IE3-IE4電機：選擇正確的控制和保護組件

 本文以外地文章翻譯及修正為香港用語 ：

https://www.ee.co.za/article/ie3-ie4-motors-selecting-the-right-control-and-protection-components.html

預計到2050年，全球能源需求將翻一番。同時，各國政府必須將本國的CO ₂排放量減少一半，以遏制氣候變化。

根據國際能源署（IEA）的數據，電動機佔全球總電力消耗的40％，遠遠超過照明，後者是一個眾所周知的罪魁禍首，但比例上僅佔19％。

工業是全球另一個主要的能源消耗者，工業工廠中使用的電動機通常消耗工廠總電力的65％至80％。在全球範圍內，工業電機佔全球總用電量的28％；估計全球有3億台工業電動機長時間全速運轉。
德國聯邦環境署估計，僅是歐盟到2020年，提高電機效率將節省1350億千瓦時和6300萬噸的CO ₂。而在美國的美國國家電氣製造商協會（NEMA）的高級節能電機計劃也有望在未來十年內節省5800 GW和8000萬噸的CO ₂。

異步電動機

異步（或感應）電動機佔全球已安裝電動機基礎的95％。因此，在眾多應用中，對這些電動機的保護至關重要。

直接在線（DOL）啟動

異步電動機可以採用不同的啟動方法，最簡單的方法是直接起動（DOL - Driect on line）啟動。根據保護級別和所使用的組件，

DOL電動機啟動器通常由一個斷路器，一個接觸器和一個用於保護的過載繼電器組成。

浪湧電流

直接連接到線路上的大功率異步電動機將吸收大的啟動電流，該電流主要是無功的。圖1顯示了直接在線連接中異步電動機的典型啟動RMS電流曲線。電動機通常以三個步驟吸收電流：

• 在啟動後的頭20到30毫秒內，觀察到一個高峰值或浪湧電流（I_峰值）。
• 在湧入和0.5 – 10 s（取決於額定功率和慣性）之間，可以看到穩態或鎖定轉子電流（LRC）（I _d）。只要轉子剛開始旋轉，該電流就保持恆定。它的持續時間取決於電動機的負載和設計。
• 在0.5-10 s後，轉子加速並達到最終速度。電流在滿載時穩定達到電動機的標稱電流（I _n）。

DOL啟動器的保護

構建DOL起動器的最常見方法是將斷路器，接觸器和過載繼電器組合在一起（見圖2）。該系統具有幾個優點。安裝，操作和維護相對簡單，並且由於立即重啟（選擇了2類協調功能），確保了正常運行時間。該系統可以遠程控制，並與機械和電氣聯鎖兼容。

但是，在選擇之前，一定要了解優質電機在啟動過程中的表現與上一代電機有何不同。最值得注意的是，電動機設計的改進導致浪湧電流和鎖定轉子電流發生了變化。

高效電機

高效電機具有幾個新的設計特徵：

• 降低定子和轉子電阻。
• 電機長度更長。
• 改進了矽鋼和疊層，以實現更好的磁化和更低的渦流。
• 減少氣隙，降低磁阻。
• 轉子設計，軸承和冷卻方面的各種改進，以減少其他損失。

即使使用相同的額定功率，由於設計特性的不同，一台電動機之間的差異也很大（請參見表1）。

高效電機電流負載

IE3高級電機比IE2電機更節能。IE3電機具有更高的浪湧電流和啟動電流，但在整體運行中，其電流消耗將低於IE2。圖3是圖4的簡化版本，是在實驗室中對物理電動機進行一些測量後製成的。

較高的浪湧電流可能會對保護和控制產品的性能產生潛在影響，因為鎖定的轉子電流會增加所有設備上的熱應力，從而有可能使斷路器和繼電器不及時地跳閘。浪湧的高峰值也可能導致斷路器的故障跳閘。

製造商通常將鎖定轉子電流表示為I _d / I _n比。但是，很難事先知道湧流的初始峰值將有多高。
最高浪湧峰值與堵轉電流之間的比率通常稱為kappa比率（k），對於IE3電機，其數量級平均在1,4至1,6之間。根據IEC 60034-12，對於非常高的扭矩，它可以高達2。卡伯比的計算如下：

（1）

 

 

效率對堵轉電流的影響

一些製造商確實提供了遵循IEC 60034-30-1標準的超高效率（IE4）電動機。市場上具有優於8 * In的LRC的IE2電動機，類似於IE3電動機所達到的性能。

