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(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

隨著攬貨競爭加劇以及航運(yùn)成本攀升，船東越來越關(guān)注船舶的燃油消耗以及船舶的維護(hù)成本，與之相關(guān)的軸帶發(fā)電機(jī)的配備越來越受到船東的重視。

船舶大功率側(cè)推器電動機(jī)的啟動方式與以下因素有較大的關(guān)聯(lián):①軸帶發(fā)電機(jī)的容量；②軸帶發(fā)電機(jī)以及側(cè)推器電動機(jī)和母排的聯(lián)接方式。這兩種因素也同時涉及到船舶的初期建造成本，以某多用途運(yùn)輸船為例展開探討。

某多用途運(yùn)輸船配備柴油發(fā)電機(jī)為900×2 kW；軸帶發(fā)電機(jī)1臺，功率初定為900 kW；螺旋槳為可調(diào)螺距螺旋槳(CPP)；艏側(cè)推器一臺，電動機(jī)功率900 kW。

本船的電力負(fù)荷消耗情況見表1。

表1 電力負(fù)荷消耗表

進(jìn)出港工況1為2臺柴油發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行給船內(nèi)負(fù)荷供電。

初步的電力系統(tǒng)一線圖見圖1。圖1a)中軸帶發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和艏側(cè)推都通過空氣開關(guān)直接聯(lián)接在母排上。圖1b)中，軸帶發(fā)電機(jī)與艏側(cè)推器通過空氣開關(guān)聯(lián)接在同一母排上，再通過母聯(lián)空氣開關(guān)聯(lián)接到船舶主母排。

圖1 電力系統(tǒng)一線圖

艏側(cè)推電動機(jī)的參數(shù)見表2。

表2 艏側(cè)推電動機(jī)的參數(shù)

1 直接啟動方式

軸帶發(fā)電機(jī)和艏側(cè)推與主母排的聯(lián)接方式見圖1a)。船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷為1 144 kW，柴油發(fā)電機(jī)2臺和軸帶發(fā)電機(jī)都需要開啟，即船內(nèi)發(fā)電機(jī)總功率為3×900 kW=2 700 kW。通過計(jì)算軟件計(jì)算判斷電動機(jī)啟動時因?yàn)橥患迂?fù)荷引起的電壓降、視在功率(kVA)以及有效功率(kW)是否滿足如下要求：

①電壓降不超過15%；②空氣開關(guān)過電流能力不超過138%；③發(fā)電機(jī)組過載能力不超過110%，判定結(jié)果見圖2。

由圖2可見，在船內(nèi)2臺柴油發(fā)電機(jī)和1臺軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電的情況下，使用直接啟動方式不能啟動艏側(cè)推電動機(jī)。

圖2 大容量輔機(jī)電動機(jī)突加負(fù)荷計(jì)算

2 自耦變壓器降壓啟動方式

軸帶發(fā)電機(jī)和艏側(cè)推與主母排的聯(lián)接采用圖1a)的方式。從圖2中得出艏側(cè)推器電動機(jī)可以采用80%、65%或50%自耦變壓器降壓啟動方式，此時須配備900 kVA大容量的啟動用降壓自耦變壓器。因自耦變壓器容量是按短時運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的，對啟動次數(shù)以及每次啟動的持續(xù)時間均有限制。同時因自耦變壓器的原因，啟動器體積也過于龐大，安裝維護(hù)不方便。

3 電壓斜坡法軟啟動器啟動方式

軸帶發(fā)電機(jī)和艏側(cè)推與主母排的聯(lián)接采用圖1a)的方式。

采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式，初始電壓設(shè)定為110 V，在啟動過程中，電動機(jī)電壓以此為基礎(chǔ)線性上升，直至達(dá)到額定電壓值，電動機(jī)啟動特性參數(shù)變化見圖3。

圖3 電動機(jī)啟動特性曲線

下面從艏側(cè)推器電動機(jī)采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式啟動需要滿足的條件來反推電網(wǎng)需要的發(fā)電機(jī)容量。

艏側(cè)推電動機(jī)及船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷參數(shù)見表3。

表3 艏側(cè)推電動機(jī)及船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷的基本參數(shù)

3.1 滿足全部負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的發(fā)電機(jī)功率PG1

(1)

式中:PL——總負(fù)載，

PL=900+1 144.00=2 044.00 kW；

PFL——總功率因數(shù)，

84.85%；

γ——負(fù)荷率，γ=100%。

2 626.54 kVA

3.2 允許最大電壓降的發(fā)電機(jī)容量PG2

(2)

式中：Pm——艏側(cè)推器電動機(jī)最大啟動輸出，

Pm=900 kW；

β——電動機(jī)每1 kW需求的啟動kVA，4.00 kW；

α——電動機(jī)啟動電抗，0.13；

我左沖右突，從密密的樹叢中擠過去摘了兩丫桃花，臉上居然劃了一道血口子，不留神讓一株狗兒刺拉了一下。學(xué)著紳士的模樣，我畢恭畢敬地獻(xiàn)給女友，一臉虔誠，“嫁給我吧，親愛的?！?/p>

