同步旋轉系統(電軸)在水利工程中的應用

徐春雷

(無錫市水利發展和安全質量管理中心，江蘇 無錫 214000)

同步旋轉電軸系統是一個多電動機拖動系統中電軸不采用剛性聯接的多電動機拖動系統。在這種系統中，機械上沒有聯系的工作機構，可以以相同的轉速或恒定的轉速比，實現各工作機構的同步旋轉。電軸系統對于特定條件下的水壩閘門的開啟操作，具有顯著的操控優勢。無錫市犢山水利樞紐工程位于風景秀麗的太湖之濱，是太湖流域綜合治理的十大骨干工程之一[1]，閘門結構主要采用無臂桿弧形定輪下臥式鋼閘門，其啟閉方式為電軸同步拖動，在工程所屬的梁溪河節制閘、船閘、五里湖節制閘均由一臺主機拖動變頻機，變頻機控制雙饋電機組成電軸同步系統[2-4]。運行三十多年來，經過修改技術參數，調整運行方式，工作基本正常。下面談談電軸同步拖動在犢山水利工程中的具體應用。

1 電軸原理

電軸系統是一種可自整角的同步系統，不需要對電軸工作進行控制，因此免去了復雜的同步控制算法設置。同步電軸系統一般由型號和參數相同的雙饋電機組成，雙饋電機的轉子側三相相接，定子側并聯接入電網，這種系統可以使距離較遠的幾臺電機同步旋轉。一般情況下每個電機的負載變化是不同的，所有參與電軸的雙饋電機轉子側并聯在一起，其外部接上公共變阻器，因此無論各電動機的負載是否相同，由于各電動機是并聯的緣故，所有轉子滑環上的電壓彼此相等。例如：負載大的電動機轉子電阻減小、轉子電流增大；負載小的電動機轉子電阻增大、電流減小，于是所有的電動機都以相同的速度運轉。

本工程電路原理圖如圖1所示，圖中，D為主電動機；D1，D2為輔機(分別為變頻機、雙饋機)；MZ1，MZ2為啟閉機。電動機均選用線繞式(YZR)電動機，D1，D2為型號相同、功率與機械特性相同的電動機。MZ1，MZ2啟閉機分別于河兩岸與D1，D2聯接，以電軸方式相聯接而同步運轉，啟閉機全靠輔機D1，D2轉子的三根電軸聯線來完成。由于D1，D2可與D同步運行、起到與機械軸連接相同的作用，所以系統稱為同步電軸。D1，D2輔助電軸電機的轉子回路反相連接。

2 輔助電機轉子旋轉方向

當主機D帶動輔機D1，D1帶動D2旋轉時，轉向可以順著或逆著輔機定子磁場的旋轉方向。當順磁場旋轉時，由于兩軸上負載啟閉機MZ1，MZ2不可能完全一致，例如轉矩：M1>M2時，D1轉子開始落后于D2轉子，兩繞組軸線間有一相位差角θ。顯然，旋轉磁場切割線圈D1，感應最大電勢的時刻比在線圈D2中感應最大電勢早，即E2′比E2″超前θ角，這樣兩輔機轉子電勢大小相等，由于不同相會產生電勢ΔE2=E2′﹣E2″≠0，在它作用下，輔機轉子電路中產生電流I2，且滯后于ΔE2，如圖2所示。

如以輔機D1轉子電勢E2′參考相量，則可得：

(1)

其中，E2為轉子靜止時的感應電勢；S為轉差率；Z2，r2，x2分別為轉子每相阻抗、電阻及電抗。

輔機D1的轉矩M1：

(2)

(3)

其中，M為每臺異步電機在正常聯接時的轉矩。

輔機D2的轉矩M2：

(4)

由式(3),式(4)可見：在某一差角θ及轉差率S下，兩輔機的轉矩是不相等的。當輔機的轉子順磁場旋轉時，M1總是正值，而M2可能為負值。而在一定的位差角下轉差率愈高，則輔機發出的轉矩愈大，因此為保證可靠的同步運行，應選擇輔機轉子逆著定子磁場旋轉，此時S>1，M1及M2可得到加大。雖然D1轉子也將落后于D2轉子電勢，可知在轉子逆磁場旋轉時，可得到：

(5)

(6)

所以在逆磁場旋轉時，M2為正值，即M2與旋轉磁場方向(n0方向)相同，而與旋轉方向相反，它加重了主機D的負載，而M1為負值，但其方向卻與旋轉方向一致(與n0反向，與n同向)，因此M1為電動機轉矩，它減輕了負載較重的主機D的負載。這樣，主機負載與雙電機D2負載得到平衡，從而使兩軸同步旋轉。

