瓦锡兰侧推电机启动失效分析

1、 瓦锡兰侧推电机启动失效分析和二步启动 施才忠 瓦锡兰推进装置无锡有限公司 瓦锡兰侧推电机启动失效分析和二步启动摘要:文章分析了瓦锡兰MP00963侧推电机启动失效的原因，并提出解决方案。关键词：发电机，电机，启动，自耦变压器，电流 一. 大容量电机启动，考虑供电电源(发电机)的容量和压降,，通常减少启动电流,提高启动转矩，采用降压启动（星三角启动，自耦变压器启动，有的也采用软启动和变频启动）。 本例讲的是新加坡Marine ST, Benoi yard，军船618，我司侧推配置是左右舷首侧推电机1000KW，440V，60HZ.左右舷尾侧推电机420KW，440V,60HZ都采用自耦变压器启动。船试航时，发现首侧推电机在启动时隔离开关不停的吸合断开，后来发现接触器和自耦变压器烧坏。1.系统元件参数如下:1.1 电机型号:YL500-6440V/1000KW/60Hz 1604A Is/In=7.0;Ts/Tn=0.7;Tm/Tn=1.8;PF=0.86 J=50Kg.m 电机形式试验相关数据：堵转电流8536A;满载输入功率1034KW;满载电流1605A;满载转矩7999N.m;堵

2、转电流倍数5.32，堵转转矩6162n.M1.2发电机型号：LSA 52.2 S55/4p-1500KVA-440V-1800rpm 1968A/440V/60HZ。 电压精度：1% ;启动电机功率因数在0到0.4之间，15%的压降最大容量为1201KVA。(即启动电流应1201/1.732/440/(1-15%)=1854A) 下图为PF=0.8时的负载冲击压降曲线和效率曲线：1.3.1其烧坏元件型号为：自耦变压器 5T1：OZB, 60Hz 1000KW 43%/46%/49% 1.5X1604A 20S大容量接触器7K3，7K4：ABB A460-30-11, AC220V 50/60V负荷开关 5Q1：ABB E2N/MS-2000/P-LA 3P, AC220V 50/60Hz，（失压线圈145VAC）接触器参数表：项目AF460AF580AF750额定工作电流（55C）Ie460A580A750A额定功率（440V）Pe250KW355KW450KW额定接通能力10Ie10Ie10Ie额定分断能力8Ie8Ie8Ie额定短时电流（40C）1S4600A7000A7000A10

3、S4400A6400A6400A30S3100A4500A4500A极限分断能力440V5000A6000A7500A极限操作频率300次/小时300次/小时300次/小时1.3.2其控制和动力部分原理图和烧坏元件位置如下图：2.船厂提供了启动失效时的电压和电流数据: 2009/04/06-04/11，新加坡Marine ST, Benoi yard，军船618试航中左右舷首侧推电机启动失效，导致一个侧推的自耦变压器5T4，断路器5Q1，和接触器7K3/5烧坏。维修和替代损坏件，侧推螺距回零，清理浆叶片后，查找故障原因。发电机输出电压440V/60HZ.电机启动时，发现MCB（5Q1）转换后，一次侧电流保持约1000A，转换时转速815RPM。5Q1一闭合，立刻打开，大电流启动接触器7K3/5再次闭合，启动逻辑返回到开始。记录显示，5Q1转换前后，输入三相电压由440V转换到215V，压降51%。启动第一步时，49%抽头电压为199V，（应为215.6V，压降为7.85%）.一次侧电流和49%抽头电压记录如下。（我们可以看到5Q1转换时的冲击电流和电压降）。 ABB 负荷开关失压线圈为

4、145VAC，5Q1吸合时，巨大的冲击电流（50006000A）产生巨大的线路和电源压降，控制柜输入电压从440V降到215V，导致控制电压降至110V以下，MCB（5Q1）跳闸, 电机再次启动, 如此循环, 启动元件 (5Q1, 5T4, 7K3/5) 承受不了持续的大电流（包括变压器和电机的冲击电流）而烧坏。二.失效分析和提出二步启动方案：1.感应电动机的简化等效电路和降压启动原理:RrX2X1R1I1I0I0I2(1-s)Rr /sU1感应电动机电流和电磁转矩的参数表达式如下：I2=Mem=CmmI2COS2由此可见启动转矩只与电源电压的平方和本身参数有关,也在感应电动机磁通一定时,与电流的有功分量I2COS2成正比. Cm为电机转矩常数, 对于已制电机为一常数.电机的转矩/转速曲线KTGnJnGJIGFTHTmax/KUn/KTlETst/KHTN电动机启动瞬间, n=0,s=1。启动转矩，功率因素，启动转矩平衡公式 Mst= Mem= ML+ M+ J D / DtI2=（57）InCOS2= 电机的功率因数很小,一般只有0.2左右，磁化电流主要建立主磁通，启动电流很大，一般

