經濟型船用電動機啟動器的改進與應用研究*

陽世榮

（中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

船舶電力系統是一個獨立、非線性、多變量復雜的供電網絡，其供電容量有限［1］。船舶風機、水泵、油泵等船舶輔機大多采用鼠籠式三相異步電動機作為動力驅動，電機類旋轉負荷的用電功率約占船舶電網容量的70%以上［2～3］。由于船舶交流電網容量有限，因而對電動機啟動時的5倍～7倍負載額定電流的沖擊特別敏感［4～5］。為了減小電動機啟動時對船舶交流電網的沖擊，其電機啟動器一般采用星三角降壓軟啟動、晶閘管軟啟動以及變頻軟啟動等軟啟動方式［6～7］，以達到降低電動機啟動電流的目的。其中，晶閘管軟啟動和變頻器軟啟動設備均采用了電力電子開關器件，設備結構復雜，成本較高，并且，不論是晶閘管斬波電路還是變頻器的輸入側整流、輸出側逆變回路均會產生高次諧波［8～9］，給船舶交流電網帶來一定的電磁干擾；而星三角啟動設備結構簡單、價格便宜、可靠性高［10～11］，是一種經濟型船用電動機啟動方案，在船舶領域應用最為廣泛。

普通的星三角啟動器在啟動時，將電機的三相定子繞組接成星形，等啟動完成后，再將定子繞組接成三角形。在星三角切換的瞬間，電動機三相定子繞組之間的回路完全斷開，導致電機定子電流出現中斷，電機處于脫離電網狀態，造成了星三角切換沖擊，產生了二次沖擊電流［12］，給船舶電網和電動機運行帶來不利影響。

為解決上述問題，本文介紹了一種船用電動機星三角啟動器改進方案。當電動機啟動期間，定子繞組進行星三角切換時，定子繞組電流連續，不會出現中斷，改善了啟動性能。本文對其工作原理、技術方案、測試情況等做了重點說明。

2 普通星三角啟動過程分析

普通星三角啟動電路原理圖如圖1所示。圖1中，U1、U2，V1、V2，W1、W2分別為電動機三相定子繞組的接線端子，QF為電源開關，KM1～KM3為接觸器，FR為熱繼電器，KT為延時繼電器，S1為啟動按鈕，S2為停止按鈕，TR為控制變壓器，H1、H2分別為電源和運行指示燈。

圖1 普通星三角啟動電路原理圖

在圖1中，接通電源開關QF，電源指示燈H1亮。按下啟動按鈕S1，延時繼電器KT的線圈通電吸合并開始計時，其常開觸點KT-1和KT-2閉合。于是，交流接觸器KM3的線圈通電吸合，其常開觸點KM3-1和KM3-3閉合，常閉觸點KM3-2斷開。常開觸點KM3-1閉合，使得電機定子繞組呈星形連接，如圖2所示；常開觸點KM3-3閉合，使得交流接觸器KM1的線圈通電吸合，其常開觸點KM1-1和KM1-2閉合，因而電動機上電，開始啟動運行。

圖2 電動機定子繞組星形連接示意圖

延時5s后，延時觸點KT-3閉合、KT-5斷開。因此，交流接觸器KM3的線圈斷電釋放，其常開觸點KM3-1斷開，使得電機定子繞組斷開星形連接；同時其常閉觸點KM3-2閉合，交流接觸器KM2的線圈通電吸合，其常開觸點KM2-1閉合，其常閉觸點KM2-2斷開，使得電機定子繞組呈三角形連接，如圖3所示。至此星三角啟動完成。

圖3 電動機定子繞組三角形連接示意圖

從圖2可以看出，電動機定子繞組采用星形接法時，加在每相定子繞組上的電壓為相電壓（交流220V）；從圖3可以看出，電動機定子繞組采用三角形接法時，加在每相定子繞組上的電壓為線電壓（交流380V）。所以，星形接法每相定子繞組端電壓為三角形接法時的，其啟動電流即為三角形接法時的1/3，實現了降壓啟動的目的。

但是，在上述的星三角轉換過程中，常開觸點KM3-1斷開后（即星形連接斷開），KM2-1閉合（即連接成三角形）之前，一般約有數十毫秒的轉換時間間隔。在這段時間間隔中電動機定子繞組因KM3-1斷開而處于斷電狀態，而鼠籠式轉子為閉合回路，且在之前的定子繞組星形連接狀態時轉子已啟動旋轉，因此，此時電機處于發電機狀態，旋轉的轉子磁場切割定子繞組，在定子三相繞組端產生了感應電動勢。一旦KM2-1閉合，該感應電動勢與電網電壓在定子繞組上疊加，使得過渡過程可能產生較大的沖擊電流，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倍～20倍。該沖擊電流不僅有可能使電機的配電開關產生瞬動保護動作導致斷電停機，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。

如上所述，普通的星三角啟動電路，在星三角轉換時可能產生較大的二次沖擊電流，從而給船舶電網和電機運行帶來不利影響。

3 星三角啟動改進技術方案

為解決普通星三角切換瞬間，電動機定子三相繞組存在斷開、定子繞組電流存在中斷的問題，需對普通星三角啟動電路進行改進，在其中增加三個續流/限流電阻和一個交流接觸器。當電動機定子繞組接成星形啟動后，先接入三個電阻分別與定子三相繞組并聯，且三個電阻之間采用跨接形式以便于不斷開就可轉換成三角形；然后將定子三相繞組星形中性點斷開，三相繞組各自串聯一個電阻轉換為三角形連接；最后將各相繞組串聯的電阻短接，定子三相繞組連接成三角形。至此，星三角啟動完成。

