摘 要：对于大功率机器，其电机较大的启动电流将产生较大线路电压降，从而引起整个电网电压降低，并影响电网其它负载的正常运作。对于船用电力系统，电网容量对陆用电网而言较小，大功率电机的启停势必会对发电机造成更大冲击。大功率电机如果直接启动（全压启动）会引起电气和机械两方面的问题，电气方面：造成电网电压降低，当电网电压低于85%额定电压时将影响其他设备正常运行；启动电流大，将造成电动机绕组过热，加速绝缘老化，缩短电动机寿命；机械方面：较大的启动转矩会对所拖动设备及传动部件造成很大冲击力，缩短设备使用寿命。大功率电机由于电动机启动时有较大的转差率，会产生较大电流（类似于电机转动中轴被卡死），因此，很容易造成电网电压波动，并有可能烧坏启动开关或其他电路设备，因此大功率电机必须考虑采用降压启动方式。本文将介绍国内大功率设备进而介绍几种典型的电机降压启动方式。
关键词：大功率；电机；船用；启动方式；
引 言
目前国内制造电机的水平愈发成熟，并掌握了一定的高效节能的电机生产技术，但从整体看，与瑞典的ABB，德国西门子，日本三菱等国外先进厂商相比竞争力仍然较弱，能效智能化水平较低。工业和信息化部人员曾表示：“目前我国总体能效水平与国外还有很大差距，特别是电机、变压器等耗电设备的能效使用，用量大，应用面积广，每年通过电机耗电的电量占全社会耗电的64%，工业领域电机能耗占工业领域总用电量的70%多，电机系统的能效消耗与国外比相差更多，大概在15%~20%左右。”按照GB18613-2012标准，我国目前生产和在用电机多为低于标准规定的3级能效电机。其平均效率为87%，而发达国家早已推行的高效电机效率已达到91%以上。来自工业和信息化部的统计显示，目前国内在用电机中高效电机占比仅为5%左右。国内知名电机专家唐任远院士也曾指出：“近年来，我国虽然在高效电机研发方面与国际水平基本保持同步，技术进步非常乐观。但遗憾的是我们国家生产的IE3电机国内应用得太少，大部分用于出口。
1船用大功率设备电机的启动及操作
大功率电机直接启动（全压启动）会引起电气和机械两方面的问题，电气方面：造成电网电压降低，当电网电压低于85%额定电压时将影响其他设备正常运行；启动电流大，将造成电动机绕组过热，加速绝缘老化，缩短电动机寿命；机械方面：大的启动转矩会对所拖动设备及传动部件造成大的冲击力，缩短设备使用寿命。
船用大功率设备包括发电机、风机、压载泵、吊机等，以船用风机的操作举例，船用风机一般是离心风机，离心风机在使用过程中，其的风量大小往往反映出其工作性能的好坏。在操作使用过程中，首先应保证供电设施容量充足，电压稳定，严禁缺相运行，在运行过程中发现风机有异常声、电机严重发热、外壳带电、开关跳闸、不能启动等现象，应立即停机检查，检修后应进行试运转五分钟左右，确认无异常现象再开机运转。离心风机全压启动时的电流为5~7倍的额定电流。降压启动转矩与电压平方成正比，当电网容量不足时，应采用降压启动。试车时人数不少于两人，一人控制电源，一人观察风机运转情况，发现异常现象立即停机检查；首先检查旋转方向是否正确；离心风机开始运转后，应立即检查各相运转电流是否平衡、电流是否超过额定电流；若有不正常现象，应停机检查。运转五分钟后，停机检查风机是否有异常现象，确认无异常现象再开机运转。
2大功率电机全压直接启动条件
1）电动机启动时配线的电压降不得超过下列允许值：
电动机经常启动，不大于10%，偶然启动，不大于15%；在不破坏同一线路及其它用电设备供电的条件下，不大于20%；电动机由单独的变压器供电且生产机械不经常启动时，可大于20%；当用磁力启动器启动电动机时，由于磁力启动器的吸合线圈只能在额定电压85~105%下正常工作，而当电压为85~55%时磁力启动器可能抖动，因此考虑允许电压降时尚受此限制。通常为使船用电动机顺利启动，其电动机的端电压不应低于70~85%，在特殊情况下（如自启动时）一般也不宜低于65%。
2） 船用生产、生活机械一般允许直接启动
