东汽给水泵汽轮机高速盘车启动及启动设备的简析和选择

范晋 雷辉刚 刘德强

摘要：东汽给水泵汽轮机高速盘车静态重载启动因负荷冲击大，容易损坏连接结构，本文对盘车的交流电机启动方式和机械结构进行分析，提供解决思路和建议。

关键词：给水泵汽轮机，高速盘车，棘爪，变频，软启动

一、前言

东方汽轮机有限公司（下简称东汽）针对给水泵间隙及油膜建立要求设计开发转速120r/min，带3s离合器的高速自动盘车，是用于给水泵汽轮机启动前及停机后带动轴系旋转的驱动装置。其基本作用：减小机组启动力矩；检查转子是否弯曲，动静部分是否有摩擦；避免启停中上、下汽缸温差使转子弯曲。而启机前较长时间的盘车，可消除转子因机组长期停运和存放引起的非永久性弯曲。

随着电厂自动化控制要求的提高和技术的成熟，盘车从手动盘车升级为一种机电一体化的自动装置，具备自动投入和自动甩开的功能。东汽高速盘车3s离合器结构新颖，常因现场电机启动扭矩与转速不匹配，致使该盘车在静态自动投入时可能出现打齿现象，严重时会破坏棘爪结构。对此，电厂现场大部分采用静态手动将离合器放入棘爪中来避免打齿。虽然静态手动投入盘车不费工作量，也没有危险性，但与电厂自动化建设的要求相违背。故本文针对这种现象对东汽目前采用的盘车启动设备及方式进行分析，提供解决思路。

二、3s超越离合器机械结构及工作原理

3s超越离合器，通过转数差使棘爪与棘轮、内外齿圈配合出现转速差，实现盘车自动投入与甩开功能。其结构如图1

图1、离合器工作原理

H

离合器主要由三个部分组成，与盘车减速器输出轴相连的输入轴套E、中间滑移体C和

与汽轮机转子相连的输出轴套F。输入轴套与中间滑移体之间采用螺旋花键D连接，中间滑移体上设有外花键轮齿G和棘轮齿B与输出部件上的内花键齿轮H和棘爪A相对应。盘车电机的驱动力通过盘车减速器及内、外花键齿传递到汽轮机转子上并带动转子旋转。

当盘车电机启动，输入轴开始转动如位置1所示，由棘轮棘爪机构提供的扭矩使中间体沿螺旋花键槽做轴向移动，驱使内外轮齿相啮合，达到位置2所示时，带动输出部件转动，达到位置3，完成静态投入，机组处于盘车状态。

当机组打闸停机，转速下降至盘车转速时，输出轴套上的棘爪由于离心力的减小而落入中间滑移体上的棘轮槽内。当输出轴套的转速（即转子的转速小于盘车转速）滞后于输入轴套转速的瞬间，中间滑移体接受棘轮棘爪机构提供的小扭矩作用沿螺旋槽做轴向滑动，使内外轮齿相啮合带动输出部件转动，完成盘车装置投入，进入盘车状态。

三、盘车静态启动设备特性分析

高速盘车的动力由一台三相交流电机提供，通过电机驱动整体轴系的转动。故在盘车静态启动问题需要还原为电机启动问题。

设定电机自身启动转矩为 ，电机工况输出转矩 ，则启动由两段构成。一是恒定 ，使电机开始低速转动，使盘车棘爪与棘轮分离，内外齿轮相啮合。二是 变换到 ， 是电机要克服其最大扭矩需求，即 >T_摩,盘动整个轴系。在静态投入前可能由于多种因素（如安装移动、惯性、振动等）作用位置发生偏移，其初始位置不一定在棘爪可完全啮合处。故要求盘车在静态投入时不允许高速启动，以防止静态投入时棘轮棘爪、内外花键齿及整个高速盘车装置产生剧烈碰撞，有效保护给水泵汽轮机高速盘车装置，使棘轮棘爪、内外花键齿顺利啮合。啮合后，电机转矩提升至 ，供足够的扭矩使轴系转动。

目前主流交流电机的启动方式有变频起动和电子软起动。

1、变频启动：

变频技术是应交流电机无极调速的需要而诞生的。根据转速公式 可知，对同一异步电机转速n基本上与电源频率成正比。调节电源频率就可以平滑的改变电动机的转速。在电动机实际使用中，一般认为，理想的电机带负载下的变频调速是能保持电动机的过载能力 不变，同时 （U为端电压，E为绕组感应电动势，N为绕组线圈数量， 为绕组因数， 为主磁通）。

如保持变频前 与变频后 不变，则有 即 ①

由上式可以得到端电压U与频率f，转矩T的关系，得到两种变频调速方式：恒转矩变频调速和恒功率变频调速。

2. 恒转矩启动

对于恒转矩负载，上式①中T₁=T₂ ，则有

说明在恒转矩负载下，保持电压与频率成正比例。又因电机转速n与f成正比，则低频率可以使电机的转速降低。设定电机的启动转矩为 恒定，使其大于轴系的静摩擦转矩T_摩，电机开始转动，变频器的输出频率将逐渐增加，电机启动啮合，电压增加，电机的转速也将增加至稳定。电动机在调速范围中保证了电机的过载能力同时实现电机缓慢启动。

