低压电机的控制与保护
2015-11-17 23:21:05点击：
编辑：湘潭电机厂
0 引言
电机种类繁多，但工厂、企业和民用建筑中最常用的是低压交流三相异步电机（以下简称电机）。如何正确处理其保护、控制、测量和信号问题是工厂电气设计工作的一项重要内容。本文主要针对低压电机的控制与保护进行分析。
1 电机基本电气参数
1.1 额定电压
我国工厂常用低压电机的额定电压一般为380V，单相鼠笼式异步电机的电压等级为220V。电网电压波动会影响电机的输出功率，只有电压保持在其额定值的95％～105％时，电机的输出功率才能维持在额定值，否则就不能保证。
1.2 额定频率
我国交流供电电网额定频率为50Hz，偏差不超过±0.5Hz时，电机的输出功率能维持在额定值，否则会受影响。在某些工程中，个别引进设备配置电机的额定频率为60Hz，其在实际运行中的转速和输出功率降幅较大，这也是电机额定频率与实际供电频率不一致的原因。
1.3 额定功率
工厂常用低压电机的额定功率一般在250kW以下，个别电机可达320kW。
1.4 额定电流
设计选择电机热保护继电器时，需要计算电机的额定电流。在额定电压下，电机额定电流受功率因数影响。通常电机功率因数按0.8考虑（90kW以上电机功率因数会达到0.85左右），以此估算，每1kW约有2A的额定电流。对于1.1kW以下的小型电机，由于其自身损耗所占比例较大，每1kW可按照3A额定电流估算。
1.5 起动电流倍数
在设计电机起动回路保护设备及计算母线电压降时，需要明确电机的起动电流倍数，其值一般按6～7倍额定电流考虑，它与电机的起动转矩有关。
2 电机保护的种类
电机保护包括短路保护、过负荷保护、断相保护、接地保护、温度保护、低电压保护等。下面仅介绍最常用的短路保护、过负荷保护和断相保护。
2.1 短路保护
短路保护是在线路和电机内部产生相间及相对地短路时，为避免发生更大的设备损害而设置的保护，其特点是短路电流大，动作越快越好。短路保护是所有电机都必须设置的最为普遍的保护，可通过在主回路中设置熔断器、断路器来实现。
2.2 过负荷保护
过负荷保护也称为过载保护，是针对电机过负荷或堵转来设置的，可防止电机因过热而烧毁，其特点是保护动作电流相对较小，动作时间较长。过负荷保护通常采用热继电器、电机智能保护器、具有电机过负荷保护的断路器（也称为电机起动器）来实现。
2.3 断相保护
供电回路某相断线时，会造成已工作的电机缺相运行，使其产生低过流现象，时间持续太长会烧毁电机。设计时可在电机的主回路中加装带热差动的三相式热继电器，当回路中发生断相时，该相回路的热元件因无电流而降温，另外两相的因电流加大而过热，产生的热差使热继电器动作，从而使接触器跳闸，达到断相保护的目的。设计时也可采用专门的电机断相保护器或具有断相保护功能的电动机智能保护器。断相保护一般为延时动作，以免误动。
3 电机的控制
一般情况下，每台电机应分别装设控制电器，但当工艺需要或使用条件许可时，一组电机可共用一套控制电器。在工厂电气设计中，控制一些小功率轴流风机、屋顶风机（小则几十瓦，大则1~2kW），数台电机就可共用一套控制电器。一般来说，控制电器采用接触器、起动器或其它电机专用控制开关，但起动次数少的电机也可采用低压断路器兼作控制电器。
4 电机电流测量
4.1 电流表的安装场合
（1）55kW及以上的电机需要安装电流表。因为大功率电机价格高，安装电流表后能及时了解其运行是否正常。而小电机如无特殊要求，装设电流表会增加投资。根据不同的工况，也可为30kW及以上的电机装设电流表。
（2）根据工艺要求，应为需检测交流电流的电机安装电流表。在化工生产装置中，一些搅拌装置，如污酸污水处理工段反应釜搅拌器，在工作全过程中，其负载转矩是不一样的，通过电流表便可了解搅拌器的工作状态。因此，根据工艺的要求，有些功率小于55kW（甚至只有1~2kW）的电机也需装设电流表。
4.2 对电流表和TA量程范围的要求
电流表的测量范围和TA变比的选择，宜满足当电机以额定值运行时仪表的指标在标度尺的50%~70%。这样，观察起来比较明显，读数比较精确，同时也给电机留有一定的过负荷裕度。电机起动时的起动电流为6~7倍额定电流，若使用普通的电流表，指针会摆动到终端撞击终端挡件，容易受损。因此，电机回路的电流表应选用过负荷型电流表，可起到保护指针的作用。当采用数字显示式电流表时，就不受限制了。
