CN114421249A - 一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机的汇流装置领域，具体涉及一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，包括至少一个碳刷、刷握和刷架头，刷握内插有碳刷，刷握后部与刷架头固定连接；还包括推杆机构、刷握端控制回路和主控端控制回路，推杆机构位于碳刷上方，刷握端控制回路输入端与推杆机构相连，输出端分别与刷架头和主控端控制回路相连。本发明解决了发电机运行中对碳刷和刷握的电流、温度、碳刷长度等参数的测量问题，实现了完整的系统性测量，进而通过对测量参数的处理，实现对碳刷和刷握的智能控制。

Description

一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置

技术领域

本发明涉及一种发电机的汇流装置领域，尤其涉及一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置。

背景技术

发电机转子励磁电流是通过碳刷与集电环接触构成电流回路，完成励磁功能。现在的发电机多是大型发电机，单机容量基本在300MW以上，励磁电流在2kA～5kA，如此大的电流是依靠几十个截面积25mm×32mm碳刷与集电环接触完成通流，每个碳刷额定载流量为80A，一般为4～6个碳刷为一组，共8～10组分布在集电环的四周，高速旋转的转子与静止的碳刷和几千安培的电流等要素影响着发电机的安全运行。

如图1所示为目前发电机广泛使用的碳刷、刷握和刷架结构，工作时碳刷插入刷握中，一般与刷握保持0.1～0.3mm的间隙，刷辩连接到刷握上，碳刷上有恒力弹簧，保持碳刷对集电环有一定的压力，刷架头与刷架座之间通过锁紧机构连接，刷握与刷架均为金属结构。

运行中，安全隐患最大的就是各碳刷承载的电流不均衡，有的碳刷多达200A，有的可能只有几安培。这种不均衡一种情况是有害的，即碳刷与集电环接触电阻的影响，接触电阻大、通过的电流小，接触电阻小、通过的电流就大，这种情况会造成接触电阻大的碳刷会发热，接触电阻小的碳刷通过电流大，但在大电流的作用下同样也会发热，会严重影响发电机的安全运行；另一种是无害的，即碳刷与集电环的接触电阻正常、通过的电流也正常，但通过手持钳形电流表测量碳刷刷辩的电流出现不平衡，且通过刷辩测量的总电流小于励磁电流，这种情况主要是碳刷与刷握接触了，刷握进行了分流，也存在恒力弹簧分流的可能，导致用手持钳形电流表测量的总电流会小于励磁电流，产生所谓的“丢”电流现象，是一种“假”的电流不平衡，虽然这种情况不存在安全隐患，但确给运行人员判断电流正常与否带来难度，这种电流不平衡运行中也是不允许的。通过手持钳形电流表测量碳刷刷辩的电流，是目前此类刷握结构的唯一的测量手段，尽管存在“假”象。

影响碳刷与集电环接触电阻大小的关键因素是碳刷与集电环的压力，现在广泛采用的方法就是在碳刷顶端有一个恒力弹簧，压力一般在20～25kPa左右。压力小，会造成电接触电阻增大、接触不良，影响电流的传输；压力大，则碳刷与集电环的摩擦大，即影响碳刷寿命又会使碳刷温度升高。由于碳刷与集电环的特殊结构，无法直接测量接触压力，一般在检修状态可以用弹簧秤法间接测量，即:用薄纸条压在碳刷下面，用弹簧秤慢慢拉起碳刷，当纸条能轻轻拉出时，弹簧秤的读数即为碳刷的压力。看起来方法简单，但是几十个碳刷围绕集电环，上下左右都有，测量起来也不是容易的事，一般情况下不会去测量。在运行中，虽然恒力弹簧可以产生较为恒定的压力，但由于恒力弹簧的压力随着温度的升高、或者老化在逐渐退火，压力会逐渐减弱，在碳刷长度变短时压力也就随之减小，这种压力的变化在运行周期是无法测量的，基本靠运行人员的经验和感觉，巡视检查发现电流、温度等异常时轻轻的提起碳刷，全凭感觉判断压力的大小。

温度是碳刷另一个非常重要的一个监视指标，接触电阻增大时，一般温度也会增高，压力大时温度也会增高。目前实用的测温方法就是红外成像测温，一般发电厂都有定期测温的规定，这个方法可以测量出温度渐变的趋势，但对于突变的碳刷打火，可能就会漏检。另外这种方法有一个缺点，就是每次测量时为了观察到每个碳刷与集电环接触部位的温度，需要不断变化红外成像仪的角度和与测试碳刷的距离，因为不同的人测量时不同的角度、不同的距离，对于同一个碳刷没有一个共同的测量基准点，这样形成的数据孤立来看没问题，但历次测量的数据不具可比性，不能生成大数据来判断碳刷的劣化趋势。

