電動(dòng)機(jī)選擇斷路器和接觸器是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流、沖擊電流和起動(dòng)電流三個(gè)參數(shù)來決定的，本文的主要目的是為了讓設(shè)計(jì)師了解所選擇的斷路器會(huì)不會(huì)誤動(dòng)作，選擇的接觸器會(huì)不會(huì)在使用初期就很容易粘連，如何在元器件選型時(shí)就避免這些潛在故障。
電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)信息
例如某空壓機(jī)額定功率11.2kW±7%，工作電流為23.5A+20%/-10%，起動(dòng)電流(有效值)為185.6A+20%，沖擊電流(峰值)為341.2A+20%，如圖1。
圖1 電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)
沖擊電流(Inrush current)、起動(dòng)電流(start current)、額定電流(rated current)的定義如下圖2所示，需要說明的是沖擊電流是峰值(Peak value)，起動(dòng)電流和額定電流是有效值(RMS)。
圖2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程電流波形
一般情況下，電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)信息獲取來源是電機(jī)銘牌，如圖3所示，但是電機(jī)銘牌上的電氣參數(shù)有限，只有額定電壓、額定電流，不會(huì)體現(xiàn)起動(dòng)電流和沖擊電流參數(shù)，但后兩者對(duì)于元器件選型相當(dāng)重要。
尤其要注意電動(dòng)機(jī)的能效等級(jí)代碼IE3，IE3電動(dòng)機(jī)屬于高效電機(jī)，相對(duì)于能效等級(jí)代碼IE1/IE2的常規(guī)電機(jī)，其運(yùn)行電流更低更節(jié)能，但是起動(dòng)時(shí)的沖擊電流和起動(dòng)電流更大，所以高效電機(jī)對(duì)低壓元器件的性能有更高的要求。
圖3 電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)
不過，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的參數(shù)可以通過樣本獲取，如圖4中額定功率為11kw的電動(dòng)機(jī)，其額定電流為22.5A，起動(dòng)電流為7.8倍額定電流，即175.5A，但沖擊電流在樣本上是查不到的。
圖4 電動(dòng)機(jī)樣本參數(shù)
電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流可以參考IEC60034-12單速三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能標(biāo)準(zhǔn)的要求計(jì)算。
電動(dòng)機(jī)接通電流時(shí)會(huì)有一個(gè)0.5周的不對(duì)稱瞬時(shí)峰值電流，為穩(wěn)態(tài)堵轉(zhuǎn)電流有效值的1.8~2.8倍，此電流的峰值和衰變時(shí)間與電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及合閘相角呈函數(shù)關(guān)系，見圖5，所以額定功率為11kW的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)的沖擊電流大約為316~491.5A。
圖5 IEC60034-12沖擊電流描述
有了上述電動(dòng)機(jī)額定電流、起動(dòng)電流和沖擊電流信息，我們就可以開始選擇斷路器和接觸器的參數(shù)。
低壓斷路器選型
低壓斷路器作為電動(dòng)機(jī)回路過電流保護(hù)的元起件，其重要性不言而喻，要從以下幾個(gè)方面考慮斷路器的選型：斷路器短路分?jǐn)嗄芰Α⑦^載保護(hù)特性、磁保護(hù)特性。
斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Πǎ?/span>
1、額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu，簡單的講，斷路器經(jīng)過一次短路“分?jǐn)郞”和一次短路“通斷CO”后，不需要它具備繼續(xù)運(yùn)行的能力，直接更換。
“分?jǐn)郞”是指斷路器只分?jǐn)喽搪冯娏鳎巴〝郈O”是指接通短路電流后立即分?jǐn)啵罢咧豢己似涠搪贩謹(jǐn)嗄芰Γ笳咄瑫r(shí)考核短路接通和短路分?jǐn)嗄芰Α?/span>
