如何校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)回路斷路器和接觸器的選型

一、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（Inrushcurrent）、起動(dòng)電流（startcurrent）、額定電流（ratedcurrent）的定義如下圖2所示，需要說(shuō)明的是沖擊電流是峰值（Peakvalue），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(guò)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(lái)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)于常規(guī)電機(jī)IE1/IE2，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(guò)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的參數(shù)可以通過(guò)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(chēng)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(jiàn)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(kāi)始選擇斷路器和接觸器的參數(shù)。

二、低壓斷路器選型低壓斷路器作為電動(dòng)機(jī)回路過(guò)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?、過(guò)載保護(hù)特性、磁保護(hù)特性。

斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Πǎ?/p>

1、額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu，簡(jiǎn)單的講，斷路器經(jīng)過(guò)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?！胺?jǐn)郞”是指斷路器只分?jǐn)喽搪冯娏?，“通斷CO”是指接通短路電流后立即分?jǐn)?，前者只考核其短路分?jǐn)嗄芰?，而后者同時(shí)考核短路接通和短路分?jǐn)嗄芰?。為何要考核短路接通能?/p>

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(lái)表示，但至少為25%。說(shuō)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Γ↖cs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(lái)說(shuō)，會(huì)有詳細(xì)的短路電流計(jì)算書(shū)，但對(duì)于元器件廠家的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)易計(jì)算短路電流公式為例

假如某變壓器容量為1250kVA，短路阻抗電壓為4%，那么通過(guò)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?！再看過(guò)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(guò)載保護(hù)元器件，但是如果不選過(guò)載繼電器，而是用斷路器來(lái)做過(guò)載保護(hù)，我們就必須得選具備過(guò)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(kāi)?。?。電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器的過(guò)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(guò)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(guò)載繼電器或過(guò)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(guò)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(shuō)明斷路器的磁脫扣保護(hù)可以躲過(guò)空壓機(jī)起動(dòng)瞬間的沖擊電流。三、低壓接觸器選型先說(shuō)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(mǎn)足要求，接下來(lái)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?、起?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(cè)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(jiàn)下表7?！巴〝唷蹦芰己说氖墙佑|器在起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的過(guò)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(kāi)，切斷接觸器線圈供電，接觸器主觸頭斷開(kāi)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(lèi)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(lèi)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(wú)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(lèi)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(mǎn)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(guò)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(méi)有問(wèn)題。接觸器的電壽命可以樣本上的電壽命曲線查詢(xún)，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(wàn)次的電壽命。四、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^(guò)載保護(hù)整