電動盤車裝置原理與分析

付國宏，秦風斌，李文金，雷秉惠，金龍兵(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

水輪發(fā)電機組在檢修之前或者安裝完畢以后，需要進行盤車，以便對發(fā)電機的軸線進行測量和調(diào)整。并通過儀表測量各個部位的擺渡值，用來分析軸線擺渡產(chǎn)生的原因、大小和方位。電動盤車通俗地講就是使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)確保機組軸系的擺渡、振動在規(guī)定范圍之內(nèi)。

目前，水電站的盤車方式主要有三種：人力盤車、機械盤車和電動盤車[1-2]。人力盤車利用人力拖動機械設(shè)備來推動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種人力盤車適用于小型機組。而對于中大型發(fā)電機組，往往需要利用橋機或者機械裝置來進行牽引，用滑輪作鋼絲繩帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種盤車方式的優(yōu)點是不需要增加其他設(shè)備，操作比較簡單；其缺點是操作過程中無法準確控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子無法保持勻速旋轉(zhuǎn)，停落點無法準確預測，隨機性較大。電動盤車既可適用于小型機組，也可適用于中大型機組，能夠精確控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，有效避免了機械盤車中出現(xiàn)的諸多問題。

電動盤車就是在發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子中分別通直流電流，使其產(chǎn)生磁場，根據(jù)電磁原理中的同極性相斥、異極性相吸的特點使發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種盤車方式雖然增加了部分電氣設(shè)備，控制電路相對復雜，但是提高了自動化程度，停落點精確可靠，總體效率相對提高。

1 電動盤車的基本原理

1.1 發(fā)電機結(jié)構(gòu)

發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子和機座構(gòu)成。本文所述的發(fā)電機型號為SF150-96/15600，機組額定功率為150 MW，由哈爾濱電機廠制造。發(fā)電機定子線圈為雙層疊繞組，每層792槽，總共1 584根線棒，每糟口中上下層嵌入定子線棒，其接線方式為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個磁極對。每個磁極線圈由20匝繞制而成，轉(zhuǎn)子磁軛高度為1.85 m。96個磁極線圈依次串聯(lián)而成48個N極和S極的磁極對。

1.2 電動盤車啟動電路推算

假設(shè)通電時發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的初始位置與定子的A相軸線重合，此時轉(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)電機轉(zhuǎn)子順時針旋轉(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)電機轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子能夠順時針旋轉(zhuǎn)的條件是給發(fā)電機定子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 電動盤車磁場原理圖

通入發(fā)電機轉(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，磁極線圈的一匝導體的有效邊長為L，則一匝線圈所受到的電磁力為F=2BI1L。設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子半徑為R1，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)夾角為α，則發(fā)電機轉(zhuǎn)子在氣隙磁場中受到的電磁力矩為T=2BI1LR1cosα。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子有2p個磁極，每個磁極線圈由N1匝組成。則發(fā)電機轉(zhuǎn)子在定子磁場中受到的電磁轉(zhuǎn)矩為

Tm=2pgN1g2BI1LR1cosα=4pN1BI2LR1cosα

(1)

發(fā)電機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為磁動勢；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為氣隙長度；μ為氣隙磁導率；S為極面積。

在定子繞組中，每一相采用三路并聯(lián)，則

由上海嘉甄生物科技有限公司對廣西地不容新鮮嫩葉進行轉(zhuǎn)錄組測序。采用Illumina Hiseq 4000測序平臺進行測序，原始測序數(shù)據(jù)過濾后，采用軟件Trinity（http://trinityrnaseq.sourceforge.net/）對濾過的高質(zhì)量數(shù)據(jù)進行組裝，共獲得20 637條unigenes。

(5)

式中，I2為定子電流。根據(jù)磁動勢、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)的表達式，進一步得到電磁轉(zhuǎn)矩Tm為

(7)

空載條件下，發(fā)電機的轉(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)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來，則有Tm>Tmf，即

(10)

將公式(10)進一步變形可得

(11)

1.3 電動盤車實例計算

查看哈爾濱電機廠的SF150-96/15600的發(fā)電機參數(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)電機定轉(zhuǎn)子的參數(shù)得到發(fā)電機定轉(zhuǎn)子啟動電流的乘積為

