H2367船侧推起动控制方案研究及应用

H2367船侧推起动控制方案研究及应用作者：李春明骆观轩李朋
来源：《广东造船》2020年第05期
摘要：本文結合H2367船配置的侧推技术需求特点，通过对四种常见的侧推起动控制方案的研究分析，选用适合本船需要的推进器起动控制方式。

并通过实船应用研究，为其它船舶产品侧向推进器起动控制方案的选用提供有益的参考。

关键词：船舶侧向推进器;变频控制;软起动器
中图分类号：U661.34 文献标识码：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
随着大功率晶闸管交流技术的发展、新型交流调速技术的突破、以及交流变频器的使用，船舶电力推进进入了新的发展时期，并得到了广泛的应用。

我司建造的H2367船采用全电力驱动双全回转舵桨装置，在船首部设有2台管隧式680 kW侧向推进器（下述简称侧推），在尾部设有两台2 000 kW全回转舵桨推进器，用于本船进出港、靠离码头、动力定位、救助作业任务等使用。

本船装配的侧推电机功率较大，且使用使命及作业具有一定的特殊性，对侧推控制精度及反应速度有较高的要求，必须选择适用的侧推起动控制方式，确保侧推的控制精度及反应速度满足本船的要求。

目前，较常见的侧推起动控制方式有四种：自耦变压器起动;软起动器起动;12脉冲变频器起动;AFE变频器起动。

本船侧推舱室空间有限，需结合本船特点选用起动控制方案。

为此，我们从设备技术性能、安装布置、重量、散热、起动响应速度、经济性等方面，进行了详细的对比分析和论证。

2 四种起动控制方式技术方案对比
2.1 技术性能对比
2.1.1 自耦变压器起动控制方式
这是最早且最常用的一种起动较大功率电机的起动控制方式。

自耦变压器作为异步电动机的起动补偿器对电动机进行降压起动，其结构及原理较为简单。

在降压起动过程中，电动机开
始是连接自耦变压器的二次侧，比如65%的抽头，到达整定时间后脱离自耦变压器，电动机全压运行完成起动，属传统的控制型式。

2.1.2 软起动器起动控制方式
这是国内外比较成熟且应用较广的一种起动控制方式。

软起动器起动控制的原理是采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间，起动起动电动机时晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通投入工作，实现平滑起动，降低起动电流，避免起动过流跳闸;待电动机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软起动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。

2.1.3 变频器起动控制方式
通过变频器来实时调节桨叶的转速从而改变推力。

目前国内外的变频器，主要为12脉冲变频器（6脉冲变频器类同）和AFE变频器：
（1） 12脉冲变频器由两组二极管整流串联而成，分别由输入变压器的两组二次绕组（星形和三角形互差30°电角度）供电，通常使用在电站容量相对较小的侧推以及配合滤波器的小型电力推进系统，谐波控制一般在10%以内，需要配置移相变压器和预充磁变压器进行工作;
（2） AFE变频器整流回路采用有源可控IGBT整流元件，开通/关断均可控;变频器可四象限运行，实现电流双向流通;具备主动控制功能，不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，谐波含量较低，主网谐波小于规范要求的5%。

上述软起动器及变频器的起动控制方式，属于较常用的控制型式，其中AFE变频器起动为目前最高技术要求的起动控制型式。

2.2 设备配置及可行性分析
2.2.1设备配置
（1）自耦变压器起动方式，由1个850 kVA自耦变压器和1个起动箱柜组成;
（2）软起动器起动方式，由1个软起动柜组成;
（3）12脉冲变频器起动方式，由1个变频柜、1个850 kVA移相变压器、1个小容量同变比的40 kVA预充磁变压器组成;
（4）AFE变频器起动方式，由1个AFE变频柜组成。

2.2.2 设备重量对比
从上述各种起动控制方案的设备配置情况来看，以单台侧推为例，各种方案的优劣性如下;
（1）12脉冲变频器起动方案与AFE变频器起动方案设备大、重量大，不利于舱室设备布置。

其中，12脉冲变频器方案起动重量最大，比AFE变频器起动方案需多配置1台移相变压器和1台预充磁变压器;
（2）自耦变压器起动方案设备配置数量多，所需舱室尺寸更大，不利于舱室设备布置;
（3）软起动器起動方案所需舱室布置尺寸及设备重量最小，有利于舱室设备布置。

相对于软起动器起动方案，如采用12脉冲变频器起动方案，本船首部将增加约3 000 kg重量;如采用AFE变频器起动方案，船首部将增加约1 000 kg重量。

2.2.3 装船可行性分析
根据本船首侧推舱/兼应急消防泵舱室结构及设备情况，采用上述4种起动控制方案的设
备装船布置示意图，见图1～图4。

从图1～图4可以看出：若采用AFE变频器与自耦变压器的起动控制方案，因首侧推舱/
兼应急消防泵舱室已布置有2台日用变压器，其舱室中间预留的电机散热空间和人员通道较为紧凑，设备的控制、维修空间仅勉强够用;而采用12脉冲变频器起动方案，增加的4台变压器无法布置，需要占用旁边的电工间进行布置，如不加大首侧推舱/兼应急消防泵舱室面积，则
设备基本无法进行布置;而采用软起动器起动方案，设备布置占用空间最小，有利于总体设备的布置。

