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为大功率三相 AC 马达选择和应用机电接触器
 

【作者: Steven Keeping】2022年04月25日 星期一

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本文简要说明机电继电器(EMR)与接触器之间的差异、接触器的运作方式,并着重於特定应用如何影响产品的选择,此为迈向成功设计的第一步。本文以 IE3 电动马达实作中所使用的Siemens SIRIUS 3RT系列电源接触器,来说明设计选择。


有些工程师需要小型电压讯号,以便对较高的电压和电流进行隔离式切换,他们通常使用继电器来达成。传统的低电压开关可启用继电器,进而打开高功率电源。机电继电器(EMR)的成本低,可以处理较高的电压,而固态继电器(SSR)可避免触点磨损和电弧。


不过,当需要频繁切换几百伏特和几十安培及更高电流时,这两种继电器都会面临挑战。在这些高负载下产生的电弧很快就会磨损EMR的触点,而SSR中的漏电流则会导致过热。设计人员需要为这些高需求应用提供替代选项。


较不为人所熟悉的机电接触器(EMC),非常适合替代继电器。这些元件采用经过验证的技术,并且可从许多知名供应商处取得。由於有几十种选择,若对EMC的运作了解得不够深入,选择过程很快就会变得混乱。


机电继电器与接触器之间的差异

由於闭合後会暴露到完整的电路电流,因此使用开关来开启和关闭高功率元件(如大型三相马达)并不实际。开关在扳动时会产生危险的电弧,并且在运作时可能会过热。解决方案是使用低功率电路,透过传统开关开启和关闭,藉此触发高功率电路。而这正是EMR的用途所在。


EMR 使用由低功率电路供电的线圈来产生磁场,磁场接着会向一个可移动的核心提供脉冲,进而打开或关闭(常闭型(NC)或常开型(NO))触点。EMR 可切换AC或DC负载高达其最大额定值。EMR的关键优点在於低成本,并可保证在低於装置介电额定值的任何施加电压下达到隔离。


然而,EMR可以处理的功率有其限制。举例来说,当负载是个三相马达且产生的功率超过几kW时,使用EMR来切换会产生过量的电弧,并快速磨损继电器。替代方案是EMC,这是一种效用等同继电器的大功率耐用型工业产品,用以在数千万个周期内可靠地切换高负载(图 1)。



图1 : 机电接触器在大功率切换应用中取代继电器。(source:Siemens)
图1 : 机电接触器在大功率切换应用中取代继电器。(source:Siemens)

EMC可以安全地连接到需要高电流的元件,并且通常能控制和抑制在重负载下切换时产生的电弧。这些元件使用与继电器相同的通电线圈/移动核心启动,且几??专门配备了常开型触点,同时也提供常闭型触点。有了常开型触点,当EMC失去供电时,触点必定会打开,切断高电流消耗元件的电源。这些元件具有一对或多对触点,也称为「极」。


EMC 的选择

EMC与EMR相比较,我们很容易决定选择前者。EMC虽然成本较高,但却是高负载应用的唯一选项。一旦确定需要使用EMC,为工作挑选最隹EMC的难度更高。首先最好确定在此应用的工作电压下,具有何种峰值负载电流要求,这种电流也称为「满载电流(FLA)」。然後,这将确定所需之接触器的电流负载能力。


例如,以三相马达来说,制造商通常会在规格书中规定工作电压和FLA。但如果缺乏此资讯,工程师可以叁考美国国家电气法规(NEC)图表等资源,此图表为一系列具有标称功耗和输入电压的三相马达,详细介绍其FLA。马达系根据国际电工委员会(IEC)马达类别进行分类。例如:一个375 W、110 V工作电压的三相马达,其FLA为4.4 A,而一个1.1 kW、220 V工作电压的马达,其FLA为6 A。


接下来,工程师必须确定EMC所需的控制电压。此电压可以与相关马达的驱动电压相同,但出於安全考量,通常使用较低的电压。EMC的控制电压一般始终低於250 V AC。


接下来应考量马达在应用中的效能。例如,两种不同的应用可能使用规格相同的三相马达。但是,如果应用的马达需长时间保持开启或关闭,则不能使用频繁开关的EMC。後者会一再承受电流负载,因此必须更耐用才行。


IEC使用类别或「编码」,是为特定应用选择正确 EMC 的良好指南。例如:编码为「AC-3」的EMC,适合在马达经常开开关关的应用中,用於「鼠笼式」电动马达(一种常见的电感应马达),「AC-20」则适用於在零电流条件下连接和断开负载。一个IEC编码被错误指定的EMC,虽然可能适用於特定应用,但其寿命可能比正确编码的EMC短得多。