5、有额定电流的78倍。I2COS2电流的有功分量较小，同时由于电流较大，定子漏抗压降增大，电动势E1减少，主磁通也会相应减小，所以启动转矩并不大。电机启动要求有足够大的启动转矩，而启动电流不要太大，否则会造成较大的线路和电源压降。而降压启动,其启动转矩与电压平方成反比.在EF段启动升速过程中，转速与电磁转矩是同步增加的，按照上面的电机的转矩/转速曲线，只要电磁转矩大于ML+ M，其转速一直可以经过F点（nm），然后在K点达到平衡。但是如果电磁转矩在启动过程中的G点不足以克服负载转矩和自身阻力矩，即G点电磁转矩MGML+ M，转速就不能增加，电磁转矩也不能增加，此时电磁转矩为Mem= ML+ M，电机在升速段G点达到平衡。电磁转矩主要有负载转矩决定，而此时的电机电流也由负载转矩决定。如果再全压启动，电磁负载Th突变，电机加速。电机再次启动到转矩平衡.G点到H点加速瞬间，, n= nG, s=(nn- nG)/ nn s I2 sIstMemG=CmmI2COS22) 失效分析：TN=9550XP/n=8025N.m T堵转=6161n.M Tst/ TN=0.77（GD2负载+ GD2电机

6、）27.7（额定转速/100）2启动时间= 额定功率（Tst/TnTz）103GD2负载=104=40 GD2电机=504=200 额定转速N=1190 额定功率P=1000KW启动转矩倍数Tst/Tn=0.77/电压抽头变比2（按实际49%抽头接线计算）=0.184平均阻力矩Tz=0.08(=0.01+1200/7999)（见下面瓦锡兰负载曲线表）依据以上数值，最终的启动时间9.2S，故按照计算在10秒后应能达到额定转速，但实际情况为在10秒后仍为815rpm左右。可能是启动时的压降所致。下图（仅供参考）是电机启动转矩/速度和电流/速度 曲线 (取自型式试验报告)Ist=8536A 43%/46%/100%抽头和侧推负载转速/转矩曲线(取自型式试验报告)第一步10S启动结束转速只有815RPM,而5Q1转换后引成大电流和高电压降,说明电机没有达到理论转速,原因是电压降引起电机启动转矩不足，小于负载转矩，在升速曲线上的某一点徘徊。这里是815RPM，此时电磁转矩SIst=0 .3208X1604X7=3607A （实际为50006000A） 启动容量1.732X440X3607=274

7、9KVA1201KVA(U=15%,cos=00.4)启动电流大于3607A.发电机外特性曲线如下: V 感性负载 电阻负载 Un 容性负载 0 In I 全压启动超过发电机允许的冲击容量，发电机电压降迅速增大，线路电压突降，5Q1失压线圈跳开。电机再次启动, 如此循环, 启动元件 (5Q1, 5T4, 7K3/5) 承受不了持续的大电流（包括变压器和电机的冲击电流）而烧坏。c) 二步启动原理：1.电机理论启动容量 1.5X1604x440X1.732=1833.6KVA,而本发电机LSA 52.2 S55 / 4p电机启动电压降15%时，（电机启动功率因数在0到0.4之间），允许的最大冲击容量为1201KVA1833.6KVA，发电机的容量偏小，因该选择LSA 52.2 VL85 / 4p发电机，其相应冲击容量为1857KVA。但现场发电机已安装完毕，不能重新更改发电机型号2.我们决定定采用自耦变压器两步启动，第一步让电机转起来，第二步让电机转矩和转速尽量大，以减少电机启动时启动电流对电源的冲击。以下是我们画的假想的负载，I%.II%抽头的转矩与转速曲线。loadTII%I%由于负载和电机发电机实际情况为止，未知，此点为假设点，对应一定转速和转矩。n3.如何选择两步变比，有以下数据可以参考：a)发电机参数，发电机在功率因数0-0.4启动交流电机时，电压降为15%的最大冲击容量为1201KVA

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