2.3 谐波影响对比
（1）采用自耦变压器起动方案时，因原理及结构方式不同，对谐波控制没有影响，但起动瞬间对电网冲击较大;
（2）采用单台12脉冲变频柜与移相变压器设备与电网连接时，主电网中的谐波主要集中在11次谐波和13次谐波，电网的电流谐波总畸变率（THD）约为8.4%，电流总需量畸变系
数（TDD）约为6.1%;
（3）采用AFE变频器起动方案时，设备的电网谐波主要集中在频率相对较低的5次谐波和7次谐波，电网的电流谐波总畸变率（THD）约为3.9%，电流总需量畸变系数（THD）约
为2.9%;
（4）采用软起动器方案时，其电网的电流谐波总畸变率（THD）约为2.9%，电流总需量畸变系数（TDD）约为2.3%。

由此可以得出：采用12脉冲变频器起动方式产生的谐波是AFE变频器起动方式、软起动器起动方式谐波的2倍多，这三种谐波性能均满足功能需求和规范要求;但软起动器起动方式比12脉冲变频器、AFE变频器起动方式谐波失真小，对电网影响最小。

2.4 可靠性分析
因自耦变压器起动方式及结构与软起动器、变频器起动方式存在较大差异，故仅对国外知名品牌公司提供的12脉冲变频器和AFE变频器、软起动器起动方式的元器件进行比较：
（1）12脉冲变频器起动方式的进线环节为电抗器，整流桥为二极管，直流回路主要元器件为电抗器、电容器，逆变器为IGBT，输出环节主要为du/dt滤波器;
（2）AFE变频器起动方式的进线环节为LCL滤波器，整流桥为IGBT，直流回路主要元器件为电抗器、电容器，逆变器为IGBT，输出环节主要为du/dt滤波器，与12脉冲变频器起动方式结构相差不大;
（3）软起动器起动方式的主要元器件为SCR整流桥，其它元器件几乎没有;
（4）12脉冲变频器和AFE变频器起动方式在进线环节和整流环节存在差异，在直流环节和逆变输出环节都是采用相同的器件，而软起动器核心部件为SCR（晶闸管）;
（5）元器件的可靠性，从低到高排序为：直流回路电容器<IGBT模块<二极管整流模块<电抗器。

通过上述分析，可得出如下结论：
（1）12脉冲变频器和AFE变频器起动方式采用了相同的逆变环节和直流环节，故障机率一致;
（2）在整流部分，12脉变频器起动方式使用二极管整流，性能略好，可靠性要比AFE变频器略高;
（3）软起动器起动方式原理比较简单，可靠性相对稍高。

随着半导体技术的不断进步，软起动器、变频器起动方式各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，元器件自身出现故障的概率极低;
（4）12脉冲变频器和AFE变频器及软起动器起动控制方案采用国外知名品牌公司的产品，其变频器技术及软起动器技术均较成熟，具有较高的可靠性。

2.5 侧推舱空调通风需求对比
本船侧推一般在进出港、靠离码头及动力定位时使用。

在进出港和靠离码头的工况下，尤其在靠离码头时，侧推负荷相对较大，但因作业时间短（不超过30 min），一般不会出现散热问题;动力定位工况主要出现在执行海上搜救任务或特种作业时，由于侧推是协同主推作业，
此工况下侧推的平均负荷不超过其额定功率的50%，空调通风的散热设计据此及按机械处所通风量ISO计算标准进行。

按照外界温度35 ℃、设备降容起始温度45 ℃、AFE/起动器设备停机50 ℃、12脉冲变频设备停机55 ℃的舱内最高温度，计算得出的通风量，如表1所示。

表1 各种起动控制方案的空调通风量
根据侧推舱各设备发热量，配置的通风方案为：2台风机，每台风量为76 00 m3/h;采用软起动器、自耦变压器起动控制方案，能满足首侧推正常运行;如采用AFE变频器或12脉冲变频器起动控制方案，则需要增加通风量或风机盘管才能满足首侧推正常运行。

（2）软起动器起动方式，由1个软起动柜组成;
（3）12脉冲变频器起动方式，由1个变频柜、1个850 kVA移相变压器、1个小容量同
变比的40 kVA预充磁变压器组成;
（4）AFE变频器起动方式，由1个AFE变频柜组成。

2.2.2 設备重量对比
从上述各种起动控制方案的设备配置情况来看，以单台侧推为例，各种方案的优劣性如下;
（1）12脉冲变频器起动方案与AFE变频器起动方案设备大、重量大，不利于舱室设备布置。

其中，12脉冲变频器方案起动重量最大，比AFE变频器起动方案需多配置1台移相变压器和1台预充磁变压器;
（2）自耦变压器起动方案设备配置数量多，所需舱室尺寸更大，不利于舱室设备布置;
（3）软起动器起动方案所需舱室布置尺寸及设备重量最小，有利于舱室设备布置。