根據電動機製造商的不同，可以購買LRC優於8 * In的IE2電動機。

圖5顯示了50 Hz電動機按規定效率的統計分佈。LRC隨著效率的提高而增加。因此，必須對電動機保護系統中的所有組件進行評估，以符合更高的電動機效率標準。在所有情況下，建議遵循製造商的說明和建議，以避免由於較高的啟動電流而造成的誤跳閘和停機時間。

預期的堵轉電流（LRC）也將取決於電機的額定功率。圖6顯示了額定功率為0.2至400 kW的電動機的平均LRC，具體取決於電動機的效率。對於IE3和IE4電機，額定電流為0.75至100 kW的電機（當前市場上最常見的電機額定值）的啟動電流增加了16％至32％。

安裝對啟動，浪湧峰值電流的影響

電氣安裝的特性會影響電動機在啟動階段使用的電流。以下是使用高效電機時最相關的特徵：

• 電纜的長度和橫截面：有限的橫截面（電纜的尺寸未超過電動機的I _n）將限制可穿過電纜的峰值；較長的電線也是如此。
• 轉子位置：啟動電動機時，轉子相對於定子的物理位置會影響浪湧峰值的大小。
• 功率因數：任何電感/無功負載都會導致功率因數過低，並將對整個電氣安裝產生負面影響。使用電容器可以減輕這個問題。
• 額定值：電動機額定值過大會導致啟動時湧入量增加。
• 電氣角度。
• 電機品牌。

選擇正確的保護裝置

如此處所述，保護DOL起動器的最常見方法是組合斷路器，接觸器和熱繼電器。電磁斷路器或熱磁斷路器可提供短路保護和分斷功能，以避免損壞設備。熱繼電器檢測過載電流，並在過熱會損壞絕緣之前關閉電機。接觸器用於控制電動機，提供開/關切換。

斷路器和積熱過載繼電器

隨著啟動電流的增加，擾動跳閘的風險也會增加。圖7顯示了次佳的斷路器和積熱過載繼電器的假設情況。綠色曲線表示IE2電動機的啟動電流，紅色表示IE3電動機的啟動電流。如果電動機的啟動電流和設備的閾值之間的值彼此太接近，則將IE2配置用於IE3電動機可能會造成麻煩的跳閘和停機時間。這取決於電動機技術，電氣設備品牌以及所有電氣佈線，設備和設備的正確安裝。

要選擇正確的斷路器和積熱過載繼電器，您應該：

• 請遵循電動機保護器製造商的建議。
• 避免電纜部分尺寸過大。
• 驗證電動機製造商聲明的電氣特性是否與所使用的電動機起動器相符。
• 如果不單獨選擇電動機啟動器組件，請檢驗它們的協調性，而不使用建議的協調表。

施耐德電氣TeSys斷路器和熱繼電器已在實驗室條件下進行了磁，電和熱耐久性測試，以確保它們與IE3電動機的兼容性。

接觸器

接觸器是一種機電設備，旨在開關電路中的電流。接觸器的最大斷開電流通常以額定電流I _n的比率給出。

對於標準應用，接觸器的額定閉合電流為12 In，斷開為10 In足夠了，但對於IE3或IE4電機，接觸器應能夠斷開，甚至在啟動時出現更高的浪湧峰值時也能閉合，以避免對人或設備造成傷害。 。
施耐德電氣TeSys D接觸器可承受高達20 In的等效Rms斷開和閉合能力，適用於IE3或IE4電機。TeSys接觸器已成功測試與IE3或IE4電機的兼容性。

參考

[1] IEC 60034-12標準，單速三相籠式感應電動機的啟動性能，第2版，2002年。
[2] IEC 60947-4-1標準，低壓開關設備和控制設備，第4-1部分：接觸器和電動機-起動器–機電接觸器和電動機起動器，第3版，2009年。
[3] EN 50598-1標準用於電力驅動系統，電動機起動器，電力電子設備及其驅動應用的生態設計，第1部分：設定電力驅動能效標準的一般要求使用擴展產品方法（EPA）和半分析模型（SAM）版本1的設備。
[4] www.umweltbundesamt.de/en/press/pressinformation/energy-efficiency-in-motor-motors。。
[5]www.nema.org/Policy/Energy/Efficiency/Pages/NEMA-Premium-Motors.aspx
[6] www.nema.org/Policy/Energy/Pages/Energy-Legislation.aspx。
[7] www.bis.org.in/qazwsx/cmd/CMD-1(BD)_22092014.pdf。
[8] IEC 60034-30-1：2014年旋轉電機第30-1部分：線控交流電動機的效率等級（IE代碼）。

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