船用空壓機(jī)電控箱抑制啟動(dòng)峰值電流的優(yōu)化設(shè)計(jì)

夏世銅，高元明，葛 蕾，康 娜

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110869）

1 引言

船用空壓機(jī)是船舶壓縮空氣系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用來產(chǎn)生和提供一定壓力的高壓空氣，為發(fā)電機(jī)和主機(jī)的啟動(dòng)、廢物吹除以及其它需要壓縮空氣的設(shè)備提供所需的高壓空氣。

某型船用空壓機(jī)在啟動(dòng)過程中，給空壓機(jī)供電的配電板斷路器發(fā)生跳閘現(xiàn)象，雖然通過調(diào)整斷路器的整定值，解決了空壓機(jī)啟動(dòng)過程中斷路器發(fā)生跳閘的問題，但在處理該問題的過程中發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)星三角啟動(dòng)切換時(shí)存在啟動(dòng)瞬時(shí)峰值電流。該瞬時(shí)峰值電流，會(huì)對電網(wǎng)造成較大沖擊，存在影響其它用電設(shè)備正常工作的風(fēng)險(xiǎn)。本文對星三角啟動(dòng)瞬時(shí)峰值電流進(jìn)行了分析，通過優(yōu)化電控箱的控制原理、使用示波器進(jìn)行優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種抑制船用空壓機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)峰值電流的方法。

2 現(xiàn)象分析

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

船用空壓機(jī)電控箱主要功能是負(fù)責(zé)設(shè)備的啟動(dòng)和停車，并集成了自動(dòng)控制、故障報(bào)警、潤滑油自動(dòng)加熱、電機(jī)驅(qū)潮和異地操作等功能。其主要的技術(shù)參數(shù)如表1。

2.2 電控箱啟動(dòng)原理

空壓機(jī)采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其啟動(dòng)方式為星三角降壓啟動(dòng)。電氣原理圖如圖1所示。

合上電源開關(guān)1QF后，按下SB1按鈕，中間繼電器4KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，使接觸器3KM和1KM得電吸合，電機(jī)進(jìn)入Y啟動(dòng)狀態(tài)。星型啟動(dòng)7～8 s后，接觸器3KM斷電，接觸器2KM得電吸合，電機(jī)進(jìn)入△運(yùn)行狀態(tài)。在緊急情況下需按急停按鈕JT1，主電源開關(guān)1QF脫開，空壓機(jī)斷電停機(jī)。

2.3 啟動(dòng)峰值電流的現(xiàn)象分析

通過查閱星三角降壓啟動(dòng)的相關(guān)資料，在星形啟動(dòng)向三角運(yùn)行轉(zhuǎn)換的瞬間，出現(xiàn)瞬時(shí)峰值電流的現(xiàn)象的原因是：星啟動(dòng)完成后，電機(jī)的定子繞組從電源完全斷開，電機(jī)的轉(zhuǎn)子為閉合的回路，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在電機(jī)的定子繞組上感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢；當(dāng)電機(jī)切換到三角型運(yùn)行瞬間，上述感應(yīng)電動(dòng)勢與電源電壓會(huì)相疊加，當(dāng)兩者相位差為180°時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生9～10倍額定電流的瞬時(shí)峰值電流。

表1 空壓機(jī)電控箱主要技術(shù)參數(shù)

圖1 電氣原理圖（星三角啟動(dòng)部分原理圖）

3 試驗(yàn)測試

根據(jù)電控箱接線圖將電控箱和空壓機(jī)、主電源連接，進(jìn)行試驗(yàn)前試驗(yàn)狀態(tài)檢查。確保氣體流程、冷卻水流程、潤滑油流程、通電及盤車檢查等試驗(yàn)狀態(tài)皆滿足空壓機(jī)啟動(dòng)要求后，將羅氏線圈同DL750型示波器、主電源電纜相聯(lián)，開始進(jìn)行空壓機(jī)啟動(dòng)峰值電流的測試。共進(jìn)行了10組數(shù)據(jù)采集，峰值電流記錄如表2所示。

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)中出項(xiàng)的最大啟動(dòng)峰值電流為1586A（第3組數(shù)據(jù)），為額定工作電流（170A）的9.3倍，其電流波形圖如圖2所示。

