自耦变压器降压启动原理及典型故障分析

叶小明

（交通运输部东海救助局，上海 200090）

大功率电机启动时，由于启动冲击电流较大，故在电气系统设计时，通常采用各种方法降低启动电流和启动转矩。目前较为常用的方法有降压启动法与变频启动法。本文着重介绍降压启动中的自耦变压器降压法，并通过对一则8000kW救助船舶艉侧推的故障分析，为解决此类典型问题提供一种思路和方法。

1 原理概述

自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。

采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转矩。如目前8000kW主流救助船舶侧推启动器选择变压器抽头电压降至额定电压的45%，其启动电流为全压启动电流的20．25%，启动转矩为全压启动转矩的20．25%。其启动原理如下图1。

图1

2 原理分析

自耦变压器的高压边投入电网，低压边接至电动机，有几个不同电压比的分接头供选择。合上空气开关QF接通三相电源。按启动按钮SB2交流接触器KM3线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM3辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头（例如65%）将三相电压的65%接入电动机。

同时，KM3辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，并按已整定好的时间开始计时，当时间到达后，KT的延时常开触点闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。由于KA线圈通电，其常闭触点断开使KM3线圈断电，KM3常开触点全部释放，主触头断开，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，其主触头断开，切断自耦变压器电源。KA的常闭触点闭合，通过KM3已经复位的常闭触点，使KM1线圈得电吸合，KM1主触头接通电动机在全压下运行。KM3的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电，其延时闭合触点释放，也保证了在电动机启动任务完成后，时间继电器KT可处于断电状态。欲停车时，可按SB1则控制回路全部断电，电动机切除电源而停转。

以上过程就是带自耦变压器的电机启动的最基本原理。当然在具体电路中控制方式会有不同，如PLC控制、增加辅助继电器、继电器电压为220V或24V等等。接通主电机的三付触电的闭合原理是根本宗的，因此在具体的电路中，只需依照此基本原理对控制电路做出分析即可。

3 实例分析

下面以8000kW救助船舶侧推启动时的一则故障及解决方法为例，对自耦变压器启动控制电路进行分析，为解决类似问题提供一种思路。某轮为无限航区远洋救助船舶，主机额定功率4000kW，双主机配CPP，艏侧推两台，艉侧推一台。以上配置使该船舶具备良好的可控操纵性能，在救助中每每起到关键作用。尤其是三台侧推的布置更是令船舶操纵如虎添翼，三台侧推皆为武汉川崎制造的KT-B系列，其中两台艏侧推型号为KT-88B，主电机功率625kW，推力100kN；艉侧推型号为KT-55B3，主电机功率550kW，推力79kN。三台侧推皆由PLC进行控制，并提供多点操纵。由于电机功率较大，其启动皆为带自耦变压器的降压启动。

3.1 故障现象

某日，设备试运转时，驾驶台按正常程序启动艉侧推，发现侧推无法正常启动，并有“主电机启动失败”故障报警。当值轮机员随即机旁确认，复位后，报警消失。期间，对侧推进行盘车并无卡阻。随即通知驾驶台间隔半小时后再次启动，结果依然失败，报警出现。此次启动时，轮机员于机旁观察，发现侧推电机已运转，电流为300A左右，但十几秒后上述报警再次出现，侧推停转。

3.2 故障分析

图2

根据现场盘车情况，可排除侧推卡阻、堵转等原因引起的启动失败。根据第二次启动的现场观察，侧推主电机已进入启动程序。按自耦降压启动的原理，如图1所示，主电机应该在自耦降压启动中，即KM3与KM2已闭合。初步判断“主电机未启动成功”应该为KM1未闭合，主电源未接入所致。打开侧推启动器，检查主电机的各主接触器、接线，皆无任何异常，手动闭合顺畅。故疑点指向控制电路。该控制系统中，通过PLC与其它中间继电器及辅助继电器等控制。正常启动时，通过转换开关的选择接通PLC的输入端口（PLC-1 I3．6），经处理后通过输出端口(PLC-0 Q1．4)接通K57．61(如图2)，KM3发出合闸信号，自耦变压器星形接法连接。同时，K42．5接通，一付触点作为KM3合闸的自保触头，另一付触点闭合（如图3），随即向PLC发出KM2合闸信号，KM2合闸，自耦降压启动运行。

