0 引 言

船舶电气化经历较长时间发展。在蒸汽机时代，船舶上的电能仅用来照明，电站总功率只有几十千瓦，采用直流电制；到 20 世纪 60 年代，蒸汽机逐步被内燃机取代，同一时期，船舶电力系统中直流电制也逐步被交流电制取代；发展到这一阶段，船上除主机和发电柴油机外，其他绝大部分船舶辅机设备都实现了电力驱动，船舶电气时代正式到来，此时基本上所有的船舶电力系统都采用了低压交流系统；随着技术的进步和人类发展需求的不断变化，大型集装箱船、油轮、豪华游轮、客货滚装船等大吨位船型的大功率推进器的应用越来越多。为突破船舶低压用电的局限性，中压设备的应用必将是船舶电气未来的发展趋势。

1 船舶侧向推进器

船舶侧向推进器一般分为首侧推和尾侧推，主要用于侧推器的驱动动力装置。侧推器的作用主要是：提高船舶操纵性能，特别是航速为 0 或航速很慢时的操作性能；缩短船舶靠离码头的时间；节约拖船费用；提高船舶机动航行时的安全性；减少主机启动、换向次数，延长主机使用寿命。侧推器的驱动动力装置一般采用大功率低压电机或经过升压变压器升压后驱动中压电机的运转，来驱动一个可变距桨叶；通过调节变距桨的桨叶角，即改变螺距的大小达到控制侧推力的方向和大小；而螺距的控制器一般安装在变距桨桨壳的内部，具体实现方法是从操作指令到液压机构全部采用电气信号的传输方式，然后通过电-液信息变换以控制所要求的螺距角度值（见图 1）。

1.1 船用中压电机起动控制系统技术指标

1）CCS 船级社规范。船用中压电机起动控制系统需满足《中国船级社钢制海船入级规范（2012）》、《中国船级社产品检验指南（2012）》等规范要求。

2）兼容性及通用性。系统具有一定的兼容性及通用性，通过配套遥控系统控制，能够适用于大吨位不同船型不同型号的大功率推进系统。

3）系统供电电压。为系统供电电压：AC1 kV < U < AC15 kV，如有特殊需要，经相关船级社同意可采用更高的电压。

4）系统内供电隔离。电压超过 1 kV 的中高压电气设备和低压设备不应组合在同一外壳（柜）内，除非采取隔离或其他合适的措施，以确保人员能够无危险地接近低压电气设备。

5）电气间隙和爬电距离。中高压电气设备的电气间隙和爬电距离应符合下述要求：若电压为表 1 所列电压的中间值，则应取电压高的这一档次值，最小电气间隙见表 1。

爬电距离：带电部件之间及带电部件与接地金属部件之间的爬电距离，应符合相关 IEC 出版物关于系统的额定电压、绝缘材料特性和开关及故障时产生瞬间过电压的规定；有开关设备的汇流排分段上的非标准部件，最小爬电距离应至少 25 mm/kV，在限流设备后 16 mm/kV。

1.2 船用中压电机起动控制系统的组成和应用

本装置由多种电气元件组成，分为启动控制柜和机旁控制箱，其重要部件由隔离开关、高压真空接触器、自耦变压器、控制继电器及按钮指示灯等组成。

系统启动过程中，通过控制接触器的动作时间及吸合先后循序，将自耦变压器串入回路，通过自耦降压起动方式平稳起动中压电机，起动时可有效地降低起动的电流和压降，对同一电网的冲击小，稳定性能好。

船用中压电机起动控制系统主要应用于大吨位船舶频繁的靠离岸、狭窄航道或港湾中低速运行船舶舵效降低时提高船舶的操纵性能、动力定位系统及电力推进系统。

1.3 主要组成元件

1）隔离开关。主回路进线隔离开关主要是将电源和用电设备进行隔离，在检修柜内设备时能有效就地切断柜内电源，确保安全的进行检修；隔离开关要求必须有明显、可见的断点，对切断负荷能力没有要求；隔离开关必须在不带负荷或带较小负荷的情况下进行操作，不能作为负荷开关使用。

2）高压真空接触器。用于远距离频繁起动或控制交流电动机，以及接通、分断正常工作的主电路和控制电路；其以真空为灭弧介质，主触点密封在特制的真空灭弧管内；当操作线圈通电时，衔铁吸合，在触点弹簧和真空管自闭力的作用下触点闭合；操作线圈断电时，反力弹簧克服真空管自闭力使衔铁释放，触点断开；真空接触器具有噪声小、灭弧能力强、无电弧外喷、耐压性能好、使用寿命长、体积小、可频繁操作等优点。

