并激繞組在大功率直流電機(jī)中的運(yùn)用

劉子峰

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

目前位于上海臨港汽發(fā)試驗(yàn)站的兩套試驗(yàn)機(jī)組為我司生產(chǎn)的最大功率直流電機(jī)，單機(jī)最大容量為9 350 kW，電壓等級(jí)1 200 V，轉(zhuǎn)速375 r/min。臨港汽發(fā)試驗(yàn)站多次反饋我司，自該試驗(yàn)機(jī)組電機(jī)運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)常遇到電機(jī)機(jī)組啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，直流母線中電流有震蕩現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。波動(dòng)幅值超過(guò)保護(hù)開關(guān)限值，導(dǎo)致過(guò)保護(hù)跳閘。另外直流電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，換向器表面有打火現(xiàn)象，造成碳刷磨損較快，碳刷辮子線斷裂，換向器表面出現(xiàn)灼燒痕跡。

圖1 電機(jī)運(yùn)行波形圖

我司售后部門多次派人對(duì)該機(jī)組直流電機(jī)進(jìn)行碳刷及刷握的更換，刷架中心位置的調(diào)整，但收效甚微，機(jī)組系統(tǒng)故障仍未得到有效解決。隨著汽發(fā)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)任務(wù)增多，機(jī)組的改造迫在眉睫。

1 原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)走訪考察，對(duì)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

主要原因有兩點(diǎn)：

(1) 上海臨港地區(qū)靠近海邊，電機(jī)基礎(chǔ)有沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致軸系發(fā)生了偏移，造成電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙不均勻，磁場(chǎng)耦合變差，影響直流電機(jī)換向性能，換向器表面火花變大，導(dǎo)致?lián)Q向器表面溫度升高[1]。長(zhǎng)期運(yùn)行后，造成換向器銅排變形凸片，換向性能更為惡劣。

(2) 該試驗(yàn)平臺(tái)為兩套機(jī)組共6臺(tái)電機(jī)，其中單套機(jī)組為三臺(tái)電機(jī)串聯(lián)使用(2臺(tái)直流電機(jī)+1臺(tái)同步電機(jī))，見(jiàn)圖2。4臺(tái)直流電機(jī)采用并聯(lián)接線方式接入直流母線。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組圖

直流電機(jī)負(fù)載調(diào)速特性為線性，調(diào)速過(guò)程分為調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。直流電機(jī)負(fù)載調(diào)速特性公式如下：

電動(dòng)機(jī)

CenΦ=U-IRaki-2

(1)

發(fā)電機(jī)

CenΦ=U+IRaki+2

(2)

其中：Ce為常數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Φ為主磁通；U為端電壓；I為主電流；Raki為電機(jī)電樞回路電阻。

當(dāng)機(jī)組聯(lián)動(dòng)時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)處于調(diào)壓調(diào)速過(guò)程中，主磁通不變，端電壓變化較快，由于電機(jī)外特性偏軟，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，因此導(dǎo)致電流的變化率增大，電流波動(dòng)加劇，引起直流母線電流震蕩。

2 改造方案

基于上述兩點(diǎn)主要原因，分別對(duì)2套機(jī)組的基礎(chǔ)和直流電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

(1) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)進(jìn)行了重新找平，提高基礎(chǔ)水平度；并對(duì)機(jī)組軸線找正、校調(diào)。

(2) 對(duì)直流電機(jī)換向器進(jìn)行精車、拉槽、倒角處理，避免因換向器凸片而造成的直流電機(jī)碳刷打火現(xiàn)象。

(3) 根據(jù)之前系統(tǒng)總成單位提供的臨港試驗(yàn)機(jī)組試驗(yàn)報(bào)告：串入電感，使得控制系統(tǒng)補(bǔ)償系數(shù)約為3%反饋量時(shí)，臨港試驗(yàn)機(jī)組運(yùn)行狀況得到了改善，見(jiàn)圖3。

圖3 串電阻系統(tǒng)反饋圖

僅從系統(tǒng)上進(jìn)行補(bǔ)償反饋，機(jī)組運(yùn)行還未能達(dá)到最理想的狀態(tài)。因此，需對(duì)直流電機(jī)本體進(jìn)行改造，從根本上解決系統(tǒng)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)直流電機(jī)定子勵(lì)磁繞組進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，我司的解決方案是主磁極上增加一套并激繞組。即壓縮勵(lì)磁線圈高度，為后續(xù)增加一套并激繞組提供了可操作空間。

3 施工設(shè)計(jì)

增加并激繞組的目的：隨著直流電機(jī)負(fù)載電流的變化而產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的并激磁場(chǎng)，改變直流電機(jī)的外特性，提高系統(tǒng)的匹配程度，防止產(chǎn)生電流波動(dòng)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)原則：不改變?cè)兄鞔艌?chǎng)安匝數(shù)，使得改造后的直流電機(jī)勵(lì)磁功率基本滿足原先電控設(shè)備要求。

原勵(lì)磁繞組線規(guī)為1．25 mm×31．5 mm，匝數(shù)110匝，額定勵(lì)磁電流為94 A，總安匝數(shù)110×94×2=20 680 A。

