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        簡析電動機起動方式在船舶上的應(yīng)用

        2015-10-19 01:19:06
        廣東造船 2015年6期
        關(guān)鍵詞:變頻器電站容量

        劉 祁

        (海軍駐廣州七五〇廠軍代表室,廣州510656)

        1 引言

        近年來,隨著對船舶性能要求的不斷提高,新造船舶的設(shè)備越來越多樣化、復雜化,用電設(shè)備的功率大小不一。電動力機(簡稱電機)的起動方式也需根據(jù)設(shè)備功率的大小和起動器的重量、尺寸及經(jīng)濟性進行合理的選擇。另外,對于配備了側(cè)推裝置,以及需要拖曳作業(yè)的船舶,側(cè)推及拖曳設(shè)備的電功率與電網(wǎng)容量的比率越來越高,此類大功率設(shè)備起動瞬間的大電流會導致機端及母線處電壓降落,嚴重時造成其他電機停止工作,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此,選擇合適的電機起動方式以降低電機起動時對電網(wǎng)的沖擊是電力設(shè)計過程中不可忽視的問題。

        2 電機起動要求及方式

        2.1 三相異步電機的起動要求

        (1)起動電流不能過大

        當電機的起動電流過大時,電機容易發(fā)熱,降低電機的使用壽命;當電網(wǎng)容量相對電機的容量相差不大時,電機的起動沖擊電流會導致電網(wǎng)產(chǎn)生大幅度的電壓降,影響到同一電網(wǎng)上其它用電設(shè)備的正常工作,一般情況下電機起動電流對電網(wǎng)造成的瞬時電壓降不得超過15%。

        (2)具有足夠的起動轉(zhuǎn)矩

        起動轉(zhuǎn)矩是指在起動過程中電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,如起動轉(zhuǎn)矩不足將使起動時間延長。由于起動電流大,起動時間延長將使電機繞組嚴重發(fā)熱,降低其絕緣壽命。

        2.2 三相異步電機的起動方式

        一般來說,在電站容量確定的情況下,對小功率電機允許直接起動;對大功率電機,其起動方案有三種類型: (1)降壓起動:定子繞組串聯(lián)電阻或電抗、自耦變壓器、星三角起動;(2)軟起動;(3)變頻起動。

        2.2.1 直接起動

        電機在額定電壓下直接起動,其起動電流一般為4~7倍額定電流,起動轉(zhuǎn)矩最大可達到1.5倍額定轉(zhuǎn)矩。直接起動具有控制設(shè)備簡單、價格便宜、起動速度快、維修方便等特點,其適用于在額定工作時長期運行而不頻繁啟停的電機。但直接啟動也存在著明顯的缺點,如啟動電流大、對電網(wǎng)沖擊較大,所以一般只有在電網(wǎng)容量允許的情況下才可以采用直接啟動。

        2.2.2 降壓啟動

        當電機容量過大時,將會出現(xiàn)起動電流過大的情況,這時直接起動就不適合了。常用的船用降壓起動主要包括以下幾種:

        (1)降壓起動

        Y-Δ起動是最常用的一種降壓起動方式。Y-Δ起動時,電流及轉(zhuǎn)矩均為直接起動時的1/3,這種起動方式適用于空載或輕載起動的場合。Y-Δ起動的優(yōu)點是設(shè)備簡單、價格便宜、運行可靠;缺點是起動轉(zhuǎn)矩小、星三角切換瞬間會產(chǎn)生較大的二次沖擊電流。Y-Δ起動要求定子繞組具有6個出線頭的結(jié)構(gòu),正常運行時為三角形接線方式。

        (2)自耦變壓器起動

        Y-Δ起動降壓比是固定形式的,如這種降壓比滿足不了起動電壓降要求時,可采用自耦變壓器降壓起動方式。由于自耦變壓器的抽頭可任意選擇,所以降壓關(guān)系可按需求決定,這樣可獲得大于或小于Y-Δ起動的起動電流和轉(zhuǎn)矩。

        自耦變壓器降壓起動適用于較大負載的起動,尤其是適用于需獲得多種轉(zhuǎn)矩的大容量電機的降壓起動。然而,由于自耦變壓器的體積大、散熱要求高,導致自耦變壓起動設(shè)備體積大、動力電纜接線復雜、價格相對較高、維護困難,而且不適于頻繁的啟動。

        2.2.3 軟起動

        常規(guī)的軟起動是采用串接于電源和電機間的軟起動器,利用微處理器控制其內(nèi)部晶閘管的導通角,使電機的起動電壓從零開始,按預設(shè)函數(shù)關(guān)系上升直到起動結(jié)束,最后賦予全壓運行,減少起動沖擊電流,同時獲得良好的起動性能。與直接起動和其他降壓起動方式等繼電器起動模式比較,軟起動開始邁向了數(shù)字化及多功能化發(fā)展的方向,其起動設(shè)備允許的最大功率占電網(wǎng)的比值遠大于直接起動和其它降壓起動方式。但由于軟起動器涉及電子技術(shù)和微機技術(shù),所以成本較高,對維護技術(shù)人員的要求和安裝環(huán)境要求也較高,而且其使用的晶閘管引起的高次諧波會污染電網(wǎng)。

