H2367船侧推起动控制方案研究及应用

李春明 骆观轩 李朋

摘    要：本文结合H2367船配置的侧推技术需求特点，通过对四种常见的侧推起动控制方案的研究分析，选用适合本船需要的推进器起动控制方式。并通过实船应用研究，为其它船舶产品侧向推进器起动控制方案的选用提供有益的参考。

关键词：船舶侧向推进器;变频控制;软起动器

中图分类号：U661.34                              文献标识码：A

Selection and Application of Thruster Starter Control

Scheme of H2367 Ship

LI Chunming， LUO Guanxuan， LI Peng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： The purpose of this paper is to combine the technical demand characteristics of the thruster equipped on the h2367 ship， through the research， analysis of four common thruster starter control schemes， select the   thruster starter control mode suitable for the needs of the ship， and provide useful technical reference for the selection of the thruster starter control schemes of other ships.

Key words： Ship thruster;  Frequency conversion control;  Soft starter

1     前言

随着大功率晶闸管交流技术的发展、新型交流调速技术的突破、以及交流变频器的使用，船舶电力推进进入了新的发展时期，并得到了广泛的应用。

我司建造的H2367船采用全电力驱动双全回转舵桨装置，在船首部设有2台管隧式680 kW侧向推进器（下述简称侧推），在尾部设有两台2 000 kW全回转舵桨推进器，用于本船进出港、靠离码头、动力定位、救助作业任务等使用。本船装配的侧推电机功率较大，且使用使命及作业具有一定的特殊性，对侧推控制精度及反应速度有较高的要求，必须选择适用的侧推起动控制方式，确保侧推的控制精度及反应速度满足本船的要求。

目前，较常见的侧推起动控制方式有四种：自耦变压器起动;软起动器起动;12脉冲变频器起动;AFE变频器起动。本船侧推舱室空间有限，需结合本船特点选用起动控制方案。为此，我们从设备技术性能、安装布置、重量、散热、起动响应速度、经济性等方面，进行了详细的对比分析和论证。

2     四种起动控制方式技术方案对比

2.1   技術性能对比

2.1.1 自耦变压器起动控制方式

这是最早且最常用的一种起动较大功率电机的起动控制方式。自耦变压器作为异步电动机的起动补偿器对电动机进行降压起动，其结构及原理较为简单。在降压起动过程中，电动机开始是连接自耦变压器的二次侧，比如65%的抽头，到达整定时间后脱离自耦变压器，电动机全压运行完成起动，属传统的控制型式。

2.1.2 软起动器起动控制方式

这是国内外比较成熟且应用较广的一种起动控制方式。软起动器起动控制的原理是采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间，起动起动电动机时晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通投入工作，实现平滑起动，降低起动电流，避免起动过流跳闸;待电动机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软起动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。

2.1.3 变频器起动控制方式

通过变频器来实时调节桨叶的转速从而改变推力。目前国内外的变频器，主要为12脉冲变频器（6脉冲变频器类同）和AFE变频器：

（1） 12脉冲变频器由两组二极管整流串联而成，分别由输入变压器的两组二次绕组（星形和三角形互差30°电角度）供电，通常使用在电站容量相对较小的侧推以及配合滤波器的小型电力推进系统，谐波控制一般在10%以内，需要配置移相变压器和预充磁变压器进行工作;

（2） AFE变频器整流回路采用有源可控IGBT整流元件，开通/关断均可控;变频器可四象限运行，实现电流双向流通;具备主动控制功能，不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，谐波含量较低，主网谐波小于规范要求的5%。

上述软起动器及变频器的起动控制方式，属于较常用的控制型式，其中AFE变频器起动为目前最高技术要求的起动控制型式。

2.2   设备配置及可行性分析

2.2.1设备配置

（1）自耦变压器起动方式，由1个850 kVA自耦变压器和1个起动箱柜组成;

（2）软起动器起动方式，由1个软起动柜组成;

（3）12脉冲变频器起动方式，由1个变频柜、1个850 kVA移相变压器、1个小容量同变比的40 kVA预充磁变压器组成;

（4）AFE变频器起动方式，由1个AFE变频柜组成。

2.2.2 设备重量对比

从上述各种起动控制方案的设备配置情况来看，以单台侧推为例，各种方案的优劣性如下;

（1）12脉冲变频器起动方案与AFE变频器起动方案设备大、重量大，不利于舱室设备布置。其中，12脉冲变频器方案起动重量最大，比AFE变频器起动方案需多配置1台移相变压器和1台预充磁变压器;

（2）自耦变压器起动方案设备配置数量多，所需舱室尺寸更大，不利于舱室设备布置;

（3）软起动器起动方案所需舱室布置尺寸及设备重量最小，有利于舱室设备布置。相对于软起动器起动方案，如采用12脉冲变频器起动方案，本船首部将增加约3 000 kg重量;如采用AFE变频器起动方案，船首部将增加约1 000 kg重量。