Xd′——電動機(jī)瞬態(tài)電抗，0.22；

ΔV——電壓降比，0.15。

583.44 kVA

3.3 大容量復(fù)式電動機(jī)最終啟動階段需求的發(fā)電機(jī)容量PG3

(3)

式中：kW′——基礎(chǔ)負(fù)荷，kW＇=1 144.00 kW；

Sf——ECON軟啟動器的使用系數(shù)，Sf=1.035；

COSA——基礎(chǔ)負(fù)荷的功率因數(shù)，

COSA=0.84；

ηb——基礎(chǔ)負(fù)荷的效率，ηb=0.90；

VG——啟動電壓，VG=440 V；

Is——電動機(jī)的啟動電流，Is=3.95 kA；

KG——發(fā)電機(jī)最大過電流比率，KG=1.5；

σ——發(fā)電機(jī)組最大過載比率，σ=1.1。

PG3=2 838.71 kVA

在PG1、PG2、PG3計(jì)算結(jié)果中，PG3的值最大，因此，選取PG3=2 838.71 kVA作為決定發(fā)電機(jī)容量的最低要求。采用電壓斜坡法軟啟動器啟動電動機(jī)考慮發(fā)電機(jī)的過載系數(shù)為1.50，在電動機(jī)啟動過程中發(fā)電機(jī)的負(fù)載系數(shù)為0.78，則需求的發(fā)電機(jī)容量為

2 838.71×1.5×0.78=3 321.29 kA

選取3 375 kA作為需求的發(fā)電機(jī)容量，即每臺發(fā)電機(jī)容量為3 375×0.8/3=900 kW。

采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式啟動艏側(cè)推電動機(jī)，軟啟動器的價(jià)格較昂貴。且軟啟動器在船舶上使用時的日常維護(hù)和維修對船舶技術(shù)人員的技術(shù)要求較高。

4 采用特殊G-M系統(tǒng)啟動方式

采用發(fā)電機(jī)廠家提供的特殊G-M系統(tǒng)啟動方式不再需要配備專門的啟動器。在船舶正常航行時，由軸帶發(fā)電機(jī)供給船內(nèi)負(fù)荷電力；船舶靠離港時，由2臺柴油發(fā)電機(jī)供給船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷電力，軸帶發(fā)電機(jī)與船舶工作母線脫離，單獨(dú)向艏側(cè)推供電。此時電力系統(tǒng)一線圖采取圖1b)形式。船舶電力消耗情況見表4。

進(jìn)出港工況2為兩臺柴油發(fā)電機(jī)向船內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷供電，軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)給艏側(cè)推器電動機(jī)供電。

系統(tǒng)工作原理圖見圖4[1]。

發(fā)電機(jī)單獨(dú)向艏側(cè)推器電動機(jī)供電時，2塊AVR(RT01和RT02)將共同控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流。其啟動控制流程如下。

表4 電力負(fù)荷消耗表

圖4 G-M系統(tǒng)工作原理圖

1)啟動發(fā)電機(jī)，確認(rèn)發(fā)電機(jī)電壓和頻率建立并穩(wěn)定。

2)控制電源供電，確認(rèn)和側(cè)推器電動機(jī)側(cè)的電氣連鎖完成。

3)啟動發(fā)電機(jī)的去勵磁系統(tǒng)，去勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的剩余電壓幾乎降到零。

4)確認(rèn)去勵磁系統(tǒng)完成，系統(tǒng)檢測到發(fā)電機(jī)端電壓為零，發(fā)出去勵磁系統(tǒng)完成信號。

5)空氣開關(guān)合閘，發(fā)電機(jī)聯(lián)接到電動機(jī)系統(tǒng)，同時電動機(jī)啟動信號激發(fā)勵磁系統(tǒng)。

6)電動機(jī)啟動，斷開勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)端電壓在殘余電壓的作用下升高。電動機(jī)的電流隨著發(fā)電機(jī)端電壓的升高而升高，同時最大值被控制在設(shè)定值之下。

7)電動機(jī)完成啟動，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流提升到額定值，完成啟動過程。

8)發(fā)出電動機(jī)啟動完成信號，啟動過程結(jié)束。

通過方案的比較，從船廠初期建造成本以及船舶運(yùn)營中的維護(hù)簡便性考慮，最終選擇G-M系統(tǒng)啟動方式。

5 結(jié)論

采用G-M系統(tǒng)啟動方式啟動電動機(jī)，僅僅配備軸帶發(fā)電機(jī)廠家特殊的AVR系統(tǒng)即可完成。此種啟動方法比其它啟動方法簡單，且可以省略自耦變壓器啟動方式中的啟動器和電壓斜坡法軟啟動器方式中的軟啟動器，主電路和控制電路不復(fù)雜，性價(jià)比比較高。啟動過程中對船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊小。

[1] 趙殿禮，王維剛.船舶側(cè)推大功率電動機(jī)啟動問題的探討[J].航海技術(shù),2003(2):41-42.