第３５卷第１２期 ２０１３年１２月 舰船科学技术 Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．，２０１３ ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 船舶鼠笼式三相异步电机启动研究 路泽文，张敏，姚曼文，张 翠，甘步来 （中国船舶重工集团公司（武汉）武船船舶与海洋工程装备设计有限公司，湖北武汉４３００６０） 摘 要： 电机在船舶系统中得到大量运用。鼠笼式三相异步电动机以结构简单、故障率低、维修方便，在船舶 各系统运用中占据绝对主导地位。鼠笼式三相异步电动机启动是运行中最复杂的过程，理解和把握鼠笼式三相异步 电动机的启动过程，有利于船舶系统中的电力推进系统、电力拖动，以及其他与电机相关系统的理解和设计。 关键词： 鼠笼式三相异步电动机；启动电流；启动转矩 中图分类号： Ｕ６６５．２６ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２—７６４９（２０１３）１２—００９２—０７ ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１３．１２．０２０ Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＬＵ Ｚｅ—ｗｅｎ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ，ＹＡＯ Ｍａｎ—ｗｅｎ，ＺＨＡＮＧ Ｃｕｉ，ＧＡＮ Ｂｕ一１ａｉ （ＣＳＩＣ（Ｗｕｈａｎ）Ｍａｒｉｎｅ ａｎｄ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｒｅｐａｉｒ，ｓｑｕｉｒｒｅｌ—ｃａｇｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｏｃｃｕｐｉｅｓ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｑｕｉｒｒｅｌ—ｃａｇｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｓｐ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｉｌｌ ｇｒｅａｔｌｙ ｂｅｎｅｆｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｒｅｌａｔｅｄ ｍｏｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｑｕｉｒｒｅｌ—ｃａｇｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ０ 引 言 鼠笼式三相异步电动机在船舶各系统中普遍使 用，这些系统控制一般是以电动机为中心展开的， 对这些系统的把握，一定程度上是对电动机运行状 态的把握。船舶上各系统根据系统工作原理和电机 Ｅ 一 一 ｓ Ｅ２ １ ２ｓ—Ｒ２＋ｊｉ２ 一Ｒ２＋ ｓｘ２ 。 电机启动时，刚开始转子静止，旋转磁势以同步转 速切割转子，此时ｎ＝０，ｓ＝１，转子电势 Ｅ ，导致转子电势较大， 也增大为 ＝ｓ×Ｅ２： 。为了便于比 较电机启动电流值，可以将分子、分母同时除以 ，得： Ｅ２。 启动性能，分别采取不同的电机启动方式，以保证 船舶电网和船舶电气系统可靠运行。 １ 电机启动主要矛盾 式中只有Ｒ：／ｓ是变量，因为５＝１，所以此时Ｒ ／ｓ 鼠笼式三相异步电动机因为自身的原理和结构 优点，在电机运用中占据绝对主导位置，但因其结 构在启动时也存在启动电流大，启动转矩不大等不 利因素。 变为Ｒ ，值最小；而Ｅ，Ｘ 可看作定值，可得此时 转子，２电流最大，相应转子磁势Ｆ 变大。