第23章电机和启动柜

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ThomasT.S.Wan

(温到祥)Sept.3,

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电机

所有的电机都要按照NEMA标准来设计和制造。目前使用的电机主要是鼠笼式感应电机。绕线转子，同步或直流电机很少在工业制冷应用领域使用。NEMA按结构将电机分成两种类型，一种是开式设计，另一种是全封闭结构。开式电机采用开式风扇，允许外部冷却空气经过电机绕组。全封闭电机阻止内部和外部的空气自由的对流，但也不是完全不透风。

开式(Open)电机

避滴(Driproof)电机——其通风口的结构可以防止机器上与竖直线成15°角范围内滴落的液体或固体颗粒进入机器内部，无论是直接地滴下或是触击后沿着机器水平或倾斜的表面行进的液体或固体颗粒。

防溅(SplashProof)电机——其通风口的结构可以防止机器上与竖直线成°角范围内滴落的或沿直线侵袭过来的液体或固体颗粒，无论是直接地滴下或是触击后沿着机器表面的行进的液体或固体颗粒。

半防护(Semi-Guarded)电机——其通风口的一部分，通常在上半部，像“防护电机”样被防护起来，但其它部分是开放的。

防护(Guarded)电机——其所有可以直接接触的开口或旋转部件（除了光滑的轴）都限定了尺寸，通过结构部件的设计或通过遮蔽物、格栅、金属网等来阻止与这些部件的意外接触

避滴全防护(Drip-ProofFullyGuarded)电机——通风口被防护起来的避滴电机。

开式外通风(OpenExternally-Ventilated)电机——采用安装在电机外壳上独立的马达驱动风机来通风。

开式管道通风(OpenPipe-Ventilated)电机——除了那些允许流通风进入的开口，其它部分被布置成入口管道可以与之相接触的结构。里面的空气通过与电机成为整体或在电机外部，且不与电机成为整体的方式循环。在后面的情况下，电机有时候被认为是分体式或强制通风电机。

气候保护I(WeatherProtectedTypeI)型电机（WP-I）——其通风通道的结构设计，使雨、雪和空中悬浮颗粒进入电气部件的入口尺寸最小，开口结构可以阻止直径3/4”的颗粒进入。

气候保护II(WeatherProtectedTypeII)型电机（WP-II）——除了WP-I型的结构外，其风道的入口和出口的布置能使由于暴雪或大风造成进入机器的高速空气或空气悬浮颗粒被排出，而不会进入直接引向电机本身电气部件的内部风道。进入电机电气部件流通空气的正常路径应该通过布置挡板或分离空间来形成至少3次的大于90°的转向。另外，需要在空气通道的入口提供小于fpm的低速区域，使进入电机电气部件湿气和灰尘的可能性最小。

全封闭(Totally-Enclosed)电机

全封闭不通风(TotallyEnclosedNon-ventilated)电机——不依靠外部部件提供冷却。

全封闭风扇冷却(Totally-EnclosedFanCooled)电机——通过风扇，或与电机成为整体但在封装部件以外的风扇提供外部冷却。

防爆(ExplosionProof)电机——防爆电机的外壳设计和结构可以使之承受在电机内出现指定气体的爆炸，防止由于火花、闪电或出现在电机壳体内指定气体的爆炸引燃机器周围指定气体。

防粉尘着火(Dust-IgnitionProof)电机——其外壳按照下面的要求来设计和制造：可以将可燃数量的粉尘或可能会影响效率或额定值的数量的粉尘阻止在外，并且不允许电弧、火花、其它地方或防护罩内部产生的热量，引燃外部积累或防护罩附近内或上部大气中悬停的指定粉尘。

防水(Water-Proof)电机——其结构应该能将管道中流出的水流阻止在外，除了在轴周围可能出现的泄漏，防止进入油槽和为机器自动排污做的防护。自动排污方法可能是结构最底端的为使用排污管方便的止回阀或螺纹孔。

全封闭管道通风(Totally-EnclosedPipe-Ventilated)电机——除了开口的地方以外，其它地方是全封闭的，管道进出口连接在开口上，方便进出风。空气与电机形成整体，或在封装部件以外，且不与电机成为整体的方式循环。在后面的情况下，电机有时候被认为是分体式或强制通风电机。

