船舶側推大功率電動機啟動方式與軸帶發電機的關聯探討

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(南通中遠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成本攀升，船東越來越關注船舶的燃油消耗以及船舶的維護成本，與之相關的軸帶發電機的配備越來越受到船東的重視。

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

某多用途運輸船配備柴油發電機為900×2 kW；軸帶發電機1臺，功率初定為900 kW；螺旋槳為可調螺距螺旋槳(CPP)；艏側推器一臺，電動機功率900 kW。

本船的電力負荷消耗情況見表1。

表1 電力負荷消耗表

進出港工況1為2臺柴油發電機和軸帶發電機并列運行給船內負荷供電。

初步的電力系統一線圖見圖1。圖1a)中軸帶發電機、柴油發電機和艏側推都通過空氣開關直接聯接在母排上。圖1b)中，軸帶發電機與艏側推器通過空氣開關聯接在同一母排上，再通過母聯空氣開關聯接到船舶主母排。

圖1 電力系統一線圖

艏側推電動機的參數見表2。

表2 艏側推電動機的參數

1 直接啟動方式

軸帶發電機和艏側推與主母排的聯接方式見圖1a)。船內基礎負荷為1 144 kW，柴油發電機2臺和軸帶發電機都需要開啟，即船內發電機總功率為3×900 kW=2 700 kW。通過計算軟件計算判斷電動機啟動時因為突加負荷引起的電壓降、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空氣開關過電流能力不超過138%；③發電機組過載能力不超過110%，判定結果見圖2。

由圖2可見，在船內2臺柴油發電機和1臺軸帶發電機并網發電的情況下，使用直接啟動方式不能啟動艏側推電動機。

圖2 大容量輔機電動機突加負荷計算

2 自耦變壓器降壓啟動方式

軸帶發電機和艏側推與主母排的聯接采用圖1a)的方式。從圖2中得出艏側推器電動機可以采用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行方式設計的，對啟動次數以及每次啟動的持續時間均有限制。同時因自耦變壓器的原因，啟動器體積也過于龐大，安裝維護不方便。

3 電壓斜坡法軟啟動器啟動方式

軸帶發電機和艏側推與主母排的聯接采用圖1a)的方式。

采用電壓斜坡法軟啟動器啟動方式，初始電壓設定為110 V，在啟動過程中，電動機電壓以此為基礎線性上升，直至達到額定電壓值，電動機啟動特性參數變化見圖3。

圖3 電動機啟動特性曲線

下面從艏側推器電動機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需要的發電機容量。

艏側推電動機及船內基礎負荷參數見表3。

表3 艏側推電動機及船內基礎負荷的基本參數

3.1 滿足全部負荷正常運轉所需要的發電機功率PG1

(1)

式中:PL——總負載，

PL=900+1 144.00=2 044.00 kW；

PFL——總功率因數，

84.85%；

γ——負荷率，γ=100%。

2 626.54 kVA

3.2 允許最大電壓降的發電機容量PG2

(2)

式中：Pm——艏側推器電動機最大啟動輸出，

Pm=900 kW；

β——電動機每1 kW需求的啟動kVA，4.00 kW；

α——電動機啟動電抗，0.13；

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Xd′——電動機瞬態電抗，0.22；

ΔV——電壓降比，0.15。

583.44 kVA

3.3 大容量復式電動機最終啟動階段需求的發電機容量PG3

(3)

式中：kW′——基礎負荷，kW＇=1 144.00 kW；

Sf——ECON軟啟動器的使用系數，Sf=1.035；

COSA——基礎負荷的功率因數，

COSA=0.84；

ηb——基礎負荷的效率，ηb=0.90；

VG——啟動電壓，VG=440 V；

Is——電動機的啟動電流，Is=3.95 kA；

KG——發電機最大過電流比率，KG=1.5；

σ——發電機組最大過載比率，σ=1.1。

PG3=2 838.71 kVA

在PG1、PG2、PG3計算結果中，PG3的值最大，因此，選取PG3=2 838.71 kVA作為決定發電機容量的最低要求。采用電壓斜坡法軟啟動器啟動電動機考慮發電機的過載系數為1.50，在電動機啟動過程中發電機的負載系數為0.78，則需求的發電機容量為

2 838.71×1.5×0.78=3 321.29 kA

選取3 375 kA作為需求的發電機容量，即每臺發電機容量為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推電動機，軟啟動器的價格較昂貴。且軟啟動器在船舶上使用時的日常維護和維修對船舶技術人員的技術要求較高。

4 采用特殊G-M系統啟動方式

采用發電機廠家提供的特殊G-M系統啟動方式不再需要配備專門的啟動器。在船舶正常航行時，由軸帶發電機供給船內負荷電力；船舶靠離港時，由2臺柴油發電機供給船內基礎負荷電力，軸帶發電機與船舶工作母線脫離，單獨向艏側推供電。此時電力系統一線圖采取圖1b)形式。船舶電力消耗情況見表4。

進出港工況2為兩臺柴油發電機向船內基礎負荷供電，軸帶發電機單獨給艏側推器電動機供電。

系統工作原理圖見圖4[1]。

發電機單獨向艏側推器電動機供電時，2塊AVR(RT01和RT02)將共同控制發電機的輸出電壓和電流。其啟動控制流程如下。

表4 電力負荷消耗表

圖4 G-M系統工作原理圖

1)啟動發電機，確認發電機電壓和頻率建立并穩定。

2)控制電源供電，確認和側推器電動機側的電氣連鎖完成。

3)啟動發電機的去勵磁系統，去勵磁系統和發電機的剩余電壓幾乎降到零。

4)確認去勵磁系統完成，系統檢測到發電機端電壓為零，發出去勵磁系統完成信號。

5)空氣開關合閘，發電機聯接到電動機系統，同時電動機啟動信號激發勵磁系統。

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

7)電動機完成啟動，電動機的轉速和電流提升到額定值，完成啟動過程。

8)發出電動機啟動完成信號，啟動過程結束。

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

5 結論

采用G-M系統啟動方式啟動電動機，僅僅配備軸帶發電機廠家特殊的AVR系統即可完成。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雜，性價比比較高。啟動過程中對船舶電力系統產生的負荷沖擊小。

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