为了维持 合成磁势Ｆ 不变，定子磁势Ｆ．变大，定子电流，。 变大，这就是电动机启动时电流大的原因，电机启 动电流 一般为电机额定电流的５～８倍；但另一方 电机转子自成回路，其电流为 收稿日期：２０１３—０６—２８；修回日期：２０１３—０７—２４ 作者简介：路泽文（１９７３一），男，工程师，从事船舶电气设计。 第１２期 路泽文，等：船舶鼠笼式三相异步电机启动研究 ・９３・ 面，因为转子静止，ｓ＝１，转子电势频率很高，导 致转子漏抗大，由 Ｘ２ ＝ｓ×Ｘ２ ＝Ｘ２ ， 可得转子功率因素角 ２＝ｔａｎ （Ｘ２ ／Ｒ２）＝ｔａｎ （ｓ×Ｘ２ ／Ｒ２）＝ ｔａｎ （Ｘ２ ／Ｒ２）。 因在启动时， ： 增大为 ： ，此时 变大，导 致转子侧回路功率因素ｃｏｓ￣ｂ 变小，这样转子电流 的有功分量，２ｃｏｓ ：并不大。 同时因为定子电流增大，由于 Ｕｌ＝Ｅｌ＋，１×Ｚ１＝，１×Ｚ１＋４．４４ ｘｆ，× １×ｋｗ１× ｍ， 因为，。增大，，。×Ｚ。变大， 属于定值不变，则 ４．４４× × ｌ×ｋ １× 减小，其中 ，Ｗ１，ｋ ｌ均 为常量，必定导致 减小。 转子转矩物理表达公式： Ｐ酉ｅｕｒ＝去 等： ｐ 。ｓ ： ｍｌＥ＇２１＇２ｃｏｓ￣ ２。 因为转子相电势为Ｅ＇２－４Ｙ￣ｆｌｌＶ ｋ 。 ，代人上 ５ ４ 式，可得： ＝（ ） ， ｃ。ｓ ＝ｃ ｃ。ｓ ：。 其中Ｃ ：ｐ—ｍ—２Ｎ ２ｋＮ２—。 √２ 因为， ｃｏｓ ： 和 在电机启动时并不大，所以 转子启动转矩 也不大。 根据上述电机启动过程分析，鼠笼式电机直接 启动时电流大，转矩并不大。为保证电机正常启动 和电网稳定，启动时需要采取相应措施，成为电气 专业研究的课题。 ２ 鼠笼式三相异步电动机启动方式 为满足船舶系统的启动和运行要求，一般根据 不同的情况采取不同的启动方式，达到启动的最佳 综合效果。 ２．１直接启动 鼠笼式三相异步电动机可以直接启动，但是否 采取直接启动方式，主要取决于电网的容量。一般 需要经常启动的电动机，引起电网电压降不超过 １０％，就允许直接启动；不经常启动的电动机，电 网电压降不超过１５％，也可以直接启动。是否采取 直接启动，要根据电机和电网的容量决定。 电机直接启动时，转矩和启动电流变化随转子 转速变化（见图１）。启动时，启动电流从约５～８ ， 开始，随着电机转速的上升，电机转差率变小， 转子电势快速变小，转子电流也快速变小，定子电 流随之快速下降，而电机有功电流增加，转矩上升。 当达到临界转差率时，电机达到最大转矩，随后转 矩逐步减小。当达到额定工作点时，电机转矩与负 载平衡，转子转差率接近恒定，电机电流达到额定 电流，完成启动过程。 ｕｌｆｌ ３ ２ １ ０ ０ ０．２５ ０．５０ ０．７５ １．０ｏ Ｎ／Ｎｓ 图１直接启动电流 Ｆｉｇ．１ Ｄｉｒｅｃｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅ詈 ／‘ — ／ －一Ｉ，１ — －－－－＿ －＿＿＿● ０ ０．２５ ０．５０ ０．７５ １．００ Ｎ｜Ｎｓ 图２直接启动转矩 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｒｅｃｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ 直接启动方式优点很明显，不需要专用的启动 设备，操作简单，成本低，安装、使用方便，稳定 可靠，故障低，维修方便。缺点是启动电流较大， 对电网有一定的冲击，所以一般在电网容量允许情 ・９４・ 舰船科学技术 第３５卷 况下，才可以直接启动。 ２．２降压启动 形成△形（见图４（ｂ）），在全压下运行。由于切 换时转速已接近正常运行转速，此时冲击电流不 会很大，这就是Ｙ一△启动方式减少电机电流的 方式。 