簡析電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式在船舶上的應(yīng)用

劉 祁

（海軍駐廣州七五〇廠軍代表室，廣州510656）

1 引言

近年來，隨著對船舶性能要求的不斷提高，新造船舶的設(shè)備越來越多樣化、復(fù)雜化，用電設(shè)備的功率大小不一。電動(dòng)力機(jī)（簡稱電機(jī)）的起動(dòng)方式也需根據(jù)設(shè)備功率的大小和起動(dòng)器的重量、尺寸及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行合理的選擇。另外，對于配備了側(cè)推裝置，以及需要拖曳作業(yè)的船舶，側(cè)推及拖曳設(shè)備的電功率與電網(wǎng)容量的比率越來越高，此類大功率設(shè)備起動(dòng)瞬間的大電流會導(dǎo)致機(jī)端及母線處電壓降落，嚴(yán)重時(shí)造成其他電機(jī)停止工作，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，選擇合適的電機(jī)起動(dòng)方式以降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊是電力設(shè)計(jì)過程中不可忽視的問題。

2 電機(jī)起動(dòng)要求及方式

2.1 三相異步電機(jī)的起動(dòng)要求

（1）起動(dòng)電流不能過大

當(dāng)電機(jī)的起動(dòng)電流過大時(shí)，電機(jī)容易發(fā)熱，降低電機(jī)的使用壽命；當(dāng)電網(wǎng)容量相對電機(jī)的容量相差不大時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)沖擊電流會導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生大幅度的電壓降，影響到同一電網(wǎng)上其它用電設(shè)備的正常工作,一般情況下電機(jī)起動(dòng)電流對電網(wǎng)造成的瞬時(shí)電壓降不得超過15%。

（2）具有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指在起動(dòng)過程中電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足將使起動(dòng)時(shí)間延長。由于起動(dòng)電流大，起動(dòng)時(shí)間延長將使電機(jī)繞組嚴(yán)重發(fā)熱，降低其絕緣壽命。

2.2 三相異步電機(jī)的起動(dòng)方式

一般來說，在電站容量確定的情況下，對小功率電機(jī)允許直接起動(dòng)；對大功率電機(jī)，其起動(dòng)方案有三種類型: （1）降壓起動(dòng)：定子繞組串聯(lián)電阻或電抗、自耦變壓器、星三角起動(dòng)；（2）軟起動(dòng)；（3）變頻起動(dòng)。

2.2.1 直接起動(dòng)

電機(jī)在額定電壓下直接起動(dòng)，其起動(dòng)電流一般為4～7倍額定電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大可達(dá)到1.5倍額定轉(zhuǎn)矩。直接起動(dòng)具有控制設(shè)備簡單、價(jià)格便宜、起動(dòng)速度快、維修方便等特點(diǎn)，其適用于在額定工作時(shí)長期運(yùn)行而不頻繁啟停的電機(jī)。但直接啟動(dòng)也存在著明顯的缺點(diǎn)，如啟動(dòng)電流大、對電網(wǎng)沖擊較大，所以一般只有在電網(wǎng)容量允許的情況下才可以采用直接啟動(dòng)。

2.2.2 降壓啟動(dòng)

當(dāng)電機(jī)容量過大時(shí)，將會出現(xiàn)起動(dòng)電流過大的情況，這時(shí)直接起動(dòng)就不適合了。常用的船用降壓起動(dòng)主要包括以下幾種：

（1）降壓起動(dòng)

Y-Δ起動(dòng)是最常用的一種降壓起動(dòng)方式。Y-Δ起動(dòng)時(shí)，電流及轉(zhuǎn)矩均為直接起動(dòng)時(shí)的1/3，這種起動(dòng)方式適用于空載或輕載起動(dòng)的場合。Y-Δ起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠；缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、星三角切換瞬間會產(chǎn)生較大的二次沖擊電流。Y-Δ起動(dòng)要求定子繞組具有6個(gè)出線頭的結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行時(shí)為三角形接線方式。

