本發(fā)明屬于安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

大型的發(fā)電機(jī)組在長期運行過程中，勵磁碳刷電流會出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，引發(fā)個別碳刷發(fā)熱，由于碳刷材料石墨具有負(fù)溫度特性，如果不及時處理，發(fā)熱情況會越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致碳刷燒毀甚至引發(fā)環(huán)火事故。目前發(fā)電行業(yè)對碳刷的監(jiān)控普遍采取人工定期巡檢的辦法，不僅浪費大量人力物力，效率低下，而且不能及時發(fā)現(xiàn)問題，為安全生產(chǎn)帶來隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

現(xiàn)場檢測裝置和顯示監(jiān)測單元；

所述現(xiàn)場檢測裝置包括：傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線發(fā)射模塊和電源；所述傳感器模塊包括用于檢測發(fā)電機(jī)碳刷電流的霍爾電流傳感器和用于檢測發(fā)電機(jī)碳刷溫度的溫度傳感器；

所述霍爾電流傳感器和溫度傳感器設(shè)置于發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)碳刷通過導(dǎo)線與螺栓連接，螺栓穿過霍爾電流傳感器中間通孔并將霍爾電流傳感器固定在發(fā)電機(jī)碳刷架上。溫度傳感器設(shè)置于碳刷附近。霍爾電流傳感器和溫度傳感器輸出端分別與信號調(diào)理模塊的輸入端連接；信號調(diào)理模塊的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接；數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與無線發(fā)射模塊輸入端連接；電源與傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線發(fā)射模塊連接；無線發(fā)射模塊與顯示監(jiān)測單元采用無線連接。

所述信號調(diào)理模塊包括運算放大器和低通濾波器，運算放大器輸入端分別與霍爾電流傳感器和溫度傳感器輸出端相連；低通濾波器輸入端與運算放大器輸出端相連，低通濾波器輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊輸入端相連。

采用發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：電源為現(xiàn)場檢測裝置供電；

步驟2：霍爾電流傳感器檢測穿過其中間通孔的發(fā)電機(jī)碳刷電流，并將發(fā)電機(jī)碳刷電流以電壓信號輸出；

步驟3：溫度傳感器檢測發(fā)電機(jī)碳刷溫度，并將發(fā)電機(jī)碳刷溫度以電壓信號輸出；

步驟4：信號調(diào)理模塊獲取霍爾電流傳感器和溫度傳感器輸出的電壓，并將電壓信號的幅值進(jìn)行壓縮；

步驟5：對幅值壓縮后的電壓信號過濾噪聲，將去噪聲的電壓信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；

步驟6：數(shù)據(jù)處理模塊將去噪聲的電壓信號轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度，并發(fā)送給無線發(fā)射裝置；

步驟7：無線發(fā)射模塊將接收到的發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度采用無線發(fā)射的方式發(fā)送給顯示監(jiān)測單元；

步驟8：顯示監(jiān)測單元用于接收位于不同發(fā)電機(jī)上的現(xiàn)場檢測裝置發(fā)送的碳刷電流和碳刷溫度，對碳刷電流和碳刷溫度進(jìn)行實時顯示和監(jiān)測。

有益效果：本發(fā)明的發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢：

(1)直接將霍爾電流傳感器安裝到發(fā)電機(jī)碳刷刷架，不影響機(jī)組的正常運行，而且便于傳感器組件更換；

(2)發(fā)電機(jī)碳刷的電流和溫度數(shù)據(jù)可實時顯示，無需人工檢查，便于及時采取措施排除發(fā)電機(jī)碳刷故障；

(3)碳刷電流和碳刷溫度數(shù)據(jù)采用無線傳輸，避免了現(xiàn)場冗雜的接線，便于安裝，減少了故障的發(fā)生。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施方式的一種發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種實施方式的霍爾電流傳感器電氣原理圖；

圖3為本發(fā)明一種實施方式的運算放大器-低通濾波器電氣原理圖，其中，1-運算放大器，2-低通濾波器；

圖4為本發(fā)明一種實施方式的數(shù)字信號處理器電氣原理圖；

圖5為本發(fā)明一種實施方式的無線發(fā)射模塊電氣原理圖；

圖6為本發(fā)明一種實施方式的電壓源電氣原理圖；

圖7為本發(fā)明一種實施方式的電流源電氣原理圖；

圖8為本發(fā)明一種實施方式的直流變換器電氣原理圖；

圖9為本發(fā)明一種實施方式的SP3232EEN芯片電氣原理圖；

圖10為本發(fā)明一種實施方式的現(xiàn)場檢測裝置的電路接線示意圖；

圖11本發(fā)明一種實施方式的發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實施方式作詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實施方式的一種發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

現(xiàn)場檢測裝置和顯示監(jiān)測單元；

所述現(xiàn)場檢測裝置包括：傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線發(fā)射模塊和電源；所述傳感器模塊包括用于檢測發(fā)電機(jī)碳刷電流的霍爾電流傳感器和用于檢測發(fā)電機(jī)碳刷溫度的溫度傳感器；

所述霍爾電流傳感器和溫度傳感器設(shè)置于發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)碳刷通過導(dǎo)線與螺栓連接，螺栓穿過霍爾電流傳感器中間通孔并將霍爾電流傳感器固定在發(fā)電機(jī)碳刷架上。溫度傳感器設(shè)置于碳刷附近。霍爾電流傳感器和溫度傳感器輸出端分別與信號調(diào)理模塊的輸入端連接；信號調(diào)理模塊的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接；數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與無線發(fā)射模塊輸入端連接；電源與傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線發(fā)射模塊連接。

