船用中壓側推起動器的設計和應用

楊　誠，鄧智勇，操喜峰，鐘汶岑，田　凡，蹇安安

（武漢第二船舶設計研究所，湖北　武漢 430064）

船用中壓側推起動器的設計和應用

楊誠，鄧智勇，操喜峰，鐘汶岑，田凡，蹇安安

（武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

系統闡述中壓側推起動器在船舶領域的設計應用。系統采用自耦降壓啟動方式控制，方案穩定可靠，能有效防止因起動電流過大給同回路主電網造成較大的電壓降，從而影響其他并聯在電網中的設備正常使用的情況出現。介紹中壓側推起動器工作原理，主要由安全啟動原理、緊急停止工作原理、報警信號原理 3 部分組成。

中壓電機；側推起動器；自耦降壓啟動；緊急停止

0　引　言

船舶電氣化經歷較長時間發展。在蒸汽機時代，船舶上的電能僅用來照明，電站總功率只有幾十千瓦，采用直流電制；到 20 世紀 60 年代，蒸汽機逐步被內燃機取代，同一時期，船舶電力系統中直流電制也逐步被交流電制取代；發展到這一階段，船上除主機和發電柴油機外，其他絕大部分船舶輔機設備都實現了電力驅動，船舶電氣時代正式到來，此時基本上所有的船舶電力系統都采用了低壓交流系統；隨著技術的進步和人類發展需求的不斷變化，大型集裝箱船、油輪、豪華游輪、客貨滾裝船等大噸位船型的大功率推進器的應用越來越多。為突破船舶低壓用電的局限性，中壓設備的應用必將是船舶電氣未來的發展趨勢。

1　船舶側向推進器

船舶側向推進器一般分為首側推和尾側推，主要用于側推器的驅動動力裝置。側推器的作用主要是：提高船舶操縱性能，特別是航速為 0 或航速很慢時的操作性能；縮短船舶靠離碼頭的時間；節約拖船費用；提高船舶機動航行時的安全性；減少主機啟動、換向次數，延長主機使用壽命。側推器的驅動動力裝置一般采用大功率低壓電機或經過升壓變壓器升壓后驅動中壓電機的運轉，來驅動一個可變距槳葉；通過調節變距槳的槳葉角，即改變螺距的大小達到控制側推力的方向和大??；而螺距的控制器一般安裝在變距槳槳殼的內部，具體實現方法是從操作指令到液壓機構全部采用電氣信號的傳輸方式，然后通過電-液信息變換以控制所要求的螺距角度值（見圖1）。

1.1船用中壓電機起動控制系統技術指標

1）CCS 船級社規范。船用中壓電機起動控制系統需滿足《中國船級社鋼制海船入級規范（2012）》、《中國船級社產品檢驗指南（2012）》等規范要求。

2）兼容性及通用性。系統具有一定的兼容性及通用性，通過配套遙控系統控制，能夠適用于大噸位不同船型不同型號的大功率推進系統。

圖1　船舶側向推進器系統示意圖Fig.1　Ship lateral thruster system diagram

3）系統供電電壓。為系統供電電壓：AC1 kV ＜U＜AC15 kV，如有特殊需要，經相關船級社同意可采用更高的電壓。

4）系統內供電隔離。電壓超過 1 kV 的中高壓電氣設備和低壓設備不應組合在同一外殼（柜）內，除非采取隔離或其他合適的措施，以確保人員能夠無危險地接近低壓電氣設備。

5）電氣間隙和爬電距離。中高壓電氣設備的電氣間隙和爬電距離應符合下述要求：若電壓為表1 所列電壓的中間值，則應取電壓高的這一檔次值，最小電氣間隙見表1。

表1　最小電氣間隙Tab.1　Minimum clearances

爬電距離：帶電部件之間及帶電部件與接地金屬部件之間的爬電距離，應符合相關 IEC 出版物關于系統的額定電壓、絕緣材料特性和開關及故障時產生瞬間過電壓的規定；有開關設備的匯流排分段上的非標準部件，最小爬電距離應至少 25 mm/kV，在限流設備后 16 mm/kV。

