電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置原理與分析

付國(guó)宏，秦風(fēng)斌，李文金，雷秉惠，金龍兵(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

水輪發(fā)電機(jī)組在檢修之前或者安裝完畢以后，需要進(jìn)行盤(pán)車(chē)，以便對(duì)發(fā)電機(jī)的軸線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整。并通過(guò)儀表測(cè)量各個(gè)部位的擺渡值，用來(lái)分析軸線(xiàn)擺渡產(chǎn)生的原因、大小和方位。電動(dòng)盤(pán)車(chē)通俗地講就是使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確保機(jī)組軸系的擺渡、振動(dòng)在規(guī)定范圍之內(nèi)。

目前，水電站的盤(pán)車(chē)方式主要有三種：人力盤(pán)車(chē)、機(jī)械盤(pán)車(chē)和電動(dòng)盤(pán)車(chē)[1-2]。人力盤(pán)車(chē)?yán)萌肆ν蟿?dòng)機(jī)械設(shè)備來(lái)推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種人力盤(pán)車(chē)適用于小型機(jī)組。而對(duì)于中大型發(fā)電機(jī)組，往往需要利用橋機(jī)或者機(jī)械裝置來(lái)進(jìn)行牽引，用滑輪作鋼絲繩帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種盤(pán)車(chē)方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加其他設(shè)備，操作比較簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)是操作過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子無(wú)法保持勻速旋轉(zhuǎn)，停落點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，隨機(jī)性較大。電動(dòng)盤(pán)車(chē)既可適用于小型機(jī)組，也可適用于中大型機(jī)組，能夠精確控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效避免了機(jī)械盤(pán)車(chē)中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題。

電動(dòng)盤(pán)車(chē)就是在發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子中分別通直流電流，使其產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)電磁原理中的同極性相斥、異極性相吸的特點(diǎn)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種盤(pán)車(chē)方式雖然增加了部分電氣設(shè)備，控制電路相對(duì)復(fù)雜，但是提高了自動(dòng)化程度，停落點(diǎn)精確可靠，總體效率相對(duì)提高。

1 電動(dòng)盤(pán)車(chē)的基本原理

1.1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座構(gòu)成。本文所述的發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF150-96/15600，機(jī)組額定功率為150 MW，由哈爾濱電機(jī)廠制造。發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈為雙層疊繞組，每層792槽，總共1 584根線(xiàn)棒，每糟口中上下層嵌入定子線(xiàn)棒，其接線(xiàn)方式為3Y。定子繞組采用3回路并聯(lián)，每極每相槽數(shù)為2.75槽，定子繞組節(jié)距為1-8-17。水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為凸極式形式，轉(zhuǎn)子直徑為14.96 m，轉(zhuǎn)子重量為600 t。一共48個(gè)磁極對(duì)。每個(gè)磁極線(xiàn)圈由20匝繞制而成，轉(zhuǎn)子磁軛高度為1.85 m。96個(gè)磁極線(xiàn)圈依次串聯(lián)而成48個(gè)N極和S極的磁極對(duì)。

1.2 電動(dòng)盤(pán)車(chē)啟動(dòng)電路推算

假設(shè)通電時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的初始位置與定子的A相軸線(xiàn)重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子的磁性為S，定子A相磁性為N，如圖1(a)中所示。根據(jù)極性相異互相吸引的原則，轉(zhuǎn)子不會(huì)旋轉(zhuǎn)。切斷A相電流，給B相通入直流，B相磁軸與轉(zhuǎn)子磁軸相差120°的電氣角度，根據(jù)異性相吸原則，產(chǎn)生的電磁力使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到B相，如圖1(b)中所示。切斷B相電流，給定子C相通入直流，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子能夠順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的條件是給發(fā)電機(jī)定子ABC三相順次通入電流，且電磁轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩。

