电动盘车装置原理分析及其在鲁德巴电站的应用

【摘要】介绍了鲁德巴电站电动盘车装置的原理、组成、技术参数以及在现场调试过程中出现的问题，并合理采取一些有效的措施，圆满完成盘车工作，对其他水利发电厂机组的安装及检修具有一定的指导意义。

【关键词】电动盘车；原理；调试；鲁德巴电站

概述

鲁德巴电站共装有2台230MW混流式机组，水轮发电机组转动部分由上端轴、转子、推力头、下端轴，中间轴、主轴、转轮组成。机组盘车采用电动盘车，首次盘车对发电机单独盘车，采用上导、下导、下法兰设百分表监测，盘车按90度进行，发电机盘车合格后调整发电机轴和水轮机轴同心并且平行度一致，同步提起水轮机轴，对称把紧螺栓，在螺栓拉伸过程中在水导架设百分表监测，连接完成后整体盘车，盘车合格后检查下迷宫环间隙确定转轮是否处于机组中心，合格后固定回装。

1.电动盘车原理及优点

1.1电动盘车的基本原理

根据电机学，电动盘车原理是当转子绕组和定子任意一相绕组同时通以直流电流时，定子形成的电磁场和转子形成的电磁场之间会产生相互作用力，这样转子被驱动旋转。如图一所示。

图中，定子A相绕组及转子绕组同时通入直流电流时磁场状况。由于同极性相斥，异极性相吸，使转子旋转，当转子磁场转到与定子A相磁轴一致时，转子暂时平衡不动。若切断A相电流，使定子B相绕组及转子绕组同时通入直流电流时，定子产生的B相磁场，它将吸引转子顺时针方向转动120°电角度得到新的平衡。以此类推，每按顺序换相一次，转子便转动120°电角度。操作充足通电顺序或者转动中停电，可以使转子稳妥而连续地转动或停在任一平衡位置。

1.2 鲁德巴电站水轮发电机电动盘车原理分析

（1）发电机参数概况

（2）水轮发电机组结构

图二为鲁德巴水轮发电机组结构图，转动部件轴长约16米，整个轴由五段形成并由法兰盘连接起来的。若轴心不在一条直线上，水轮发电机运行时，由于轴线的倾斜使机组的重心发生变化，导致机组转动部分的离心力及惯性发生变化，在推力轴承处产生周期性变化的负载，从而引起机组的不正常震动，造成机组摆度过大使导轴承和推力轴承承载力发生不正常变化，工作条件恶化，加速固定机构与转动部分配合面的摩擦，严重的还会造成各部轴承瓦温升高引起烧瓦事故发生。盘车的目的是检查机组轴线的倾斜和曲折状况，通过盘车测量数据，用于分析与处理曲线，合理确定导轴承的中心位置，确保机组的摆度值在规程的规定范围内。

以前所用的盘车大部分为人力盘车，费力而且效率低下。电动盘车装置使用简便、盘车精度高。在新机组安装盘车时使用可大幅度缩短盘车时间，提高电站整体经济效益。

（2）定子分析

定子线圈均为双层叠绕组，共300槽，绕组节距13，每相每槽数为5槽，接线方式为4y，每相并联支路数为4，以A相为例，每个节距共占24槽，当A相通入直流电流时，单相形成每隔20槽均匀分布的20个头，20个尾，且成顺时针方向分布于定子360度铁心槽内，在空间上形成AZBXCY依次排列。定子铁芯共300槽，A相所占槽数为300/3=100槽，又因为每相每槽数为4，所以在定子上形成100/5=20个极，10个N极，10个S极。

（3）转子分析

转子为凸极式结构，共10对20个磁极，磁极线圈由扁铜线由下向上按逆时针方向绕制成28匝，20个磁极串接在一起，形成N极S极…，对称排列。可见转子通入直流后所形成的磁场于定子绕组各相依次通入直流后所形成的磁场相对应。

当定子某相绕组与转子绕组同时加入直流电流时，同极性相斥，不同极性磁极间相互吸引，当形成的合成磁力大于发电机转子的转动力矩并克服摩擦力时，转子将发生转动。

（4）参数计算

空载时所需的电磁转矩

Tm（电磁转矩）=To（空载转矩）+T2（输出转矩） （4-1）

盘车时T2为零，所以有转矩平衡条件

Tm=To （4-2）

空载时转动摩擦力矩：

Tmf=G×Dm×Km/2 （4-3）

G--转动部分总重量

Km―推力瓦轴承摩擦系数，对于条件下，一般为0.3～0.4。计算时Km是不定值，所以取Km=0.4作为计算定子电流的取值。

推力瓦旋转摩擦直径：

Dm =2/3（D3-d3）/（D2-d2） （4-4）

D―推力瓦外径

d―推力瓦内径

将有关参数代入公式计算可知：

Dm=2（m）

Tmf=183246.172（N・m）

空载转动功率：

Pmf= Tmf×Ω=23015.72（w） （4-5）

Ω=2πn/60，这里考虑到在盘车时转速不能太高，便于测量，况且导轴瓦有12块，取n=1.2转/分钟。

因为鲁德巴电站发电机励磁电压为195V，励磁电流为1873A， 转子绕组实测电阻为75mΩ，取转子柜输出电压为30V，励磁电流为400A，并且忽略铜耗及其他损耗，则励磁功率为：

PI=30×400=12000（W）

电枢功率：

Pd= Pmf- PI=23015.72-12000=11015.72（W）

考虑到盘车时发电机内部有人工作，所以定子电压尽可能低，取电压为6V，则

Pd=UI

I=1835.95A

就是说，发电机从静止到缓慢转动，当转子电压加到30V，转子电流加到400A；定子电压加到5V，定子电流加到1836A时发电机转子就应该转动。实际盘车装置转子柜额定输出电流为800A，定子柜额定输出电流为2500A，满足鲁德巴电站盘车要求。

