Grundlæggende om motorkontaktorer og deres anvendelse

Anvendelser som f.eks. opvarmning, ventilation og luftkonditionering (HVAC), kompressorer, pumper, materialehåndtering og emballage kræver sikker anvendelse og styring af store motorer, der arbejder med høj spænding og strømstyrke. Styring af disse store elektriske motorer er et problem for konstruktørerne, da de skal sørge for tilstrækkelig isolering mellem motoren og styrekredsen. Desuden kan de høje spændinger og strømme generere betydelige elektromagnetiske transienter, som kan beskadige elektroniske styringer.

Elektromagnetiske relæer giver fjernstyring med isolation, men har deres egne begrænsninger. Åbning og lukning af strømforbindelserne til en højtydende motor genererer elektriske lysbuer, som slider på relæets kontaktflader og reducerer kontaktens levetid.

Løsningen på dette problem er en elektromagnetisk kontaktor, en særlig klasse af relæer beregnet til motorstyring. Ud over en mere robust konstruktion og større og mere robuste kontakter end relæer anvender de teknikker til lysbueundertrykkelse, der omfatter særlige materialer og hurtigere lukning og åbning af kontakten.

I denne artikel gennemgår vi det grundlæggende om elektromagnetiske motorkontaktorer og deres fordele i forhold til andre metoder til motorstyring. Derefter diskuteres det, hvordan de vælges og anvendes ved hjælp af eksempler på konfigurationer fra Schneider Electric Easy TeSys-familien.

Sådan fungerer kontaktorer

Elektromagnetiske kontaktorer består af en elektromagnet, der er bygget på en E-kerne. Konkret er en elektrisk isoleret spole viklet koncentrisk om kernens midterben. Spolen spændes af den styrende spændingskilde, som kan være AC eller DC. Når spolen er spændt, trækker den elektromagnetiske kraft en anker ind i kernen i dens åbne ende (Figur 1).

Figur 1: Et forenklet funktionsdiagram af en kontaktor, der viser den i både af- og tilkoblet tilstand. (Billedkilde: Art Pini)

De elektriske kontakter er mekanisk koblet til ankeret. Kontaktarrangementet varierer alt efter kontaktormodellen: De kan være normalt åbne (NO) eller en kombination af normalt åbne og normalt lukkede (NC). Der kan være flere isolerede kontakter. En 3-faset kontaktor har f.eks. tre sæt strømkontakter, et for hver fase. Når ankeret trækker ind, åbner NC-kontakterne, og NO-kontakterne lukker. Mange kontaktorer har desuden et ekstra sæt kontakter med lavere effekt, som bruges til at overvåge kontaktorens tilstand, dvs. om den er aktiveret eller ikke aktiveret.

Kontaktmaterialer er valgt på grund af høj styrke, fremragende elektrisk ledningsevne og modstandsdygtighed over for lysbuer og oxidation. Kontakt-geometrien er designet til at kunne håndtere de tilsigtede effektniveauer og til at undertrykke lysbuer.

Alle kontaktorens elementer er indeholdt i et kabinet, som isolerer kontakterne elektrisk og samtidig giver en enkel metode til at forbinde strøm, belastning og spolekabler. Kabinettet giver også monteringsstøtte, som kan være i form af panel- eller DIN-skinnemontering (figur 2).

Figur 2: Eksempler på typiske kontaktorkabinetter; panelmontering (til venstre) og DIN-skinnemontering (til højre). (Billedkilde: Schneider Electric)

Schneider Electric Easy TeSys-kontaktorerne (DPE-serien) er indbygget i et kompakt kabinet, der kun er 45 millimeter (mm) bredt og kan monteres på et panel eller en DIN-skinne. Kabinettet har en beskyttelse mod indtrængning på IP20, hvilket indikerer beskyttelse mod fingre. Alle kontaktorer i serien omfatter en normalt åben hjælpekontakt. Denne serie af 3-fase kontaktorer er UL/CSA-godkendt med en kapacitet på op til 32 ampere, 20 hestekræfter ved 480 volt AC (HP/480 VAC) og 25 HP/600 VAC med en række forskellige spændingsspændinger til spolen (tabel 1).

Tabel 1: Udvalgte eksempler fra Schneider Electric Easy TeSys DPE-kontaktserien viser det udvalg af driftstrømme og spændingsspændinger, som serien tilbyder. (Kilde til tabellen: Art Pini)

Disse enheder har en levetid på ca. 1 million elektriske operationer. Easy TeSys-kontaktorer er velegnede til de anvendelser, der er beskrevet i de anvendelseskategorier, der er angivet i standarden IEC 60947. Strømstyrken for de enkelte kontaktorer afhænger af anvendelseskategorien. For eksempel beskriver kategorien AC-1 applikationer, hvor belastningen er ikke-induktiv eller kun svagt induktiv, f.eks. en modstandsbaseret ovn. Disse applikationer har primært resistive belastninger, som har mindre problemer med transiente spændinger og strømme.

Kategori AC-3 dækker anvendelser for induktionsmotorer med "hamsterhjul", hvor motoren startes, og hvor strømmen kan fjernes for at stoppe motoren til tider. Motorer er induktive enheder, og start og stop resulterer i induktive transienter, som lægger større pres på kontaktoren.

Anvendelser i kategorien AC-4 lægger større pres på kontaktoren. Denne kategori omfatter induktionsmotorer med "hamsterhjul" og motorer af slidringstypen, der er udsat for bremsning med omvendt strøm og jogging eller inching. Jogging eller inching er "den hurtige gentagne påføring af kraft til at starte en motor fra hvile med det formål at udføre små bevægelser af motoren". Jogging henviser generelt til at starte en motor med korte strømimpulser ved fuld spænding. Tilsvarende betyder "inching" at starte en motor med korte impulser med reduceret spænding. De mange forskellige strømanvendelser skaber det højeste niveau af belastning på kontaktoren.