4.3 电流表的设置要点
（1）对于三相电机，一般不需在三相都装设电流表，因为其三相电流基本是平衡的。电流表可装在电机控制中心（MCC）的低压开关柜上，也可装在现场操作柱（箱）或控制屏（台）上。根据不同的工况，为满足操作与监视要求，可将电流表单独安装在上述场所之一或选择两处、三处都安装，要求电流表的安装位置和高度便于观察。
（2）对于小功率电机（额定电流一般不超过16A），可将电流表串接在其主回路中。更普遍的作法是将电流表接在TA的二次回路中，这种方式不受电机功率限制，电流表放置位置较灵活，更适于多个电流表的安装。
4.4 TA准确度的选择
低压TA准确度的要求与其所配的电流表准确度等级以及二次侧的负载大小有关。TA二次侧电流表有5A和1A两个系列。TA的误差与铁芯的平均长度及互感器二次内阻抗成正比，与铁芯截面积和二次绕组匝数的平方成反比，故使用1A系列的准确度比5A的高。TA误差与二次负荷阻抗成正比，要保证其规定的准确度，5A的电流表只能用于距互感器较短的距离内，而1A的电流表则可在250m左右的距离内保持规定的精度。在化工装置电气设计中，如果仅在MCC装设电流表，选择5A的；如果在现场装设电流表，则选择1A的。
4.5 电流表在TA二次回路中的接法
（1）仅有电流表的二次回路。当电机功率较小，热保护采用一次直接式时，TA只需测一相的电流，也只需在一相上安装TA。其一只电流表与多只电流表接法如图1所示。
图1 仅有电流表的TA二次回路电流表接法
（2）电流表与热继电器组合的二次回路。当电机功率较大时，选用的热保护器件有两种，一种是采用大容量热继电器直接接在一次回路中；另外一种是采用小容量热继电器接在互感器二次回路中，其电流表三相式接法如图2所示。
图2 采用小容量热继电器的TA二次回路电流表接法
5 电机起动方式选择
5.1 全压起动
全压起动即直接起动，是最常用的起动方式，具有起动转矩大、起动时间短的特点。只要被拖动的设备能够承受全压起动的冲击力矩，且起动引起的压降不超过允许值，就应选择全压起动方式。全压起动的缺点是起动电流大，为额定电流的6~7倍，在电机功率较大而电源容量较小的情况下，电机的起动电流会引起配电系统电压显著下降，从而降低供电质量，特别是对于电压波动敏感的设备影响较大。为保证电机全压起动时配电母线电压降在允许范围内，应限制全压起动电机的最大功率。《电气工程师手册》按电源容量估算的允许全压起动电机的功率见表1，可供设计时参考。
当电机不符合全压起动条件时，应采用降压起动方式，传统的降压起动方式有星-三角起动、自耦变压器降压起动、串电抗器或电阻器降压起动等。随着软起动技术的成熟和软起动器价格的降低，目前降压起动方式大多采用软起动器。软起动装置通过调节主电路晶闸管的导通角来平滑地调节电机绕组上的电压，削弱了电机起动转矩的脉冲，起动性能优于传统的降压起动方式。此外，还有变频器降压起动方式，它在生产中起到了很好的节能降耗效果。
6 电机控制保护电器
最常用的电机控制保护主回路组合为“断路器+接触器+热继电器”，如图3所示。
图3 最常用的电机控制保护主回路图
6.1 电机保护用断路器
表2为用于电机保护的CM1塑壳断路器脱扣特性。
由于采用热继电器作为电机过负荷保护，此时的断路器只作短路保护用（瞬时动作），故不考虑过负荷保护性能。从短路保护的角度出发，断路器电磁脱扣器整定值可取电机起动电流的2~2.5倍。
例如，某台电机功率为55kW、额定电流IN为104A、起动电流倍数为6、起动电流为624A（其2.5倍即为1 560A），现选用一台壳架等级电流为225A的塑壳断路器，其脱扣器额定电流为160A，则瞬时动作电流10Ir=1 600A，大于1560A，能满足要求。如果考虑电机起动初期的非周期分量，电机起动电流倍数为12，即起动电流12IN=1 248A，考虑断路器±20%的制造误差后（取-20%），则实际的脱扣器动作值为160×10×（1-20%）=1 280A，仍然大于1 248A，满足使用要求。
断路器的选择还应保证其分断能力满足断路器所在位置的最大短路容量。
6.2 电机控制用接触器