1.2船用中壓電機起動控制系統的組成和應用

本裝置由多種電氣元件組成，分為啟動控制柜和機旁控制箱，其重要部件由隔離開關、高壓真空接觸器、自耦變壓器、控制繼電器及按鈕指示燈等組成。

系統啟動過程中，通過控制接觸器的動作時間及吸合先后循序，將自耦變壓器串入回路，通過自耦降壓起動方式平穩起動中壓電機，起動時可有效地降低起動的電流和壓降，對同一電網的沖擊小，穩定性能好。

船用中壓電機起動控制系統主要應用于大噸位船舶頻繁的靠離岸、狹窄航道或港灣中低速運行船舶舵效降低時提高船舶的操縱性能、動力定位系統及電力推進系統。

1.3主要組成元件

1）隔離開關。主回路進線隔離開關主要是將電源和用電設備進行隔離，在檢修柜內設備時能有效就地切斷柜內電源，確保安全的進行檢修；隔離開關要求必須有明顯、可見的斷點，對切斷負荷能力沒有要求；隔離開關必須在不帶負荷或帶較小負荷的情況下進行操作，不能作為負荷開關使用。

2）高壓真空接觸器。用于遠距離頻繁起動或控制交流電動機，以及接通、分斷正常工作的主電路和控制電路；其以真空為滅弧介質，主觸點密封在特制的真空滅弧管內；當操作線圈通電時，銜鐵吸合，在觸點彈簧和真空管自閉力的作用下觸點閉合；操作線圈斷電時，反力彈簧克服真空管自閉力使銜鐵釋放，觸點斷開；真空接觸器具有噪聲小、滅弧能力強、無電弧外噴、耐壓性能好、使用壽命長、體積小、可頻繁操作等優點。

3）自耦變壓器。自耦變壓器是只有一個繞組的變壓器，當作為降壓變壓器使用時，從繞組中抽出一部分線匝作為二次繞組；當作為升壓變壓器使用時，外施電壓只加在繞組的一部分線匝上。通常把同時屬于一次和二次的那部分繞組稱為公共繞組，其余部分稱為串聯繞組，同容量的自耦變壓器與普通變壓器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且變壓器容量越大，電壓越高，這個優點就越加突出。因此隨著電力系統的發展、電壓等級的提高和輸送容量的增大，自耦變壓器由于其容量大、損耗小、造價低而得到廣泛應用。

4）可編程報警器模塊。LUXCO 公司 SA-PSM 系列可編程報警器模塊可根據需求選擇輸入輸出開關量組數，其每組輸入通道和輸出通道一一對應，可以很直觀地判別通道的動作情況，此報警器還配置有調節輸出頻率的旋鈕，可實現輸出報警指示燈的快閃、慢閃功能，還配置有使能輸入和測試通道，相應可實現試燈和報警復位功能，具有較強的控制能力。

5）控制繼電器。控制繼電器線圈按電壓可分為不同等級，一般有 DC24 V、AC220 V、AC380 V、AC415 V、AC440 V、AC690 V 等電壓等級，當在線圈兩端加上額定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合；當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放；這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的；對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有 2 股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。

1.4系統啟動方式分析

籠型異步電動機的啟動方法有以下 2 種：

1）直接啟動 。用刀開關或接觸器將電動機定子繞組直接接到額定電壓的電網上，所以直接啟動就是全壓啟動。從電動機本身來說，三相籠型異步電動機都允許直接啟動。直接啟動方法的應用主要受到電源容量的限制，若電源容量不夠大，則電動機的啟動電流可能是線路電壓顯著下降，影響接在同一線路上的其他電動機或電氣設備的正常工作。一般情況下，只要直接啟動時的啟動電流在電網中引起的電壓降不超過 10%～15%，就允許采用直接啟動。一般規定，異步電動機的功率小于 7.5 kW 時允許直接啟動；如果功率大于 7.5 kW，而電網容量較大，能滿足式（1）的電動機也可以直接啟動，即

式中：SN為電源總容量，kV·A；PN為電動機額定容量，kW。

直接啟動的優點是啟動設備和操作方法簡單，啟動轉矩大，啟動時間短，易于維護，設備故障率低，缺點在于啟動電流很大，啟動時會在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生大量的焦耳熱，破壞繞組的絕緣性能，降低電機的使用壽命，由于其啟動時的全壓和大電流，對同網配電系統的容量有很高的要求。

