王正甲，　王寶明

(1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203； 2. 中國(guó)人民解放軍92896部隊(duì)，遼寧 大連 116018)

0　引　言

由于船舶電站的容量有限，當(dāng)船用電機(jī)功率大于電站容量的25%時(shí)，為避免啟動(dòng)時(shí)輸入端電壓降較大導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗，常采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式來(lái)減小啟動(dòng)時(shí)的電壓降[1]。星三角啟動(dòng)是一種較為常見(jiàn)的降壓?jiǎn)?dòng)方式，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且所需成本較低，在船用鼠籠型電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)中被普遍采用。但是，星三角啟動(dòng)在由星形接線向三角形轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流[2]，同樣有可能引起電機(jī)啟動(dòng)失敗。特別是在電機(jī)負(fù)載遠(yuǎn)離電站的情況下，啟動(dòng)電壓降會(huì)更大，因而大電機(jī)采用星三角啟動(dòng)失敗的概率比較大。

以上海船舶研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的某型散貨船為例，該船的應(yīng)急發(fā)電機(jī)功率為120 kW，應(yīng)急消防泵功率為33 kW，按照常規(guī)的星三角啟動(dòng)方式電纜選型，應(yīng)急發(fā)電機(jī)至應(yīng)急消防泵啟動(dòng)箱只需一根截面積為16 mm2的三芯電纜。由于應(yīng)急消防泵安裝在船首，距離應(yīng)急發(fā)電機(jī)230 m，考慮到電壓降問(wèn)題，實(shí)際采用了一根截面積為70 mm2的三芯電纜，但在啟動(dòng)過(guò)程中依然出現(xiàn)了三角形接線的接觸器由于瞬態(tài)電壓降過(guò)大導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗的情況。最終通過(guò)改變電機(jī)啟動(dòng)器控制回路變壓器的變比，將接觸器線圈兩端的電壓升高才解決。

從該案例可知，要解決遠(yuǎn)距離供電的電機(jī)星三角啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)失敗問(wèn)題，僅通過(guò)增大電纜橫截面積的方式既不經(jīng)濟(jì)又不可靠，而采用其他降壓?jiǎn)?dòng)方式，如自耦變壓器啟動(dòng)、軟啟動(dòng)及變頻啟動(dòng)等來(lái)替代星三角啟動(dòng)又會(huì)增加成本。因此，根據(jù)星三角啟動(dòng)原理，通過(guò)將電機(jī)繞組星形向三角形變換的過(guò)程由開(kāi)式調(diào)整為閉式，即采用閉式星三角啟動(dòng)方式，既不需要改變?cè)械男侨菃?dòng)外部電路，又不需要額外增大供電電纜或改變降壓?jiǎn)?dòng)方式，便可解決遠(yuǎn)距離供電的電機(jī)星三角啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)失敗問(wèn)題。

1　星三角啟動(dòng)原理

星三角啟動(dòng)方式的供電電路及控制回路見(jiàn)圖1，電機(jī)供電的主電路中有3組接觸器，其中KM1為主接觸器、KM2為運(yùn)行接觸器、KM3為啟動(dòng)接觸器。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB2時(shí)，KM1和KM3線圈均帶電，電機(jī)定子繞組為星形接法接入主電路。經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間的延時(shí)，KM3線圈失電，KM2線圈得電，此時(shí)KM2主觸頭接入主電路，KM3主觸頭退出主電路，電機(jī)定子繞組為三角形接法接入主電路，從而實(shí)現(xiàn)星形向三角形的轉(zhuǎn)換。U1，U2，V1，V2，W1，W2分別為電機(jī)三相繞組的端子號(hào)。

圖1　電機(jī)星三角啟動(dòng)電路

整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，定子繞組上的電流由星形接法的小電流向三角形接法的大電流進(jìn)行過(guò)渡(見(jiàn)圖3)。但星三角啟動(dòng)在由星形接線向三角形轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，KM3主觸頭打開(kāi)，KM2主觸頭閉合時(shí)存在一定的轉(zhuǎn)換間歇，一般約為50 ms[2]。另外，轉(zhuǎn)換過(guò)程中電機(jī)定子繞組處于斷電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組則是閉合回路，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子繞組在定子繞組上感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)電源的電動(dòng)勢(shì)在定子繞組上疊加，使得過(guò)渡過(guò)程中有較大的沖擊電流產(chǎn)生。在最惡劣的情況下，峰值沖擊電流可能達(dá)到電機(jī)額定電流的15～20倍，該沖擊電流不僅有可能使開(kāi)關(guān)產(chǎn)生瞬動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，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。在船上由于供電線路較長(zhǎng)，又需采取降壓?jiǎn)?dòng)的電機(jī)線路，上述情況更加嚴(yán)重。

