多功能泵站電氣盤車裝置的原理及應用

裴彥明，熊曉蕾，張辰瑋

（1.天津明碩機電設備股份有限公司，天津 300100；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

1 引言

城市排澇泵站一般只在雨季使用，平時基本閑置，水泵機組經(jīng)常處于長期停泵狀態(tài)。機組長時間停機后，大軸受力方向單一，極易造成彎曲變形。同時軸承由于長時間靜止，軸承接觸面便會失去油膜，潤滑系統(tǒng)遭到破壞。此外，由于水泵機組一般布置于水面以下，電機井內(nèi)環(huán)境陰暗潮濕，長期停運的電機繞組易吸潮氣，導致絕緣強度下降，如不定期干燥除濕，也會帶來電氣安全隱患。水泵若長期存放于污水環(huán)境，同時未進行定期盤車，會出現(xiàn)局部沾粘、軸承疲勞點蝕等故障，嚴重時甚至導致泵軸彎曲[1]。

本文介紹了電氣盤車裝置的原理以及在泵站的成功應用。機組安裝檢修時可用于盤車和間隙調(diào)整；長時間停機期間可實現(xiàn)機組定期自動翻身，保證主軸受力均勻并維持潤滑油膜；電機絕緣強度降低時，可對定轉(zhuǎn)子進行通電干燥。最大限度地挖掘電氣盤車裝置的使用價值。

2 電氣盤車原理

水輪發(fā)電機組和水泵機組在安裝時軸線的測量和調(diào)整，是通過盤車用百分表或位移傳感器等，測出有關(guān)部位的擺度值，借以分析軸線產(chǎn)生擺度的原因、大小和方位[2]。對于裝有滑動軸承的機組，在刮瓦時也需通過盤車檢測瓦面接觸情況，從而調(diào)整刮瓦工藝?？梢姳P車是機組安裝調(diào)整過程中重要的環(huán)節(jié)之一。要想盤動機組，首先要通過公式（1）計算出空載轉(zhuǎn)動摩擦力矩[3，5]。

式中：M0為盤車所需力矩（單位：N·m）；Q為機組轉(zhuǎn)動部分總重量（單位：N）；Km為摩擦系數(shù)（一般?。?.05～0.15）；D2為鏡板摩擦面的平均等效直徑（單位：m）。

一般大中型水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量有幾百上千噸，因此通過式（1）計算得到盤車力矩M0高達幾百kN·m 。顯然傳統(tǒng)的人力盤車已無法滿足要求，必須借助專用工具才能實現(xiàn)盤車操作。

隨著可控硅整流技術(shù)的發(fā)展，電氣盤車控制思想日益成熟并被廣泛采用。其控制原理是使發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子分別通上直流電后，利用定、轉(zhuǎn)子磁場的交叉作用力，使機組緩慢旋轉(zhuǎn)[4]。

盤車通電方式為轉(zhuǎn)子先通電，定子繞組輪流通電，即A-B-C 通電方式，每次定子只有一相通電，通電3 次為一個循環(huán)，步距角為120°[5]。圖1（a）顯示定子A 相繞組及轉(zhuǎn)子繞組同時通入直流電流時的磁場狀況。此時轉(zhuǎn)子可以等效為一個電磁鐵，極性為左N 右S；A 相繞組電流方向為A 入X 出，磁力線指向左。轉(zhuǎn)子在磁場力的作用下被牽引旋轉(zhuǎn)至兩磁力線平行位置，即圖1（a）位置，轉(zhuǎn)子受力平衡靜止不動。若切斷A 相電流，向B 相繞組及轉(zhuǎn)子繞組同時通入電流時，由于B 相磁場順時針旋轉(zhuǎn)了120°，轉(zhuǎn)子也將被吸引并順時針旋轉(zhuǎn)120°達到新的平衡，如圖1（b）所示。按順序向各相定子繞組通入電流并維持足夠通電時間，轉(zhuǎn)子即可平穩(wěn)、連續(xù)地轉(zhuǎn)動。

圖1 一對磁極電機繞組磁場示意圖

實際應用中，為了實現(xiàn)更為精確的定位，定子繞組也可采用單向-兩相輪流通電的方式，按A-ABB-BC-C-CA 的順序通電，步距角為60°[5]。假設定子A 相通電并且轉(zhuǎn)子已穩(wěn)定在圖1（a）位置，A 相電流維持不變，再通入B 相電流，定子A 相和B 相疊加后的磁場則順時針旋轉(zhuǎn)了60°，到達圖1（d）位置，因此轉(zhuǎn)子也將被吸引旋轉(zhuǎn)60°。然后切斷定子A 相電流，B 相電流維持不變，B 相磁場恢復如圖1（b）位置，即又順時針旋轉(zhuǎn)60°，轉(zhuǎn)子也隨之旋轉(zhuǎn)60°。