设计电机控制用接触器时，应注意对应AC-3使用类别的额定工作电流值，即针对电机不频繁起动的状况。例如上述额定功率为55kW的电机，可选用100A或160A的接触器，但考虑到接触器的降容使用，选择160A接触器会更好一些。另外，接触器使用环境中灰尘过多、温度过高，接触器频繁操作，供电电压偏低等都会降低其使用容量。
6.3 电机过负荷保护用热继电器
热继电器的整定电流应接近但不小于电机的额定电流，实际工作中建议选为电机额定电流的1.05倍。热继电器的动作时限应躲过电机的正常起动或自起动时限。对于起动时间较长的电机，应选用脱扣级别较高、脱扣时间较长的热继电器。热脱扣器脱扣级别和脱扣时间见表3。
6.4 电机控制回路按钮和信号灯
在电机控回路中，起动按钮为绿色，停止按钮为红色，运行信号灯为红色，停止信号灯为绿色，过载指示灯为黄色。
7 智能型低压电机保护控制器的应用
某公司4万t/年钼冶炼项目中，低压系统选用了ST-500M型低压电机保护控制器共计200余台，与交流接触器、软启动器、变频器等配合为低压交流电机回路提供了一整套集控制、保护、检测功能于一体的电气控制自动化解决方案，彻底取代了热继电器、热保护器、漏电保护器、欠压保护器、多种分列保护器，取消了中间继电器、辅助继电器、电流互感器、仪表、控制和选择开关、指示灯、可编程控制器等多种附加元件。ST-500M通过Profibus协议总线实现与DCS系统间的数据通信，可满足电机起动器和DCS系统的所有要求。ST-500M的选用，使设计施工变得简单，大大减少了后期维护量，提高了系统的稳定性和可靠性，经济效益显著。
参考文献
[1]吴大榕.电机学(修订版)[M].北京:水利电力出版社,1987
[2]范锡普.发电厂电气部分[M].北京:水利电力出版社,1987
[3]电气工程师手册[M].北京:机械工业出版社,1987
[4]中国航空工业规划设计研究院,等.工业与民用配电设计手册[M].第2版.北京:水利电力出版社,1994
[5]朱林根.21世纪建筑电气设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2001
[6]GB50055-93 通用用电设备配电设计规范[S]
[7]GBJ63-90 电力装置的电测量仪表装置设计规范[S]
电机种类繁多，但工厂、企业和民用建筑中最常用的是低压交流三相异步电机（以下简称电机）。如何正确处理其保护、控制、测量和信号问题是工厂电气设计工作的一项重要内容。本文主要针对低压电机的控制与保护进行分析。
1 电机基本电气参数
1.1 额定电压
我国工厂常用低压电机的额定电压一般为380V，单相鼠笼式异步电机的电压等级为220V。电网电压波动会影响电机的输出功率，只有电压保持在其额定值的95％～105％时，电机的输出功率才能维持在额定值，否则就不能保证。
1.2 额定频率
我国交流供电电网额定频率为50Hz，偏差不超过±0.5Hz时，电机的输出功率能维持在额定值，否则会受影响。在某些工程中，个别引进设备配置电机的额定频率为60Hz，其在实际运行中的转速和输出功率降幅较大，这也是电机额定频率与实际供电频率不一致的原因。
1.3 额定功率
工厂常用低压电机的额定功率一般在250kW以下，个别电机可达320kW。
1.4 额定电流
设计选择电机热保护继电器时，需要计算电机的额定电流。在额定电压下，电机额定电流受功率因数影响。通常电机功率因数按0.8考虑（90kW以上电机功率因数会达到0.85左右），以此估算，每1kW约有2A的额定电流。对于1.1kW以下的小型电机，由于其自身损耗所占比例较大，每1kW可按照3A额定电流估算。
1.5 起动电流倍数
在设计电机起动回路保护设备及计算母线电压降时，需要明确电机的起动电流倍数，其值一般按6～7倍额定电流考虑，它与电机的起动转矩有关。
2 电机保护的种类
电机保护包括短路保护、过负荷保护、断相保护、接地保护、温度保护、低电压保护等。下面仅介绍最常用的短路保护、过负荷保护和断相保护。
2.1 短路保护
短路保护是在线路和电机内部产生相间及相对地短路时，为避免发生更大的设备损害而设置的保护，其特点是短路电流大，动作越快越好。短路保护是所有电机都必须设置的最为普遍的保护，可通过在主回路中设置熔断器、断路器来实现。
