劉 剛，趙健龍

(1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

0 引言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷由石墨組成，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中起到滑動(dòng)接觸件的作用，但由于其材料主要為碳，往往容易磨損，而碳刷的損壞是引起勵(lì)磁系統(tǒng)故障的重要成因，因此對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷的故障檢測(cè)是非常必要的，進(jìn)而提出本課題的研究。

國(guó)外機(jī)械研究機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷檢測(cè)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[1]根據(jù)碳刷運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)自適應(yīng)故障判斷模塊，利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，microelectro mechanical systems)技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)剪切應(yīng)力傳輸模型(SST，shear stress transfer)檢測(cè)算法判斷碳刷的具體信息，達(dá)到碳刷故障的自適應(yīng)判斷功能。但這種方式判斷結(jié)果較為寬泛，精確度不高；國(guó)內(nèi)機(jī)械研究部門對(duì)碳刷材料進(jìn)行研究，其中文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)一種STC故障檢測(cè)單片機(jī)，利用紅外熱成像技術(shù)得到發(fā)電機(jī)內(nèi)部碳刷余量，并通過(guò)多普勒信號(hào)分離算法確定碳刷運(yùn)行是否正常，并給出相應(yīng)檢測(cè)參數(shù)。但這種方法設(shè)計(jì)成本較高，需要精密的儀器才能實(shí)現(xiàn)。而文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)多回路故障檢測(cè)模型對(duì)勵(lì)磁碳刷進(jìn)行回路檢測(cè)，通過(guò)多小波和峭度準(zhǔn)則判斷碳刷實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，利用頻譜法對(duì)碳刷移位故障進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成碳刷的及時(shí)復(fù)位。但這種方法對(duì)磨損較嚴(yán)重的碳刷處理較差，無(wú)法滿足現(xiàn)階段電機(jī)故障檢測(cè)的需求。

針對(duì)上述研究的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷故障檢測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)一種故障檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)碳刷運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)化管控[4]。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：

1)建立組件對(duì)象模型(COM，component object model)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案，對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部碳刷運(yùn)行進(jìn)行建模，掌握碳刷整體概況。

2)利用BF5R(digital sensing device optical sensor)檢測(cè)電路對(duì)碳刷運(yùn)行條件和輸出參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，使故障判斷更為精確化。

3)通過(guò)改進(jìn)維格納威爾分布(WVD，wigner ville distribution)故障定位算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果精準(zhǔn)定位碳刷故障位置，為后期更換提高數(shù)據(jù)支撐。

1 COM動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案

對(duì)于發(fā)電機(jī)碳刷故障的檢測(cè)，本研究通過(guò)設(shè)計(jì)組件對(duì)象模型(COM)完成碳刷檢測(cè)的建模，使電機(jī)碳刷故障檢測(cè)具有動(dòng)態(tài)功能，檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，在此基礎(chǔ)上將其實(shí)際故障檢測(cè)運(yùn)行同步到模型中，從而得到碳刷檢測(cè)結(jié)果，然后根據(jù)模型輸出結(jié)果確定碳刷狀態(tài)，經(jīng)過(guò)故障分析和維保機(jī)制從而完成碳刷故障的檢測(cè)[5]。COM動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案如圖1所示。

圖1 COM動(dòng)態(tài)檢測(cè)圖

COM動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行發(fā)電機(jī)碳刷基本信息的查詢和記錄，對(duì)碳刷可能存在存在的故障事件進(jìn)行歸納，數(shù)據(jù)服務(wù)器主要收錄電機(jī)碳刷參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)，并對(duì)收錄信息進(jìn)行歸納，為后續(xù)相似故障的維修方案提供參考；監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控維修人員的具體操作步驟，對(duì)電機(jī)碳刷正常運(yùn)行到發(fā)生故障，維修過(guò)程和恢復(fù)正常整個(gè)流程進(jìn)行監(jiān)控，使碳刷運(yùn)行過(guò)程處于完全監(jiān)控狀態(tài)。通過(guò)WLAN橋完成電機(jī)設(shè)備與工作臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳達(dá)。模型裝置主要建造設(shè)備有發(fā)電機(jī)外殼、勵(lì)磁系統(tǒng)、動(dòng)作線路、固定器和碳刷，發(fā)電器外殼負(fù)責(zé)整個(gè)電機(jī)器件的總裝[6]；勵(lì)磁系統(tǒng)作為電機(jī)的主要運(yùn)行結(jié)構(gòu)，是碳刷作用的主要部位；動(dòng)作線路主要完成電機(jī)各設(shè)備的協(xié)調(diào)，將發(fā)電結(jié)果輸送至外場(chǎng)；固定器起到穩(wěn)固碳刷的作用，使碳刷在運(yùn)作過(guò)程中減小磨損。整個(gè)動(dòng)態(tài)模型的建立根據(jù)服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行各類設(shè)備的框架設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)模型中各設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)RS232通信傳輸?shù)綑z測(cè)系統(tǒng)中，最終由檢測(cè)系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)，并通過(guò)算法編程確定故障位置，為后續(xù)碳刷的更換和維修提供參考[7]。

