CN106464091B - 交流发电机以及监控交流发电机的至少一个滑动接触件的状况的方法 - Google Patents

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Abstract

一种交流发电机，其设置有：定子；转子，其容纳在定子内并设置有多个电磁体；以及集电组件，其被构造成供应电流给转子的电磁体并设置有腔室以及容纳在腔室内的至少一个第一滑动接触件；交流发电机还包括构造成监控至少一个滑动接触件的状况的监控设备并包括具有公共节点的第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器被构造成分别响应于各自的光子激励产生进入公共节点的第一电流和从公共节点流出的第二电流；第一光电探测器和第二光电探测器中的一个被设置成能对应于包括第一滑动接触件的至少一部分的腔室的区域，第一光电探测器和第二光电探测器中的另一个被设置成能对应于不包括第一滑动接触件的腔室的区域。

Description

交流发电机以及监控交流发电机的至少一个滑动接触件的状 况的方法
技术领域
本发明涉及一种交流发电机，优选用于发电厂的交流发电机，以及控制交流发电机的至少一个滑动接触件的方法。
背景技术
发电厂通常包括至少一个驱动交流发电机的旋转(蒸汽和/或燃气)涡轮机，交流发电机被构造成产生电能。
所知道种类的交流发电机沿着纵向轴线延伸并设置有固定部分、定子和可动部分、转子。
转子容纳在定子内并由两个轴承支撑，轴承固定到交流发电机的转轴。
因此转子构造成由涡轮机驱动旋转。
转子构造成产生在定子中引发电动势的磁场，并设置有电绕组。转子的电绕组装备有穿过集电组件的供电电流，其从激发系统接收电流并将它传输给转子的电绕组。
集电组件被构造成将从激发系统来的电流传输给转子的绕组，并设置有多个滑动接触件，其通过电刷的方式制造，优选为石墨。
在使用中，由于在空气潮湿的条件下存在煤尘(由相同电刷产生)，在电刷上形成导电薄膜。
当导电薄膜没有最优的电流传导特性时，发生危险的点火事件。点火事件可导致电刷和绝缘元件过早磨损，增加故障几率和随之发生的发电厂的停机。
使用光敏传感器和光学传感器能够探测点火事件的方法和设备是知道的。但是，这样的方法并不能进行可靠的判断，因为它们被容纳滑动接触件的室内的光照情况所影响。滑动接触件周围的背景光根据外部自然光条件(白天/夜晚)发生变化，或根据所使用的人工光源的类型而变化。
发明内容
因此本发明的目的是形成简单、划算且可靠的交流发电机。特别地，本发明的目的是实施交流发电机，其中滑动接触件的状况被实时监控，从而阻止对集电组件不可逆的损害。
根据这些目的，本发明涉及一种交流发电机，其沿着纵向轴线延伸，并包括：定子；转子，其容纳在定子内侧并设置有旋转轴和多个电磁体；以及集电组件，其被构造成供应电流给转子的电磁体并设置有腔室和至少一个容纳在腔室内的第一滑动接触件；所述交流发电机的特征在于包括：监控设备，其用于监控至少第一滑动接触件的状况，并包括具有公共节点的至少一个第一光电探测器和至少一个第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器被构造成响应于各自的光子激励分别产生进入公共节点的第一电流和从公共节点流出的第二电流；第一光电探测器和第二光电探测器中的一个被设置成能对应于腔室的包括第一滑动接触件的至少一部分的区域，第一光电探测器和第二光电探测器中的另一个被设置成能对应于腔室的不包括第一滑动接触件的区域；以及控制设备，其被构造成基于指示公共节点处的电量的信号来计算至少一个第一滑动接触件的至少一个运行状态。
本发明进一步的目的是提供监控交流发电机的至少一个滑动接触件的状况的方法，其是简单的、划算的且能够阻止对集电组件不可逆的损害。