圖1 電動(dòng)盤(pán)車(chē)磁場(chǎng)原理圖

通入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的直流電流為I1，定轉(zhuǎn)子間的磁極氣隙平均磁通密度為B，磁極線(xiàn)圈的一匝導(dǎo)體的有效邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，則一匝線(xiàn)圈所受到的電磁力為F=2BI1L。設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子半徑為R1，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)夾角為α，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在氣隙磁場(chǎng)中受到的電磁力矩為T(mén)=2BI1LR1cosα。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有2p個(gè)磁極，每個(gè)磁極線(xiàn)圈由N1匝組成。則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)中受到的電磁轉(zhuǎn)矩為

Tm=2pgN1g2BI1LR1cosα=4pN1BI2LR1cosα

(1)

發(fā)電機(jī)定子的每極每相槽數(shù)為N2，根據(jù)它與定子槽數(shù)的關(guān)系可得

(2)

式中：Z為定子槽數(shù)；a為每一相并聯(lián)支路數(shù)。

在磁場(chǎng)中，根據(jù)磁路的基爾霍夫定律[3]可知

F=∑N2I2′=∑ΦRm

(3)

式中：F為磁動(dòng)勢(shì)；I2′是定子并聯(lián)電路電流；Rm為磁阻；Φ為磁通。其中磁阻Rm有

(4)

式中：lm為氣隙長(zhǎng)度；μ為氣隙磁導(dǎo)率；S為極面積。

在定子繞組中，每一相采用三路并聯(lián)，則

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(5)

式中，I2為定子電流。根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)、磁阻和定子電流的相互關(guān)系得到磁通B為

(6)

根據(jù)式(6)的表達(dá)式，進(jìn)一步得到電磁轉(zhuǎn)矩Tm為

(7)

空載條件下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的摩擦力矩為

(8)

式中：G是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分的總重量；Km是推力瓦軸承的摩擦系數(shù)，一般條件下取0.3～0.4之間，本文按Km=0.4作為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的摩擦系數(shù)。其中推力瓦旋轉(zhuǎn)的摩擦直徑為

(9)

式中：D是推力瓦的外徑；d是推力瓦的內(nèi)徑[4]。

在空載條件下，要是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，則有Tm>Tmf，即

(10)

將公式(10)進(jìn)一步變形可得

(11)

1.3 電動(dòng)盤(pán)車(chē)實(shí)例計(jì)算

查看哈爾濱電機(jī)廠的SF150-96/15600的發(fā)電機(jī)參數(shù)可知，定轉(zhuǎn)子之間的平均氣隙為20 mm，氣隙磁道系數(shù)為μ=4π×10-7(H/m)。推力瓦的外徑為3.9 m，推力瓦的內(nèi)徑為2.45 m。cosα在0到1內(nèi)正旋變化，本文取0.5。根據(jù)所述發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的參數(shù)得到發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子啟動(dòng)電流的乘積為

考慮到定子電流是產(chǎn)生磁場(chǎng)的主要組成部分，它在定轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)中的磁通密度很大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到定轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系為I2≈(2∶2.5)I1，根據(jù)以上公式可得I1=950 A，I2=1 960 A。適當(dāng)?shù)亟档娃D(zhuǎn)子電流，可以使發(fā)電機(jī)換相更加平穩(wěn)。本文所述機(jī)組在檢修盤(pán)車(chē)中的通入的實(shí)際電流為I1=950 A，I2=1 200 A。

2 電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置的電氣設(shè)備

2.1 電氣一次部分

在發(fā)電機(jī)電動(dòng)盤(pán)車(chē)時(shí)，通入定子和轉(zhuǎn)子的直流電流是由外部檢修電源提供的，它與發(fā)電機(jī)的額定電壓、轉(zhuǎn)子電流沒(méi)有直接關(guān)系。對(duì)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組直接提供電源的電路，稱(chēng)為盤(pán)車(chē)裝置的電氣一次線(xiàn)路，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。發(fā)電機(jī)定子的線(xiàn)路依次從專(zhuān)用廠用檢修電源，經(jīng)過(guò)斷路器、調(diào)壓變壓器、三相半波整流器、隔離開(kāi)關(guān)送到定轉(zhuǎn)子繞組[5]。定子主回路采用三相全波全控整流，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷換相，促使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子主回路經(jīng)過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)形成直流與碳刷架的正負(fù)極相連，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子形成穩(wěn)定的磁場(chǎng)。