Matchning af en specifik Easy TeSys DPE-kontaktor til en motor eller lignende højtydende applikation er primært baseret på den strøm, der håndteres. Schneider Electric Easy TeSys-kataloget indeholder hjælpemidler til udvælgelse baseret på motoreffekt, anvendelseskategori og den krævede driftslevetid (figur 3).

Figur 3: Easy TeSys DPE-valgguide for AC-3 motorer i anvendelseskategorien baseret på motoreffekt og ønsket levetid for kontaktorerne. (Billedkilde: Schneider Electric)

Figur 3 er en af tre valgvejledninger, der er relateret til anvendelseskategorien for den enhed, der styres. Den er til brugskategori AC-3, dvs. en motor, der kun sjældent må standses. Når motoren er standset, er strømmen lig med driftsstrømmen. Som et eksempel kan du overveje at finde en Easy TeSys DPE-kontaktor til en 5,5 kilowatt (kW), 3-faset motor, der arbejder ved 400 volt med en driftstrøm på 11 A, hvor den ønskede driftslevetid er to millioner cyklusser. Med udgangspunkt i 400-voltspændingslinjen skal designeren lokalisere 5,5 kW og derfra projicere en linje opad, indtil den skærer linjen med to millioner operationer. Det nærmeste DPE-model locus (i blåt) er DPE 18.

Et eksempel på en AC-4 anvendelseskategori, hvor motoren stoppes og genstartes ofte, omhandler større worst-case strømme. Overvej en 3-fase 5,5 kW-motor på 400 volt med en driftstrøm på 11 A i en AC-4 applikation, hvor den er afspændt, mens motoren er gået i stå. Den ønskede levetid er 300.000 operationer.

Den fastlåste strøm for denne motor er seks gange højere end driftsstrømmen, hvilket kræver en kontaktor, der er beregnet til et højere strømniveau (figur 4).

Figur 4: Easy TeSys DPE-valgvejledning for kategorien AC-4 anvendelse. Bemærk, at strømmene i værste tilfælde kan være meget større, fordi der kan blive taget strøm fra motoren, mens den er gået i stå. (Billedkilde: Schneider Electric)

For at finde den anbefalede kontaktor skal du starte med en strømstyrke på 66 A, som er seks gange driftsstrømmen på 11 A. Projektion opad fra den aktuelle akse, indtil den skærer den linje, der repræsenterer 0,3 millioner operationer. Det nærmeste produktlokus er DPE32.

Easy TeSys DPE-seriens kontaktorer dækker de mest almindelige motorkonfigurationer og applikationer, f.eks. transportbånd, pakkemaskiner, pumper, kompressorer, varme- og ventilationsanlæg, aircondition, køleanlæg og meget mere.

Easy TeSys-familien omfatter også en række supplerende termiske overbelastningsrelæer, der er designet til at beskytte AC-kredsløb og motorer mod overbelastning, fasesvigt, forlænget starttid og blokeret rotor. Disse relæer overvåger motorstrømmen, og når strømmen overstiger den indstillede strømgrænse, åbnes kontakterne og stopper motoren. Der findes 15 forskellige modeller, og hver model har en række indstillelige niveauer for strømudløb. Modellerne for overbelastningsbeskyttelse er kompatible med udvalgte Easy TeSys-kontaktorer DPE09 til DPE38. De tilsluttes direkte til de nederste klemmer på 3-fasede kontaktorer ved hjælp af kontaktorens skrueklemmer klemmer. Kombinationen har en fælles bredde på 45 mm og kan monteres på DIN-skinne eller skrues fast på et panel ved hjælp af DPE-kontaktorfæstet (Figur 5).

Figur 5: Relæet til beskyttelse mod overbelastning monteres direkte under DPE-kontaktoren og fastgøres ved hjælp af kontaktorens skrueklemmeforbindelser. (Billedkilde: Schneider Electric)

Easy TeSys DPER32 termisk overbelastningsrelæ med en nominel værdi på 32 A/690 volt har et justerbart termisk indstilling for udløsnings-område på 23 – 32 A, udløsningsklasse 10 (ved en overbelastning på seks gange det forudindstillede niveau udløses overbelastningsbeskytteren inden for 10 sekunder) til beskyttelse af 3-fasede motorer med en nominel effekt på 15 kW@400 volt. Det er en differentiel enhed med fasefejl og ubalancedetektion af belastning. Den har en termisk justeringsskive, en manuel/automatisk nulstillingsvælger, en testvælger til simulering af en udløsning, nulstillings- og stopknapper, en flagindikator og to hjælpekontakter (1 NO + 1 NC) til fejlmelding. Brugerindstillingerne er beskyttet af et gennemsigtigt dæksel, der kan låses. Hele familien af termiske overbelastningssikringer er certificeret i henhold til flere standarder, herunder IEC, UL og CUL.

Konklusion

Designere af motorapplikationer med høje driftsspændinger og -strømme har brug for en pålidelig måde at isolere de tilhørende styrekredsløb på og beskytte dem mod elektromagnetisk stråling. Easy TeSys trepolede DPE-kontaktorer er sammen med DPER Easy TeSys termiske overbelastningsrelæer designet til at skifte og beskytte de mest almindelige motoranvendelsestilfælde. Det brede udvalg af modeller, der dækker flere strøm- og spændingsniveauer, gør det nemt at konfigurere dem til de specifikke krav til en specifik applikation.