整個(gè)模型的建立依賴于COM技術(shù)，通過(guò)對(duì)電機(jī)組件一對(duì)一的設(shè)計(jì)，將實(shí)際運(yùn)行中的設(shè)備結(jié)構(gòu)分解，能夠?qū)﹄姍C(jī)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)，完成碳刷的整體運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控，更加全面地了解電機(jī)中各結(jié)構(gòu)之間的影響，并通過(guò)減小這些影響的方式控制碳刷的損壞程度[8]。

2 BF5R檢測(cè)電路

檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，傳輸線路的選型具有重要作用，通過(guò)分析碳刷運(yùn)行條件和參數(shù)進(jìn)行選型，碳刷運(yùn)行條件主要分析電機(jī)受力狀態(tài)和連接設(shè)備的穩(wěn)定程度進(jìn)行判斷，碳刷參數(shù)主要由專用測(cè)試表進(jìn)行判斷。經(jīng)過(guò)分析判斷本文選用BF5R檢測(cè)電路，在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)90°直角探頭檢測(cè)方式[9]，此檢測(cè)方式能夠?qū)崿F(xiàn)碳刷的完全檢測(cè)，通過(guò)碳刷的旋轉(zhuǎn)定時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)方式更為先進(jìn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)更為精確，在線路外圍包裹光纖保護(hù)套，保證檢測(cè)過(guò)程的順利進(jìn)行，通過(guò)IP65聲光報(bào)警器等元件設(shè)置安全裝置，BF5R檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 BF5R檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

BF5R檢測(cè)電路應(yīng)用在電機(jī)碳刷中，電機(jī)電壓需控制在AC220V，碳刷初始尺寸控制在160 mm×27 mm×22mm，最大磨損面積為10 mm2，對(duì)碳刷材料進(jìn)行定期更換[10]。經(jīng)過(guò)比較和篩選后，采用BF5R光纖傳感器作為檢測(cè)線路的核心裝置，具有光檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，并且不易損壞，在使用過(guò)程中采用雙顯示型光纖傳感器放大器，每秒兩萬(wàn)次的超高速檢測(cè)和1/10 000高分辨率的光纖放大器，光纖本身具有的特性為超高速模式(50 μs)，高速模式(150 μs)，標(biāo)準(zhǔn)模式(500 μs)，長(zhǎng)距離模式(4 ms)，能將測(cè)量信號(hào)最大距離傳輸，滿足檢測(cè)線路的各項(xiàng)要求。線路檢測(cè)過(guò)程主要利用輸出光纖將碳刷模型檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的兩側(cè)，傳輸光纖一般為10 m，以M4直角探頭采集的碳刷磨損度為檢測(cè)指標(biāo)，設(shè)置A、B、C三相探頭應(yīng)用在三條BF5R線路中，BF5R線路采用自動(dòng)功率控制(APC，auto power control)回路架設(shè)方式，回路電線不受元件壽命或溫度變化的影響，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持久使用。碳刷運(yùn)行正常時(shí)BF5R探頭穿過(guò)碳刷內(nèi)的小孔，將傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)正常輸送，傳感器采用多種靈敏度設(shè)置模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整的目的，1點(diǎn)為最大靈敏度，2點(diǎn)為最小靈敏度，能夠更加碳刷位置設(shè)置相應(yīng)靈敏度；當(dāng)碳刷存在故障時(shí)，探頭滑觸線出現(xiàn)偏移，當(dāng)偏移程度過(guò)大時(shí)，碳刷小孔被遮擋，檢測(cè)光映射到擋板上，BF5R線路檢測(cè)異常，發(fā)出故障信號(hào)，并記錄故障時(shí)間，完成碳刷運(yùn)行的故障數(shù)據(jù)傳輸，碳刷故障信號(hào)通過(guò)RS485專用通信模塊，輕松實(shí)現(xiàn)通信傳輸過(guò)程，通信模塊最大可連接32個(gè)故障檢測(cè)點(diǎn)，為定位故障提供有效數(shù)據(jù)[10]。