改造后電機(jī)勵(lì)磁繞組線規(guī)為1．4 mm×35．5 mm，匝數(shù)95匝，額定勵(lì)磁電流109 A，總安匝數(shù)95×109×2=20 710 A。

并激繞組線規(guī)為3．35 mm×7．1 mm，匝數(shù)20匝，額定并激電流22．5 A，總安匝數(shù)20×22．5×2=900 A。

增加并激繞組后，其最大反饋量為900/20 710=4．3%，基本匹配總成單位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(1) 勵(lì)磁線圈設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。

圖4 勵(lì)磁繞組線圈示意圖

勵(lì)磁線圈采用扁繞，線規(guī)采用寬扁型線規(guī)，在不增大勵(lì)磁電密的同時(shí)，線圈整體繞制后的高度有所下降，從原先的167 mm下降到159 mm，為加裝并激繞組提供了空間上的可能。上端引出線進(jìn)行了下彎式設(shè)計(jì)，方便接線的同時(shí)增大了與并激線圈的空間距離，提高了爬電距離。

(2) 并激繞組設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5。

圖5 并激繞組線圈示意圖

并激繞組采用螺旋繞，設(shè)計(jì)高度為20 mm，空間利用率小，放置在勵(lì)磁線圈與機(jī)座鐵心間隔處。并激繞組特點(diǎn)：繞組之間采用串聯(lián)接法，整體并接入定子補(bǔ)償回路。通過(guò)計(jì)算得到并激繞組在額定負(fù)載下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：Ec=Ia×(Rk+Ri)=7 792×(0.001 345+0.000 312)≈12.9 V。

并激繞組接線原理圖，見(jiàn)圖6。

圖6 并激繞組Rc接線原理示意圖

其中：Rf為勵(lì)磁電阻；Rc為并激電阻；Rki為定子補(bǔ)償繞組和換向極繞組總電阻；Ia為額定電流；Ec為并激繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

(3) 主極改造設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖7。

利用原有主極鐵心，套入新設(shè)計(jì)的勵(lì)磁繞組線圈及并激繞組線圈，線圈壓板由A3鋼改為絕緣的3240環(huán)氧玻璃布板，提高了空間利用率的同時(shí)保證了絕緣效果。主極裝配后進(jìn)行了VPI絕緣浸漆處理，并烘干。增加了絕緣可靠性。

(4) 定子繞組接線設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖8。

圖7 主極裝配示意圖

圖8 定子繞組接線示意圖

并激繞組接線采用串聯(lián)接法，引出線D6、D1，分別與A1主排和C2刷架集電環(huán)連接。此種接線方法走線最為簡(jiǎn)單，走線距離較短，操作方便。

直流電動(dòng)機(jī)改造時(shí)，并激繞組為正接狀態(tài)，即D6并接入C2刷架集電環(huán)，D1并接入A1主排。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)時(shí)：U↓↓?n↓?I↓?Φ↓，主磁通的改變使得外特性變硬，使得機(jī)械與電氣迅速達(dá)到新的平衡點(diǎn)，起到穩(wěn)定主電流的作用。啟動(dòng)過(guò)程反之。

直流發(fā)電機(jī)改造時(shí)，并激繞組為反接狀態(tài)，即D6并接入A1主排，D1并接入C2刷架集電環(huán)。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)過(guò)程時(shí)：n↓U↓↓?I↑?Φ↓，主磁通的改變同樣使得外特性變硬，使得機(jī)械與電氣迅速達(dá)到新的平衡點(diǎn)，也起到穩(wěn)定主電流的作用。

4 機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)改造過(guò)程

機(jī)組中4臺(tái)直流電機(jī)定子返廠改造，加裝并激繞組后運(yùn)抵用戶現(xiàn)場(chǎng)。由于并激繞組感應(yīng)電勢(shì)最大幅值為12.9 V，通過(guò)計(jì)算得到最大感應(yīng)電流為20 A左右。因此并激繞組接線及引出線采用6氯醚護(hù)套電纜JEM-500 V，其開環(huán)電流值為58 A。同時(shí)走線方便，為現(xiàn)場(chǎng)配接線提供了可靠保障。

電機(jī)復(fù)位后，通過(guò)調(diào)節(jié)墊片來(lái)調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子間隙。使得機(jī)組整條軸系上3臺(tái)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子間隙更加均勻。

5 改造前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

改造前M1電動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 改造前電動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)表

當(dāng)端電壓降到400 V左右時(shí)，由于電流波動(dòng)過(guò)大跳閘。

改造后M1電動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 改造后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)表

電機(jī)制動(dòng)過(guò)程及過(guò)零時(shí)，電流波動(dòng)明顯減小。

6 總結(jié)

在方案設(shè)計(jì)時(shí)，也考慮過(guò)串激繞組加裝并聯(lián)環(huán)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)并聯(lián)環(huán)等效電路計(jì)算，發(fā)現(xiàn)需要布置3組環(huán)并聯(lián)才能使串激繞組不平衡度控制在15%左右。改造成本高，工期長(zhǎng)，且效果欠佳。

在改造工期短，改造經(jīng)費(fèi)有限的條件下，制定合理的改造方案變得尤為重要。最終增加并激繞組，改變電機(jī)外特性，從根本上解決了電流震蕩的現(xiàn)象。通過(guò)此項(xiàng)目電機(jī)的改造，從中取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。