船用空压机电控箱抑制启动峰值电流的优化设计

夏世铜，高元明，葛 蕾，康 娜

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

1 引言

船用空压机是船舶压缩空气系统的重要设备，主要用来产生和提供一定压力的高压空气，为发电机和主机的启动、废物吹除以及其它需要压缩空气的设备提供所需的高压空气。

某型船用空压机在启动过程中，给空压机供电的配电板断路器发生跳闸现象，虽然通过调整断路器的整定值，解决了空压机启动过程中断路器发生跳闸的问题，但在处理该问题的过程中发现，空压机星三角启动切换时存在启动瞬时峰值电流。该瞬时峰值电流，会对电网造成较大冲击，存在影响其它用电设备正常工作的风险。本文对星三角启动瞬时峰值电流进行了分析，通过优化电控箱的控制原理、使用示波器进行优化后的试验验证，提出了一种抑制船用空压机启动瞬时峰值电流的方法。

2 现象分析

2.1 主要技术参数

船用空压机电控箱主要功能是负责设备的启动和停车，并集成了自动控制、故障报警、润滑油自动加热、电机驱潮和异地操作等功能。其主要的技术参数如表1。

2.2 电控箱启动原理

空压机采用三相异步电机驱动，其启动方式为星三角降压启动。电气原理图如图1所示。

合上电源开关1QF后，按下SB1按钮，中间继电器4KA得电，其常开触点闭合，使接触器3KM和1KM得电吸合，电机进入Y启动状态。星型启动7～8 s后，接触器3KM断电，接触器2KM得电吸合，电机进入△运行状态。在紧急情况下需按急停按钮JT1，主电源开关1QF脱开，空压机断电停机。

2.3 启动峰值电流的现象分析

通过查阅星三角降压启动的相关资料，在星形启动向三角运行转换的瞬间，出现瞬时峰值电流的现象的原因是：星启动完成后，电机的定子绕组从电源完全断开，电机的转子为闭合的回路，旋转的转子切割磁场产生感应电流，并在电机的定子绕组上感应出感应电动势；当电机切换到三角型运行瞬间，上述感应电动势与电源电压会相叠加，当两者相位差为180°时，就会产生9～10倍额定电流的瞬时峰值电流。

表1 空压机电控箱主要技术参数

图1 电气原理图（星三角启动部分原理图）

3 试验测试

根据电控箱接线图将电控箱和空压机、主电源连接，进行试验前试验状态检查。确保气体流程、冷却水流程、润滑油流程、通电及盘车检查等试验状态皆满足空压机启动要求后，将罗氏线圈同DL750型示波器、主电源电缆相联，开始进行空压机启动峰值电流的测试。共进行了10组数据采集，峰值电流记录如表2所示。

通过上述数据可以看出，试验中出项的最大启动峰值电流为1586A（第3组数据），为额定工作电流（170A）的9.3倍，其电流波形图如图2所示。

4 电控箱优化设计

根据启动峰值电流的现象分析，在星三角切换时接入一组三相电阻，以消耗定子绕组上感应出的电动势，就可以降低启动瞬时峰值电流；再对电气原理图中的控制元件进行相应的调整，精确计算出电阻的阻值、功率。优化设计后的电气原理图，如图3所示。

表2 电控箱启动峰值电流表

图2 电流波形图

优化后逻辑启动顺序为：

（1）Y启动：3KM、1KM依次吸合，相应的触点动作，电动机以Y方式连接启动。

（2）第一次转换：当电机Y 启动10 s 后，1KM、3KM和5KM吸合，电动机线圈仍然以Y方式连接，但每相线圈都并联了过渡电阻，如图4所示。

（3）第二次转换：当第一次转换后0.25 s，1KM和5KM吸合，3KM释放，电动机线圈以△方式连接，但每相线圈都串联了过渡电阻。

（4）△运行；当第二次转换后0.25 s左右后，1KM和2KM吸合，5KM释放，电动机以△方式运行。

图3 优化后电气原理图

4.1 电阻阻值的计算

在第一次转换后（图4），过渡电阻与电机线圈并联Y接法，承受的电压为相电压U相；在第二次转换后（图4），过渡电阻与电机线圈串联△接法，共同承受的电压为线电压U线，此时，电机线圈上的分压仍维持相电压U相，而电机为感性负载，电压超前电流90°；过渡电阻为阻性负载，电压与电流同相，所以线圈电压UL、电阻电压UR与U线矢量和为

所以，过渡电阻的阻值为R=0.816U/I（I为△切换时的电流值）；根据多次现场不同的阻值与电流值试验，当I取900A左右时，电流比较稳定。经计算，R的阻值取0.35 Ω左右。

4.2 电阻功率的选取

过渡电阻R1、R2和R3只在第一次转换（时间0.25 s左右）和第二次转换（时间0.25 s左右）过程这个较短的一段时间流过电流并发热，其余时间是不通电的，空压机的启动间隔时间为3 min。所以流过电阻的总功率为

转换成电阻功率：p=W/T=106464/180=591（W），实际选取的电阻功率为600 W。

5 优化后电控箱电流测试

通过采用示波器，对优化后空压机的启动峰值电流进行测试，共进行了10组数据采集，峰值电流的整理，如表3所示。

图4 过渡电阻的并串联

从上述试验数据可以得出，优化后的最大启动峰值电流为940A（第1组数据），为额定工作电流（170A）的5.5倍，其电流波形图如图5所示。

表3 优化后电控箱启动峰值电流表

图5 优化后电流波形图

通过优化前后电流的测试，最大启动峰值电流由1586A降到940A，额定启动电流倍数由9.3降至5.5，启动瞬时峰值电流可以控制在1000A以下，降幅明显。

6 结语

综上所述，在空压机启动星三角转换瞬间接入一组三相电阻，以消耗定子绕组上的感应电动势；并通过调整控制元件的逻辑关系、优化转换的时间、精确计算电阻阻值和功率，最终达到抑制启动瞬时峰值电流。本文所述的优化设计，已在多台船用空压机电控箱上改进应用，有效地抑制了峰值电流对电网的冲击，实际运行可靠稳定。