BF5R檢測(cè)線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行電壓為AC220 V，通過(guò)連接發(fā)電機(jī)Q22上樁頭提供電壓供給，并經(jīng)過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換，分別應(yīng)用于報(bào)警信號(hào)和光纖結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)M4直角探頭和光纖傳感的方式提高檢測(cè)質(zhì)量，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和碳刷參數(shù)的記錄具有重要作用[11]。

3 改進(jìn)WVD故障定位算法

維格納維拉分布(WVD，wigner viller distribution)定位算法主要運(yùn)算方式為時(shí)域和頻域上的一種定位，通過(guò)雙線性規(guī)律完成故障的尋址和測(cè)算，具有時(shí)頻分布的特性。該研究通過(guò)融合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法中的函數(shù)處理方式，對(duì)碳刷故障參數(shù)進(jìn)行分化，從而減輕計(jì)算壓力，保證碳刷材料在故障處理后達(dá)到最佳分辨率，滿足發(fā)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的需要[12]。

針對(duì)碳刷故障數(shù)據(jù)，通過(guò)建立碳刷檢測(cè)模型進(jìn)行碳刷狀態(tài)的判斷，然后通過(guò)模態(tài)分解算法進(jìn)行參數(shù)分化，將電機(jī)中復(fù)雜設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)分化為可利用的數(shù)據(jù)狀態(tài)，即按設(shè)備型號(hào)進(jìn)行分化，從中提取碳刷參數(shù)，通過(guò)分析碳刷參數(shù)變化得到檢測(cè)結(jié)果，在故障檢測(cè)周期內(nèi)的碳刷檢測(cè)函數(shù)可以表示為：

(1)

式中，x(t)表示模態(tài)算法分化碳刷檢測(cè)結(jié)果，fimfi(t)表示碳刷模型數(shù)據(jù)函數(shù)，rn(t)表示數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程中的不可控變量，t表示碳刷模型檢測(cè)周期。

在具體計(jì)算時(shí)，WVD定位算法能夠?qū)r(shí)域和頻域上的數(shù)據(jù)信息分離出來(lái)，從不同的角度提煉數(shù)據(jù)信息。在輸入數(shù)據(jù)信息為混和數(shù)據(jù)信息的情況下，無(wú)須了解信號(hào)混合系數(shù)，可以通過(guò)盲源分離法提取各獨(dú)立分量信號(hào)，給出盲源分離結(jié)果不確定的解決方法。并建立了包含自項(xiàng)與交叉項(xiàng)的時(shí)頻分布矩陣，利用時(shí)頻分布矩陣的聯(lián)合對(duì)角化算法消除獨(dú)立分量信號(hào)之間的交叉干擾項(xiàng)。

為保證碳刷故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)發(fā)電機(jī)使用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)同一臺(tái)發(fā)電機(jī)，通過(guò)分析碳刷使用時(shí)長(zhǎng)確定檢測(cè)周期[13]，發(fā)電機(jī)使用時(shí)長(zhǎng)計(jì)算公式為：

(2)

式中，Δt表示發(fā)電機(jī)使用時(shí)長(zhǎng)，x表示碳刷運(yùn)行參數(shù)，v表示碳刷磨損速度，l表示正常碳刷周長(zhǎng)。

根據(jù)模態(tài)算法分化的碳刷模型數(shù)據(jù)，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行逐一餞別，餞別方式采用BF5R檢測(cè)電路，由檢測(cè)回路和各類傳感器完成大數(shù)據(jù)的餞別，從餞別結(jié)果中找到可能碳刷運(yùn)行故障原因，然后進(jìn)行WVD定位，為后續(xù)碳刷的維護(hù)提供參考，WVD定位過(guò)程表示為：

