闭式星三角启动方式在船用大电机上的应用研究

王正甲，　王宝明

(1.上海船舶研究设计院，上海 201203； 2. 中国人民解放军92896部队，辽宁 大连 116018)

0　引　言

由于船舶电站的容量有限，当船用电机功率大于电站容量的25%时，为避免启动时输入端电压降较大导致电机启动失败，常采用降压启动的方式来减小启动时的电压降[1]。星三角启动是一种较为常见的降压启动方式，由于其结构简单且所需成本较低，在船用鼠笼型电机的降压启动中被普遍采用。但是，星三角启动在由星形接线向三角形转换的过程中，会产生二次冲击电流[2]，同样有可能引起电机启动失败。特别是在电机负载远离电站的情况下，启动电压降会更大，因而大电机采用星三角启动失败的概率比较大。

以上海船舶研究设计院设计的某型散货船为例，该船的应急发电机功率为120 kW，应急消防泵功率为33 kW，按照常规的星三角启动方式电缆选型，应急发电机至应急消防泵启动箱只需一根截面积为16 mm2的三芯电缆。由于应急消防泵安装在船首，距离应急发电机230 m，考虑到电压降问题，实际采用了一根截面积为70 mm2的三芯电缆，但在启动过程中依然出现了三角形接线的接触器由于瞬态电压降过大导致电机启动失败的情况。最终通过改变电机启动器控制回路变压器的变比，将接触器线圈两端的电压升高才解决。

从该案例可知，要解决远距离供电的电机星三角启动时的启动失败问题，仅通过增大电缆横截面积的方式既不经济又不可靠，而采用其他降压启动方式，如自耦变压器启动、软启动及变频启动等来替代星三角启动又会增加成本。因此，根据星三角启动原理，通过将电机绕组星形向三角形变换的过程由开式调整为闭式，即采用闭式星三角启动方式，既不需要改变原有的星三角启动外部电路，又不需要额外增大供电电缆或改变降压启动方式，便可解决远距离供电的电机星三角启动时的启动失败问题。

1　星三角启动原理

星三角启动方式的供电电路及控制回路见图1，电机供电的主电路中有3组接触器，其中KM1为主接触器、KM2为运行接触器、KM3为启动接触器。当按下启动按钮SB2时，KM1和KM3线圈均带电，电机定子绕组为星形接法接入主电路。经过设定时间的延时，KM3线圈失电，KM2线圈得电，此时KM2主触头接入主电路，KM3主触头退出主电路，电机定子绕组为三角形接法接入主电路，从而实现星形向三角形的转换。U1，U2，V1，V2，W1，W2分别为电机三相绕组的端子号。

图1　电机星三角启动电路

整个转换过程中，定子绕组上的电流由星形接法的小电流向三角形接法的大电流进行过渡(见图3)。但星三角启动在由星形接线向三角形转换的过程中，KM3主触头打开，KM2主触头闭合时存在一定的转换间歇，一般约为50 ms[2]。另外，转换过程中电机定子绕组处于断电状态，转子绕组则是闭合回路，根据电磁感应原理，转子绕组在定子绕组上感应出一个电动势与电机电源的电动势在定子绕组上叠加，使得过渡过程中有较大的冲击电流产生。在最恶劣的情况下，峰值冲击电流可能达到电机额定电流的15～20倍，该冲击电流不仅有可能使开关产生瞬动保护动作，还有可能使电机启动器内的接触器由于瞬态压降过大导致误动作。在船上由于供电线路较长，又需采取降压启动的电机线路，上述情况更加严重。

图2　星形接法和三角形接法时的电动机绕组接线

图3　电机电流-转速曲线

2　闭式星三角启动原理

闭式星三角启动方式有效地减少了星三角启动过程中由星形接线向三角形转换时对电网造成的二次冲击。闭式星三角启动在主回路中增加1套过渡电阻和1套接触器(见图4)。该启动过程分为：

1)按下SB2启动按钮，KM1线圈和KM3线圈得电，电机定子绕组以星形接法接入主电路;

2)经过KM3线圈延时后，KM4线圈得电，KM4主触头带过渡电阻接入主电路，KM1线圈仍保持得电状态，此时电机定子绕组仍以星形接法接入主电路，但每相绕组并联了1个阻值为R的电阻；

3)经过KM4线圈延时后，KM3线圈失电，KM1线圈和KM4线圈仍保持得电状态，此时电机定子绕组以三角形接法接入主电路，但每相绕组串联了一个阻值为R的电阻；

4)经过KT的延时后，KM4线圈失电，KM2线圈得电，电机定子绕组以正常的三角形接法接入主电路，直至正常运行，整个启动过程结束。

图4　电机闭式星三角启动电路

图5　闭式星三角启动的电动机绕组接线转换

闭式星三角启动过程中绕组接线方式的变化(见图5)，各步骤的继电器延时时间可根据负载的实际启动时间及各接触器的动作时间做出适当调整。由于在整个启动过程中，电机绕组回路均处于不断电的状态，星三角启动过程中产生的二次冲击电流被有效抑制，电机启动过程中瞬态电压降造成的影响也相应被消除。

3　过渡电阻选型

由于电机运行的动态过程比较复杂，通常采用近似的公式计算过渡电阻的阻值及功率以满足工程应用。刘屏周等[2]、舒向宇等[3]及张立[4]均给出了各自的电阻阻值及功率选取方法，其中舒向宇等及张立给出的方法均比较精确，但较为复杂，实际应用中需要获取更多的参数，而文献[2]给出的计算方法已能满足工程应用的需要，故采用刘屏周等给出的计算方法，对于过渡电阻阻值R的计算，考虑到多数船用设备每小时启动次数一般≥12次，因此过渡电阻的功率P为

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Ur为电动机额定电压；Ir为电动机额定电流。

4　应用举例

以某3 800车汽车滚装船为例，该船配备了3台功率为830 kW柴油发电机，电制为AC 380 V/3 P/50 Hz，其锚机电动机规格为AC 380 V、90 kW，根据要求锚机电机的启动方式为星三角启动。艏部锚机距主配电板距离约为150 m，根据电动机功率选取的供电电缆只需单根截面积为95 mm2的三芯电缆，电压降能满足要求，但考虑到启动过程中二次冲击电流的影响，若采用常规星三角启动方式，电缆需增加至2根截面积为95 mm2的三芯电缆。

采用闭式星三角启动方式后，锚机的供电电缆不变，过渡电阻的阻值及功率计算为

(3)

(4)

在实际选用时，可选阻值为0.9 Ω，功率为200 W的电阻作为本例中的过渡电阻。从该案例可知，采用闭式星三角启动方式启动远距离的大功率电机，不仅启动效果有了明显改善，供电电缆用量也可节省1/2。而在电机的控制箱中增加过渡电阻的成本很低，可忽略不计。

5　结　语

目前，大电机的降压启动方式有很多，如自耦降压启动、软启动及变频启动等，但星三角启动利用鼠笼型电机自身的结构特性，不需额外增加较多的控制元件，即可实现电机的降压启动，因而仍不失为降压启动中一种较为理想的方式。通过对现有星三角启动方式进行改进后，星三角启动过程中的二次冲击电流的影响得以消除，可得到更广泛的应用。该启动方式已在不少工程项目中得到实际的应用，该启动方式的有效性已得到证明。