（2）自耦變壓器起動(dòng)

Y-Δ起動(dòng)降壓比是固定形式的，如這種降壓比滿足不了起動(dòng)電壓降要求時(shí)，可采用自耦變壓器降壓起動(dòng)方式。由于自耦變壓器的抽頭可任意選擇，所以降壓關(guān)系可按需求決定，這樣可獲得大于或小于Y-Δ起動(dòng)的起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩。

自耦變壓器降壓起動(dòng)適用于較大負(fù)載的起動(dòng)，尤其是適用于需獲得多種轉(zhuǎn)矩的大容量電機(jī)的降壓起動(dòng)。然而，由于自耦變壓器的體積大、散熱要求高，導(dǎo)致自耦變壓起動(dòng)設(shè)備體積大、動(dòng)力電纜接線復(fù)雜、價(jià)格相對較高、維護(hù)困難，而且不適于頻繁的啟動(dòng)。

2.2.3 軟起動(dòng)

常規(guī)的軟起動(dòng)是采用串接于電源和電機(jī)間的軟起動(dòng)器，利用微處理器控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)的起動(dòng)電壓從零開始，按預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系上升直到起動(dòng)結(jié)束，最后賦予全壓運(yùn)行，減少起動(dòng)沖擊電流，同時(shí)獲得良好的起動(dòng)性能。與直接起動(dòng)和其他降壓起動(dòng)方式等繼電器起動(dòng)模式比較，軟起動(dòng)開始邁向了數(shù)字化及多功能化發(fā)展的方向，其起動(dòng)設(shè)備允許的最大功率占電網(wǎng)的比值遠(yuǎn)大于直接起動(dòng)和其它降壓起動(dòng)方式。但由于軟起動(dòng)器涉及電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)，所以成本較高，對維護(hù)技術(shù)人員的要求和安裝環(huán)境要求也較高，而且其使用的晶閘管引起的高次諧波會污染電網(wǎng)。

2.2.4 變頻起動(dòng)

對于交流三相異步電機(jī)，主要采用的是交-直-交電壓型變頻器（PWM型）。變頻器是目前電機(jī)控制領(lǐng)域技術(shù)含量最高、控制功能最全、控制效果最好的電機(jī)控制裝置。變頻器起動(dòng)時(shí)不僅具有軟起動(dòng)的調(diào)節(jié)起動(dòng)電壓、降低起動(dòng)沖擊電流的功能，同時(shí)還具有優(yōu)越的調(diào)速特性，通過對電壓及頻率的調(diào)節(jié)，可以滿足多種復(fù)雜工況的起動(dòng)和控制要求。變頻器起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)電流可以設(shè)定在小于等于電機(jī)的額定工作電流，這對船舶的大功率負(fù)載在小容量電網(wǎng)中起動(dòng)時(shí)的電壓穩(wěn)定有著有效的保護(hù)作用。

但是，變頻器的應(yīng)用有著一個(gè)無法忽視的缺點(diǎn)：電網(wǎng)諧波。在變頻器的選擇過程中，需根據(jù)變頻器的使用目的。容量以及電網(wǎng)中其它設(shè)備諧波畸變率選擇合適的變頻器和補(bǔ)償設(shè)備。根據(jù)船舶規(guī)范要求，電網(wǎng)電壓諧波畸變率THD應(yīng)小于5%。

3 某多用途拖船的負(fù)載特性及起動(dòng)方式的選擇

下面介紹某多用途拖船的電站配置、負(fù)載情況和使用的電機(jī)起動(dòng)方式。

該船配備兩臺1520kW軸帶發(fā)電機(jī)、兩臺590kW柴油發(fā)電機(jī)和95kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)。其發(fā)電機(jī)負(fù)載使用工況見表1。