如果电机功率较大，直接启动时将引起较大电 网压降，可能会引起电网上其他电动机运行困难， 此时则需要考虑对电机启动采用限流措施。由电机 Ｔ型等效电路可得启动电流公式 ： —— —一： 。 √（ ｌ＋Ｒ ２） ＋（ ｌ ＋ ２圹） 理论上可降低启动电压和增大电机阻抗以减少启动 电流，实际只能在电动机定子侧采取降压措施，由 Ｉ 一 一 ｅｍ 兰２ 『Ｒ１＋ ） ＋（ ）ｚ１’ 可知，启动转矩与电机电压平方成正比，减小 启动电压，启动转矩比启动电流降得更快，因此降 压启动只适用于轻载或者对启动转矩不高的负载。 船舶电机常用的降压启动方式如下： １）Ｙ一△启动 电机接线盒内一般有６个接线端子，三相绕组 首尾６个接线端子为 ， ｌ，埘１，Ｍ ， ２，Ｗ２。电机 在启动时采用Ｙ接法，减少电机启动电压，从而减 小启动电流。启动结束后，电机接近额定转速，再 切换到△接法。 Ｙ一△启动器控制如图３所示。开始启动时，开 关 投向“启动”位置，此时电机Ａ，日，Ｃ三相线 圈Ｕ ， ：， 短接（见图４（ｏ）），定子绕组接成Ｙ 形，此时电机每相绕组电压减小为叫３，然后合上 开关 ．，电机在Ｙ形接法下降压启动，转速上升， 当转速接近正常运行转速时，将开关 投向“运行” 位置，此时相当Ａ， ，ｃ三相绕首尾端子组首尾端 子结成环形，三相电源分别接在Ａ， ，Ｃ三段绕组， 图３ Ｙ一△启动控制图 Ｆｉｇ．３ Ｙ一△ｓｔａｒｔ ｓｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ （ａ） （ｂ） 图４ Ｙ一△启动等效图 Ｆｉｇ．４ Ｙ一△ｓｔａｒｔ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｈａｒｔ 在电压一定时，Ｙ一△接法电气关系如下：Ｙ 接启动转矩 ｆ／△接启动转矩Ｔ ＝１／３；Ｙ接启动 线电流 ｆ／△接启动线电流， ＝１／３。 Ｙ一△降压启动时，电机电流曲线如图５所示。 因采用Ｙ一△降压启动，启动电压减少至１／３，启 动电流减少至约为２倍额定电流，随着电机转速增 加，电机转差率变小，电机电流变小。当转速接近 ｅｒｆｌ ６ ５ ４ ３ 额定转速时，电机由Ｙ接法切换到△接法，此时电 机变为额定电压运行，电机跳变到全压运行曲线， 此时电机即将启动完成，电机转速已经接近额定转 速，即使切换到△接启动，此时电机电流也不会太 大，这就是Ｙ一△启动方式的优点。 ．＼ ＼ 一 －－＿ ｛ ＿ 。、＼ ＼ １ ｏ ｏ．２５ ｏ．５Ｏ ０．７５ １．００ Ｎ／Ｎｓ， 图５ Ｙ一△启动电流 Ｆｉｇ．５ Ｙ一△ｓｔａｒｔｉｎｇ ｅｕｒｒｅｎｔ 采用Ｙ一△降压启动时，在电流减小的同时， 电机的启动转矩也减小，此时电机的机械特性曲 线如图６所示，采用Ｙ一△启动时，因为启动电 ２ 第１２期 路泽文，等：船舶鼠笼式三相异步电机启动研究 ・９５・ 压的减小，电机转矩降为直接启动时的１／３，随 着电机转速上升，当接近额定转速时，在电机由 Ｙ接切换到△接时，电机工作曲线跳变到直接运 行状态。从图中可以看出，电机降压机械特性曲 线跃变到全压机械特性曲线状态，完成电机启动 过程。 ３・Ｏ ２ ５ ２．０ ／’ 、 枣１．５ ＼’＿－一 —， １．０ ｊ０ ５ ／。 －－ｌ ＿ ＿＿■一■ ■● ， 一 １ ０ ０ ０．２５ ０．５０ ０．７５ １．００ ＮｆＮｓ 图６ Ｙ一△启动转矩 Ｆｉｇ．６ Ｙ—Ａ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ Ｙ一△启动方式不需要另外增加设备，只需要 在电机接线盒内，利用２根３芯电缆将电机６个接 线端子接入控制箱内改变接线顺序，就能实现Ｙ一 △控制切换。Ｙ一△启动方式操作简单，稳定可靠， 成本低。 