圖2　星形接法和三角形接法時(shí)的電動(dòng)機(jī)繞組接線

圖3　電機(jī)電流-轉(zhuǎn)速曲線

2　閉式星三角啟動(dòng)原理

閉式星三角啟動(dòng)方式有效地減少了星三角啟動(dòng)過(guò)程中由星形接線向三角形轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的二次沖擊。閉式星三角啟動(dòng)在主回路中增加1套過(guò)渡電阻和1套接觸器(見(jiàn)圖4)。該啟動(dòng)過(guò)程分為：

1)按下SB2啟動(dòng)按鈕，KM1線圈和KM3線圈得電，電機(jī)定子繞組以星形接法接入主電路;

2)經(jīng)過(guò)KM3線圈延時(shí)后，KM4線圈得電，KM4主觸頭帶過(guò)渡電阻接入主電路，KM1線圈仍保持得電狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)定子繞組仍以星形接法接入主電路，但每相繞組并聯(lián)了1個(gè)阻值為R的電阻；

3)經(jīng)過(guò)KM4線圈延時(shí)后，KM3線圈失電，KM1線圈和KM4線圈仍保持得電狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)定子繞組以三角形接法接入主電路，但每相繞組串聯(lián)了一個(gè)阻值為R的電阻；

4)經(jīng)過(guò)KT的延時(shí)后，KM4線圈失電，KM2線圈得電，電機(jī)定子繞組以正常的三角形接法接入主電路，直至正常運(yùn)行，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

圖4　電機(jī)閉式星三角啟動(dòng)電路

圖5　閉式星三角啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)繞組接線轉(zhuǎn)換

閉式星三角啟動(dòng)過(guò)程中繞組接線方式的變化(見(jiàn)圖5)，各步驟的繼電器延時(shí)時(shí)間可根據(jù)負(fù)載的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間及各接觸器的動(dòng)作時(shí)間做出適當(dāng)調(diào)整。由于在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)繞組回路均處于不斷電的狀態(tài)，星三角啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的二次沖擊電流被有效抑制，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。

3　過(guò)渡電阻選型

由于電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜，通常采用近似的公式計(jì)算過(guò)渡電阻的阻值及功率以滿足工程應(yīng)用。劉屏周等[2]、舒向宇等[3]及張立[4]均給出了各自的電阻阻值及功率選取方法，其中舒向宇等及張立給出的方法均比較精確，但較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中需要獲取更多的參數(shù)，而文獻(xiàn)[2]給出的計(jì)算方法已能滿足工程應(yīng)用的需要，故采用劉屏周等給出的計(jì)算方法，對(duì)于過(guò)渡電阻阻值R的計(jì)算，考慮到多數(shù)船用設(shè)備每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)一般≥12次，因此過(guò)渡電阻的功率P為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Ur為電動(dòng)機(jī)額定電壓；Ir為電動(dòng)機(jī)額定電流。

4　應(yīng)用舉例

以某3 800車汽車滾裝船為例，該船配備了3臺(tái)功率為830 kW柴油發(fā)電機(jī)，電制為AC 380 V/3 P/50 Hz，其錨機(jī)電動(dòng)機(jī)規(guī)格為AC 380 V、90 kW，根據(jù)要求錨機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)方式為星三角啟動(dòng)。艏部錨機(jī)距主配電板距離約為150 m，根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率選取的供電電纜只需單根截面積為95 mm2的三芯電纜，電壓降能滿足要求，但考慮到啟動(dòng)過(guò)程中二次沖擊電流的影響，若采用常規(guī)星三角啟動(dòng)方式，電纜需增加至2根截面積為95 mm2的三芯電纜。

采用閉式星三角啟動(dòng)方式后，錨機(jī)的供電電纜不變，過(guò)渡電阻的阻值及功率計(jì)算為

(3)

(4)

在實(shí)際選用時(shí)，可選阻值為0.9 Ω，功率為200 W的電阻作為本例中的過(guò)渡電阻。從該案例可知，采用閉式星三角啟動(dòng)方式啟動(dòng)遠(yuǎn)距離的大功率電機(jī)，不僅啟動(dòng)效果有了明顯改善，供電電纜用量也可節(jié)省1/2。而在電機(jī)的控制箱中增加過(guò)渡電阻的成本很低，可忽略不計(jì)。

5　結(jié)　語(yǔ)

目前，大電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)方式有很多，如自耦降壓?jiǎn)?dòng)、軟啟動(dòng)及變頻啟動(dòng)等，但星三角啟動(dòng)利用鼠籠型電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特性，不需額外增加較多的控制元件，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)，因而仍不失為降壓?jiǎn)?dòng)中一種較為理想的方式。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有星三角啟動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)后，星三角啟動(dòng)過(guò)程中的二次沖擊電流的影響得以消除，可得到更廣泛的應(yīng)用。該啟動(dòng)方式已在不少工程項(xiàng)目中得到實(shí)際的應(yīng)用，該啟動(dòng)方式的有效性已得到證明。