考慮到定子電流是產(chǎn)生磁場的主要組成部分，它在定轉(zhuǎn)子氣隙磁場中的磁通密度很大。根據(jù)經(jīng)驗得到定轉(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?shù)亟档娃D(zhuǎn)子電流，可以使發(fā)電機換相更加平穩(wěn)。本文所述機組在檢修盤車中的通入的實際電流為I1=950 A，I2=1 200 A。

2 電動盤車裝置的電氣設(shè)備

2.1 電氣一次部分

在發(fā)電機電動盤車時，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)電機的額定電壓、轉(zhuǎn)子電流沒有直接關(guān)系。對定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組直接提供電源的電路，稱為盤車裝置的電氣一次線路，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。發(fā)電機定子的線路依次從專用廠用檢修電源，經(jīng)過斷路器、調(diào)壓變壓器、三相半波整流器、隔離開關(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)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時不斷換相，促使發(fā)電機轉(zhuǎn)子步進旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子主回路經(jīng)過勵磁系統(tǒng)形成直流與碳刷架的正負極相連，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子形成穩(wěn)定的磁場。

圖2 盤車裝置電氣接線原理圖

2.2 電氣二次部分

電動盤車裝置的二次回路主要由微機調(diào)節(jié)控制器(PLC)、監(jiān)控器和檢測器組成。其中PLC是信號處理的核心單元，通過檢測輸入信號，完成數(shù)據(jù)運算處理，輸出處理完成的信號，達到控制所需的要求。監(jiān)控器主要由電壓表、電流表、信號燈和開關(guān)按鈕組成。對系統(tǒng)的工作狀態(tài)和輸入輸出信號量進行監(jiān)視。檢測器主要是通過電流傳感器對發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子電流進行檢測，實時地將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到微機中。

3 電動盤車分析

在電動盤車過程中，當定子勵磁柜的電流按照設(shè)定值整定時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子隨著切換相正常地步進旋轉(zhuǎn)，有時也會出現(xiàn)“不動”或者 “倒轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，有人根據(jù)公式(10)的關(guān)系式，將其歸咎為啟動電流小、電磁轉(zhuǎn)矩不夠。但是在隨后的試驗過程中，增加定轉(zhuǎn)子電流，也就是增加電磁轉(zhuǎn)矩，并沒有很好地解決這個問題，反而增加了發(fā)電機換相過程的抖動。此外，在盤車過程中給發(fā)電機推力軸承和鏡板的接觸面涂抹潤滑油，進一步減小摩擦力矩。按照增大電磁轉(zhuǎn)矩、減小摩擦力矩的思路，并沒有得到理想效果。重新對電動盤車的原理進行分析，發(fā)現(xiàn)所給出的定轉(zhuǎn)子啟動電流是能夠拉動發(fā)電機轉(zhuǎn)子步進旋轉(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，在試驗過程中還會發(fā)現(xiàn)另外一個現(xiàn)象，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不動的時候，停下來等一段時間再重新啟動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子又能恢復旋轉(zhuǎn)。

綜合上述現(xiàn)象分析，其實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無濟于事，而停一段時間重新啟動卻能繼續(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作用轉(zhuǎn)向后，其位置不能馬上恢復原狀，其磁性仍然會保留一部分。在盤車過程中，想要減小剩磁現(xiàn)象的影響，一般在發(fā)電機轉(zhuǎn)子啟動旋轉(zhuǎn)以后，迅速減小定子電流，這樣可以使發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地更加平穩(wěn)。減小發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度，也能使發(fā)電機同心度的測量更加精確，盤車的數(shù)據(jù)重復性好，盤車更容易一次性達到成功。

4 結(jié) 語

采用電動盤車操作簡單、方便可靠、性能優(yōu)越，可以提高檢修效率。通過在發(fā)電機組檢修前后盤車現(xiàn)場調(diào)試與應(yīng)用，證明了所推導的電動盤車定轉(zhuǎn)子電流的有效性。檢修人員按照此種方法，可以準確地測量出檢修發(fā)電機組的軸線,保證了發(fā)電機軸的擺度和瓦溫均在規(guī)定范圍內(nèi)，這為其他機組的盤車提供了參考，具有一定的指導意義。