3）自耦变压器。自耦变压器是只有一个绕组的变压器，当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组；当作为升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的一部分线匝上。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组，其余部分称为串联绕组，同容量的自耦变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且变压器容量越大，电压越高，这个优点就越加突出。因此随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自耦变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用。

4）可编程报警器模块。LUXCO 公司 SA-PSM 系列可编程报警器模块可根据需求选择输入输出开关量组数，其每组输入通道和输出通道一一对应，可以很直观地判别通道的动作情况，此报警器还配置有调节输出频率的旋钮，可实现输出报警指示灯的快闪、慢闪功能，还配置有使能输入和测试通道，相应可实现试灯和报警复位功能，具有较强的控制能力。

5）控制继电器。控制继电器线圈按电压可分为不同等级，一般有 DC24 V、AC220 V、AC380 V、AC415 V、AC440 V、AC690 V 等电压等级，当在线圈两端加上额定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合；当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放；这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的；对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有 2 股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

1.4 系统启动方式分析

笼型异步电动机的启动方法有以下 2 种：

1）直接启动 。用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电网上，所以直接启动就是全压启动。从电动机本身来说，三相笼型异步电动机都允许直接启动。直接启动方法的应用主要受到电源容量的限制，若电源容量不够大，则电动机的启动电流可能是线路电压显著下降，影响接在同一线路上的其他电动机或电气设备的正常工作。一般情况下，只要直接启动时的启动电流在电网中引起的电压降不超过 10％～15％，就允许采用直接启动。一般规定，异步电动机的功率小于 7.5 kW 时允许直接启动；如果功率大于 7.5 kW，而电网容量较大，能满足式（1）的电动机也可以直接启动，即

${{K}_{1}}=\frac{{{I}_{s}}t}{{{I}_{N}}}\left( \frac{3}{4}+\frac{{{S}_{N}}}{4{{P}_{N}}} \right).$

(1)

式中：S_N 为电源总容量，kV·A；P_N 为电动机额定容量，kW。

直接启动的优点是启动设备和操作方法简单，启动转矩大，启动时间短，易于维护，设备故障率低，缺点在于启动电流很大，启动时会在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生大量的焦耳热，破坏绕组的绝缘性能，降低电机的使用寿命，由于其启动时的全压和大电流，对同网配电系统的容量有很高的要求。

2）降压启动 。当直接启动不能满足要求时，应采用降低定子电压的启动方法以限制启动电流。启动时，通过启动设备使加到电动机上的电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值时，再使电动机承受额定电压，保证电动机在额定电压下稳定工作。有以下 3 种常用启动方法：

① 自耦变压器降压启动。自耦变压器用作电动机降压启动时，称为自耦补偿启动器。三相笼型异步电动机采用自耦降压启动的接线如图 2所示。

图中 AT 为自耦变压器。电动机起动时，KM1 打开，KM2 和 KM3 闭合，电源电压经过自耦变压器降压后加到电动机上，限制了启动电流；当电机转速升高到接近额定转速时，KM2 和 KM3 断开，KM1 闭合，自耦变压器被切除，电动机在额定电压下正常运行。对电动机采用自耦变压器启动和全压启动比较如下。

设电网电压 U_N 和 I'_st 分别为自耦变压器一次侧相电压和电流，即电网相电压和电流；U'和 I_st 分别为自耦变压器二次侧的电压和电流，即电动机的定子电压和电流；N₁ 和 N₂ 分别为自耦变压器的一、二次绕组匝数，k_A 为自耦变压器电压比，k_A＜1。由变压器原理得

$\frac{{{U}'}}{{{U}_{N}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}={{k}_{A}}.$

(2)

设 I_KN 为电动机全压启动时的启动电流，则

$\frac{{{I}_{s}}t}{{{I}_{KN}}}=\frac{{{U}'}}{{{U}_{N}}}={{k}_{A}},$

再利用变压器原理得

$\frac{{{{{I}'}}_{st}}}{{{I}_{st}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}={{k}_{A}},$

将上面两式相乘，整理得：

${{{I}'}_{st}}=k_{A}^{2}{{I}_{KN}}\text{.}$

(3)

另外，由于 U' = k_AU_N，$$T \propto {U^2}$$，如果设为全压启动时得启动转矩，则自耦变压器降压启动时的启动转矩为：

${{{T}'}_{s}}t=k_{A}^{2}{{T}_{KN}}\text{,}$

(4)

式（2）~式（4）分别表明，采用自耦变压器降压启动时的相电压 U' 降为电动机直接启动时额定相电压 U_N 的 k_A 倍（k_A 小于 1），启动电流 I'_st 降低到直接启动时启动电流 I_KN 的 k_A² 倍，启动转矩 T'_st 也降为直接启动时启动转矩 T_KN 的 k_A² 倍。

