摘要:在多电动机拖动系统中，可采用同步旋转系统(电轴)实现多个工作机构保持相同转速或保持恒定转速比。由于同步旋转系统(电轴)没有采用转轴硬联接，可有效避免硬联接引起的机电故障。无锡市犊山水利枢纽工程是太湖流域综合治理的十大骨干工程之一，该工程中包括梁溪河节制闸、船闸、五里湖节制闸等多处电机启闭装置，采用了一台主机拖动变频机，变频机控制双馈电机组成电轴同步系统。系统经过多次技术参数的调试和运行方式的调整，系统保证正常运行三十多年，其中经验值得推广。
关键词:同步旋转系统;电机启闭装置;闸门启闭装置
同步旋转电轴系统是一个多电动机拖动系统中电轴不采用刚性联接的多电动机拖动系统。在这种系统中，机械上没有联系的工作机构，可以以相同的转速或恒定的转速比，实现各工作机构的同步旋转。电轴系统对于特定条件下的水坝闸门的开启操作，具有显著的操控优势。无锡市犊山水利枢纽工程位于风景秀丽的太湖之滨，是太湖流域综合治理的十大骨干工程之一［1］，闸门结构主要采用无臂杆弧形定轮下卧式钢闸门，其启闭方式为电轴同步拖动，在工程所属的梁溪河节制闸、船闸、五里湖节制闸均由一台主机拖动变频机，变频机控制双馈电机组成电轴同步系统［2－4］。运行三十多年来，经过修改技术参数，调整运行方式，工作基本正常。下面谈谈电轴同步拖动在犊山水利工程中的具体应用。
1电轴原理
电轴系统是一种可自整角的同步系统，不需要对电轴工作进行控制，因此免去了复杂的同步控制算法设置。同步电轴系统一般由型号和参数相同的双馈电机组成，双馈电机的转子侧三相相接，定子侧并联接入电网，这种系统可以使距离较远的几台电机同步旋转。一般情况下每个电机的负载变化是不同的，所有参与电轴的双馈电机转子侧并联在一起，其外部接上公共变阻器，因此无论各电动机的负载是否相同，由于各电动机是并联的缘故，所有转子滑环上的电压彼此相等。例如:负载大的电动机转子电阻减小、转子电流增大;负载小的电动机转子电阻增大、电流减小，于是所有的电动机都以相同的速度运转。本工程电路原理图如图1所示，图中，D为主电动机;D1，D2为辅机(分别为变频机、双馈机);MZ1，MZ2为启闭机。电动机均选用线绕式(YZR)电动机，D1，D2为型号相同、功率与机械特性相同的电动机。MZ1，MZ2启闭机分别于河两岸与D1，D2联接，以电轴方式相联接而同步运转，启闭机全靠辅机D1，D2转子的三根电轴联线来完成。由于D1，D2可与D同步运行、起到与机械轴连接相同的作用，所以系统称为同步电轴。D1，D2辅助电轴电机的转子回路反相连接。
2辅助电机转子旋转方向
当主机D带动辅机D1，D1带动D2旋转时，转向可以顺着或逆着辅机定子磁场的旋转方向。当顺磁场旋转时，由于两轴上负载启闭机MZ1，MZ2不可能完全一致，例如转矩:M1＞M2时，D1转子开始落后于D2转子，两绕组轴线间有一相位差角θ。显然，旋转磁场切割线圈D1，感应最大电势的时刻比在线圈D2中感应最大电势早，即E2'比E2″超前θ角，这样两辅机转子电势大小相等，由于不同相会产生电势ΔE2=E2'﹣E2″≠0，在它作用下，辅机转子电路中产生电流I2，且滞后于ΔE2，如图2所示。如以辅机D1转子电势E2'参考相量，则可得:I2=E'2－E″22Z2=S•E2e－S•E2e•e－jB2(r2+j•x2•S)(1)其中，E2为转子静止时的感应电势;S为转差率;Z2，r2，x2分别为转子每相阻抗、电阻及电抗。辅机D1的转矩M1:M1=M1－cosθ+x2×Sr2sinθ2(2)M=2MmaxSSm+SmS(3)其中，M为每台异步电机在正常联接时的转矩。辅机D2的转矩M2:M2=M1－cosθ－x2×Sr2sinθ2(4)由式(3)，式(4)可见:在某一差角θ及转差率S下，两辅机的转矩是不相等的。当辅机的转子顺磁场旋转时，M1总是正值，而M2可能为负值。而在一定的位差角下转差率愈高，则辅机发出的转矩愈大，因此为保证可靠的同步运行，应选择辅机转子逆着定子磁场旋转，此时S＞1，M1及M2可得到加大。