圖2 盤(pán)車(chē)裝置電氣接線(xiàn)原理圖

2.2 電氣二次部分

電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置的二次回路主要由微機(jī)調(diào)節(jié)控制器(PLC)、監(jiān)控器和檢測(cè)器組成。其中PLC是信號(hào)處理的核心單元，通過(guò)檢測(cè)輸入信號(hào)，完成數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，輸出處理完成的信號(hào)，達(dá)到控制所需的要求。監(jiān)控器主要由電壓表、電流表、信號(hào)燈和開(kāi)關(guān)按鈕組成。對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和輸入輸出信號(hào)量進(jìn)行監(jiān)視。檢測(cè)器主要是通過(guò)電流傳感器對(duì)發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)地將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到微機(jī)中。

3 電動(dòng)盤(pán)車(chē)分析

在電動(dòng)盤(pán)車(chē)過(guò)程中，當(dāng)定子勵(lì)磁柜的電流按照設(shè)定值整定時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子隨著切換相正常地步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)“不動(dòng)”或者 “倒轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象，有人根據(jù)公式(10)的關(guān)系式，將其歸咎為啟動(dòng)電流小、電磁轉(zhuǎn)矩不夠。但是在隨后的試驗(yàn)過(guò)程中，增加定轉(zhuǎn)子電流，也就是增加電磁轉(zhuǎn)矩，并沒(méi)有很好地解決這個(gè)問(wèn)題，反而增加了發(fā)電機(jī)換相過(guò)程的抖動(dòng)。此外，在盤(pán)車(chē)過(guò)程中給發(fā)電機(jī)推力軸承和鏡板的接觸面涂抹潤(rùn)滑油，進(jìn)一步減小摩擦力矩。按照增大電磁轉(zhuǎn)矩、減小摩擦力矩的思路，并沒(méi)有得到理想效果。重新對(duì)電動(dòng)盤(pán)車(chē)的原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所給出的定轉(zhuǎn)子啟動(dòng)電流是能夠拉動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的。由此可知這并不是電磁轉(zhuǎn)矩小、電磁轉(zhuǎn)矩不足引起的。與此同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不動(dòng)的時(shí)候，停下來(lái)等一段時(shí)間再重新啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子又能恢復(fù)旋轉(zhuǎn)。

綜合上述現(xiàn)象分析，其實(shí)都是鐵芯剩磁引起的[6]。這也剛好解釋了為什么增大電流會(huì)無(wú)濟(jì)于事，而停一段時(shí)間重新啟動(dòng)卻能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。剩磁現(xiàn)象發(fā)生的原因是轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁疇在氣隙磁場(chǎng)作用轉(zhuǎn)向后，其位置不能馬上恢復(fù)原狀，其磁性仍然會(huì)保留一部分。在盤(pán)車(chē)過(guò)程中，想要減小剩磁現(xiàn)象的影響，一般在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)以后，迅速減小定子電流，這樣可以使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地更加平穩(wěn)。減小發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，也能使發(fā)電機(jī)同心度的測(cè)量更加精確，盤(pán)車(chē)的數(shù)據(jù)重復(fù)性好，盤(pán)車(chē)更容易一次性達(dá)到成功。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用電動(dòng)盤(pán)車(chē)操作簡(jiǎn)單、方便可靠、性能優(yōu)越，可以提高檢修效率。通過(guò)在發(fā)電機(jī)組檢修前后盤(pán)車(chē)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與應(yīng)用，證明了所推導(dǎo)的電動(dòng)盤(pán)車(chē)定轉(zhuǎn)子電流的有效性。檢修人員按照此種方法，可以準(zhǔn)確地測(cè)量出檢修發(fā)電機(jī)組的軸線(xiàn),保證了發(fā)電機(jī)軸的擺度和瓦溫均在規(guī)定范圍內(nèi)，這為其他機(jī)組的盤(pán)車(chē)提供了參考，具有一定的指導(dǎo)意義。