根据这些方面，本发明涉及一种监控交流发电机的至少一个滑动接触件的状况的方法，该交流发电机优选为用于发电厂的交流发电机，其沿着纵向轴线延伸；交流发电机包括：定子；转子，其容纳在定子内侧并设置有旋转轴和多个电磁体；以及集电组件，其被构造成供应电流给转子的电磁体并设置有腔室和容纳在腔室内的至少一个第一滑动接触件；该方法包括步骤：通过具有公共节点的至少一个第一光电探测器和至少一个第二光电探测器探测与至少一个第一滑动接触件相关的点火事件；第一光电探测器和第二光电探测器被构造成分别响应于各自的光子激励产生进入公共节点的第一电流和从公共节点流出的第二电流；第一光电探测器和第二光电探测器中的一个被设置成能对应于包括第一滑动接触件的至少一部分的区域，第一光电探测器和第二光电探测器中的另一个被设置成能对应于腔室的不包括第一滑动接触件的区域；以及根据指示公共节点处的电量的信号来计算至少一个第一滑动接触件的至少一个运行状态。
附图简要说明
本发明进一步的特征和优势从下面完全由示例的方式给出的示例性非限制实施例的描述以及参考附图变得明显，其中：
图1是根据本发明包括监控设备的交流发电机的示意性的侧面图，优选是发电厂的交流发电机；
图2是图1中的交流发电机的细节的示意性侧视图，为了清楚起见，部分部件和零件被移除；
图3是图2的细节的示意性前视图，为了清楚起见，部分部件和零件被移除；
图4是图2中的特殊组件的布线图，为了清楚起见，零件被移除；
图5是图2的进一步细节的示意性侧视图，为了清楚起见，部分部件和零件被移除。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示包含旋转涡轮机2(在图1中示意性示出)和交流发电机3的发电厂，交流发电机3由涡轮机2驱动，并且被构造成将由涡轮机2施加的旋转运动转换为电能。
交流发电机3沿着纵向轴线A延伸并包括连接到涡轮机2的轴4、定子5、转子6、集电组件7和监控设备8。
定子5表示不动的电枢并包括圆柱芯10和两个相对的头11a、11b和多个定子条(在附图中未示出)。头11a设置在芯10和涡轮机2之间。
芯10设置有多个轴向槽(在附图中未示出)。每个定子条沿着平行于轴线A的第一轴线、在芯10的相应轴向槽内、且沿着在头11处的两个延展部延伸。
转子6容纳在定子5内侧，并由涡轮机2驱动旋转。
特别地，转子6由第一轴承9a和第二轴承9b支撑，它们固定到轴4。
第一轴承9a设置在定子5和集电组件7之间，而第二轴承9b设置在定子5和涡轮机2之间。
转子6构造成能够产生在定子5内引发电动势的旋转磁场。
详细地，转子6包括设置有多个电磁体(在附图中未示出)的转子绕组，其通常作为转子绕组条。
转子6的电磁体被供有通过集电组件7的供电电流，集电组件7从外部电源13(在图1中示意性地示出)接收电流并将它传输给转子6的电磁体。通常，外部电源13由激发系统定义。
集电组件7设置在头11b的附近，并在轴4的端部14的周围延伸，端部14设有两个集电环15。
参考图2，每个集电环15通过各个的连接元件16(在图2中仅有一个连接元件16可见)连接到一个或多个相应的电磁体。
集电组件7包括腔室18和两个连接元件19，两个连接元件19被设置在腔室18内，并构造成将轴4的各个集电环15与外部电源13电连接。
腔室18具有底壁20、顶部21和两个侧壁22。
底壁20设置有空气入口23，冷空气通过空气入口23从集电组件7的外部进入。
顶部21是可打开的，并具有开口25，当流过腔室18时被加热的冷空气流过该开口25。优选地，开口25设置有消声过滤器(在附图中未示出)。
开口25优选被连接到腔室18外部的开式冷却电路25a。
参考图3，每个连接元件19包括支撑架26和多个固定到支撑架26的活动触点27。
支撑架26由形成为半环并通过以预定距离设置的多个支柱29彼此接合的两个板28形成。
如此确定的支撑架26通过螺栓(在附图中未示出)被固定到腔室18的侧壁。提供了一种支撑架26的变体，其被固定到容纳冷却电路25a的风扇(为了简洁，在附图中未示出)的金属分隔体。
特别地，支撑架26以每个连接元件19的滑动接触件27设置成与各个集电环15接触这样的方式固定。
每个滑动接触件27由电刷座30和一个或多个接合到电刷座30的电刷31形成。
在使用中，电刷座30通过各个架子(在附图中为了简化没有示出)接合到支撑架26，。