2.2.3 装船可行性分析

根据本船首侧推舱/兼应急消防泵舱室结构及设备情况，采用上述4种起动控制方案的设备装船布置示意图，见图1～图4。

从图1～图4可以看出：若采用AFE变频器与自耦变压器的起动控制方案，因首侧推舱/兼应急消防泵舱室已布置有2台日用变压器，其舱室中间预留的电机散热空间和人员通道较为紧凑，设备的控制、维修空间仅勉强够用;而采用12脉冲变频器起动方案，增加的4台变压器无法布置，需要占用旁边的电工间进行布置，如不加大首侧推舱/兼应急消防泵舱室面积，则设备基本无法进行布置;而采用软起动器起动方案，设备布置占用空间最小， 有利于总体设备的布置。

2.3   谐波影响对比

（1）采用自耦变压器起动方案时，因原理及结构方式不同，对谐波控制没有影响，但起动瞬间对电网冲击较大;

（2）采用单台12脉冲变频柜与移相变压器设备与电网连接时，主电网中的谐波主要集中在11次谐波和13次谐波，电网的电流谐波总畸变率（THD）约为8.4%，电流总需量畸变系数（TDD）约为6.1%;

（3）采用AFE变频器起动方案时，设备的电网谐波主要集中在频率相对较低的5次谐波和7次谐波，电网的电流谐波总畸变率（THD）约为3.9%，电流总需量畸变系数（THD）约为2.9%;

（4）采用软起动器方案时，其电网的电流谐波总畸变率（THD）约为2.9%，电流总需量畸变系数（TDD）约為2.3%。

由此可以得出：采用12脉冲变频器起动方式产生的谐波是AFE变频器起动方式、软起动器起动方式谐波的2倍多，这三种谐波性能均满足功能需求和规范要求;但软起动器起动方式比12脉冲变频器、AFE变频器起动方式谐波失真小，对电网影响最小。

2.4   可靠性分析

因自耦变压器起动方式及结构与软起动器、变频器起动方式存在较大差异，故仅对国外知名品牌公司提供的12脉冲变频器和AFE变频器、软起动器起动方式的元器件进行比较：

（1）12脉冲变频器起动方式的进线环节为电抗器，整流桥为二极管，直流回路主要元器件为电抗器、电容器，逆变器为IGBT，输出环节主要为du/dt滤波器;

（2）AFE变频器起动方式的进线环节为LCL滤波器，整流桥为IGBT，直流回路主要元器件为电抗器、电容器，逆变器为IGBT，输出环节主要为du/dt滤波器，与12脉冲变频器起动方式结构相差不大;

（3）软起动器起动方式的主要元器件为SCR整流桥，其它元器件几乎没有;

（4）12脉冲变频器和AFE变频器起动方式在进线环节和整流环节存在差异，在直流环节和逆变输出环节都是采用相同的器件，而软起动器核心部件为SCR（晶闸管）;

（5）元器件的可靠性，从低到高排序为：直流回路电容器

通过上述分析，可得出如下结论：

（1）12脉冲变频器和AFE变频器起动方式采用了相同的逆变环节和直流环节，故障机率一致;

（2）在整流部分，12脉变频器起动方式使用二极管整流，性能略好，可靠性要比AFE变频器略高;

（3）软起动器起动方式原理比较简单，可靠性相对稍高。随着半导体技术的不断进步，软起动器、变频器起动方式各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，元器件自身出现故障的概率极低;

（4）12脉冲变频器和AFE变频器及软起动器起动控制方案采用国外知名品牌公司的产品，其变频器技术及软起动器技术均较成熟，具有较高的可靠性。

2.5   侧推舱空调通风需求对比

本船侧推一般在进出港、靠离码头及动力定位时使用。在进出港和靠离码头的工况下，尤其在靠离码头时，侧推负荷相对较大，但因作业时间短（不超过30 min），一般不会出现散热问题;动力定位工况主要出现在执行海上搜救任务或特种作业时，由于侧推是协同主推作业，此工况下侧推的平均负荷不超过其额定功率的50%，空调通风的散热设计据此及按机械处所通风量ISO计算标准进行。

按照外界温度35 ℃、设备降容起始温度45 ℃、AFE/起动器设备停机50 ℃、12脉冲变频设备停机55 ℃的舱内最高温度，计算得出的通风量，如表1所示。

表1  各种起动控制方案的空调通风量

根据侧推舱各设备发热量，配置的通风方案为：2台风机，每台风量为76 00 m3/h;采用软起动器、自耦变压器起动控制方案，能满足首侧推正常运行;如采用AFE变频器或12脉冲变频器起动控制方案，则需要增加通风量或风机盘管才能满足首侧推正常运行。

2.6    维修性分析

（1）自耦变压器起动方案采用传统的电气控制方式，维修简单且工作量小;

（2）软起动器起动控制原理也较简单，与变频器起动方案相比维修要求较低，与自耦变压器起动方案相比维修要求稍高;