        2.2.4 變頻起動

        對于交流三相異步電機,主要采用的是交-直-交電壓型變頻器(PWM型)。變頻器是目前電機控制領(lǐng)域技術(shù)含量最高、控制功能最全、控制效果最好的電機控制裝置。變頻器起動時不僅具有軟起動的調(diào)節(jié)起動電壓、降低起動沖擊電流的功能,同時還具有優(yōu)越的調(diào)速特性,通過對電壓及頻率的調(diào)節(jié),可以滿足多種復雜工況的起動和控制要求。變頻器起動電機的起動電流可以設(shè)定在小于等于電機的額定工作電流,這對船舶的大功率負載在小容量電網(wǎng)中起動時的電壓穩(wěn)定有著有效的保護作用。

        但是,變頻器的應(yīng)用有著一個無法忽視的缺點:電網(wǎng)諧波。在變頻器的選擇過程中,需根據(jù)變頻器的使用目的。容量以及電網(wǎng)中其它設(shè)備諧波畸變率選擇合適的變頻器和補償設(shè)備。根據(jù)船舶規(guī)范要求,電網(wǎng)電壓諧波畸變率THD應(yīng)小于5%。

        3 某多用途拖船的負載特性及起動方式的選擇

        下面介紹某多用途拖船的電站配置、負載情況和使用的電機起動方式。

        該船配備兩臺1520kW軸帶發(fā)電機、兩臺590kW柴油發(fā)電機和95kW應(yīng)急發(fā)電機。其發(fā)電機負載使用工況見表1。

        表1 某多用途拖船發(fā)電機負載使用工況

        在港及停泊狀態(tài)時,由一臺柴油發(fā)電機給機艙輔助設(shè)備及生活設(shè)備供電;在其它工況下,由一臺或兩臺軸帶發(fā)電機給艏艉側(cè)推、錨作拖曳絞車、消防泵等大功率負載及機艙輔助設(shè)備、生活設(shè)備供電。其典型電力系統(tǒng)圖如圖1所示。

        圖1 某多用途拖船典型電力系統(tǒng)圖

        由上述電機的起動方式及要求可知,電機起動方式的選擇需要綜合考慮多方面因素,如電機功率、電站總功率及輕載還是重載起動等。對船舶來說,其電站容量與陸地對比相對較小,且多數(shù)屬于低壓配電網(wǎng)絡(luò),因此電機的起動方式更應(yīng)充分考慮各種因數(shù)合理選擇,以達到讓整個電網(wǎng)平穩(wěn)可靠運行的目的。

        另外,先進的起動方式雖然能帶來更好的起動性能,但也不能無節(jié)制的高配選用,應(yīng)根據(jù)船舶的實際情況,充分考慮其合理性與經(jīng)濟性,以便在整個電網(wǎng)平穩(wěn)可靠運行的同時,具有較好的經(jīng)濟性。

        在選擇電站容量時,針對航行、進出港、作業(yè)等各種不同的工況,一般以電機設(shè)備需要運行的最小電站容量工況作為參考。以下對幾個不同種類的代表性設(shè)備簡要分析如下:

        (1)首側(cè)推:功率為600 kW,參考電站容量功率為1520 kW,屬于大功率負載,直接起動和Y-Δ起動電流較大,無法滿足起動電壓降的要求;側(cè)推設(shè)備為頻繁啟動設(shè)備,不適宜選擇自耦變壓器起動;綜合考慮軟起動器和變頻起動器的性價比,最終設(shè)計院和船東一致認為采用變頻起動是比較合理的。

        (2)拖曳絞車液壓泵:功率為55 kW,參考電站容量功率為590 kW,也屬于大功率負載。一般來講,船舶電站允許小于25%電網(wǎng)容量的電機直接起動,因此拖曳絞車液壓泵可以采用直接起動方式,但考慮設(shè)計余量及發(fā)電機負荷率,選擇Y-Δ起動的方式比較穩(wěn)妥。

        (3)2臺機艙風機:功率均為18 kW,但1#機艙風機由主匯流排B1供電,2#機艙風機由應(yīng)急匯流排供電,也就是說,1#機艙風機的參考電站為590 kW,2#機艙風機的參考電站為95 kW(應(yīng)急發(fā)電機),因此1#機艙風機采用直接起動的方式完全可行,2#機艙風機采用Y-Δ起動的方式比較合理。

        4 結(jié)束語

        本文針對電機的特點和要求,闡述了各種電機起動方式在船舶上的應(yīng)用及其優(yōu)缺點。并通過對某多用途拖船電站情況分析,描述了各典型大功率電機起動方式的選擇依據(jù),可為類似船型在選擇起動方式時提供參考。

        [1] 李一丹,劉勇,郭鎮(zhèn)明. 起動大功率異步電動機對船舶電網(wǎng)影響的仿真研究[J].哈爾濱工程大學學報,1999 , 20( 1) .

        [2] 吳斐文,張海榮. 電力驅(qū)動型式及應(yīng)用的最新趨勢[J]. 船舶,2002( 4).

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