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為大功率三相 AC 馬達選擇和應用機電接觸器
[作者 Steven Keeping]   2022年04月25日 星期一 瀏覽人次: [6702]

本文簡要說明機電繼電器(EMR)與接觸器之間的差異、接觸器的運作方式,並著重於特定應用如何影響產品的選擇,此為邁向成功設計的第一步。本文以 IE3 電動馬達實作中所使用的Siemens SIRIUS 3RT系列電源接觸器,來說明設計選擇。


有些工程師需要小型電壓訊號,以便對較高的電壓和電流進行隔離式切換,他們通常使用繼電器來達成。傳統的低電壓開關可啟用繼電器,進而打開高功率電源。機電繼電器(EMR)的成本低,可以處理較高的電壓,而固態繼電器(SSR)可避免觸點磨損和電弧。


不過,當需要頻繁切換幾百伏特和幾十安培及更高電流時,這兩種繼電器都會面臨挑戰。在這些高負載下產生的電弧很快就會磨損EMR的觸點,而SSR中的漏電流則會導致過熱。設計人員需要為這些高需求應用提供替代選項。


較不為人所熟悉的機電接觸器(EMC),非常適合替代繼電器。這些元件採用經過驗證的技術,並且可從許多知名供應商處取得。由於有幾十種選擇,若對EMC的運作瞭解得不夠深入,選擇過程很快就會變得混亂。


機電繼電器與接觸器之間的差異

由於閉合後會暴露到完整的電路電流,因此使用開關來開啟和關閉高功率元件(如大型三相馬達)並不實際。開關在扳動時會產生危險的電弧,並且在運作時可能會過熱。解決方案是使用低功率電路,透過傳統開關開啟和關閉,藉此觸發高功率電路。而這正是EMR的用途所在。


EMR 使用由低功率電路供電的線圈來產生磁場,磁場接著會向一個可移動的核心提供脈衝,進而打開或關閉(常閉型(NC)或常開型(NO))觸點。EMR 可切換AC或DC負載高達其最大額定值。EMR的關鍵優點在於低成本,並可保證在低於裝置介電額定值的任何施加電壓下達到隔離。


然而,EMR可以處理的功率有其限制。舉例來說,當負載是個三相馬達且產生的功率超過幾kW時,使用EMR來切換會產生過量的電弧,並快速磨損繼電器。替代方案是EMC,這是一種效用等同繼電器的大功率耐用型工業產品,用以在數千萬個週期內可靠地切換高負載(圖 1)。



圖1 : 機電接觸器在大功率切換應用中取代繼電器。(source:Siemens)
圖1 : 機電接觸器在大功率切換應用中取代繼電器。(source:Siemens)

EMC可以安全地連接到需要高電流的元件,並且通常能控制和抑制在重負載下切換時產生的電弧。這些元件使用與繼電器相同的通電線圈/移動核心啟動,且幾乎專門配備了常開型觸點,同時也提供常閉型觸點。有了常開型觸點,當EMC失去供電時,觸點必定會打開,切斷高電流消耗元件的電源。這些元件具有一對或多對觸點,也稱為「極」。


EMC 的選擇

EMC與EMR相比較,我們很容易決定選擇前者。EMC雖然成本較高,但卻是高負載應用的唯一選項。一旦確定需要使用EMC,為工作挑選最佳EMC的難度更高。首先最好確定在此應用的工作電壓下,具有何種峰值負載電流要求,這種電流也稱為「滿載電流(FLA)」。然後,這將確定所需之接觸器的電流負載能力。


例如,以三相馬達來說,製造商通常會在規格書中規定工作電壓和FLA。但如果缺乏此資訊,工程師可以參考美國國家電氣法規(NEC)圖表等資源,此圖表為一系列具有標稱功耗和輸入電壓的三相馬達,詳細介紹其FLA。馬達係根據國際電工委員會(IEC)馬達類別進行分類。例如:一個375 W、110 V工作電壓的三相馬達,其FLA為4.4 A,而一個1.1 kW、220 V工作電壓的馬達,其FLA為6 A。


