韓 旗

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

交流配電系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無(wú)需維護(hù)的特點(diǎn)，在艦船負(fù)載中得到廣泛應(yīng)用，約占供電負(fù)荷的60%～70%。隨著海軍艦船復(fù)雜化、大型化發(fā)展，裝船設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，負(fù)載容量越來(lái)越大，如消防泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)裝置、側(cè)推裝置等大容量負(fù)載被使用。然而，由于其起動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生較大沖擊電流，一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的4～7倍，某些電動(dòng)機(jī)甚至可達(dá) 8～12 倍，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)沖擊很大［1］，在突加大負(fù)載時(shí)，由于漏抗和電樞反應(yīng)使發(fā)電機(jī)端電壓急劇下降，引起較大電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降，影響了供電質(zhì)量。

GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》［2］對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或工作狀態(tài)改變而導(dǎo)致的電網(wǎng)瞬態(tài)電壓（浪涌電流）作出明確規(guī)定：

（1）對(duì)于起動(dòng)或工作狀態(tài)變化不太頻繁的用電設(shè)備，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落不應(yīng)超過(guò)用電設(shè)備額定電壓的16%；

（2）對(duì)于起動(dòng)或工作狀態(tài)較為頻繁的用電設(shè)備，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落不應(yīng)超過(guò)用電設(shè)備額定電壓的10%。為有效控制突加大負(fù)載情況對(duì)電網(wǎng)的影響，在艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮突加負(fù)載情況對(duì)電網(wǎng)電壓降的影響，通過(guò)計(jì)算負(fù)載起動(dòng)時(shí)瞬態(tài)電壓降，選擇合理的起動(dòng)方式，確保系統(tǒng)供電安全。

1 起動(dòng)電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)壓降計(jì)算［3］

一般電動(dòng)機(jī)起動(dòng)導(dǎo)致的電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降與發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)和電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)有關(guān)。通常發(fā)電機(jī)帶負(fù)載狀態(tài)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)瞬態(tài)電壓降比空載時(shí)要小，所以通常是按空載起動(dòng)狀態(tài)計(jì)算瞬態(tài)電壓降。

1.1 根據(jù)突加的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電抗計(jì)算

對(duì)自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)直接起動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，其瞬時(shí)電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降（%）；

Xd′為電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

Xd″為直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

XL為突加負(fù)載電抗（標(biāo)么值）。

1.2 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流計(jì)算

當(dāng)忽略電路阻抗時(shí)，可以利用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其瞬時(shí)電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降（%）；

Xd′為發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

Xd″為發(fā)電機(jī)直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

UG為發(fā)電機(jī)額定電壓（V）；

UM為電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）；

IN為發(fā)電機(jī)額定電流（A）；

IST為電動(dòng)機(jī)直接起到時(shí)的起動(dòng)電流（A）；

d為降壓起到系數(shù)。直接起動(dòng)時(shí)，d=1；Y-Δ起到時(shí)，d=1/3；自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)，d為自耦變壓器抽頭比。

1.3 根據(jù)起動(dòng)千伏安計(jì)算

對(duì)鼠籠式電動(dòng)機(jī)，可以根據(jù)起動(dòng)千伏安計(jì)算，其瞬時(shí)電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降（%）；

Xd′為發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

Xd″為發(fā)電機(jī)直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)么值）；

當(dāng)發(fā)電機(jī)為自勵(lì)時(shí)，用（Xd′+Xd″）/2 代替 Xd′，非自勵(lì)時(shí)用Xd′；

PO為給負(fù)載供電的發(fā)電機(jī)容量之和（kVA）；

PM為負(fù)載起動(dòng)千伏安（kVA）。

2 起動(dòng)方式比較

不同負(fù)載和不同供電容量電網(wǎng)，對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能的要求是不一樣的，而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能的基本要求是相同的，即要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線；起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，操作控制簡(jiǎn)單；盡可能小的起動(dòng)電流，減小對(duì)供電品質(zhì)的影響。根據(jù)以上相互矛盾要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況，通常采用的起動(dòng)方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式，另一種是降壓起動(dòng)方式。

2.1 直接全壓起動(dòng)

直接起動(dòng)，即全壓起動(dòng)，是最簡(jiǎn)單也是三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多的一種起動(dòng)方式。通過(guò)斷路器或接觸器直接接到電網(wǎng)上，起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作控制方便，經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便，起動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，小功率電機(jī)常采用這種起動(dòng)方式，然而對(duì)較大容量電機(jī)，起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的4～7倍，該起動(dòng)電流會(huì)使線路壓降增大，使電網(wǎng)負(fù)載端的電壓降低，雖然電壓降降低是短時(shí)的，但既影響電機(jī)本身的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又影響到同一電網(wǎng)的其他異步電機(jī)的工作（如：照明網(wǎng)絡(luò)燈光閃爍，電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間降低，無(wú)法帶載起動(dòng)或甚至停下來(lái)）。對(duì)于經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)電流將造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命，同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動(dòng)機(jī)。

