閉式星三角啟動方式在船用大電機上的應用研究

王正甲，　王寶明

(1.上海船舶研究設計院，上海 201203； 2. 中國人民解放軍92896部隊，遼寧 大連 116018)

0　引　言

由于船舶電站的容量有限，當船用電機功率大于電站容量的25%時，為避免啟動時輸入端電壓降較大導致電機啟動失敗，常采用降壓啟動的方式來減小啟動時的電壓降[1]。星三角啟動是一種較為常見的降壓啟動方式，由于其結構簡單且所需成本較低，在船用鼠籠型電機的降壓啟動中被普遍采用。但是，星三角啟動在由星形接線向三角形轉換的過程中，會產生二次沖擊電流[2]，同樣有可能引起電機啟動失敗。特別是在電機負載遠離電站的情況下，啟動電壓降會更大，因而大電機采用星三角啟動失敗的概率比較大。

以上海船舶研究設計院設計的某型散貨船為例，該船的應急發電機功率為120 kW，應急消防泵功率為33 kW，按照常規的星三角啟動方式電纜選型，應急發電機至應急消防泵啟動箱只需一根截面積為16 mm2的三芯電纜。由于應急消防泵安裝在船首，距離應急發電機230 m，考慮到電壓降問題，實際采用了一根截面積為70 mm2的三芯電纜，但在啟動過程中依然出現了三角形接線的接觸器由于瞬態電壓降過大導致電機啟動失敗的情況。最終通過改變電機啟動器控制回路變壓器的變比，將接觸器線圈兩端的電壓升高才解決。

從該案例可知，要解決遠距離供電的電機星三角啟動時的啟動失敗問題，僅通過增大電纜橫截面積的方式既不經濟又不可靠，而采用其他降壓啟動方式，如自耦變壓器啟動、軟啟動及變頻啟動等來替代星三角啟動又會增加成本。因此，根據星三角啟動原理，通過將電機繞組星形向三角形變換的過程由開式調整為閉式，即采用閉式星三角啟動方式，既不需要改變原有的星三角啟動外部電路，又不需要額外增大供電電纜或改變降壓啟動方式，便可解決遠距離供電的電機星三角啟動時的啟動失敗問題。

1　星三角啟動原理

星三角啟動方式的供電電路及控制回路見圖1，電機供電的主電路中有3組接觸器，其中KM1為主接觸器、KM2為運行接觸器、KM3為啟動接觸器。當按下啟動按鈕SB2時，KM1和KM3線圈均帶電，電機定子繞組為星形接法接入主電路。經過設定時間的延時，KM3線圈失電，KM2線圈得電，此時KM2主觸頭接入主電路，KM3主觸頭退出主電路，電機定子繞組為三角形接法接入主電路，從而實現星形向三角形的轉換。U1，U2，V1，V2，W1，W2分別為電機三相繞組的端子號。

圖1　電機星三角啟動電路

整個轉換過程中，定子繞組上的電流由星形接法的小電流向三角形接法的大電流進行過渡(見圖3)。但星三角啟動在由星形接線向三角形轉換的過程中，KM3主觸頭打開，KM2主觸頭閉合時存在一定的轉換間歇，一般約為50 ms[2]。另外，轉換過程中電機定子繞組處于斷電狀態，轉子繞組則是閉合回路，根據電磁感應原理，轉子繞組在定子繞組上感應出一個電動勢與電機電源的電動勢在定子繞組上疊加，使得過渡過程中有較大的沖擊電流產生。在最惡劣的情況下，峰值沖擊電流可能達到電機額定電流的15～20倍，該沖擊電流不僅有可能使開關產生瞬動保護動作，還有可能使電機啟動器內的接觸器由于瞬態壓降過大導致誤動作。在船上由于供電線路較長，又需采取降壓啟動的電機線路，上述情況更加嚴重。