電軸系統中的平衡作用決定于兩輔機轉矩之差，我們稱之為平衡轉矩ΔM，其值為：

(7)

由式(7)可知，在一定的位差角下，轉差率S愈高，平衡轉矩愈大，當θ=90°時，平衡轉矩最大，而θ>90°時系統將失步，一般在穩定狀態下位差角不超過30°，所以為了得到足夠的平衡轉矩，輔機必須逆磁場旋轉。

3 電軸系統的整步

電軸系統在運行前，需要先對兩臺輔助電機進行整步。這是因為系統在上一次停機時，由于兩軸的慣性差異，以及兩臺電機的抱剎時間不一致等原因，可能造成電軸位置不一致，從而使兩輔機轉子在起動時將存在一位角差θ。電軸電機的電磁轉矩是與位角差成一定關系的，如不做整步，當位角差θ較大時，在轉子電路里將會產生很大的啟動電流，可能會使轉子電路跳閘；并且由于電軸電磁轉矩的關系，可能導致整個電軸系統的失步。電軸系統在運行過程中，閘門由于運行的速度變化以及由積累誤差導致的閘門傾斜往往也會導致系統的失步，一旦發生這種情況，就必須及時停機，先用人工的方法對閘門的位置進行調整，然后通過電器操作系統對兩臺輔機進行整步。

4 修改技術參數，調整運行方式

在梁溪河船閘系統中，原主電機轉子回路中去除頻敏變阻器，改用調速電阻器，這有利于提高系統在低速啟動過程中的轉矩平衡。具有輔機的電軸系統有較好的動態穩定性，在具有公共變阻器的電軸系統中，由于電機轉子接有大電阻會對其機械特征帶來不利影響，因此配以接觸器分段切除兩組電阻來完成逆磁場電軸的啟動和運行。在閘門的啟閉過程中時常出現過電流和失步以及滑車現象，經分析造成這種現象的主要原因是由于設計不合理(主要是速比不合理)導致電機在滿負荷狀態下工作，致使閘門在下降過程中出現電機的電軸電流逐步增大到過電流而造成的，為此我們從兩個方面對原有部分進行了改進：一方面減少電機的負荷，主要采用以下幾種方法：1)對閘門主滾輪進行維修。原主滾輪由于種種原因已徹底銹死，閘門在啟閉過程中與閘室翼墻產生較大的摩擦力，增加了電機的負荷。2)減少閘門啟閉過程中各轉動部位的摩擦力，改油杯加油為油嘴加油。由于各轉動部位的軸和軸套的間隙很小，單靠油杯擠壓是很難把油脂加到位的，改用油嘴加油后，加油槍產生的高壓很容易把油脂壓到各轉動部位。3)及時清理閘門上的大量垃圾。另一方面把原來切除兩組電阻來完成逆磁場電軸的啟動和運行改為切除三組(全部電阻為四組)電阻來完成逆磁場電軸的啟動和運行，這樣就增大了制動力矩，較好地解決了下降過程中出現的滑車現象。此外，在控制回路中，由于線圈吸力不夠，容易產生拉弧，部分接觸器的短路環損壞，產生異常聲響振動，部分輔助觸點動作不靈敏，為此我們將原CJ0-75A型交流接觸器改為CJT1-100A接觸器，加強了線圈吸力，設備運行安全可靠。經過近幾年的運行調試，犢山船閘在正常啟閉時，上升的電軸電流一般在20 A左右，下降的電軸電流一般在5 A左右，閘門啟閉正常。

在梁溪河節制閘，主電機轉子回路則用頻敏變阻器來解決逆磁場電軸的啟動和運行。2017年在運行過程中曾出現開機過電流，不能正常啟動現象，經分析是由于頻敏變阻器在長期使用過程中性能出現問題，使得頻敏變阻器切換時間過長造成的，由于其整定值為0.4 s，同時頻敏變阻器切出時間不小于0.2 s，經調試，我們把其時間由原來的0.4 s調為0.3 s，經過近幾年的運行，閘門啟閉正常。

5 結語

電軸同步技術由于在水利工程中采用不多，尤其在大型閘門中更少采用，現成的經驗很少，只能通過不斷地實踐來積累，只有從實際出發，及時地修改設計參數和控制方式，調試好抱剎，選擇最佳的設計方案及調試運行手段，才能使其在水利工程中運用自如，才能為發揮水利工程的綜合效益作出更大的貢獻。