9.2 电动机

9.2.1 本节适用于一般用途的旋转电动机，不适用于控制电动机、直线电动机及其他用途的特殊电动机。

9.2.2 电动机的启动
    第1款 电动机启动时电压降的允许值存在三种不同意见，一是电动机端子电压，原规范就是采用“端子电压”；二是电源母线电压；三是电动机配电母线上的电压，国家标准《通用用电设备配电设计规范》GB 50055-93采用的是第三种方法。第一种方法比较准确，但要求较高，不便操作；第二种方法尽管没有第一种方法准确，但便于操作。本规范规定比较折中：“电动机在启动时，其端子电压应保证机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作”为一般要求，使用“端子电压”合情合理。但是具体数值采用“控制电动机配电母线上的电压降”便于计算。对电源电压有特殊要求的用电设备，应采取必要的稳压措施。
电动机频繁启动是指每小时启动数十次以上。
    第2～4款 笼型电动机启动方式的选择，应符合本规范的规定。与现行规范相比，电动机的启动方式增加了软启动。图9-1及图9-2为笼型电动机软启动、直接启动、星-三角启动的特性曲线。
    从图中可以看出，电动机直接启动，启动转矩大，而启动转矩与启动电流成正比，因此，直接启动时，启动电流也大，在电动机直接启动时，对机械造成冲击，使电网电压波动，影响其他负荷正常使用。星-三角启动方式，启动转矩小，不利于克服静阻转矩，延长电动机的启动时间，造成电动机过载。当星形转换为三角形的瞬间，转矩突然增大，对机械设备有冲击。软启动的特性曲线比较平滑，有利于延长电动机的寿命，对机械造成冲击较小，并且不会使电网电压造成较大的波动。从实际工程中了解到，有些水管管路会造成水泵电动机过载，有烧毁电动机的例子，而使用软启动装置后，过载问题随即得到解决。当然，软启动装置价格高，它还是非线性器件，能产生高次谐波，污染电网，增加能耗。

    第5款 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。
    第6款 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》GB 755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”的规定。

