裴彥明，熊曉蕾，張辰瑋

（1.天津明碩機(jī)電設(shè)備股份有限公司，天津 300100；2.天津電氣科學(xué)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(shí)基本閑置，水泵機(jī)組經(jīng)常處于長期停泵狀態(tài)。機(jī)組長時(shí)間停機(jī)后，大軸受力方向單一，極易造成彎曲變形。同時(shí)軸承由于長時(shí)間靜止，軸承接觸面便會(huì)失去油膜，潤滑系統(tǒng)遭到破壞。此外，由于水泵機(jī)組一般布置于水面以下，電機(jī)井內(nèi)環(huán)境陰暗潮濕，長期停運(yùn)的電機(jī)繞組易吸潮氣，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降，如不定期干燥除濕，也會(huì)帶來電氣安全隱患。水泵若長期存放于污水環(huán)境，同時(shí)未進(jìn)行定期盤車，會(huì)出現(xiàn)局部沾粘、軸承疲勞點(diǎn)蝕等故障，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)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(yīng)用。機(jī)組安裝檢修時(shí)可用于盤車和間隙調(diào)整；長時(shí)間停機(jī)期間可實(shí)現(xiàn)機(jī)組定期自動(dòng)翻身，保證主軸受力均勻并維持潤滑油膜；電機(jī)絕緣強(qiáng)度降低時(shí)，可對(duì)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行通電干燥。最大限度地挖掘電氣盤車裝置的使用價(jià)值。

2 電氣盤車原理

水輪發(fā)電機(jī)組和水泵機(jī)組在安裝時(shí)軸線的測(cè)量和調(diào)整，是通過盤車用百分表或位移傳感器等，測(cè)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(duì)于裝有滑動(dòng)軸承的機(jī)組，在刮瓦時(shí)也需通過盤車檢測(cè)瓦面接觸情況，從而調(diào)整刮瓦工藝?？梢姳P車是機(jī)組安裝調(diào)整過程中重要的環(huán)節(jié)之一。要想盤動(dòng)機(jī)組，首先要通過公式（1）計(jì)算出空載轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩[3，5]。

式中：M0為盤車所需力矩（單位：N·m）；Q為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量有幾百上千噸，因此通過式（1）計(jì)算得到盤車力矩M0高達(dá)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(shí)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(jī)定、轉(zhuǎn)子分別通上直流電后，利用定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的交叉作用力，使機(jī)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(gè)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(shí)通入直流電流時(shí)的磁場(chǎng)狀況。此時(shí)轉(zhuǎn)子可以等效為一個(gè)電磁鐵，極性為左N 右S；A 相繞組電流方向?yàn)锳 入X 出，磁力線指向左。轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)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(dòng)。若切斷A 相電流，向B 相繞組及轉(zhuǎn)子繞組同時(shí)通入電流時(shí)，由于B 相磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了120°，轉(zhuǎn)子也將被吸引并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°達(dá)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(shí)間，轉(zhuǎn)子即可平穩(wěn)、連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 一對(duì)磁極電機(jī)繞組磁場(chǎng)示意圖

實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)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(shè)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(chǎng)則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了60°，到達(dá)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(chǎng)恢復(fù)如圖1（b）位置，即又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，轉(zhuǎn)子也隨之旋轉(zhuǎn)60°。

電氣盤車時(shí)，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(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，稱其為幾何轉(zhuǎn)角[5]。三相電機(jī)單相通電的電氣轉(zhuǎn)角為120°，對(duì)于一對(duì)磁極的交流同步電機(jī)的幾何轉(zhuǎn)角等于電氣轉(zhuǎn)角，也為120°。極對(duì)數(shù)為其他數(shù)時(shí)的幾何轉(zhuǎn)角按式（2）計(jì)算[6]。

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

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

式中：n為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

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

計(jì)算所得的幾何角度，為盤車裝置實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)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(lì)磁系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)的。通過微機(jī)（DSC）控制，向同步發(fā)電機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子以電動(dòng)機(jī)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(gè)可控硅整流橋。定轉(zhuǎn)子電流既可獨(dú)立控制，又可相互跟蹤協(xié)聯(lián)控制?？刂茊卧晌C(jī)控制器、傳感器、操作回路、遠(yuǎn)控盒以及相應(yīng)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(shí)為了使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，采用三繞組整流變壓器，次級(jí)兩組繞組均為Dy0-11 接法，轉(zhuǎn)子獨(dú)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(hù)元件，柜頂大功率軸流風(fēng)機(jī)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(gè)工頻周期（20 ms）有3 個(gè)波頭，因此整流橋輸出的是150 Hz 脈動(dòng)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(fù)載后，便形成相對(duì)平滑且連續(xù)的直流勵(lì)磁電流。當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)，Ud=Udmax=1.17U2；α=90°時(shí)，Ud=0，因此，感性負(fù)載時(shí)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(jī)控制器、觸摸屏、傳感器、表計(jì)、按鈕和指示燈等組成。圖4 為微機(jī)控制器原理框圖。控制器接收外部指令并采集各種信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理并完成PID 運(yùn)算后，輸出可控硅觸發(fā)信號(hào)及其他控制信號(hào)。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盤車各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)異常情況進(jìn)行處理并報(bào)警輸出。

