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