3） 根据GB50055-93中2.3.1条要求，电动机启动时，其端电压应保证有足够的启动转矩。且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作。电机的加速转矩在启动过程中不应小于负载转矩的10%；这样的条件下,根据负载转矩确定电机的启动转矩,启动转矩确定后，电机的机端数值也就确定。如：负载力矩为55%的话，根据标准的要求，启动力矩不应小于65%，又由于启动力矩与电压的平方成正比，此时的端电压不应小于80.62%。
4） 供电设备的过负荷不应超过允许值。同变压器供电时，经常启动（每天启动6次）电动机的启动电流不超过变压器额定电流的4倍，由内燃机带动小容量发电机机供电。
3大功率电机降压启动的概念
三相大功率电动机在启动时，启动电流很大，可达到额定电流的4~7倍，很大的启动电流，在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，这不仅影响电动机本身的启动也会影响到同一线路上的其他电动机和电器设备的正常工作。为此，对大容量电动机起停频繁时，为了限制启动电流，必须采取降压启动。所谓降压启动，就是在电动机启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，当电动机转起来以后，再将加在定子绕组上的电压恢复到正常值。由于电流与电压成正比关系，所以降低启动时的电压能减小启动电流。但是由于电磁转矩与电动机定子绕组端电压的平方成正比，所以电动机在降压启动时，启动转矩相应减小，故降压启动适用于空载或轻载下的启动。所以，在确定船用大功率电机启动方式时，一般会选取海上航行、靠离港、装卸货、失电、死船、应急操舵灯等较典型的工况来决定大功率电机的启动方式，相关的计算一般包括大功率电机启动计算（海上航行、靠离港、装卸货工况）、顺序启动计算（失电）及应急发电机容量（死船、应急操舵）计算，基于一定条件下有限的轻载负荷下，计算判断电机是否需要降压启动，进而决定发电机组容量。
降低启动电流的同时，为实现平滑启动，减少启动时对电网的冲击，很多时候也会将高压软启动柜应用于各类大功率电机的启动。高压软启动柜方式有很多，一般的固态指的是可控硅的固态软起，液态指的是液态水电阻软起。总体来说，"固态"比"液态"好，液态高压软启动柜的降压启动方式可变电阻一般由水和电解质组成，利用极板的移动或通电后水温的变化来达到电阻的变化，液体电阻启动柜有两种方案，对于星型接法的电机，如星点能够打开，原理与绕线电机水阻柜的原理基本相同，对于角型接法或星点不能打开的笼型电机，水阻柜只能串接在定子回路中，电机启动完毕后需要将水阻柜用断路器隔离开，以防水阻柜长期带电引发安全事故。目前，不少水阻柜生产厂家在设计及生产时为降低成本，水阻柜只采用一台真空断路器，电机启动完成后水阻柜仍然带电，这是不安全的，万一水箱受损，液体泄漏，必定引发安全事故。
4 几种启动方式的原理及特点
1）全压直接启动
全压直接启动的优点是操作控制方便，维护简单，而且经济。在电网容量和负载两方面都允许的情况下，可以考虑采用全压直接启动。全压直接启动的缺点：直接启动时，由于电机没有速度，绕组线圈没有感抗(刚启动时)，电缆及绕组线圈都是铜线，电阻很小，导致电流很大，一般为正常电流的4~7倍，容易使电机发热。一般情况下，我们考虑额定功率在主发电机容量10%以内的辅机设备为小型电动机。这类设备除船用规范SOLAS所指定的重要设备外，一般也不参与大马达启动等计算检讨，采用直接启动。
2）自耦降压启动
自耦变压启动基本原理是，当电动机启动时，定子绕组加上自耦变压器的二次电压，启动完成切除自耦变压器，定子绕组加上额定电压正常运行。如图（1）为典型的自耦降压启动原理图，启动流程如下：
通过闭合开关QS接通电源；如图（2）按下SB2开关后KM1线圈得电，随后KM1常闭触点断开，此时KM3不得电与KM1实现互锁。同时KM1常开触点闭合，自耦变压器实现Y型连接，此时KM2线圈得电，KM2常开触点闭合自锁，电动机降压启动，同时KM2常开辅助触点闭合使KT线圈通电延时，准备电机全压运行，KT瞬时常开触点同时闭合自锁；如图（3）到达KT整定时间后，KT常闭延时触点断开，KM1、KM2先后断电，自耦变压器T被切断，KT常开延时触点闭合，KM3线圈得电，电动机全压运转。