為何要考核短路接通能力Icm呢？因?yàn)榧偃缭跀嗦菲骱祥l之前，線路上已經(jīng)存在預(yù)期短路故障，斷路器合閘時(shí)會(huì)接通短路電流，如果短路接通能力不夠，短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致斷路器觸頭彈跳厲害，造成觸頭粘連，嚴(yán)重時(shí)斷路器機(jī)械支撐斷裂甚至爆炸。
額定短路接通能力應(yīng)不小于其額定極限短路分?jǐn)嗄芰Τ艘员?中的系數(shù)n的乘積，例如某斷路器額定極限短路分?jǐn)酁?0kA，那么其短路接通能力至少為105kA。
2、額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs，是指斷路器經(jīng)歷一次短路“分?jǐn)郞”和兩次短路“通斷CO”后，還可以繼續(xù)運(yùn)行的能力。
相比于前面的額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu，額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs多了一次“通斷CO”，并且還需要具備繼續(xù)運(yùn)行的能力，所以Ics參數(shù)對(duì)斷路器的要求更高。
一般情況下，Ics參數(shù)可以用Icu的百分比來表示，但至少為25%。
說白了，某斷路器的短路極限分?jǐn)嗄芰?00kA，分?jǐn)鄡纱魏徒油ㄒ淮?00kA的短路電流之后，斷路器基本上就需要“報(bào)廢”了，不建議再繼續(xù)使用。
同一臺(tái)斷路器，其斷路器運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?0kA(Icu的50%)，分?jǐn)嗳魏徒油▋纱?0kA的短路電流之后，斷路器還可以繼續(xù)使用。
斷路器選型時(shí)其短路分?jǐn)嗄芰?Ics或Icu)要大于設(shè)備安裝處的預(yù)期短路電流，如何計(jì)算設(shè)備處的預(yù)期短路電流呢？
對(duì)于設(shè)計(jì)院工程師來說，會(huì)有詳細(xì)的短路電流計(jì)算書，但對(duì)于元器件廠家的技術(shù)人員來說，需要有基本短路電流計(jì)算的概念。
我們以施耐德電氣裝置設(shè)計(jì)指南提供的簡易計(jì)算短路電流公式為例：
4.1中壓/低壓配電變壓器二次側(cè)的短路電流
一臺(tái)變壓器的情況，用簡化方法，高壓系統(tǒng)的阻抗因?yàn)樘《梢院雎圆挥?jì)，這樣：
P為變壓器額定功率，kVA；U20為開路時(shí)的相/相二次電壓；In為標(biāo)稱電流，A；Isc為短路故障電流，A；Usc為變壓器的短路阻抗電壓，%。
假如某變壓器容量為1250kVA，短路阻抗電壓為4%，那么通過上面式子計(jì)算的變壓器二次側(cè)額定電流約為1804A，再用變壓器額定電流除以阻抗電壓百分比，計(jì)算得出短路電流約為45kA，所以選擇斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Υ笥?5kA即可，比如選擇短路分?jǐn)嗄芰?0kA的斷路器。
第一步選擇斷路器短路分?jǐn)嗄芰Ω愣ǎ≡倏催^載保護(hù)選型。
我們一般會(huì)選擇熱繼電器作為電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)元器件，但是如果不選過載繼電器，而是用斷路器來做過載保護(hù)，我們就必須得選具備過載保護(hù)的“電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器”(特別強(qiáng)調(diào)：不是D曲線空開！)。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器的過載保護(hù)曲線與熱繼電器的保護(hù)特性完全一致！
回到文章前面，空壓機(jī)額定功率11.2kW±7%，工作電流為23.5A+20%/-10%，即21A~28A。我們選擇過載保護(hù)整定電流范圍為24~32A的GV2ME32C電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器，保證電動(dòng)機(jī)的額定電流落在斷路器整定電流范圍之內(nèi)。
按照GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，熱過載繼電器或過載脫扣器的整定電流應(yīng)接近但不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流。
對(duì)于11.2kW的電動(dòng)機(jī)，GV2ME32C的整定電流可以調(diào)整到28A左右。
我們?cè)倏碐V2ME32C的磁脫扣電流值是否能躲過該空壓機(jī)的沖擊電流，上圖中GV2ME32C的磁脫扣電流為416±20%，即333A~499A，當(dāng)沖擊電流低于333A時(shí)，斷路器的磁脫扣一定不會(huì)動(dòng)作。