2）降壓啟動 。當直接啟動不能滿足要求時，應采用降低定子電壓的啟動方法以限制啟動電流。啟動時，通過啟動設備使加到電動機上的電壓小于額定電壓，待電動機轉速上升到一定數值時，再使電動機承受額定電壓，保證電動機在額定電壓下穩定工作。有以下 3 種常用啟動方法：

① 自耦變壓器降壓啟動。自耦變壓器用作電動機降壓啟動時，稱為自耦補償啟動器。三相籠型異步電動機采用自耦降壓啟動的接線如圖2所示。

圖2　自耦降壓啟動接線圖Fig.2　Auto-voltage start wiring diagram

圖中 AT 為自耦變壓器。電動機起動時，KM1 打開，KM2 和 KM3 閉合，電源電壓經過自耦變壓器降壓后加到電動機上，限制了啟動電流；當電機轉速升高到接近額定轉速時，KM2 和 KM3 斷開，KM1 閉合，自耦變壓器被切除，電動機在額定電壓下正常運行。對電動機采用自耦變壓器啟動和全壓啟動比較如下。

設電網電壓 UN和 I'st分別為自耦變壓器一次側相電壓和電流，即電網相電壓和電流；U'和 Ist分別為自耦變壓器二次側的電壓和電流，即電動機的定子電壓和電流；N1和 N2分別為自耦變壓器的一、二次繞組匝數，kA為自耦變壓器電壓比，kA＜1。由變壓器原理得

設 IKN為電動機全壓啟動時的啟動電流，則

再利用變壓器原理得

將上面兩式相乘，整理得：

另外，由于 U'=kAUN，T∝U2，如果設為全壓啟動時得啟動轉矩，則自耦變壓器降壓啟動時的啟動轉矩為：

式（2）～式（4）分別表明，采用自耦變壓器降壓啟動時的相電壓 U' 降為電動機直接啟動時額定相電壓UN的 kA倍（kA小于 1），啟動電流 I'st降低到直接啟動時啟動電流 IKN的倍，啟動轉矩 T'st也降為直接啟動時啟動轉矩 TKN的 kA2倍。

自耦變壓器降壓啟動的優點是：電壓抽頭可供不同負載啟動時選擇，啟動時有效降低了啟動電流和壓降，對同一電網其他設備沖擊小，穩定性好；缺點是體積大、成本較高，需維護檢修，且多半用于不頻繁使用的負載電機。

② 降壓啟動。Y（星形）-Δ（三角形）換接啟動方法只適用于正常運行時定子繞組為Δ接法并有 6 個出線端頭的籠型電動機。為減小啟動電流，啟動時將定子繞組改接成 Y 形，降低每相電壓，當電動機轉速上升到接近額定轉速時再改成Δ形，其原理接線如圖3所示。

圖3　星三角降壓啟動接線圖Fig.3　Y-ΔBuck started wiring diagram

啟動時，合上接觸器觸點 KM1，再把 KM2 合到 Y端，定子繞組接成 Y 形，每相繞組加的相電壓為線電壓的，啟動電流減小。待電動機轉速升高到接近額定轉速，再把 KM2 合到△端，定子繞組改接成△形，所加電壓為線電壓，電動機在額定電壓下正常運行。

若電動機每相阻抗為 ZK，三相繞組 Y 連接啟動，則電網提供電動機的啟動電流為

若電動機三相繞組Δ形連接時直接啟動，則繞組相電壓為電源電壓，定子繞組每相啟動電流為，電網提供電動機的啟動電流為：

將式（5）與式（6）相比，得到 2 種啟動電流比值為：

Y-Δ啟動時的降壓倍數為：

Tst∝U21

根據，所以 Y 形接線時與Δ接線時啟動轉矩比值為：

可見采用 Y-Δ換接啟動時，啟動電流和啟動轉矩都減小到直接啟動時的 1/3。

Y-Δ換接啟動的最大優點是啟動電流小、啟動設備簡單、成本低、體積小、重量輕、操作方便，所以Y 系列容量等級在 4 kW 以上的小型三相籠型異步電動機都設計成Δ形連接，以便采用 Y-Δ換接啟動。缺點是只適用于正常運行時定子繞組為Δ形連接的電動機，并且只有一種固定的降壓比；啟動轉矩只有Δ形直接啟動時的 1/3，因此只適用于電動機輕載或空載啟動。

