同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(電軸)在水利工程中的應(yīng)用

徐春雷

(無錫市水利發(fā)展和安全質(zhì)量管理中心，江蘇 無錫 214000)

同步旋轉(zhuǎn)電軸系統(tǒng)是一個(gè)多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中電軸不采用剛性聯(lián)接的多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，機(jī)械上沒有聯(lián)系的工作機(jī)構(gòu)，可以以相同的轉(zhuǎn)速或恒定的轉(zhuǎn)速比，實(shí)現(xiàn)各工作機(jī)構(gòu)的同步旋轉(zhuǎn)。電軸系統(tǒng)對(duì)于特定條件下的水壩閘門的開啟操作，具有顯著的操控優(yōu)勢(shì)。無錫市犢山水利樞紐工程位于風(fēng)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(jié)構(gòu)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(dòng)，在工程所屬的梁溪河節(jié)制閘、船閘、五里湖節(jié)制閘均由一臺(tái)主機(jī)拖動(dòng)變頻機(jī)，變頻機(jī)控制雙饋電機(jī)組成電軸同步系統(tǒng)[2-4]。運(yùn)行三十多年來，經(jīng)過修改技術(shù)參數(shù)，調(diào)整運(yùn)行方式，工作基本正常。下面談?wù)勲娸S同步拖動(dòng)在犢山水利工程中的具體應(yīng)用。

1 電軸原理

電軸系統(tǒng)是一種可自整角的同步系統(tǒng)，不需要對(duì)電軸工作進(jìn)行控制，因此免去了復(fù)雜的同步控制算法設(shè)置。同步電軸系統(tǒng)一般由型號(hào)和參數(shù)相同的雙饋電機(jī)組成，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)三相相接，定子側(cè)并聯(lián)接入電網(wǎng)，這種系統(tǒng)可以使距離較遠(yuǎn)的幾臺(tái)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。一般情況下每個(gè)電機(jī)的負(fù)載變化是不同的，所有參與電軸的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)在一起，其外部接上公共變阻器，因此無論各電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是否相同，由于各電動(dòng)機(jī)是并聯(lián)的緣故，所有轉(zhuǎn)子滑環(huán)上的電壓彼此相等。例如：負(fù)載大的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻減小、轉(zhuǎn)子電流增大；負(fù)載小的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻增大、電流減小，于是所有的電動(dòng)機(jī)都以相同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

2 輔助電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向

當(dāng)主機(jī)D帶動(dòng)輔機(jī)D1，D1帶動(dòng)D2旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)向可以順著或逆著輔機(jī)定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)順磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于兩軸上負(fù)載啟閉機(jī)MZ1，MZ2不可能完全一致，例如轉(zhuǎn)矩：M1>M2時(shí)，D1轉(zhuǎn)子開始落后于D2轉(zhuǎn)子，兩繞組軸線間有一相位差角θ。顯然，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割線圈D1，感應(yīng)最大電勢(shì)的時(shí)刻比在線圈D2中感應(yīng)最大電勢(shì)早，即E2′比E2″超前θ角，這樣兩輔機(jī)轉(zhuǎn)子電勢(shì)大小相等，由于不同相會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)ΔE2=E2′﹣E2″≠0，在它作用下，輔機(jī)轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)生電流I2，且滯后于ΔE2，如圖2所示。

如以輔機(jī)D1轉(zhuǎn)子電勢(shì)E2′參考相量，則可得：

(1)

其中，E2為轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)；S為轉(zhuǎn)差率；Z2，r2，x2分別為轉(zhuǎn)子每相阻抗、電阻及電抗。

輔機(jī)D1的轉(zhuǎn)矩M1：

(2)

(3)

其中，M為每臺(tái)異步電機(jī)在正常聯(lián)接時(shí)的轉(zhuǎn)矩。

輔機(jī)D2的轉(zhuǎn)矩M2：

(4)

由式(3),式(4)可見：在某一差角θ及轉(zhuǎn)差率S下，兩輔機(jī)的轉(zhuǎn)矩是不相等的。當(dāng)輔機(jī)的轉(zhuǎn)子順磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，M1總是正值，而M2可能為負(fù)值。而在一定的位差角下轉(zhuǎn)差率愈高，則輔機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩愈大，因此為保證可靠的同步運(yùn)行，應(yīng)選擇輔機(jī)轉(zhuǎn)子逆著定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)S>1，M1及M2可得到加大。雖然D1轉(zhuǎn)子也將落后于D2轉(zhuǎn)子電勢(shì)，可知在轉(zhuǎn)子逆磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可得到：

(5)

(6)

所以在逆磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，M2為正值，即M2與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向(n0方向)相同，而與旋轉(zhuǎn)方向相反，它加重了主機(jī)D的負(fù)載，而M1為負(fù)值，但其方向卻與旋轉(zhuǎn)方向一致(與n0反向，與n同向)，因此M1為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，它減輕了負(fù)載較重的主機(jī)D的負(fù)載。這樣，主機(jī)負(fù)載與雙電機(jī)D2負(fù)載得到平衡，從而使兩軸同步旋轉(zhuǎn)。

