船舶側(cè)推大功率電動機啟動方式與軸帶發(fā)電機的關(guān)聯(lián)探討

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(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

隨著攬貨競爭加劇以及航運成本攀升，船東越來越關(guān)注船舶的燃油消耗以及船舶的維護成本，與之相關(guān)的軸帶發(fā)電機的配備越來越受到船東的重視。

船舶大功率側(cè)推器電動機的啟動方式與以下因素有較大的關(guān)聯(lián):①軸帶發(fā)電機的容量；②軸帶發(fā)電機以及側(cè)推器電動機和母排的聯(lián)接方式。這兩種因素也同時涉及到船舶的初期建造成本，以某多用途運輸船為例展開探討。

某多用途運輸船配備柴油發(fā)電機為900×2 kW；軸帶發(fā)電機1臺，功率初定為900 kW；螺旋槳為可調(diào)螺距螺旋槳(CPP)；艏側(cè)推器一臺，電動機功率900 kW。

本船的電力負(fù)荷消耗情況見表1。

表1 電力負(fù)荷消耗表

進出港工況1為2臺柴油發(fā)電機和軸帶發(fā)電機并列運行給船內(nèi)負(fù)荷供電。

初步的電力系統(tǒng)一線圖見圖1。圖1a)中軸帶發(fā)電機、柴油發(fā)電機和艏側(cè)推都通過空氣開關(guān)直接聯(lián)接在母排上。圖1b)中，軸帶發(fā)電機與艏側(cè)推器通過空氣開關(guān)聯(lián)接在同一母排上，再通過母聯(lián)空氣開關(guān)聯(lián)接到船舶主母排。

圖1 電力系統(tǒng)一線圖

艏側(cè)推電動機的參數(shù)見表2。

表2 艏側(cè)推電動機的參數(shù)

1 直接啟動方式

軸帶發(fā)電機和艏側(cè)推與主母排的聯(lián)接方式見圖1a)。船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷為1 144 kW，柴油發(fā)電機2臺和軸帶發(fā)電機都需要開啟，即船內(nèi)發(fā)電機總功率為3×900 kW=2 700 kW。通過計算軟件計算判斷電動機啟動時因為突加負(fù)荷引起的電壓降、視在功率(kVA)以及有效功率(kW)是否滿足如下要求：

①電壓降不超過15%；②空氣開關(guān)過電流能力不超過138%；③發(fā)電機組過載能力不超過110%，判定結(jié)果見圖2。

由圖2可見，在船內(nèi)2臺柴油發(fā)電機和1臺軸帶發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電的情況下，使用直接啟動方式不能啟動艏側(cè)推電動機。

圖2 大容量輔機電動機突加負(fù)荷計算

2 自耦變壓器降壓啟動方式

軸帶發(fā)電機和艏側(cè)推與主母排的聯(lián)接采用圖1a)的方式。從圖2中得出艏側(cè)推器電動機可以采用80%、65%或50%自耦變壓器降壓啟動方式，此時須配備900 kVA大容量的啟動用降壓自耦變壓器。因自耦變壓器容量是按短時運行方式設(shè)計的，對啟動次數(shù)以及每次啟動的持續(xù)時間均有限制。同時因自耦變壓器的原因，啟動器體積也過于龐大，安裝維護不方便。

3 電壓斜坡法軟啟動器啟動方式

軸帶發(fā)電機和艏側(cè)推與主母排的聯(lián)接采用圖1a)的方式。

采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式，初始電壓設(shè)定為110 V，在啟動過程中，電動機電壓以此為基礎(chǔ)線性上升，直至達到額定電壓值，電動機啟動特性參數(shù)變化見圖3。

圖3 電動機啟動特性曲線

下面從艏側(cè)推器電動機采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式啟動需要滿足的條件來反推電網(wǎng)需要的發(fā)電機容量。

艏側(cè)推電動機及船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷參數(shù)見表3。

表3 艏側(cè)推電動機及船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷的基本參數(shù)

3.1 滿足全部負(fù)荷正常運轉(zhuǎn)所需要的發(fā)電機功率PG1

(1)

式中:PL——總負(fù)載，

PL=900+1 144.00=2 044.00 kW；

PFL——總功率因數(shù)，

84.85%；

γ——負(fù)荷率，γ=100%。

2 626.54 kVA

3.2 允許最大電壓降的發(fā)電機容量PG2

(2)