相对于软起动器起动方案，如采用12脉冲变频器起动方案，本船首部将增加约3 000 kg重量;如采用AFE变频器起动方案，船首部将增加约1 000 kg重量。

2.2.3 装船可行性分析
根据本船首侧推舱/兼应急消防泵舱室结构及设备情况，采用上述4种起动控制方案的设备装船布置示意图，见图1～图4。

从图1～图4可以看出：若采用AFE变频器与自耦变压器的起动控制方案，因首侧推舱/兼应急消防泵舱室已布置有2台日用变压器，其舱室中间预留的电机散热空间和人员通道较为紧凑，设备的控制、维修空间仅勉强够用;而采用12脉冲变频器起动方案，增加的4台变压器无法布置，需要占用旁边的电工间进行布置，如不加大首侧推舱/兼应急消防泵舱室面积，则设备基本无法进行布置;而采用软起动器起动方案，设备布置占用空间最小，有利于总体设备的布置。

2.3 谐波影响对比
（1）采用自耦变压器起动方案时，因原理及结构方式不同，对谐波控制没有影响，但起动瞬间对电网冲击较大;
（2）采用单台12脉冲变频柜与移相变压器设备与电网连接时，主电网中的谐波主要集中在11次谐波和13次谐波，电网的电流谐波总畸变率（THD）约为8.4%，电流总需量畸变系数（TDD）约为6.1%;
（3）采用AFE变频器起动方案时，设备的电网谐波主要集中在频率相对较低的5次谐波和7次谐波，电网的电流谐波总畸变率（THD）约为3.9%，电流总需量畸变系数（THD）约为2.9%;
（4）采用软起动器方案时，其电网的电流谐波总畸变率（THD）约为2.9%，电流总需量畸变系数（TDD）约为2.3%。

由此可以得出：采用12脉冲变频器起动方式产生的谐波是AFE变频器起动方式、软起动器起动方式谐波的2倍多，这三种谐波性能均满足功能需求和规范要求;但软起动器起动方式比12脉冲变频器、AFE变频器起动方式谐波失真小，对电网影响最小。

2.4 可靠性分析
因自耦变压器起动方式及结构与软起动器、变频器起动方式存在较大差异，故仅对国外知名品牌公司提供的12脉冲变频器和AFE变频器、软起动器起动方式的元器件进行比较：
（1）12脉冲变频器起动方式的进线环节为电抗器，整流桥为二极管，直流回路主要元器件为电抗器、电容器，逆变器为IGBT，输出环节主要为du/dt滤波器;
（2）AFE变频器起动方式的进线环节为LCL滤波器，整流桥为IGBT，直流回路主要元器件为电抗器、电容器，逆变器为IGBT，输出环节主要为du/dt滤波器，与12脉冲变频器起动方式结构相差不大;
（3）软起动器起动方式的主要元器件为SCR整流桥，其它元器件几乎没有;
（4）12脉冲变频器和AFE变频器起动方式在进线环节和整流环节存在差异，在直流环节和逆变输出环节都是采用相同的器件，而软起动器核心部件为SCR（晶闸管）;
（5）元器件的可靠性，从低到高排序为：直流回路电容器<IGBT模块<二极管整流模块<电抗器。

通过上述分析，可得出如下结论：
（1）12脉冲变频器和AFE变频器起动方式采用了相同的逆变环节和直流环节，故障机率一致;
（2）在整流部分，12脉变频器起动方式使用二极管整流，性能略好，可靠性要比AFE变频器略高;
（3）软起动器起动方式原理比较简单，可靠性相对稍高。

随着半导体技术的不断进步，软起动器、变频器起动方式各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，元器件自身出现故障的概率极低;
（4）12脉冲变频器和AFE变频器及软起动器起动控制方案采用国外知名品牌公司的产品，其变频器技术及软起动器技术均较成熟，具有较高的可靠性。

2.5 侧推舱空调通风需求对比
本船侧推一般在进出港、靠离码头及动力定位时使用。

在进出港和靠离码头的工况下，尤其在靠离码头时，侧推负荷相对较大，但因作业时间短（不超过30 min），一般不会出现散热问题;动力定位工况主要出现在执行海上搜救任务或特种作业时，由于侧推是协同主推作业，此工况下侧推的平均负荷不超过其额定功率的50%，空调通风的散热设计据此及按机械处所通风量ISO计算标准进行。

按照外界温度35 ℃、设备降容起始温度45 ℃、AFE/起动器设备停机50 ℃、12脉冲变频设备停机55 ℃的舱内最高温度，计算得出的通风量，如表1所示。

表1 各种起动控制方案的空调通风量
根据侧推舱各设备发热量，配置的通风方案为：2台风机，每台风量为76 00 m3/h;采用软起动器、自耦变压器起动控制方案，能满足首侧推正常运行;如采用AFE变频器或12脉冲变频器起动控制方案，则需要增加通风量或风机盘管才能满足首侧推正常运行。