韓 旗

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

交流配電系統(tǒng)中，異步電動機以其優(yōu)良的性能及無需維護(hù)的特點，在艦船負(fù)載中得到廣泛應(yīng)用，約占供電負(fù)荷的60%～70%。隨著海軍艦船復(fù)雜化、大型化發(fā)展，裝船設(shè)備越來越復(fù)雜，負(fù)載容量越來越大，如消防泵、風(fēng)機、空調(diào)裝置、側(cè)推裝置等大容量負(fù)載被使用。然而，由于其起動時要產(chǎn)生較大沖擊電流，一般為電動機額定電流的4～7倍，某些電動機甚至可達(dá) 8～12 倍，對供電網(wǎng)絡(luò)沖擊很大［1］，在突加大負(fù)載時，由于漏抗和電樞反應(yīng)使發(fā)電機端電壓急劇下降，引起較大電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降，影響了供電質(zhì)量。

GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》［2］對電動機起動或工作狀態(tài)改變而導(dǎo)致的電網(wǎng)瞬態(tài)電壓（浪涌電流）作出明確規(guī)定：

（1）對于起動或工作狀態(tài)變化不太頻繁的用電設(shè)備，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落不應(yīng)超過用電設(shè)備額定電壓的16%；

（2）對于起動或工作狀態(tài)較為頻繁的用電設(shè)備，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落不應(yīng)超過用電設(shè)備額定電壓的10%。為有效控制突加大負(fù)載情況對電網(wǎng)的影響，在艦船電力系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮突加負(fù)載情況對電網(wǎng)電壓降的影響，通過計算負(fù)載起動時瞬態(tài)電壓降，選擇合理的起動方式，確保系統(tǒng)供電安全。

1 起動電動機瞬態(tài)壓降計算［3］

一般電動機起動導(dǎo)致的電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降與發(fā)電機的基本參數(shù)和電動機的基本參數(shù)有關(guān)。通常發(fā)電機帶負(fù)載狀態(tài)起動電動機時瞬態(tài)電壓降比空載時要小，所以通常是按空載起動狀態(tài)計算瞬態(tài)電壓降。

1.1 根據(jù)突加的感應(yīng)電動機電抗計算

對自勵同步發(fā)電機而言，當(dāng)直接起動感應(yīng)電動機時，其瞬時電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發(fā)電機瞬態(tài)電壓降（%）；

Xd′為電機直軸瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

Xd″為直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

XL為突加負(fù)載電抗（標(biāo)么值）。

1.2 根據(jù)感應(yīng)電動機起動電流計算

當(dāng)忽略電路阻抗時，可以利用感應(yīng)電動機的起動電流等參數(shù)進(jìn)行計算，其瞬時電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發(fā)電機瞬態(tài)電壓降（%）；

Xd′為發(fā)電機直軸瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

Xd″為發(fā)電機直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

UG為發(fā)電機額定電壓（V）；

UM為電動機額定電壓（V）；

IN為發(fā)電機額定電流（A）；

IST為電動機直接起到時的起動電流（A）；

d為降壓起到系數(shù)。直接起動時，d=1；Y-Δ起到時，d=1/3；自耦變壓器降壓起動時，d為自耦變壓器抽頭比。

1.3 根據(jù)起動千伏安計算

對鼠籠式電動機，可以根據(jù)起動千伏安計算，其瞬時電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發(fā)電機瞬態(tài)電壓降（%）；

Xd′為發(fā)電機直軸瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

Xd″為發(fā)電機直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

當(dāng)發(fā)電機為自勵時，用（Xd′+Xd″）/2 代替 Xd′，非自勵時用Xd′；

PO為給負(fù)載供電的發(fā)電機容量之和（kVA）；

PM為負(fù)載起動千伏安（kVA）。

2 起動方式比較

不同負(fù)載和不同供電容量電網(wǎng)，對電機起動性能的要求是不一樣的，而異步電動機的起動性能的基本要求是相同的，即要求電動機有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩和符合要求的機械特性曲線；起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟、可靠，操作控制簡單；盡可能小的起動電流，減小對供電品質(zhì)的影響。根據(jù)以上相互矛盾要求和電網(wǎng)的實際情況，通常采用的起動方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動方式，另一種是降壓起動方式。

2.1 直接全壓起動

直接起動，即全壓起動，是最簡單也是三相異步電動機應(yīng)用最多的一種起動方式。通過斷路器或接觸器直接接到電網(wǎng)上，起動設(shè)備簡單，操作控制方便，經(jīng)濟、維護(hù)方便，起動速度快的優(yōu)點，小功率電機常采用這種起動方式，然而對較大容量電機，起動電流會達(dá)到額定電流的4～7倍，該起動電流會使線路壓降增大，使電網(wǎng)負(fù)載端的電壓降低，雖然電壓降降低是短時的，但既影響電機本身的起動轉(zhuǎn)矩，又影響到同一電網(wǎng)的其他異步電機的工作（如：照明網(wǎng)絡(luò)燈光閃爍，電機轉(zhuǎn)速瞬間降低，無法帶載起動或甚至停下來）。對于經(jīng)常起動的電動機，過大的起動電流將造成電動機發(fā)熱，加速絕緣老化，影響電機壽命，同時電動機繞組在電動力的作用下，會發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動機。

