简析电动机起动方式在船舶上的应用

刘 祁

（海军驻广州七五〇厂军代表室，广州510656）

1 引言

近年来，随着对船舶性能要求的不断提高，新造船舶的设备越来越多样化、复杂化，用电设备的功率大小不一。电动力机（简称电机）的起动方式也需根据设备功率的大小和起动器的重量、尺寸及经济性进行合理的选择。另外，对于配备了侧推装置，以及需要拖曳作业的船舶，侧推及拖曳设备的电功率与电网容量的比率越来越高，此类大功率设备起动瞬间的大电流会导致机端及母线处电压降落，严重时造成其他电机停止工作，影响电网的稳定运行。因此，选择合适的电机起动方式以降低电机起动时对电网的冲击是电力设计过程中不可忽视的问题。

2 电机起动要求及方式

2.1 三相异步电机的起动要求

（1）起动电流不能过大

当电机的起动电流过大时，电机容易发热，降低电机的使用寿命；当电网容量相对电机的容量相差不大时，电机的起动冲击电流会导致电网产生大幅度的电压降，影响到同一电网上其它用电设备的正常工作,一般情况下电机起动电流对电网造成的瞬时电压降不得超过15%。

（2）具有足够的起动转矩

起动转矩是指在起动过程中电机产生的电磁转矩，如起动转矩不足将使起动时间延长。由于起动电流大，起动时间延长将使电机绕组严重发热，降低其绝缘寿命。

2.2 三相异步电机的起动方式

一般来说，在电站容量确定的情况下，对小功率电机允许直接起动；对大功率电机，其起动方案有三种类型: （1）降压起动：定子绕组串联电阻或电抗、自耦变压器、星三角起动；（2）软起动；（3）变频起动。

2.2.1 直接起动

电机在额定电压下直接起动，其起动电流一般为4～7倍额定电流，起动转矩最大可达到1.5倍额定转矩。直接起动具有控制设备简单、价格便宜、起动速度快、维修方便等特点，其适用于在额定工作时长期运行而不频繁启停的电机。但直接启动也存在着明显的缺点，如启动电流大、对电网冲击较大，所以一般只有在电网容量允许的情况下才可以采用直接启动。

2.2.2 降压启动

当电机容量过大时，将会出现起动电流过大的情况，这时直接起动就不适合了。常用的船用降压起动主要包括以下几种：

（1）降压起动

Y-Δ起动是最常用的一种降压起动方式。Y-Δ起动时，电流及转矩均为直接起动时的1/3，这种起动方式适用于空载或轻载起动的场合。Y-Δ起动的优点是设备简单、价格便宜、运行可靠；缺点是起动转矩小、星三角切换瞬间会产生较大的二次冲击电流。Y-Δ起动要求定子绕组具有6个出线头的结构，正常运行时为三角形接线方式。

（2）自耦变压器起动

Y-Δ起动降压比是固定形式的，如这种降压比满足不了起动电压降要求时，可采用自耦变压器降压起动方式。由于自耦变压器的抽头可任意选择，所以降压关系可按需求决定，这样可获得大于或小于Y-Δ起动的起动电流和转矩。

自耦变压器降压起动适用于较大负载的起动，尤其是适用于需获得多种转矩的大容量电机的降压起动。然而，由于自耦变压器的体积大、散热要求高，导致自耦变压起动设备体积大、动力电缆接线复杂、价格相对较高、维护困难，而且不适于频繁的启动。

2.2.3 软起动

常规的软起动是采用串接于电源和电机间的软起动器，利用微处理器控制其内部晶闸管的导通角，使电机的起动电压从零开始，按预设函数关系上升直到起动结束，最后赋予全压运行，减少起动冲击电流，同时获得良好的起动性能。与直接起动和其他降压起动方式等继电器起动模式比较，软起动开始迈向了数字化及多功能化发展的方向，其起动设备允许的最大功率占电网的比值远大于直接起动和其它降压起动方式。但由于软起动器涉及电子技术和微机技术，所以成本较高，对维护技术人员的要求和安装环境要求也较高，而且其使用的晶闸管引起的高次谐波会污染电网。