(3)

式中，Wx表示W(wǎng)VD故障定位函數(shù)，Ω表示碳刷模型數(shù)據(jù)對(duì)于周期變化的碳刷磨損量量，τ表示故障定位時(shí)間常數(shù)，x*表示MVD定位周期內(nèi)碳刷變化量，e表示故障定位常數(shù)。

WVD定位算法提供了碳刷故障位置，但無(wú)法對(duì)碳刷故障原因和變化規(guī)律進(jìn)行說(shuō)明，因此需要對(duì)式(3)進(jìn)行積分變換，確定碳刷發(fā)生故障的原因和規(guī)律，稱作碳刷磨損量，對(duì)WVD算法中碳刷故障定位周期變化引起的碳刷磨損量進(jìn)行積分變換[14]，可得：

(4)

通過(guò)式(4)的積分變化可以看出碳刷磨損量受到定位周期的影響，即存在時(shí)域的變化，通過(guò)時(shí)域上的變化分析，碳刷故障位置發(fā)生在頻率軸上，因此對(duì)碳刷頻率軸進(jìn)行分析，確定是否存在碳刷磨損，通過(guò)頻率軸確定碳刷故障位置，在此基礎(chǔ)上完成碳刷故障的數(shù)據(jù)分析，即存在：

(5)

改進(jìn)的WVD算法在原有算法的基礎(chǔ)上匯總了碳刷模型參數(shù)變化，通過(guò)對(duì)比模型數(shù)據(jù)和實(shí)際碳刷磨損量，提高了故障定位的精準(zhǔn)度[15]，同時(shí)增加了研究的信服力，使碳刷在電機(jī)中的故障定位更加準(zhǔn)確，對(duì)維修人員的后續(xù)處理具有重要幫助。

4 故障檢測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)建立故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)COM動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)、BF5R線路規(guī)劃和改進(jìn)WVD算法進(jìn)行統(tǒng)合，建立故障檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)微機(jī)控制的方式使各項(xiàng)技術(shù)分工更為明確，并建立指令傳達(dá)控制室，能夠更加碳刷故障進(jìn)行相應(yīng)指令的確定，使碳刷故障檢測(cè)過(guò)程更為順利，而系統(tǒng)化的檢測(cè)過(guò)程能夠提高碳刷故障檢測(cè)效率，將不同檢測(cè)結(jié)構(gòu)模塊化，改善了傳統(tǒng)故障檢測(cè)方案運(yùn)行混雜、檢測(cè)方案不清晰的問(wèn)題[16]。該研究建立的勵(lì)磁碳刷故障檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 故障檢測(cè)系統(tǒng)

碳刷故障檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)微機(jī)控制，利用計(jì)算機(jī)算法處理發(fā)電機(jī)碳刷運(yùn)行狀態(tài)信息，并對(duì)碳刷故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，通過(guò)微機(jī)控制中心完成多個(gè)檢測(cè)技術(shù)的調(diào)度配合[17]。通過(guò)電量記錄發(fā)電機(jī)輸出數(shù)據(jù)，對(duì)其外在顯示電流、電壓進(jìn)行記錄，與初始電機(jī)發(fā)電參數(shù)形成對(duì)比數(shù)據(jù)，分析出在此期間內(nèi)輸出電量的變化，以此推算碳刷是否發(fā)生故障，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。根據(jù)分析的碳刷數(shù)據(jù)存庫(kù)設(shè)計(jì)COM動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案，并建立相應(yīng)服務(wù)器，通過(guò)模型狀態(tài)顯示碳刷狀態(tài)，同時(shí)對(duì)電機(jī)整體數(shù)據(jù)和各部分連接設(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行記錄，COM模型數(shù)據(jù)和碳刷數(shù)據(jù)存庫(kù)通過(guò)傳真信息和郵件的方式進(jìn)行發(fā)送和接收，重要信號(hào)采用5G無(wú)線的信號(hào)進(jìn)行傳輸[18]。在故障檢測(cè)系統(tǒng)中，由電機(jī)總線負(fù)責(zé)COM模型和碳刷實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)聯(lián)系，碳刷實(shí)際檢測(cè)過(guò)程主要由BF5R檢測(cè)電路和改進(jìn)WVD算法完成，BF5R檢測(cè)電路通過(guò)故障電路分析、抑制電路和碳刷光纖完成碳刷狀態(tài)的收集；改進(jìn)WVD算法主要進(jìn)行碳刷模型數(shù)據(jù)的分化和碳刷故障定位[19-20]。而維修站主要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程和改進(jìn)WVD算法進(jìn)行碳刷的維護(hù)和更換，首先作好故障記錄，然后根據(jù)記錄建立維修方案，最后進(jìn)行選材和現(xiàn)場(chǎng)維修，通過(guò)移動(dòng)端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新。