接下來,工程師必須確定EMC所需的控制電壓。此電壓可以與相關馬達的驅動電壓相同,但出於安全考量,通常使用較低的電壓。EMC的控制電壓一般始終低於250 V AC。


接下來應考量馬達在應用中的效能。例如,兩種不同的應用可能使用規格相同的三相馬達。但是,如果應用的馬達需長時間保持開啟或關閉,則不能使用頻繁開關的EMC。後者會一再承受電流負載,因此必須更耐用才行。


IEC使用類別或「編碼」,是為特定應用選擇正確 EMC 的良好指南。例如:編碼為「AC-3」的EMC,適合在馬達經常開開關關的應用中,用於「鼠籠式」電動馬達(一種常見的電感應馬達),「AC-20」則適用於在零電流條件下連接和斷開負載。一個IEC編碼被錯誤指定的EMC,雖然可能適用於特定應用,但其壽命可能比正確編碼的EMC短得多。


IEC編碼對於考量電阻性或電感式負載類型也有幫助,因為負載類型也會對EMC的選擇產生重大影響。例如:電動馬達是電感式負載,加熱器則是電阻性負載。


此外,還必須考量在單個EMC中可能需要多少個極,以及這些極應為常開還是常閉型。例如:某個應用可能會要求三個極必須為電動馬達的每個相位使用常開型接觸器,並多使用一組常閉型對來點亮 LED指示燈,指出馬達有通電但未旋轉。


另外,由於EMC經常承載較高的電壓和電流,因此確保元件的隔離額定值符合應用的所有安全標準也很重要。


由於在產生的電力中馬達會消耗相當大的一部分,因此美國和歐盟通過立法,確保馬達儘可能高效率地運行。歐盟的能效級別以國際能源(IE)效率級別表示(圖 2)。根據現行規定,馬達必須達到 IE2(高效率)、IE3(優質效率)或 IE4(超優質效率)級別,具體取決於其額定功率和其他特性。EMC 會影響電動馬達的效率,因此,如果控制系統要在歐盟使用,其設計必須達到合適的 IE 效率級別。在美國,馬達必須符合美國電氣製造商協會(NEMA)的優質效率計畫,此計畫要求符合 IE3 所規定的標準。澳大利亞的要求與美國相似。



圖2 : 電動馬達的 IE 效率要求,顯示出較低功率馬達如何具有較高的效率提升幅度:美國和歐盟法規不再允許使用 IE1 和 IE2 馬達。(source:Siemens)
圖2 : 電動馬達的 IE 效率要求,顯示出較低功率馬達如何具有較高的效率提升幅度:美國和歐盟法規不再允許使用 IE1 和 IE2 馬達。(source:Siemens)

商業產品

幾乎所有高負載應用都有多種高品質的EMC可選擇。例如:Siemens的Sirius 3RT2系列EMC,展示了當代產品對電動馬達切換和其他應用的能力。這些元件專為高運行可靠性、高接觸可靠性、高溫工作和長久使用壽命而設計。這些電源接觸器可在高達60°C的溫度下使用而無需降額,即使並排安裝也是如此。此系列包含以下運作級別的EMC:AC-1(無電感或輕微電感式負載,如加熱器)、AC-3(經常開關的鼠籠式電動馬達),以及AC-4(鼠籠式電動馬達:啟動、插入、寸動)。所有 SIRIUS 3RT2產品都是專為IE3和IE4馬達運作而設計。