2.2.4 变频起动

对于交流三相异步电机，主要采用的是交-直-交电压型变频器（PWM型）。变频器是目前电机控制领域技术含量最高、控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置。变频器起动时不仅具有软起动的调节起动电压、降低起动冲击电流的功能，同时还具有优越的调速特性，通过对电压及频率的调节，可以满足多种复杂工况的起动和控制要求。变频器起动电机的起动电流可以设定在小于等于电机的额定工作电流，这对船舶的大功率负载在小容量电网中起动时的电压稳定有着有效的保护作用。

但是，变频器的应用有着一个无法忽视的缺点：电网谐波。在变频器的选择过程中，需根据变频器的使用目的。容量以及电网中其它设备谐波畸变率选择合适的变频器和补偿设备。根据船舶规范要求，电网电压谐波畸变率THD应小于5%。

3 某多用途拖船的负载特性及起动方式的选择

下面介绍某多用途拖船的电站配置、负载情况和使用的电机起动方式。

该船配备两台1520kW轴带发电机、两台590kW柴油发电机和95kW应急发电机。其发电机负载使用工况见表1。

表1 某多用途拖船发电机负载使用工况

在港及停泊状态时，由一台柴油发电机给机舱辅助设备及生活设备供电；在其它工况下，由一台或两台轴带发电机给艏艉侧推、锚作拖曳绞车、消防泵等大功率负载及机舱辅助设备、生活设备供电。其典型电力系统图如图1所示。

图1 某多用途拖船典型电力系统图

由上述电机的起动方式及要求可知，电机起动方式的选择需要综合考虑多方面因素，如电机功率、电站总功率及轻载还是重载起动等。对船舶来说，其电站容量与陆地对比相对较小，且多数属于低压配电网络，因此电机的起动方式更应充分考虑各种因数合理选择，以达到让整个电网平稳可靠运行的目的。

另外，先进的起动方式虽然能带来更好的起动性能，但也不能无节制的高配选用，应根据船舶的实际情况，充分考虑其合理性与经济性，以便在整个电网平稳可靠运行的同时，具有较好的经济性。

在选择电站容量时，针对航行、进出港、作业等各种不同的工况，一般以电机设备需要运行的最小电站容量工况作为参考。以下对几个不同种类的代表性设备简要分析如下：

（1）首侧推：功率为600 kW，参考电站容量功率为1520 kW，属于大功率负载，直接起动和Y-Δ起动电流较大，无法满足起动电压降的要求；侧推设备为频繁启动设备，不适宜选择自耦变压器起动；综合考虑软起动器和变频起动器的性价比，最终设计院和船东一致认为采用变频起动是比较合理的。

（2）拖曳绞车液压泵：功率为55 kW，参考电站容量功率为590 kW，也属于大功率负载。一般来讲，船舶电站允许小于25%电网容量的电机直接起动，因此拖曳绞车液压泵可以采用直接起动方式，但考虑设计余量及发电机负荷率，选择Y-Δ起动的方式比较稳妥。

（3）2台机舱风机：功率均为18 kW，但1#机舱风机由主汇流排B1供电，2#机舱风机由应急汇流排供电，也就是说，1#机舱风机的参考电站为590 kW，2#机舱风机的参考电站为95 kW（应急发电机），因此1#机舱风机采用直接起动的方式完全可行，2#机舱风机采用Y-Δ起动的方式比较合理。

4 结束语

本文针对电机的特点和要求，阐述了各种电机起动方式在船舶上的应用及其优缺点。并通过对某多用途拖船电站情况分析，描述了各典型大功率电机起动方式的选择依据，可为类似船型在选择起动方式时提供参考。

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[2] 吴斐文，张海荣. 电力驱动型式及应用的最新趋势[J]. 船舶，2002( 4).