CN106291359A - 一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***及方法 - Google Patents

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宋立业
刘昕明
彭继慎
田军凯
吕东东
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    • G—PHYSICS
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Abstract

一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***及方法，属于安全监测技术领域；包括传感器模块、信号调理模块、数据处理模块、无线发射模块、电源和显示监测单元；传感器模块检测发电机碳刷电流和碳刷温度，输出电压信号；信号调理模块将电压信号的幅值进行压缩和去噪声；数据处理模块将电压信号转换为发电机碳刷电流和碳刷温度，并通过无线发射模块发送给显示监测单元进行实时显示和监测；本发明将传感器安装到发电机碳刷刷架，不影响机组的正常运行，便于传感器组件更换；发电机碳刷的电流和温度数据可实时显示，无需人工检查，便于及时采取措施排除发电机碳刷故障；碳刷电流和碳刷温度数据采用无线传输，避免了现场冗杂的接线，便于安装。

Description

一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***及方法
技术领域
本发明属于安全监测技术领域，具体涉及一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***及方法。
背景技术
大型的发电机组在长期运行过程中，励磁碳刷电流会出现不平衡现象，引发个别碳刷发热，由于碳刷材料石墨具有负温度特性，如果不及时处理，发热情况会越来越严重，导致碳刷烧毁甚至引发环火事故。目前发电行业对碳刷的监控普遍采取人工定期巡检的办法，不仅浪费大量人力物力，效率低下，而且不能及时发现问题，为安全生产带来隐患。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***及方法。
本发明的技术方案：
一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***，包括：
现场检测装置和显示监测单元；
所述现场检测装置包括：传感器模块、信号调理模块、数据处理模块、无线发射模块和电源；所述传感器模块包括用于检测发电机碳刷电流的霍尔电流传感器和用于检测发电机碳刷温度的温度传感器；
所述霍尔电流传感器和温度传感器设置于发电机上，发电机碳刷通过导线与螺栓连接，螺栓穿过霍尔电流传感器中间通孔并将霍尔电流传感器固定在发电机碳刷架上。温度传感器设置于碳刷附近。霍尔电流传感器和温度传感器输出端分别与信号调理模块的输入端连接；信号调理模块的输出端与数据处理模块输入端连接；数据处理模块输出端与无线发射模块输入端连接；电源与传感器模块、信号调理模块、数据处理模块和无线发射模块连接；无线发射模块与显示监测单元采用无线连接。
所述信号调理模块包括运算放大器和低通滤波器，运算放大器输入端分别与霍尔电流传感器和温度传感器输出端相连；低通滤波器输入端与运算放大器输出端相连，低通滤波器输出端与数据处理模块输入端相连。
采用发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：电源为现场检测装置供电；
步骤2：霍尔电流传感器检测穿过其中间通孔的发电机碳刷电流，并将发电机碳刷电流以电压信号输出；
步骤3：温度传感器检测发电机碳刷温度，并将发电机碳刷温度以电压信号输出；
步骤4：信号调理模块获取霍尔电流传感器和温度传感器输出的电压，并将电压信号的幅值进行压缩；
步骤5：对幅值压缩后的电压信号过滤噪声，将去噪声的电压信号发送给数据处理模块；
步骤6：数据处理模块将去噪声的电压信号转换为发电机碳刷电流和碳刷温度，并发送给无线发射装置；
步骤7：无线发射模块将接收到的发电机碳刷电流和碳刷温度采用无线发射的方式发送给显示监测单元；
步骤8：显示监测单元用于接收位于不同发电机上的现场检测装置发送的碳刷电流和碳刷温度，对碳刷电流和碳刷温度进行实时显示和监测。
有益效果：本发明的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***及方法与现有技术相比，具有如下优势：
(1)直接将霍尔电流传感器安装到发电机碳刷刷架，不影响机组的正常运行，而且便于传感器组件更换；
(2)发电机碳刷的电流和温度数据可实时显示，无需人工检查，便于及时采取措施排除发电机碳刷故障；
(3)碳刷电流和碳刷温度数据采用无线传输，避免了现场冗杂的接线，便于安装，减少了故障的发生。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***结构示意图；
图2为本发明一种实施方式的霍尔电流传感器电气原理图；
图3为本发明一种实施方式的运算放大器-低通滤波器电气原理图，其中，1-运算放大器，2-低通滤波器；
图4为本发明一种实施方式的数字信号处理器电气原理图；
图5为本发明一种实施方式的无线发射模块电气原理图；
图6为本发明一种实施方式的电压源电气原理图；
图7为本发明一种实施方式的电流源电气原理图；
图8为本发明一种实施方式的直流变换器电气原理图；