9. 2.3 低压电动机的保护
    第1款 交流电动机应装设相间短路保护、接地故障保护，否则可造成电动机被烧毁等事故。除此之外，其他保护可根据具体情况选择装设。
    第2款 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。
    第3款 为了确保短路保护器件不误动作，应从保护电器的类型和额定电流两方面确定。
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。用于电动机回路的短路保护电器宜选用保护电动机型。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。
    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，但不得小于电动机的额定电流。熔断器的选择方法事实上沿用了前苏联的计算方法，即电动机的启动电流乘以计算系数。但是此方法在我国现阶段应用存在许多困难，主要是计算系数难以确定。因此，目前趋向于采用表格法选择熔断器。
    电动机启动时存在非周期分量，根据上海电器科学研究所的实验表明：启动电流非周期分量主要出现在第一个半波；电动机主动电流第一个半波的有效值通常不超过其周期分量有效值的2倍：个别情况可达2.3倍。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。
    原规范规定：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。
    第5款 根据美国《电气建设与维护》杂志报道，烧毁电动机的实例中约95％的电动机是由过负荷造成的。这些故障主要有：机械过载、断相运行、三相不平衡、电压过低、频率升高、散热不良、环境温度过高等。因此，除“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”外，其他电动机尽可能地装设过负荷保护电器。原规范规定额定功率大于3kW的连续运行电动机宜装设过负荷保护，根据上述原则和专家审查意见，将此规定取消，使过负荷保护要求更加严格，有利于电动机的保护。
    短时工作或断续周期工作的电动机，采用传统的双金属片热继电器整定较困难，效果不好，鉴于目前设备现状，此时可不装设过负荷保护。如果采用电子式热继电器，还是可以选择过负荷保护的。
    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。这些负荷有消火栓水泵、喷洒泵、防排烟风机等，如果装设过负荷保护器，当发生火灾时，过负荷保护器动作，消防类设备不能正常运行，耽误灭火时机，损失可能更惨重。如装设过负荷保护，可使过负荷保护作用于报警信号，提醒值班人员检查、排除故障。
    过负荷保护器件宜采用电子式的热继电器。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地保护。电子式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。
    表9.2.3为过负荷保护器件通电时的动作电流，该表引用IEC 60947相关条款。对于不同负荷应选择不同类型的过负荷保护器，即轻载负荷可以选用10A或10过负荷保护器，而20或30应用在重载机械。由于双金属片热继电器还广泛使用，IEC没有涉及到30以上及10A以下类型，但是，某些场合电动机过负荷保护需要30以上和10A以下的非标准产品，因此本条款增加了“当电动机启动时间超过30s时，应向厂家订购与电动机过负荷特性相配合的非标准过负荷保护器件”。如果采用标准产品不能满足要求，可以采用“在启动过程的一定时限内短接或切除过负荷保护器件”的措施。
    电动机所拖动的机械按其启动、运行特性可分为三类，这样分类是相对的，有的文献将负载分为重载和轻载。本规范将其分为三类：
    轻载：启动时间短，起始转矩小；
    中载：启动时间较长，起始转矩较大；
    重载：启动时间长，起始转矩大。
    而实际工程中，负载启动特性相差较大。
    第6款 交流电动机的某一相断路，另两相电流增大，造成电动机过负荷。据资料介绍，在烧毁电动机的事故中，由于断相故障所占的比例较高，美国和日本约占12％，前苏联约占30％，我国尚无准确的统计数据，由于管理、维护水平较低，我国这个比例不会太低。因此，电动机的断相保护应严格要求。
    连续运行的三相电动机，用熔断器保护时，应装设断相保护。因为熔断器三相一致性比断路器差，连接点多，连接点的可靠性将影响电动机保护的效果。据资料介绍，在发生断相故障的181台小型电动机的统计中，由于熔断器一相熔断或接触不良的占75％，由于刀开关或接触器一相接触不良的占11％。因此，熔断器作短路保护电器，对断相保护要求应严格。而用低压断路器保护时，由于连接点少，三相一致性好，对断相保护要求可以适当降低，语气上采用“宜装设断相保护”。
    短时工作或断续周期工作的电动机，由于可不设过负荷保护，与此相对应，也可不装设断相保护。
    断相保护器件宜采用带断相保护的热继电器，其优点上面已经介绍了，如果条件许可，也可采用温度保护或专用的断相保护装置。
    第7款 交流电动机的低电压保护不是保护电动机本身，而是为了限制自启动。当系统电压降低到临界电压时，电动机将堵转、疲倒。因此，设计人员可根据需要设置低电压保护。
    第8款 直流电动机的使用情况差别很大，其保护方法与拖动方式各不相同，因此，本条款采用一般性规定。本规定取自《通用用电设备配电设计规范》GB 50055。

9.2.4 低压交流电动机的主回路
    第1款 低压交流电动机的主回路由隔离电器、短路保护电器、控制电器、过负荷保护电器、附加保护器件、导线等组成。
    主回路的构成可以是上述器件的全部或部分，但隔离电器、短路保护电器和导线是必不可少的。关于三相交流电动机的主回路构成，国际上都比较统一，IEC、VDE、NEC等标准均与我国规范一致。
    第2～3款 实际工程中许多人忽略了隔离电器，认为装设断路器或熔断器就可以不用装设隔离电器。这从安全、维护等方面都是不允许的。因此，本规范较详细地对隔离电器的装设提出要求，有些条款取自IEC标准，以引起设计人员的注意。
    第4款 短路保护电器应与其负荷侧的控制电器和过载保护电器相配合，这些要求引自IEC标准。
    从表9-1中可以看出，一般设备由于供电可靠性要求较低可以用1类配合，而2类配合强调供电的可靠性和连续性，因此重要负荷如消防类负荷应满足2类配合。据有关资料介绍，IEC正在制定要求更高的3类配合标准。
    接触器或启动器的限制短路电流不应小于安装处的预期短路电流，就是说，当发生短路时，在短路保护电器切断故障回路之前，接触器或启动器应能承受故障电流，满足1类或2类配合要求。