特别地，电刷座30接合到支撑架26，从而一个挨着一个的电刷31定义基本上环形的接触面，适于相对各个集电环15的外表面滑动。
每个电刷座30设置有握持柄32，其适于使得从支撑支架26安装和移除滑动接触件27更加容易并提高日常和临时维护操作的速度。
在本文描述和图解的非限制示例中，每个滑动接触件27包括四个电刷31。
优选地，电刷31由石墨制成。
参考图1，监控设备8包括一组探测传感器33(在图1中示意性示出)、控制设备34和接口35。
参考图2，一组探测传感器33包括至少一个温度传感器36a和至少一个光电探测器37。
优选地，温度传感器36a设置在开口25的附近，流入腔室18内的被加热的冷空气流动通过开口25，且因此被构造成探测由于在腔室18内发生的点火事件的存在而造成的温度变化。
提供了探测传感器33的组的变体(未显示)，其包括设置在腔室18内的两个温度传感器；优选地，该两个温度传感器分别沿着腔室18相对的内壁设置。
参考图5，探测器33的组进一步包括另一个温度传感器36b，其被构造成探测滑动接触件27附近温度的任意变化，后面将会详细了解。
参考图2，光电探测器件37设置在腔室18内并被构造成探测发生在腔室18内的点火事件的强度和频率。
在本文描述的非限制示例中，监控设备8包括与各个的滑动接触件27相关的多个光电探测器件37。
参考图5，每个光电探测器件37固定到支撑板38，其被接合到各自的电刷座30的一部分40。部分40优选是平面的，并且关于轴线A沿着径向方向设置。
在本文描述和图解的非限制性示例中，每个滑动接触件27接合到能够探测与在电刷31处的导电事件相关的点火事件的光电探测器件37。提供了被接合到滑动接触件27的一半的光电探测器件37的变体(未显示)，例如被接合到两个之中的一个滑动接触件27的光电探测器件37的变体。
在本文描述和图解的非限制性示例中，温度传感器36b固定到支撑板38能够探测滑动接触件27附近任何温度变化的位置。优选地，温度传感器36b是热敏电阻，例如NTC(负温度系数)类型或PTC(正温度系数)类型。
支撑板38也支撑构造成探测电刷31的耗能水平的多个光电池(在附图中不可见)。
图4示出了接合到电刷座30的一个光电探测器件37的电路。
光电探测器件37包括具有第一电势的第一线路40、具有第二电势的第二线路41、至少一个光电探测器组43、负载组件44和探测单元45。
第一线路40优选具有在4V至6V之间的电势，优选地为5V，第二线路41优选地接地。
在本文描述和图解的非限制性示例中，每个光电探测器件37包括四个基本上相同的光电探测组43，每个被构造成探测与各个滑动接触件27的各个电刷31相关的点火事件，后面将详细了解。
每个光电探测器组43包括第一光电探测器47和第二光电探测器48，它们具有公共节点50。
第一光电探测器47和第二光电探测器48被构造成探测电磁辐射，该电磁辐射产生与探测到的电磁辐射强度成比例强度的电流或电势差。
在本文描述和图解的非限制性示例中，第一光电探测器47和第二光电探测器48是半导体光电探测器，优选是光电二极管。
可理解的是，第一光电探测器47和第二光电探测器48可由不同类型的半导体光电探测器形成，例如光电晶体管、光敏电阻、光伏电池、CCD等。
每个光电探测器组43的第一光电探测器47连接到第一线路40和公共节点50，并被构造成响应于相应的光子激励产生进入公共节点50的第一电流I1。每个光电探测器组43的第二光电探测器48连接到第二线路41和公共节点50，并被构造成响应于相应的光子激励产生流出公共节点50的第二电流I2。
第一光电探测器47和第二光电探测器48的等同变体(未示出)被提供，其构造成响应于各自的光子激励分别产生从节点50流出的第一电流I1和进入节点50的第二电流I2。
负载组件44包括连接到第一线路40和公共节点50的第一负载51和连接到第二线路41和公共节点50的第二负载52。优选地，第一负载51和第二负载52具有相同的电阻值。