IEC编码对於考量电阻性或电感式负载类型也有帮助,因为负载类型也会对EMC的选择产生重大影响。例如:电动马达是电感式负载,加热器则是电阻性负载。


此外,还必须考量在单个EMC中可能需要多少个极,以及这些极应为常开还是常闭型。例如:某个应用可能会要求三个极必须为电动马达的每个相位使用常开型接触器,并多使用一组常闭型对来点亮 LED指示灯,指出马达有通电但未旋转。


另外,由於EMC经常承载较高的电压和电流,因此确保元件的隔离额定值符合应用的所有安全标准也很重要。


由於在产生的电力中马达会消耗相当大的一部分,因此美国和欧盟通过立法,确保马达尽可能高效率地运行。欧盟的能效级别以国际能源(IE)效率级别表示(图 2)。根据现行规定,马达必须达到 IE2(高效率)、IE3(优质效率)或 IE4(超优质效率)级别,具体取决於其额定功率和其他特性。EMC 会影响电动马达的效率,因此,如果控制系统要在欧盟使用,其设计必须达到合适的 IE 效率级别。在美国,马达必须符合美国电气制造商协会(NEMA)的优质效率计画,此计画要求符合 IE3 所规定的标准。澳大利亚的要求与美国相似。



图2 : 电动马达的 IE 效率要求,显示出较低功率马达如何具有较高的效率提升幅度:美国和欧盟法规不再允许使用 IE1 和 IE2 马达。(source:Siemens)
图2 : 电动马达的 IE 效率要求,显示出较低功率马达如何具有较高的效率提升幅度:美国和欧盟法规不再允许使用 IE1 和 IE2 马达。(source:Siemens)

商业产品

几??所有高负载应用都有多种高品质的EMC可选择。例如:Siemens的Sirius 3RT2系列EMC,展示了当代产品对电动马达切换和其他应用的能力。这些元件专为高运行可靠性、高接触可靠性、高温工作和长久使用寿命而设计。这些电源接触器可在高达60。C的温度下使用而无需降额,即使并排安装也是如此。此系列包含以下运作级别的EMC:AC-1(无电感或轻微电感式负载,如加热器)、AC-3(经常开关的鼠笼式电动马达),以及AC-4(鼠笼式电动马达:启动、??入、寸动)。所有 SIRIUS 3RT2产品都是专为IE3和IE4马达运作而设计。


SIRIUS 3RT2系列中的3RT20152AP611AA0 是一种常开型三极EMC,带有S00尺寸的接触器,依照编码用於 AC-3 应用。控制电源电压为220至240 V AC。此元件具有400或690 V的输出电压,400 V时最大电流为7 A,690 V时为4.9 A;400 V 时最大标称功率为3 kW,690 V时为4 kW。触点在35 ms 内关闭,在 14 ms 内打开。 在负载为每小时 750 个周期下具有最大切换频率。使用寿命为3000万个周期,失效率为每一亿次中出现一次。使用此 EMC 时,连接的三相马达若为 480 V 额定马达,FLA为4.8 A,600 V额定马达则为6.1 A;这足以为2.2 kW(480 V)马达或3.7 kW(600 V)马达供电(图 3)。


图3 : 3RT20152AP611AA0 EMC具有三个常开型极,因此是切换三相马达的合适配置。(source:Siemens)
图3 : 3RT20152AP611AA0 EMC具有三个常开型极,因此是切换三相马达的合适配置。(source:Siemens)

SIRIUS系列的另一端是3RT20261AP60。此产品也是常开型三极EMC,且根据编码用於AC-3 应用,但使用S0 尺寸的接触器。控制电源电压为220至240 V AC。此元件具有400或690 V的输出电压,400 V 时最大电流为25 A,690 V 时为13 A;两种输出电压下最大标称功率皆为11 kW。连接的三相马达若为 480 V 额定马达,FLA为21 A,600 V额定马达则为22 A;这足以为11.2 kW(480 V)马达或14.9 kW(600 V)马达供电。


Siemens的SIRIUS 3RT2 EMC适合多种应用,但针对切换符合IE3或NEMA优质效率要求的马达进行了最隹化。要符合这种效率要求,EMC必须是马达控制系统的高效组成部分。为满足这一要求,EMC设计有永久磁铁等功能,以减少线圈功耗和电子线圈控制。如此一来,便能尽量降低保持功率(用於让接触器保持关闭)。与之前的元件相比,EMC的内在功率损耗减少了92%。


例如,3RT20171BB41电源接触器在为电动马达提供全功率时,每极的损耗为1.2 W,总损耗为3.6 W。此接触器可以切换2.2 kW到7.5 kW的三相马达,具体视EMC的输出电压而定。


使用EMC启动IE3马达

马达传动系统由若干元件组成,以确保安全可靠地运作。例如:一个完备的设定可能包含下列元件:


· 保护元件(例如马达保护器启动器和/或过载继电器)


· 启动装置(例如EMC)


· 控制器(例如马达管理系统)


· 控制装置(例如频率转换器)