    短路保护电器宜采用接触器或启动器产品标准中规定的型号和规格，这一点名牌进口产品做得较好。合格的国产产品也必须通过试验，得出与接触器或启动器相配合的短路保护电器。但是，大部分国产厂家在电动机保护配合方面资料不全，给设计、使用带来不便，不利于推广国产产品。
    第6款 根据IEC有关规定，“启动和停止电动机所需要的所有开关电器与适当的过负荷保护电器相结合的组合电器”叫做启动器。因此，控制电器系指电动机的启动器、接触器及其他开关电器，而不是“控制电路电器”。
    根据电动机保护配合的要求，堵转电流及以下电流应由控制电器接通和分断。大多数的Y系列电动机堵转电流≤7I_e最小二相电动机为0.37kW，I_e ≈1.1A。因此，选择接触器时，应该考虑分合堵转电流，其额定电流一般不应小于7A。
    负荷开关分为封闭式和开启式，开启式负荷开关(如胶盖开关)存在安全问题，不能单独作为电动机保护、控制电器。如果条件许可，尽可能不要用封闭式负荷开关；但由于条件所限，当符合保护和控制要求时，封闭式负荷开关(如HH3)可以保护、控制3kW及以下电动机。电动机组合式保护电器(CPS)可以控制、保护电动机，不同型号的组合式保护电器控制、保护最大电动机的容量各不相同，一般在18.5kW及以下。CPS可以对电动机频繁操作，其他形式的组合式保护电器不能对电动机频繁操作。
    第7款 电线或电缆(以下简称导线)载流量的国家规范尚在制定中，因此，有关数据没有列入本规定。设计时应考虑下列因素：
        ①电动机工作制有连续、断续、短时工作制，各种工作制还可细分。因此，按基准工作制的额定电流选择导线比较准确、简单。
        ②导线与电动机相比，发热时间常数及过载能力较小，设计时应考虑这个问题，也就是说，导线应留有余量。美国NEC法规规定，导线载流量不应小于电动机额定电流的125％；日本《内线工程规定》，当额定电流不大于50A时，导线载流量不应小于电动机额定电流的125％，当额定电流大于50A时，导线载流量不应小于电动机额定电流的111％。
        ③按照IEC 60947的要求，启动后电刷短路的绕线式电动机，其转子回路导线的载流量按轻载、中载、重载分成三类，比原规范要求有所提高。

9.2.5 低压交流电动机的控制回路
    第1款 电动机的控制回路应装设隔离电器和短路保护电器，这一点与一次线路一致。有些设备，如消防类水泵，如果控制回路断电会造成严重后果，是否另设短路保护应根据具体情况决定，设计者可以考虑下列因素(以消防类水泵为例)：
        ①是否有备用泵；
        ②各个泵控制电源及控制回路是否独立；
        ③保护器件的可靠性；
        ④一次回路保护电器的整定值是否能保护二次回路。
    第2款 控制回路的电源和接线的安全、可靠最为关键。以消火栓泵为例，为了提高可靠性，控制回路应采取如下措施：
        ①工作泵与备用泵控制电源应分开设置；
        ②工作泵与备用泵控制回路应独立；
        ③消火栓按钮线路不要直接接到接触器线圈回路。
    TN和TT系统中的控制回路发生接地故障时，应避免保护和控制被大地短接，造成电动机意外启动或不能停车。
    如图9-3所示，当a点发生对大地短路时，电气通路为：L1-熔断器-接触器线圈-a点-大地，因此，接触器线圈带电，造成电动机不能停车，或电动机意外启动。图9-4控制电源为380V，如果b点发生短路，L1-熔断器-接触器线圈-b点-大地构成电气通路，结果电动机不能停车或意外启动。因批，上面两图都是不可靠的控制接线方案，设计时应引起注意。

    如果直流控制回路采用其中一极接地系统，也有可能出现图9-3和图9-4的错误接线，因此，直流控制回路最好采用不接地系统，并装设绝缘监视。
    额定电压不超过交流50V或直流120V的控制回路的接线和布线，应有防止高电位引入措施，主要方法有：短路保护电器设过电压保护、电源侧设浪涌保护器、220V强电触点不能直接接入交流50V或直流120V控制箱(柜)等。
    第3款 本条款说明电动机一地控制和两地控制要求。在控制点不能观察到电动机或所拖动的机械时，在控制点装设指示电动机工作状态的信号和仪表、启动按钮和停止按钮。
    第4款 从安全性考虑，自动控制、连锁或远方控制的电动机，宜有就地控制和解除远方控制的措施，当突然启动可能危机周围人员时，应在机旁装设启动预告信号和应急断电开关或自锁式按钮。自动控制或连锁控制的电动机，还应有手动控制和解除自动控制或连锁控制的措施。
    第5款 是从安全性作出的要求。