電氣盤車時，定子電流每切換一次電氣角的改變，稱其為電氣轉(zhuǎn)角；相應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，稱其為幾何轉(zhuǎn)角[5]。三相電機單相通電的電氣轉(zhuǎn)角為120°，對于一對磁極的交流同步電機的幾何轉(zhuǎn)角等于電氣轉(zhuǎn)角，也為120°。極對數(shù)為其他數(shù)時的幾何轉(zhuǎn)角按式（2）計算[6]。

式中：αj為幾何轉(zhuǎn)角（°）；αd為電氣轉(zhuǎn)角（°）；P為極對數(shù)。

頻率與極對數(shù)和轉(zhuǎn)速三者關(guān)系如式（3）[6]。

式中：n為機組額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

連立式（2）、式（3）可得式（4），即已知50 Hz 機組的轉(zhuǎn)速，即可得出幾何轉(zhuǎn)角。

計算所得的幾何角度，為盤車裝置實現(xiàn)智能自動盤車提供數(shù)據(jù)參考。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

電氣盤車裝置是基于上述控制理論，在可控硅勵磁系統(tǒng)的硬件基礎上研發(fā)生產(chǎn)的。通過微機（DSC）控制，向同步發(fā)電機或同步電動機的定子和轉(zhuǎn)子分別通以可以調(diào)節(jié)的直流，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子以電動機形式旋轉(zhuǎn)的裝置[7]?？刂乒穹稚现邢? 層：下層為整流變壓器，中層為控制操作單元，上層為4 個可控硅整流橋。定轉(zhuǎn)子電流既可獨立控制，又可相互跟蹤協(xié)聯(lián)控制?？刂茊卧晌C控制器、傳感器、操作回路、遠控盒以及相應控制軟件等組成。

3.1 主回路

裝置主回路由三相整流變壓器、轉(zhuǎn)子可控硅整流橋、定子A 相可控硅整流橋、定子B 相可控硅整流橋和定子C 相可控硅整流橋等5 部分組成，參見圖2。三相半波整流電路為了得到零線，整流變壓器副邊必須為Y0 接法。原邊通常接成△接法，以便能流通三次諧波電流[9]。同時為了使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，采用三繞組整流變壓器，次級兩組繞組均為Dy0-11 接法，轉(zhuǎn)子獨用一組繞組，三相定子共用另一組繞組。主回路還配有過壓、過流、浪涌吸收器等保護元件，柜頂大功率軸流風機用于可控硅整流橋散熱。

圖2 電氣盤車裝置主回路

主回路輸出電壓波形參見圖3。每個工頻周期（20 ms）有3 個波頭，因此整流橋輸出的是150 Hz 脈動直流電壓，其平均值為[9]：

式中：Ud為電壓平均值；U2為輸入相電壓；α為觸發(fā)角。

經(jīng)過感性繞組負載后，便形成相對平滑且連續(xù)的直流勵磁電流。當觸發(fā)角α=0°時，Ud=Udmax=1.17U2；α=90°時，Ud=0，因此，感性負載時移相范圍為90°。

圖3 主回路輸出電壓波形

3.2 控制回路

控制回路由微機控制器、觸摸屏、傳感器、表計、按鈕和指示燈等組成。圖4 為微機控制器原理框圖。控制器接收外部指令并采集各種信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理并完成PID 運算后，輸出可控硅觸發(fā)信號及其他控制信號。同時實時監(jiān)測盤車各項數(shù)據(jù)，對異常情況進行處理并報警輸出。

圖4 微機控制器原理框圖

轉(zhuǎn)子可控硅整流橋由一組（3 路）高速脈沖口（OC）觸發(fā)。為了保證盤車時力矩恒定，定子三相電流要求一致，即3 個可控硅整流橋觸發(fā)角度始終相同。因此為了節(jié)省硬件資源，3 個定子可控硅整流橋共用一組（3 路）高速脈沖口（OC），并通過繼電器切換。由于盤車過程中各相電流切換頻繁，為了保證換相時電感負載電流連續(xù)，避免反壓過高對器件造成損壞，另配置一組（3 路）高速脈沖口（OC）輸出補充脈沖。補充脈沖始終輸出最大角度，同時作用于4 個整流橋，參見圖5。正常觸發(fā)脈沖和補充脈沖同時有效，疊加成雙脈沖后輸出給可控硅觸發(fā)端。

圖5 脈沖觸發(fā)波形及電路

3.3 遠控盒和遙控器

盤車裝置和機組在泵房一般分開布置，有時甚至距離很遠，為了便于運行人員在操作時能夠更好地監(jiān)視機組動作情況，盤車裝置配有遠控盒和無線遙控器，在機組旁通過遠控盒即可完成盤車操作，做到操作和監(jiān)視兩不誤。