自耦变压器降压启动的优点是：电压抽头可供不同负载启动时选择，启动时有效降低了启动电流和压降，对同一电网其他设备冲击小，稳定性好；缺点是体积大、成本较高，需维护检修，且多半用于不频繁使用的负载电机。

② 降压启动。Y（星形）- Δ（三角形）换接启动方法只适用于正常运行时定子绕组为Δ接法并有 6 个出线端头的笼型电动机。为减小启动电流，启动时将定子绕组改接成 Y 形，降低每相电压，当电动机转速上升到接近额定转速时再改成Δ形，其原理接线如图 3 所示。

启动时，合上接触器触点 KM1，再把 KM2 合到 Y 端，定子绕组接成 Y 形，每相绕组加的相电压为线电压的$$1/\sqrt 3 $$，启动电流减小。待电动机转速升高到接近额定转速，再把 KM2 合到△端，定子绕组改接成△形，所加电压为线电压，电动机在额定电压下正常运行。

若电动机每相阻抗为 Z_K，三相绕组 Y 连接启动，则电网提供电动机的启动电流为

${{I}_{st}}Y=\frac{{{U}_{N}}}{\sqrt{3}{{Z}_{K}}}\text{;}$

(5)

若电动机三相绕组Δ形连接时直接启动，则绕组相电压为电源电压，定子绕组每相启动电流为$$\frac{{U_N}}{{Z_K}}$$，电网提供电动机的启动电流为：

${{I}_{st}}\Delta =\sqrt{3}\frac{{{U}_{N}}}{{{Z}_{K}}}$

(6)

将式（5）与式（6）相比，得到 2 种启动电流比值为：

$\frac{{{I}_{st}}Y}{{{I}_{st}}\Delta }=\frac{1}{3}$

(7)

Y - Δ启动时的降压倍数为：

$a=\frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{N}}}=\frac{\frac{1}{\sqrt{3}}{{U}_{N}}}{{{U}_{N}}}=\frac{1}{\sqrt{3}}$

根据$T_{st} \propto U_1^2$，所以 Y 形接线时与Δ接线时启动转矩比值为：

$\frac{{{T}_{st}}Y}{{{T}_{st}}\Delta }=\frac{1}{3}.$

(8)

可见采用 Y - Δ换接启动时，启动电流和启动转矩都减小到直接启动时的 1/3。

Y - Δ换接启动的最大优点是启动电流小、启动设备简单、成本低、体积小、重量轻、操作方便，所以 Y 系列容量等级在 4 kW 以上的小型三相笼型异步电动机都设计成Δ形连接，以便采用 Y - Δ换接启动。缺点是只适用于正常运行时定子绕组为Δ形连接的电动机，并且只有一种固定的降压比；启动转矩只有Δ形直接启动时的 1/3，因此只适用于电动机轻载或空载启动。

③ 软启动器。三相笼型异步电动机还有一种新型的降压启动方法——软启动器启动，目前已得到广泛应用。软启动就是运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，电机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加，直至启动结束，电机全电压运行。图 4 所示为晶闸管交流开关用于电机启动的主电路图。

电机启动时，6 个晶闸管构成的交流开关电路工作，控制电机绕组电压按设定比率上升，当电枢电压上升至额定值时，自动切换使交流开关停止工作，交流接触器投入工作。采用软启动器将降低启动电流，减少对电网的干扰。用软启动器启动时电压沿斜坡上升，升至全压的时间可在 0.5～60 s 之间设定。

这种启动方式是通过调节正反并联可控硅导通角的办法来调节电机的端电压，使电机电压逐渐上升，达到压降软启动的目的，它限制了电机的启动电流，减小了启动时对电网的冲击，降低了非正常停机时间，提高了生产效率；而中压电机软启动由于受到可控硅器件耐压的限制，中压电机软启动的问题一直未能得到很好的解决，采用这种启动方式的软启动装置对元器件特性参数的一致性要求很高，元器件的筛选率很低，极易造成整串元器件的损坏。

基于以上分析和国内外相关应用研究，从安全稳定性和可靠性考虑，船用中压电机起动控制系统采用自耦降压启动方式启动电机。

2 船用中压电机起动控制系统工作原理 2.1 电机的安全启停

根据操作者所在的本地或者驾控台给出的启动信号，在启动条件（包括桨角零位、辅机的安全运转、主配电板大负荷启动应答、无任何报警）满足要求的情况下，通过自耦降压启动的方式安全启动侧推主电机；在本地和驾控台都能停止主电机；紧急情况下本地和遥控都能急停主电机。