4 電控箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)啟動(dòng)峰值電流的現(xiàn)象分析，在星三角切換時(shí)接入一組三相電阻，以消耗定子繞組上感應(yīng)出的電動(dòng)勢，就可以降低啟動(dòng)瞬時(shí)峰值電流；再對電氣原理圖中的控制元件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，精確計(jì)算出電阻的阻值、功率。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電氣原理圖，如圖3所示。

表2 電控箱啟動(dòng)峰值電流表

圖2 電流波形圖

優(yōu)化后邏輯啟動(dòng)順序?yàn)椋?/p>

（1）Y啟動(dòng)：3KM、1KM依次吸合，相應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)以Y方式連接啟動(dòng)。

（2）第一次轉(zhuǎn)換：當(dāng)電機(jī)Y 啟動(dòng)10 s 后，1KM、3KM和5KM吸合，電動(dòng)機(jī)線圈仍然以Y方式連接，但每相線圈都并聯(lián)了過渡電阻，如圖4所示。

（3）第二次轉(zhuǎn)換：當(dāng)?shù)谝淮无D(zhuǎn)換后0.25 s，1KM和5KM吸合，3KM釋放，電動(dòng)機(jī)線圈以△方式連接，但每相線圈都串聯(lián)了過渡電阻。

（4）△運(yùn)行；當(dāng)?shù)诙无D(zhuǎn)換后0.25 s左右后，1KM和2KM吸合，5KM釋放，電動(dòng)機(jī)以△方式運(yùn)行。

圖3 優(yōu)化后電氣原理圖

4.1 電阻阻值的計(jì)算

在第一次轉(zhuǎn)換后（圖4），過渡電阻與電機(jī)線圈并聯(lián)Y接法，承受的電壓為相電壓U相；在第二次轉(zhuǎn)換后（圖4），過渡電阻與電機(jī)線圈串聯(lián)△接法，共同承受的電壓為線電壓U線，此時(shí)，電機(jī)線圈上的分壓仍維持相電壓U相，而電機(jī)為感性負(fù)載，電壓超前電流90°；過渡電阻為阻性負(fù)載，電壓與電流同相，所以線圈電壓UL、電阻電壓UR與U線矢量和為

所以，過渡電阻的阻值為R=0.816U/I（I為△切換時(shí)的電流值）；根據(jù)多次現(xiàn)場不同的阻值與電流值試驗(yàn)，當(dāng)I取900A左右時(shí)，電流比較穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，R的阻值取0.35 Ω左右。

4.2 電阻功率的選取

過渡電阻R1、R2和R3只在第一次轉(zhuǎn)換（時(shí)間0.25 s左右）和第二次轉(zhuǎn)換（時(shí)間0.25 s左右）過程這個(gè)較短的一段時(shí)間流過電流并發(fā)熱，其余時(shí)間是不通電的，空壓機(jī)的啟動(dòng)間隔時(shí)間為3 min。所以流過電阻的總功率為

轉(zhuǎn)換成電阻功率：p=W/T=106464/180=591（W），實(shí)際選取的電阻功率為600 W。

5 優(yōu)化后電控箱電流測試

通過采用示波器，對優(yōu)化后空壓機(jī)的啟動(dòng)峰值電流進(jìn)行測試，共進(jìn)行了10組數(shù)據(jù)采集，峰值電流的整理，如表3所示。

圖4 過渡電阻的并串聯(lián)

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，優(yōu)化后的最大啟動(dòng)峰值電流為940A（第1組數(shù)據(jù)），為額定工作電流（170A）的5.5倍，其電流波形圖如圖5所示。

表3 優(yōu)化后電控箱啟動(dòng)峰值電流表

圖5 優(yōu)化后電流波形圖

通過優(yōu)化前后電流的測試，最大啟動(dòng)峰值電流由1586A降到940A，額定啟動(dòng)電流倍數(shù)由9.3降至5.5，啟動(dòng)瞬時(shí)峰值電流可以控制在1000A以下，降幅明顯。

6 結(jié)語

綜上所述，在空壓機(jī)啟動(dòng)星三角轉(zhuǎn)換瞬間接入一組三相電阻，以消耗定子繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢；并通過調(diào)整控制元件的邏輯關(guān)系、優(yōu)化轉(zhuǎn)換的時(shí)間、精確計(jì)算電阻阻值和功率，最終達(dá)到抑制啟動(dòng)瞬時(shí)峰值電流。本文所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已在多臺(tái)船用空壓機(jī)電控箱上改進(jìn)應(yīng)用，有效地抑制了峰值電流對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)際運(yùn)行可靠穩(wěn)定。