經(jīng)濟(jì)型船用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的改進(jìn)與應(yīng)用研究*

陽(yáng)世榮

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立、非線性、多變量復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)，其供電容量有限［1］。船舶風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等船舶輔機(jī)大多采用鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，電機(jī)類(lèi)旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的用電功率約占船舶電網(wǎng)容量的70%以上［2～3］。由于船舶交流電網(wǎng)容量有限，因而對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的5倍～7倍負(fù)載額定電流的沖擊特別敏感［4～5］。為了減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)船舶交流電網(wǎng)的沖擊，其電機(jī)啟動(dòng)器一般采用星三角降壓軟啟動(dòng)、晶閘管軟啟動(dòng)以及變頻軟啟動(dòng)等軟啟動(dòng)方式［6～7］，以達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的目的。其中，晶閘管軟啟動(dòng)和變頻器軟啟動(dòng)設(shè)備均采用了電力電子開(kāi)關(guān)器件，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，并且，不論是晶閘管斬波電路還是變頻器的輸入側(cè)整流、輸出側(cè)逆變回路均會(huì)產(chǎn)生高次諧波［8～9］，給船舶交流電網(wǎng)帶來(lái)一定的電磁干擾；而星三角啟動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高［10～11］，是一種經(jīng)濟(jì)型船用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方案，在船舶領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

普通的星三角啟動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)，將電機(jī)的三相定子繞組接成星形，等啟動(dòng)完成后，再將定子繞組接成三角形。在星三角切換的瞬間，電動(dòng)機(jī)三相定子繞組之間的回路完全斷開(kāi)，導(dǎo)致電機(jī)定子電流出現(xiàn)中斷，電機(jī)處于脫離電網(wǎng)狀態(tài)，造成了星三角切換沖擊，產(chǎn)生了二次沖擊電流［12］，給船舶電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

為解決上述問(wèn)題，本文介紹了一種船用電動(dòng)機(jī)星三角啟動(dòng)器改進(jìn)方案。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間，定子繞組進(jìn)行星三角切換時(shí)，定子繞組電流連續(xù)，不會(huì)出現(xiàn)中斷，改善了啟動(dòng)性能。本文對(duì)其工作原理、技術(shù)方案、測(cè)試情況等做了重點(diǎn)說(shuō)明。

2 普通星三角啟動(dòng)過(guò)程分析

普通星三角啟動(dòng)電路原理圖如圖1所示。圖1中，U1、U2，V1、V2，W1、W2分別為電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的接線端子，QF為電源開(kāi)關(guān)，KM1～KM3為接觸器，F(xiàn)R為熱繼電器，KT為延時(shí)繼電器，S1為啟動(dòng)按鈕，S2為停止按鈕，TR為控制變壓器，H1、H2分別為電源和運(yùn)行指示燈。

圖1 普通星三角啟動(dòng)電路原理圖

在圖1中，接通電源開(kāi)關(guān)QF，電源指示燈H1亮。按下啟動(dòng)按鈕S1，延時(shí)繼電器KT的線圈通電吸合并開(kāi)始計(jì)時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)KT-1和KT-2閉合。于是，交流接觸器KM3的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1和KM3-3閉合，常閉觸點(diǎn)KM3-2斷開(kāi)。常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1閉合，使得電機(jī)定子繞組呈星形連接，如圖2所示；常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-3閉合，使得交流接觸器KM1的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM1-1和KM1-2閉合，因而電動(dòng)機(jī)上電，開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行。

圖2 電動(dòng)機(jī)定子繞組星形連接示意圖

延時(shí)5s后，延時(shí)觸點(diǎn)KT-3閉合、KT-5斷開(kāi)。因此，交流接觸器KM3的線圈斷電釋放，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1斷開(kāi)，使得電機(jī)定子繞組斷開(kāi)星形連接；同時(shí)其常閉觸點(diǎn)KM3-2閉合，交流接觸器KM2的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM2-1閉合，其常閉觸點(diǎn)KM2-2斷開(kāi)，使得電機(jī)定子繞組呈三角形連接，如圖3所示。至此星三角啟動(dòng)完成。

