电动机控制与保护

2010-Z01民用建筑电气设计技术措施讲座电动机控制与保护中建国际（深圳）设计顾问有限公司李炳华北京土木建筑学会电气设计委员会北京电气设计情报网2010.4.151目录一、一般规定……………………………………………………………………2二、电动机的启动………………………………………………………………3三、低压电动机的保护…………………………………………………………7四、低压交流电动机的主回路…………………………………………………13五、低压交流电动机的控制回路………………………………………………28六、低压交流电动机的节能要求………………………………………………31七、其它…………………………………………………………………………3429.2电动机控制与保护一、一般规定电动机有多种类型，根据有关资料介绍，电动机可以按下列原则进行分类。1按工作电源类型分类：电动机可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。2按结构及工作原理分类：电动机可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机和单相异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。按结构及工作原理，直流电动机可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。3按转子的结构分类：电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。4按运转速度分类：电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。5按启动与运行方式分类：电动机可分为电容启动式电动机、电容启动运转式电动机和分相式电动机。6按用途分类：电动机可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。7按使用环境分类：电动机可分为普通电动机和特种电动机，例如用于有爆炸危险场所的防爆电动机，用于水下的防水电动机。这么多电动机在规范中没有全部涵盖，9.2-1说明了其适用范围，即适用于一般用途的旋转电动机，不适用于控制电动机、直线电动机及其它用途的特殊电动机，3～10kV异步电动机和同步电动机也超出本规范的要求。规范对电动机的功率和额定电压也做出要求。下表列出相关规范、标准电动机适用功率下限值和额定电压上限值。3相关规范、标准中电动机适用功率下限值和额定电压上限值表9.2-1规范、标准额定功率下限值（kW）额定电压上限值（V）名称编号通用用电设备配电设计规范GB50055－930.551000,10000民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92-500全国民用建筑设计技术措施（电气）2003年版0.551000美国国家标准NEC19980.75-中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值GB18613-20020.55660从表中可以看出，电动机适用功率最小值定为0.55kW、额定电压上限值定为1000V，有利于我国相关规范、标准之间相互配合、相互衔接，并与国际标准接轨，同时，也考虑了我国现行电动机实际情况。二、电动机的启动1电动机启动综述电动机由静止到转动起来的过程，叫启动过程。电动机启动方式有很多种，在电动机启动过程中，有两点必须满足：一是电动机的端子电压不能太低，如果其端子电压太低，电动机就不能提供足够的转矩，不能保证它所拖动的机械正常工作；第二，电动机启动时，不能影响同一配电系统中其它用电设备的正常工作。为此，规范对交流电动机启动时，其配电母线上的电压做出如下规定：电动机启动时母线上电压的要求表9.2-2电动机启动类型配电母线上的电压/额定电压的最小值频繁启动90％不频繁启动85％当电动机不与照明或其它对电压波动敏感的负荷合用变压器，且不频繁启动时80％当电动机由单独的变压器供电时其允许值应按机械要求的启动转矩确定电动机频繁启动是指每小时启动数十次以上。当电动机由单独的变压器供电时，形成了电动机——变压器组，这种供电形式在工业中经常使用。YX2系列高效电动机-0.55-Y系列电动机-0.55-4中也时有应用。例如，北京奥林匹克公园内集中冷站，一台冷冻机组为840kW，采用一台1250kVA专用变压器带一台冷冻机组，启动时电动机可以满足机组的启动转矩。有关资料介绍，电动机——变压器组接线形式，当电动机的容量不超过变压器容量的80％时，电动机可顺利启动。但本规范考虑电动机所拖动的机械的差异，没有做出具体数值上的要求。2笼型电动机的全压启动全压启动也叫直接启动，就是将额定电压直接加到电动机定子绕组上。对电动机来说，全压启动设备简单，操作方便，是最可靠、最简单的启动方式；对用户来说，全压启动又最经济。只要电动机启动过程中能满足本规范9.2.2条1和2款的要求，应采用全压启动。图9.2-1为笼型电动机直接启动一次线路图，元器件很少，连接点也少，接线非常简单。图(a)为断路器＋接触器＋热继电器结构，断路器为电磁脱扣器；图(b)为断路器＋接触器，这时断路器应配电子脱扣器，电子脱扣器具有过载保护功能；图（c）为CPS构成的电动机全压电路，按照IEC60947—6—2（1997）、GB14048.9—1998的规定，CPS为控制与保护开关电器，也就是说，将电动机的保护电器、控制电器、隔离电器等组合到一起的低压电器。