Sådan vælges og anvendes elektromekaniske kontaktorer til heavy-duty trefasede AC-motorer med tre faser

Ingeniører, der har til opgave at foretage isolerede skift af relativt høje spændinger og strømme ved hjælp af et lille spændingssignal, bruger typisk relæer. En konventionel lavspændingsafbryder aktiverer relæet, som igen tænder for højspændingsforsyningen. Elektromekaniske relæer (EMR) er billige og kan håndtere relativt høje spændinger, mens solid-state relæer (SSR) eliminerer kontaktslid og lysbuer.

Men når der er tale om hyppige skift af flere hundrede volt og titusind ampere (og derover), er begge typer udfordret. Lysbuer ved disse høje belastninger slider hurtigt EMR's kontakter op, mens lækstrømme i SSR'er forårsager overophedning. Designere har brug for en alternativ løsning til disse applikationer med stor efterspørgsel.

Den mindre velkendte elektromekaniske kontaktor (EMC) er en robust erstatning for relæer. Anordningerne er gennemprøvet teknologi og er tilgængelig fra mange velrenommerede leverandører. Da der er snesevis af muligheder, bliver udvælgelsesprocessen hurtigt forvirrende uden et detaljeret indblik i EMC's funktion.

I denne artikel forklares kort forskellen mellem EMR'er og kontaktorer, hvordan kontaktorer fungerer, og der fokuseres derefter på, hvordan en given anvendelse påvirker valget af produkt som det første skridt mod et vellykket design. Valg af design vil blive illustreret ved at henvise til Siemens SIRIUS 3RT-serie af kontaktorer, der anvendes i en IE3-elmotor.

Forskellen mellem elektromekaniske relæer og kontaktorer

Da den er udsat for den fulde kredsløbsstrøm, når den er lukket, er det upraktisk at bruge en afbryder til at tænde og slukke for en kraftig enhed som f.eks. en stor trefaset motor. Kontakten laver en farlig lysbue, når den vendes, og overopheder under drift. Løsningen er at bruge et kredsløb med lav effekt, der tændes og slukkes af en konventionel afbryder, til at udløse det kraftige kredsløb. Dette er formålet med EMR.

EMR'er bruger en spole, der får strøm fra et lavstrømskredsløb til at skabe et magnetfelt, som derefter giver en impuls til en bevægelig kerne, der igen åbner eller lukker kontakterne (normalt lukkede (NC) eller normalt åbne (NO)). EMR'erne kan koble en AC- eller DC-belastning op til deres maksimale effekt. De vigtigste fordele ved EMR'er er lave omkostninger og garanteret isolation ved enhver påført spænding under enhedens dielektriske nominelle værdi. (Se "Sådan anvendes specialiserede støjsvage faststof-relæer til at begrænse EMI og opfylde kritiske standarder".)

Der er dog en grænse for den effekt, som et EMR kan håndtere. Når belastningen f.eks. er en trefaset motor med en effekt på mere end et par kilowatt (kW), genererer kobling ved hjælp af en EMR for store lysbuer og slider hurtigt relæet op. Alternativet er EMC, en heavy-duty og robust industriel ækvivalent til et relæ, der er designet til pålideligt at skifte høje belastninger over titusindvis af millioner af cyklusser (figur 1).

Figur 1: Elektromekaniske kontaktorer erstatter relæer i heavy-duty koblingsanvendelser. (Billedkilde: Siemens)

EMC'er kan sikkert tilsluttes enheder med højstrømsforbrug og er typisk konstrueret med funktioner til at kontrollere og undertrykke den lysbue, der opstår, når der skiftes under en stor belastning. Anordningerne anvender samme aktivering med spole/bevægelig kerne som relæer og er næsten udelukkende udstyret med NO-kontakter, men der findes også NC-kontakter. NO-kontakter sikrer, at kontakterne skifter til at åbne, når strømmen til EMC'en fjernes, og afbryder forsyningen til den højstrømsforbrugende enhed. Enhederne har enten et eller flere kontaktpar, også kaldet poler.

EMC-valg

Det er relativt enkelt at vælge en EMC frem for en EMR. EMC'er er dyrere, men de er den eneste mulighed for applikationer med høj belastning. Når det først er fastslået, at der er behov for en EMC, er det vanskeligere at vælge den bedste EMC til opgaven. Det bedste sted at starte er at bestemme spidsbelastnings strømmen (også kaldet FLA (Full Load Ampereage)) ved applikationens driftsspænding. Dette vil derefter bestemme kontaktorens strøm belastningskapacitet.

