经济型船用电动机启动器的改进与应用研究*

阳世荣

（中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

船舶电力系统是一个独立、非线性、多变量复杂的供电网络，其供电容量有限［1］。船舶风机、水泵、油泵等船舶辅机大多采用鼠笼式三相异步电动机作为动力驱动，电机类旋转负荷的用电功率约占船舶电网容量的70%以上［2～3］。由于船舶交流电网容量有限，因而对电动机启动时的5倍～7倍负载额定电流的冲击特别敏感［4～5］。为了减小电动机启动时对船舶交流电网的冲击，其电机启动器一般采用星三角降压软启动、晶闸管软启动以及变频软启动等软启动方式［6～7］，以达到降低电动机启动电流的目的。其中，晶闸管软启动和变频器软启动设备均采用了电力电子开关器件，设备结构复杂，成本较高，并且，不论是晶闸管斩波电路还是变频器的输入侧整流、输出侧逆变回路均会产生高次谐波［8～9］，给船舶交流电网带来一定的电磁干扰；而星三角启动设备结构简单、价格便宜、可靠性高［10～11］，是一种经济型船用电动机启动方案，在船舶领域应用最为广泛。

普通的星三角启动器在启动时，将电机的三相定子绕组接成星形，等启动完成后，再将定子绕组接成三角形。在星三角切换的瞬间，电动机三相定子绕组之间的回路完全断开，导致电机定子电流出现中断，电机处于脱离电网状态，造成了星三角切换冲击，产生了二次冲击电流［12］，给船舶电网和电动机运行带来不利影响。

为解决上述问题，本文介绍了一种船用电动机星三角启动器改进方案。当电动机启动期间，定子绕组进行星三角切换时，定子绕组电流连续，不会出现中断，改善了启动性能。本文对其工作原理、技术方案、测试情况等做了重点说明。

2 普通星三角启动过程分析

普通星三角启动电路原理图如图1所示。图1中，U1、U2，V1、V2，W1、W2分别为电动机三相定子绕组的接线端子，QF为电源开关，KM1～KM3为接触器，FR为热继电器，KT为延时继电器，S1为启动按钮，S2为停止按钮，TR为控制变压器，H1、H2分别为电源和运行指示灯。

图1 普通星三角启动电路原理图

在图1中，接通电源开关QF，电源指示灯H1亮。按下启动按钮S1，延时继电器KT的线圈通电吸合并开始计时，其常开触点KT-1和KT-2闭合。于是，交流接触器KM3的线圈通电吸合，其常开触点KM3-1和KM3-3闭合，常闭触点KM3-2断开。常开触点KM3-1闭合，使得电机定子绕组呈星形连接，如图2所示；常开触点KM3-3闭合，使得交流接触器KM1的线圈通电吸合，其常开触点KM1-1和KM1-2闭合，因而电动机上电，开始启动运行。

图2 电动机定子绕组星形连接示意图

延时5s后，延时触点KT-3闭合、KT-5断开。因此，交流接触器KM3的线圈断电释放，其常开触点KM3-1断开，使得电机定子绕组断开星形连接；同时其常闭触点KM3-2闭合，交流接触器KM2的线圈通电吸合，其常开触点KM2-1闭合，其常闭触点KM2-2断开，使得电机定子绕组呈三角形连接，如图3所示。至此星三角启动完成。

图3 电动机定子绕组三角形连接示意图

从图2可以看出，电动机定子绕组采用星形接法时，加在每相定子绕组上的电压为相电压（交流220V）；从图3可以看出，电动机定子绕组采用三角形接法时，加在每相定子绕组上的电压为线电压（交流380V）。所以，星形接法每相定子绕组端电压为三角形接法时的，其启动电流即为三角形接法时的1/3，实现了降压启动的目的。

但是，在上述的星三角转换过程中，常开触点KM3-1断开后（即星形连接断开），KM2-1闭合（即连接成三角形）之前，一般约有数十毫秒的转换时间间隔。在这段时间间隔中电动机定子绕组因KM3-1断开而处于断电状态，而鼠笼式转子为闭合回路，且在之前的定子绕组星形连接状态时转子已启动旋转，因此，此时电机处于发电机状态，旋转的转子磁场切割定子绕组，在定子三相绕组端产生了感应电动势。一旦KM2-1闭合，该感应电动势与电网电压在定子绕组上叠加，使得过渡过程可能产生较大的冲击电流，在最恶劣的情况下，峰值冲击电流可能达到电机额定电流的15倍～20倍。该冲击电流不仅有可能使电机的配电开关产生瞬动保护动作导致断电停机，还有可能使电机启动器内的接触器由于瞬态压降过大导致误动作。

如上所述，普通的星三角启动电路，在星三角转换时可能产生较大的二次冲击电流，从而给船舶电网和电机运行带来不利影响。

3 星三角启动改进技术方案

为解决普通星三角切换瞬间，电动机定子三相绕组存在断开、定子绕组电流存在中断的问题，需对普通星三角启动电路进行改进，在其中增加三个续流/限流电阻和一个交流接触器。当电动机定子绕组接成星形启动后，先接入三个电阻分别与定子三相绕组并联，且三个电阻之间采用跨接形式以便于不断开就可转换成三角形；然后将定子三相绕组星形中性点断开，三相绕组各自串联一个电阻转换为三角形连接；最后将各相绕组串联的电阻短接，定子三相绕组连接成三角形。至此，星三角启动完成。