第一光电探测器47设置成能够对应于(frame)包括与光电探测器件37接合的滑动接触件27的至少一部分的腔室18的区域，第二光电探测器48设置成能够对应于不包括与光电探测器件37接合的滑动接触件27的腔室18的区域。
这样，第一光电探测器47探测与滑动接触件27的一个或多个电刷31相关的任何导电事件，而第二光电探测器48探测腔室18内的背景光。
参考图2，其示出了部分可组合的光电探测器件37，光电探测器组43以每个光电探测器组43的第一光电探测器47探测与同一滑动接触件27的各个的电刷31相关的点火事件的方式设置。换句话说，光电探测器组43以每个光电探测器组43的第一光电探测器47对应于腔室18的包括被监控的各个电刷31的区域的方式设置。
特别地，光电探测器组43固定到支撑板38并设置成以大致相等的间距挨着彼此设置，从而使得每个光电探测器组43的第一光电探测器47能探测与各个电刷31相关的点火事件。
参考图4，探测单元45构造成探测从公共节点50输出的电流变化和/或在公共节点50处的电压变化。特别地，当探测到的电流和/或电压变化超过某一预定阈值时，探测单元45构造成发送信号给控制设备34，指示与特定的光电探测器件37相关的火花存在。优选地，探测单元45发送信号给控制设备34，指示点火事件的频率、点火事件的强度和探测到的点火事件的最大宽度。
在使用中，当至少一个第一光电探测器47在各自的电刷31上探测到火花时，其产生比由第二光电探测器48产生的电流更大的输入公共节点50的第一电流I1。
事实上，依赖于那时存在于腔室18内的光照状况，第二光电探测器48响应于光发射产生第二电流I2。另一方面，依赖于那时存在于腔室18内的光照状况和与导电事件相关的光子发射，第一光电探测器47响应于光发射产生第一电流I1。结果在节点50处将有电压和电流的变化。这样的变化由探测单元45探测，且如果该变化超过预定的阈值，探测单元发射信号给控制设备34，指示存在与特定的光电探测器37相关的火花。
相反，如果第一光电探测器47未探测到任何火花，第一电流I1和第二电流I2是相同的，因为第一光电探测器47和第二光电探测器48探测到与那时存在于腔室18内的光照状况相关的相同的光子发射。结果，在公共节点50处将没有电压或电流变化，且探测单元45将不会探测到足以引起信号发送的变化，该信号发送指示存在与特定的光电探测器件37相关的火花。
由于事实上，第一光电探测器47设置成能够对应于包括滑动接触件27接合光电探测器件37的至少一部分的腔室18的区域，并且第二光电探测器48设置成能够对应于不包括接合光电探测器37的滑动接触件27的腔室18的区域，光电探测器件37并不受腔室18的光照状况影响。由于第一光电探测器47和第二光电探测器48之间特殊的连接，由腔室18的瞬时光照状况决定的背景影响被除去，且光电探测器件37并不受滑动接触件27外部的环境光照状况的影响。
控制设备34被构造成基于由传感器33的组的至少一部分探测的数据决定至少一个滑动接触件27的运行状态。在本文描述和图解的非限制性示例中，控制设备34被构造成基于由温度传感器36探测的温度数据和基于来自存在于腔室18内的光电探测器件37的信号决定至少一个滑动接触件27的运行状态。提供了控制设备34的变体，其构造为单独基于来自存在于腔室18内的光电探测器件37的数据，或基于该数据与来自其它已知的、未描述的传感器的数据的结合，来确定至少一个滑动接触件27的运行状态。
特别地，控制设备34被构造成确定至少一个滑动接触件27的运行状态，该运行状态从下面状态中的至少两个状态选择：
-正确的运行状态；
-第一错误运行状态；
-第二错误运行状态；
-第三错误运行状态；
-第四错误运行状态；
而且，控制设备被构造成通过接口35发送所确定的运行状态信号，从而操作者可迅速行动并查找任何故障。
详细地，控制设备34被构造成当满足下面的条件时确定正确的运行状态：
-由温度传感器36a和/或由至少一个温度传感器36b探测到的温度小于第一温度阈值；
-由所有光电探测器件37探测到的点火事件的强度和频率基本上为零。
当满足下面的条件时，控制设备34确定第一错误运行状态(警告1)：