虽然D1转子也将落后于D2转子电势，可知在转子逆磁场旋转时，可得到:M1=M1－cosθ－x2×Sr2sinθ2(5)M2=M1－cosθ－x2×Sr2sinθ2(6)所以在逆磁场旋转时，M2为正值，即M2与旋转磁场方向(n0方向)相同，而与旋转方向相反，它加重了主机D的负载，而M1为负值，但其方向却与旋转方向一致(与n0反向，与n同向)，因此M1为电动机转矩，它减轻了负载较重的主机D的负载。这样，主机负载与双电机D2负载得到平衡，从而使两轴同步旋转。电轴系统中的平衡作用决定于两辅机转矩之差，我们称之为平衡转矩ΔM，其值为:ΔM=Mx2×Sr2sinθ(7)由式(7)可知，在一定的位差角下，转差率S愈高，平衡转矩愈大，当θ=90°时，平衡转矩最大，而θ＞90°时系统将失步，一般在稳定状态下位差角不超过30°，所以为了得到足够的平衡转矩，辅机必须逆磁场旋转。
3电轴系统的整步
电轴系统在运行前，需要先对两台辅助电机进行整步。这是因为系统在上一次停机时，由于两轴的惯性差异，以及两台电机的抱刹时间不一致等原因，可能造成电轴位置不一致，从而使两辅机转子在起动时将存在一位角差θ。电轴电机的电磁转矩是与位角差成一定关系的，如不做整步，当位角差θ较大时，在转子电路里将会产生很大的启动电流，可能会使转子电路跳闸;并且由于电轴电磁转矩的关系，可能导致整个电轴系统的失步。电轴系统在运行过程中，闸门由于运行的速度变化以及由积累误差导致的闸门倾斜往往也会导致系统的失步，一旦发生这种情况，就必须及时停机，先用人工的方法对闸门的位置进行调整，然后通过电器操作系统对两台辅机进行整步。
4修改技术参数，调整运行方式
在梁溪河船闸系统中，原主电机转子回路中去除频敏变阻器，改用调速电阻器，这有利于提高系统在低速启动过程中的转矩平衡。具有辅机的电轴系统有较好的动态稳定性，在具有公共变阻器的电轴系统中，由于电机转子接有大电阻会对其机械特征带来不利影响，因此配以接触器分段切除两组电阻来完成逆磁场电轴的启动和运行。在闸门的启闭过程中时常出现过电流和失步以及滑车现象，经分析造成这种现象的主要原因是由于设计不合理(主要是速比不合理)导致电机在满负荷状态下工作，致使闸门在下降过程中出现电机的电轴电流逐步增大到过电流而造成的，为此我们从两个方面对原有部分进行了改进:一方面减少电机的负荷，主要采用以下几种方法:
1)对闸门主滚轮进行维修。原主滚轮由于种种原因已彻底锈死，闸门在启闭过程中与闸室翼墙产生较大的摩擦力，增加了电机的负荷。
2)减少闸门启闭过程中各转动部位的摩擦力，改油杯加油为油嘴加油。由于各转动部位的轴和轴套的间隙很小，单靠油杯挤压是很难把油脂加到位的，改用油嘴加油后，加油枪产生的高压很容易把油脂压到各转动部位。
3)及时清理闸门上的大量垃圾。另一方面把原来切除两组电阻来完成逆磁场电轴的启动和运行改为切除三组(全部电阻为四组)电阻来完成逆磁场电轴的启动和运行，这样就增大了制动力矩，较好地解决了下降过程中出现的滑车现象。此外，在控制回路中，由于线圈吸力不够，容易产生拉弧，部分接触器的短路环损坏，产生异常声响振动，部分辅助触点动作不灵敏，为此我们将原CJ0－75A型交流接触器改为CJT1－100A接触器，加强了线圈吸力，设备运行安全可靠。经过近几年的运行调试，犊山船闸在正常启闭时，上升的电轴电流一般在20A左右，下降的电轴电流一般在5A左右，闸门启闭正常。在梁溪河节制闸，主电机转子回路则用频敏变阻器来解决逆磁场电轴的启动和运行。2017年在运行过程中曾出现开机过电流，不能正常启动现象，经分析是由于频敏变阻器在长期使用过程中性能出现问题，使得频敏变阻器切换时间过长造成的，由于其整定值为0．4s，同时频敏变阻器切出时间不小于0．2s，经调试，我们把其时间由原来的0．4s调为0．3s，经过近几年的运行，闸门启闭正常。
5结语
电轴同步技术由于在水利工程中采用不多，尤其在大型闸门中更少采用，现成的经验很少，只能通过不断地实践来积累，只有从实际出发，及时地修改设计参数和控制方式，调试好抱刹，选择最佳的设计方案及调试运行手段，才能使其在水利工程中运用自如，才能为发挥水利工程的综合效益作出更大的贡献。
作者：徐春雷 单位：无锡市水利发展和安全质量管理中心