SIRIUS 3RT2系列中的3RT20152AP611AA0 是一種常開型三極EMC,帶有S00尺寸的接觸器,依照編碼用於 AC-3 應用。控制電源電壓為220至240 V AC。此元件具有400或690 V的輸出電壓,400 V時最大電流為7 A,690 V時為4.9 A;400 V 時最大標稱功率為3 kW,690 V時為4 kW。觸點在35 ms 內關閉,在 14 ms 內打開。 在負載為每小時 750 個週期下具有最大切換頻率。使用壽命為3000萬個週期,失效率為每一億次中出現一次。使用此 EMC 時,連接的三相馬達若為 480 V 額定馬達,FLA為4.8 A,600 V額定馬達則為6.1 A;這足以為2.2 kW(480 V)馬達或3.7 kW(600 V)馬達供電(圖 3)。


圖3 : 3RT20152AP611AA0 EMC具有三個常開型極,因此是切換三相馬達的合適配置。(source:Siemens)
圖3 : 3RT20152AP611AA0 EMC具有三個常開型極,因此是切換三相馬達的合適配置。(source:Siemens)

SIRIUS系列的另一端是3RT20261AP60。此產品也是常開型三極EMC,且根據編碼用於AC-3 應用,但使用S0 尺寸的接觸器。控制電源電壓為220至240 V AC。此元件具有400或690 V的輸出電壓,400 V 時最大電流為25 A,690 V 時為13 A;兩種輸出電壓下最大標稱功率皆為11 kW。連接的三相馬達若為 480 V 額定馬達,FLA為21 A,600 V額定馬達則為22 A;這足以為11.2 kW(480 V)馬達或14.9 kW(600 V)馬達供電。


Siemens的SIRIUS 3RT2 EMC適合多種應用,但針對切換符合IE3或NEMA優質效率要求的馬達進行了最佳化。要符合這種效率要求,EMC必須是馬達控制系統的高效組成部分。為滿足這一要求,EMC設計有永久磁鐵等功能,以減少線圈功耗和電子線圈控制。如此一來,便能儘量降低保持功率(用於讓接觸器保持關閉)。與之前的元件相比,EMC的內在功率損耗減少了92%。


例如,3RT20171BB41電源接觸器在為電動馬達提供全功率時,每極的損耗為1.2 W,總損耗為3.6 W。此接觸器可以切換2.2 kW到7.5 kW的三相馬達,具體視EMC的輸出電壓而定。


使用EMC啟動IE3馬達

馬達傳動系統由若干元件組成,以確保安全可靠地運作。例如:一個完備的設定可能包含下列元件:


‧ 保護元件(例如馬達保護器啟動器和/或過載繼電器)


‧ 啟動裝置(例如EMC)


‧ 控制器(例如馬達管理系統)


‧ 控制裝置(例如頻率轉換器)


‧ 電動馬達


‧ 齒輪箱


‧ 佈線


‧ 從動機器


SIRIUS 3RT2 EMC是一種模組化元件,可與其他元件一起安裝在DIN軌道上(或螺絲固定在位)。這些EMC旨在與同類模組配合使用,以建構馬達傳動系統所需的控制部分(圖 4)。模組化設計有助於限制機櫃中所需的接線數量,而且由於透過彈簧加載型觸點進行連接,因此不需使用特殊工具。



圖4 : SIRIUS 3RT2 系列是模組化元件,因此很容易實作馬達控制系統。圖中,以 24 V DC 訊號來切換的 3RT20171BB41 EMC,與保護元件及過載繼電器一起使用,以控制輸送帶馬達。(source:Siemens)
圖4 : SIRIUS 3RT2 系列是模組化元件,因此很容易實作馬達控制系統。圖中,以 24 V DC 訊號來切換的 3RT20171BB41 EMC,與保護元件及過載繼電器一起使用,以控制輸送帶馬達。(source:Siemens)

精心挑選的EMC,會成為控制系統的隨插即用元件。3RT2電源接觸器針對切換 1 至15 kW的IE3 電動馬達進行了最佳化,而且不用進一步限制,就能用於直接起動和反向起動應用。但是,比較熟悉 IE2電動馬達而非IE3類型的工程師,在使用3RT2 EMC時有一些重要的設計考量。影響IE3馬達控制系統設計的特性,包括較低的額定電流、增加的啟動電流比和增加的湧入電流(圖 5)。



