如何校驗電動機回路斷路器和接觸器的選型？

一、電動機電氣參數(shù)信息

例如某空壓機額定功率11.2kW±7%，工作電流為23.5A+20%/-10%，起動電流（有效值）為185.6A+20%，沖擊電流（峰值）為341.2A+20%，如圖1。

圖1 電動機電氣參數(shù)

沖擊電流（Inrush current）、起動電流（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），起動電流和額定電流是有效值（RMS）。

圖2 電動機起動過程電流波形

一般情況下，電動機的電氣參數(shù)信息獲取來源是電機銘牌，如圖3所示，但是電機銘牌上的電氣參數(shù)有限，只有額定電壓、額定電流，不會體現(xiàn)起動電流和沖擊電流參數(shù)，但后兩者對于元器件選型相當重要。

尤其要注意電動機的能效等級代碼IE3，IE3電動機屬于高效電機，相對于常規(guī)電機IE1/IE2，其運行電流更低更節(jié)能，但是起動時的沖擊電流和起動電流更大，所以對低壓元器件的性能有更高的要求。

圖3 電動機銘牌參數(shù)

不過，電動機起動電流的參數(shù)可以通過樣本獲取，如圖4中額定功率為11kw的電動機，其額定電流為22.5A，起動電流為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 電動機樣本參數(shù)

電動機起動時的沖擊電流可以參考IEC60034-12 單速三相籠型感應電動機起動性能標準的要求計算。

電動機接通電流時會有一個0.5周的不對稱瞬時峰值電流，為穩(wěn)態(tài)堵轉電流有效值的1.82.8倍，此電流的峰值和衰變時間與電動機設計及合閘相角呈函數(shù)關系，見圖5，所以額定功率為11kW的電動機，起動時的沖擊電流大約為316491.5A。

圖5 IEC60034-12 沖擊電流描述

有了上述電動機額定電流、起動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)。

二、低壓斷路器選型

低壓斷路器作為電動機回路過電流保護的元起件，其重要性不言而喻，要從以下幾個方面考慮斷路器的選型： 斷路器短路分斷能力、過載保護特性、磁保護特性 。

斷路器的短路分斷能力包括：

1、額定極限短路分斷能力I cu ，簡單的講，斷路器經(jīng)過一次短路“分斷O”和一次短路“通斷CO”后，不需要它具備繼續(xù)運行的能力，直接更換。

“分斷O”是指斷路器只分斷短路電流，“通斷CO”是指接通短路電流后立即分斷，前者只考核其短路分斷能力，而后者同時考核短路接通和短路分斷能力。

為何要考核短路接通能力 Icm呢？因為假如在斷路器合閘之前，線路上已經(jīng)存在預期短路故障，斷路器合閘時會接通短路電流，如果短路接通能力不夠，短路電流產生的電動力會導致斷路器觸頭彈跳厲害，造成觸頭粘連，嚴重時斷路器機械支撐斷裂甚至爆炸。

額定短路接通能力應不小于其額定極限短路分斷能力乘以表2中的系數(shù)n的乘積，例如某斷路器額定極限短路分斷為50kA，那么其短路接通能力至少為105kA。

2、額定運行短路分斷能力I cs ，是指斷路器經(jīng)歷一次短路“分斷O”和兩次短路“通斷CO”后，還可以繼續(xù)運行的能力。

相比于前面的額定極限短路分斷能力I cu ，額定運行短路分斷能力Ics多了一次“通斷CO”，并且還需要具備繼續(xù)運行的能力，所以Ics參數(shù)對斷路器的要求更高。~~

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斷能力100kA，分斷兩次和接通一次100kA的短路電流之后，斷路器基本上就需要“報廢”了，不建議再繼續(xù)使用。

同一臺斷路器，其斷路器運行短路分斷能力為50kA（Icu的50%），分斷三次和接通兩次50kA的短路電流之后，斷路器還可以繼續(xù)使用。

斷路器選型時其短路分斷能力（Ics或I cu ）要大于設備安裝處的預期短路電流，如何計算設備處的預期短路電流呢？

對于設計院工程師來說，會有詳細的短路電流計算書，但對于元器件廠家的技術人員來說，需要有基本短路電流計算的概念。

我們以施耐德電氣裝置設計指南提供的簡易計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%，那么通過上面式子計算的變壓器二次側額定電流約為1804A，再用變壓器額定電流除以阻抗電壓百分比，計算得出短路電流約為45kA，所以選擇斷路器的短路分斷能力大于45kA即可，比如選擇短路分斷能力為50kA的斷路器。

