H2367船側推起動控制方案研究及應用

李春明 駱觀軒 李朋

摘? ? 要：本文結合H2367船配置的側推技術需求特點，通過對四種常見的側推起動控制方案的研究分析，選用適合本船需要的推進器起動控制方式。并通過實船應用研究，為其它船舶產品側向推進器起動控制方案的選用提供有益的參考。

關鍵詞：船舶側向推進器;變頻控制;軟起動器

中圖分類號：U661.34 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Selection and Application of Thruster Starter Control

Scheme of H2367 Ship

LI Chunming， LUO Guanxuan， LI Peng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： The purpose of this paper is to combine the technical demand characteristics of the thruster equipped on the h2367 ship， through the research， analysis of four common thruster starter control schemes， select the? ?thruster starter control mode suitable for the needs of the ship， and provide useful technical reference for the selection of the thruster starter control schemes of other ships.

Key words： Ship thruster;? Frequency conversion control;? Soft starter

1? ? ?前言

隨著大功率晶閘管交流技術的發展、新型交流調速技術的突破、以及交流變頻器的使用，船舶電力推進進入了新的發展時期，并得到了廣泛的應用。

我司建造的H2367船采用全電力驅動雙全回轉舵槳裝置，在船首部設有2臺管隧式680 kW側向推進器（下述簡稱側推），在尾部設有兩臺2 000 kW全回轉舵槳推進器，用于本船進出港、靠離碼頭、動力定位、救助作業任務等使用。本船裝配的側推電機功率較大，且使用使命及作業具有一定的特殊性，對側推控制精度及反應速度有較高的要求，必須選擇適用的側推起動控制方式，確保側推的控制精度及反應速度滿足本船的要求。

目前，較常見的側推起動控制方式有四種：自耦變壓器起動;軟起動器起動;12脈沖變頻器起動;AFE變頻器起動。本船側推艙室空間有限，需結合本船特點選用起動控制方案。為此，我們從設備技術性能、安裝布置、重量、散熱、起動響應速度、經濟性等方面，進行了詳細的對比分析和論證。

2? ? ?四種起動控制方式技術方案對比

2.1? ?技術性能對比

2.1.1 自耦變壓器起動控制方式

這是最早且最常用的一種起動較大功率電機的起動控制方式。自耦變壓器作為異步電動機的起動補償器對電動機進行降壓起動，其結構及原理較為簡單。在降壓起動過程中，電動機開始是連接自耦變壓器的二次側，比如65%的抽頭，到達整定時間后脫離自耦變壓器，電動機全壓運行完成起動，屬傳統的控制型式。

2.1.2 軟起動器起動控制方式

這是國內外比較成熟且應用較廣的一種起動控制方式。軟起動器起動控制的原理是采用三相反并聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間，起動起動電動機時晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通投入工作，實現平滑起動，降低起動電流，避免起動過流跳閘;待電動機達到額定轉速時，起動過程結束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。

2.1.3 變頻器起動控制方式

通過變頻器來實時調節槳葉的轉速從而改變推力。目前國內外的變頻器，主要為12脈沖變頻器（6脈沖變頻器類同）和AFE變頻器：

（1） 12脈沖變頻器由兩組二極管整流串聯而成，分別由輸入變壓器的兩組二次繞組（星形和三角形互差30°電角度）供電，通常使用在電站容量相對較小的側推以及配合濾波器的小型電力推進系統，諧波控制一般在10%以內，需要配置移相變壓器和預充磁變壓器進行工作;

（2） AFE變頻器整流回路采用有源可控IGBT整流元件，開通/關斷均可控;變頻器可四象限運行，實現電流雙向流通;具備主動控制功能，不僅能消除高次諧波，提高功率因數，而且不受電網波動的影響，諧波含量較低，主網諧波小于規范要求的5%。

上述軟起動器及變頻器的起動控制方式，屬于較常用的控制型式，其中AFE變頻器起動為目前最高技術要求的起動控制型式。

2.2? ?設備配置及可行性分析

2.2.1設備配置

（1）自耦變壓器起動方式，由1個850 kVA自耦變壓器和1個起動箱柜組成;

（2）軟起動器起動方式，由1個軟起動柜組成;

（3）12脈沖變頻器起動方式，由1個變頻柜、1個850 kVA移相變壓器、1個小容量同變比的40 kVA預充磁變壓器組成;

（4）AFE變頻器起動方式，由1個AFE變頻柜組成。

2.2.2 設備重量對比

從上述各種起動控制方案的設備配置情況來看，以單臺側推為例，各種方案的優劣性如下;

（1）12脈沖變頻器起動方案與AFE變頻器起動方案設備大、重量大，不利于艙室設備布置。其中，12脈沖變頻器方案起動重量最大，比AFE變頻器起動方案需多配置1臺移相變壓器和1臺預充磁變壓器;

（2）自耦變壓器起動方案設備配置數量多，所需艙室尺寸更大，不利于艙室設備布置;

（3）軟起動器起動方案所需艙室布置尺寸及設備重量最小，有利于艙室設備布置。相對于軟起動器起動方案，如采用12脈沖變頻器起動方案，本船首部將增加約3 000 kg重量;如采用AFE變頻器起動方案，船首部將增加約1 000 kg重量。