具體的改進技術方案如圖4所示。在圖1普通星三角啟動電路的基礎上，圖4增加了三個續流/限流電阻R1、R2、R3和交流接觸器KM4，并主要通過交流接觸器KM4的控制觸點實現續流/限流電阻R1、R2、R3與電動機定子繞組之間連接方式的轉換。圖5為改進后星三角啟動過程的電動機定子三相繞組連接關系轉換示意圖。

圖4 星三角啟動電路改進原理圖

改進后的星三角啟動電路工作原理如下。

第一階段：按下啟動按鈕S1，延時繼電器KT的線圈通電吸合并開始計時，其常開觸點KT-1和KT-2閉合。于是，交流接觸器KM3的線圈通電吸合，其常開觸點KM3-1和KM3-3閉合，其常閉觸點KM3-2斷開。常開觸點KM3-1閉合，使得電機定子繞組呈星形連接，如圖5（a）所示；常開觸點KM3-3閉合，使得交流接觸器KM1的線圈通電吸合，其常開觸點KM1-1和KM1-2閉合，因而電動機上電。

此時，電動機定子繞組為星形連接，開始上電啟動，如圖5（a）所示。

第二階段：延時5s后，延時觸點KT-3閉合，交流接觸器KM4的線圈通電吸合，其常開觸點KM4-1閉合，其常閉觸點KM4-2斷開。此時，續流/限流電阻R1、R2、R3接入星形連接的定子繞組回路，分別與定子三相繞組并聯；并且，三個電阻之間采用跨單相繞組連接的形式，能夠實現不斷開定子繞組就可轉換成三角形連接，如圖5（b）所示。

圖5 改進后星三角啟動過程的電動機定子三相繞組連接關系轉換示意圖

第三階段：常閉觸點KM4-2斷開，使得交流接觸器KM3的線圈斷電釋放，其常開觸點KM3-1斷開，使得電機定子三相繞組斷開星形連接的中性點，續流/限流電阻R1、R2、R3自動分別與相應的定子三相繞組串聯，接成三角形，由于續流/限流電阻R1、R2、R3的存在，星三角切換過程中，電機定子三相繞組沒有斷開，定子電流不會中斷，如圖5（c）所示。

第四階段：由于交流接觸器KM3的線圈斷電釋放，其常閉觸點KM3-2恢復閉合狀態。從而交流接觸器KM2的線圈通電吸合，其常開觸點KM2-1閉合，使得續流/限流電阻R1、R2、R3旁路，電機定子三相繞組直接接成三角形；交流接觸器KM2的常閉觸點KM2-2和KM2-3則斷開，使得交流接觸器KM4的線圈斷電釋放，續流/限流電阻R1、R2、R3斷開。此時，星三角切換全部完成，如圖5（d）所示。

相比于普通星三角啟動，改進后的方案在星三角切換過程中，通過接入三個續流/限流電阻，與電機定子三相繞組先后并聯、串聯最后旁路切除，實現了在整個電機啟動過程中，定子三相繞組始終未斷開不斷電、定子繞組電流始終連續，從而避免了普通星三角切換過程中因電機定子繞組瞬間斷開再上電而產生的二次沖擊電流，電機啟動過程中瞬態電壓降造成的影響也相應被消除。

4 對比測試情況

為對比普通星三角啟動和改進后星三角啟動的效果，搭建了啟動器測試試驗系統，如圖6所示。

圖6 啟動器測試試驗系統原理示意圖

圖6中，選用一臺380V、5.5kW的離心式水泵為被啟動對象，通過調節出口閥的開度可以模擬水泵輕載啟動工況；星三角啟動器輸入端電纜連接380V交流電網，輸出端電纜連接水泵電動機；由于星三角切換時間僅數十毫秒，一般的萬用表或鉗形表無法測到電流變化情況，因此在啟動器輸出端電纜上安裝了電流霍爾傳感器，電流霍爾傳感器的測量電纜與示波器連接，由示波器測量、記錄星三角切換瞬間的電流波形。

對比測試的電流波形如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，普通星三角啟動過程中，星三角切換期間存在明顯的電流中斷，在定子三相繞組接成三角形的瞬間出現了較大的二次沖擊電流；從圖8可以看出，改進后的星三角啟動過程，定子電流始終連續。

圖7 普通星三角切換過程電流波形圖

圖8 改進后星三角切換過程電流波形圖

5 結語

本文介紹的星三角啟動改進方案可實現在整個啟動過程中，電動機定子三相繞組電流連續，消除了普通星三角切換可能產生的較大的二次沖擊電流，有利于改善電動機啟動性能，減少對交流電網的沖擊。

船舶交流電網容量較小，但泵與風機等輔機用電負載數量眾多［13］，必須嚴格限制輔機電動機啟動電流、減少對船舶電網的沖擊。本文介紹的星三角啟動改進方案應是一種最為經濟可靠和有效的船用電動機啟動器解決方案，并且具有一定的通用性，也可適用于石油、化工、冶金等行業的低成本電動機限流啟動應用場合。