多功能泵站电气盘车装置的原理及应用

裴彦明，熊晓蕾，张辰玮

（1.天津明硕机电设备股份有限公司，天津 300100；2.天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）

1 引言

城市排涝泵站一般只在雨季使用，平时基本闲置，水泵机组经常处于长期停泵状态。机组长时间停机后，大轴受力方向单一，极易造成弯曲变形。同时轴承由于长时间静止，轴承接触面便会失去油膜，润滑系统遭到破坏。此外，由于水泵机组一般布置于水面以下，电机井内环境阴暗潮湿，长期停运的电机绕组易吸潮气，导致绝缘强度下降，如不定期干燥除湿，也会带来电气安全隐患。水泵若长期存放于污水环境，同时未进行定期盘车，会出现局部沾粘、轴承疲劳点蚀等故障，严重时甚至导致泵轴弯曲[1]。

本文介绍了电气盘车装置的原理以及在泵站的成功应用。机组安装检修时可用于盘车和间隙调整；长时间停机期间可实现机组定期自动翻身，保证主轴受力均匀并维持润滑油膜；电机绝缘强度降低时，可对定转子进行通电干燥。最大限度地挖掘电气盘车装置的使用价值。

2 电气盘车原理

水轮发电机组和水泵机组在安装时轴线的测量和调整，是通过盘车用百分表或位移传感器等，测出有关部位的摆度值，借以分析轴线产生摆度的原因、大小和方位[2]。对于装有滑动轴承的机组，在刮瓦时也需通过盘车检测瓦面接触情况，从而调整刮瓦工艺。可见盘车是机组安装调整过程中重要的环节之一。要想盘动机组，首先要通过公式（1）计算出空载转动摩擦力矩[3，5]。

式中：M0为盘车所需力矩（单位：N·m）；Q为机组转动部分总重量（单位：N）；Km为摩擦系数（一般取：0.05～0.15）；D2为镜板摩擦面的平均等效直径（单位：m）。

一般大中型水轮发电机组转动部分质量有几百上千吨，因此通过式（1）计算得到盘车力矩M0高达几百kN·m 。显然传统的人力盘车已无法满足要求，必须借助专用工具才能实现盘车操作。

随着可控硅整流技术的发展，电气盘车控制思想日益成熟并被广泛采用。其控制原理是使发电机定、转子分别通上直流电后，利用定、转子磁场的交叉作用力，使机组缓慢旋转[4]。

盘车通电方式为转子先通电，定子绕组轮流通电，即A-B-C 通电方式，每次定子只有一相通电，通电3 次为一个循环，步距角为120°[5]。图1（a）显示定子A 相绕组及转子绕组同时通入直流电流时的磁场状况。此时转子可以等效为一个电磁铁，极性为左N 右S；A 相绕组电流方向为A 入X 出，磁力线指向左。转子在磁场力的作用下被牵引旋转至两磁力线平行位置，即图1（a）位置，转子受力平衡静止不动。若切断A 相电流，向B 相绕组及转子绕组同时通入电流时，由于B 相磁场顺时针旋转了120°，转子也将被吸引并顺时针旋转120°达到新的平衡，如图1（b）所示。按顺序向各相定子绕组通入电流并维持足够通电时间，转子即可平稳、连续地转动。

图1 一对磁极电机绕组磁场示意图

实际应用中，为了实现更为精确的定位，定子绕组也可采用单向-两相轮流通电的方式，按A-ABB-BC-C-CA 的顺序通电，步距角为60°[5]。假设定子A 相通电并且转子已稳定在图1（a）位置，A 相电流维持不变，再通入B 相电流，定子A 相和B 相叠加后的磁场则顺时针旋转了60°，到达图1（d）位置，因此转子也将被吸引旋转60°。然后切断定子A 相电流，B 相电流维持不变，B 相磁场恢复如图1（b）位置，即又顺时针旋转60°，转子也随之旋转60°。

电气盘车时，定子电流每切换一次电气角的改变，称其为电气转角；相应转子转过的角度，称其为几何转角[5]。三相电机单相通电的电气转角为120°，对于一对磁极的交流同步电机的几何转角等于电气转角，也为120°。极对数为其他数时的几何转角按式（2）计算[6]。

式中：αj为几何转角（°）；αd为电气转角（°）；P为极对数。

频率与极对数和转速三者关系如式（3）[6]。

式中：n为机组额定转速（r/min）。

连立式（2）、式（3）可得式（4），即已知50 Hz 机组的转速，即可得出几何转角。

计算所得的几何角度，为盘车装置实现智能自动盘车提供数据参考。

3 系统结构与配置

电气盘车装置是基于上述控制理论，在可控硅励磁系统的硬件基础上研发生产的。通过微机（DSC）控制，向同步发电机或同步电动机的定子和转子分别通以可以调节的直流，使发电机的转子以电动机形式旋转的装置[7]。控制柜分上中下3 层：下层为整流变压器，中层为控制操作单元，上层为4 个可控硅整流桥。定转子电流既可独立控制，又可相互跟踪协联控制。控制单元由微机控制器、传感器、操作回路、远控盒以及相应控制软件等组成。

3.1 主回路

装置主回路由三相整流变压器、转子可控硅整流桥、定子A 相可控硅整流桥、定子B 相可控硅整流桥和定子C 相可控硅整流桥等5 部分组成，参见图2。三相半波整流电路为了得到零线，整流变压器副边必须为Y0 接法。原边通常接成△接法，以便能流通三次谐波电流[9]。同时为了使装置结构紧凑，采用三绕组整流变压器，次级两组绕组均为Dy0-11 接法，转子独用一组绕组，三相定子共用另一组绕组。主回路还配有过压、过流、浪涌吸收器等保护元件，柜顶大功率轴流风机用于可控硅整流桥散热。