碳刷属于易耗设备，调整好、维护好一般消耗2.5mm/kh，否则可能会远远大于这个指标，由于碳刷使用的恒力弹簧存在死区，且随着弹力的减弱，死区会加大，为了保证碳刷在一定长度上的具有恒定的压力，一般要求剩余碳刷长度要大于30cm，碳刷长度一般为60cm～100cm，大概使用率只有50％～70％。碳刷剩余长度目前没有定量测量方法，要靠运行人员巡视检查确认剩余长度。由于碳刷数量较多、个别存在视觉死角，会出现检查不及时、未及时发现碳刷过短，出现压力减小、碳刷过热情况发生。

一般汽轮发电机正常运行时碳刷的经济电流密度为75％～125％额定励磁电流，为了安全选用碳刷的数量还要有一定的余量。现在电网容量充足，负荷率一般都不高且经常用于调峰，负荷变化较大，很难保证碳刷电流密度75％以上，负荷低时可能远低于50％，负荷高时也不会超过100％，这就造成碳刷的电流密度经常低于75％，出现偏离碳刷经济电流密度至少25％。碳刷电流密度变化过大，一是会造成碳刷温度不稳定，忽高忽低不利于碳刷的稳定运行，另外电流密度过低时，每个碳刷载流量过低在无谓的磨损碳刷，缩短碳刷的使用寿命。有的发电厂规定：在电流密度低于75％时，人为提起一些碳刷，保证剩余碳刷电流密度在75％以上。

综上所述，现在广泛使用的碳刷和刷握结构存在如下问题：

1、由于刷握为金属材质，碳刷与之接触后会产生分流，导致在刷辩上测量电流不准确；

2、运行中碳刷压力无法测量、无法调整、无法控制；

3、碳刷温度只能巡视检查测量，测量结果离散性较大，无法分析碳刷劣化趋势；

4、碳刷的剩余长度无法测量，只能目视碳刷的长短；

5、碳刷电流密度较低时，碳刷的磨损较大，处理办法也只能人为提起部分碳刷；

6、没有测控功能，即便是可以测量电流、温度等参数，也不能根据参数偏差进行自动调整。

目前，对于碳刷的电流测量、温度测量等逐渐的见诸各种资料和专利文献，如：《发电机电流碳刷控制系统》(实用新型专利号：CN202020578523.5)、《一种发电机碳刷电流和温度在线监测及预警装置》(实用新型专利号：CN201620573966.9)，都对发电机温度测量和电流测量提出了一些方法，但在目前的金属刷握结构下，分流是避免不了的，只是替代了人工测量，仍然存在“假”电流的情况，甚至有的方法为了电流的平衡，人为在回路中增加MOS管，这相当于在回路中增加电阻，可能电流看着是平衡了，但实际应用会造成励磁电压的升高，增加励磁功率，严重干扰励磁系统的工作。再有，目前的方法都是只是单纯的测量某个参数，没有形成完整的系统性测量和控制。

发明内容

本发明的目的是为解决碳刷和刷握实用过程中遇到的上述问题，而提出的一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，包括至少一个碳刷、刷握和刷架头，所述刷握内插有所述碳刷，所述刷握后部与所述刷架头固定连接；其特征在于，还包括推杆机构、刷握端控制回路和主控端控制回路，所述推杆机构位于所述碳刷上方，所述刷握端控制回路输入端与推杆机构相连，输出端分别与刷架头和主控端控制回路相连。

优选地所述推杆机构包括：碳刷汇流排、电动推杆和步进电机；所述电动推杆的下方设有所述碳刷汇流排，上方设有所述步进电机，所述碳刷汇流排设置在所述碳刷上方，并与所述碳刷通过锁定装置连接。

优选地，所述锁定装置包括插件母座、T型凹槽、上止档、下止档、插件公头和钩锁；所述碳刷上面设有所述插件母座、两个侧面各设有一个所述T型凹槽，所述碳刷汇流排下部设有与所述插件母座相匹配的插件公头，两侧面各有一个所述钩锁，所述钩锁可以嵌入到所述T型凹槽中，所述刷握上部两侧的侧壁上设有与所述钩锁相匹配的所述上止档和所述下止档。