圖4 微機(jī)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(shí)力矩恒定，定子三相電流要求一致，即3 個(gè)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(gè)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(shí)電感負(fù)載電流連續(xù)，避免反壓過高對(duì)器件造成損壞，另配置一組（3 路）高速脈沖口（OC）輸出補(bǔ)充脈沖。補(bǔ)充脈沖始終輸出最大角度，同時(shí)作用于4 個(gè)整流橋，參見圖5。正常觸發(fā)脈沖和補(bǔ)充脈沖同時(shí)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(yuǎn)控盒和遙控器

盤車裝置和機(jī)組在泵房一般分開布置，有時(shí)甚至距離很遠(yuǎn)，為了便于運(yùn)行人員在操作時(shí)能夠更好地監(jiān)視機(jī)組動(dòng)作情況，盤車裝置配有遠(yuǎn)控盒和無線遙控器，在機(jī)組旁通過遠(yuǎn)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(dòng)盤車和自動(dòng)盤車，初次使用時(shí)采用手動(dòng)模式。盤車前轉(zhuǎn)子應(yīng)盡可能調(diào)至中心位置，使空氣間隙均勻[4]。為避免給機(jī)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(dòng)為好，然后再視情況慢慢加大電流。通過反復(fù)試驗(yàn)，找到最佳轉(zhuǎn)子、定子盤車電流配比，作為自動(dòng)盤車的參考。

4.1.1 手動(dòng)盤車

按下“轉(zhuǎn)子啟動(dòng)”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(dòng)”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(shí)，定子電流才有輸出，按鈕松開，定子電流立即停止輸出。機(jī)組在A 相定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用下，旋轉(zhuǎn)一步。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)停止并穩(wěn)定后，再按下“B 相啟動(dòng)”按鈕、“C 相啟動(dòng)”按鈕、“A 相啟動(dòng)”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(hù)功能，只接收A →B →C 正序操作指令，避免機(jī)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(dòng)盤車

自動(dòng)盤車是根據(jù)設(shè)定的電流、電流上升曲線、自動(dòng)換相時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，模擬人工操作，自動(dòng)換相輸出的一種工作方式。設(shè)置好參數(shù)后，將切換開關(guān)打到“自動(dòng)盤車”，按下“轉(zhuǎn)子啟動(dòng)”按鈕，轉(zhuǎn)子電流持續(xù)輸出。按下“A 相啟動(dòng)”按鈕，無需保持，裝置將根據(jù)設(shè)定的自動(dòng)換相時(shí)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(dòng)”按鈕或?qū)⑶袚Q開關(guān)打到“手動(dòng)盤車”，停止自動(dòng)盤車。

4.2 翻身

翻身操作在自動(dòng)盤車的基礎(chǔ)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(yù)。翻身功能根據(jù)“額定轉(zhuǎn)速”和“盤車圈數(shù)”兩個(gè)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出換相步數(shù)。

例如某泵站機(jī)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(jì)算方法：

（1）計(jì)算幾何轉(zhuǎn)角

（2）計(jì)算換相步數(shù)

式中：N 為換相步數(shù)，Cr 為盤車圈數(shù)。

啟動(dòng)后，持續(xù)輸出轉(zhuǎn)子電流，定子則跟據(jù)設(shè)定的自動(dòng)換相時(shí)間，按照A →B →C →A 的順序依次輸出電流。換相計(jì)數(shù)器計(jì)滿后（90 步），自動(dòng)停止輸出，完成翻身操作。

4.3 干燥

干燥時(shí)，轉(zhuǎn)子、定子三相繞組同時(shí)通入電流，以達(dá)到溫升干燥的目的。干燥過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度，并根據(jù)溫升曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小。

5 工程實(shí)例

5.1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)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(dòng)比：6.5

電機(jī)功率：1 600 kW

電機(jī)額定電壓：10.5 kV

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：750 r/min

轉(zhuǎn)動(dòng)部分總重量：5 t

5.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

該泵站7 臺(tái)機(jī)組共用一套盤車裝置，通過切換開關(guān)選擇對(duì)某一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行操作。參考文獻(xiàn)[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(yīng)通小些[4]。結(jié)合泵站機(jī)組實(shí)際特點(diǎn)，反復(fù)調(diào)整后，最終參數(shù)設(shè)置如下：轉(zhuǎn)子電流=32 A，定子電流=22 A，換相時(shí)間=15 s。圖6 為盤車實(shí)測(cè)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(shè)計(jì)的集機(jī)組盤車、定期翻身、電機(jī)干燥、電機(jī)試驗(yàn)等功能于一體的自動(dòng)化設(shè)備，已經(jīng)在天津海河口和大張莊等多個(gè)泵站成功投運(yùn)，在提高泵站自動(dòng)化水平，降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)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(jià)值和意義。