船用空壓機電控箱抑制啟動峰值電流的優化設計

夏世銅，高元明，葛 蕾，康 娜

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110869）

1 引言

船用空壓機是船舶壓縮空氣系統的重要設備，主要用來產生和提供一定壓力的高壓空氣，為發電機和主機的啟動、廢物吹除以及其它需要壓縮空氣的設備提供所需的高壓空氣。

某型船用空壓機在啟動過程中，給空壓機供電的配電板斷路器發生跳閘現象，雖然通過調整斷路器的整定值，解決了空壓機啟動過程中斷路器發生跳閘的問題，但在處理該問題的過程中發現，空壓機星三角啟動切換時存在啟動瞬時峰值電流。該瞬時峰值電流，會對電網造成較大沖擊，存在影響其它用電設備正常工作的風險。本文對星三角啟動瞬時峰值電流進行了分析，通過優化電控箱的控制原理、使用示波器進行優化后的試驗驗證，提出了一種抑制船用空壓機啟動瞬時峰值電流的方法。

2 現象分析

2.1 主要技術參數

船用空壓機電控箱主要功能是負責設備的啟動和停車，并集成了自動控制、故障報警、潤滑油自動加熱、電機驅潮和異地操作等功能。其主要的技術參數如表1。

2.2 電控箱啟動原理

空壓機采用三相異步電機驅動，其啟動方式為星三角降壓啟動。電氣原理圖如圖1所示。

合上電源開關1QF后，按下SB1按鈕，中間繼電器4KA得電，其常開觸點閉合，使接觸器3KM和1KM得電吸合，電機進入Y啟動狀態。星型啟動7～8 s后，接觸器3KM斷電，接觸器2KM得電吸合，電機進入△運行狀態。在緊急情況下需按急停按鈕JT1，主電源開關1QF脫開，空壓機斷電停機。

2.3 啟動峰值電流的現象分析

通過查閱星三角降壓啟動的相關資料，在星形啟動向三角運行轉換的瞬間，出現瞬時峰值電流的現象的原因是：星啟動完成后，電機的定子繞組從電源完全斷開，電機的轉子為閉合的回路，旋轉的轉子切割磁場產生感應電流，并在電機的定子繞組上感應出感應電動勢；當電機切換到三角型運行瞬間，上述感應電動勢與電源電壓會相疊加，當兩者相位差為180°時，就會產生9～10倍額定電流的瞬時峰值電流。

表1 空壓機電控箱主要技術參數

圖1 電氣原理圖（星三角啟動部分原理圖）

3 試驗測試

根據電控箱接線圖將電控箱和空壓機、主電源連接，進行試驗前試驗狀態檢查。確保氣體流程、冷卻水流程、潤滑油流程、通電及盤車檢查等試驗狀態皆滿足空壓機啟動要求后，將羅氏線圈同DL750型示波器、主電源電纜相聯，開始進行空壓機啟動峰值電流的測試。共進行了10組數據采集，峰值電流記錄如表2所示。

通過上述數據可以看出，試驗中出項的最大啟動峰值電流為1586A（第3組數據），為額定工作電流（170A）的9.3倍，其電流波形圖如圖2所示。

4 電控箱優化設計

根據啟動峰值電流的現象分析，在星三角切換時接入一組三相電阻，以消耗定子繞組上感應出的電動勢，就可以降低啟動瞬時峰值電流；再對電氣原理圖中的控制元件進行相應的調整，精確計算出電阻的阻值、功率。優化設計后的電氣原理圖，如圖3所示。

表2 電控箱啟動峰值電流表

圖2 電流波形圖

優化后邏輯啟動順序為：

（1）Y啟動：3KM、1KM依次吸合，相應的觸點動作，電動機以Y方式連接啟動。

（2）第一次轉換：當電機Y 啟動10 s 后，1KM、3KM和5KM吸合，電動機線圈仍然以Y方式連接，但每相線圈都并聯了過渡電阻，如圖4所示。

（3）第二次轉換：當第一次轉換后0.25 s，1KM和5KM吸合，3KM釋放，電動機線圈以△方式連接，但每相線圈都串聯了過渡電阻。

（4）△運行；當第二次轉換后0.25 s左右后，1KM和2KM吸合，5KM釋放，電動機以△方式運行。

圖3 優化后電氣原理圖

4.1 電阻阻值的計算

在第一次轉換后（圖4），過渡電阻與電機線圈并聯Y接法，承受的電壓為相電壓U相；在第二次轉換后（圖4），過渡電阻與電機線圈串聯△接法，共同承受的電壓為線電壓U線，此時，電機線圈上的分壓仍維持相電壓U相，而電機為感性負載，電壓超前電流90°；過渡電阻為阻性負載，電壓與電流同相，所以線圈電壓UL、電阻電壓UR與U線矢量和為

所以，過渡電阻的阻值為R=0.816U/I（I為△切換時的電流值）；根據多次現場不同的阻值與電流值試驗，當I取900A左右時，電流比較穩定。經計算，R的阻值取0.35 Ω左右。

4.2 電阻功率的選取

過渡電阻R1、R2和R3只在第一次轉換（時間0.25 s左右）和第二次轉換（時間0.25 s左右）過程這個較短的一段時間流過電流并發熱，其余時間是不通電的，空壓機的啟動間隔時間為3 min。所以流過電阻的總功率為

轉換成電阻功率：p=W/T=106464/180=591（W），實際選取的電阻功率為600 W。

5 優化后電控箱電流測試

通過采用示波器，對優化后空壓機的啟動峰值電流進行測試，共進行了10組數據采集，峰值電流的整理，如表3所示。

圖4 過渡電阻的并串聯

從上述試驗數據可以得出，優化后的最大啟動峰值電流為940A（第1組數據），為額定工作電流（170A）的5.5倍，其電流波形圖如圖5所示。

表3 優化后電控箱啟動峰值電流表

圖5 優化后電流波形圖

通過優化前后電流的測試，最大啟動峰值電流由1586A降到940A，額定啟動電流倍數由9.3降至5.5，啟動瞬時峰值電流可以控制在1000A以下，降幅明顯。

6 結語

綜上所述，在空壓機啟動星三角轉換瞬間接入一組三相電阻，以消耗定子繞組上的感應電動勢；并通過調整控制元件的邏輯關系、優化轉換的時間、精確計算電阻阻值和功率，最終達到抑制啟動瞬時峰值電流。本文所述的優化設計，已在多臺船用空壓機電控箱上改進應用，有效地抑制了峰值電流對電網的沖擊，實際運行可靠穩定。