Elektromechanikus kontaktorok kiválasztása és alkalmazása ipari háromfázisú váltakozó áramú motoroknál

Azok a mérnökök, akiknek viszonylag nagy feszültségeket és áramokat kell megfelelően izolált módon, kis feszültségű jelek segítségével kapcsolgatniuk, gyakran végeztetik ezt a feladatot relékkel. Egy hagyományos kisfeszültségű kapcsoló aktiválja a relét, amely ezután bekapcsolja a nagyáramú tápegységet. Az elektromechanikus relék (EMR-ek) olcsók és viszonylag nagy feszültségeket képesek elviselni, míg félvezetős relék (SSR-ek) használata esetén nem kell számolni az érintkezők kopásával és ívek keletkezésével.

Ha azonban gyakori, több száz voltos és több tíz amperes (vagy ettől nagyobb) erősségű kapcsolásokról van szó, ez már mindkét típus számára kihívást jelent. Ilyen nagy terheléseknél, a keletkező ívek miatt az EMR relék érintkezői gyorsan degradálódnak, míg félvezetős SSR társaik estében a szivárgási áramok okoznak túlmelegedést. A tervezőknek valamilyen más alternatívára van szükségük az ilyen nagy igénybevételű alkalmazásokhoz.

Szívós helyettesítői lehetnek a reléknek a kevésbé ismert elektromechanikus kontaktorok (EMC-k). Ezek az eszközök esetén egy már bevált technológiáról van szó, és számos jó hírű gyártótól könnyen beszerezhetők. Mivel több tucatnyi lehetőség van, az EMC működésének részletes ismerete nélkül kiválasztásukkor hamar összezavarodhatunk.

Ez a cikk röviden elmagyarázza az EMR relék és a kontaktorok közötti különbséget, a kontaktorok működését, majd rátér arra, hogy adott alkalmazások esetén hogyan kell kiválasztani a megfelelő eszközt, ami az első lépés a sikeres tervezés felé. A tervezési döntéseket a Siemens SIRIUS 3RT sorozatú, IE3 villanymotoros kialakításban használt nagyáramú kontaktorok segítségével szemléltetjük.

Mi a különbség az elektromechanikus relék és a kontaktorok között

Mivel rövidre zárt érintkezőkkel egy kapcsoló ki van téve a teljes áramterhelésnek, ezért erősáramú áramköröknek, például egy nagyméretű háromfázisú motornak kapcsolókkal történő be- és kikapcsolgatása nem praktikus. A kapcsoló működése közben veszélyes ívek keletkeznek, és jellemző rájuk a túlmelegedés is. A megoldás az, hogy az erősáramú áramkör vezérlésére egy hagyományos kapcsolóval be-ki kapcsolgatott gyengeáramú áramkört kell használni. Ezt a feladatot az EMR relé nagyszerűen képes végezni.

Az EMR-ek működése egy elektromágneses tekercsre épül, amelyet a kisáramú áramkör mágneses mező létrehozása érdekében feszültség alá helyez, hogy ezzel impulzust adjon egy mozgatható magnak, amely ezt követően nyitja vagy zárja a (normál esetben zárt (NC) vagy normál esetben nyitott (NO)) érintkezőket. Az EMR relék a maximális névleges értéküknek megfelelő váltakozó vagy egyenáramú terhelések kapcsolására képesek. Az elektromágneses relék legfőbb előnye az olcsóságuk, és az, hogy névleges átütési szilárdságuk alatt garantált galvanikus elválasztást biztosítanak bármely rávezetett feszültségig. (Lásd: „Alacsony zajú, speciális szilárdtest relék alkalmazása az EMI-kibocsátás csökkentésére és a kritikus szabványoknak való megfelelésre”.)

Az EMR-ek azonban csak egy bizonyos erősségig képesek elviselni az áramokat. Ha a terhelés például egy néhány kilowattnál nagyobb teljesítményű háromfázisú motor, annak EMR-rel történő kapcsolása túlzottan nagy íveket generál, és a relé gyorsan elhasználódik. Ebben az esetben alternatív lehetőségként elektromechanikus kontaktorok (EMC-k), vagyis erős igénybevételre tervezett, robusztus ipari relék alkalmazhatók, amelyeket úgy terveztek, hogy több tízmillió ciklusos élettartamon át megbízhatóan kapcsolják a nagy terheléseket (1. ábra).

1. ábra: A relék Siemens elektromechanikus kontaktorokkal helyettesíthetők nagyáramú kapcsolási alkalmazásokban (kép: Siemens)

Az EMC-k biztonságosan csatlakoztathatók a nagy áramigényű eszközökhöz, és jellemzően olyan funkciókkal rendelkeznek, amelyek szabályozzák és elnyomják a nagy terhelések kapcsolásakor keletkező íveket. Ezen eszközök működési elve megegyezik a relék működési elvével (feszültség alá helyezett tekercs/aktivált mozgó mag), és szinte kizárólag NO érintkezős változatok kaphatók, bár léteznek NC érintkezős típusok is. Az NO érintkezőknek köszönhetően, amikor az EMC tápellátása megszűnik, az érintkezők nyitott állapotba kapcsolnak, és ezzel megszakítják a nagy áramfelvételű eszköz tápellátását. Az eszközök egy vagy több érintkezőpárral, más néven pólusokkal rendelkeznek.

