大型汽轮发电机励磁碳刷电流在线检测与分析*

魏静微， 武会延， 牛　野， 黄全全， 叶倩倩

(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)



大型汽轮发电机励磁碳刷电流在线检测与分析*

魏静微， 武会延， 牛野， 黄全全， 叶倩倩

(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

大型汽轮发电机励磁碳刷的排列紧密，其相互之间的干扰问题相当严重，导致碳刷电流测量不准确。为了更准确地测量碳刷电流，采用磁屏蔽环方法减少相互之间的影响，并针对4路碳刷电流采用ANSYS进行电磁数值仿真分析和验证，在工程实践中得到了应用。可保证碳刷电流测量的准确性。

碳刷； 电磁干扰； ANSYS

0　引　言

大型汽轮发电机，需要借助“碳刷与集电环”二者组成的滑动接触导流环节向转子绕组提供励磁电流[1～3]，因而，集电环—碳刷装置工作正常对保证发电机可靠运行具有十分重要的意义。

霍尔电流传感器采用霍尔元件作为检测元件，是近年来比较常用的电流检测装置。通过测量被测电流产生的磁场来反映被测电流的大小[5～7]。霍尔电流传感器按结构可分为以下三种,即闭环霍尔电流传感器、开环无磁霍尔电流传感器、开环有磁霍尔电流传感器。

本文对三种检测方法进行了介绍和仿真分析，结果表明,开环有磁霍尔电流传感器准确性更好。

1　霍尔电流传感器在线检测方法

1.1闭环霍尔电流传感器

闭环霍尔电流传感器又称磁平衡式电流传感器，如图1所示，即主回路被测电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。闭环霍尔电流传感器的特点是精度高，响应快，与此同时，体积较大、工艺比较复杂、过载能力差、价格高等缺陷也是众多用户纠结的主要因素之一。由于汽轮发电机刷握结构过于紧凑，普通闭环霍尔电流传感器无法安装，因此，碳刷电流测量没有选用这种传感器。

图1　闭环霍尔电流传感器原理示意图Fig 1　Principle of closed-loop Hall current sensor

1.2开环无磁霍尔电流传感器

当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，在此以MLX91205为例，电流传感器MLX91205是一个轴，集成基于霍尔效应的磁传感器无反馈线圈，它产生一个模拟的、比例的、输出电压成正比的且应用与芯片表面的磁场平行，该电路采用标准CMOS工艺。额外的磁性层(三轴TM或IMCTM=综合磁选矿厂)是在一个简单的后处理步骤添加的、放大的磁场，并集中在霍尔元件。因此，该电路具有非常高的磁场灵敏度，响应快，低失调，低噪音。MLX91205是非常适合汽车和工业环境中的电流感应。此电流传感器的最大的优点就是价格便宜，是许多公司首先选择测量电流的仪器。但是它容易受到外界磁场的干扰，测量不准确。

图2　开环无磁环霍尔电流传感器Fig 2　Open-loop Hall current sensor without magnetic ring

1.3开环有磁环霍尔电流传感器

此类霍尔电流传感器是在开环电流传感器基础上增加磁屏蔽环构成的，如图3。磁芯有一开口气隙，霍尔元件放置于气隙处。当原边导体流过电流时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，放大电路将该信号放大输出，该类传感器通常输出±10 V左右的电压信号，也有部分传感器为了增强电磁兼容性，变换为电流信号输出[8]。性能处于开环无磁环霍尔电流传感器与闭环霍尔电流传感器之间，但是没有反馈线圈，既有开环无磁环霍尔电流传感器结构简单、体积小响应快等优点，又有闭环霍尔电流传感器精度高等优点。在进行多项对比之后，选择了开环有磁环霍尔电流传感器，开环有磁环霍尔电流传感器对电磁干扰具有屏蔽作用，提高了电流测量的准确性，另外价格相对闭环电流传感器，更加实惠。

图3　开环有磁环霍尔电流传感器Fig 3　Open-loop Hall current sensor with magnetic ring

2　发电机励磁碳刷四路电流的电磁干扰分析

2.1计算模型

根据电磁场理论，通电导体周围产生暂态时变电磁场，该电磁场应满足时变场的Maxwell方程[9]

(2)

2.2开环无磁环电磁场分析

用ANSYS软件进行仿真，对该四路电流进行仿真模型简化，将三维模型简化为二维模型，壳体用Plane53 单元来划分网格，将放电单元模拟为一个放电电流环。如图4所示，导线的直径是0.001 0 m，导线间的距离是0.029 m，导线中通入100 A的电流，建立模型进行电磁场分析。如图4将开环无磁环霍尔电流传感器放在第二根通电导线的上方A点，距离导线0.006 m处，分别对第二根通电流，第二根第三根通电流，四根全通电流等三种情况进行电磁场分析。