优选地，所述刷握端控制回路，包括：霍尔电流传感器、压力传感器、步进电机驱动器、红外成像温度传感器、红外成像窗口和刷握端微处理器；所述霍尔电流传感器电流输入端通过软连接导线与所述碳刷汇流排后部连接，电流输出端通过软连接导线与所述刷架头连接，数据输出端与所述刷握端微处理器连接；所述压力传感器，安装在所述碳刷和所述碳刷汇流排之间，所述压力传感器数据输出端与所述刷握端微处理器连接；所述步进电机驱动器的控制线与所述刷握端微处理器的PWM端口连接；所述红外成像温度传感器安装在刷握和刷架头之间，所述红外成像温度传感器下方设有红外成像窗口，所述红外成像温度传感器数据端与所述刷握端微处理器的内部IC总线相连。

优选地，所述主控端控制回路，包括：主控端微处理器、供电电源和I2C总线中继器，所述主控端微处理器通过所述I2C总线中继器与所述刷握端微处理器连接，供电电源分别与主控端微处理器和I2C总线中继器相连。

优选地，所述主控端微处理器与显示设备连接。

优选地，所述显示设备为触摸屏。

优选地，所述主控端微处理器与RS总线器相连。

优选地，所述主控端微处理器与蓝牙电路相连。

优选地，所述刷握为非金属材质。

有益效果

1、通过设置推杆机构和锁定装置，推杆机构在步进电机的作用下，推动碳刷上移或下移，从而实现碳刷的脱离或锁定，进而实现碳刷免工具更换，操作方便快捷；

2、刷握采用非金属材质，避免了碳刷与刷握接触后会产生分流，使得测量电流值更加准确；

3、通过设置霍尔电流传感器和压力传感器实现对碳刷压力、碳刷电流的测量，并将测量参数传输给主控微处理器，主控微处理器根据参数偏差控制碳刷进行自动调整，确保碳刷压力和电流在最佳状态工作；

4、通过设置红外成像温度传感器，实现碳刷温度由位置固定的红外成像温度传感器测量，测量基准一致、测量结果具有可对比性，通过对测量结果分析可以判断碳刷劣化趋势；

5、通过设置步进电机使得碳刷的剩余长度可以通过步进电机旋转圈数计算出来，这样能够精确的推算出剩余碳刷的长度，从而确定碳刷是否需要更换；

6、根据碳刷电流密度，主控端微处理器根据碳刷电流密度参数来确定是否投退部分碳刷，减少碳刷的磨损、提高碳刷使用寿命。

7、通过设置触摸屏，所有碳刷的电流、压力、温度、剩余长度等数据均可通过触摸屏显示，并可通过触摸屏进行人机交互。

附图说明：

图1(a)、图1(b)为现有碳刷、刷握和刷架结构示意图；

图2为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的结构图；

图3为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的结构分解图；

图4为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的红外成像测温区域图；

图5为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的单体碳刷和刷握结构分解图；

图6为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的碳刷工作过程图；

图7为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的主控端控制回路原理框图；

图8为本发明一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置的刷握端控制回路原理框图。

图中：1、刷架；2、刷架座；3、刷架头；4、刷握；5、碳刷；6、刷辫；9、恒力弹簧；10、锁紧机构；11、集电环；41、上止档；42、下止档；43、红外成像窗口；44、红外成像测温区域；51、插件母座；52-T型凹槽；71、碳刷汇流排；72、插件公头；73、钩锁；75、电动推杆；76、步进电机；81、主控端微处理器；82、刷握端控制回路；83、I2C总线中继器；84、RS485总线器；85、显示设备；86、供电电源；88、蓝牙电路；821、刷握端微处理器；823、霍尔电流传感器；826、压力传感器；827、红外成像温度传感器；828、步进电机驱动器。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作详细、完整的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部实施例。

参照图1-8，一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，包括至少一个碳刷5、刷握4和刷架头3，刷握4内插有碳刷5，刷握4后部与刷架头3固定连接；还包括推杆机构、刷握端控制回路82和主控端控制回路，推杆机构位于碳刷5上方，刷握端控制回路输入端与推杆机构相连，输出端分别与刷架头3和主控端控制回路相连。