電軸系統(tǒng)中的平衡作用決定于兩輔機(jī)轉(zhuǎn)矩之差，我們稱之為平衡轉(zhuǎn)矩ΔM，其值為：

(7)

由式(7)可知，在一定的位差角下，轉(zhuǎn)差率S愈高，平衡轉(zhuǎn)矩愈大，當(dāng)θ=90°時(shí)，平衡轉(zhuǎn)矩最大，而θ>90°時(shí)系統(tǒng)將失步，一般在穩(wěn)定狀態(tài)下位差角不超過30°，所以為了得到足夠的平衡轉(zhuǎn)矩，輔機(jī)必須逆磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。

3 電軸系統(tǒng)的整步

電軸系統(tǒng)在運(yùn)行前，需要先對(duì)兩臺(tái)輔助電機(jī)進(jìn)行整步。這是因?yàn)橄到y(tǒng)在上一次停機(jī)時(shí)，由于兩軸的慣性差異，以及兩臺(tái)電機(jī)的抱剎時(shí)間不一致等原因，可能造成電軸位置不一致，從而使兩輔機(jī)轉(zhuǎn)子在起動(dòng)時(shí)將存在一位角差θ。電軸電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是與位角差成一定關(guān)系的，如不做整步，當(dāng)位角差θ較大時(shí)，在轉(zhuǎn)子電路里將會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，可能會(huì)使轉(zhuǎn)子電路跳閘；并且由于電軸電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，可能導(dǎo)致整個(gè)電軸系統(tǒng)的失步。電軸系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，閘門由于運(yùn)行的速度變化以及由積累誤差導(dǎo)致的閘門傾斜往往也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的失步，一旦發(fā)生這種情況，就必須及時(shí)停機(jī)，先用人工的方法對(duì)閘門的位置進(jìn)行調(diào)整，然后通過電器操作系統(tǒng)對(duì)兩臺(tái)輔機(jī)進(jìn)行整步。

4 修改技術(shù)參數(shù)，調(diào)整運(yùn)行方式

在梁溪河船閘系統(tǒng)中，原主電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中去除頻敏變阻器，改用調(diào)速電阻器，這有利于提高系統(tǒng)在低速啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩平衡。具有輔機(jī)的電軸系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，在具有公共變阻器的電軸系統(tǒng)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子接有大電阻會(huì)對(duì)其機(jī)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(chǎng)電軸的啟動(dòng)和運(yùn)行。在閘門的啟閉過程中時(shí)常出現(xiàn)過電流和失步以及滑車現(xiàn)象，經(jīng)分析造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于設(shè)計(jì)不合理(主要是速比不合理)導(dǎo)致電機(jī)在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，致使閘門在下降過程中出現(xiàn)電機(jī)的電軸電流逐步增大到過電流而造成的，為此我們從兩個(gè)方面對(duì)原有部分進(jìn)行了改進(jìn)：一方面減少電機(jī)的負(fù)荷，主要采用以下幾種方法：1)對(duì)閘門主滾輪進(jìn)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(chǎn)生較大的摩擦力，增加了電機(jī)的負(fù)荷。2)減少閘門啟閉過程中各轉(zhuǎn)動(dòng)部位的摩擦力，改油杯加油為油嘴加油。由于各轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎn)生的高壓很容易把油脂壓到各轉(zhuǎn)動(dòng)部位。3)及時(shí)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(chǎng)電軸的啟動(dòng)和運(yùn)行改為切除三組(全部電阻為四組)電阻來完成逆磁場(chǎng)電軸的啟動(dòng)和運(yùn)行，這樣就增大了制動(dòng)力矩，較好地解決了下降過程中出現(xiàn)的滑車現(xiàn)象。此外，在控制回路中，由于線圈吸力不夠，容易產(chǎn)生拉弧，部分接觸器的短路環(huán)損壞，產(chǎn)生異常聲響振動(dòng)，部分輔助觸點(diǎn)動(dòng)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(qiáng)了線圈吸力，設(shè)備運(yùn)行安全可靠。經(jīng)過近幾年的運(yùn)行調(diào)試，犢山船閘在正常啟閉時(shí)，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(jié)制閘，主電機(jī)轉(zhuǎn)子回路則用頻敏變阻器來解決逆磁場(chǎng)電軸的啟動(dòng)和運(yùn)行。2017年在運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)開機(jī)過電流，不能正常啟動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)分析是由于頻敏變阻器在長期使用過程中性能出現(xiàn)問題，使得頻敏變阻器切換時(shí)間過長造成的，由于其整定值為0.4 s，同時(shí)頻敏變阻器切出時(shí)間不小于0.2 s，經(jīng)調(diào)試，我們把其時(shí)間由原來的0.4 s調(diào)為0.3 s，經(jīng)過近幾年的運(yùn)行，閘門啟閉正常。

5 結(jié)語

電軸同步技術(shù)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(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)很少，只能通過不斷地實(shí)踐來積累，只有從實(shí)際出發(fā)，及時(shí)地修改設(shè)計(jì)參數(shù)和控制方式，調(diào)試好抱剎，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案及調(diào)試運(yùn)行手段，才能使其在水利工程中運(yùn)用自如，才能為發(fā)揮水利工程的綜合效益作出更大的貢獻(xiàn)。