Grunderna för motorkontaktorer och deras tillämpning

Tillämpningar som t.ex. värme, ventilation och luftkonditionering (HVAC), kompressorer, pumpar, materialhantering samt förpackning kräver säker implementering och styrning av stora motorer som arbetar med höga spänningar och strömmar. Att styra dessa stora elmotorer innebär ett problem för konstruktörerna eftersom de måste tillhandahålla lämplig isolering mellan motorn och styrkretsen. Dessutom kan de höga spänningarna och strömmarna generera betydande elektromagnetiska transienter som kan skada elektriska styrningar.

Elektromagnetiska reläer erbjuder isolerad fjärrstyrning men har sina egna begränsningar. Till- och frånkoppling av ström till en högeffektsmotor genererar ljusbågar som sliter på reläets kontaktytor, vilket minskar livslängden på kontaktorerna.

Lösningen på det här problemet är en elektromagnetisk kontaktor, ett speciellt relä som är avsett för motorstyrning. Förutom en mer robust konstruktion, med större och kraftigare kontaktorer jämfört med reläer, använder de tekniker som inkluderar speciella materialval samt snabbare slutning och brytning av kontaktorer för att förhindra ljusbågar.

Artikeln undersöker grunderna för elektromagnetiska motorkontaktorer och deras fördelar jämfört med andra metoder för motorstyrning. Därefter diskuteras hur urval och tillämpning sker med hjälp av verkliga konfigurationsexempel från Easy TeSys-familjen frånSchneider Electric .

Hur kontaktorer fungerar

Elektromagnetiska kontaktorer består av en elektromagnet byggd på en ”E”-kärna. Närmare bestämt lindas en elektriskt isolerad spole koncentriskt runt kärnans mittben. Spolen spänningssätts av den styrande spänningskällan, som kan vara växel- eller likspänning. När spolen är strömförande drar den elektromagnetiska kraften in ett ankare som är placerat vid kärnans öppna ände (figur 1).

Figur 1: Ett förenklat funktionsschema på en kontaktor som visar den i både inaktiverat och aktiverat läge. (Bildkälla: Art Pini)

Elektriska kontakter är mekaniskt kopplade till ankaret. Kontakternas placering varierar beroende på kontaktormodell; de kan vara normalt brutna (NO) eller en kombination av normalt brutna och normalt slutna (NC). Det kan finnas flera isolerade kontaktorer. En trefaskontaktor har exempelvis tre uppsättningar strömkontakter, en för respektive fas. När ankaret dras in bryts NC-kontakterna och NO-kontakterna sluts. Många kontaktorer har dessutom en extra uppsättning kontakter med lägre effekt som används för att övervaka kontaktorns tillstånd, aktiverad eller inaktiverad.

Materialet i kontaktorerna väljs utifrån hög styrka, utmärkt elektrisk ledningsförmåga och motståndskraft mot ljusbågar samt oxidation. Kontaktorns geometri är konstruerad för att hantera de avsedda strömnivåerna och för att förhindra ljusbågar.

Alla delar i en kontaktor finns i ett hölje som isolerar kontaktorerna elektriskt samtidigt som det är en enkel metod för att ansluta ström, belastning och spolens kablar. Höljet ger även monteringsstöd, vilket kan vara i form av panelmontering eller montering på DIN-skena (figur 2).

Figur 2: Exempel på typiska höljen för kontaktorer; panelmontering (till vänster) och montering på DIN-skena (till höger). (Bildkälla: Schneider Electric)

Kontaktorer från Easy TeSys (DPE-serien) från Schneider Electric är inrymda i ett kompakt hölje som bara är 45 mm brett och kan monteras i en panel eller på en DIN-skena. Höljet har en IP20-klassificering som innebär fingerskydd. Alla kontaktorer i serien har en normalt bruten extern kontakt. Den här serien med trefaskontaktorer är godkända enligt UL/CSA med en kapacitet på upp till 32 A, 20 HP vid 480 VAC (HP/480 VAC) och 25 HP/600 VAC samt med en mängd olika styrningar av spolar för excitationsspänning (tabell 1).

Tabell 1: Utvalda exempel ur kontaktorserien Easy TeSys DPE från Schneider Electric visar på de valmöjligheter för driftström samt spänning i styrspolen som serien erbjuder. (tabellkälla: Art Pini)

Enheterna har en livslängd på cirka en miljon elektriska användningar. Kontaktorer från Easy TeSys är lämpliga för tillämpningar som beskrivs i de driftskategorier som anges i standarden IEC 60947. De enskilda kontaktorernas strömstyrka beror på driftskategorin. AC-1 beskriver exempelvis tillämpningar där belastningen är icke-induktiv eller endast svagt induktiv, som t.ex. en resistorbaserad ugn. Tillämpningar som dessa har främst resistiva belastningar. som har mindre problem med transientspänningar och -strömmar.

AC-3 omfattar tillämpningar för induktionsmotorer med ”ekorrhjul” där motorn startas och där strömmen ibland kan kopplas från för att stoppa motorn. Motorer är induktiva enheter och start och stopp resulterar i induktiva transienter som utgör en större påfrestning av kontaktorn.

Tillämpningar i kategori AC-4 innebär större påfrestning på kontaktorn. Kategorin omfattar induktionsmotorer med ”ekorrhjul” och släpringsmotorer som är är föremål för strömreversering samt för stegning- eller krypkörning. Stegning-, eller krypkörning, är "en snabb och upprepad strömtillförsel för att starta en motor från vila i syfte att utföra små rörelser av motorn". Stegning innebär i allmänhet att man startar en motor med korta pulser av ström med full spänning. På samma sätt innebär krypkörning att man startar en motor med korta pulser av reducerad spänning. De många olika strömtillämpningarna ger upphov till den största påfrestningen på kontaktorn.