9.2.6 其他保护电器或启动装置的选择
    第1款 组合式保护电器是多功能的电动机保护产品，组合式保护电器分为三类：第一类为CPS，CPS采用了以接触器为主体的模块式组合结构，以一个具有独立结构形式的单一产品实现隔离电器、断路器、接触器、过负荷继电器等分离元件的主要组合功能。我国自主开发、研制的CPS已达到了世界同类产品的先进水平，部分指标优于国外产品。全国统一产品型号为KBO系列，其额定电流为0.2A至100A，包括电动机单向控制、可逆控制、双电源(ATS)控制等多种系列产品。并在国内众多工程中得到应用。
    第二类为集隔离电器、短路保护电器、过负荷保护电器于一体；第三类包括隔离电器、短路保护电器功能。这两类组合式保护电器可以与同厂的某些接触器插接安装，非常方便。与独立的电动机保护、控制器件相比，组合式保护电器的体积小，可靠性高。
    第2款 民用建筑中，大功率的水泵如果采用直接启动或星一三角启动等启动方式，可能造成对电网的冲击，对机械设备产生不良的影响(参见图9-1和图9-2)。另一方面，由于水管网络的问题，可能造成电动机长期过负荷，过负荷保护动作，使水泵不能正常工作；如果过负荷保护选择不当，则会缩短电动机的寿命，甚至烧毁电动机。而采用软启动装置则可避免此类问题的发生，对电动机有良好的保护作用。
    多大功率的水泵、风机要用软启动装置应根据本规范第9.2.2条的要求确定。一般来说，变压器容量越大，软启动的水泵、风机的功率也越大。
    每台电动机宜单独装设软启动装置，这主要从可靠性角度考虑，但实际应用中，也有数台电动机共用一套软启动装置的实例，从经济性考虑是可以理解的，但是对重要和比较重要的电动机：而言是不恰当的，可靠性大大降低。因此，本条规定了共用一套软启动器的条件。

9.2.7 低压交流电动机的节能要求
    第1款 电动机类负荷占民用建筑的负荷比例较大，其节能意义重大。根据《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》GB 18613-2002规定，电动机能效限定值是指在标准规定测试条件下，所允许电动机效率最低的保证值，电动机能效限定值是强制性的，必须满足。而电动机节能评价值是在标准规定测试条件下，节能电动机效率应达到的最低保证值。电动机节能评价值比能效限定值要高。节能评价值是推荐性的，当电动机满足节能评价值的要求，就可认为电动机是高效能型的。目前，我国新型的YX₂系列电动机为高效能电动机，YX₂系列电动机效率比Y系列平均提高3％，而总损耗降低20％～30％。
    第2款 “当机械工作在不同工况时，在满足工艺要求的情况下，电动机宜采用调速装置”。对风机、设备而言，不同工况。往往有不同流量或风量的要求，这是由工艺所决定的。通过调节电动机的转速不仅可以满足调节流量或风量的要求，而且还能达到节能的效果。因为，流量与转速的一次方成正比，而功率与转速的三次方成正比。从表9-2可以得出，转速为额定转速的75％时，功率为额定功率的42.1875％；转速为额定转速的25％时，功率为额定功率的1.5625％。因此，根据需求(如流量、风量等)对电动机调速，节能效果十分明显。

    当工艺只有2～3个工况时，笼型电动机采用变极对数调速有较多优点：效率高、控制电路简单，易维修，价格低，与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。
    当工况较多时，调速变得频繁，采用变频调速比较合适。变频调速无附加转差损耗，效率高，调速范围宽，尤其适合于较长时间处于低负载运行或起停运行较频繁的场合，达到节电和保护电机的目的。
    现在国内外对电磁兼容十分重视，我们在推广、普及高效节能产品的同时不能给环境带来电磁污染。
    第3款 满足控制要求是前提条件，不能因为节能而影响正常控制要求，因此，本款对控制电器使用“宜采用节电型产品”的规定，而且仅对长时间通电的控制电器有效，对短时间通电的控制电器节能意义不大。据对比，LC1-D系列接触器与CJ20系列接触器，63A及以上等级，线圈启动容量减少5％～65％，线圈吸持容量减少64％～75％。