2.2 过负荷保护
过负荷保护也称为过载保护，是针对电机过负荷或堵转来设置的，可防止电机因过热而烧毁，其特点是保护动作电流相对较小，动作时间较长。过负荷保护通常采用热继电器、电机智能保护器、具有电机过负荷保护的断路器（也称为电机起动器）来实现。
2.3 断相保护
供电回路某相断线时，会造成已工作的电机缺相运行，使其产生低过流现象，时间持续太长会烧毁电机。设计时可在电机的主回路中加装带热差动的三相式热继电器，当回路中发生断相时，该相回路的热元件因无电流而降温，另外两相的因电流加大而过热，产生的热差使热继电器动作，从而使接触器跳闸，达到断相保护的目的。设计时也可采用专门的电机断相保护器或具有断相保护功能的电动机智能保护器。断相保护一般为延时动作，以免误动。
3 电机的控制
一般情况下，每台电机应分别装设控制电器，但当工艺需要或使用条件许可时，一组电机可共用一套控制电器。在工厂电气设计中，控制一些小功率轴流风机、屋顶风机（小则几十瓦，大则1~2kW），数台电机就可共用一套控制电器。一般来说，控制电器采用接触器、起动器或其它电机专用控制开关，但起动次数少的电机也可采用低压断路器兼作控制电器。
4 电机电流测量
4.1 电流表的安装场合
（1）55kW及以上的电机需要安装电流表。因为大功率电机价格高，安装电流表后能及时了解其运行是否正常。而小电机如无特殊要求，装设电流表会增加投资。根据不同的工况，也可为30kW及以上的电机装设电流表。
（2）根据工艺要求，应为需检测交流电流的电机安装电流表。在化工生产装置中，一些搅拌装置，如污酸污水处理工段反应釜搅拌器，在工作全过程中，其负载转矩是不一样的，通过电流表便可了解搅拌器的工作状态。因此，根据工艺的要求，有些功率小于55kW（甚至只有1~2kW）的电机也需装设电流表。
4.2 对电流表和TA量程范围的要求
电流表的测量范围和TA变比的选择，宜满足当电机以额定值运行时仪表的指标在标度尺的50%~70%。这样，观察起来比较明显，读数比较精确，同时也给电机留有一定的过负荷裕度。电机起动时的起动电流为6~7倍额定电流，若使用普通的电流表，指针会摆动到终端撞击终端挡件，容易受损。因此，电机回路的电流表应选用过负荷型电流表，可起到保护指针的作用。当采用数字显示式电流表时，就不受限制了。
4.3 电流表的设置要点
（1）对于三相电机，一般不需在三相都装设电流表，因为其三相电流基本是平衡的。电流表可装在电机控制中心（MCC）的低压开关柜上，也可装在现场操作柱（箱）或控制屏（台）上。根据不同的工况，为满足操作与监视要求，可将电流表单独安装在上述场所之一或选择两处、三处都安装，要求电流表的安装位置和高度便于观察。
（2）对于小功率电机（额定电流一般不超过16A），可将电流表串接在其主回路中。更普遍的作法是将电流表接在TA的二次回路中，这种方式不受电机功率限制，电流表放置位置较灵活，更适于多个电流表的安装。
4.4 TA准确度的选择
低压TA准确度的要求与其所配的电流表准确度等级以及二次侧的负载大小有关。TA二次侧电流表有5A和1A两个系列。TA的误差与铁芯的平均长度及互感器二次内阻抗成正比，与铁芯截面积和二次绕组匝数的平方成反比，故使用1A系列的准确度比5A的高。TA误差与二次负荷阻抗成正比，要保证其规定的准确度，5A的电流表只能用于距互感器较短的距离内，而1A的电流表则可在250m左右的距离内保持规定的精度。在化工装置电气设计中，如果仅在MCC装设电流表，选择5A的；如果在现场装设电流表，则选择1A的。
4.5 电流表在TA二次回路中的接法
（1）仅有电流表的二次回路。当电机功率较小，热保护采用一次直接式时，TA只需测一相的电流，也只需在一相上安装TA。其一只电流表与多只电流表接法如图1所示。
图1 仅有电流表的TA二次回路电流表接法
图2 采用小容量热继电器的TA二次回路电流表接法
5.1 全压起动
全压起动即直接起动，是最常用的起动方式，具有起动转矩大、起动时间短的特点。只要被拖动的设备能够承受全压起动的冲击力矩，且起动引起的压降不超过允许值，就应选择全压起动方式。全压起动的缺点是起动电流大，为额定电流的6~7倍，在电机功率较大而电源容量较小的情况下，电机的起动电流会引起配电系统电压显著下降，从而降低供电质量，特别是对于电压波动敏感的设备影响较大。为保证电机全压起动时配电母线电压降在允许范围内，应限制全压起动电机的最大功率。《电气工程师手册》按电源容量估算的允许全压起动电机的功率见表1，可供设计时参考。