全封闭水冷(Totally-EnclosedWater-Cooled)却电机——采用循环水进行冷却，水或水管与电机部件直接接触。

全封闭水空气冷(Totally-EnclosedWater-Air-Cooled)却电机——由循环空气冷却，转而空气被水冷却。它用水冷换热器来冷却空气，有风扇或与马达轴成为整体或独立的风扇，风扇使空气强制循环。

全封闭空空冷却(Totally-EnclosedAir-To-Air-Cooled)电机——电机通过换热器由内部循环的空气冷却，内部循环的空气转而被外部循环的空气冷却。它利有一个空气对空气换热器来冷却通风风流；并且有一个风扇或与马达轴成为整体或独立的风扇，风扇使内部空气强制循环；另有一个独立的风扇使外部空气强制循环。

全封闭风扇冷却防护(Totally-EnclosedFan-CooledGuarded)电机——所有能进入到风扇的开口，通过结构部件的设计对尺寸都有所限制，或通过遮蔽物、格栅、金属网等来阻止

与风扇的意外接触。这些开口将不允许直径大于1/2”的圆柱棒的通过，除非从防护外壳到风扇的距离大于4”，这时将不允许直径3/4”的圆柱棒的通过。

工业制冷上使用最普遍的电机

上面所列的电机，只有几种在工业制冷上有比较普遍的使用。使用最多的是以下电机：开式电机：

开式避滴[OpenDrip-Proof]（ODP）电机

气候保护I型[WeatherProtectedTypeI]（WP-I）电机气候保护II型[Weather-ProtectedTypeII]（WP-II）电机

全封闭电机：

全封闭风扇冷却[Totally-EnclosedFan-Cooled]（TEFC）电机

全封闭强制通风[Totally-EnclosedForceVentilated]（TEFV）电机

全封闭水空气冷却[Totally-EnclosedWater-Air-Cooled]（TEWAC）电机全封闭空空冷却[Totally-EnclosedAir-To-Air-Cooled]（TEAAC）电机

防爆（1区）电机

全封闭风扇冷却[Totally-EnclosedFanCooled]电机

全封闭充惰性气体，水冷[Totally-EnclosedInertGasFilled,WaterCooled]电机所有其它电机只在有特殊用途时才偶尔使用。

非防爆区(Non-HazardousLocation)电机选择指南：

表23.1是非防爆区各种环境下使用电机选择的一般性指导。

表23.1非防爆区电机选择的一般性指导

防爆区(HazardousLocation)电机选择指南：

下面是防爆环境电机选择的一般性指导：

（1）I级，2区指的是仅在非正常工作或其它异常条件下才会出现爆炸性环境。一般，电机有标准的防护外壳，而且没有通常的火花部件，都能安装在防爆II区环境。因此，开式或标准的全封闭鼠笼电机都能被NECI级2区环境接受。然而，除了爆炸性环境的考虑，电机外壳还要能满足NEMA标准，像防湿气、防灰尘、室外雨水环境等。

(2)I级，1区根据NECNFPA70标准在这个环境中使用的电机必须是全封闭双壳体结构，并且有特殊的密封、附件、通气及排水装置、导管分线匣以及绕组上要安装有检测温度的调温器。也就是说，电机要满足I区环境的使用，必须是全封闭类型，像TEFC、TEAAC、TEWAC或全封闭充惰性气体水冷却类型，并针对防爆应用进行了设计修改的电机。

NEMA与IP(IEC)关于电机防护的对比

表23.2列出了常用的NEMA防护类型，以及相应的IECIP防护等级。

表23.2NEMA与IEC电机防护的对比

电机可选项、改型、配件

只需增加费用，可以根据用户需要对电机进行特殊的测试和改型。下面是最普遍的改型：

使用系数(ServiceFactor)——使用系数是美国制造电机的可选项。1.15的使用系数意味着电机有15%的连续过载能力。

非标绝缘(NonStandardInsulation)——绝缘性能与常规不同。或者用“F”绝缘等级，“B”级温升表示。

特殊电压(SpecialVoltage)——频率一定时，电机电压在铭牌标定额定电压±10%范围内。特殊频率(SpecialFrequency)——在美国标准频率是60Hz。其它非标频率包括50H和25Hz。

