一种电刷滑环故障的诊断装置及机理诊断和维修设计方法，电刷滑环故障诊断装置含有：固定在电刷的机器外壳上的至少一个或一个以上的振动冲击传感器，或／和一个轴电压检测传感器，与振动冲击传感器及轴电压检测传感器连接的、带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪；由电刷滑环故障诊断软件对振动冲击传感器获取的信号进行分析，识别电刷滑环的故障；所述振动及共振解调故障诊断仪含有振动检测通道、共振解调检测通道和带有ＡＤ转换采集器及诊断软件的计算机，其中的振动冲击传感器或／和轴电压检测传感器的检测信号接到振动检测通道和共振解调检测通道的输入端，振动检测通道和共振解调检测通道的输出振动和冲击信号接到带有ＡＤ转换采集器及诊断软件的计算机的ＡＤ输入端，采集的信息由计算机的诊断软件进行故障诊断、故障机理分析，并最终做维修及改进设计的决策。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于故障 诊断与安全
；尤其适用于风力发电机的双馈发电机等和轨道交通接地回路等 电刷滑环的运行故障和结构故障诊断及处理。
技术介绍
在现有风力发电机中，双馈式发电机占有主流地位；而其中带有电刷滑环的"有 刷双馈发电机"又占有很大比重。此类发电机大量发生电刷滑环故障，轻则引起自动 跳闸停止发电，重则发生强烈的破坏作用，严重损害风力发电机组的安全。在其他交 流发电机中为了避免转子感应的轴电压流过和损伤轴承，要求将轴承对机器外壳绝缘 安装，将轴上的轴电压通过与之连接的滑环和电刷接机器外壳(地)，却时常因为电 刷滑环故障断路而引发其他故障。此外，在轨道交通设备中，电力供给的接地回路是通过电刷滑环将电流传输到车 轮然后由车轮传输到钢轨实现的，同样易发生电刷滑环故障。因此，有必要提出识别 运转中电刷滑环故障及故障机理，并据此指导电刷滑环的先进维修以及改进设计的方 法，以便能及时实现对相应故障进行机理诊断和及时维修，防止危害风力发电机和轨 道交通设备等安全事故的发生。以双馈式风力发电机为例，该发电机可以在转子的转速频率FN不等于发电频率 FG (中国电网规定为50Hz)的整分数时发出频率等于FG的电压，其解决的方法是对 转子的电磁铁以频率FK的交流电励磁，例如，电磁铁的磁极对数为N (通常^2)时， 如果转子转速频率FN〈FG/N，则控制励磁电源的频率FK= (FG/N-FN)，使磁场的旋转 频率为N(FN+FK)二N(FN+FG/N-FN)=FG，则可以保障所发电压的频率等于FG，从而为所 发电能并网馈送准备一个必要条件。为了对转子有效励磁，通常采用3相4线的方式 对转子馈电，于是设有A、 B、 C、 D等4个滑环，分别通过电刷连接相应的、频率等 于FK的A、 B、 C3相电压馈送线和星形连接绕组中性点的接地线；其中，A、 B、 C相 馈送的是相互相位相差120度的电压较高、电流较大的电压。因此，为了馈电可靠，一般采用均布的Z组电刷，例如2=2~3，而用于连接绕组中性点或者用于断路轴电压 的D相的电刷则只有1组电刷甚至只有1个电刷，因为传统设计思想认为在理想的状 况下，D相没有或只有不大的电压和电流。有的D相滑环还与发电机转子直接连接， 目的是把转子感应的"轴电流"通过D相的滑环和电刷接地；而在用永磁励磁的发电 机中可以没有A、 B、 C三相励磁电压和对应的电刷滑环，但一定有为了克服感应轴电 流而设的D相(可以没有D代号)接地滑环和电刷；而在轨道交通领域中，则是通过 安装在车轴上的滑环(可以直接使用车轴代替滑环)和电刷，将来自车外电力线经过 受电弓、车上用电设备的电流回路接到车轴和车轮，进而通过与轨道接触的车轮，将电流引到连接供电地线的轨道。实际运行过程中，由于发电机的转子与定子可能存在偏心，由于还可能存在其它 异常，特别是励磁电压并非理想的正弦电压和电流，而是以P丽方式产生的电压和电 流，因此，D相时常存在电压，特别是存在电流，其中包括绕组中性点的不平衡电流 或感应产生的轴电流。而对于轨道交通而言，其接地电刷滑环则必然通过所有的电流。 一旦发电机转子相对定子产生偶然的较大随机振动，就必然出现现有设计的D相滑环 与D相唯一的电刷瞬间脱开，就会使D相的电刷滑环之间因发生拉弧而烧伤；继而该 烧伤的滑环与电刷因为相对转动而发生相对转子转速频率FN的、周而复始的摩擦冲 击，从而进一步激发转子产生较大的、周期性的振动；转子的该周期性的振动，又激 励所有A、 B、 C、 D相的滑环与其电刷相继瞬时脱开/接触而产生强大的冲击，危及风 力发电机等的机械安全。而上述的机械故障引发电刷滑环出现瞬时断开时，还引起风 力发电机励磁异常，发电频率或电压变化，被并网控制装置识别而令发电机对电网跳 闸断开，直接导致风力发电机停止发电；或者引起轨道交通电力动车瞬时断电，最终 造成运行事故。