2 电动盘车装置组成

鲁德巴电站电动盘车装置主要由两部分组成，一部分是转子电流柜，一部分是定子电流柜。使用时先在发电机转子中接通一定量的直流电流形成转子磁场；然后在发电机定子三相中分别轮流接通一定量的直流电流形成定子磁场；发电机即在转子磁场和定子磁场的相互作用下按照定子直流电流接通的次序旋转。合理调节定转子电流的大小和定子电流的切换时间就可控制机组的转动速度，使其达到最佳效果。

2.1 电动盘车柜主要技术参数

2.2 盘车主电路

电动盘车时，对发电机的定子绕组和转子绕组供电的电路，称之为盘车主电路。发电机的定子三相绕组和转子绕组，分别由隔离独立三相电源经可控硅整流提供直流电流。定子主回路采用三相零式半波全控整流；转子主回路采用三相全波全控整流。

2.3 控制电路

控制电路主要由DSP调节器和触摸屏组成。调节器通过检测输入的变化，经软件完成数据处理后，输出控制信号，完成控制要求。

2.4 监控回路

监控回路由触摸屏和电压表、电流表、信号灯、继电器、开关、按钮等组成，它们能监视出电源情况、系统工作状态、输出变化及通过该电路对盘车装置进行操作，也可通过控制盒进行远控操作。

2.5 检测回路

主要由分流器及直流电流传感器对定子和转子的电流进行检测并输入到微机中，通过微机进行判断，对非正常情况进行处理。由触摸屏显示数据和进行控制操作。

2.6 定子柜、转子柜输入输出接线

定子柜输入线采用3×35+1×16mm2的电缆连接，输出线每相采用4根单芯120mm2的电缆和定子绕组的A、B、C相及中性点相连。

转子柜输入线采用3×50+1×25mm2的电缆连接，输出线每极采用2根单芯120mm2的电缆和碳刷架的正负极相连。

3 盘车装置现场运行调试分析

3.1 盘车装置实际运用中的现象

调试中，起初转子柜输出电流设置在500A左右，定子柜输出设置在2000A左右，发电机转子随切换相步进启动运行，但步进几步后，再切换相却发现转子不动甚至倒走现象，当时认为可能是电流小，电磁转矩不够的原因，这样当发电机转子走到某位置时，因电磁力转矩不足不能拖动转子继续前行，而距其他相较近反而会出现倒行。据此在调试中继续加大转子柜和定子柜输出电流，以致转子柜输出电流在600A左右，定子柜电流输出在2500A左右，但情况并未改善，除换相时抖动更加剧烈外，基本情况与加大电流之前类似，区别仅在于步进的步数不同以及出现的不动或倒走的位置不同而已，而且此种现象并无规律。

3.2 盘车装置应用中的现象分析

在调试中出现故障无法继续进行的情况下，对上述现象进行分析，认定电动盘车从电气原理上讲是没有的问题的，根据鲁德巴电站225MW的机组的定子转子的实际情况，经理论计算结果，2000A定子电流，500A转子电流是足以拖动转子步进运行的，实际需要拖动转子和定子的电流只可能在理论计算值之下，不可能在计算值之上。因此出现故障的原因不是电流偏小，电磁转矩不足的缘故。

根据调试中出现的另一现象，即有时盘车到某一位置再不能继续步进时，只好停下来，但停一段时间后，再开车试验时，却又能往前步进几步，进而又出现前述现象。根据此种现象，综合前述分析，之所以出现此种故障现象的原因不在于电流偏小，而是剩磁现象作怪。由于发电机结构复杂，虽然剩磁大小以及到哪一步会被剩磁影响，继续步进运行的精确位置难以理论计算，再加上切换每一相的时间间隔也不同，更增加了理论计算难度。但是定性的讲，若认为剩磁现象为故障原因所在，那么再增大电流也是无济于事。若要减小剩磁的影响，只能减小电流，而不能增大电流，这才是解决问题所在。

3.3 故障排除

依据上述分析结果，在之后进行的调试中，我们的做法是，在最初启动发电机步进运行时，将转子电流设置在350A左右，定子电流设置在1000A左右，一旦转子启动后迅速减小定子电流。调试中发现，定子电流在转子启动后设置在400A，转子电流仍在250A左右，就可使转子步进运行，而且运行非常平稳，再无前述故障现象发生。虽然这种情况盘车运行较慢，但极为平稳，对发电机转子同心度测量几乎没有影响，盘几圈的测量数据重复性很好，误差在0.01mm左右，实际效果令人满意。如果增大定子电流可使盘车更快一些，但却会因换相切换时发电机转子产生的抖动以及磁力影响而影响发电机转子同心度的测量精度。故在正式盘车中一直采用转子电流设置在350A，启动时定子电流1000A，启动后定子电流设置在400A，最后盘车获得圆满成功。

结语

通过鲁德巴电站现场试验、调试和具体应用，证明了电动盘车装置具有操作简便可靠，性能稳定，维护方便等优点，提高了劳动生产率，降低了成本，确保了机组安装的测试数据准确和安装质量，这些对其他水力发电厂机组的安装及检修具有指导意义。

参考文献

[1] 李发海、朱东起.电机学. 科学出版社.

[2] 单文培. 水轮发电机组安装与日常检修.中国电力出版社.

作者简介：

王纯博，1978年11月4日，男，汉族，湖北省天门市，中国葛洲坝集团机电建设有限公司，工程师，本科，电气技术，四川成都，