整個(gè)碳刷故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出瞬間電量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和對(duì)比，精確把握碳刷運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)微網(wǎng)控制中心傳達(dá)操作指令，完成碳刷檢測(cè)技術(shù)的協(xié)調(diào)配合，提高發(fā)電機(jī)碳刷檢測(cè)的效率，最大限度的節(jié)省后期維修的時(shí)間，保證電機(jī)維護(hù)和碳刷更換工作的順利運(yùn)行[21-22]。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

該研究針對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷運(yùn)行故障檢測(cè)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)電機(jī)采用4B3.9型號(hào)柴油發(fā)電機(jī)，電機(jī)壽命為最大值，電機(jī)中各類設(shè)備完美的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，碳刷材料為電化石墨，并設(shè)計(jì)各種碳刷故障狀態(tài)，通過(guò)組建COM碳刷模型確定電機(jī)中碳刷位置[23]，設(shè)計(jì)BF5R檢測(cè)電路完成碳刷故障的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改進(jìn)WVD算法精確定位碳刷故障位置，并對(duì)碳刷磨損量和碳刷調(diào)節(jié)幅度進(jìn)行控制，最后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成圖表形式進(jìn)行分析[24]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程在Intel i9 9600KF計(jì)算機(jī)，3.10 GHz的CPU和64+128 GB內(nèi)存的雙核PC機(jī)上運(yùn)行，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用WIN 10系統(tǒng)[25]，設(shè)備性能為頂配計(jì)算機(jī)，處理數(shù)據(jù)較快?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置，實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)為數(shù)據(jù)光纖采集模式，具有采集速度快，采集精度高的特點(diǎn)，信號(hào)傳輸方式為5G無(wú)線信號(hào)，同時(shí)架設(shè)有線傳輸方式，保證傳輸信號(hào)的穩(wěn)定，傳輸速率>4.5 MB/s。在此環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

本設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)發(fā)電機(jī)中碳刷故障原因檢測(cè)和故障定位進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)15 KW4B3.9型號(hào)柴油發(fā)電機(jī)中碳刷故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Proteus仿真軟件對(duì)實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行仿真演示，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行仿真過(guò)程如圖4所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行仿真圖

根據(jù)圖4仿真結(jié)果對(duì)比各設(shè)計(jì)方案具體效果，將仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體制表，定位時(shí)間通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行記錄生成，信號(hào)幅值由脈沖濾波器顯示得到，精確度根據(jù)碳刷故障實(shí)際參數(shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比計(jì)算可得，記錄碳刷狀態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)而驗(yàn)證本研究的有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表，最終顯示碳刷故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 碳刷故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)表2數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷故障檢測(cè)具有明顯效果，在15 kW發(fā)電機(jī)環(huán)境中，碳刷故障定位時(shí)間為3.5 min，信號(hào)幅值為13 V，結(jié)果精確度為96.4%；文獻(xiàn)[1]采用的MEMS檢測(cè)技術(shù)碳刷故障定位時(shí)間為6.4 min，信號(hào)幅值為18 V，結(jié)果精確度為90.8%；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的STC檢測(cè)單片機(jī)碳刷故障定位時(shí)間為8.6 min，信號(hào)幅值為24 V，結(jié)果精確度為85.8%。由此看出本研究對(duì)勵(lì)磁碳刷的檢測(cè)效果具有較高可行性。

