魏靜微， 武會延， ?！∫?， 黃全全， 葉倩倩

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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大型汽輪發(fā)電機勵磁碳刷電流在線檢測與分析*

魏靜微， 武會延， 牛野， 黃全全， 葉倩倩

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

大型汽輪發(fā)電機勵磁碳刷的排列緊密，其相互之間的干擾問題相當嚴重，導致碳刷電流測量不準確。為了更準確地測量碳刷電流，采用磁屏蔽環(huán)方法減少相互之間的影響，并針對4路碳刷電流采用ANSYS進行電磁數值仿真分析和驗證，在工程實踐中得到了應用?？杀ＷC碳刷電流測量的準確性。

碳刷； 電磁干擾； ANSYS

0　引　言

大型汽輪發(fā)電機，需要借助“碳刷與集電環(huán)”二者組成的滑動接觸導流環(huán)節(jié)向轉子繞組提供勵磁電流[1～3]，因而，集電環(huán)—碳刷裝置工作正常對保證發(fā)電機可靠運行具有十分重要的意義。

霍爾電流傳感器采用霍爾元件作為檢測元件，是近年來比較常用的電流檢測裝置。通過測量被測電流產生的磁場來反映被測電流的大小[5～7]?；魻栯娏鱾鞲衅靼唇Y構可分為以下三種,即閉環(huán)霍爾電流傳感器、開環(huán)無磁霍爾電流傳感器、開環(huán)有磁霍爾電流傳感器。

本文對三種檢測方法進行了介紹和仿真分析，結果表明,開環(huán)有磁霍爾電流傳感器準確性更好。

1　霍爾電流傳感器在線檢測方法

1.1閉環(huán)霍爾電流傳感器

閉環(huán)霍爾電流傳感器又稱磁平衡式電流傳感器，如圖1所示，即主回路被測電流在聚磁環(huán)處所產生的磁場通過一個次級線圈，電流所產生的磁場進行補償，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。閉環(huán)霍爾電流傳感器的特點是精度高，響應快，與此同時，體積較大、工藝比較復雜、過載能力差、價格高等缺陷也是眾多用戶糾結的主要因素之一。由于汽輪發(fā)電機刷握結構過于緊湊，普通閉環(huán)霍爾電流傳感器無法安裝，因此，碳刷電流測量沒有選用這種傳感器。

圖1　閉環(huán)霍爾電流傳感器原理示意圖Fig 1　Principle of closed-loop Hall current sensor

1.2開環(huán)無磁霍爾電流傳感器

當電流通過一根長導線時，在導線周圍將產生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，在此以MLX91205為例，電流傳感器MLX91205是一個軸，集成基于霍爾效應的磁傳感器無反饋線圈，它產生一個模擬的、比例的、輸出電壓成正比的且應用與芯片表面的磁場平行，該電路采用標準CMOS工藝。額外的磁性層(三軸TM或IMCTM=綜合磁選礦廠)是在一個簡單的后處理步驟添加的、放大的磁場，并集中在霍爾元件。因此，該電路具有非常高的磁場靈敏度，響應快，低失調，低噪音。MLX91205是非常適合汽車和工業(yè)環(huán)境中的電流感應。此電流傳感器的最大的優(yōu)點就是價格便宜，是許多公司首先選擇測量電流的儀器。但是它容易受到外界磁場的干擾，測量不準確。

圖2　開環(huán)無磁環(huán)霍爾電流傳感器Fig 2　Open-loop Hall current sensor without magnetic ring

1.3開環(huán)有磁環(huán)霍爾電流傳感器

此類霍爾電流傳感器是在開環(huán)電流傳感器基礎上增加磁屏蔽環(huán)構成的，如圖3。磁芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙處。當原邊導體流過電流時，在導體周圍產生磁場強度與電流大小成正比的磁場，磁芯將磁力線集聚至氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應強度成正比的電壓信號，放大電路將該信號放大輸出，該類傳感器通常輸出±10 V左右的電壓信號，也有部分傳感器為了增強電磁兼容性，變換為電流信號輸出[8]。性能處于開環(huán)無磁環(huán)霍爾電流傳感器與閉環(huán)霍爾電流傳感器之間，但是沒有反饋線圈，既有開環(huán)無磁環(huán)霍爾電流傳感器結構簡單、體積小響應快等優(yōu)點，又有閉環(huán)霍爾電流傳感器精度高等優(yōu)點。在進行多項對比之后，選擇了開環(huán)有磁環(huán)霍爾電流傳感器，開環(huán)有磁環(huán)霍爾電流傳感器對電磁干擾具有屏蔽作用，提高了電流測量的準確性，另外價格相對閉環(huán)電流傳感器，更加實惠。

圖3　開環(huán)有磁環(huán)霍爾電流傳感器Fig 3　Open-loop Hall current sensor with magnetic ring

2　發(fā)電機勵磁碳刷四路電流的電磁干擾分析

2.1計算模型

根據電磁場理論，通電導體周圍產生暫態(tài)時變電磁場，該電磁場應滿足時變場的Maxwell方程[9]

(2)

