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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

2010.4.15

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…………………………………………………………………………34

9.2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。

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

GB50055－93

0.55

1000,10000

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

0.55

1000

美国国家标准

NEC1998

0.75

-

中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值

GB18613-2002

0.55

660

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

-

（a）（b）（c）

图9.2-1电动机直接启动一次线路

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。

图9.2-2三相异步电动机n=f（T）曲线

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。

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

Ist

Tst

Y—△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

0.33Ist

0.33Tst

①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.Ist

k2.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。

0.5Ist

0.5Tst

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。

电动机的同步转速与磁极对数表9.2-4

磁极对数（对）

1

2

3

4

同步频率n0（转/分）

3000

1500

1000

750

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，多采用晶闸管可控硅整流启动。

较理想的启动方式

三、低压电动机的保护

1交流电动机的保护总体要求

交流电动机有很多种保护，但规范要求相间短路保护、接地故障保护必须装设的，以减少电动机被烧毁等事故。

除此之外，其它保护如断相保护、低电压保护、过载保护、绕组温度保护等可根据具体情况选择装设。

交流电动机保护类型比较表9.2-6

保护类型

特点

保护电器

备注

相间短路保护

保护电动机、启动器、电缆等免受大的故障电流，一般故障电流在10In以上，相间短路保护电器动作

断路器、熔断器、过电流继电器、CPS等

必须设置

接地故障保护

由于绝缘故障造成的，不同的接地型式接地故障电流差别较大

断路器、剩余电流保护电器（RCD）、CPS等

必须设置，如短路保护能满足接地保护的要求，可以用短路保护兼顾

过载保护

由于电气或机械原因造成的，故障电流一般在10In以下

热继电器、过负荷继电器、断路器、CPS、综合保护器等

根据需要装设

断相保护

过载保护的一种，非断相的两相电压升高，电流增大，呈现“过载”特征。

根据需要装设

绕组温度保护

埋设在绕组线圈内的感温元件探测到绕组温度超高，发出信号也可动作跳闸

温度继电器、综合保护器等

根据需要装设

低电压保护

非重要电动机装设低电压保护，不允许其自启动，以保证重要电动机恢复来电后可以自启动

断路器的欠电压脱扣器、接触器的电磁线圈

根据需要装设

2交流电动机的相间短路保护

1）每台电动机应单独装设相间短路保护，以对电动机、启动器、电缆等起到短路保护的作用，图9.2.-1所示，无论哪种主接线，短路保护是必不可少的，而且其与电动机是一一对应的。

2）数台电动机共用一套相间短路保护电器属于特殊情况，应从严掌握。

有两种情况可以采用此种接线。

第一，“总计算电流不超过20A，且允许无选择地切断不重要负荷”，这时电动机在11kW以下，规范中此条要求与《低压配电设计规范》、《通用用电设备配电设计规范》相一致。