需要注意的是，采用Ｙ一△启动方式，从电机 到启动箱电缆承载的是电机相电流，小于电动机铭 牌注明的额定电流（线电流），在选取电缆型号时 需要考虑，不仅可以减少电缆截面积，降低电缆成 本，也便于现场电缆敷设。 ２）用自耦变压器启动 上述Ｙ一△启动方式中，Ｙ接启动线电流 ／△ 接启动线电流 ：１／３，同时ｙ接直接启动转矩 ｃ／ △接直接启动时转矩 ：１／３，电流和转矩都减少为 １／３。如果负载较大时，采用Ｙ一△启动降压方式， 启动将会比较困难，同时Ｙ一△启动从电机到启动箱 需要２路电缆，大功率电机则需要大量电缆，此时可 以采用自耦变压器降压启动（见图７）。 图７中，ＡＴ代表三相Ｙ接自耦变压器。启动 时先将开关 投向“启动”位置，ＡＴ三相绕组接 入电源，其二次侧抽头接电动机，电动机降压启动。 当转速接近额定转速时，将开关Ｋ投向“运行”位 置，电机接人全电压，自耦变压器ＡＴ脱离电源， 此时电机电流对电网冲击将较小。 图７ 自耦变压器启动控制图 Ｆｉｇ．７ Ａｕｔｏ—ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｓｔａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ 采用自耦变压器降压启动时，等效电路如图 ８（ａ）所示；而异步电动机在全压下直接启动时等效 电路如图８（ｂ）所示。图中虚框中短路阻抗尺 ＋ 代表启动时的异步电动机。对比图８（ａ）和图 ８（ｂ），因为自耦降压启动电机端相电压ｕ ／全压直 接启动时电机端相电压Ｕ ＝Ｎ ／Ｎ，，电动机启动转 矩、启动电流为全压直接启动的（Ｎ：／Ⅳ。）２，启动性 能与Ｙ一△启动方式相同。但自耦变压器一般有几 种抽头选择，可以选择不同Ｎ，／Ｎ 比值。国内自耦 变压器一般有３个抽头选择，副边电压分别是额定 电压的５５％、６４％、７５％，根据３个抽头电压，自 耦变压器启动时，启动电流和启动转矩都分别为额 定电流的０．３０２，０．４１，０．５６。从上述启动数据可 以看出，启动电流可以比Ｙ一△启动方式更小，启动 转矩可以比Ｙ一△启动方式更大，提供了比Ｙ一△启 动方式更大的选择范围。自耦变压器启动和Ｙ一△启 动方式的机械特性曲线大致相同，只是转矩值略有不 同，电气曲线如上图，图中启动性能和Ｙ一△启动方 式相似，仅仅启动转矩稍大，如同Ｙ一△启动方式一 （ａ） （ｂ） 图８ 自耦变压器启动等效图 Ｆｉｇ．８ Ａｕｔｏ—ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｈａｒｔ ・９６・ 舰船科学技术 第３５卷 样，在接近额定转速时，将自耦变压器启动回路切 换到运行回路，此时电机机械特性曲线从降压曲线 跳变到全压启动，完成启动。 ３．０ ２・５ ２．０ 重１．５ １．Ｏ ０ ５ Ｏ ０ ０．２５ ０ ５０ ０．７５ １．００ Ｎ／Ｎｓ 图９ 自耦变压器启动电流 Ｆｉｇ．９ Ａｕｔｏ—ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ 转矩比Ｙ一△启动方式大的情况下，启动电流 也大（见图ｌ０），随着电机转速的增加，转子转差率 变小，当接近启动完成时，旁路掉启动回路，使电 机工作在额定条件下，电流曲线跃变到直接启动状 态，完成启动过程。因为在接近额定转速下切换到 运行回路，此时电机的电流不会太大，对电网冲击 不会太大。 ＼ ‘＼ ＼ ＿ ＼ｌ 。＼ ＂ｍＩ ｊ ｝ ｌ 。ｌ －－ ０ ０．２５ ０．５０ Ｏ．７５ １．０ｏ Ｎ｜Ｎｓ 图１０ 自耦变压器启动转矩 Ｆｉｇ．１０ Ａｕｔｏ—ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ 自耦变压器控制简单，运行稳定可靠，维护 成本低，适合较大负载启动。但该启动需要增加 自耦变压器，成本高，且设备体积和重量大，安 装困难，适合船舶较大容量的鼠笼式三相异步电 动机启动。 