如图3所示，K43．5有两组延时触头，其中一组串在KM3的合闸信号线中（如图2），另一组串在K43．7这一中间继电器的接通电路中（K43．7为主电机由自耦变压器到主电源启动转换继电器）。延时12s时间到后，图2中这组触头断开，使K42．5失电，随即KM3、KM2分闸，保证自耦变压器脱开主电路。与此同时，另一组延时触头接通K43．7（如图3），K43．7得电后，其KM1合闸信号线路上这一组常开触头闭合（如图4）。此时由于K42．5失电，故该线路上这组常闭触头闭合（如图4），KM1合闸信号满足，PLC发出指令，KM1闭合，主电源接入电路电机正常运转，由K44．7向PLC发出“主电机运行”指令，启动成功。

图3

图4

3.3 故障查找

通过以上故障分析可得出初步判断，故障应该是发生在KM1合闸的这一路。由图4可以看出，影响PLC发出KM1合闸指令的为K43．7的一组常开触头与K42．5的一组常闭触点。采用排除法得出最后结论。首先选择K42．5的这组常闭触点进行排除。断电状态下，拆除这组触点的接线，手动压合K42．5铁心，测量该组触头状态为“0”，放开后测量状态为“1”，故可判断该组触头状态无误，予以排除。

然后查K43．7的这组常开触头。由故障分析可知，转换继电器K43．7得电需K43．5的延时触头闭合（如图3），故首先需判断K43．5的延时触头是否正常闭合。首先短接KM2的118与117这组副触点（如图3），再通电，可看到K43．5得电，而延时12秒后，发现K43．7的指示灯未亮，即并未得电，故障原因似乎为K43．5的延时触头不动作。

为进一步确认故障，断电状态下，拆除K43．5的这组延时触头接线（如图3），测量触头两端状态为“0”，随后手动压合K43．5，触头状态为“0”，延时时间到，状态仍未改变。故通过以上两点可以确认这组延时触头是侧推不能正常启动的真正原因。

3.4 解决方法

更换此时间继电器，启动侧推，一切正常，故障得以排除。

4 注意事项

自耦降压起动电路不能频繁操作，如果启动不成功，第二次起动应间隔几分钟以上，连续两次起动后，应最少半小时后再次启动运行，这是为了防止自耦变压器绕组内启动电流太大而发热损坏自耦变压器的绝缘。

若电动机由启动转换到运行时，仍有很大的冲击电流，甚至跳闸。是电动机起动和运行的接换时间太短所造成的，时间太短电动机的起动电流还未下降转速为接近额定转速就切换到全压运行状态所至。可调整时间继电器（如本例中的K43．5）的整定时间，延长起动时间解决。

若电动机声音异常，转速低不能接近额定转速，说明电动机起动困难，怀疑是自耦变压器的抽头选择不合理，电动机绕组电压低，起动力矩小带动的负载大所造成的。可选取较大一点的变压器抽头解决。

若启动初始不能满足PLC限定的启动条件，如鳍角未在零位、重力油柜油位低等情况而又需要紧急启动侧推时，可将侧推启动箱面板转换至“应急”模式，手动按下启动按钮，强行启动主机（如图2）。但应注意，此模式只在PLC限制启动而又紧急情况下才可使用，为非正常启动模式，对侧推可能会造成潜在伤害，需慎重。

5 结语

作为船舶轮机管理人员，在遇到故障的时候，应该从原理入手分析，由易到难，层层深入。文中短接线路排除故障法在查找电路问题时较为好用。