并激绕组在大功率直流电机中的运用

刘子峰

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

目前位于上海临港汽发试验站的两套试验机组为我司生产的最大功率直流电机，单机最大容量为9 350 kW，电压等级1 200 V，转速375 r/min。临港汽发试验站多次反馈我司，自该试验机组电机运行以来，经常遇到电机机组启动和制动过程中，直流母线中电流有震荡现象，见图1。波动幅值超过保护开关限值，导致过保护跳闸。另外直流电机在负载运行时，换向器表面有打火现象，造成碳刷磨损较快，碳刷辫子线断裂，换向器表面出现灼烧痕迹。

图1 电机运行波形图

我司售后部门多次派人对该机组直流电机进行碳刷及刷握的更换，刷架中心位置的调整，但收效甚微，机组系统故障仍未得到有效解决。随着汽发转子动平衡试验任务增多，机组的改造迫在眉睫。

1 原因分析

通过现场走访考察，对电机运行数据进行记录，对电机的运行状态进行分析。

主要原因有两点：

(1) 上海临港地区靠近海边，电机基础有沉降现象，导致轴系发生了偏移，造成电机定、转子间隙不均匀，磁场耦合变差，影响直流电机换向性能，换向器表面火花变大，导致换向器表面温度升高[1]。长期运行后，造成换向器铜排变形凸片，换向性能更为恶劣。

(2) 该试验平台为两套机组共6台电机，其中单套机组为三台电机串联使用(2台直流电机+1台同步电机)，见图2。4台直流电机采用并联接线方式接入直流母线。

图2 现场机组图

直流电机负载调速特性为线性，调速过程分为调压调速和弱磁调速。直流电机负载调速特性公式如下：

电动机

CenΦ=U-IRaki-2

(1)

发电机

CenΦ=U+IRaki+2

(2)

其中：Ce为常数；n为电机转速；Φ为主磁通；U为端电压；I为主电流；Raki为电机电枢回路电阻。

当机组联动时，直流电动机处于调压调速过程中，主磁通不变，端电压变化较快，由于电机外特性偏软，电机转动惯量较大，电机转速出现滞后现象，因此导致电流的变化率增大，电流波动加剧，引起直流母线电流震荡。

2 改造方案

基于上述两点主要原因，分别对2套机组的基础和直流电机电磁结构进行改造。

(1) 对现场的基础进行了重新找平，提高基础水平度；并对机组轴线找正、校调。

(2) 对直流电机换向器进行精车、拉槽、倒角处理，避免因换向器凸片而造成的直流电机碳刷打火现象。

(3) 根据之前系统总成单位提供的临港试验机组试验报告：串入电感，使得控制系统补偿系数约为3%反馈量时，临港试验机组运行状况得到了改善，见图3。

图3 串电阻系统反馈图

仅从系统上进行补偿反馈，机组运行还未能达到最理想的状态。因此，需对直流电机本体进行改造，从根本上解决系统问题。通过对直流电机定子励磁绕组进行了重新设计，我司的解决方案是主磁极上增加一套并激绕组。即压缩励磁线圈高度，为后续增加一套并激绕组提供了可操作空间。

3 施工设计

增加并激绕组的目的：随着直流电机负载电流的变化而产生相对应的并激磁场，改变直流电机的外特性，提高系统的匹配程度，防止产生电流波动现象。

设计原则：不改变原有主磁场安匝数，使得改造后的直流电机励磁功率基本满足原先电控设备要求。

原励磁绕组线规为1．25 mm×31．5 mm，匝数110匝，额定励磁电流为94 A，总安匝数110×94×2=20 680 A。

改造后电机励磁绕组线规为1．4 mm×35．5 mm，匝数95匝，额定励磁电流109 A，总安匝数95×109×2=20 710 A。

并激绕组线规为3．35 mm×7．1 mm，匝数20匝，额定并激电流22．5 A，总安匝数20×22．5×2=900 A。

增加并激绕组后，其最大反馈量为900/20 710=4．3%，基本匹配总成单位的试验数据。

(1) 励磁线圈设计，见图4。

图4 励磁绕组线圈示意图

励磁线圈采用扁绕，线规采用宽扁型线规，在不增大励磁电密的同时，线圈整体绕制后的高度有所下降，从原先的167 mm下降到159 mm，为加装并激绕组提供了空间上的可能。上端引出线进行了下弯式设计，方便接线的同时增大了与并激线圈的空间距离，提高了爬电距离。

