okresie o;
Umin-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:
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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
ω2 →
[obr/min]
Parametry pulsacji biegunowych przed zerwaniem uzwojenia i po nim GSR-ST-12000 WT
4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500
Uw1
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
δb1
%
4,2
4,2
3,9
4,4
4,1
4,1
4,0
4,4
4,1
4,1
4,3
4,3
Uw2
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
δb2
%
3,6
3,2
3,6
3,3
3,4
3,6
3,4
3,5
3,4
3,3
3,7
3,5
Δδb
%
0,6
1
0,3
1,1
0,7
0,5
0,6
0,9
0,7
0,8
0,6
0,8
Uwagi
Sprawne
Zerwane
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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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)
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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 wybiegającej9.
Istotnym uzupełnieniem może być rejestracja przebiegów. Napięcie, jakie
powstaje w chwili przerwania obwodu RL, w którym płynie prąd, można opisać
zależnością:
u(t) = Lc ⋅I0⋅ δ(t)
(4)
gdzie: Lc – indukcyjność cewki,
I0 – przerwany prąd,
δ(t) – delta Diraca.
W warunkach rzeczywistych zawsze obok indukcyjności występuje pewna
pojemność własna Cw i upływność Gw. Wówczas:
u(t) = I0 ⋅ e-αt ⋅ sin ωot / ωo ⋅ Cw
(5)
ω0 = (1/ Lc⋅ Cw – a2)1/2
(6)
gdzie:
9
Krawędź wybiegająca szczotki komutatorowej – krawędź, spod której „wybiegają” kolejne działki komutatora w czasie jego obracania.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
68
Andrzej GĘBURA, Tomasz RADOŃ
Zgodnie z [10] napięcie, jakie powstaje w chwili przerwania obwodu RL, którym płynie prąd, można opisać równaniem:
a = Gw / C w
(7)
a2 << 1/ Lc⋅ Cw
(8)
Umax ≈ I0⋅ (Lc⋅ Cw)
(9)
gdzie prawie zawsze:
więc:
Występująca w powyższym wyrażeniu indukcyjność Lc 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 Lc. 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
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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
znamionowym10 (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 ma10
Dla prądnicy GSR-ST-12000 WT wynosi ona 300 A.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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 Pk1 większej
średnicy, po pewnym okresie eksploatacji średnica ulega zmniejszeniu do Pk2 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 (K4 oraz K5), na końcu okresu eksploatacji trzy (K4, K5, K6). Istotnym elementem dla diagnosty jest niedopuszczanie do dalszej eksploatacji takich prądnic komutatorowych, w których
powstało zbyt głębokie wyżłobienie11 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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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
Pk2
Sz
Pk1
gsz
m3
K3
m2
K2
m2
K1
m1
K4
K5
K6
K7
gm1
Rys. 5. Zmiana geometrii liczby komutowanych wycinków komutatora na skutek ściernego
zmniejszania wysokości tych wycinków: Sz – szczotka węglowa, spr – sprężyna
dociskowa, K1, K2 ... K7 – kolejne wycinki komutatora, Pk1 – powierzchnia komutatora na początku eksploatacji, Pk2 – powierzchnia komutatora na końcu okresu
eksploatacji, gsz – grubość szczotki, m1, m2, m3... – 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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM
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.
Unauthenticated
Download Date | 7/18/17 1:53 PM