船舶侧推大功率电动机启动方式与轴带发电机的关联探讨

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(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

随着揽货竞争加剧以及航运成本攀升，船东越来越关注船舶的燃油消耗以及船舶的维护成本，与之相关的轴带发电机的配备越来越受到船东的重视。

船舶大功率侧推器电动机的启动方式与以下因素有较大的关联:①轴带发电机的容量；②轴带发电机以及侧推器电动机和母排的联接方式。这两种因素也同时涉及到船舶的初期建造成本，以某多用途运输船为例展开探讨。

某多用途运输船配备柴油发电机为900×2 kW；轴带发电机1台，功率初定为900 kW；螺旋桨为可调螺距螺旋桨(CPP)；艏侧推器一台，电动机功率900 kW。

本船的电力负荷消耗情况见表1。

表1 电力负荷消耗表

进出港工况1为2台柴油发电机和轴带发电机并列运行给船内负荷供电。

初步的电力系统一线图见图1。图1a)中轴带发电机、柴油发电机和艏侧推都通过空气开关直接联接在母排上。图1b)中，轴带发电机与艏侧推器通过空气开关联接在同一母排上，再通过母联空气开关联接到船舶主母排。

图1 电力系统一线图

艏侧推电动机的参数见表2。

表2 艏侧推电动机的参数

1 直接启动方式

轴带发电机和艏侧推与主母排的联接方式见图1a)。船内基础负荷为1 144 kW，柴油发电机2台和轴带发电机都需要开启，即船内发电机总功率为3×900 kW=2 700 kW。通过计算软件计算判断电动机启动时因为突加负荷引起的电压降、视在功率(kVA)以及有效功率(kW)是否满足如下要求：

①电压降不超过15%；②空气开关过电流能力不超过138%；③发电机组过载能力不超过110%，判定结果见图2。

由图2可见，在船内2台柴油发电机和1台轴带发电机并网发电的情况下，使用直接启动方式不能启动艏侧推电动机。

图2 大容量辅机电动机突加负荷计算

2 自耦变压器降压启动方式

轴带发电机和艏侧推与主母排的联接采用图1a)的方式。从图2中得出艏侧推器电动机可以采用80%、65%或50%自耦变压器降压启动方式，此时须配备900 kVA大容量的启动用降压自耦变压器。因自耦变压器容量是按短时运行方式设计的，对启动次数以及每次启动的持续时间均有限制。同时因自耦变压器的原因，启动器体积也过于庞大，安装维护不方便。

3 电压斜坡法软启动器启动方式

轴带发电机和艏侧推与主母排的联接采用图1a)的方式。

采用电压斜坡法软启动器启动方式，初始电压设定为110 V，在启动过程中，电动机电压以此为基础线性上升，直至达到额定电压值，电动机启动特性参数变化见图3。

图3 电动机启动特性曲线

下面从艏侧推器电动机采用电压斜坡法软启动器启动方式启动需要满足的条件来反推电网需要的发电机容量。

艏侧推电动机及船内基础负荷参数见表3。

表3 艏侧推电动机及船内基础负荷的基本参数

3.1 满足全部负荷正常运转所需要的发电机功率PG1

(1)

式中:PL——总负载，

PL=900+1 144.00=2 044.00 kW；

PFL——总功率因数，

84.85%；

γ——负荷率，γ=100%。

2 626.54 kVA

3.2 允许最大电压降的发电机容量PG2

(2)

式中：Pm——艏侧推器电动机最大启动输出，

Pm=900 kW；

β——电动机每1 kW需求的启动kVA，4.00 kW；

α——电动机启动电抗，0.13；

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Xd′——电动机瞬态电抗，0.22；

ΔV——电压降比，0.15。

583.44 kVA

3.3 大容量复式电动机最终启动阶段需求的发电机容量PG3

(3)

式中：kW′——基础负荷，kW＇=1 144.00 kW；

Sf——ECON软启动器的使用系数，Sf=1.035；

COSA——基础负荷的功率因数，

COSA=0.84；

ηb——基础负荷的效率，ηb=0.90；

VG——启动电压，VG=440 V；

Is——电动机的启动电流，Is=3.95 kA；

KG——发电机最大过电流比率，KG=1.5；

σ——发电机组最大过载比率，σ=1.1。

PG3=2 838.71 kVA

在PG1、PG2、PG3计算结果中，PG3的值最大，因此，选取PG3=2 838.71 kVA作为决定发电机容量的最低要求。采用电压斜坡法软启动器启动电动机考虑发电机的过载系数为1.50，在电动机启动过程中发电机的负载系数为0.78，则需求的发电机容量为

2 838.71×1.5×0.78=3 321.29 kA

选取3 375 kA作为需求的发电机容量，即每台发电机容量为3 375×0.8/3=900 kW。

采用电压斜坡法软启动器启动方式启动艏侧推电动机，软启动器的价格较昂贵。且软启动器在船舶上使用时的日常维护和维修对船舶技术人员的技术要求较高。

4 采用特殊G-M系统启动方式

采用发电机厂家提供的特殊G-M系统启动方式不再需要配备专门的启动器。在船舶正常航行时，由轴带发电机供给船内负荷电力；船舶靠离港时，由2台柴油发电机供给船内基础负荷电力，轴带发电机与船舶工作母线脱离，单独向艏侧推供电。此时电力系统一线图采取图1b)形式。船舶电力消耗情况见表4。

进出港工况2为两台柴油发电机向船内基础负荷供电，轴带发电机单独给艏侧推器电动机供电。

系统工作原理图见图4[1]。

发电机单独向艏侧推器电动机供电时，2块AVR(RT01和RT02)将共同控制发电机的输出电压和电流。其启动控制流程如下。

表4 电力负荷消耗表

图4 G-M系统工作原理图

1)启动发电机，确认发电机电压和频率建立并稳定。

2)控制电源供电，确认和侧推器电动机侧的电气连锁完成。

3)启动发电机的去励磁系统，去励磁系统和发电机的剩余电压几乎降到零。

4)确认去励磁系统完成，系统检测到发电机端电压为零，发出去励磁系统完成信号。

5)空气开关合闸，发电机联接到电动机系统，同时电动机启动信号激发励磁系统。

6)电动机启动，断开励磁系统，发电机端电压在残余电压的作用下升高。电动机的电流随着发电机端电压的升高而升高，同时最大值被控制在设定值之下。

7)电动机完成启动，电动机的转速和电流提升到额定值，完成启动过程。

8)发出电动机启动完成信号，启动过程结束。

通过方案的比较，从船厂初期建造成本以及船舶运营中的维护简便性考虑，最终选择G-M系统启动方式。

5 结论

采用G-M系统启动方式启动电动机，仅仅配备轴带发电机厂家特殊的AVR系统即可完成。此种启动方法比其它启动方法简单，且可以省略自耦变压器启动方式中的启动器和电压斜坡法软启动器方式中的软启动器，主电路和控制电路不复杂，性价比比较高。启动过程中对船舶电力系统产生的负荷冲击小。

[1] 赵殿礼，王维刚.船舶侧推大功率电动机启动问题的探讨[J].航海技术,2003(2):41-42.