但由于启动转矩以 恒定，会导致盘车棘爪在与接触时就承受较大转矩，如果在f调节设定不均匀时，可能会对棘爪造成瞬时冲击。

（2）恒功率启动

电机功率 ②对于恒功率负载，要求在变频调速时电动机的输出功率保持不变，即 。

说明频率与转动扭矩成正比，启动时从低频率开始可以使电机的转速降低。当增大频率f，T逐渐增大，当T>

，则电机开始驱动齿轮缓慢转动接触棘爪，当T> ，电机即可带动轴系进行转动。该方式可以使得T线性增大，在小转矩情况下使棘爪慢速啮合，减少冲击，啮合后再增大T使盘车驱动轴系。该启动方式可以保证了电机的功率同时实现电机缓慢启动，保护棘爪的安全。

2、软启动器启动：

电机软启动技术是把三对反向并联的晶闸管串接在异步电动机定子的三相电路中，通过改变晶闸管的导通角来调节定子电压，使其按照设定的规律变化来代替传统的降压启动方式。

同样结合盘车启动要求，软启动中电压双斜坡和斜坡恒流软启动方式均能达到低速启动，减小棘爪冲击的要求，但各有优缺点。

（1）电压双斜坡启动

图2、电压双斜坡启动

如 图2所示，当电动机在某一负荷下运行时，若降低电压，则电动机转速大幅降低，对盘车的慢速启动要求响应非常好。同时直接降压调节范围大，调节区域大，有很好的适应性，对应转矩也能满足启动要求。但电机转差率增大，转子电流将因此增大，从而引起定子电流的增大，且在实际运行中不清楚启动电流。若电动机启动电流超过额定值，则电动机最终温升将超过容许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏电机。

（2）斜坡恒流启动：

如 图3所示，过程如下。设定启动时间t_sm。电机静止状态开始启动，电压在设置t_sm内线型增加，由于启动时间时间短，可认为转子电阻不变，则电流如图中所示，在t_sm内随电压升高而增加。

图3、斜坡恒流启动

由电机电磁转矩 可得电动机转矩T与电流I成正比。当t≤t₁时，启动电流I≤I₁时，T_盘≤T_摩。盘车保持静止。当t₁＜t＜t_sm时，I＞I₁，T_盘＞T_摩，盘车开始启动。由于电流随时间增加继续增大，则电动机转矩T_盘随之增大，电动机随转速增加。当I=I_sm时，保持电机加速状态，盘车转速增至120r/min后，电机启动完毕，电流回落至额定电流。

斜坡恒流启动很好的控制了启动电流，避免了电网冲击，保护了电动机。但电流限定调节空间小，难以测定压降，损失了压降空间。

3）组合启动方式：

根 据以上分析，单独使用电压双斜坡或斜坡横流启动优点明显但都有其局限。目前主流软启动器都将两种启动方式组合一起，取各自优点，弥补单一方式的不足。调节软启动器相关选项（如图4）可调节启动电压和启动电流限定大小，通过软启动器自身计算，输出一种最佳启动方式。这种软启动器也能让电机启动符合高速盘车的机械启动特性和要求。

图4、组合控制面板示意

四、变频器与软启动器的对比和选择。

从启动方式来看，变频器恒功率启动更能满足盘车启动要求，而软启动器也可以做到无冲击的启动盘车。两者从功能上都能满足盘车启动，保护棘爪结构不受到冲击损坏。

二者区别在于变频器既能变电压，也能调频，主要用于电机变频调速；软启动器只能调节电压，不能调频。调频功能决定于变频器功能更多，具有更强的电机控制能力，在实现机电一体化，提高系统自动化功能中的作用更加突出。这也使得变频器的设计结构比软启动器更加复杂，成本要比软启动器昂贵的多。软启动器相对而言结构简单，功能单一，主要用于电机启动和关闭。一般在电机启动运行后，软启动器就结束了工作状态。

对于盘车这种只需要控制启动，不需要执行速度调控的机构而言，软启动器保护功能更加明显，能使电机达到平稳启动并稳定运行的效果，保护棘爪机构在运行中的安全性。另外，软启动器在应用场景中具有结构简单、操作和维护方便、控制效率高的优势。

当然最终变频器和软启动器的选用还是取决于业主的预算情况和对电厂机电一体化的整体规划来进行选取。对于资金预算充足和自动化智能一体化控制要求更高的业主，可以选择变频器对盘车进行启动控制。而对于目前主流用户，从功能及经济性方面而言，本文更推荐采用软启动器对盘车进行启动控制。

参考文献：

【1】顾绳谷，电机及拖动基础【M】，北京：机械工业出版社，2007-10

【2】东方汽轮机有限公司，给水泵汽轮机高速盘车装置说明书【M】

【3】李萍.变频器和软启动器的区别及优劣比较【J】.科技与企业，2015（05）：227