图9为本发明一种实施方式的SP3232EEN芯片电气原理图；
图10为本发明一种实施方式的现场检测装置的电路接线示意图；
图11本发明一种实施方式的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
如图1所示，本实施方式的一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***，包括：
现场检测装置和显示监测单元；
所述现场检测装置包括：传感器模块、信号调理模块、数据处理模块、无线发射模块和电源；所述传感器模块包括用于检测发电机碳刷电流的霍尔电流传感器和用于检测发电机碳刷温度的温度传感器；
所述霍尔电流传感器和温度传感器设置于发电机上，发电机碳刷通过导线与螺栓连接，螺栓穿过霍尔电流传感器中间通孔并将霍尔电流传感器固定在发电机碳刷架上。温度传感器设置于碳刷附近。霍尔电流传感器和温度传感器输出端分别与信号调理模块的输入端连接；信号调理模块的输出端与数据处理模块输入端连接；数据处理模块输出端与无线发射模块输入端连接；电源与传感器模块、信号调理模块、数据处理模块和无线发射模块连接。
所述信号调理模块包括运算放大器和低通滤波器，运算放大器输入端分别与霍尔电流传感器和温度传感器输出端相连；低通滤波器输入端与运算放大器输出端相连，低通滤波器输出端与数据处理模块输入端相连。
本实施方式中，如图2所示，霍尔电流传感器型号为WCS-1500。温度传感器型号为PT100，如图3所示，运算放大器1采用同相运算放大器，霍尔电流传感器或温度传感器输出的电压信号首先经过运算放大器1限幅，将电压信号赋值控制在0-2.5V内；限幅后的电压信号经过低通滤波器2去噪声后，发送到数据处理模块。数据处理模块包括数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)及***电路，如图4所示，DSP型号为TMS320F28021，是一款32位的低功耗数字信号处理器，工作于+3.3V单电源工作环境，内部集成了7通道12位ADC。如图5所示，无线发射模块采用无线发射模块NRF24L01，其中包含2.4GHz的无线通信芯片是通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)与DSP连接。SPI是一种高速的全双工同步通信总线，实际通信只采用四根线即可，节约了芯片管脚，同时为线路板的布局节省了空间。2.4GHz是开放的无线通信频段，也是目前常用的一种短距离无线传输技术。利用这种技术制造的无线通信***和天线体积都很小，降低了整体功耗。
本实施方式中，电源包括电压源、电流源和直流变换器。如图6所示，电压源为220V到5V电源，与霍尔电流传感器、电流源、直流变换器、信号调理模块和无线发射模块连接。如图7所示，电流源为2mA精密浮动电流源，与温度传感器采用三线制接法相连，精密浮动电流源输出2mA恒定电流，随着温度不同PT100阻值变化，流经PT100的电流是恒定的，所以碳刷温度的变化直接表现为PT100电压的变化。如图8所示，直流变换器型号为ASM1117，与数据处理模块连接，电压源输出端连接直流变换器进行降压，降压后输出+3.3V电压，为数据处理模块供电。
无线发射模块与显示监测单元采用无线连接。本实施方式中，显示监测单元包括：主控单元、现场显示单元、后台监控中心和开关电源。如图9所示，主控单元采用SP3232EEN芯片与无线发射模块进行无线通讯，并通过RS232接口与现场显示单元和后台监控中心连接，其通信速率最大可达到38400bps，通信距离可达15米。开关电源有+24V和+5V两种电压输出，+24V电压与现场显示单元连接，+5V电压与主控单元连接。
本实施方式中，霍尔电流传感器、信号调理模块、电源、仿真接口、数据处理模块和无线发射模块均焊接在PCB板上，接线关系如图10所示。
如图11所示，采用发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：电源为现场检测装置供电；
步骤2：霍尔电流传感器检测穿过其中间通孔的发电机碳刷电流即穿过中间通孔的螺栓电流，并将发电机碳刷电流以电压信号输出；
步骤3：温度传感器检测发电机碳刷温度，并将发电机碳刷温度以电压信号输出；
步骤4：信号调理模块获取霍尔电流传感器和温度传感器输出的电压，并将电压信号的幅值进行压缩；
步骤5：对幅值压缩后的电压信号过滤噪声，将去噪声的电压信号发送给数据处理模块；
步骤6：数据处理模块将接收到的电压信号转换为发电机碳刷电流和碳刷温度，并发送给无线发射模块：
步骤6.1：测量发电机碳刷电流，记录两次碳刷流经不同电流时数据处理模块接收到的电压信号值，并利用两组电流值和电压信号值作为碳刷电流-电压信号一次函数的两点，计算碳刷电流-电压信号函数关系；
步骤6.2：测量发电机碳刷温度，记录两次碳刷处于不同温度时数据处理模块接收到的电压信号值，并利用两组温度值和电压信号值作为碳刷温度-电压信号一次函数的两点，计算碳刷温度-电压信号函数关系；
步骤6.3：数据处理模块接收电压信号，并将接收到的电压信号根据碳刷电流-电压信号函数关系和碳刷温度-电压信号函数关系计算碳刷电流和碳刷温度；
步骤6.4：数据处理模块将碳刷电流和碳刷温度发送给无线发射模块；
步骤7：无线发射装置将接收到的发电机碳刷电流和碳刷温度采用无线发射的方式发送给主控单元；
步骤8：主控单元接收现场检测装置发送的发电机碳刷的实时电流和碳刷的实时温度，并转发给现场显示单元和后台监控中心进行显示和监测。