圖5 : 為三相 AC 馬達選擇 EMC 時,湧入電流、啟動電流和額定馬達電流是要考量的關鍵參數。(source:Siemens)
圖5 : 為三相 AC 馬達選擇 EMC 時,湧入電流、啟動電流和額定馬達電流是要考量的關鍵參數。(source:Siemens)

IE3電動馬達效率提高的關鍵是較低的額定馬達電流。然而,IE3並未規定在電動馬達功率範圍內,效率呈線性增長。相反地,與IE2類型相比,IE3要求較低功率電動馬達的效率增幅必須遠遠超出高功率裝置(參見圖 2)。這意味著較低功率的電動馬達,額定馬達電流的降幅比IE2類型更大。請注意,要維持同比功率,就要增加工作電壓。


降低額定電流的另一面,是高效率馬達啟動電流比(啟動電流/額定電流)的提高。這是因為,儘管 IE3馬達的啟動電流較低,但IE2和IE3等功率馬達之間的啟動電流差異,不像額定電流差異那麼明顯。比起能效較高的馬達,能效較低的馬達具有較高的啟動電流比。


啟動電流比增加的影響是湧入電流會增加。湧入電流基本上是一種動態補償事件,引發因素包括像是連接了電感式負載(如馬達),以及馬達疊層式核心中的動態電流暫態和飽和效應。湧入電流可能比 FLA高出五倍之多,可能會損壞馬達和其他系統(圖 6)。



圖6 : 效率較高的馬達湧入電流較高,功率較低的裝置湧入電流更大。適當的控制系統設計可以減輕此等影響。(source:Siemens)
圖6 : 效率較高的馬達湧入電流較高,功率較低的裝置湧入電流更大。適當的控制系統設計可以減輕此等影響。(source:Siemens)

與其他模組化控制元件結合使用,3RT2 EMC可應用於「YΔ」啟動系統,以限制湧入電流。在裝置的 Y繞組上使用滿額線路電壓來啟動馬達時,線路電壓大約有58%比例會傳到每個馬達相位,從而降低電流並讓湧入峰值維持在低檔。馬達達到額定速度後,運作會切換至 Δ 模式,此時會將全電壓應用到每個相位(無任何湧入電流,不危險),而馬達能產生全功率。


這種配置要求將過載繼電器,直接安裝於馬達饋電纜線 U1、V1、W1 中(圖 7)。這可確保過載保護對所有三個EMC都有效。完整的實作需要使用繼電器和三個3RT2 EMC。



圖7 : 此YΔ電路由馬達饋電纜線中的過載繼電器和三個 EMC 組成,以在馬達啟動期間切換電源。(source:Siemens)
圖7 : 此YΔ電路由馬達饋電纜線中的過載繼電器和三個 EMC 組成,以在馬達啟動期間切換電源。(source:Siemens)

運作期間,序列中Y部分的觸發方式,是將K1和K3 EMC同時關閉。一旦過了預設的時間(速度大約是馬達全速的 80%),計時器便會觸發K3(打開)和K2(關閉)以啟動 Δ 部分,對馬達施以全功率。


結論

切換三相 AC馬達等高功率負載時,建議選擇EMC來替代EMR。EMC能在數千萬次運作中提供高切換可靠性。這些元件可用於各種馬達輸出,從幾kW到數百kW不等。


如本文所示, SIRIUS 3RT2 EMC適合將三相AC馬達從2 kW切換至25 kW,而且,其模組化設計能確保將 EMC 輕鬆安裝到控制系統中。儘管SIRIUS EMC的安裝相對簡單,但必須注意控制系統的實作,避免因湧入電流過大而損壞馬達。


(本文作者Steven Keeping 為Digi-Key Electronics北美編輯群)


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