在上述实施例中，推杆机构包括：碳刷汇流排71、电动推杆75和步进电机76；电动推杆75的下方设有碳刷汇流排71，上方设有步进电机76，碳刷汇流排71设置在碳刷5上方，并与碳刷5通过锁定装置连接。其中，在步进电机76正反转的作用下，电动推杆75伸长或缩短，从而带动碳刷汇流排71和碳刷5向上或向下移动。

在上述实施例中，锁定装置包括插件母座51、T型凹槽52、上止档41、下止档42、插件公头72和钩锁73；碳刷5上面设有插件母座51、两个侧面各设有一个T型凹槽52，碳刷汇流排71下部设有与插件母座51相匹配的插件公头72，两侧面各有一个钩锁73，钩锁73可以嵌入到T型凹槽52，刷握4上部两侧的侧壁上设有与钩锁73相匹配的上止档41和下止档42；其中，电动推杆75向下伸长或缩短时，带动碳刷汇流排71向下或向上移动，使插件母座51插入或脱离插件公头72，进而使得钩锁73在下止挡42或上止挡41的作用下，嵌入或离开T型凹槽52，从而完成碳刷5的锁定或脱离。

在上述实施例中，刷握端控制回路82，包括：霍尔电流传感器823、压力传感器826、步进电机驱动器828、红外成像温度传感器827、红外成像窗口43和刷握端微处理器821；

霍尔电流传感器823电流输入端通过软连接导线与碳刷汇流排71后部连接，电流输出端通过软连接导线与刷架头3连接，数据输出端与刷握端微处理器821连接，其中，刷握端微处理器821用于处理接受到的数据且每个刷握端微处理器821都有唯一地址码，霍尔电流传感器823用于检测碳刷5的电流，并将检测到的电流传输给刷握端微处理器821，完成模拟量到数字量的转换；

压力传感器826，安装在碳刷5和碳刷汇流排71之间，压力传感器826数据输出端与刷握端微处理器821连接，其中压力传感器826用于检测运行中的碳刷5的压力，并将检测到的压力传输给刷握端微处理器821，完成模拟量到数字量的转换；

步进电机驱动器828的控制线与刷握端微处理器821的PWM端口连接，实现对步进电机的驱动控制；

红外成像温度传感器827安装在刷握4和刷架头3之间，红外成像温度传感器827下方设有红外成像窗口43，红外成像温度传感器827数据端与刷握端微处理器821的内部I2C总线相连；其中，红外成像温度传感器827用于测量碳刷5和集电环11接触部位的温度，并将检测到的温度输出给刷握端微处理器821。

在上述实施例中，主控端控制回路，包括：主控端微处理器81、供电电源86和I2C总线中继器83，主控端微处理器81通过I2C总线中继器83与刷握端微处理器821连接，供电电源86分别与主控端微处理器81和I2C总线中继器83相连，其中主控端微处理器81用于处理和反馈接收到的指令或数据，供电电源86用于给整个电路供电。

在上述实施例中，主控端微处理器81与显示设备85连接。

在上述实施例中，显示设备85为触摸屏，用于实时显示各个刷握端控制回路的数据，形成历史曲线，完成查看、设置等人机交互操作。

在上述实施例中，主控端微处理器81与RS485总线器84相连，并通过RS485总线与分布控制系统DCS相连，实现与远方分布式控制系统(DCS)通讯。

在上述实施例中，主控端微处理器81与蓝牙电路88相连，实现设备与具有蓝牙功能的移动端进行数据传输。

在上述实施例中，刷握4为非金属材质，避免碳刷与之接触后会产生分流，导致测量电流不准确。

本实施例在工作中具体测量和控制过程如下：

1、在步进电机驱动器828的作用下，电动推杆75向下伸长，推动碳刷汇流排71和碳刷5向下移动，当碳刷5接触到集电环11时，压力传感器826会有压力产生，这个压力就是碳刷5对集电环11的压力，刷握端微处理器821对压力进行AD转换并判断是否在合格范围内，若不合格，刷握端微处理器821调整PWM输出通过步进电机驱动器828控制步进电机76的正、反转，调整电动推杆75伸长或缩短，确保压力合格范围内。

2、霍尔电流传感器823检测碳刷5的电流，刷握端微处理器821对检测的碳刷5电流进行处理，并通过I2C总线87传送到主控端微处理器81，主控端微处理器81计算所有碳刷电流求和，计算出总电流，再除以碳刷总数，计算出碳刷的平均电流，并将平均电流传送回刷握端微处理器821，刷握端微处理器821根据平均电流计算每个碳刷5电流的偏差，并在压力允许的范围内调整电动推杆75伸长或缩短，使每个碳刷5的电流都在平均电流允许范围内。