图2 电气盘车装置主回路

主回路输出电压波形参见图3。每个工频周期（20 ms）有3 个波头，因此整流桥输出的是150 Hz 脉动直流电压，其平均值为[9]：

式中：Ud为电压平均值；U2为输入相电压；α为触发角。

经过感性绕组负载后，便形成相对平滑且连续的直流励磁电流。当触发角α=0°时，Ud=Udmax=1.17U2；α=90°时，Ud=0，因此，感性负载时移相范围为90°。

图3 主回路输出电压波形

3.2 控制回路

控制回路由微机控制器、触摸屏、传感器、表计、按钮和指示灯等组成。图4 为微机控制器原理框图。控制器接收外部指令并采集各种信号，经数据处理并完成PID 运算后，输出可控硅触发信号及其他控制信号。同时实时监测盘车各项数据，对异常情况进行处理并报警输出。

图4 微机控制器原理框图

转子可控硅整流桥由一组（3 路）高速脉冲口（OC）触发。为了保证盘车时力矩恒定，定子三相电流要求一致，即3 个可控硅整流桥触发角度始终相同。因此为了节省硬件资源，3 个定子可控硅整流桥共用一组（3 路）高速脉冲口（OC），并通过继电器切换。由于盘车过程中各相电流切换频繁，为了保证换相时电感负载电流连续，避免反压过高对器件造成损坏，另配置一组（3 路）高速脉冲口（OC）输出补充脉冲。补充脉冲始终输出最大角度，同时作用于4 个整流桥，参见图5。正常触发脉冲和补充脉冲同时有效，叠加成双脉冲后输出给可控硅触发端。

图5 脉冲触发波形及电路

3.3 远控盒和遥控器

盘车装置和机组在泵房一般分开布置，有时甚至距离很远，为了便于运行人员在操作时能够更好地监视机组动作情况，盘车装置配有远控盒和无线遥控器，在机组旁通过远控盒即可完成盘车操作，做到操作和监视两不误。

4 操作方法

4.1 盘车

盘车分为手动盘车和自动盘车，初次使用时采用手动模式。盘车前转子应尽可能调至中心位置，使空气间隙均匀[4]。为避免给机组带来过大冲击，盘车起始电流不宜过大，以转子刚刚转动为好，然后再视情况慢慢加大电流。通过反复试验，找到最佳转子、定子盘车电流配比，作为自动盘车的参考。

4.1.1 手动盘车

按下“转子启动”按钮，转子电流持续输出。通过转子增加/减少旋钮改变电流给定值。待转子电流平稳后，按下 “A 相启动”按钮并保持，A 相电流输出。与转子不同，只有定子输出按钮按下时，定子电流才有输出，按钮松开，定子电流立即停止输出。机组在A 相定子和转子磁场的相互作用下，旋转一步。机组转动停止并稳定后，再按下“B 相启动”按钮、“C 相启动”按钮、“A 相启动”按钮，即令装置按照定子A →B →C →A 的顺序（正序）依次输出，完成盘车。装置具有倒相保护功能，只接收A →B →C 正序操作指令，避免机组倒转。盘车完成后，按下“转子停止”按钮，转子电流停止输出。

4.1.2 自动盘车

自动盘车是根据设定的电流、电流上升曲线、自动换相时间等相关参数，模拟人工操作，自动换相输出的一种工作方式。设置好参数后，将切换开关打到“自动盘车”，按下“转子启动”按钮，转子电流持续输出。按下“A 相启动”按钮，无需保持，装置将根据设定的自动换相时间，按照A →B →C →A 的顺序依次输出定子电流。再次按下“A 相启动”按钮或将切换开关打到“手动盘车”，停止自动盘车。

4.2 翻身

翻身操作在自动盘车的基础上，增加了一些智能控制，旨在使操作更加简单、可靠， 尽量减少人为干预。翻身功能根据“额定转速”和“盘车圈数”两个参数自动计算出换相步数。

例如某泵站机组额定转速为250 r/min，要求定期盘车两圈半，换相步数的计算方法：

（1）计算几何转角

（2）计算换相步数

式中：N 为换相步数，Cr 为盘车圈数。

启动后，持续输出转子电流，定子则跟据设定的自动换相时间，按照A →B →C →A 的顺序依次输出电流。换相计数器计满后（90 步），自动停止输出，完成翻身操作。

4.3 干燥

干燥时，转子、定子三相绕组同时通入电流，以达到温升干燥的目的。干燥过程中实时监测电机温度，并根据温升曲线自动调节电流大小。

5 工程实例

5.1 机组参数

机组类型：竖井贯流泵

叶轮直径：3.2 m

水泵额定转速：115 r/min

减速箱传动比：6.5

电机功率：1 600 kW

电机额定电压：10.5 kV

电机额定转速：750 r/min

转动部分总重量：5 t

5.2 现场数据

该泵站7 台机组共用一套盘车装置，通过切换开关选择对某一台机组进行操作。参考文献[4]所述由于转子、定子的额定电流不同，定子电流可以通大些，转子电流应通小些[4]。结合泵站机组实际特点，反复调整后，最终参数设置如下：转子电流=32 A，定子电流=22 A，换相时间=15 s。图6 为盘车实测电流波形，在该组参数下可得到较为理想的盘车效果。

图6 盘车电流波形

6 结语

泵站电气盘车装置是专为大中型泵站设计的集机组盘车、定期翻身、电机干燥、电机试验等功能于一体的自动化设备，已经在天津海河口和大张庄等多个泵站成功投运，在提高泵站自动化水平，降低运行人员劳动强度等方面取得了令人满意的效果，具有向其他泵站宣传推广的价值和意义。