第一步選擇斷路器短路分斷能力搞定！再看過載保護選型。

我們一般會選擇熱繼電器作為電動機過載保護元器件，但是如果不選過載繼電器，而是用斷路器來做過載保護，我們就必須得選具備過載保護的“電動機保護型斷路器”（特別強調：不是D曲線空開！）。

電動機保護型斷路器的過載保護曲線與熱繼電器的保護特性完全一致！

回到文章前面，空壓機額定功率11.2kW±7%，工作電流為23.5A+20%/-10%，即21A28A。我們選擇過載保護整定電流范圍為2432A的GV2ME32C電動機保護斷路器，保證電動機的額定電流落在斷路器整定電流范圍之內。

按照GB50055-2011 通用用電設備配電設計規(guī)范的要求，熱過載繼電器或過載脫扣器的整定電流應接近但不小于電動機的額定電流。

對于11.2kW的電動機，GV2ME32C的整定電流可以調整到28A左右。

我們再看GV2ME32C的磁脫扣電流值是否能躲過該空壓機的沖擊電流，上圖中GV2ME32C的磁脫扣電流為416±20%，即333A~499A，當沖擊電流低于333A時，斷路器的磁脫扣一定不會動作。

額定功率為11.2kW的空壓機，其沖擊電流（峰值）為341.2A+20%，即410A（峰值），需要特別強調這里是“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可以躲過空壓機起動瞬間的沖擊電流。

三、低壓接觸器選型

先說答案！對于額定功率為11.2kW、額定工作電流為28A的空壓機，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、堵轉情況下的分斷能力、起動電流下的耐受能力、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中是必須測試的項目，其主要目的是考慮到接觸器在起停電動機時，主觸頭閉合瞬間會接通電動機沖擊電流，如果接觸器的接通能力不夠，意味著觸頭抵抗沖擊電流產生的電動力能力不夠，容易導致觸頭彈跳嚴重，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電動機的過程中，如果電動機堵轉，此時熱繼電器動作，熱繼電器的常閉點斷開，切斷接觸器線圈供電，接觸器主觸頭斷開電動機主回路，此時接觸器分斷堵轉電流。

對于常規(guī)的IE1/IE2電動機，對應AC-3使用類別，標準中給出電流倍數(shù)是8；對于IE3/IE4高效電機，對應AC-3e使用類別，由于起動電流比IE1/IE2高，標準給出的電流倍數(shù)是8.5。

無論是控制常規(guī)電機還是高效電動機，接觸器都需要具備在堵轉情況下分斷堵轉電流的能力。

額定電流為32A的接觸器，按照標準要求，其接通能力至少為384A（12倍In)，通斷能力至少為272A（AC-3e使用類別對應8.5倍Ie）。

額定功率為11.2kW的空壓機，額定工作電流最大為28A，堵轉電流（大小等于起動電流）最大為185.6*1.2≈223A，沖擊電流（有效值）最大為290A。

將電動機堵轉電流和沖擊電流（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空壓機的運行要求。

接觸器在電動機起動過程中是否可以耐受起動時間內的起動電流？GB14048.4標準也有定義，對于32A接觸器，其熱耐受電流值至少為256A/10s，電流值高于空壓機起動電流最大值223A，所以熱耐受校驗也沒有問題。

接觸器的電壽命可以樣本上的電壽命曲線查詢，由于11.2kW的空壓機額定電流最大值為28A，所以我們在曲線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。

四、總結

為電動機選擇斷路器和接觸器時，需要要獲得電動機的額定電流、起動電流和沖擊電流參數(shù)，因為它們和斷路器的過載保護整定和磁脫扣電流整定，以及接觸器的接通和分斷能力校驗息息相關。

電動機額定電流和啟動電流參數(shù)可以通過銘牌和樣本獲得，沖擊電流參數(shù)要么廠家提供實測數(shù)據(jù)，要么通過理論計算獲得。

總而言之，電動機回路元器件選型看起來相當簡單，大部分可以按經(jīng)驗選型，但最主要的是要理解選型背后元器件各個參數(shù)的實際意義，才能與電動機的電流特性相匹配，避免斷路器誤動作和接觸器使用壽命下降。