I tilfælde af en trefaset motor angiver producenten f.eks. typisk driftsspænding og FLA i databladet. Men hvis disse oplysninger ikke er tilgængelige, kan en ingeniør henvise til ressourcer som f.eks. den amerikanske National Electrical Code's (NEC) skema, der indeholder oplysninger om FLA for en række trefasede motorer med nominel effekt og indgangsspænding. Motorerne er kategoriseret i henhold til IEC-motorklassificeringerne (International Electrotechnical Commission). For eksempel har en 375 watt, trefaset motor med en driftsspænding på 110 volt en FLA på 4,4 ampere (A), og en 1,1 kW-motor med en driftsspænding på 220 volt har en FLA på 6 A.

Derefter skal ingeniøren bestemme den nødvendige styrespænding til EMC. Det kan være den samme spænding som den, der anvendes til at drive den tilhørende motor, men ofte anvendes en lavere spænding af sikkerhedshensyn. EMC-kontrolspændinger er typisk altid under 250 volt AC.

Derefter bør man overveje, hvordan motoren vil fungere i applikationen. To forskellige applikationer kan f.eks. bruge en trefaset motor med de samme specifikationer. Men en applikation, der kræver, at motoren skal være tændt eller slukket i lange perioder, kræver en anden EMC end en motor, der ofte tændes og slukkes. Sidstnævnte vil blive udsat for gentagne strømbelastninger og skal derfor være et mere robust produkt.

IEC-anvendelseskategorier eller "koder" er en god vejledning til at vælge den korrekte EMC til en given anvendelse. Hvis EMC'en f.eks. er kodet "AC-3", er den egnet til elektriske kortslutningsmotorer med (en almindelig type elektrisk induktionsmotor) i applikationer, hvor motoren regelmæssigt tændes og slukkes, mens "AC-20" er egnet til tilkobling og frakobling af belastninger under nulstrømsforhold. Selv om en forkert specificeret IEC-kodet EMC kan fungere i en given anvendelse, vil den sandsynligvis have en meget kortere levetid end en korrekt kodet EMC.

IEC-koderne er også nyttige til at tage hensyn til typen af belastning - resistiv eller induktiv - da dette også har en betydelig indflydelse på valget af EMC. Elektromotorer er f.eks. induktive belastninger, mens et varmelegeme er en resistiv belastning.

Det er også vigtigt at overveje, hvor mange poler der kan være nødvendige i en enkelt EMC, og om de skal være NO- eller NC-poler. En applikation kan f.eks. kræve tre poler med NO-kontaktorer til hver fase af en elektrisk motor og et yderligere NC-par til at tænde en LED for at angive, at motoren modtager strøm, men ikke roterer.

Da EMC'er ofte har relativt høje spændinger og strømme, er det desuden vigtigt at sikre, at enhedens isolationsgrad opfylder alle sikkerhedskriterierne for anvendelsen.

Da motorer forbruger en betydelig del af den producerede elektricitet, har USA og EU vedtaget lovgivning for at sikre, at de fungerer så effektivt som muligt. EU's energieffektivitetsniveauer er udtrykt i internationale energieffektivitets klasser (IE) (figur 2). I henhold til den nuværende forordning skal motorer nå IE2- (høj effektivitet), IE3- (premium efficiency) eller IE4- (super premium efficiency) niveauet, afhængigt af deres nominelle effekt og andre egenskaber. EMC har indflydelse på elektromotorens effektivitet, så hvis styresystemet skal bruges i EU, er det vigtigt, at det er konstrueret i overensstemmelse med den relevante IE-effektivitetsklasse. I USA skal motorer overholde NEMA-programmet (National Electrical Manufacturers Association), som kræver overholdelse af standarder som dem, der er specificeret for IE3. Kravene i Australien svarer til kravene i USA.

Figur 2: IE-effektivitetskrav til elmotorer viser, at effektivitetsforbedringer er større for motorer med lavere effekt: IE1- og IE2-motorer er ikke længere tilladt i henhold til de amerikanske og EU-bestemmelser. (Billedkilde: Siemens)

Kommercielle produkter

Der findes et bredt udvalg af EMC'er af høj kvalitet til næsten alle anvendelser med høj belastning. F.eks. viser Siemens Sirius 3RT2-serien af EMC'er, at moderne produkter kan anvendes til kobling af elektriske motorer og andre applikationer. Enhederne er designet med henblik på høj driftssikkerhed, høj kontaktsikkerhed, drift ved høje temperaturer og lang levetid. Disse strømkontaktorer kan anvendes ved op til 60 °C uden belastningsreduktion - selv når de er monteret side om side. Serien omfatter EMC'er kategoriseret til AC-1 (ikke-induktive eller svagt induktive belastninger som f.eks. varmeapparater), AC-3 (elektriske motorer med egernkobling, der ofte skifter) og AC-4 (elektriske motorer med egernkobling: Start, tilslutning, tomme) drift. Alle SIRIUS 3RT2-produkter er designet til IE3- og IE4-motordrift.