需要注意的是，启动时自耦变压器Ｙ回路一 般由船厂接，因为电动机启动时间很短，空载启 动只有几秒钟，启动即将完成时，电机转为全压 运行，将降压回路旁路掉，所以选择启动回路的 电缆型号时，可以将启动回路看作短时工作回路， 将减小启动回路电缆截面，具体选择电缆时，要 估算电机启动时间，参考电缆短时载流量选择电 缆型号决定。 ３）软启动 上述电机启动方式中，电机启动电压都存在突 变，对电网和电机不同程度的存在冲击。电机软启 动方式是通过软启动器控制其内部晶闸管的导通角， 可使电机输入电压从零按照预设函数关系逐渐上升， 直至启动完成，即为软启动。 在软启动过程中，晶闸管导通角 逐渐增加， 电压逐渐增加，电动机转矩逐渐增大，直到晶闸管 全导通，此时电机启动电压上升至额定电压，完成 电机启动过程。因为电压平滑上升，电流也平滑上 升，避免了冲击电流，待电机达到额定转速时，启 动过程结束，此时软启自动旁路掉晶闸管，电动机 在额定电压下运行，这样可以延长软启动器使用寿 命，又避免电网谐波污染。软启动器同时还可以实 行软停车功能，软停车与软启动过程相反。可以看 出，软启动器可以控制电机输入电压平滑变化，对 电网和电动机没有冲击，是一种理想电机启动方式。 软启动器内部是通过晶闸管控制电压，以单相 调压器、负载为纯电阻性为例，如图１１所示。 （ａ） （ｂ） 图１１ 晶闸管控制原理图 Ｆｉｇ．１ １ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｃｈａｒｔ 通过改变触发角ｏ／大小，控制品闸管触发时间， 输出电压ｕ 波形将发生变化，负载上的输出电压也 随之变化。根据电压有效值定义，输出电压有效值： ＝ 压 。 从电压有效值Ｕ可以看出，改变触发角Ｏｔ，就 第１２期 路泽文，等：船舶鼠笼式三相异步电机启动研究 ・９７・ 可以改变有效值ｕ，从而实现控制输出电压，实现 调压器功能，这就是软启动原理。 利用晶闸管上述控制特性，软启动器由３个单相 晶闸管交流调压器组合而成（见图１２），每一相可以作 为一个单相调压器单独分析，其工作原理和波形与上 述单相交流调压相同。通过控制各相晶闸管触发角Ｏｔ， 实现控制电机电压，从而实现控制电机启动电流。 图１２软启动控制图 Ｆｉｇ．１２ Ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ 根据不同负载，软启动器可采取以下不同控制 方式： ①斜坡升压软启动。通过调整晶闸管导通角， 改变电机启动电压。因不具备电流闭环控制，没有 限流控制，也产生一定冲击电流，使晶闸管损坏， 对电网也存在一定影响，因此实际应用并不多。 ②斜坡恒流软启动。在电动机启动初始阶段， 启动电流逐渐增加，当电流达到设定值后保持恒定， 直至启动完毕。电流上升速率大，则启动转矩大， 启动时间短。该启动方式是应用最多的启动方式。 ③阶跃启动。以最短时间，使启动电流迅速达 到设定值，即为阶跃启动。通过调节启动电流设定 值，可以达到快速启动效果。 ④脉冲冲击启动。在启动开始阶段，让晶闸管 在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落， 再按原设定值线性上升，连入恒流启动。该启动方 法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。 典型的电机电气曲线如图ｌ４所示，将启动电流 设定在 ，则启动转矩由 降为 ，，与 和 平 方成正比。 软启动器因为启动平滑，启动电流小，适合所 有的空载、轻载电机使用。但因为采用降压启动， 也存在启动转矩不高的问题，不适用于重载启动的 大型电机，而且还会产生电网谐波，影响电机的输 入波形，给软启动方式运用带来了。 ．： ＼。－＿ ／ ｝ ｉ ／ — 乃 ／ ‰ －－Ｉ 一一 ， ｌ ｝ｌ ｉ ０ ｌ ０ ０．