輸出功率與輸入功率不等，其差值等于電動(dòng)機(jī)本身的損耗功率，包括銅損、鐵損及機(jī)械損耗，所謂的電動(dòng)機(jī)效率η就是輸出功率與輸入功率的比值。
在全球節(jié)能減排的大環(huán)境下，低壓電動(dòng)機(jī)作為能源消耗大戶，如果能提高其工作效率，也就提高了電氣功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率的能力，對(duì)于節(jié)能增效意義重大。
2014年國際電工委員會(huì)正式發(fā)布了IEC60034-30-1 Efficiency classes of line operated AC motors(IE code)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了電動(dòng)機(jī)的效率等級(jí)，總共分為5個(gè)等級(jí)：
◆IE1-Standard Efficiency
◆IE2-High Efficiency
◆IE3-Premium Efficiency
◆IE4-Super Premium Efficiency
◆IE5-No specific name defined
IE5等級(jí)在2014版的IEC標(biāo)準(zhǔn)中尚未明確定義，準(zhǔn)備在下一版的標(biāo)準(zhǔn)中增加，但是制定的目標(biāo)是損耗要比IE4電機(jī)降低20%。
IEC60034-30-1標(biāo)準(zhǔn)適用于額定功率范圍0.12kW~1000kW、額定電壓50V~1000V、溫度范圍-20℃~60℃、海拔4000米以下的低壓電動(dòng)機(jī)。
IE1~IE4電動(dòng)機(jī)之間最大的差異在于其效率，相同功率下IE3/IE4高效電機(jī)的效率明顯比IE1和IE2常規(guī)電機(jī)高。
例如5.5kW的電動(dòng)機(jī)，IE1電機(jī)的效率只有87.4%，而IE3電機(jī)的效率為89.6%，且損耗相對(duì)于IE2下降了21.2%，IE4電機(jī)的效率達(dá)到了92%，損耗更是下降了57.5%，運(yùn)行效率和節(jié)能效果明顯。
隨后，世界各國都相繼發(fā)布對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)，例如美國NEMA MG1 Motors and Generators-2021，和我國的GB18613-2020電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)。
中國的3級(jí)能效對(duì)應(yīng)IEC的IE3電動(dòng)機(jī)，2級(jí)能效對(duì)應(yīng)IE4電動(dòng)機(jī)，1級(jí)能效對(duì)應(yīng)IE5電動(dòng)機(jī)。
IE3/4電動(dòng)機(jī)相對(duì)于IE1/2電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上做了很多變化來實(shí)現(xiàn)高效。例如定子繞組更粗電阻更低銅損更低，這是實(shí)現(xiàn)高效的重要措施。轉(zhuǎn)子銅條更粗電阻更低，轉(zhuǎn)子的銅損也更低。更薄的硅鋼片減少了渦流效應(yīng)，更長的定子尺寸有利于降低磁通密度，也降低了定子鐵芯中磁通密度和鐵損，更有利于散熱，此外在定子鐵芯外形、硅鋼片材料、散熱風(fēng)扇葉片形狀等方面，都做了改進(jìn)以提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。
IE3/4電動(dòng)機(jī)相對(duì)于IE1/2電機(jī)，其額定電流更低所以長期運(yùn)行時(shí)更節(jié)能，但是其起動(dòng)瞬間的沖擊電流和起動(dòng)電流增加了。
下圖中橙色線代表IE2電機(jī)的電流曲線，綠色線代表IE3電動(dòng)機(jī)的電流曲線，可以看到起動(dòng)瞬間的沖擊電流最大為16In，比起我們常說的14In，沖擊電流值更高，同時(shí)IE3電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流曲線也在IE2曲線上面，這些差異對(duì)斷路器和接觸器提出了更高要求。
以15kW電動(dòng)機(jī)為例，IE2電動(dòng)機(jī)的沖擊電流峰值309.5A，起動(dòng)電流峰值為265.8A，而IE3電動(dòng)機(jī)的沖擊電流峰值為373.3A，起動(dòng)電流峰值為275.5A，無論是沖擊電流還是起動(dòng)電流，IE3都比IE2電機(jī)高。
我們知道電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的沖擊電流，如果超過斷路器的磁脫扣電流會(huì)導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)作。同樣的，如果起動(dòng)電流太大，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)熱繼電器動(dòng)作，此時(shí)接觸器分?jǐn)喽罗D(zhuǎn)電流，假設(shè)分?jǐn)嗄芰Σ粔?，就容易?dǎo)致接觸器觸頭粘連。