為消除因電動機起動對供電網(wǎng)絡(luò)沖擊，影響供電質(zhì)量，可考慮增加電站容量或采用合理的起動方式。如果僅為減小電動機起動對電網(wǎng)瞬態(tài)壓降因素增大電站容量，從經(jīng)濟性和艦船總體布置考慮顯然是不可取的，因此人們往往配置限制電動機起動電流的起動設(shè)備。考慮到艦船電站容量、設(shè)備負(fù)載特性及對電磁兼容要求高等方面的因素，艦船用異步電機降壓起動一般采用星形-三角降壓起動及自耦變壓器降壓起動。

2.2 星形-三角形起動

星形-三角形降壓起動是通過改變電動機的定子繞組接法去實現(xiàn)降壓起動過程，適合于正常運行時繞組連接成三角形的電動機，三相共引出六個出線端。起動時，三相定子繞組接成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時再改為連接成三角形。這種起動方式的優(yōu)點是起動電流僅為直接起動的1/3，有效減低起動時對電網(wǎng)壓降的影響，且起動設(shè)備體積小、重量輕、價廉物美、運行可靠、檢修方便；缺點是起動電壓降到1/，故起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，適合空載或輕載運行而不能像自耦變壓器補償起動那樣，可按不同的負(fù)載選擇不同的起動電壓。

2.3 自耦變壓器補償起動

自耦變壓器補償起動時利用自耦變壓器降低加到電動機定子繞組的電壓，以減小起動電流。該起動方式適合于容量較大的低壓電動機作減壓起動用，應(yīng)用很廣泛，有手動及自動控制線路。在起動過程中，電壓有2～3次切換，因而可以根據(jù)負(fù)載選擇起動電壓，減小起動電流。缺點是體積大，質(zhì)量大，價格高，需維護(hù)檢修。

以上介紹了艦船電力系統(tǒng)電機拖動設(shè)計常使用的三種起動方式，比較了三種起動方式的優(yōu)點和存在的不足。值得指出的是：盡管各種傳統(tǒng)降壓起動方法各有優(yōu)缺點，但它們有一個共同的優(yōu)點，即沒有諧波污染，這是艦船電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要控制指標(biāo)，也是艦船電力系統(tǒng)設(shè)計中一直堅持使用傳統(tǒng)起動方式原因。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)艦船電站容量，計算電網(wǎng)承受的壓降，以及拖帶負(fù)載的特性、起動時間和經(jīng)濟性要求，確定合適的起動方式。

3 計算實例

電網(wǎng)瞬態(tài)受電網(wǎng)容量和起動方式的影響，前面介紹了三種計算電網(wǎng)壓降的計算方法，比較了三種起動方式，現(xiàn)以某型艦船電力系統(tǒng)設(shè)計為實例采用較為常用的根據(jù)電動機的起動電流計算方法，計算同一負(fù)載分別采用直接起動、星形-三角形起動及自耦變壓器補償起動時的壓降，最終確定合適的起動方式，減小電網(wǎng)瞬踢壓降，滿足規(guī)范要求，保證電力系統(tǒng)的可靠運行。

某型艦船發(fā)電機組額定功率1 050 kW，額定電流1 943 A，額定電壓390 V，直軸瞬變電抗（標(biāo)么值）Xd′0.177，直軸超瞬變電抗（標(biāo)么值）Xd″0.099，一側(cè)推裝置額定功率590 kW，選擇電動機的起動方式，利用電動機起動電流計算公式計算起動時的電網(wǎng)壓降。

3.1 直接起動壓降計算

顯然，艏側(cè)推電動機采用直接起動時，其浪涌電流導(dǎo)致的電壓跌落過大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和安全性，應(yīng)采取降壓起動措施，減少起動沖擊。

3.2 星形-三角形起動壓降計算

3.3 自耦變壓器補償起動壓降計算（其抽頭比為0.42）

4 結(jié) 論

從以上三個計算結(jié)果可以看出，在同一電站容量的條件下，使用自耦變壓器補償起動所達(dá)到的效果最好、壓降最低、滿足相關(guān)規(guī)范的要求，同時對電網(wǎng)的沖擊較小。所以艦船用大容量電力負(fù)載起動應(yīng)根據(jù)電站容量計算電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降，選擇合適的起動方式，控制負(fù)載起動對電網(wǎng)的影響。

［1］顧繩谷主編.電機及拖動基礎(chǔ)（第3版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］中國人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).GJB 4000-2000艦船通用規(guī)范［S］.

［3］中國船舶工業(yè)總公司編.船舶設(shè)計實用手冊（電氣分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.