圖2　星形接法和三角形接法時的電動機繞組接線

圖3　電機電流-轉速曲線

2　閉式星三角啟動原理

閉式星三角啟動方式有效地減少了星三角啟動過程中由星形接線向三角形轉換時對電網造成的二次沖擊。閉式星三角啟動在主回路中增加1套過渡電阻和1套接觸器(見圖4)。該啟動過程分為：

1)按下SB2啟動按鈕，KM1線圈和KM3線圈得電，電機定子繞組以星形接法接入主電路;

2)經過KM3線圈延時后，KM4線圈得電，KM4主觸頭帶過渡電阻接入主電路，KM1線圈仍保持得電狀態，此時電機定子繞組仍以星形接法接入主電路，但每相繞組并聯了1個阻值為R的電阻；

3)經過KM4線圈延時后，KM3線圈失電，KM1線圈和KM4線圈仍保持得電狀態，此時電機定子繞組以三角形接法接入主電路，但每相繞組串聯了一個阻值為R的電阻；

4)經過KT的延時后，KM4線圈失電，KM2線圈得電，電機定子繞組以正常的三角形接法接入主電路，直至正常運行，整個啟動過程結束。

圖4　電機閉式星三角啟動電路

圖5　閉式星三角啟動的電動機繞組接線轉換

閉式星三角啟動過程中繞組接線方式的變化(見圖5)，各步驟的繼電器延時時間可根據負載的實際啟動時間及各接觸器的動作時間做出適當調整。由于在整個啟動過程中，電機繞組回路均處于不斷電的狀態，星三角啟動過程中產生的二次沖擊電流被有效抑制，電機啟動過程中瞬態電壓降造成的影響也相應被消除。

3　過渡電阻選型

由于電機運行的動態過程比較復雜，通常采用近似的公式計算過渡電阻的阻值及功率以滿足工程應用。劉屏周等[2]、舒向宇等[3]及張立[4]均給出了各自的電阻阻值及功率選取方法，其中舒向宇等及張立給出的方法均比較精確，但較為復雜，實際應用中需要獲取更多的參數，而文獻[2]給出的計算方法已能滿足工程應用的需要，故采用劉屏周等給出的計算方法，對于過渡電阻阻值R的計算，考慮到多數船用設備每小時啟動次數一般≥12次，因此過渡電阻的功率P為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Ur為電動機額定電壓；Ir為電動機額定電流。

4　應用舉例

以某3 800車汽車滾裝船為例，該船配備了3臺功率為830 kW柴油發電機，電制為AC 380 V/3 P/50 Hz，其錨機電動機規格為AC 380 V、90 kW，根據要求錨機電機的啟動方式為星三角啟動。艏部錨機距主配電板距離約為150 m，根據電動機功率選取的供電電纜只需單根截面積為95 mm2的三芯電纜，電壓降能滿足要求，但考慮到啟動過程中二次沖擊電流的影響，若采用常規星三角啟動方式，電纜需增加至2根截面積為95 mm2的三芯電纜。

采用閉式星三角啟動方式后，錨機的供電電纜不變，過渡電阻的阻值及功率計算為

(3)

(4)

在實際選用時，可選阻值為0.9 Ω，功率為200 W的電阻作為本例中的過渡電阻。從該案例可知，采用閉式星三角啟動方式啟動遠距離的大功率電機，不僅啟動效果有了明顯改善，供電電纜用量也可節省1/2。而在電機的控制箱中增加過渡電阻的成本很低，可忽略不計。

5　結　語

目前，大電機的降壓啟動方式有很多，如自耦降壓啟動、軟啟動及變頻啟動等，但星三角啟動利用鼠籠型電機自身的結構特性，不需額外增加較多的控制元件，即可實現電機的降壓啟動，因而仍不失為降壓啟動中一種較為理想的方式。通過對現有星三角啟動方式進行改進后，星三角啟動過程中的二次沖擊電流的影響得以消除，可得到更廣泛的應用。該啟動方式已在不少工程項目中得到實際的應用，該啟動方式的有效性已得到證明。