Megfelelő EMC kiválasztása

Egy-egy adott rendszer esetén viszonylag egyszerűen eldönthető, hogy EMC-t előnyösebb-e használni egy EMR relével szemben. Bár az EMC-k drágábbak, nagy terheléseket tartalmazó rendszerek esetében egyedüli lehetőségként csak ők használhatók. Ha már egyszer megállapítást nyert, hogy EMC-re van szükség, a legmegfelelőbb EMC-t kiválasztani a feladathoz már nehezebb feladat. A legjobb kiindulni abból a követelményből, hogy üzemi feszültségen mekkora az adott rendszer csúcsterhelési árama (full-load amperage, FLA). Ez határozza meg azt, hogy mekkora áramterhelhetőségű kontaktor használatára van szükség.

Egy háromfázisú motor esetében például a gyártó jellemzően megadja az üzemi feszültséget és az FLA-t az adatlapon. Ha azonban ez az adat nem áll rendelkezésre, a mérnök ezt kiderítheti például az Egyesült Államok Nemzeti Elektromos Szabályzat (NEC) táblázatából vagy más olyan forrásból, ahol fel van tüntetve a háromfázisú motorok FLA értéke adott névleges teljesítményekre és bemeneti feszültségekre vonatkozólag. A motorok a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) motorosztályozása szerint vannak kategorizálva. Például egy 375 W-os, háromfázisú, 110 V-os üzemi feszültségű motor FLA értéke 4,4 A, egy 1,1 kW-os, 220 V-os üzemi feszültségű motor FLA értéke pedig 6 A.

Ezután a mérnöknek meg kell határoznia az EMC működtetéséhez szükséges vezérlőfeszültséget. Ez a feszültség megegyezhet az érintett motor táplálására használt feszültséggel, de biztonsági okokból gyakran alacsonyabb feszültséget használnak. Az EMC feszültségek értéke jellemzően mindig 250 V váltakozó feszültség alatt van.

Ezután meg kell vizsgálni, hogy a motort hogyan kívánják működtetni az adott rendszerben. Például egy ugyanazokkal a specifikációkkal rendelkező háromfázisú motor két különböző alkalmazásban is használható, de egy olyan alkalmazásnál, amely megköveteli, hogy a motor hosszú ideig legyen be- vagy kikapcsolva, más típusú EMC-re van szükség, mint egy olyannál, amelynél a be- és kikapcsolás gyakori. Ez utóbbi ismétlődő áramterhelésnek lesz kitéve, ezért robusztusabb kialakításúnak kell lennie.

Az IEC szerinti használati kategóriák vagy „kódok” jó útmutatást nyújtanak az adott alkalmazáshoz megfelelő EMC kiválasztásában. Ha például az EMC „AC-3” jelölésű, akkor az olyan alkalmazásokban lévő „kalickás” villanymotorokhoz (az elektromos indukciós motorok egy gyakori típusához) alkalmas, ahol a motort rendszeresen be- és kikapcsolgatják, míg az „AC-20” jelölésű eszközök nulláramú feltételek melletti terheléscsatlakoztatásra és terhelésleválasztásra alkalmasak. Bár egy IEC kód szerint helytelenül kiválasztott EMC működhet egy adott alkalmazásban, élettartama valószínűleg sokkal rövidebb lesz, mint egy (kód szerint) helyesen kiválasztotté.

Az IEC-kódok útmutatást jelentenek arra vonatkozólag is, hogy milyen típusú a terhelés – ellenállásos vagy induktív –, mivel ez szintén jelentősen befolyásolja azt, hogy milyen EMC-t szükséges választani. Az elektromos motorok esetén például induktív, míg fűtőtestek esetén rezisztív terhelésről van szó.

Azt is fontos mérlegelni, hogy egyetlen EMC-n belül hány pólusra lehet szükség, és hogy ezek NO vagy NC típusú pólusok legyenek-e. Egy alkalmazás például megkövetelheti, hogy egy elektromos motor minden fázisához három pólusú NO kontaktorokat használjanak, és egy további NC pár jelenlétét egy LED megvilágításához, amely jelzi, hogy a motor áramot kap, de nem forog.

Továbbá, mivel az EMC-ken keresztül gyakran kerül sor viszonylag nagy feszültségek és áramok átvitelére, fontos annak biztosítása is, hogy szigetelési besorolás szerint az eszköz megfeleljen az alkalmazás összes biztonsági kritériumának.