具体的改进技术方案如图4所示。在图1普通星三角启动电路的基础上，图4增加了三个续流/限流电阻R1、R2、R3和交流接触器KM4，并主要通过交流接触器KM4的控制触点实现续流/限流电阻R1、R2、R3与电动机定子绕组之间连接方式的转换。图5为改进后星三角启动过程的电动机定子三相绕组连接关系转换示意图。

图4 星三角启动电路改进原理图

改进后的星三角启动电路工作原理如下。

第一阶段：按下启动按钮S1，延时继电器KT的线圈通电吸合并开始计时，其常开触点KT-1和KT-2闭合。于是，交流接触器KM3的线圈通电吸合，其常开触点KM3-1和KM3-3闭合，其常闭触点KM3-2断开。常开触点KM3-1闭合，使得电机定子绕组呈星形连接，如图5（a）所示；常开触点KM3-3闭合，使得交流接触器KM1的线圈通电吸合，其常开触点KM1-1和KM1-2闭合，因而电动机上电。

此时，电动机定子绕组为星形连接，开始上电启动，如图5（a）所示。

第二阶段：延时5s后，延时触点KT-3闭合，交流接触器KM4的线圈通电吸合，其常开触点KM4-1闭合，其常闭触点KM4-2断开。此时，续流/限流电阻R1、R2、R3接入星形连接的定子绕组回路，分别与定子三相绕组并联；并且，三个电阻之间采用跨单相绕组连接的形式，能够实现不断开定子绕组就可转换成三角形连接，如图5（b）所示。

图5 改进后星三角启动过程的电动机定子三相绕组连接关系转换示意图

第三阶段：常闭触点KM4-2断开，使得交流接触器KM3的线圈断电释放，其常开触点KM3-1断开，使得电机定子三相绕组断开星形连接的中性点，续流/限流电阻R1、R2、R3自动分别与相应的定子三相绕组串联，接成三角形，由于续流/限流电阻R1、R2、R3的存在，星三角切换过程中，电机定子三相绕组没有断开，定子电流不会中断，如图5（c）所示。

第四阶段：由于交流接触器KM3的线圈断电释放，其常闭触点KM3-2恢复闭合状态。从而交流接触器KM2的线圈通电吸合，其常开触点KM2-1闭合，使得续流/限流电阻R1、R2、R3旁路，电机定子三相绕组直接接成三角形；交流接触器KM2的常闭触点KM2-2和KM2-3则断开，使得交流接触器KM4的线圈断电释放，续流/限流电阻R1、R2、R3断开。此时，星三角切换全部完成，如图5（d）所示。

相比于普通星三角启动，改进后的方案在星三角切换过程中，通过接入三个续流/限流电阻，与电机定子三相绕组先后并联、串联最后旁路切除，实现了在整个电机启动过程中，定子三相绕组始终未断开不断电、定子绕组电流始终连续，从而避免了普通星三角切换过程中因电机定子绕组瞬间断开再上电而产生的二次冲击电流，电机启动过程中瞬态电压降造成的影响也相应被消除。

4 对比测试情况

为对比普通星三角启动和改进后星三角启动的效果，搭建了启动器测试试验系统，如图6所示。

图6 启动器测试试验系统原理示意图

图6中，选用一台380V、5.5kW的离心式水泵为被启动对象，通过调节出口阀的开度可以模拟水泵轻载启动工况；星三角启动器输入端电缆连接380V交流电网，输出端电缆连接水泵电动机；由于星三角切换时间仅数十毫秒，一般的万用表或钳形表无法测到电流变化情况，因此在启动器输出端电缆上安装了电流霍尔传感器，电流霍尔传感器的测量电缆与示波器连接，由示波器测量、记录星三角切换瞬间的电流波形。

对比测试的电流波形如图7、图8所示。从图7可以看出，普通星三角启动过程中，星三角切换期间存在明显的电流中断，在定子三相绕组接成三角形的瞬间出现了较大的二次冲击电流；从图8可以看出，改进后的星三角启动过程，定子电流始终连续。

图7 普通星三角切换过程电流波形图

图8 改进后星三角切换过程电流波形图

5 结语

本文介绍的星三角启动改进方案可实现在整个启动过程中，电动机定子三相绕组电流连续，消除了普通星三角切换可能产生的较大的二次冲击电流，有利于改善电动机启动性能，减少对交流电网的冲击。

船舶交流电网容量较小，但泵与风机等辅机用电负载数量众多［13］，必须严格限制辅机电动机启动电流、减少对船舶电网的冲击。本文介绍的星三角启动改进方案应是一种最为经济可靠和有效的船用电动机启动器解决方案，并且具有一定的通用性，也可适用于石油、化工、冶金等行业的低成本电动机限流启动应用场合。