為消除因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)沖擊，影響供電質(zhì)量，可考慮增加電站容量或采用合理的起動(dòng)方式。如果僅為減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)瞬態(tài)壓降因素增大電站容量，從經(jīng)濟(jì)性和艦船總體布置考慮顯然是不可取的，因此人們往往配置限制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的起動(dòng)設(shè)備?？紤]到艦船電站容量、設(shè)備負(fù)載特性及對(duì)電磁兼容要求高等方面的因素，艦船用異步電機(jī)降壓起動(dòng)一般采用星形-三角降壓起動(dòng)及自耦變壓器降壓起動(dòng)。

2.2 星形-三角形起動(dòng)

星形-三角形降壓起動(dòng)是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組接法去實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)過(guò)程，適合于正常運(yùn)行時(shí)繞組連接成三角形的電動(dòng)機(jī)，三相共引出六個(gè)出線端。起動(dòng)時(shí)，三相定子繞組接成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時(shí)再改為連接成三角形。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流僅為直接起動(dòng)的1/3，有效減低起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)壓降的影響，且起動(dòng)設(shè)備體積小、重量輕、價(jià)廉物美、運(yùn)行可靠、檢修方便；缺點(diǎn)是起動(dòng)電壓降到1/，故起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，適合空載或輕載運(yùn)行而不能像自耦變壓器補(bǔ)償起動(dòng)那樣，可按不同的負(fù)載選擇不同的起動(dòng)電壓。

2.3 自耦變壓器補(bǔ)償起動(dòng)

自耦變壓器補(bǔ)償起動(dòng)時(shí)利用自耦變壓器降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，以減小起動(dòng)電流。該起動(dòng)方式適合于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用很廣泛，有手動(dòng)及自動(dòng)控制線路。在起動(dòng)過(guò)程中，電壓有2～3次切換，因而可以根據(jù)負(fù)載選擇起動(dòng)電壓，減小起動(dòng)電流。缺點(diǎn)是體積大，質(zhì)量大，價(jià)格高，需維護(hù)檢修。

以上介紹了艦船電力系統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)設(shè)計(jì)常使用的三種起動(dòng)方式，比較了三種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)和存在的不足。值得指出的是：盡管各種傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)，即沒(méi)有諧波污染，這是艦船電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要控制指標(biāo)，也是艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一直堅(jiān)持使用傳統(tǒng)起動(dòng)方式原因。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)艦船電站容量，計(jì)算電網(wǎng)承受的壓降，以及拖帶負(fù)載的特性、起動(dòng)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性要求，確定合適的起動(dòng)方式。

3 計(jì)算實(shí)例

電網(wǎng)瞬態(tài)受電網(wǎng)容量和起動(dòng)方式的影響，前面介紹了三種計(jì)算電網(wǎng)壓降的計(jì)算方法，比較了三種起動(dòng)方式，現(xiàn)以某型艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)例采用較為常用的根據(jù)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流計(jì)算方法，計(jì)算同一負(fù)載分別采用直接起動(dòng)、星形-三角形起動(dòng)及自耦變壓器補(bǔ)償起動(dòng)時(shí)的壓降，最終確定合適的起動(dòng)方式，減小電網(wǎng)瞬踢壓降，滿足規(guī)范要求，保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

某型艦船發(fā)電機(jī)組額定功率1 050 kW，額定電流1 943 A，額定電壓390 V，直軸瞬變電抗（標(biāo)么值）Xd′0.177，直軸超瞬變電抗（標(biāo)么值）Xd″0.099，一側(cè)推裝置額定功率590 kW，選擇電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式，利用電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流計(jì)算公式計(jì)算起動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)壓降。

3.1 直接起動(dòng)壓降計(jì)算

顯然，艏側(cè)推電動(dòng)機(jī)采用直接起動(dòng)時(shí)，其浪涌電流導(dǎo)致的電壓跌落過(guò)大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性，應(yīng)采取降壓起動(dòng)措施，減少起動(dòng)沖擊。

3.2 星形-三角形起動(dòng)壓降計(jì)算

3.3 自耦變壓器補(bǔ)償起動(dòng)壓降計(jì)算（其抽頭比為0.42）

4 結(jié) 論

從以上三個(gè)計(jì)算結(jié)果可以看出，在同一電站容量的條件下，使用自耦變壓器補(bǔ)償起動(dòng)所達(dá)到的效果最好、壓降最低、滿足相關(guān)規(guī)范的要求，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較小。所以艦船用大容量電力負(fù)載起動(dòng)應(yīng)根據(jù)電站容量計(jì)算電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降，選擇合適的起動(dòng)方式，控制負(fù)載起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。

［1］顧繩谷主編.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)（第3版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn).GJB 4000-2000艦船通用規(guī)范［S］.

［3］中國(guó)船舶工業(yè)總公司編.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（電氣分冊(cè)）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.