③ 軟啟動器。三相籠型異步電動機還有一種新型的降壓啟動方法——軟啟動器啟動，目前已得到廣泛應用。軟啟動就是運用串接于電源與被控電機之間的軟啟動器，控制其內部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設函數關系逐漸上升，電機啟動轉矩逐漸增加，轉速也逐漸增加，直至啟動結束，電機全電壓運行。圖4 所示為晶閘管交流開關用于電機啟動的主電路圖。

圖4　軟啟動接線圖Fig.4　Soft start wiring diagram

電機啟動時，6 個晶閘管構成的交流開關電路工作，控制電機繞組電壓按設定比率上升，當電樞電壓上升至額定值時，自動切換使交流開關停止工作，交流接觸器投入工作。采用軟啟動器將降低啟動電流，減少對電網的干擾。用軟啟動器啟動時電壓沿斜坡上升，升至全壓的時間可在 0.5～60 s 之間設定。

這種啟動方式是通過調節正反并聯可控硅導通角的辦法來調節電機的端電壓，使電機電壓逐漸上升，達到壓降軟啟動的目的，它限制了電機的啟動電流，減小了啟動時對電網的沖擊，降低了非正常停機時間，提高了生產效率；而中壓電機軟啟動由于受到可控硅器件耐壓的限制，中壓電機軟啟動的問題一直未能得到很好的解決，采用這種啟動方式的軟啟動裝置對元器件特性參數的一致性要求很高，元器件的篩選率很低，極易造成整串元器件的損壞。

基于以上分析和國內外相關應用研究，從安全穩定性和可靠性考慮，船用中壓電機起動控制系統采用自耦降壓啟動方式啟動電機。

2　船用中壓電機起動控制系統工作原理

2.1電機的安全啟停

根據操作者所在的本地或者駕控臺給出的啟動信號，在啟動條件（包括槳角零位、輔機的安全運轉、主配電板大負荷啟動應答、無任何報警）滿足要求的情況下，通過自耦降壓啟動的方式安全啟動側推主電機；在本地和駕控臺都能停止主電機；緊急情況下本地和遙控都能急停主電機。

將控制位置轉換開關置位于“本地”，相應本地指示燈亮。遙控上的按鈕并不能啟動和停止輔機和主電機；

操作遙控，閉合風機啟動開關，風機運轉指示燈亮；

操作遙控，閉合發電機運轉信號，功率允許指示燈亮；

操作本地運行開關，置位于油泵啟動檔位，油泵運轉指示燈，遙控上油泵運轉指示燈，油泵接觸器閉合，油泵電機得電；

閉合端子上主配電板合閘信號開關，主配電板合閘信號燈亮；

操作遙控，閉合槳角零位開關，啟動準備完畢燈亮。

操作本地運行開關置位于主電機啟動，KM2/KM3接觸器吸合，到達設定時間后切斷 KM2/KM3，吸合KM1 主接觸器，自耦降壓啟動過程時序圖見圖5，啟動完成后啟動準備完畢指示燈熄滅，主電機運行指示燈亮，運行計時器 RHM 開始計數。

操作本地運行開關置位于油泵啟動，主電機停止，啟動準備完畢指示燈亮，主電機運行指示燈熄滅，運行計時器 RHM 停止。

2.2緊急停止

緊急停止作為應急設備，其特殊性要求在任何時刻都能響應。故此，在設計時，不遵循控制方式，即在本地控制亦可觸發遙控面板上的緊急停止，反之亦然。

為防止在排錯時電機突然運轉，在緊急停止中設置了安全啟動方式，即當緊急停止后，必須進行復位，方可再次啟動電機，否則對主電機啟動信號不響應。其原理如圖5 所示。

圖5　自耦降壓啟動控制時序圖Fig.5　Auto-voltage start control timing chart

在任何情況下，緊急停止按鈕都必須可以觸發主電機急停。緊急停止電機后，為了防止誤操作，在未回復置位到停止（本地）或觸發輔機停止（遙控）之前，主電機對啟動信號不響應，即安全啟動。