接觸器標(biāo)準(zhǔn)IEC60942-4-1/GB/T14048.4-2020，在使用類別中增加了針對(duì)IE3/IE4高效電機(jī)的AC-3e類，常規(guī)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的使用類別是AC-3。
在驗(yàn)證接觸器的接通和分?jǐn)嗄芰r(shí)，AC-3使用類別時(shí)試驗(yàn)電流為8In和10In，在AC-3e使用類別時(shí)試驗(yàn)電流為8.5In和12In，其主要目的是保證接觸器在接通、分?jǐn)喔咝щ姍C(jī)的沖擊電流和起動(dòng)電流時(shí)，觸頭不會(huì)發(fā)生粘連、熔焊故障。
IEC60942-4-1/GB/T14048.4-2020標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接觸器的能力做了提升，斷路器的磁脫扣值是由廠家來自行定義。
一方面廠家可以通過提高斷路器的磁脫扣電流閾值來滿足IE3/IE4高效電機(jī)的需求；另一方面在現(xiàn)有斷路器的基礎(chǔ)上，在選型方面適當(dāng)做一些調(diào)整，同樣可以滿足IE3/IE4高效電機(jī)的對(duì)交流接觸器和斷路器的選型要求。大家可深入閱讀《怎樣為電動(dòng)機(jī)選擇合適的斷路器和接觸器》這篇干貨技術(shù)文章。
例如現(xiàn)在有兩款熱磁式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器：
斷路器A過載保護(hù)整定電流范圍：10A~16A；
斷路器B過載保護(hù)整定電流范圍：14A~20A；
電動(dòng)機(jī)的額定電流為：15A(380V/7.5kW)；
對(duì)于斷路器A來說，其磁脫扣電流值一般為13倍額定電流即13*16=208A，同樣的道理，斷路器B的磁脫扣電流值為13*20=260A。
額定電流為15A的電動(dòng)機(jī)，選擇斷路器A或斷路器B都可以，因?yàn)槎叩倪^載保護(hù)整定電流范圍都涵蓋了15A，即斷路器過載保護(hù)整定值都可以設(shè)定在15A。
主要差異在于選擇斷路器A時(shí)，磁脫扣電流值相對(duì)于電動(dòng)機(jī)額定電流為208A/15A=13.86，而斷路器B的磁脫扣電流值相對(duì)于電動(dòng)機(jī)額定電流為260A/15A=17.33，很顯然，對(duì)于躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的沖擊電流，斷路器B更合適。
在電氣設(shè)計(jì)方面，為了滿足日益增多的高效電機(jī)需求，美國的國家電氣規(guī)范NFPA 70 National Electrical Code，對(duì)于電動(dòng)機(jī)回路斷路器磁脫扣的設(shè)定，特殊情況下最大可以到17倍電動(dòng)機(jī)額定電流：Where the setting specified in Table 430.52 is not sufficient for the starting current of the motor, the setting of an instantaneous trip circuit breaker shall be permitted to be increased but shall in no case exceed 1300 percent of the motor full-load current for other than Design B energy-efficient motors andno more than 1700 percent of full-load motor current for Design B energy-efficient motors。
我們國家的GB50055-2011 通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)電動(dòng)機(jī)回路斷路器磁保護(hù)或瞬時(shí)保護(hù)設(shè)定規(guī)則與NFPA70不同。
GB50055中斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器的整定原則，是以電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流作為基準(zhǔn)，乘以2.2~2.5的系數(shù)，所以首先必須得知道電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流值，一般通過產(chǎn)品樣本或廠家技術(shù)資料獲得。
總而言之，IE3/IE4高效電機(jī)，其額定電流比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)更低，所以節(jié)能增效作用明顯，但是IE3/IE4高效電機(jī)沖擊電流和起動(dòng)電流更大，對(duì)斷路器磁脫扣和接觸器的通斷能力要求更高。
為了滿足高效電機(jī)的應(yīng)用，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對(duì)接觸器的通斷能力有明確要求，必須按照AC-3e使用類別驗(yàn)證。斷路器產(chǎn)品雖然在標(biāo)準(zhǔn)里沒有做具體規(guī)定，但是斷路器廠家都已經(jīng)在做相應(yīng)的變化，比如一方面直接提高斷路器磁脫扣電流閾值，另一方面通過調(diào)整斷路器選型來滿足高效電機(jī)的應(yīng)用。
作者：賓紹平