(2) 并激绕组设计，见图5。

图5 并激绕组线圈示意图

并激绕组采用螺旋绕，设计高度为20 mm，空间利用率小，放置在励磁线圈与机座铁心间隔处。并激绕组特点：绕组之间采用串联接法，整体并接入定子补偿回路。通过计算得到并激绕组在额定负载下的感应电动势：Ec=Ia×(Rk+Ri)=7 792×(0.001 345+0.000 312)≈12.9 V。

并激绕组接线原理图，见图6。

图6 并激绕组Rc接线原理示意图

其中：Rf为励磁电阻；Rc为并激电阻；Rki为定子补偿绕组和换向极绕组总电阻；Ia为额定电流；Ec为并激绕组两端的感应电动势。

(3) 主极改造设计，见图7。

利用原有主极铁心，套入新设计的励磁绕组线圈及并激绕组线圈，线圈压板由A3钢改为绝缘的3240环氧玻璃布板，提高了空间利用率的同时保证了绝缘效果。主极装配后进行了VPI绝缘浸漆处理，并烘干。增加了绝缘可靠性。

(4) 定子绕组接线设计，见图8。

图7 主极装配示意图

图8 定子绕组接线示意图

并激绕组接线采用串联接法，引出线D6、D1，分别与A1主排和C2刷架集电环连接。此种接线方法走线最为简单，走线距离较短，操作方便。

直流电动机改造时，并激绕组为正接状态，即D6并接入C2刷架集电环，D1并接入A1主排。当电动机处于反接制动时：U↓↓⟹n↓⟹I↓⟹Φ↓，主磁通的改变使得外特性变硬，使得机械与电气迅速达到新的平衡点，起到稳定主电流的作用。启动过程反之。

直流发电机改造时，并激绕组为反接状态，即D6并接入A1主排，D1并接入C2刷架集电环。当发电机处于制动过程时：n↓U↓↓⟹I↑⟹Φ↓，主磁通的改变同样使得外特性变硬，使得机械与电气迅速达到新的平衡点，也起到稳定主电流的作用。

4 机组现场改造过程

机组中4台直流电机定子返厂改造，加装并激绕组后运抵用户现场。由于并激绕组感应电势最大幅值为12.9 V，通过计算得到最大感应电流为20 A左右。因此并激绕组接线及引出线采用6氯醚护套电缆JEM-500 V，其开环电流值为58 A。同时走线方便，为现场配接线提供了可靠保障。

电机复位后，通过调节垫片来调节定、转子间隙。使得机组整条轴系上3台电机的定、转子间隙更加均匀。

5 改造前后试验数据对比

改造前M1电动机运行数据见表1。

表1 改造前电动机运行数据表

当端电压降到400 V左右时，由于电流波动过大跳闸。

改造后M1电动机运行数据见表2。

表2 改造后电动机运行数据表

电机制动过程及过零时，电流波动明显减小。

6 总结

在方案设计时，也考虑过串激绕组加装并联环的设计方案。通过对并联环等效电路计算，发现需要布置3组环并联才能使串激绕组不平衡度控制在15%左右。改造成本高，工期长，且效果欠佳。

在改造工期短，改造经费有限的条件下，制定合理的改造方案变得尤为重要。最终增加并激绕组，改变电机外特性，从根本上解决了电流震荡的现象。通过此项目电机的改造，从中取得了宝贵的经验。