圖3 電動(dòng)機(jī)定子繞組三角形連接示意圖

從圖2可以看出，電動(dòng)機(jī)定子繞組采用星形接法時(shí)，加在每相定子繞組上的電壓為相電壓（交流220V）；從圖3可以看出，電動(dòng)機(jī)定子繞組采用三角形接法時(shí)，加在每相定子繞組上的電壓為線電壓（交流380V）。所以，星形接法每相定子繞組端電壓為三角形接法時(shí)的，其啟動(dòng)電流即為三角形接法時(shí)的1/3，實(shí)現(xiàn)了降壓?jiǎn)?dòng)的目的。

但是，在上述的星三角轉(zhuǎn)換過(guò)程中，常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1斷開(kāi)后（即星形連接斷開(kāi)），KM2-1閉合（即連接成三角形）之前，一般約有數(shù)十毫秒的轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔。在這段時(shí)間間隔中電動(dòng)機(jī)定子繞組因KM3-1斷開(kāi)而處于斷電狀態(tài)，而鼠籠式轉(zhuǎn)子為閉合回路，且在之前的定子繞組星形連接狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子已啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因此，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)切割定子繞組，在定子三相繞組端產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。一旦KM2-1閉合，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓在定子繞組上疊加，使得過(guò)渡過(guò)程可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，在最?lèi)毫拥那闆r下，峰值沖擊電流可能達(dá)到電機(jī)額定電流的15倍～20倍。該沖擊電流不僅有可能使電機(jī)的配電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生瞬動(dòng)保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致斷電停機(jī)，還有可能使電機(jī)啟動(dòng)器內(nèi)的接觸器由于瞬態(tài)壓降過(guò)大導(dǎo)致誤動(dòng)作。

如上所述，普通的星三角啟動(dòng)電路，在星三角轉(zhuǎn)換時(shí)可能產(chǎn)生較大的二次沖擊電流，從而給船舶電網(wǎng)和電機(jī)運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

3 星三角啟動(dòng)改進(jìn)技術(shù)方案

為解決普通星三角切換瞬間，電動(dòng)機(jī)定子三相繞組存在斷開(kāi)、定子繞組電流存在中斷的問(wèn)題，需對(duì)普通星三角啟動(dòng)電路進(jìn)行改進(jìn)，在其中增加三個(gè)續(xù)流/限流電阻和一個(gè)交流接觸器。當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形啟動(dòng)后，先接入三個(gè)電阻分別與定子三相繞組并聯(lián)，且三個(gè)電阻之間采用跨接形式以便于不斷開(kāi)就可轉(zhuǎn)換成三角形；然后將定子三相繞組星形中性點(diǎn)斷開(kāi)，三相繞組各自串聯(lián)一個(gè)電阻轉(zhuǎn)換為三角形連接；最后將各相繞組串聯(lián)的電阻短接，定子三相繞組連接成三角形。至此，星三角啟動(dòng)完成。

具體的改進(jìn)技術(shù)方案如圖4所示。在圖1普通星三角啟動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，圖4增加了三個(gè)續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3和交流接觸器KM4，并主要通過(guò)交流接觸器KM4的控制觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3與電動(dòng)機(jī)定子繞組之間連接方式的轉(zhuǎn)換。圖5為改進(jìn)后星三角啟動(dòng)過(guò)程的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組連接關(guān)系轉(zhuǎn)換示意圖。

圖4 星三角啟動(dòng)電路改進(jìn)原理圖

改進(jìn)后的星三角啟動(dòng)電路工作原理如下。

第一階段：按下啟動(dòng)按鈕S1，延時(shí)繼電器KT的線圈通電吸合并開(kāi)始計(jì)時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)KT-1和KT-2閉合。于是，交流接觸器KM3的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1和KM3-3閉合，其常閉觸點(diǎn)KM3-2斷開(kāi)。常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1閉合，使得電機(jī)定子繞組呈星形連接，如圖5（a）所示；常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-3閉合，使得交流接觸器KM1的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM1-1和KM1-2閉合，因而電動(dòng)機(jī)上電。

此時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組為星形連接，開(kāi)始上電啟動(dòng)，如圖5（a）所示。

第二階段：延時(shí)5s后，延時(shí)觸點(diǎn)KT-3閉合，交流接觸器KM4的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM4-1閉合，其常閉觸點(diǎn)KM4-2斷開(kāi)。此時(shí)，續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3接入星形連接的定子繞組回路，分別與定子三相繞組并聯(lián)；并且，三個(gè)電阻之間采用跨單相繞組連接的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)不斷開(kāi)定子繞組就可轉(zhuǎn)換成三角形連接，如圖5（b）所示。