-由温度传感器36a和/或由至少一个温度传感器36b探测到的温度小于第一温度阈值；
-由至少一个光电探测器件37探测的点火事件的强度和频率不是零并分别小于第一强度阈值和第一频率阈值。
当满足下面的条件时，控制设备34确定第二错误运行状态(警告2)：
-由温度传感器36a和/或由至少一个温度传感器36b探测到的温度小于第一温度阈值；
-由至少一个光电探测器件37探测到的点火事件的强度在第一强度阈值和第二强度阈值之间；以及由至少一个光电探测器件37探测到的频率在第一频率阈值和第二频率阈值之间。
当满足下面的条件时，控制设备34确定第三错误运行状态(警告3)：
-由温度传感器36a和/或由至少一个温度传感器36b探测到的温度在第一温度阈值和第二温度阈值之间；
-由至少一个光电探测器件37探测的点火事件的强度在第一强度阈值和第二强度阈值之间；以及由至少一个光电探测器件37探测到的点火事件的频率在第一频率阈值和第二频率阈值之间。
当满足下面的条件时，控制设备4确定第四错误运行状态(警告4)：
-由温度传感器36a和/或由至少一个温度传感器36b探测到的温度大于第二温度阈值；
-由至少一个光电探测器件37探测到的点火事件的强度大于第二强度阈值；以及由至少一个光电探测器件37探测到的点火事件的频率大于第二频率阈值。
第一温度阈值、第二温度阈值、第一强度阈值、第二强度阈值、第一频率阈值和第二频率阈值在控制设备34的校准步骤(“调谐”)期间基于机器的类型决定。
错误运行状态的数量可根据需要和安装监控设备8的机器的种类而变化。
优选地，控制设备34包括存储所有已获得的数据的存储单元(在附图中未示出)。这样的存储单元可由操作者经由接口35而获得。如此，为了进一步的诊断评估，操作者可参看已获得的历史数据。
有利地，根据本发明的交流发电机3的监控设备8执行对滑动接触件27的连续监控，增加了交流发电机3的可靠性。
如果监控设备8识别出滑动接触件27的错误运行状态，由接口35被通报的操作者可根据故障的严重性安排一个或多个维护操作或甚至在引起发电厂1自身的不可挽回的损坏之前阻断发电厂1。
有利地，交流发电机3的监控设备8执行对滑动接触件27可靠的诊断，避免错误的肯定(false positives)和/或错误的否定(false negatives)。
而且，所描述类型的光电探测器件37的使用使得点火事件的探测不依赖于腔室8的光照状况。
事实上，由于第一光电探测器47设置成使得对应于腔室18包括与光电探测器件37接合的滑动接触件27的至少一部分的区域，第二光电探测器48设置成使得对应于腔室不包括与光电探测器37接合的滑动接触件27的区域，光电探测器37并不会受腔室18的光照状况的影响。而且，由于第一光电探测器47和第二光电探测器48之间的特殊连接，由腔室18的瞬时光照状况造成的背景影响被除去，并且光电探测器件37并不受到滑动接触件27外部的环境光照状况影响。
最后，应当清楚的是，本文描述的交流发电机和监控方法可被修改和变化，而没有脱离附上的权利要求的范围。

Claims (16)

1.一种交流发电机，其沿着纵向轴线(A)延伸，并包括：定子(5)；转子(6)，其容纳在定子(5)内侧并设置有旋转轴(4)和多个电磁体；以及集电组件(7)，其被构造成供应电流给转子(6)的电磁体并设置有腔室(18)和至少一个容纳在腔室(18)内的第一滑动接触件(27)；所述交流发电机(3)的特征在于包括：
监控设备(8)，其用于监控至少第一滑动接触件(27)的状况，并包括具有公共节点(50)的至少一个第一光电探测器(47)和至少一个第二光电探测器(48)；第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)被构造成响应于各自的光子激励分别产生进入公共节点(50)的第一电流(I1)和从公共节点(50)流出的第二电流(I2)；第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)中的一个被设置成能对应于腔室(18)的包括第一滑动接触件(27)的至少一部分的区域，第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)中的另一个被设置成能对应于腔室(18)的不包括第一滑动接触件(27)的区域；以及