２５ ０．５０ ０．７５ １．ｏ０ Ｎ｜Ｎｓ 图ｌ３软启动电流一转矩 Ｆｉｇ．１ ３ Ｓｏｆｔ—ｓｔａｒｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ２．３变频启动 变频器通过改变器输出电压和频率来调节电动 机转速和转矩，可更好地改善电机启动性能。 变频器一般采用交一直一交转换技术，将交流 电源经整流器变为直流电，再经逆变器通过控制开 关管导通时问，控制逆变器输出频率及电压。 由前面分析可知，电机启动电流大，转矩不大 的根本原因是转子转差率大，而变频器可以改变电 源频率，调整电机启动转差率，改善电机启动性能。 由Ａｎ＝ 一ｌＺ，电机启动时ｎ＝０，凡，＝６０ｆ／ｐ， 减小 就可以减小ｎ 。如果保证减小 使电机启动 时的转差与电机额定运行时转差相等，就可以使电 机启动电流和转矩接近额定运行的电气性能，因此 设定某 ，当电机启动时，保证电机静止启动时转差 与额定运行转差相同，提高电机启动转矩，控制启 动电流，当电机达到某一转速后，通过闭环控制环 节，根据设定函数增大．厂，直至达到额定频率，完成 电机启动，实现电机启动电流和启动转矩的控制。 变频控制时，根据Ｅ。＝４． × 。×ｋｗ。× ， 为保证 工作在额定值，须保证Ｅ 恒定，根据： ‘蜴： ２： ２： ｌｆ， ／（ ）ｚ（－Ｉ ） Ｉ ｓ ３ ，Ｅ１Ｉ ２ —丽１， ｓ 。 Ｒ，２ 令ｄＴ／ｄｓ为０，可得： ・９８・ 舰船科学技术 第３５卷 一１ ３ｐ（ Ｅ１） 乏 １ ２３ｐ （Ｅ ｘｌ／ １＝常数， ．变频启动是目前为止技术上最为完善的启动方 式，达到了启动转矩和启动电流的统一，具有启动 电流小、启动转矩大等特点，变频启动器可以拖动 Ｒ ２ 。 电机在满负荷下启动。但是变频器价格较高，维修 和保养要求较高，难以普遍采用，且会在电网上产 生谐波，这给电力系统提出了一个新的课题，即如 何减小电网的谐波。 由上式可以看出，保证Ｅ ／ｆ等于常数时， … 与频率＿厂无关，通过改变电源频率，使电机机械特 性曲线左移，而最大启动转矩不变，电机的变频机 械特性如图１４所示。 ３ 结 语 ９０ｏ ８ｏ０ ７ｏ０ ６００ ．一 ／ 。＼ ＼ ５０Ｈｚ 通过不断努力，电机启动已经取得很好的效果， 随着技术的发展，电机启动效果将越来越好，或者 会有新的更好更完善的启动方式出现，满足船舶各 种系统的运行要求。 电力电子是未来发展的一个方向，电力电子技 术通过改变电力特性，更好地满足电力设备工作需 ／ ５００ Ｅ２ ４００ ３ｏｏ ２００ ｌｏ０ Ｏ ＼３０ Ｉ 、 ｔ ｔ ｌ ｆ ｜ ｌ ｜ ｌ ｆ ｉ 、 Ｉ ｜ ｆ ＼ ｌ ｆ ｌ ｌ ｆ ｜ ｌ １ Ｉ ｌ ｜ ＼ ｜ ｜ ｜ ０ｔ 【２Ｏ ４０ ６Ｏ ８０ １００ １２０ １４０ １６０ 要。从１９４８年发明晶体管至今，在这方面已经取得 了巨大的成果，如软启和变频启就是根据晶闸管特 ０ 性制造的，很好地满足了电气设备的运行特性。根 据目前电气设备发展状况，电力电子还有很大的发 图１４恒转差率原理图（Ｅ／ｆ＝常数） Ｆｉｇ．１４ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｉｒｇａｐ ｆｌｕｘ（Ｅ／ｆ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ） 展潜力，相信通过不断努力，电力电子会更加先进， 引发越来越广泛的技术。 当减小启动电源频率，增大电机启动转矩，同 时减少启动频率，保证电机转差率，减少启动电流， 这是其它启动方式无法可比的。 针对不同负载，可以采取不同的变频控制方式。 常用变频器控制方式主要有如下方式： １）压频Ｅ 控制 参考文献： ［１］ 李发海，朱东起．电机学（第四版）［Ｍ］．北京：中国科学 出版社，２００７． ＬＩ Ｆａ—ｈａｉ．