2.2開環(huán)無磁環(huán)電磁場分析

用ANSYS軟件進行仿真，對該四路電流進行仿真模型簡化，將三維模型簡化為二維模型，殼體用Plane53 單元來劃分網格，將放電單元模擬為一個放電電流環(huán)。如圖4所示，導線的直徑是0.001 0 m，導線間的距離是0.029 m，導線中通入100 A的電流，建立模型進行電磁場分析。如圖4將開環(huán)無磁環(huán)霍爾電流傳感器放在第二根通電導線的上方A點，距離導線0.006 m處，分別對第二根通電流，第二根第三根通電流，四根全通電流等三種情況進行電磁場分析。

圖4　ANSYS模型圖Fig 4　ANSYS model

1)在碳刷中第二根導線上通入100 A電流，得到ANSYS仿真圖如圖5(a)所示，A點的磁感應強度B為0.003 02 T。

2)在碳刷中第二根、第三根導線上通入100 A電流，得到ANSYS仿真圖如圖5(b)所示，A點的磁感應強度B為0.003 66 T。

3)在碳刷四根導線上都通入100 A電流，得到ANSYS仿真圖如圖5(c)所示，A點的磁感應強度B為0.004 22 T。

圖5　屏蔽前磁場分布圖Fig 5　Magnetic field distribution before shielding

在上面三組圖中導線中都通入100 A的電流，由于霍爾傳感器的位置在第二根上方0.006 m處，經計算，得出電流數據如表1所示。

表1　開環(huán)無磁環(huán)情況下仿真電流值/A

由以上表中數值分析得在沒有采取任何屏蔽措施時，導線之間存在很強的干擾，導致碳刷電流不平衡，檢測數據誤差達到16 %左右，超過了誤差允許范圍。

3　開環(huán)有磁環(huán)的電磁場分布

根據以上分析采取開環(huán)有磁環(huán)電流傳感器是最好的方法[10]，屏蔽環(huán)材料是坡莫合金，相對磁導率為200 000，屏蔽環(huán)的半徑大小為(0.006 295 0.008 045)，開口縫隙大小為0.001 88 m，如圖6所示，同上對加上屏蔽環(huán)以后的電路進行上述三種情況的電磁場分析。

圖6　屏蔽環(huán)尺寸圖Fig 6　Size of shielding ring

1)在碳刷第二根導線上通入100 A電流，得到ANSYS仿真圖如圖7(a)所示，A點的磁感應強度B為0.184 3 T。

2)在碳刷第二根、第三根導線上通入100 A電流，得到ANSYS仿真圖如圖7(b)所示，A點的磁感應強度B為0.186 2 T。

3)在碳刷四根導線上通入都100 A電流，ANSYS仿真圖如圖11所示，A點的磁感應強度B為0.190 4 T。

圖7　屏蔽后磁場分布圖Fig 7　Magnetic field distribution after shielding

在圖7中導線都通入100 A的電流，由于霍爾傳感器的位置在第二根上方0.006 m處，經計算，得出電流數據如表2所示。

表2　開環(huán)有磁環(huán)情況下仿真電流值/A

由表格1與表格2對比數據可以知道，在用開環(huán)無磁環(huán)檢測電流時，誤差很大，而用開環(huán)有磁環(huán)測量時，誤差在1 %左右，屏蔽了電磁干擾，檢測數據誤差減小。

4　實驗數據

根據開環(huán)有磁環(huán)霍爾傳感器原理做出了勵磁檢測設備。當電流超過110 A時，設備就會產生紅色過流報警，電流小于20 A時，設備就會產生藍色欠流報警，所以，測量電流的準確性起著至關重要的作用。第一組實驗：將第二根、第三根導線連接電流發(fā)生裝置，另一端與碳刷電流檢測裝置相連，調節(jié)電流發(fā)生器，使之所產生的電流從0～100 A之間取10組數據，從0 A逐漸增大，一直到100 A。調節(jié)電流后使用鉗形電流表測量導線所通過的電流，即導線的真實電流值。在使用開環(huán)無磁環(huán)霍爾電流傳感儀測量兩根導線電流，即導線的測量電流值。

在第一組實驗中的得到的數據如表3所示。

表3　開環(huán)無磁環(huán)情況下實驗測量電流值

第二組實驗：用開環(huán)有磁環(huán)霍爾電流傳感器測量兩路通電電流時的實驗數據如表4所示。

表4　開環(huán)有磁環(huán)情況下實驗測量電流值

由上述表3、表4對比可知，在用開環(huán)無磁環(huán)霍爾電流傳感器進行測量時誤差達到15 %左右，而用開環(huán)有磁環(huán)霍爾電流傳感器進行測量時誤差在1 %左右，可以知道后者比前者更適用于企業(yè)。

5　結　論

1)閉環(huán)霍爾傳感器，精度高、響應快，但是由于其體積大，價格昂貴，不能用在大型汽輪發(fā)電機勵磁碳刷檢測系統(tǒng)中。

2)開環(huán)無磁環(huán)霍爾傳感器價格低廉，但測量不準確，誤差達到16 %左右，超過誤差允許范圍，存在很大的安全問題。

3)開環(huán)有磁環(huán)霍爾傳感器兼具準確性與價格優(yōu)勢，上述兩者的優(yōu)點，適合在企業(yè)中得到大面積運用，并在工程實踐中得到了應用。

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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

國家自然科學基金資助項目(51207036)

TM 301.4

A

1000—9787(2016)08—0033—04

魏靜微(1969-)，女，遼寧海城人，碩士生導師，副教授，研究方向為特種電機的設計及控制。

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