图4　ANSYS模型图Fig 4　ANSYS model

1)在碳刷中第二根导线上通入100 A电流，得到ANSYS仿真图如图5(a)所示，A点的磁感应强度B为0.003 02 T。

2)在碳刷中第二根、第三根导线上通入100 A电流，得到ANSYS仿真图如图5(b)所示，A点的磁感应强度B为0.003 66 T。

3)在碳刷四根导线上都通入100 A电流，得到ANSYS仿真图如图5(c)所示，A点的磁感应强度B为0.004 22 T。

图5　屏蔽前磁场分布图Fig 5　Magnetic field distribution before shielding

在上面三组图中导线中都通入100 A的电流，由于霍尔传感器的位置在第二根上方0.006 m处，经计算，得出电流数据如表1所示。

表1　开环无磁环情况下仿真电流值/A

由以上表中数值分析得在没有采取任何屏蔽措施时，导线之间存在很强的干扰，导致碳刷电流不平衡，检测数据误差达到16 %左右，超过了误差允许范围。

3　开环有磁环的电磁场分布

根据以上分析采取开环有磁环电流传感器是最好的方法[10]，屏蔽环材料是坡莫合金，相对磁导率为200 000，屏蔽环的半径大小为(0.006 295 0.008 045)，开口缝隙大小为0.001 88 m，如图6所示，同上对加上屏蔽环以后的电路进行上述三种情况的电磁场分析。

图6　屏蔽环尺寸图Fig 6　Size of shielding ring

1)在碳刷第二根导线上通入100 A电流，得到ANSYS仿真图如图7(a)所示，A点的磁感应强度B为0.184 3 T。

2)在碳刷第二根、第三根导线上通入100 A电流，得到ANSYS仿真图如图7(b)所示，A点的磁感应强度B为0.186 2 T。

3)在碳刷四根导线上通入都100 A电流，ANSYS仿真图如图11所示，A点的磁感应强度B为0.190 4 T。

图7　屏蔽后磁场分布图Fig 7　Magnetic field distribution after shielding

在图7中导线都通入100 A的电流，由于霍尔传感器的位置在第二根上方0.006 m处，经计算，得出电流数据如表2所示。

表2　开环有磁环情况下仿真电流值/A

由表格1与表格2对比数据可以知道，在用开环无磁环检测电流时，误差很大，而用开环有磁环测量时，误差在1 %左右，屏蔽了电磁干扰，检测数据误差减小。

4　实验数据

根据开环有磁环霍尔传感器原理做出了励磁检测设备。当电流超过110 A时，设备就会产生红色过流报警，电流小于20 A时，设备就会产生蓝色欠流报警，所以，测量电流的准确性起着至关重要的作用。第一组实验：将第二根、第三根导线连接电流发生装置，另一端与碳刷电流检测装置相连，调节电流发生器，使之所产生的电流从0～100 A之间取10组数据，从0 A逐渐增大，一直到100 A。调节电流后使用钳形电流表测量导线所通过的电流，即导线的真实电流值。在使用开环无磁环霍尔电流传感仪测量两根导线电流，即导线的测量电流值。

在第一组实验中的得到的数据如表3所示。

表3　开环无磁环情况下实验测量电流值

第二组实验：用开环有磁环霍尔电流传感器测量两路通电电流时的实验数据如表4所示。

表4　开环有磁环情况下实验测量电流值

由上述表3、表4对比可知，在用开环无磁环霍尔电流传感器进行测量时误差达到15 %左右，而用开环有磁环霍尔电流传感器进行测量时误差在1 %左右，可以知道后者比前者更适用于企业。

5　结　论

1)闭环霍尔传感器，精度高、响应快，但是由于其体积大，价格昂贵，不能用在大型汽轮发电机励磁碳刷检测系统中。

2)开环无磁环霍尔传感器价格低廉，但测量不准确，误差达到16 %左右，超过误差允许范围，存在很大的安全问题。

3)开环有磁环霍尔传感器兼具准确性与价格优势，上述两者的优点，适合在企业中得到大面积运用，并在工程实践中得到了应用。

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On-line detection and analysis on excitation current of brush of large turbine generator*

WEI Jing-wei, WU Hui-yan, NIU Ye, HUANG Quan-quan, YE Qian-qian

(College of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

Excitation brush of large turbine generator arrange densely,interference between them is very serious,which leads to current carbon measurements of brushes inaccuratly.In order to measure current of carbon brushes more accurately,use Magnetism shielding ring to reduce impact between each other,simulation analysis and verification are carried out by ANSYS for four path carbon brushless electric current,and it has been applied in engineering practice.It is shown that the measurement current of carbon brushes are correct.

carbon brush; electromagnetic interference; ANSYS

2015—11—05

国家自然科学基金资助项目(51207036)

TM 301.4

A

1000—9787(2016)08—0033—04

魏静微(1969-)，女，辽宁海城人，硕士生导师，副教授，研究方向为特种电机的设计及控制。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0033—04