本地啟動電機并由本地產生緊急停止信號范例如下：

將控制位置轉換開關置位于“本地”，相應本地指示燈亮。啟動本地運行開關置位于主電機運行，至電機達到額定電流。

觸發緊急停止按鈕，電機停止運行，緊急停止指示燈亮，集中報警燈亮；觸發報警復位，緊急停止指示燈熄滅，集中報警燈熄滅。

2.3系統報警信號

報警信號共有 9 個（主電機過載、主電機啟動失敗、低油位、低油壓、油泵電機過載、主電機絕緣低、主電機高溫、主電機急停、啟動次數過多），可根據需要設定是否觸發緊急停止。

主電機過載報警：當出現主電機過載信號時，主電機過載報警燈亮；排除故障后，先復位熱過載繼電器，然后觸發本地的報警復位按鈕，主電機過載報警燈熄滅。

主電機啟動失敗報警：當主接觸器沒有返回閉合信號，在 25 s 內，啟動準備完畢燈亮，主電機運行燈不亮；25 s 后，啟動失敗報警燈亮；排除故障后，觸發本地的報警復位按鈕，啟動失敗報警燈熄滅。

低油位報警：當出現低油位信號時，等待 5 s 后，低油位報警燈亮；排除故障后，觸發本地的報警復位按鈕，低油位報警燈熄滅。

低油壓報警：當出現油泵低壓信號時，等待 3 s后，油泵低壓報警燈亮；排除故障后，觸發本地的報警復位按鈕，油泵低壓報警燈熄滅。

油泵過載報警：當出現油泵過載信號出現時，油泵過載報警燈亮；排除故障后，先復位熱過載繼電器，然后觸發本地的報警復位按鈕，油泵過載報警燈熄滅。

主電機絕緣低報警：當出現主電機絕緣低信號時，主電機絕緣低報警燈亮；排除故障后，觸發本地的報警復位按鈕，主電機絕緣低報警燈熄滅。

主電機高溫報警：當出現主電機高溫信號時，主電機高溫報警燈亮；排除故障后，觸發本地的報警復位按鈕，主電機高溫報警燈熄滅。

圖6　緊急停止工作原理圖Fig.6　Emergency Stop Working Principle

主電機急停報警：在任意操作位置觸發主電機急停信號，主電機急停報警燈亮；報警復位后，觸發本地的報警復位按鈕，主電機急停報警燈熄滅。

啟動次數過多報警：為保護自耦變壓器和電機頻繁啟動過熱，此報警設置為在 30 min 內只允許啟動主電機 3 次，超過 3 次啟動會觸發啟動次數過多報警；報警復位后，觸發本地的報警復位按鈕，啟動次數過多報警燈熄滅。

3　結　語

本文依據嚴謹的設計依據，總結和汲取國內外船舶中壓電氣的設計經驗，通過對比分析中壓電機的幾種啟動方式以及結合船舶現場實際工況，最終選擇最優的自耦降壓啟動方式設計系統，系統具體設計功能包含系統的安全啟?？刂?、系統的急停控制以及系統的報警信號控制。

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Design and application of marine MV thruster starter

YANG Cheng，DENG Zhi-yong，CAO Xi-feng，ZHONG Wen-cen，TIAN Fan，JIAN An-an
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper describes the MV side thruster starter in the field of ship design applications，systems typically use auto-voltage start-up mode starting thruster main motor，so reliable，can effectively prevent excessive inrush current caused by a large voltage to the main power grid drop，thereby affecting other parallel in the case of the power grid in the normal use of the device appears.Article on the MV side thruster starter working principle in detail，mainly by the principle of safe start，emergency stop works，alarm principle of three parts.

MV motors；thruster starter；auto-voltage star；emergency stop

U665.13

A

1672-7619（2016）06-0122-06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.025

2015-12-22；

2016-02-29

楊誠（1968-），男，碩士，高級工程師，主要從事船舶及海洋工程設計研究工作。