Claims (4)

1.一种发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***，其特征在于，包括：
现场检测装置和显示监测单元；
所述现场检测装置包括：传感器模块、信号调理模块、数据处理模块、无线发射模块和电源；所述传感器模块包括用于检测发电机碳刷电流的霍尔电流传感器和用于检测发电机碳刷温度的温度传感器；
所述霍尔电流传感器和温度传感器设置于发电机上，霍尔电流传感器和温度传感器输出端分别与信号调理模块的输入端连接；信号调理模块的输出端与数据处理模块输入端连接；数据处理模块输出端与无线发射模块输入端连接；电源与传感器模块、信号调理模块、数据处理模块和无线发射模块连接；无线发射模块与显示监测单元采用无线连接。
2.根据权利要求1所述的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***，其特征在于，所述发电机碳刷通过导线与螺栓连接，螺栓穿过霍尔电流传感器中间通孔并将霍尔电流传感器固定在发电机碳刷架上。
3.根据权利要求1所述的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***，其特征在于，所述信号调理模块包括运算放大器和低通滤波器，运算放大器输入端分别与霍尔电流传感器和温度传感器输出端相连；低通滤波器输入端与运算放大器输出端相连，低通滤波器输出端与数据处理模块输入端相连。
4.采用权利要求1所述发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测***的发电机碳刷电流和碳刷温度在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：电源为现场检测装置供电；
步骤2：霍尔电流传感器检测穿过其中间通孔的发电机碳刷电流，并将发电机碳刷电流以电压信号输出；
步骤3：温度传感器检测发电机碳刷温度，并将发电机碳刷温度以电压信号输出；
步骤4：信号调理模块获取霍尔电流传感器和温度传感器输出的电压，并将电压信号的幅值进行压缩；
步骤5：对幅值压缩后的电压信号过滤噪声，将去噪声的电压信号发送给数据处理模块；
步骤6：数据处理模块将接收到的电压信号转换为发电机碳刷电流和碳刷温度，发送给无线发射装置；
步骤7：无线发射模块将接收到的发电机碳刷电流和碳刷温度采用无线发射的方式发送给显示监测单元；
步骤8：显示监测单元接收碳刷电流和碳刷温度，并对碳刷电流和碳刷温度进行实时显示和监测。
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