效率(Efficiency)——如果要获得有保证的效率或高于正常水平的效率，需要增加费用。同时电机的结构尺寸可能比正常大几档。

低启动电流(LowStartingCurrent)——低电机启动电流，可获得更小的极限转矩和启动转矩。

防护等级(Enclosure)——除了开式避滴（ODP）电机以外所有的防护等级。

空间加热器(SpaceHeater)——空间加热器可以避免电机不使用时凝液的过分集聚。

避雷(LightningArrestors)或过电压保护(SurgeProtection)——电机电压高于V时选用。指定要避雷保护时，必须使用电涌电容器。

强制润滑轴承(ForcedLubricationBearings)——某些型号，尤其是功率特别大的电机，需要强制供油润滑。润滑油由为电机配备的外部装置来提供，这种辅助的供油系统由油泵、油储罐、油冷却器、油过滤器、管道以及控制系统构成。

防爆应用(HazardousApplication)——改型应满足NEC或IEC规范。

双电压(DualVoltage)或双频率(DualFrequency)——为两种电压或两种频率（60Hz和

50Hz）而设计。

其它一般性改型：振动检测系统

绕组温度检测装置

轴承温度探测和显示设备低电压启动

功率因数校正防腐蚀硬件

海拔0米以上使用特殊轴承

特殊启动转矩

电机的详细说明：

下面是选择一个电机所需要的最少的参数：电机功率

电压、相数和频率控制电压

级数或转速防护等级安全系数

绝缘类型和温升等级

滑动轴承或滚动轴承的类型润滑油类型

启动方式改型或附件

标准体系：NEC或IEC，NEMA或IP

启动柜

所有的启动柜(Starter)都应该按照NEMA标准来设计和制造。使用在制冷系统的启动柜主要是机电(ElectroMechanical)启动柜。固态(SolidState)启动器是用固态控制的降电压(ReduceVoltage)启动柜。固态启动器运行安静而平稳，消除了机电启动柜最大的缺点——闪烁光(LightFlicker)。下表23.3列出了所有类型的机电启动柜，转换开关，每一级的近似堵转电流（LRA）百分比，和每一级的近似堵转扭矩（LRT）百分比。

表23.3启动柜类型—堵转电流和堵转扭矩

部分绕组（P-W）启动柜主要用于小功率电机。其它降电压电机例如星三角启动主要用于电压低于V的电机。自耦变压启动用于低于V范围时比星三角启动贵。中高电压例如V、0V或00V主要采用直接启动，自耦变压或一次电路电阻启动。

启动柜的详细描述

选择一个启动柜应该包含以下基本信息：

启动柜大小，满负荷电流（FLA）和堵转电流（LRA）电压、相数和频率

启动柜类型防护等级

电机数据：功率；最大允许失速时间；加速时间，使用系数（SF）非标点和附件

标准体系，NEMA或IP

启动转矩(StartingTorque)要求和启动加速(StartingAcceleration)

启动转矩是制冷系统应用中为压缩机选择驱动一个非常重要的考虑因素。图23-1是典型的螺杆压缩机要求转矩和典型的电机启动转矩能力曲线。直接启动电机或80%抽头自耦变压启动可以在psi的压差下启动螺杆压缩机；然而，如果抽头为65%，启动同样的压缩机将会有困难，也没有足够的启动转矩启动压差为30psi的低压级压缩机；星三角启动不能提供足够的启动转矩来启动正常工作条件下的制冷压缩机。

所有的驱动包括电机都要校核启动转矩和启动加速时间，确认其是否有足够的启动转矩在特定的条件和电机允许的加速时间下启动压缩机。图23-2表示的是电机最小启动转矩低于压缩机需要转矩的曲线，也就是说电机不能在设计速度下提供足够的转矩启动压缩机。

图23-3是典型的单级离心压缩机速度转矩曲线。电机启动转矩要求与压缩气体的相对密度有关。图23-4是典型的不同相对密度气体多级离心压缩机速度转矩曲线。

特殊驱动(SpecialDriver)

螺杆或者离心压缩机驱动，除了电机以外，还有一些特殊的方式，例如汽油发动机、内燃机、柴油机、蒸汽轮机和燃气轮机等。电机是压缩机驱动最普遍的应用，因为比起其它驱动形式，相对而言它更简单、成本更低。

所有压缩机驱动的标准配置是电机。如果采用其它特殊驱动形式，压缩机的基本驱动线需要变化。发动机或内燃机的成本比电机更高；这种特殊系统的设计成本相当高；因此，必须仔细计算这种系统多出的收益是否能收回投资。此外，还要校核驱动机的扭矩，尤其是驱动和压缩机之间使用了外部齿轮时。