控制设备(34)，其被构造成基于指示公共节点(50)处的电量的信号来计算至少一个第一滑动接触件(27)的至少一个运行状态。
2.根据权利要求1所述的交流发电机，其中，所述交流发电机为用于发电厂(1)的交流发电机。
3.根据权利要求1所述的交流发电机，其中监控设备(8)包括具有第一电势的第一线路(40)、具有第二电势的第二线路(41)；第一光电探测器(47)连接到第一线路(40)和公共节点(50)；第二光电探测器(48)连接到第二线路(41)和公共节点(50)。
4.根据权利要求3所述的交流发电机，其中第二线路(41)接地。
5.根据权利要求3所述的交流发电机，其中第一线路(40)具有4V-6V之间的电势。
6.根据权利要求5所述的交流发电机，其中第一线路(40)具有5V的电势。
7.根据权利要求1所述的交流发电机，其中监控设备(8)包括至少一个负载组件(44)，负载组件(44)设置有第一负载(51)和第二负载(52)，第一负载(51)连接到第一线路(40)和公共节点(50)，第二负载(52)连接到第二线路(41)和公共节点(50)。
8.根据权利要求7所述的交流发电机，其中第一负载(51)和第二负载(52)具有相同的电阻值。
9.根据权利要求1所述的交流发电机，其包括连接到公共节点(50)的第三光电探测器(47)和第四光电探测器(48)。
10.根据权利要求9所述的交流发电机，其中第三光电探测器(47)基本上与第一光电探测器(47)相同，第四光电探测器(48)基本上与第二光电探测器(48)相同。
11.根据权利要求1所述的交流发电机，其中第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)是半导体光电导探测器。
12.根据权利要求11所述的交流发电机，其中第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)是光电二极管。
13.根据权利要求1所述的交流发电机，其中控制设备(34)被构造成经由接口(35)发送滑动接触件(27)的运行状态的信号。
14.一种监控交流发电机(3)的至少一个滑动接触件(27)的状况的方法，其沿着纵向轴线(A)延伸；交流发电机(3)包括：定子(5)；转子(6)，其容纳在定子(5)内侧并设置有旋转轴(4)和多个电磁体；以及集电组件(7)，其被构造成供应电流给转子(6)的电磁体并设置有腔室(18)和容纳在腔室(18)内的至少一个第一滑动接触件(27)；
该方法包括步骤：
通过具有公共节点(50)的至少一个第一光电探测器(47)和至少一个第二光电探测器(48)探测与至少一个第一滑动接触件(27)相关的点火事件；第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)被构造成分别响应于各自的光子激励产生进入公共节点(50)的第一电流(I1)和从公共节点(50)流出的第二电流(I2)；第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)中的一个被设置成能对应于包括第一滑动接触件(27)的至少一部分的区域，第一光电探测器(47)和第二光电探测器(48)中的另一个被设置成能对应于腔室(18)的不包括第一滑动接触件(27)的区域；以及
根据指示公共节点(50)处的电量的信号来计算至少一个第一滑动接触件(27)的至少一个运行状态。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该交流发电机为用于发电厂(1)的交流发电机。
16.根据权利要求14所述的方法，其包括通过接口(35)发送至少一个第一滑动接触件(27)的运行状态的信号的步骤。
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