IE3/IE4高效电机对低压元器件的影响

电动机铭牌上所标的功率值，是指其在额定运行时轴上输出的机械功率值。

输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗，所谓的电动机效率η就是输出功率与输入功率的比值。

2014年国际电工委员会正式发布了IEC60034-30-1 Efficiency classes of line operated AC motors (IE code)，该标准定义了电动机的效率等级，总共分为5个等级：IE1-Standard EfficiencyIE2-High EfficiencyIE3-Premium EfficiencyIE4-Super Premium EfficiencyIE5-No specific name defined

IE5等级在2014版的IEC标准中尚未明确定义，准备在下一版的标准中增加，但是制定的目标是损耗要比IE4电机降低20%。

IEC60034-30-1标准适用于额定功率范围0.12kW~1000kW、额定电压50V~1000V、温度范围-20℃~60℃、海拔4000米以下的低压电动机。

IE1~IE4电动机之间最大的差异在于其效率，相同功率下IE3/IE4的效率明显比IE1和IE2高。

例如5.5kW的电动机，IE1电机的效率只有87.4%，而IE3电机的效率为89.6%，且损耗相对于IE2下降了21.2%，IE4电机的效率达到了92%，损耗更是下降了57.5%，运行效率和节能效果明显。

随后，世界各国都相继发布对应的电动机能效标准，例如美国NEMA MG1 Motors and Generators-2021，和我国的GB18613-2020电动机能效限定值及能效等级。

中国的3级能效对应IEC的IE3电动机，2级能效对应IE4电动机，1级能效对应IE5电动机。

IE3/4电动机相对于IE1/2电机，在结构上做了很多变化来实现高效。例如定子绕组更粗电阻更低铜损更低，这是实现高效的重要措施。转子铜条更粗电阻更低，转子的铜损也更低。更薄的硅钢片减少了涡流效应，更长的定子尺寸有利于降低磁通密度，也降低了定子铁芯中磁通密度和铁损，更有利于散热，此外在定子铁芯外形、硅钢片材料、散热风扇叶片形状等方面，都做了改进以提高电动机的运行效率。

IE3/4电动机相对于IE1/2电机，其额定电流更低所以长期运行时更节能，但是其起动瞬间的冲击电流和起动电流增加了。

下图中橙色线代表IE2电机的电流曲线，绿色线代表IE3电动机的电流曲线，可以看到起动瞬间的冲击电流最大为16In，比起我们常说的14In，冲击电流值更高，同时IE3电动机的起动电流曲线也在IE2曲线上面，这些差异对断路器和接触器提出了更高要求。

以15kW电动机为例，IE2电动机的冲击电流峰值309.5A，起动电流峰值为265.8A，而IE3电动机的冲击电流峰值为373.3A，起动电流峰值为275.5A，无论是冲击电流还是起动电流，IE3都比IE2电机高。

接触器标准IEC60942-4-1/GB/T14048.4-2020，在使用类别中增加了针对IE3/IE4高效电机的AC-3e类，常规电动机对应的使用类别是AC-3。

在验证接触器的接通和分断能力时，AC-3使用类别时试验电流为8In和10In，在AC-3e使用类别时试验电流为8.5In和12In，其主要目的是保证接触器在接通、分断高效电机的冲击电流和起动电流时，触头不会发生粘连、熔焊故障。

IEC60942-4-1/GB/T14048.4-2020标准只对接触器的能力做了提升，断路器的磁脱扣值是由厂家来自行定义。

一方面厂家可以通过提高断路器的磁脱扣电流阈值来满足IE3/IE4高效电机的需求；另一方面在现有断路器的基础上，在选型方面适当做一些调整，同样可以满足IE3/IE4高效电机的应用需求。

例如现在有两款热磁式电动机保护断路器：

断路器A过载保护整定电流范围：10A~16A;

断路器B过载保护整定电流范围：14A~20A;

电动机的额定电流为：15A（380V/7.5kW）;

对于断路器A来说，其磁脱扣电流值一般为13倍额定电流即13*16=208A，同样的道理，断路器B的磁脱扣电流值为13*20=260A。

额定电流为15A的电动机，选择断路器A或断路器B都可以，因为二者的过载保护整定电流范围都涵盖了15A，即断路器过载保护整定值都可以设定在15A。

主要差异在于选择断路器A时，磁脱扣电流值相对于电动机额定电流为208A/15A=13.86，而断路器B的磁脱扣电流值相对于电动机额定电流为260A/15A=17.33，很显然，对于躲过电动机起动瞬间的冲击电流，断路器B更合适。

在电气设计方面，为了满足日益增多的高效电机需求，美国的国家电气规范NFPA 70 National Electrical Code，对于电动机回路断路器磁脱扣的设定，特殊情况下最大可以到17倍电动机额定电流：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。

我们国家的GB50055-2011 通用用电设备配电设计规范，对电动机回路断路器磁保护或瞬时保护设定规则与NFPA70不同。

GB50055中断路器瞬时过电流脱扣器的整定原则，是以电动机起动电流作为基准，乘以2.2~2.5的系数，所以首先必须得知道电动机的起动电流值，一般通过产品样本或厂家技术资料获得。

总而言之，IE3/IE4高效电机，其额定电流比传统电动机更低，所以节能增效作用明显，但是其冲击电流和起动电流更大，对断路器磁脱扣和接触器的通断能力要求更高。

为了满足高效电机的应用，产品标准已经对接触器的通断能力有明确要求，必须按照AC-3e使用类别验证。断路器产品虽然在标准里没有做具体规定，但是断路器厂家都已经在做相应的变化，比如一方面直接提高断路器磁脱扣电流阈值，另一方面通过调整断路器选型来满足高效电机的应用。