圖5 改進(jìn)后星三角啟動(dòng)過(guò)程的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組連接關(guān)系轉(zhuǎn)換示意圖

第三階段：常閉觸點(diǎn)KM4-2斷開(kāi)，使得交流接觸器KM3的線圈斷電釋放，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM3-1斷開(kāi)，使得電機(jī)定子三相繞組斷開(kāi)星形連接的中性點(diǎn)，續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3自動(dòng)分別與相應(yīng)的定子三相繞組串聯(lián)，接成三角形，由于續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3的存在，星三角切換過(guò)程中，電機(jī)定子三相繞組沒(méi)有斷開(kāi)，定子電流不會(huì)中斷，如圖5（c）所示。

第四階段：由于交流接觸器KM3的線圈斷電釋放，其常閉觸點(diǎn)KM3-2恢復(fù)閉合狀態(tài)。從而交流接觸器KM2的線圈通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)KM2-1閉合，使得續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3旁路，電機(jī)定子三相繞組直接接成三角形；交流接觸器KM2的常閉觸點(diǎn)KM2-2和KM2-3則斷開(kāi)，使得交流接觸器KM4的線圈斷電釋放，續(xù)流/限流電阻R1、R2、R3斷開(kāi)。此時(shí)，星三角切換全部完成，如圖5（d）所示。

相比于普通星三角啟動(dòng)，改進(jìn)后的方案在星三角切換過(guò)程中，通過(guò)接入三個(gè)續(xù)流/限流電阻，與電機(jī)定子三相繞組先后并聯(lián)、串聯(lián)最后旁路切除，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，定子三相繞組始終未斷開(kāi)不斷電、定子繞組電流始終連續(xù)，從而避免了普通星三角切換過(guò)程中因電機(jī)定子繞組瞬間斷開(kāi)再上電而產(chǎn)生的二次沖擊電流，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)電壓降造成的影響也相應(yīng)被消除。

4 對(duì)比測(cè)試情況

為對(duì)比普通星三角啟動(dòng)和改進(jìn)后星三角啟動(dòng)的效果，搭建了啟動(dòng)器測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)器測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

圖6中，選用一臺(tái)380V、5.5kW的離心式水泵為被啟動(dòng)對(duì)象，通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥的開(kāi)度可以模擬水泵輕載啟動(dòng)工況；星三角啟動(dòng)器輸入端電纜連接380V交流電網(wǎng)，輸出端電纜連接水泵電動(dòng)機(jī)；由于星三角切換時(shí)間僅數(shù)十毫秒，一般的萬(wàn)用表或鉗形表無(wú)法測(cè)到電流變化情況，因此在啟動(dòng)器輸出端電纜上安裝了電流霍爾傳感器，電流霍爾傳感器的測(cè)量電纜與示波器連接，由示波器測(cè)量、記錄星三角切換瞬間的電流波形。

對(duì)比測(cè)試的電流波形如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，普通星三角啟動(dòng)過(guò)程中，星三角切換期間存在明顯的電流中斷，在定子三相繞組接成三角形的瞬間出現(xiàn)了較大的二次沖擊電流；從圖8可以看出，改進(jìn)后的星三角啟動(dòng)過(guò)程，定子電流始終連續(xù)。

圖7 普通星三角切換過(guò)程電流波形圖

圖8 改進(jìn)后星三角切換過(guò)程電流波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的星三角啟動(dòng)改進(jìn)方案可實(shí)現(xiàn)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)定子三相繞組電流連續(xù)，消除了普通星三角切換可能產(chǎn)生的較大的二次沖擊電流，有利于改善電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能，減少對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊。

船舶交流電網(wǎng)容量較小，但泵與風(fēng)機(jī)等輔機(jī)用電負(fù)載數(shù)量眾多［13］，必須嚴(yán)格限制輔機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、減少對(duì)船舶電網(wǎng)的沖擊。本文介紹的星三角啟動(dòng)改進(jìn)方案應(yīng)是一種最為經(jīng)濟(jì)可靠和有效的船用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器解決方案，并且具有一定的通用性，也可適用于石油、化工、冶金等行業(yè)的低成本電動(dòng)機(jī)限流啟動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合。