3RT20152AP611AA0 fra SIRIUS 3RT2-serien er en NO trepolet EMC med kontaktorer i størrelse S00 og er kodet til AC-3-applikationer. Spændingen for styringen er 220 til 240 V AC. Den har en udgangsspænding på 400 eller 690 volt og en maksimal strømstyrke på 7 A ved 400 volt eller 4,9 A ved 690 volt for en nominel maksimal effekt på 3 kW ved 400 volt eller 4 kW ved 690 volt. Kontakterne lukker på under 35 millisekunder (ms) og åbner på under 14 ms. Den har en maksimal koblingsfrekvens under belastning på 750 cyklusser i timen. Levetiden er 30 millioner cyklusser med en fejlfrekvens på én gang pr. 100 millioner. Når denne EMC anvendes, er FLA for en tilsluttet trefaset motor 4,8 A for en 480-volt-motor og 6,1 A for en 600-volt-motor; det er tilstrækkeligt til at drive en 2,2 kW-motor (480 volt) eller en 3,7 kW-motor (600 volt) (Figur 3).

Figur 3: 3RT20152AP611AA0 EMR har tre poler, der er NO, hvilket gør den til en passende konfiguration til at skifte en trefaset motor. (Billedkilde: Siemens)

I den anden ende af SIRIUS-sortimentet findes 3RT20261AP60. Dette er også en NO trepolet EMC og kodet til AC-3-applikationer, men med kontaktorer i S0-størrelse. Spændingen for styringen er 220 til 240 V AC. Enheden har en udgangsspænding på 400 eller 690 volt og en maksimal strømstyrke på 25 A ved 400 volt eller 13 A ved 690 volt for en nominel maksimal effekt på 11 kW ved begge udgangsspændinger. FLA for en tilsluttet trefaset motor er 21 A for en 480 volt-motor og 22 A for en 600 volt-motor; det er tilstrækkeligt til at drive en 11,2 kW-motor (480 volt) eller en 14,9 kW-motor (600 volt).

Siemens SIRIUS 3RT2 EMC'er er velegnede til en række applikationer, men er optimeret til at skifte IE3- eller NEMA premium-effektivitetskompatible motorer. En del af denne overholdelse kræver, at EMC skal være en effektiv del af motorens styresystem. For at opfylde dette krav er EMC'erne designet med funktioner som f.eks. permanente magneter for at reducere spolens strømforbrug og elektronisk spolekontrol. Dette gør det muligt at reducere holdestyrken (der bruges til at holde kontaktoren lukket) til et minimum. EMC'ernes egen effekttab er blevet reduceret med 92 % i forhold til tidligere enheder.

F.eks. har 3RT20171BB41-strømskontakten, som kan skifte 2,2 kW til 7,5 kW trefasede motorer afhængigt af EMC's udgangsspænding - et tab på 1,2 watt pr. pol for et samlet tab på 3,6 watt, når der leveres fuld effekt til en elektrisk motor.

Brug af en EMC til at starte en IE3-motor

Et motordrev består af flere komponenter for at sikre sikker og pålidelig drift. En omfattende opsætning kan f.eks. omfatte følgende komponenter:

• Beskyttelsesanordning (f.eks. en motorbeskyttelsesstarter og/eller et overbelastningsrelæ)
• Startenhed (f.eks. en EMC)
• Controller (f.eks. et motorstyringssystem)
• Kontrolenhed (f.eks. en frekvenskonverter)
• Elektrisk motor
• Gearkasse
• Kabling
• Driven maskine

SIRIUS 3RT2 EMC'erne er designet som modulære enheder, der monteres på en DIN-skinne (eller skrues på plads) sammen med de andre komponenter. EMC'erne er designet til at passe sammen med søstermoduler for at opbygge den ønskede styringsdel af motordrivlinjen (figur 4). Det modulære design er med til at begrænse mængden af kabler i kabinettet, og tilslutningerne foretages via fjederbelastede kontakter, så der er ikke brug for specialværktøj.