此外，上述双馈发电机的电刷滑环及轨道交通接地电刷滑环不同于直流电机的换 向器，换向器的滑环是由大量的、沿圆周分布的、相互绝缘的圆弧组成的，而双馈发 电机和轨道交通接地的滑环则是整体的圆环。在经典的设计中，几乎都是采用软弹性 的弹簧将电刷压在滑环上实现引电的。这是因为人们根据经典理论认为如果烧伤的 滑环或换向器与电刷接触摩擦产生的振动频率H*FN高，而电刷支撑系统设计得很软 以致固有频率FS很低时，则电刷受滑环或换向器振动激励的电刷振动很小，可能具 有更好的安全性和寿命(如图1所示)。为了说明激励振动与受迫振动的量值、频率6和相位的关系，暂时假设滑环只激励电刷振动而不限制电刷振动的情况设电刷的(低)固有频率为FS-10Hz，共振放大因子G-10;转速1500r/min，滑 环的振动频率为FN=25Hz，可见电刷受滑环激励的振动增益是-14.39dB，即电刷的振 动是滑环振动的0. 1908倍。但是这种设计忽视了电刷相对滑环的振动相位特性电 刷的振动比滑环的振动滞后近180度，也就是说，在实际振动产生过程中，当滑环向 着电刷运动时，电刷也正好向着滑环运动(如图2所示)。当振动峰值为lmra的滑环 向电刷运动到原始临界位置(位移为0)时，电刷却试图撞入滑环11.88um，两者反 向运动接触时必然发生碰撞冲击，显然该设计未能防范本专利技术将要解决的系统强 烈冲击问题。事实上，质量相对小的电刷总是在受到滑环振动的强迫牵制和限制，在 配合运转状态下，电刷的正向运动不能小于滑环的正向运动，不然，滑环就强迫它运 动，但电刷的正向运动可以大于滑环的正向运动，就是在受到滑环撞击时可以弹跳； 反之，电刷的反向运动不能超越滑环的反向运动，否则将受到滑环的阻挡，但可以滞 后于滑环的运动与滑环分离。物理模型如图3所示。图4是滑环振动与FS=100Hz的电刷振动相互作用的力学模型仿真图。设电刷的 共振频率为FS=100Hz，谐振增益G-IO，开关SW广SW3的开启门限为10n，关闭门限为 0,目的在于取得正的振幅；开关SW4 SW6的开启门限为-10m关闭门限为O,目的在 于取得负的振幅；图示状态切入25Hz、 lmm的正弦"滑环振动"；SW1取出电刷的正运动，SW2取出滑环的正运动，用U2作比较滑环的正运动减 去电刷的正运动，若为正，则通过SW3取出该正运动，经过SW7、 U4、 SW9和U6 (强 迫放大100倍)，再经过U1加速驱动电刷运动，以便令电刷强迫向正方向运动，直至 它与滑环同步(没有滞后)作正向运动；SW4取出电刷的负运动，SW5取出滑环的负运动，用U3作比较电刷的负运动减 去滑环的负运动，若为负，则通过SW6取出该负运动，经U6反相，经过SW8、 U4、 SW9 和U6(强迫放大)，再经过U1加速驱动电刷运动，以便令电刷强迫减小负方向运动， 直至它与滑环同步(没有超前)作负向运动。考察"F100G10电刷"振动、在滑环正向振动有大于电刷正向振动趋势时的"环 驱动刷"冲击、在电刷负向振动有绝对值大于滑环负向绝对值振动趋势时的"环阻挡 刷"冲击、以及电刷滑环之间的冲击"总冲击"如图5。从图5-1可见由于滑环的振动为-lmnTlmra的正弦运动，共振频率FS-100Hz、谐振增益G=10倍的电刷的负向运动没有小于-lmm，因为它受到滑环的阻本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电刷滑环故障的诊断装置及机理诊断和维修设计方法，其特征在于： Ａ、所述电刷滑环故障诊断装置含有：安装在固定电刷的机器外壳上的至少一个、或一个以上的振动冲击传感器（１），或／和一个轴电压检测传感器（３），与振动冲击传感器（１）及轴电 压检测传感器（３）连接的、带有电刷滑环故障诊断软件的振动及共振解调故障诊断仪（２）； Ｂ、由振动及共振解调故障诊断仪（２）的电刷滑环故障诊断软件对振动冲击传感器（１）获取的振动冲击或／和轴电压检测传感器（３）获取的信号进行分析，识别电 刷滑环的故障； Ｃ、所述振动及共振解调故障诊断仪（２）含有振动检测通道（２－１）、共振解调检测通道（２－２）和带有ＡＤ转换采集器及诊断软件的计算机（２－３），其中的振动冲击传感器（１）或／和轴电压检测传感器（３）的检测信号接到振动检测 通道（２－１）和共振解调检测通道（２－２）的输入端，振动检测通道（２－１）和共振解调检测通道（２－２）的输出振动和冲击信号接到带有ＡＤ转换采集器及诊断软件的计算机（２－３）的ＡＤ输入端，其所采集的信息由计算机的诊断软件进行故障诊断、故障机理分析，并最终做出对电刷滑环进行维修及改进设计的决策。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：唐德尧，曾承志，
申请(专利权)人：唐德尧，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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