2.2.3 裝船可行性分析

根據本船首側推艙/兼應急消防泵艙室結構及設備情況，采用上述4種起動控制方案的設備裝船布置示意圖，見圖1～圖4。

從圖1～圖4可以看出：若采用AFE變頻器與自耦變壓器的起動控制方案，因首側推艙/兼應急消防泵艙室已布置有2臺日用變壓器，其艙室中間預留的電機散熱空間和人員通道較為緊湊，設備的控制、維修空間僅勉強夠用;而采用12脈沖變頻器起動方案，增加的4臺變壓器無法布置，需要占用旁邊的電工間進行布置，如不加大首側推艙/兼應急消防泵艙室面積，則設備基本無法進行布置;而采用軟起動器起動方案，設備布置占用空間最小， 有利于總體設備的布置。

2.3? ?諧波影響對比

（1）采用自耦變壓器起動方案時，因原理及結構方式不同，對諧波控制沒有影響，但起動瞬間對電網沖擊較大;

（2）采用單臺12脈沖變頻柜與移相變壓器設備與電網連接時，主電網中的諧波主要集中在11次諧波和13次諧波，電網的電流諧波總畸變率（THD）約為8.4%，電流總需量畸變系數（TDD）約為6.1%;

（3）采用AFE變頻器起動方案時，設備的電網諧波主要集中在頻率相對較低的5次諧波和7次諧波，電網的電流諧波總畸變率（THD）約為3.9%，電流總需量畸變系數（THD）約為2.9%;

（4）采用軟起動器方案時，其電網的電流諧波總畸變率（THD）約為2.9%，電流總需量畸變系數（TDD）約為2.3%。

由此可以得出：采用12脈沖變頻器起動方式產生的諧波是AFE變頻器起動方式、軟起動器起動方式諧波的2倍多，這三種諧波性能均滿足功能需求和規范要求;但軟起動器起動方式比12脈沖變頻器、AFE變頻器起動方式諧波失真小，對電網影響最小。

2.4? ?可靠性分析

因自耦變壓器起動方式及結構與軟起動器、變頻器起動方式存在較大差異，故僅對國外知名品牌公司提供的12脈沖變頻器和AFE變頻器、軟起動器起動方式的元器件進行比較：

（1）12脈沖變頻器起動方式的進線環節為電抗器，整流橋為二極管，直流回路主要元器件為電抗器、電容器，逆變器為IGBT，輸出環節主要為du/dt濾波器;

（2）AFE變頻器起動方式的進線環節為LCL濾波器，整流橋為IGBT，直流回路主要元器件為電抗器、電容器，逆變器為IGBT，輸出環節主要為du/dt濾波器，與12脈沖變頻器起動方式結構相差不大;

（3）軟起動器起動方式的主要元器件為SCR整流橋，其它元器件幾乎沒有;

（4）12脈沖變頻器和AFE變頻器起動方式在進線環節和整流環節存在差異，在直流環節和逆變輸出環節都是采用相同的器件，而軟起動器核心部件為SCR（晶閘管）;

（5）元器件的可靠性，從低到高排序為：直流回路電容器

通過上述分析，可得出如下結論：

（1）12脈沖變頻器和AFE變頻器起動方式采用了相同的逆變環節和直流環節，故障機率一致;

（2）在整流部分，12脈變頻器起動方式使用二極管整流，性能略好，可靠性要比AFE變頻器略高;

（3）軟起動器起動方式原理比較簡單，可靠性相對稍高。隨著半導體技術的不斷進步，軟起動器、變頻器起動方式各種元器件的壽命和可靠性都在不斷提高，元器件自身出現故障的概率極低;

（4）12脈沖變頻器和AFE變頻器及軟起動器起動控制方案采用國外知名品牌公司的產品，其變頻器技術及軟起動器技術均較成熟，具有較高的可靠性。

2.5? ?側推艙空調通風需求對比

本船側推一般在進出港、靠離碼頭及動力定位時使用。在進出港和靠離碼頭的工況下，尤其在靠離碼頭時，側推負荷相對較大，但因作業時間短（不超過30 min），一般不會出現散熱問題;動力定位工況主要出現在執行海上搜救任務或特種作業時，由于側推是協同主推作業，此工況下側推的平均負荷不超過其額定功率的50%，空調通風的散熱設計據此及按機械處所通風量ISO計算標準進行。

按照外界溫度35 ℃、設備降容起始溫度45 ℃、AFE/起動器設備停機50 ℃、12脈沖變頻設備停機55 ℃的艙內最高溫度，計算得出的通風量，如表1所示。

表1? 各種起動控制方案的空調通風量

根據側推艙各設備發熱量，配置的通風方案為：2臺風機，每臺風量為76 00 m3/h;采用軟起動器、自耦變壓器起動控制方案，能滿足首側推正常運行;如采用AFE變頻器或12脈沖變頻器起動控制方案，則需要增加通風量或風機盤管才能滿足首側推正常運行。