Figur 4: SIRIUS 3RT2-serien er modulære enheder, der gør det nemt at implementere et motorstyringssystem. Her bruges en 3RT20171BB41 EMR - som kobles med et 24 volt DC-signal - sammen med en beskyttelsesanordning og et overbelastningsrelæ til at styre en transportørmotor. (Billedkilde: Siemens)

Hvis EMC'en er blevet nøje udvalgt, bliver den et plug-and-play-element i styresystemet. 3RT2-kontaktorer er optimeret til at skifte IE3-elektromotorer i intervallet 1 til 15 kW og kan uden yderligere begrænsninger anvendes til direkte start og start i omvendt drift uden yderligere begrænsninger. Der er dog nogle vigtige konstruktionsovervejelser for ingeniører, der er mere fortrolige med IE2-elektromotorer end IE3-typer, når de anvender 3RT2 EMC'er. Karakteristika, der påvirker udformningen af styresystemet for IE3-motorer, omfatter lavere nominelle strømme, øget startstrømsforhold og øget indløbsstrøm (figur 5).

Figur 5: Indløbs-, start- og nominel motorstrøm er nøgleparametre, der skal tages i betragtning, når der vælges en EMC til en trefaset AC-motor. (Billedkilde: Siemens)

Nøglen til den øgede effektivitet af IE3-elmotorer er lavere motorstrømme. IE3 angiver imidlertid ikke en lineær stigning i effektiviteten over hele elmotorens effektområde. I stedet kræver det, at effektiviteten af elmotorer med lavere effekt skal øges meget mere i forhold til IE2-typer end enheder med højere effekt (se figur 2 ovenfor). Det betyder, at for elmotorer med lavere effekt er motorens nominelle strømstyrke blevet væsentligt sænket i forhold til IE2-typen. Bemærk, at den tilsvarende effekt opretholdes ved at øge driftsspændingen.

Bagsiden af den reducerede nominelle strøm er en stigning i startstrømsforholdet (startstrøm/normeret strøm) for de mere effektive motorer. Det skyldes, at selv om startstrømmen for en IE3-motor er lavere, er forskellen mellem IE2- og IE3-motorer med samme effekt ikke så markant for startstrøm som for nominel strøm. For motorer med lavere effekteffektivitet er startstrømforholdet højere end for alternativer med højere effekt.

Virkningen af et øget startstrømsforhold er en stigning i indstrømningsstrømmen. Indløbsstrøm er hovedsagelig en dynamisk kompensationsbegivenhed, der skyldes faktorer som f.eks. tilslutning af en induktiv belastning (f.eks. en motor) og dynamiske strømtransienter og mætningseffekter i motorens laminerede kerner. Indløbsstrøm, som kan være op til fem gange højere end FLA, kan beskadige motoren og andre systemer (Figur 6).

Figur 6: Indløbsstrømmen er højere for mere effektive motorer, og den er større for enheder med lavere effekt. En hensigtsmæssig udformning af kontrolsystemet kan afbøde virkningerne. (Billedkilde: Siemens)

Sammen med andre modulære kontrolkomponenter kan 3RT2 EMC'er bruges i et wye-delta ("YΔ") startsystem til at begrænse indløbsstrømmen. Ved at starte motoren ved hjælp af den fulde linjespænding over enhedens Y-viklinger når ca. 58 % af linjespændingen frem til hver motorfase, hvilket sænker strømmen og holder indstrømnings toppen nede. Når motoren når sin nominelle hastighed, skifter drift til Δ-tilstand, hvor der på dette tidspunkt tilføres fuld spænding (uden risiko for indløbsstrøm) til hver fase, og motoren kan producere fuld effekt.

Dette arrangement kræver et overbelastningsrelæ, der er placeret direkte i motorens fødeledningskabel U1, V1, W1 (figur 7). Dette sikrer, at overbelastningsbeskyttelsen er effektiv for alle tre EMC'er. Den fulde implementering kræver relæet og tre 3RT2 EMC'er.

Figur 7: YΔ-kredsløb bestående af et overbelastningsrelæ i motorens fremføringskabel og tre EMC'er til at skifte strøm under motorstart. (Billedkilde: Siemens.)

I drift udløses Y-delen af sekvensen ved at lukke K1- og K3-EMC'erne sammen. Efter en forudindstillet tid (ved ca. 80 % af motorens fulde hastighed) udløser en timer K3 til at åbne og K2 til at lukke for at starte deltadelen for at anvende fuld effekt til motoren.

Konklusion

Når der skiftes kraftige belastninger som f.eks. trefasede AC-motorer, er EMC'er det anbefalede alternativ til EMR'er. EMC'er er konstrueret til høj pålidelighed ved omstilling over titusindvis af millioner af operationer. Enhederne er tilgængelig til en lang række motoreffekter fra få til flere hundrede kilowatt.

Som vist er Siemens SIRIUS 3RT2 EMC'er velegnet til at skifte trefasede AC-motorer fra 2 til 25 kW, og deres modulære design sikrer nem installation i styresystemer. Mens SIRIUS EMC'erne er forholdsvis enkle at installere, skal man være forsigtig med implementeringen af styresystemet for at undgå motorskader som følge af for høj indstrømning.