ＺＨＵ Ｄｏｎｇ—ｑｉ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ（ｆｏｕｒｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］．Ｂｅｉｊｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ Ｃｈｉｎａ，２００７． ［２］ 王毓东．电机学［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，１９９０． ＷＡＮＧ Ｙｕ．ｄｏｎｇ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｏｔｏｒ［Ｍ］．Ｈａｎｇｚｈｏｕ：Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９９０． Ｅ／ｆ控制是在改变变频器输出电机电源频率的同 时，改变电机电源电压，使电机磁通量保持基本恒定， 在电机调速范围内，电机的效率和功率因素不下降。 ２）转差频率ｓＦ控制 通过控制电机的转差频率，实现对电机的控制， 并达到调速目的。 ［３］ 李发海，王岩．电机与拖动基础（第３版）［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００５． ＬＩ Ｆａ—ｈａｉ．ＷＡＮＧ Ｙａｎ．Ｅｌｅｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｄｒａｇ ｔｈｅ ｆｒｏｕｎｄａｔｉｏｎ （３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：ＴｓｉｎｇｈＨａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００５． ［４］ 黄俊，王兆安．电力电子变流技术（第３版）［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，１９９３． ＨＵＡＮＧ Ｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ－ａｎ．Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ３）矢量（ＣＶ）控制 矢量控制基本思想是转矩为磁场和其垂直的电 流的积，电机定子电流可以分解为磁场电流分量和 转矩电流分量，通过控制电机定子电流值和相位， 即可分别对电机励磁电流和转矩电流进行控制，从 而达到控制电机转矩的目的。 ２．４直接转矩控制 ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ｐｒｅｓｓ，１９９３． ［５］ 付兰芳，张宪．变频技术［Ｍ］北京：化学工业出版 社，２０１１． ＦＵ Ｌａｎ—ｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ 直接转矩控制是利用空间矢量坐标概念，在定 子坐标系下分析交流电机数学模型，直接控制电机 磁链和转矩。 ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ｐｒｅｓｓ，２００１． ［６］ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｓｃａｌａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ（ｓｑｕｉｒｒｅｌ ｃａｇｅ）ｍｅｐ１４２２ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅｒ［Ｚ］．