将控制位置转换开关置位于“本地”，相应本地指示灯亮。遥控上的按钮并不能启动和停止辅机和主电机；

操作遥控，闭合风机启动开关，风机运转指示灯亮；

操作遥控，闭合发电机运转信号，功率允许指示灯亮；

操作本地运行开关，置位于油泵启动档位，油泵运转指示灯，遥控上油泵运转指示灯，油泵接触器闭合，油泵电机得电；

闭合端子上主配电板合闸信号开关，主配电板合闸信号灯亮；

操作遥控，闭合桨角零位开关，启动准备完毕灯亮。

操作本地运行开关置位于主电机启动，KM2/KM3 接触器吸合，到达设定时间后切断 KM2/KM3，吸合 KM1 主接触器，自耦降压启动过程时序图见图 5，启动完成后启动准备完毕指示灯熄灭，主电机运行指示灯亮，运行计时器 RHM 开始计数。

操作本地运行开关置位于油泵启动，主电机停止，启动准备完毕指示灯亮，主电机运行指示灯熄灭，运行计时器 RHM 停止。

2.2 紧急停止

紧急停止作为应急设备，其特殊性要求在任何时刻都能响应。故此，在设计时，不遵循控制方式，即在本地控制亦可触发遥控面板上的紧急停止，反之亦然。

为防止在排错时电机突然运转，在紧急停止中设置了安全启动方式，即当紧急停止后，必须进行复位，方可再次启动电机，否则对主电机启动信号不响应。其原理如图 6 所示。

在任何情况下，紧急停止按钮都必须可以触发主电机急停。紧急停止电机后，为了防止误操作，在未回复置位到停止（本地）或触发辅机停止（遥控）之前，主电机对启动信号不响应，即安全启动。

本地启动电机并由本地产生紧急停止信号范例如下：

将控制位置转换开关置位于“本地”，相应本地指示灯亮。启动本地运行开关置位于主电机运行，至电机达到额定电流。

触发紧急停止按钮，电机停止运行，紧急停止指示灯亮，集中报警灯亮；触发报警复位，紧急停止指示灯熄灭，集中报警灯熄灭。

2.3 系统报警信号

报警信号共有 9 个（主电机过载、主电机启动失败、低油位、低油压、油泵电机过载、主电机绝缘低、主电机高温、主电机急停、启动次数过多），可根据需要设定是否触发紧急停止。

主电机过载报警：当出现主电机过载信号时，主电机过载报警灯亮；排除故障后，先复位热过载继电器，然后触发本地的报警复位按钮，主电机过载报警灯熄灭。

主电机启动失败报警：当主接触器没有返回闭合信号，在 25 s 内，启动准备完毕灯亮，主电机运行灯不亮；25 s 后，启动失败报警灯亮；排除故障后，触发本地的报警复位按钮，启动失败报警灯熄灭。

低油位报警：当出现低油位信号时，等待 5 s 后，低油位报警灯亮；排除故障后，触发本地的报警复位按钮，低油位报警灯熄灭。

低油压报警：当出现油泵低压信号时，等待 3 s 后，油泵低压报警灯亮；排除故障后，触发本地的报警复位按钮，油泵低压报警灯熄灭。

油泵过载报警：当出现油泵过载信号出现时，油泵过载报警灯亮；排除故障后，先复位热过载继电器，然后触发本地的报警复位按钮，油泵过载报警灯熄灭。

主电机绝缘低报警：当出现主电机绝缘低信号时，主电机绝缘低报警灯亮；排除故障后，触发本地的报警复位按钮，主电机绝缘低报警灯熄灭。

主电机高温报警：当出现主电机高温信号时，主电机高温报警灯亮；排除故障后，触发本地的报警复位按钮，主电机高温报警灯熄灭。

主电机急停报警：在任意操作位置触发主电机急停信号，主电机急停报警灯亮；报警复位后，触发本地的报警复位按钮，主电机急停报警灯熄灭。

启动次数过多报警：为保护自耦变压器和电机频繁启动过热，此报警设置为在 30 min 内只允许启动主电机 3 次，超过 3 次启动会触发启动次数过多报警；报警复位后，触发本地的报警复位按钮，启动次数过多报警灯熄灭。

3 结 语

本文依据严谨的设计依据，总结和汲取国内外船舶中压电气的设计经验，通过对比分析中压电机的几种启动方式以及结合船舶现场实际工况，最终选择最优的自耦降压启动方式设计系统，系统具体设计功能包含系统的安全启停控制、系统的急停控制以及系统的报警信号控制。