第二，“根据工艺要求，必须同时起停的一组电动机，不同时切断将危及人身设备安全时”。

工业建筑中必须同时起停的一组电动机比较多，民用中较少，有时将一组防火电动卷帘门设置一个短路保护，它们的起停必须同步。

图9.2-3低压断路器脱扣曲线

3）短路保护电器

表9.2-6所示，熔断器、断路器、过电流继电器、CPS可以做为短路保护电器。

低压断路器的瞬动过电流脱扣器是最常见的短路保护器件。

如图9.2-3所示，瞬动过电流脱扣器动作电流应在10In以上，动作时间为0.01s，这时可认为是瞬动，这个时间主要是断路器固有动作时间。

断路器的优点在于可重复使用，方便灵活；功能强大，如果配备电子脱扣器，还具有通信功能。

图9.2-4熔断器的限流曲线

熔断器是另一种短路保护电器，其分断能力强，动作时间短，具有限流作用，价钱便宜。

图9.2-4所示为熔断器限流特性示意图，由于熔断器快速动作，短路电流在没有达到预期最大值之前就将故障回路切除，避免故障回路遭受较大故障电流和能量的冲击。

断路器、熔断器保护功能非常出色，因此，很少采用带瞬动元件的过电流继电器做短路保护电器。

（a）（b）（c）

图9.2-5短路保护电器的安装位置

4）短路保护电器的安装位置

图9.2-5所示，（a）图为短路保护兼作接地故障保护，这时应在每个相导体上装设短路保护电器，图中QF所示。

（b）图保护电器为熔断器，作相间短路保护用，这种情况应将熔断器安装在每个相导体上，图中FU装于三相线路上。

图（c）也用于相间短路保护，断路器可只装设在两相上，图中L1、L3两相上装设断路器，而L2相上没有装设短路保护电器。

当只在两相上装设短路保护电器时，在有直接电气联系的同一配电网络中，保护器件应装设在相同的两相上。

就是说，图（c）中上级配电系统至少在L1、L3两相上装设短路保护电器。

图（a）、图（b）是较好的安装方案，建议推广使用。

5）选择短路保护电器应注意的问题

第一，用于电动机回路的短路保护电器宜选用保护电动机型。

短路保护电器的类别有多种，根据负荷特点，短路保护电器主要分为低感照明保护型、高感照明保护型、配电型、电动机保护型、电子元器件保护型等。

当选用低压熔断器时，宜选用“gM”型，g为全范围分断能力的熔断器，M为电动机保护型。

表9.2-7为IEC对断路器的分类。

IEC对断路器的分类表9.2-7

断路器

IEC标准

脱扣器类型

过负荷保护

短路保护

低整定值

标准整定值

高整定值

家用型

60898

热磁

Ir=In

Im=（3~5）In

Im=（5~10）In

Im=（10~20）In

工业型

60947－2

热磁

Ir=（0.7~1）In

Im=（2~5）In

Im=（5~10）In

Im=（12~15）In

电子

Ir=（0.4~1）In

注：

Ir——过电流脱扣器整定值

Im——电磁脱扣器整定值

In——脱扣器额定电流值。

第二，如果短路保护电器采用熔断器，则熔断体的额定电流应根据其安秒特性曲线计及偏差后略高于电动机启动电流和启动时间的交点来选取，以防止电动机启动时熔断器误动作。

但熔断体的额定电流不得小于电动机的额定电流。

在额定电压、额定频率和环境温度为20℃±5℃时，熔断器的熔断体应符合下列要求：

（a）熔断体应能持续通过不超过其额定电流的任何电流。

（b）熔断体应能承受正常使用时可能发生的过载，如电动机启动时过载电流，电动机启动时熔断体不应动作。

（c）对于“g”熔断体，当电流不超过约定不熔断电流时，熔断体不应熔断；当电流等于或大于约定熔断电流时，熔断体在约定时间内熔断。

（d）对于“a”熔断体，当电流不超过K1In时，在安秒特性曲线所对应的时间内熔断体不熔断；当电流在K1In和K2In之间，熔断体可以熔断，熔断时间大于熔断器安秒特性曲线所对应的时间；当电流超过K2In时，熔断体熔断。

当电动机频繁启动和制动时，该主回路发热大于电动机不频繁启动时的发热，因此，熔断体的额定电流应再加大1~2级。

图9.2-6电动机启动电流及其保护

第三，瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流，应取电动机启动电流的2～2.5倍。

由于笼型电动机定子铜绕组的高感抗和定子铁心的磁化强度，笼型电动机启动时会产生很大的冲击电流，如图9.2-6所示，电动机启动过程中，存在启动电流的非周期分量（也叫次暂态电流），启动电流非周期分量可达2.5倍的启动电流周期分量。