（3）12脉冲变频器与AFE变频器主柜体尺寸和结构设计一致，维修空间要求也一致，模块化程度及维修要求均较高。

2.7   成本比较

自耦变压器、软起动器是传统产品，成本相对较低;12脉冲变频器、AFE变频器价格相对较昂贵，是制约变频器起动方式推广的主要原因之一。若将自耦变压器起动方式的成本系数设为1，则软起动器起动方式成本系数为1.3～1.5、12脉冲变频器起动方式成本系数为1.6～1.8、AFE变频器成本系数为1.8～2。

2.8   起动响应速度

（1）自耦变压器起动时间根据负载大小调整，电机功率大，起动电流也大。起动后会慢慢回落到正常，大约需12～20 s;

（2）软起动器从起动到投入工作的时间，约为16～40 s。

（3）12脉冲变频器与AFE变频器可在一定范围内任意设定起动的时间，最短为0～120 s，最长可达0～6000 s;变频器从静止—起动—开始工作的时间约为60 s，其中瞬间起动时间为5～6 s。

2.9   使用业绩

上述各种起动控制方案在船舶侧推方面均有使用业绩，但对大功率设备采用软起动器及变频器起动方案的市场占有率较高。

3    各种控制方案比较及选用

通过上述各种方案的对比，可将其对比结果简化为表2所示。

表2  各种起动方案对比结果

经过综合考虑设备性能、装船、成本、布置及维护等最优化，本船侧推起动控制采用软起动器方案。

4     实船应用

（1）本船配置的侧推电机型号为：SIEMENS的1LA8407-4AB04-Z。主要参数如下：

额定功率682 kW;额定电压AC690 V 50 Hz;额定电流676 A;额定转速1 492 r/min;电机转矩4545 Nm;额定转矩4 363 Nm;起动电流IA/IN=7.10;起动额定转矩2.0。

（2）根据电机参数配置的软起动器型号为：以色列RVS-DN。主要参数如下：

额定电压AC690 V 50 Hz;额定电流820 A;额定频率50 Hz;服務电流680 A;额定工频耐受电压2.5 kV;母线额定短时耐受电流50 kA/1s;母线额定峰值耐受电流125 kA。

（3）实船调试参数

通过单台测试，调整并设置软起动器中的主要参数如下：

① 整体参数

软起额定电流820 A;电机额定电流680 A;低电流跳闸延时10 s;过流 - 安全销850%;过载跳闸115%;过载延迟4 s;低电压跳闸AC520 V;低电压延时5 s;过压跳闸AC750 V;过压延时2 s。

② 起动参数

软起曲线0（标准）;脉冲时间0 s;初始电压10%;电流限制250%;加速时间10 s;最长起动时间20 s;起动次数4次;起动周期30 min;起动禁止10min;旁路接触器延时2 s。

③ 马达过载继电器参数

过流值95%;过流曲线E.1;时间倍增值1;低接地故障值20%;低接地故障跳闸时间5 s。

除上述主要参数，还需要设置故障参数、停止参数、双调节参数、节能和低速参数、I/O 编程参数、通讯参数等。

（4）侧推电机试验

通过上述逐项调整，试验时两台发电机在线，1#和2#主推变频器同时运行：主推每台负载为12%、转速为400 r/min;单台侧推软起起动，起动最大电流为额定电流的60%，最小电压为96%（AC662 V）;最大电压为101%（AC697 V）;从起动到正常投入工作时间为22 s，起动响应速度比理论值较短。起动电流波形见图5。

图5  侧推起动电流波形图

（5）谐波值测量

① 在发电机单机空载运行、主推变频器/侧推未运行的电网状态下，测得的总谐波为2.9、单次谐波为2.3;

② 在发电机单机空载运行、主推变频器/侧推运行的电网状态下，测得的总谐波为2.6、单次谐波为2.4。

从上述测量数值来看，其侧推运行过程中对谐波的影响相对较低，满足规范对谐波系数的要求。

综上所述，从系泊及航行试验使用侧推的情况来看，其侧推起动时对电网冲击平稳，起动时间较短在30 s内，操作及控制反馈及时，得到了业主的认可及好评。

5    结束语

根据设计前期对侧推起动控制方案的分析对比，从设备布置及舱室散热通风需求、设备的经济性、可维修性、可靠性、起动响应速度等方面综合考虑，选用了最优的软起动器起动方案，为后续或同类型船的侧推起动控制方案选型作了有益的技术探讨。基于船舶建造周期较短，建议在方案设计前期就根据船舶的特点和需求对侧推装置的起动控制方案进行分析并确定下来，以便于后期工作的开展。

参考文献

[1] 刘宏伟，王毅，赵凯岐，徐殿国。异步电动机软起动器的研究[J].中

小型电机，2002，29（2）.

[2]许宏纲，徐方逸. 软起动器原理及其应用[J].能源技术，2002，23（3）.

[3]何超.交流变频调速技术[M].北京：北京航空航天出版社，2006.

[4] 王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械

工业出版社，2002.