所述信號調(diào)理模塊包括運算放大器和低通濾波器，運算放大器輸入端分別與霍爾電流傳感器和溫度傳感器輸出端相連；低通濾波器輸入端與運算放大器輸出端相連，低通濾波器輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊輸入端相連。

本實施方式中，如圖2所示，霍爾電流傳感器型號為WCS-1500。溫度傳感器型號為PT100，如圖3所示，運算放大器1采用同相運算放大器，霍爾電流傳感器或溫度傳感器輸出的電壓信號首先經(jīng)過運算放大器1限幅，將電壓信號賦值控制在0-2.5V內(nèi)；限幅后的電壓信號經(jīng)過低通濾波器2去噪聲后，發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)及外圍電路，如圖4所示，DSP型號為TMS320F28021，是一款32位的低功耗數(shù)字信號處理器，工作于+3.3V單電源工作環(huán)境，內(nèi)部集成了7通道12位ADC。如圖5所示，無線發(fā)射模塊采用無線發(fā)射模塊NRF24L01，其中包含2.4GHz的無線通信芯片是通過串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)與DSP連接。SPI是一種高速的全雙工同步通信總線，實際通信只采用四根線即可，節(jié)約了芯片管腳，同時為線路板的布局節(jié)省了空間。2.4GHz是開放的無線通信頻段，也是目前常用的一種短距離無線傳輸技術(shù)。利用這種技術(shù)制造的無線通信系統(tǒng)和天線體積都很小，降低了整體功耗。

本實施方式中，電源包括電壓源、電流源和直流變換器。如圖6所示，電壓源為220V到5V電源，與霍爾電流傳感器、電流源、直流變換器、信號調(diào)理模塊和無線發(fā)射模塊連接。如圖7所示，電流源為2mA精密浮動電流源，與溫度傳感器采用三線制接法相連，精密浮動電流源輸出2mA恒定電流，隨著溫度不同PT100阻值變化，流經(jīng)PT100的電流是恒定的，所以碳刷溫度的變化直接表現(xiàn)為PT100電壓的變化。如圖8所示，直流變換器型號為ASM1117，與數(shù)據(jù)處理模塊連接，電壓源輸出端連接直流變換器進(jìn)行降壓，降壓后輸出+3.3V電壓，為數(shù)據(jù)處理模塊供電。

無線發(fā)射模塊與顯示監(jiān)測單元采用無線連接。本實施方式中，顯示監(jiān)測單元包括：主控單元、現(xiàn)場顯示單元、后臺監(jiān)控中心和開關(guān)電源。如圖9所示，主控單元采用SP3232EEN芯片與無線發(fā)射模塊進(jìn)行無線通訊，并通過RS232接口與現(xiàn)場顯示單元和后臺監(jiān)控中心連接，其通信速率最大可達(dá)到38400bps，通信距離可達(dá)15米。開關(guān)電源有+24V和+5V兩種電壓輸出，+24V電壓與現(xiàn)場顯示單元連接，+5V電壓與主控單元連接。

本實施方式中，霍爾電流傳感器、信號調(diào)理模塊、電源、仿真接口、數(shù)據(jù)處理模塊和無線發(fā)射模塊均焊接在PCB板上，接線關(guān)系如圖10所示。

如圖11所示，采用發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度在線監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：電源為現(xiàn)場檢測裝置供電；

步驟2：霍爾電流傳感器檢測穿過其中間通孔的發(fā)電機(jī)碳刷電流即穿過中間通孔的螺栓電流，并將發(fā)電機(jī)碳刷電流以電壓信號輸出；

步驟3：溫度傳感器檢測發(fā)電機(jī)碳刷溫度，并將發(fā)電機(jī)碳刷溫度以電壓信號輸出；

步驟4：信號調(diào)理模塊獲取霍爾電流傳感器和溫度傳感器輸出的電壓，并將電壓信號的幅值進(jìn)行壓縮；

步驟5：對幅值壓縮后的電壓信號過濾噪聲，將去噪聲的電壓信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；

步驟6：數(shù)據(jù)處理模塊將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度，并發(fā)送給無線發(fā)射模塊：

步驟6.1：測量發(fā)電機(jī)碳刷電流，記錄兩次碳刷流經(jīng)不同電流時數(shù)據(jù)處理模塊接收到的電壓信號值，并利用兩組電流值和電壓信號值作為碳刷電流-電壓信號一次函數(shù)的兩點，計算碳刷電流-電壓信號函數(shù)關(guān)系；

步驟6.2：測量發(fā)電機(jī)碳刷溫度，記錄兩次碳刷處于不同溫度時數(shù)據(jù)處理模塊接收到的電壓信號值，并利用兩組溫度值和電壓信號值作為碳刷溫度-電壓信號一次函數(shù)的兩點，計算碳刷溫度-電壓信號函數(shù)關(guān)系；

步驟6.3：數(shù)據(jù)處理模塊接收電壓信號，并將接收到的電壓信號根據(jù)碳刷電流-電壓信號函數(shù)關(guān)系和碳刷溫度-電壓信號函數(shù)關(guān)系計算碳刷電流和碳刷溫度；

步驟6.4：數(shù)據(jù)處理模塊將碳刷電流和碳刷溫度發(fā)送給無線發(fā)射模塊；

步驟7：無線發(fā)射裝置將接收到的發(fā)電機(jī)碳刷電流和碳刷溫度采用無線發(fā)射的方式發(fā)送給主控單元；

步驟8：主控單元接收現(xiàn)場檢測裝置發(fā)送的發(fā)電機(jī)碳刷的實時電流和碳刷的實時溫度，并轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場顯示單元和后臺監(jiān)控中心進(jìn)行顯示和監(jiān)測。