4 操作方法

4.1 盤車

盤車分為手動盤車和自動盤車，初次使用時采用手動模式。盤車前轉(zhuǎn)子應盡可能調(diào)至中心位置，使空氣間隙均勻[4]。為避免給機組帶來過大沖擊，盤車起始電流不宜過大，以轉(zhuǎn)子剛剛轉(zhuǎn)動為好，然后再視情況慢慢加大電流。通過反復試驗，找到最佳轉(zhuǎn)子、定子盤車電流配比，作為自動盤車的參考。

4.1.1 手動盤車

按下“轉(zhuǎn)子啟動”按鈕，轉(zhuǎn)子電流持續(xù)輸出。通過轉(zhuǎn)子增加/減少旋鈕改變電流給定值。待轉(zhuǎn)子電流平穩(wěn)后，按下 “A 相啟動”按鈕并保持，A 相電流輸出。與轉(zhuǎn)子不同，只有定子輸出按鈕按下時，定子電流才有輸出，按鈕松開，定子電流立即停止輸出。機組在A 相定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用下，旋轉(zhuǎn)一步。機組轉(zhuǎn)動停止并穩(wěn)定后，再按下“B 相啟動”按鈕、“C 相啟動”按鈕、“A 相啟動”按鈕，即令裝置按照定子A →B →C →A 的順序（正序）依次輸出，完成盤車。裝置具有倒相保護功能，只接收A →B →C 正序操作指令，避免機組倒轉(zhuǎn)。盤車完成后，按下“轉(zhuǎn)子停止”按鈕，轉(zhuǎn)子電流停止輸出。

4.1.2 自動盤車

自動盤車是根據(jù)設定的電流、電流上升曲線、自動換相時間等相關(guān)參數(shù)，模擬人工操作，自動換相輸出的一種工作方式。設置好參數(shù)后，將切換開關(guān)打到“自動盤車”，按下“轉(zhuǎn)子啟動”按鈕，轉(zhuǎn)子電流持續(xù)輸出。按下“A 相啟動”按鈕，無需保持，裝置將根據(jù)設定的自動換相時間，按照A →B →C →A 的順序依次輸出定子電流。再次按下“A 相啟動”按鈕或?qū)⑶袚Q開關(guān)打到“手動盤車”，停止自動盤車。

4.2 翻身

翻身操作在自動盤車的基礎上，增加了一些智能控制，旨在使操作更加簡單、可靠， 盡量減少人為干預。翻身功能根據(jù)“額定轉(zhuǎn)速”和“盤車圈數(shù)”兩個參數(shù)自動計算出換相步數(shù)。

例如某泵站機組額定轉(zhuǎn)速為250 r/min，要求定期盤車兩圈半，換相步數(shù)的計算方法：

（1）計算幾何轉(zhuǎn)角

（2）計算換相步數(shù)

式中：N 為換相步數(shù)，Cr 為盤車圈數(shù)。

啟動后，持續(xù)輸出轉(zhuǎn)子電流，定子則跟據(jù)設定的自動換相時間，按照A →B →C →A 的順序依次輸出電流。換相計數(shù)器計滿后（90 步），自動停止輸出，完成翻身操作。

4.3 干燥

干燥時，轉(zhuǎn)子、定子三相繞組同時通入電流，以達到溫升干燥的目的。干燥過程中實時監(jiān)測電機溫度，并根據(jù)溫升曲線自動調(diào)節(jié)電流大小。

5 工程實例

5.1 機組參數(shù)

機組類型：豎井貫流泵

葉輪直徑：3.2 m

水泵額定轉(zhuǎn)速：115 r/min

減速箱傳動比：6.5

電機功率：1 600 kW

電機額定電壓：10.5 kV

電機額定轉(zhuǎn)速：750 r/min

轉(zhuǎn)動部分總重量：5 t

5.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

該泵站7 臺機組共用一套盤車裝置，通過切換開關(guān)選擇對某一臺機組進行操作。參考文獻[4]所述由于轉(zhuǎn)子、定子的額定電流不同，定子電流可以通大些，轉(zhuǎn)子電流應通小些[4]。結(jié)合泵站機組實際特點，反復調(diào)整后，最終參數(shù)設置如下：轉(zhuǎn)子電流=32 A，定子電流=22 A，換相時間=15 s。圖6 為盤車實測電流波形，在該組參數(shù)下可得到較為理想的盤車效果。

圖6 盤車電流波形

6 結(jié)語

泵站電氣盤車裝置是專為大中型泵站設計的集機組盤車、定期翻身、電機干燥、電機試驗等功能于一體的自動化設備，已經(jīng)在天津海河口和大張莊等多個泵站成功投運，在提高泵站自動化水平，降低運行人員勞動強度等方面取得了令人滿意的效果，具有向其他泵站宣傳推廣的價值和意義。