2.6? ? 維修性分析

（1）自耦變壓器起動方案采用傳統的電氣控制方式，維修簡單且工作量小;

（2）軟起動器起動控制原理也較簡單，與變頻器起動方案相比維修要求較低，與自耦變壓器起動方案相比維修要求稍高;

（3）12脈沖變頻器與AFE變頻器主柜體尺寸和結構設計一致，維修空間要求也一致，模塊化程度及維修要求均較高。

2.7? ?成本比較

自耦變壓器、軟起動器是傳統產品，成本相對較低;12脈沖變頻器、AFE變頻器價格相對較昂貴，是制約變頻器起動方式推廣的主要原因之一。若將自耦變壓器起動方式的成本系數設為1，則軟起動器起動方式成本系數為1.3～1.5、12脈沖變頻器起動方式成本系數為1.6～1.8、AFE變頻器成本系數為1.8～2。

2.8? ?起動響應速度

（1）自耦變壓器起動時間根據負載大小調整，電機功率大，起動電流也大。起動后會慢慢回落到正常，大約需12～20 s;

（2）軟起動器從起動到投入工作的時間，約為16～40 s。

（3）12脈沖變頻器與AFE變頻器可在一定范圍內任意設定起動的時間，最短為0～120 s，最長可達0～6000 s;變頻器從靜止—起動—開始工作的時間約為60 s，其中瞬間起動時間為5～6 s。

2.9? ?使用業績

上述各種起動控制方案在船舶側推方面均有使用業績，但對大功率設備采用軟起動器及變頻器起動方案的市場占有率較高。

3? ? 各種控制方案比較及選用

通過上述各種方案的對比，可將其對比結果簡化為表2所示。

表2? 各種起動方案對比結果

經過綜合考慮設備性能、裝船、成本、布置及維護等最優化，本船側推起動控制采用軟起動器方案。

4? ? ?實船應用

（1）本船配置的側推電機型號為：SIEMENS的1LA8407-4AB04-Z。主要參數如下：

額定功率682 kW;額定電壓AC690 V 50 Hz;額定電流676 A;額定轉速1 492 r/min;電機轉矩4545 Nm;額定轉矩4 363 Nm;起動電流IA/IN=7.10;起動額定轉矩2.0。

（2）根據電機參數配置的軟起動器型號為：以色列RVS-DN。主要參數如下：

額定電壓AC690 V 50 Hz;額定電流820 A;額定頻率50 Hz;服務電流680 A;額定工頻耐受電壓2.5 kV;母線額定短時耐受電流50 kA/1s;母線額定峰值耐受電流125 kA。

（3）實船調試參數

通過單臺測試，調整并設置軟起動器中的主要參數如下：

① 整體參數

軟起額定電流820 A;電機額定電流680 A;低電流跳閘延時10 s;過流 - 安全銷850%;過載跳閘115%;過載延遲4 s;低電壓跳閘AC520 V;低電壓延時5 s;過壓跳閘AC750 V;過壓延時2 s。

② 起動參數

軟起曲線0（標準）;脈沖時間0 s;初始電壓10%;電流限制250%;加速時間10 s;最長起動時間20 s;起動次數4次;起動周期30 min;起動禁止10min;旁路接觸器延時2 s。

③ 馬達過載繼電器參數

過流值95%;過流曲線E.1;時間倍增值1;低接地故障值20%;低接地故障跳閘時間5 s。

除上述主要參數，還需要設置故障參數、停止參數、雙調節參數、節能和低速參數、I/O 編程參數、通訊參數等。

（4）側推電機試驗

通過上述逐項調整，試驗時兩臺發電機在線，1#和2#主推變頻器同時運行：主推每臺負載為12%、轉速為400 r/min;單臺側推軟起起動，起動最大電流為額定電流的60%，最小電壓為96%（AC662 V）;最大電壓為101%（AC697 V）;從起動到正常投入工作時間為22 s，起動響應速度比理論值較短。起動電流波形見圖5。

圖5? 側推起動電流波形圖

（5）諧波值測量

① 在發電機單機空載運行、主推變頻器/側推未運行的電網狀態下，測得的總諧波為2.9、單次諧波為2.3;

② 在發電機單機空載運行、主推變頻器/側推運行的電網狀態下，測得的總諧波為2.6、單次諧波為2.4。

從上述測量數值來看，其側推運行過程中對諧波的影響相對較低，滿足規范對諧波系數的要求。

綜上所述，從系泊及航行試驗使用側推的情況來看，其側推起動時對電網沖擊平穩，起動時間較短在30 s內，操作及控制反饋及時，得到了業主的認可及好評。

5? ? 結束語

根據設計前期對側推起動控制方案的分析對比，從設備布置及艙室散熱通風需求、設備的經濟性、可維修性、可靠性、起動響應速度等方面綜合考慮，選用了最優的軟起動器起動方案，為后續或同類型船的側推起動控制方案選型作了有益的技術探討?；诖敖ㄔ熘芷谳^短，建議在方案設計前期就根據船舶的特點和需求對側推裝置的起動控制方案進行分析并確定下來，以便于后期工作的開展。

參考文獻

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