表1 某多用途拖船發(fā)電機(jī)負(fù)載使用工況

在港及停泊狀態(tài)時(shí)，由一臺柴油發(fā)電機(jī)給機(jī)艙輔助設(shè)備及生活設(shè)備供電；在其它工況下，由一臺或兩臺軸帶發(fā)電機(jī)給艏艉側(cè)推、錨作拖曳絞車、消防泵等大功率負(fù)載及機(jī)艙輔助設(shè)備、生活設(shè)備供電。其典型電力系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 某多用途拖船典型電力系統(tǒng)圖

由上述電機(jī)的起動(dòng)方式及要求可知，電機(jī)起動(dòng)方式的選擇需要綜合考慮多方面因素，如電機(jī)功率、電站總功率及輕載還是重載起動(dòng)等。對船舶來說，其電站容量與陸地對比相對較小，且多數(shù)屬于低壓配電網(wǎng)絡(luò)，因此電機(jī)的起動(dòng)方式更應(yīng)充分考慮各種因數(shù)合理選擇，以達(dá)到讓整個(gè)電網(wǎng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行的目的。

另外，先進(jìn)的起動(dòng)方式雖然能帶來更好的起動(dòng)性能，但也不能無節(jié)制的高配選用，應(yīng)根據(jù)船舶的實(shí)際情況，充分考慮其合理性與經(jīng)濟(jì)性，以便在整個(gè)電網(wǎng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行的同時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

在選擇電站容量時(shí)，針對航行、進(jìn)出港、作業(yè)等各種不同的工況，一般以電機(jī)設(shè)備需要運(yùn)行的最小電站容量工況作為參考。以下對幾個(gè)不同種類的代表性設(shè)備簡要分析如下：

（1）首側(cè)推：功率為600 kW，參考電站容量功率為1520 kW，屬于大功率負(fù)載，直接起動(dòng)和Y-Δ起動(dòng)電流較大，無法滿足起動(dòng)電壓降的要求；側(cè)推設(shè)備為頻繁啟動(dòng)設(shè)備，不適宜選擇自耦變壓器起動(dòng)；綜合考慮軟起動(dòng)器和變頻起動(dòng)器的性價(jià)比，最終設(shè)計(jì)院和船東一致認(rèn)為采用變頻起動(dòng)是比較合理的。

（2）拖曳絞車液壓泵：功率為55 kW，參考電站容量功率為590 kW，也屬于大功率負(fù)載。一般來講，船舶電站允許小于25%電網(wǎng)容量的電機(jī)直接起動(dòng)，因此拖曳絞車液壓泵可以采用直接起動(dòng)方式，但考慮設(shè)計(jì)余量及發(fā)電機(jī)負(fù)荷率，選擇Y-Δ起動(dòng)的方式比較穩(wěn)妥。

（3）2臺機(jī)艙風(fēng)機(jī)：功率均為18 kW，但1#機(jī)艙風(fēng)機(jī)由主匯流排B1供電，2#機(jī)艙風(fēng)機(jī)由應(yīng)急匯流排供電，也就是說，1#機(jī)艙風(fēng)機(jī)的參考電站為590 kW，2#機(jī)艙風(fēng)機(jī)的參考電站為95 kW（應(yīng)急發(fā)電機(jī)），因此1#機(jī)艙風(fēng)機(jī)采用直接起動(dòng)的方式完全可行，2#機(jī)艙風(fēng)機(jī)采用Y-Δ起動(dòng)的方式比較合理。

4 結(jié)束語

本文針對電機(jī)的特點(diǎn)和要求，闡述了各種電機(jī)起動(dòng)方式在船舶上的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)。并通過對某多用途拖船電站情況分析，描述了各典型大功率電機(jī)起動(dòng)方式的選擇依據(jù)，可為類似船型在選擇起動(dòng)方式時(shí)提供參考。

[1] 李一丹，劉勇，郭鎮(zhèn)明. 起動(dòng)大功率異步電動(dòng)機(jī)對船舶電網(wǎng)影響的仿真研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1999 , 20( 1) .

[2] 吳斐文，張海榮. 電力驅(qū)動(dòng)型式及應(yīng)用的最新趨勢[J]. 船舶，2002( 4).