式中：Pm——艏側(cè)推器電動機最大啟動輸出，

Pm=900 kW；

β——電動機每1 kW需求的啟動kVA，4.00 kW；

α——電動機啟動電抗，0.13；

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Xd′——電動機瞬態(tài)電抗，0.22；

ΔV——電壓降比，0.15。

583.44 kVA

3.3 大容量復(fù)式電動機最終啟動階段需求的發(fā)電機容量PG3

(3)

式中：kW′——基礎(chǔ)負(fù)荷，kW＇=1 144.00 kW；

Sf——ECON軟啟動器的使用系數(shù)，Sf=1.035；

COSA——基礎(chǔ)負(fù)荷的功率因數(shù)，

COSA=0.84；

ηb——基礎(chǔ)負(fù)荷的效率，ηb=0.90；

VG——啟動電壓，VG=440 V；

Is——電動機的啟動電流，Is=3.95 kA；

KG——發(fā)電機最大過電流比率，KG=1.5；

σ——發(fā)電機組最大過載比率，σ=1.1。

PG3=2 838.71 kVA

在PG1、PG2、PG3計算結(jié)果中，PG3的值最大，因此，選取PG3=2 838.71 kVA作為決定發(fā)電機容量的最低要求。采用電壓斜坡法軟啟動器啟動電動機考慮發(fā)電機的過載系數(shù)為1.50，在電動機啟動過程中發(fā)電機的負(fù)載系數(shù)為0.78，則需求的發(fā)電機容量為

2 838.71×1.5×0.78=3 321.29 kA

選取3 375 kA作為需求的發(fā)電機容量，即每臺發(fā)電機容量為3 375×0.8/3=900 kW。

采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式啟動艏側(cè)推電動機，軟啟動器的價格較昂貴。且軟啟動器在船舶上使用時的日常維護和維修對船舶技術(shù)人員的技術(shù)要求較高。

4 采用特殊G-M系統(tǒng)啟動方式

采用發(fā)電機廠家提供的特殊G-M系統(tǒng)啟動方式不再需要配備專門的啟動器。在船舶正常航行時，由軸帶發(fā)電機供給船內(nèi)負(fù)荷電力；船舶靠離港時，由2臺柴油發(fā)電機供給船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷電力，軸帶發(fā)電機與船舶工作母線脫離，單獨向艏側(cè)推供電。此時電力系統(tǒng)一線圖采取圖1b)形式。船舶電力消耗情況見表4。

進出港工況2為兩臺柴油發(fā)電機向船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷供電，軸帶發(fā)電機單獨給艏側(cè)推器電動機供電。

系統(tǒng)工作原理圖見圖4[1]。

發(fā)電機單獨向艏側(cè)推器電動機供電時，2塊AVR(RT01和RT02)將共同控制發(fā)電機的輸出電壓和電流。其啟動控制流程如下。

表4 電力負(fù)荷消耗表

圖4 G-M系統(tǒng)工作原理圖

1)啟動發(fā)電機，確認(rèn)發(fā)電機電壓和頻率建立并穩(wěn)定。

2)控制電源供電，確認(rèn)和側(cè)推器電動機側(cè)的電氣連鎖完成。

3)啟動發(fā)電機的去勵磁系統(tǒng)，去勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機的剩余電壓幾乎降到零。

4)確認(rèn)去勵磁系統(tǒng)完成，系統(tǒng)檢測到發(fā)電機端電壓為零，發(fā)出去勵磁系統(tǒng)完成信號。

5)空氣開關(guān)合閘，發(fā)電機聯(lián)接到電動機系統(tǒng)，同時電動機啟動信號激發(fā)勵磁系統(tǒng)。

6)電動機啟動，斷開勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機端電壓在殘余電壓的作用下升高。電動機的電流隨著發(fā)電機端電壓的升高而升高，同時最大值被控制在設(shè)定值之下。

7)電動機完成啟動，電動機的轉(zhuǎn)速和電流提升到額定值，完成啟動過程。

8)發(fā)出電動機啟動完成信號，啟動過程結(jié)束。

通過方案的比較，從船廠初期建造成本以及船舶運營中的維護簡便性考慮，最終選擇G-M系統(tǒng)啟動方式。

5 結(jié)論

采用G-M系統(tǒng)啟動方式啟動電動機，僅僅配備軸帶發(fā)電機廠家特殊的AVR系統(tǒng)即可完成。此種啟動方法比其它啟動方法簡單，且可以省略自耦變壓器啟動方式中的啟動器和電壓斜坡法軟啟動器方式中的軟啟動器，主電路和控制電路不復(fù)雜，性價比比較高。啟動過程中對船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊小。

[1] 趙殿禮，王維剛.船舶側(cè)推大功率電動機啟動問題的探討[J].航海技術(shù),2003(2):41-42.