对于普通电动机，启动电流的最大值可以达11.5～18倍的电动机额定电流；对应大容量电动机，启动电流最大值达12.5～21.5倍电动机额定电流。

这一结论与上海电器科学研究所的实验相一致，启动电流非周期分量主要出现在第一个半波（0.01~0.015s）。

因此，瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机启动电流的2～2.5倍。

请读者注意！

92版“民规”规定：

瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机启动电流周期分量的1.7～2.0倍。

显然该系数偏小，不能满足要求。

4交流电动机的接地保护

本规定有两个核心点：

第一，间接接触保护要自动断电，宜每台电动机单独装设接地故障保护。

但是当数台电动机共用一套短路保护电器的一组电动机时，数台电动机可共用一套接地故障保护器件。

第二，当短路保护器件满足接地故障保护要求时，应采用短路保护兼作接地故障保护。

总结本规范给出电动机接地保护的要点：

即“间接接触自动断电单设接地保护＋短路保护可兼接地保护”。

接地故障保护的设置要求参见本规范7.6节相关条款。

5交流电动机的过负荷保护

1）运行中容易过负荷的和连续运行的电动机，以及启动或自启动条件严酷而要求限制启动时间的电动机，应装设过负荷保护。

过负荷保护宜动作于断开电源。

民用建筑中风机、水泵多属于连续运行的电动机，它们过负荷的可靠性很小，一般都设置过负荷保护。

2）短时工作或断续周期工作的电动机，由于电动机运行时间短，尚未达到额定温升就开始冷却，因此，过负荷时很难有足够的能量让过负荷保护装置可靠动作，故此，规范规定此种情况可不装设过负荷保护。

但运行中可能堵转时，应装设堵转保护，其时限应保证电动机启动时不动作，民用建筑中空压机、电梯属于此范畴。

请读者注意规范中用“可不装设过负荷保护”，没有说不装设过负荷保护，如果装设过负荷保护也没错。

图9.2-7双金属片热继电器原理图

3）突然断电将导致比过负荷损失更大的电动机，不宜装设过负荷保护。

如装设过负荷保护，可使过负荷保护作用于报警信号。

本规定是要设计人做出评估，即断电造成的损失大还是过负荷造成的损失大？

民用建筑中消火栓水泵、喷洒泵、防排烟风机等，如果装设过载保护器，当发生火灾时，过载保护器误动作，消防类设备不能正常运行，耽误灭火时机，损失可能更惨重。

如装设过载保护，可使过载保护作用于报警信号，提醒值班人员检查、排除故障点。

4）过负荷保护器件主要有热继电器、过负荷继电器、反时限的过电流继电器、温度保护装置等。

常用的是热继电器，非常普及。

规范中特别强调了过载保护器件宜采用电子式的热继电器。

图9.2-7所示为双金属片工作原理图，双金属片2由不同膨胀系数的两片金属片组成，当正常的三相电流通过线圈1时，双金属片2受热弯曲，但不足以使差动导板3移动，当过载时，线圈1中流过较大的电流，双金属片弯曲较大，推动导板3向左移动，导板推动温度补偿片4，使5脱扣杆动作，摆动跷板7也随即动作，最终，动断触点8打开，动合触点9闭合。

双金属片热继电器缺点很明显——动作误差大，可靠性低，容易误动作和拒动作。

相当一部分烧毁电动机的事故是由热继电器起不了保护作用所致。

双金属片热继电器目前只有过电流保护和断相保护，而对绕组温度过高、频率升高等非正常现象就不能有效的保护。

电子式的热继电器有多种保护：

过电流保护、断相保护、缺相保护、三相负荷不平衡保护、绕组超高温度保护等。

因此，电子式热继电器是名副其实的电动机综合保护器。

目前中国市场上有进口的电子式热继电器，如施耐德公司的LR9系列产品、西门子公司的3RB系列产品。

国产品牌也较多，目前通过上海电器科学研究所型式试验的国产产品是西安开民新技术研究所的JRD22系列电子式热继电器。

5）热继电器或过负荷继电器的整定电流为：

Izd≥Ied（9.2-5）

同时还要求Izd、Ied尽可能接近。

过负荷电流继电器的整定值应按下式确定：

Izd=KkKjxIed/Khn（9.2-6）

详见规范条文。

图9.2-