利用仿真軟件顯示3種不同方案檢測(cè)系統(tǒng)的幅值，其幅值變化較大，將幅值變化導(dǎo)入濾波器中，利用脈沖濾波器對(duì)比3種技術(shù)的信號(hào)檢測(cè)波形，其波形反應(yīng)了3種方案的故障檢測(cè)性能，通過(guò)對(duì)比方式分析各系統(tǒng)性能，3種系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)波形變化曲線如圖5～7所示。

圖5 本研究信號(hào)檢測(cè)波形

圖6 MEMS技術(shù)信號(hào)檢測(cè)波形

圖7 STC單片機(jī)信號(hào)檢測(cè)波形

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[1]提出的MEMS檢測(cè)技術(shù)最大幅值電壓為18 V，最小幅值電壓為10 V，平均幅值為14 V，信號(hào)檢測(cè)過(guò)程存在一定的波動(dòng)性，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足；文獻(xiàn)[2]提出的STC檢測(cè)單片機(jī)最大幅值電壓為24 V，最小幅值電壓為6 V，平均幅值為15 V，波動(dòng)范圍較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；本研究檢測(cè)波形最大幅值電壓為13 V，最小幅值電壓為6 V，平均幅值為9.5 V，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)本研究碳刷檢測(cè)系統(tǒng)脈沖波形變化幅度較慢，則仿真結(jié)果幅值電壓最低，證實(shí)本研究檢測(cè)系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)比各設(shè)計(jì)方案的檢測(cè)結(jié)果精確度，進(jìn)一步完成實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Proteus軟件實(shí)現(xiàn)碳刷故障檢測(cè)系統(tǒng)的仿真，得到系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果精確度曲線對(duì)比如圖8所示。

圖8 檢測(cè)結(jié)果精確度曲線

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)3種方案檢測(cè)結(jié)果精確度與發(fā)電機(jī)輸出電能存在一定關(guān)系，本研究精確度最高為97.9%，最低為94.9%，平均為96.4%；文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的MEMS檢測(cè)技術(shù)精確度最高為92.4%，最低為89.2%，平均為90.8%；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的STC檢測(cè)單片機(jī)精確度最高為87.9%，最低為83.7%，平均為85.8%。

綜上所述，本設(shè)計(jì)方案對(duì)碳刷結(jié)構(gòu)的故障定位時(shí)間、檢測(cè)精確度和系統(tǒng)穩(wěn)定性具有明顯效果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明本研究定位時(shí)間最短，結(jié)果準(zhǔn)確度最高，系統(tǒng)運(yùn)行最為穩(wěn)定，體現(xiàn)出本設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)碳刷結(jié)構(gòu)故障檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性。

6 結(jié)束語(yǔ)

該研究對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷結(jié)構(gòu)的故障檢測(cè)和定位進(jìn)行研究，通過(guò)組建碳刷模型和檢測(cè)線路完成方案設(shè)計(jì)，主要技術(shù)研究如下：

1)建立COM模型將發(fā)電機(jī)內(nèi)部碳刷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)到屏幕上，檢測(cè)狀態(tài)更為明顯，使工作人員更為容易地找到故障原因，避免誤判和漏判問(wèn)題。

2)利用BF5R檢測(cè)電路完成電機(jī)內(nèi)部碳刷結(jié)構(gòu)與微機(jī)模型的對(duì)接，將碳刷初始參數(shù)與后期模型參數(shù)形成對(duì)比數(shù)據(jù)，從而找到故障點(diǎn)。

3)通過(guò)改進(jìn)WVD算法分化碳刷模型數(shù)據(jù)，將復(fù)雜的運(yùn)行參數(shù)分化開來(lái)，使故障定位更具條理性，進(jìn)而精確定位碳刷故障位置。

通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷故障檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總為碳刷故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表，發(fā)現(xiàn)本研究定位時(shí)間最短，結(jié)果準(zhǔn)確度最高，系統(tǒng)運(yùn)行最為穩(wěn)定，通過(guò)仿真對(duì)比分析，表明本設(shè)計(jì)方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是本研究在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍存在問(wèn)題，碳刷更換效率較慢，故障報(bào)警需要停機(jī)檢修，從而導(dǎo)致電能浪費(fèi)等問(wèn)題仍待解決。