額定功率為11.2kW的空壓機(jī)，其沖擊電流(峰值)為341.2A+20%，即410A(峰值)，需要特別強(qiáng)調(diào)這里是“峰值”，需要除以1.414之后，再和GV2ME32C斷路器的磁脫扣值下限值比較，換算成有效值之后的沖擊電流為290A，低于333A，說明斷路器的磁脫扣保護(hù)可以躲過空壓機(jī)起動(dòng)瞬間的沖擊電流。
低壓接觸器選型
先說答案！對(duì)于額定功率為11.2kW、額定工作電流為28A的空壓機(jī)，32A接觸器可以滿足要求，接下來我們從電氣參數(shù)的角度分析下為什么。
同樣的道理，需要考慮接觸器的接通能力、堵轉(zhuǎn)情況下的分?jǐn)嗄芰Α⑵饎?dòng)電流下的耐受能力、以及電壽命等性能。
接觸器的接通能力和通斷能力在GB/T14048.4中是必須測試的項(xiàng)目，其主要目的是考慮到接觸器在起停電動(dòng)機(jī)時(shí)，主觸頭閉合瞬間會(huì)接通電動(dòng)機(jī)沖擊電流，如果接觸器的接通能力不夠，意味著觸頭抵抗沖擊電流產(chǎn)生的電動(dòng)力能力不夠，容易導(dǎo)致觸頭彈跳嚴(yán)重，觸頭粘連。
接通能力按接觸器額定電流的12倍考核，操作循環(huán)50次，見下表7。
“通斷”能力考核的是接觸器在起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的過程中，如果電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時(shí)熱繼電器動(dòng)作，熱繼電器的常閉點(diǎn)斷開，切斷接觸器線圈供電，接觸器主觸頭斷開電動(dòng)機(jī)主回路，此時(shí)接觸器分?jǐn)喽罗D(zhuǎn)電流。
對(duì)于常規(guī)的IE1/IE2電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)AC-3使用類別，標(biāo)準(zhǔn)中給出電流倍數(shù)是8；對(duì)于IE3/IE4高效電機(jī)，對(duì)應(yīng)AC-3e使用類別，由于起動(dòng)電流比IE1/IE2高，標(biāo)準(zhǔn)給出的電流倍數(shù)是8.5。
無論是控制常規(guī)電機(jī)還是高效電動(dòng)機(jī)，接觸器都需要具備在堵轉(zhuǎn)情況下分?jǐn)喽罗D(zhuǎn)電流的能力。
額定電流為32A的接觸器，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，其接通能力至少為384A(12倍In)，通斷能力至少為272A(AC-3e使用類別對(duì)應(yīng)8.5倍Ie)。
額定功率為11.2kW的空壓機(jī)，額定工作電流最大為28A，堵轉(zhuǎn)電流(大小等于起動(dòng)電流)最大為185.6*1.2≈223A，沖擊電流(有效值)最大為290A。
將電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)電流和沖擊電流(有效值)，分別與接觸器的通斷能力、接通能力比較，可以看出32A接觸器的能力完全可以滿足11.2kW空壓機(jī)的運(yùn)行要求。
接觸器在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中是否可以耐受起動(dòng)時(shí)間內(nèi)的起動(dòng)電流？GB14048.4標(biāo)準(zhǔn)也有定義，對(duì)于32A接觸器，其熱耐受電流值至少為256A/10s，電流值高于空壓機(jī)起動(dòng)電流最大值223A，所以熱耐受校驗(yàn)也沒有問題。
接觸器的電壽命可以樣本上的電壽命曲線查詢，由于11.2kW的空壓機(jī)額定電流最大值為28A，所以我們?cè)谇€X軸上找到28A，作垂直線與LC1D18接觸器相交，再作水平線與Y軸相交，得到的數(shù)據(jù)就是電壽命次數(shù)，大約190萬次的電壽命。
總結(jié)
為電動(dòng)機(jī)選擇斷路器和接觸器時(shí)，需要要獲得電動(dòng)機(jī)的額定電流、起動(dòng)電流和沖擊電流參數(shù)，因?yàn)樗鼈兒蛿嗦菲鞯倪^載保護(hù)整定和磁脫扣電流整定，以及接觸器的接通和分?jǐn)嗄芰πｒ?yàn)息息相關(guān)。
電動(dòng)機(jī)額定電流和啟動(dòng)電流參數(shù)可以通過銘牌和樣本獲得，沖擊電流參數(shù)要么廠家提供實(shí)測數(shù)據(jù)，要么通過理論計(jì)算獲得。
總而言之，電動(dòng)機(jī)回路元器件選型看起來相當(dāng)簡單，大部分可以按經(jīng)驗(yàn)選型，但最主要的是要理解選型背后元器件各個(gè)參數(shù)的實(shí)際意義，才能與電動(dòng)機(jī)的電流特性相匹配，避免斷路器誤動(dòng)作和接觸器使用壽命下降。
作者：賓紹平
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