笼型电动机全压启动的第一个特点是启动电流大、启动时间短。电动机启动瞬间，同步转速n0=60f/P=0，转差率s=(n0-n)/n0=1，电动机的转速n=(1-s)60f/P＝0。转子绕组感应电动势和电流都很大，转子电流也随之增大。一般笼型电动机的启动电流约为额定电流5～7倍，启动时间较短，约1～3s，这么短的时间内电流便很快减小达到额定电流值，不足以使电动机发热。因此，对电动机本身影响不大。要注意！某些工业上用的电动机属于重载负荷，启动时间长，极少数负荷启动时间可达30s，电动机的启动对其本身会有些不良的影响。笼型电动机全压启动的第二个特点是启动转矩（Tst）小。同样，刚启动时，n0=60f/P=0，s=(n0-n)/n0=1，电动机的转速n=(1-s)60f/P＝0。转子绕组感应电动势和电流都很大，转子电流很大，但功率因数cosφ2较小，因而启动转矩Tst并不大。通常笼型电动机启动转矩约为额定转矩1.1～2.0倍，起重、冶金用的电动机启动转矩可达2.5～3倍额定转矩。启动转矩太小，不利于带负载启动，或者延长电动机启动的时间。3笼型电动机的降压启动规范规定，“当不符合全压启动条件时，笼型电动机应降压启动。”降压启动的目的是减小启动时的启动电流，通常采用降低定子绕组电压来达到这一目的。启动后，先降低定子电压，待电动机转速接近额定值时再换接到额定电压。常用的降压启动方法有利用自耦变压器降压、采用Y—△降压启动、软启动方式等。(a)(b)（c）图9.2-1电动机直接启动一次线路图9.2-2三相异步电动机n=f(T)曲线5笼型电动机降压启动的比较表9.2-3启动方式接线启动电流启动转矩备注全压启动额定电压直接加到电动机定子绕组上IstTstY—△降压启动启动时定子绕组接成星形，每相绕组为。转速接近额定值时，再改接成三角形0.33Ist0.33Tst①当Y—△转换瞬间，转矩突然增大，对机械设备有冲击。②启动转矩小，不利于启动。③适用于空载或轻载启动。自耦变压器降压通过自耦变压器调节定子绕组电压，启动时，定子绕组电压小于额定电压k.U1，转速接近额定值时将定子绕组电压调到额定值。k2.Istk2.Tst启动电流小，启动转矩较大。不能频繁启动。延边三角形抽头比例为1:1，启动时定子绕组电压为0.71U1。0.5Ist0.5Tst启动电流小，启动转矩较大。可以较频繁启动。软启动将软启动装置接在电源与电动机之间，利用改变晶闸管的导通角达到调节定子电压的目的。启动时定子绕组上的电压为（0～1）U1，达到额定转速时，定子电压为U1。可调，且小于Ist可调，且小于Tst软启动装置价格高，易产生高次谐波，污染电网、增加能耗对于软启动装置，它只是一个启动设备，在电动机启动时使用，当完成启动过程后，软启动装置应退出。软启动装置主要解决两个重要问题，一是解决启动电流大的问题，另一是减少启动时对电网中其它负荷的影响。可以看出，软启动装置可以理解为是一个调压器，它可以对定子绕组电压进行无级调压。4笼型电动机启动与调速当机械有调速要求时，笼型电动机的启动方式应与调速方式相配合。电动机的转速用9.2-1和9.2-2表述：n=(1-s)60f/P(9.2-1)s=(n0-n)/n0(9.2-2)式中，s――转差率；n0——同步转速，也是旋转磁场的转速，单位：转/分；n——异步电动机的转速，单位：转/分；P——磁极对数；f——电源频率，单位Hz，我国为50Hz。由此可得，笼型电动机的调速方式有以下几大类：第一，改变电动机绕组磁极对数，达到调速的目的。表9.2-4为不同磁极对数的电动机同步转速值，异步电动机的额定转速接近同步转速。民用建筑中排烟/排风双速风机就是通过改变电动机绕组的磁极对数来进行调速的，正常情况下，风机为低速，用于排风；火灾时，风机为高速，用于排烟。6电动机的同步转速与磁极对数表9.2-4磁极对数（对）1234同步频率n0（转/分）300015001000750第二种调速方式为改变电源的频率，频率f越低，转速也越低。目前常用的变频调速装置就是通过改变频率实现电动机调速的。第三，改变转差率实现电动机调速。5绕线转子电动机启动绕线转子电动机采用频敏变阻器启动，其特点较为突出，接线简单、启动平滑、成本较低、维护方便。电阻器启动，能耗高，但有些情况下尚在使用，尤其需调速场所，需要电阻器启动。在转子回路串联外接电阻，这时转子绕组上的启动电流为：(9.2-3)启动转矩为(9.2-4)由公式9.2-3和公式9.2-4可知，r2增大，转子上的启动电流I2st减小，同时启动转矩Tst得以提高，有利于电动机的启动。绕线式异步电动机适用于大中型电动机，也常用于要求启动转矩大的场合，例如拖动提升机、起重机等。6直流电动机的启动直流电动机的启动不仅受机械调速要求和温升的制约，而且还受换向器火花的限制。国家标准《旋转电机定额和性能》GB755-2000规定：直流电动机和交流换向器电动机在最高满磁场转速下，电动机应能承受1.5倍的额定电流，历时不小于60s。上述要求比较严格，尤其对小型直流电动机而言，可能允许有较高的偶然过电流，因此对直流电动机启动提出了“启动电流不超过电动机的最大允许电流；启动转矩和调速特性应满足机械的要求”的要求。直流电动机的启动方式见表9.2-5，调节电源电压是比较理想的启动方式。直流电动机启动方式比较表9.2-5启动方式优点缺点备注全压启动简单，经济启动转矩很大，对设备形成冲击；启动电流很大，换向困难一般不采用电枢回路串电阻启动减小启动电流，启动后逐级切除电阻以获得足够启动转矩能耗过大用于小型直流电动机的启动降低电枢电压启动启动前，降低电动机电枢两端电压，以减小启动电流Ist，并将Ist控制在1.5~2IN内；启动转矩易控制，启动平稳，能耗低。投资大