表1 按电源容量估算的允许全压起动电机的功率
5.2 降压起动当电机不符合全压起动条件时，应采用降压起动方式，传统的降压起动方式有星-三角起动、自耦变压器降压起动、串电抗器或电阻器降压起动等。随着软起动技术的成熟和软起动器价格的降低，目前降压起动方式大多采用软起动器。软起动装置通过调节主电路晶闸管的导通角来平滑地调节电机绕组上的电压，削弱了电机起动转矩的脉冲，起动性能优于传统的降压起动方式。此外，还有变频器降压起动方式，它在生产中起到了很好的节能降耗效果。
6 电机控制保护电器
最常用的电机控制保护主回路组合为“断路器+接触器+热继电器”，如图3所示。
图3 最常用的电机控制保护主回路图
表2为用于电机保护的CM1塑壳断路器脱扣特性。
表2 CM1塑壳断路器保护特性
例如，某台电机功率为55kW、额定电流IN为104A、起动电流倍数为6、起动电流为624A（其2.5倍即为1 560A），现选用一台壳架等级电流为225A的塑壳断路器，其脱扣器额定电流为160A，则瞬时动作电流10Ir=1 600A，大于1560A，能满足要求。如果考虑电机起动初期的非周期分量，电机起动电流倍数为12，即起动电流12IN=1 248A，考虑断路器±20%的制造误差后（取-20%），则实际的脱扣器动作值为160×10×（1-20%）=1 280A，仍然大于1 248A，满足使用要求。
断路器的选择还应保证其分断能力满足断路器所在位置的最大短路容量。
6.2 电机控制用接触器
设计电机控制用接触器时，应注意对应AC-3使用类别的额定工作电流值，即针对电机不频繁起动的状况。例如上述额定功率为55kW的电机，可选用100A或160A的接触器，但考虑到接触器的降容使用，选择160A接触器会更好一些。另外，接触器使用环境中灰尘过多、温度过高，接触器频繁操作，供电电压偏低等都会降低其使用容量。
6.3 电机过负荷保护用热继电器
热继电器的整定电流应接近但不小于电机的额定电流，实际工作中建议选为电机额定电流的1.05倍。热继电器的动作时限应躲过电机的正常起动或自起动时限。对于起动时间较长的电机，应选用脱扣级别较高、脱扣时间较长的热继电器。热脱扣器脱扣级别和脱扣时间见表3。
表3 热继电器脱扣级别和脱扣时间
| 级别 | 在额定条件下的脱扣时间t/s |
| 10A | 2<t≤10 |
| 10A | 4<t≤10 |
| 20A | 6<t≤20 |
| 30A | 9<t≤30 |
在电机控回路中，起动按钮为绿色，停止按钮为红色，运行信号灯为红色，停止信号灯为绿色，过载指示灯为黄色。
7 智能型低压电机保护控制器的应用
某公司4万t/年钼冶炼项目中，低压系统选用了ST-500M型低压电机保护控制器共计200余台，与交流接触器、软启动器、变频器等配合为低压交流电机回路提供了一整套集控制、保护、检测功能于一体的电气控制自动化解决方案，彻底取代了热继电器、热保护器、漏电保护器、欠压保护器、多种分列保护器，取消了中间继电器、辅助继电器、电流互感器、仪表、控制和选择开关、指示灯、可编程控制器等多种附加元件。ST-500M通过Profibus协议总线实现与DCS系统间的数据通信，可满足电机起动器和DCS系统的所有要求。ST-500M的选用，使设计施工变得简单，大大减少了后期维护量，提高了系统的稳定性和可靠性，经济效益显著。
参考文献
[1]吴大榕.电机学(修订版)[M].北京:水利电力出版社,1987
[2]范锡普.发电厂电气部分[M].北京:水利电力出版社,1987
[3]电气工程师手册[M].北京:机械工业出版社,1987
[4]中国航空工业规划设计研究院,等.工业与民用配电设计手册[M].第2版.北京:水利电力出版社,1994
[5]朱林根.21世纪建筑电气设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2001
[6]GB50055-93 通用用电设备配电设计规范[S]
[7]GBJ63-90 电力装置的电测量仪表装置设计规范[S]