3、每个刷握4都有一个红外成像温度传感器827，对刷握4的每个碳刷5与集电环11的接触面进行红外成像测温，该测温结果通过刷握端微处理器821、I2C总线87传送到主控端微处理器81。

4、根据步进电机76的转动圈数，计算出电动推杆75的长度，从而可以计算出碳刷5的剩余长度。

5、主控端微处理器81对测量的总电流进行分析，当总电流小于额定励磁电流75％时，可以根据设定提起部分碳刷5退出运行，保证剩余碳刷5的电流密度在75％以上。

6、所有碳刷5的电流、压力、温度、剩余长度等数据由刷握端微处理器821、I2C总线传送到主控端微处理器81，并由触摸屏显示当前数据以及通过触摸屏进行人机交互。

7、利用具有蓝牙的手持终端，如：手机、多功能点检仪等，运行人员可以在巡视中读取数据碳刷数据。

以上所述是本申请实施例的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进、润饰和增加也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，包括至少一个碳刷(5)、刷握(4)和刷架头(3)，所述刷握(4)内插有所述碳刷(5)，所述刷握(4)后部与所述刷架头(3)固定连接；其特征在于，还包括推杆机构、刷握端控制回路(82)和主控端控制回路，所述推杆机构位于所述碳刷(5)上方，所述刷握端控制回路输入端与推杆机构相连，输出端分别与刷架头(3)和主控端控制回路相连。

2.根据权利要求1所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述推杆机构包括：碳刷汇流排(71)、电动推杆(75)和步进电机(76)；所述电动推杆的下方设有所述碳刷汇流排(71)，上方设有所述步进电机(76)，所述碳刷汇流排(71)设置在所述碳刷(5)上方，并与所述碳刷(5)通过锁定装置连接。

3.根据权利要求2所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述锁定装置包括插件母座(51)、T型凹槽(52)、上止档(41)、下止档(42)、插件公头(72)和钩锁(73)；所述碳刷(5)上面设有所述插件母座(51)、两个侧面各设有一个所述T型凹槽(52)，所述碳刷汇流排(71)下部设有与所述插件母座(51)相匹配的插件公头(72)，两侧面各有一个所述钩锁(73)，所述钩锁(73)可以嵌入到所述T型凹槽(52)中，所述刷握(4)上部两侧的侧壁上设有与所述钩锁(73)相匹配的所述上止档(41)和所述下止档(42)。

4.根据权利要求2或3所述的一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述刷握端控制回路(82)，包括：霍尔电流传感器(823)、压力传感器(826)、步进电机驱动器(828)、红外成像温度传感器(827)、红外成像窗口(43)和刷握端微处理器(821)；所述霍尔电流传感器(823)电流输入端通过软连接导线与所述碳刷汇流排(71)后部连接，电流输出端通过软连接导线与所述刷架头(3)连接，数据输出端与所述刷握端微处理器(821)连接；所述压力传感器(826)，安装在所述碳刷(5)和所述碳刷汇流排(71)之间，所述压力传感器(826)数据输出端与所述刷握端微处理器(821)连接；所述步进电机驱动器(828)的控制线与所述刷握端微处理器(821)的PWM端口连接；所述红外成像温度传感器(827)安装在刷握(4)和刷架头(3)之间，所述红外成像温度传感器(827)下方设有红外成像窗口(43)，所述红外成像温度传感器(827)数据端与所述刷握端微处理器(821)的内部I2C总线相连。

5.根据权利要求4所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述主控端控制回路，包括：主控端微处理器(81)、I 2C总线中继器(83)和供电电源(86)，所述主控端微处理器(81)通过所述I 2C总线中继器(83)与所述刷握端微处理器(821)连接，所述供电电源(86)分别与所述主控端微处理器(81)和I2C总线中继器(83)相连。

6.根据权利要求5所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述主控端微处理器(81)与显示设备(85)连接。

7.根据权利要求6所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述显示设备(85)为触摸屏。

8.根据权利要求6所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述主控端微处理器(81)与RS485总线器(84)相连。

9.根据权利要求6所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述主控端微处理器(81)与蓝牙电路(88)相连。

10.根据权利要求1-9中任一项所述一种具有智能测控功能的碳刷和刷握装置，其特征在于，所述刷握(4)为非金属材质。

Images