· 电动马达


· 齿轮箱


· 布线


· 从动机器


SIRIUS 3RT2 EMC是一种模组化元件,可与其他元件一起安装在DIN轨道上(或螺丝固定在位)。这些EMC旨在与同类模组配合使用,以建构马达传动系统所需的控制部分(图 4)。模组化设计有助於限制机柜中所需的接线数量,而且由於透过弹簧加载型触点进行连接,因此不需使用特殊工具。



图4 : SIRIUS 3RT2 系列是模组化元件,因此很容易实作马达控制系统。图中,以 24 V DC 讯号来切换的 3RT20171BB41 EMC,与保护元件及过载继电器一起使用,以控制输送带马达。(source:Siemens)
图4 : SIRIUS 3RT2 系列是模组化元件,因此很容易实作马达控制系统。图中,以 24 V DC 讯号来切换的 3RT20171BB41 EMC,与保护元件及过载继电器一起使用,以控制输送带马达。(source:Siemens)

精心挑选的EMC,会成为控制系统的随??即用元件。3RT2电源接触器针对切换 1 至15 kW的IE3 电动马达进行了最隹化,而且不用进一步限制,就能用於直接起动和反向起动应用。但是,比较熟悉 IE2电动马达而非IE3类型的工程师,在使用3RT2 EMC时有一些重要的设计考量。影响IE3马达控制系统设计的特性,包括较低的额定电流、增加的启动电流比和增加的涌入电流(图 5)。



图5 : 为三相 AC 马达选择 EMC 时,涌入电流、启动电流和额定马达电流是要考量的关键叁数。(source:Siemens)
图5 : 为三相 AC 马达选择 EMC 时,涌入电流、启动电流和额定马达电流是要考量的关键叁数。(source:Siemens)

IE3电动马达效率提高的关键是较低的额定马达电流。然而,IE3并未规定在电动马达功率范围内,效率呈线性增长。相反地,与IE2类型相比,IE3要求较低功率电动马达的效率增幅必须远远超出高功率装置(叁见图 2)。这意味着较低功率的电动马达,额定马达电流的降幅比IE2类型更大。请注意,要维持同比功率,就要增加工作电压。


降低额定电流的另一面,是高效率马达启动电流比(启动电流/额定电流)的提高。这是因为,尽管 IE3马达的启动电流较低,但IE2和IE3等功率马达之间的启动电流差异,不像额定电流差异那麽明显。比起能效较高的马达,能效较低的马达具有较高的启动电流比。


启动电流比增加的影响是涌入电流会增加。涌入电流基本上是一种动态补偿事件,引发因素包括像是连接了电感式负载(如马达),以及马达叠层式核心中的动态电流暂态和饱和效应。涌入电流可能比 FLA高出五倍之多,可能会损坏马达和其他系统(图 6)。



图6 : 效率较高的马达涌入电流较高,功率较低的装置涌入电流更大。适当的控制系统设计可以减轻此等影响。(source:Siemens)
图6 : 效率较高的马达涌入电流较高,功率较低的装置涌入电流更大。适当的控制系统设计可以减轻此等影响。(source:Siemens)

与其他模组化控制元件结合使用,3RT2 EMC可应用於「YΔ」启动系统,以限制涌入电流。在装置的 Y绕组上使用满额线路电压来启动马达时,线路电压大约有58%比例会传到每个马达相位,从而降低电流并让涌入峰值维持在低档。马达达到额定速度後,运作会切换至 Δ 模式,此时会将全电压应用到每个相位(无任何涌入电流,不危险),而马达能产生全功率。


这种配置要求将过载继电器,直接安装於马达??电缆线 U1、V1、W1 中(图 7)。这可确保过载保护对所有三个EMC都有效。完整的实作需要使用继电器和三个3RT2 EMC。



图7 : 此YΔ电路由马达??电缆线中的过载继电器和三个 EMC 组成,以在马达启动期间切换电源。(source:Siemens)
图7 : 此YΔ电路由马达??电缆线中的过载继电器和三个 EMC 组成,以在马达启动期间切换电源。(source:Siemens)

运作期间,序列中Y部分的触发方式,是将K1和K3 EMC同时关闭。一旦过了预设的时间(速度大约是马达全速的 80%),计时器便会触发K3(打开)和K2(关闭)以启动 Δ 部分,对马达施以全功率。


结论

切换三相 AC马达等高功率负载时,建议选择EMC来替代EMR。EMC能在数千万次运作中提供高切换可靠性。这些元件可用於各种马达输出,从几kW到数百kW不等。


如本文所示, SIRIUS 3RT2 EMC适合将三相AC马达从2 kW切换至25 kW,而且,其模组化设计能确保将 EMC 轻松安装到控制系统中。尽管SIRIUS EMC的安装相对简单,但必须注意控制系统的实作,避免因涌入电流过大而损坏马达。


(本文作者Steven Keeping 为Digi-Key Electronics北美编辑群)


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