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3）星三角启动
对定子绕组为星形接法的电动机，在启动时将定子绕组接成星型，待启动完毕后接成三角，可以降低启动电流。图（4）是典型的星三角启动原理图，启动流程简要说明如下：通过KM线圈得电后KM主触点闭合，电动机先接成Y型启动；当电动机转速上升并接近额定值时SB3合闸，SB3常开触点闭合使KM△线圈得电后，电动机接成△全压运行。
星三角启动结构简单，价格便宜。能提高电动机的效率，负载较轻时，可以让电机在Y接法下运行，此时额定转矩与负载匹配节约电力消耗，启动转矩降为直接启动的1/3启动电流为角形接法的1/3，如直接启动的启动电流为6~7I，星三角启动时，启动电流为2~2.3I。缺点是必须在电动机启动结束后，按下全压运行按钮，才可以工作。忘记按下全压运行按钮而进行工作，会烧毁电机。这个问题可以用时间继电器进行自动控制解决。
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4）软启动
以上几种启动方式，在电动机的启动过程中，其绕组上所加的电压是突变的，突变的电压造成负荷的突加和突减都会引起船舶电网频率和电压较大的波动，所以可以称为硬启动。除以上几种降压启动方式外，还有软启动，使用调压装置在规定的时间内，控制启动电压连续平滑的上升，直到达到电机额定电压。
软启动器按结构可分为磁控软启动器、晶闸管软启动器、液阻软启动器。晶闸管软启动器应用最广泛。如图（5）所示，在三相电源与电机间串入3对反并联的晶闸管，利用晶闸管移相控制原理，改变晶闸管触发角从而改变软启动器的输出电压。启动时，电动机端电压随着晶闸管的导通角增大而逐渐上升，转速也随着增大，直到达到电机的额定电压，从而结束启动过程。停车时，软启动器内晶闸管导通角从大逐渐减小，使输出的电压逐渐减小到零，电机转速也随着降为零，完成停车。
5 船用大功率电机启动方式的决定
对于一般马达启动时选择直接启动，对于大容量马达需要降压启动的场合，可以通过自耦变压器的方式来降压启动，也可以根据厂家标准使用星三角启动。上文已提到，船用电机的启动方式一般会选取几个特定的工况如海上航行、靠离港、装卸货、失电、死船、应急操舵灯等来决定大功率电机的启动方式，以下是几个典型工况相关的系列计算：
1）大容量电机启动计算
大容量电机启动时对电网造成的冲击，可能导致发电机超负荷运转甚至跳闸。大容量电机启动计算的意义在于检讨电机的降压启动方式是否在发电机及电网承受能力范围内，对超出发电机承受范围内的电机，需设定降压启动。按照船舶设计规范，发电机突加负荷能力要求如下：
电压降 ＜ 15%，ACB设定 ＜138%，发电机过载＜ 110%
2）顺序启动计算
按照船舶规范要求全船失电备用发电机启动并恢复供电后，重要设备能自动启动并投入运行，发电机能力承受突加负荷的能力是有限的，不可能承受所有设备同时启动，有必要对设备马达的启动顺序和时间进行设定分批启动，对大功率马达在设定过程中判断。
3）应急发电机容量计算
按照规范要求，在主电源供电系统发生故障的情况下，应急电源应能够向应急配电板所接设备供电。供电设备启动时对应急发电机及电网同样有冲击，需要检讨马达的（降压）启动方式是否在应急发电机及电网承受能力范围内，基于上文提到的应急操舵和死船启动两种典型工况计算。
6 总结
我国已逐步成为造船大国，为了适应市场需求，船型规模也逐步呈大型化、高效化、智能化趋势发展，大型智能船舶势必需要大型智能系统设备匹配，以适应船舶的正常运转，相应的，船用电机的功率也会越做越大，高效化、智能化也势必成为大型电机的发展趋势。在设备电机启动方式的实际设计过程中，可以根据电机型号功率以及电网实际负载情况选择启动方式。
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