Att matcha en specifik kontaktor från Easy TeSys DPE till en motor eller liknande tillämpning med högt effektbehov baseras främst på den ström som hanteras. Katalogen för Easy TeSys från Schneider Electric innehåller urvalshjälp baserat på motoreffekt, driftskategori och önskad livslängd (figur 3).

Figur 3: Urvalsguiden för Easy TeSys DPE för motorer i driftskategori AC-3 baserat på motoreffekt och önskad livslängd på kontaktorerna. (Bildkälla: Schneider Electric)

Figur 3 är en av tre urvalsguider som är relaterade till driftskategorin för den enhet som styrs. Den är avsedd för driftskategori AC-3, dvs. en motor som kan stoppas då och då. När motorn stoppas är strömmen lika med driftströmmen. Som exempel, leta rätt på en DPE-kontaktor från Easy TeSys för en trefasmotor på 5,5 kW, som drivs med 400 V, och har en driftström på 11 A samt en önskad livslängd på två miljoner cykler. Med utgångspunkt från spänningskurvan på 400 V måste konstruktören hitta 5,5 kW och därifrån följa linjen uppåt tills den skär kurvan för två miljoner cykler. Den närmaste modellen är (i blått) DPE 18.

Ett exempel på en driftskategori enligt AC-4, där motorn stannas och startas om ofta, och i sämsta fall hanterar större strömmar. Tänk på en trefasmotor på 5,5 kW som körs med 400 V, med en driftström på 11 A i en AC-4-tillämpning där den är inaktiverad när motorn står still. Den önskade livslängden är 300 000 cykler.

Den stilleståndsströmmen för motorn är sex gånger högre än driftströmmen, vilket kräver en kontaktor som är dimensionerad för en högre strömnivå (figur 4).

Figur 4: Urvalsguide för Easy TeSys DPE för användningskategori AC-4. Observera att strömmarna i sämsta fall kan vara mycket större på grund av risken att strömmen tas bort från motorn medan den står stilla. (Bildkälla: Schneider Electric)

För att hitta den rekommenderade kontaktorn börjar du med stilleståndsströmmen på 66 A, som är sex gånger så hög som driftströmmen på 11 A. Följ den aktuella axeln uppåt tills den skär den kurva som representerar 0,3 miljoner cykler. Den närmaste produkten är DPE32.

Kontaktorer från Easy TeSys DPE-serie omfattar de vanligaste motorkonfigurationerna och tillämpningarna, som t.ex. transportband, förpackningsmaskiner, pumpar, kompressorer, uppvärmning och ventilation, luftkonditionering, kylning och mycket mer.

Easy TeSys-familjen omfattar även en serie kompletterande termiska överbelastningsreläer som är utformade för att skydda växelströmskretsar och -motorer mot överbelastning, fasfel, förlängd starttid och rotorer som fastnat. Reläerna övervakar motorströmmen och när strömmen överskrider den inställda strömbegränsningen öppnas kontaktorerna och motorn stannar. Det finns femton olika modeller och respektive modell har en rad olika inställbara nivåer för utlösning av strömskyddet. Modellerna med överbelastningsskydd är kompatibla med vissa kontaktorer, DPE09 till DPE38, från Easy TeSys. De ansluts direkt till de nedre anslutningsplintarna på kontaktorerna för trefas med hjälp av kontaktorernas skruvanslutningar. Kombinationen har en gemensam bredd på 45 mm och kan monteras på DIN-skena eller skruvas fast på en panel med hjälp av kontaktorfästet för DPE (figur 5).

Figur 5: Reläet som skyddar mot överbelastning monteras direkt under DPE-kontaktorn och fästs med hjälp av kontaktorns skruvanslutningar. (Bildkälla: Schneider Electric)

DPER32 från Easy TeSys är ett termiskt överbelastningsrelä med en nominell effekt på 32 A/690 V, har ett justerbart termiskt utlösningsintervall på 23-32 A, utlösningsklass 10 (med en överbelastning på sex gånger den förinställda nivån utlöses överbelastningsskyddet inom 10 sekunder), för skydd av trefasiga motorer med en nominell effekt på 15 kW vid 400 V. Det är en differentiell enhet med fasfelsdetektering och detektering av obalanserad last. Den har ett termiskt inställningsvred, ett val för manuell/automatisk återställning, ett val för simuleringstest av en utlösning, återställnings- och stoppknappar, en flaggindikering samt två hjälpkontakter (1 NO + 1 NC) för felsignalering. Användarinställningarna skyddas av ett låsbart, genomskinligt lock. Hela familjen av termiska överbelastningsskydd är certifierade enligt flera standarder, inklusive IEC, UL och CUL.

Sammanfattning

Konstruktörer av motortillämpningar med höga driftsspänningar och strömmar behöver ett tillförlitligt sätt att isolera tillhörande styrkretsar och skydda dessa från elektromagnetisk strålning. Easy TeSys trepoliga DPE-kontaktorer, tillsammans med DPER-reläer för termisk överbelastning från Easy TeSys, är konstruerade för att koppla om och skydda de vanligaste fallen vid motoranvändning. Det breda utbudet av modeller som innefattar flera ström- och spänningsnivåer gör det enkelt att konfigurera dem för att uppfylla kraven i en specifik tillämpning.