Mivel a motorok használják el az összes előállított villamos energia jelentős részét, az Egyesült Államok és az EU jogszabályokkal biztosítja, hogy csak a lehető leghatékonyabban működő egyedek legyenek használhatók. Az EU által meghatározott energiahatékonysági szintek nemzetközi teljesítmény-hatásfok osztályokban (IE) vannak kifejezve (2. ábra). A jelenlegi szabályozás szerint a motoroknak el kell érniük az IE2 (magas hatásfok), IE3 (prémium hatásfok) vagy IE4 (szuperprémium hatásfok) osztályt, névleges teljesítményüktől és egyéb jellemzőiktől függően. Az EMC befolyásolja az elektromotorok hatásfokát, ezért ha egy vezérlőrendszert az EU-ban kívánnak használni, fontos, hogy azt az IE hatásfok osztályoknak megfelelően tervezzék. Az Egyesült Államokban a motoroknak a National Electrical Manufacturers Association (NEMA) szervezet prémium hatásfokot előíró programjának kell megfelelniük, amely megköveteli az IE3-hoz hasonló szabványoknak való megfelelést. Az ausztráliai követelmények hasonlóak az amerikai követelményekhez.

2. ábra: A villanymotorokra vonatkozó IE hatásfokkövetelményekből látható, hogy a hatásfok növekedése nagyobb a kisebb teljesítményű motorok esetében, de az IE1 és IE2 osztályú motorok használatát az USA és az EU előírásai már tiltják (kép: Siemens)

Kereskedelmi termékek

Szinte bármilyen nagy terhelésű alkalmazáshoz kiváló minőségű EMC-k állnak rendelkezésre széles választékban. A korszerű termékek által kínált képességek az elektromos motorok kapcsolására és más alkalmazásokban való használhatóságukra vonatkozólag például szemléltethetők a Siemens Sirius 3RT2 EMC termékcsaládjával. Ezeket az eszközöket nagy üzembiztonságra, a kontaktusok által biztosított nagyfokú érintkezési megbízhatóságra, magas hőmérsékleten történő működésre és hosszú élettartamra tervezték. Ezek a nagyáramú kontaktorok akár 60 °C-on is használhatók műszaki jellemzőik minőségbeli romlása nélkül – akár egymás mellé szerelve is. A termékcsalád AC-1 (nem induktív vagy enyhén induktív terhelések, például fűtőtestek), AC-3 (gyakran ki-be kapcsolt, kalickás motorok) és AC-4 (kalickás motorok indítása, feszültség alá helyezése, léptetése) kategóriás EMC-ket tartalmaz. A SIRIUS 3RT2 termékek mindegyikét IE3 és IE4 osztályú motorok működtetésére tervezték.

A SIRIUS 3RT2 termékcsaládból való 3RT20152AP611AA0 egy NO hárompólusú EMC, S00 méretű kontaktorokkal, kódolás szerint AC-3 alkalmazásokhoz. Vezérlési tápfeszültsége 220-240 V AC. Kimeneti feszültsége 400 vagy 690 V, maximális árama 7 A 400 V-on vagy 4,9 A 690 V-on, ami 400 V esetén 3 kW, 690 V esetén pedig 4 kW névleges maximális teljesítményt jelent. Az érintkezők 35 ms-nál rövidebb idő alatt záródnak, és 14 ms-nál kevesebb idő alatt nyitnak. Maximális kapcsolási frekvenciája terhelés alatt 750 ciklus/óra. Élettartama 30 millió ciklus, 1/100 millió meghibásodási aránnyal. Ha ezt az EMC-t használjuk, a csatlakoztatott háromfázisú motor FLA értéke 480 V-os névleges feszültségű motor esetén 4,8 A, 600 V-os névleges feszültségű motor esetén pedig 6,1 A. Ez elegendő egy 2,2 kW-os (480 V) motor vagy egy 3,7 kW-os (600 V) motor táplálására (3. ábra).

3. ábra: A 3RT20152AP611AA0 EMR három NO pólussal rendelkezik, így alkalmas háromfázisú motor kapcsolására (kép: Siemens)

A SIRIUS által képviselt spektrum másik végén a 3RT20261AP60 található. Kódolása szerint ez is egy AC-3 típusú NO kialakítású EMC, de S0 méretű kontaktorokkal. Vezérlési tápfeszültsége 220-240 V AC. Kimeneti feszültsége 400 vagy 690 V, maximális árama 25 A 400 V-on vagy 13 A 690 V-on, ami mindkét kimeneti feszültség esetén 11 kW névleges maximális teljesítményt jelent. Egy csatlakoztatott háromfázisú motor FLA értéke 480 V-os névleges feszültségű motor esetén 21 A, 600 V-os névleges feszültségű motor esetén 22 A. Ez elegendő egy 11,2 kW-os (480 V) motor vagy egy 14,9 kW-os (600 V) motor táplálására.

A Siemens SIRIUS 3RT2 EMC-k számos használati módra alkalmasak, de azokat IE3 osztályú vagy a NEMA szerinti prémium hatásfokú motorok kapcsolására optimalizálták. E megfelelőség részeként az EMC-nek egy nagy hatásfokú elemnek kell lennie a motor vezérlőrendszerén belül. Ennek a követelménynek való megfelelés érdekében az EMC-ket tervezésükkor különböző tulajdonságokkal ruházták fel, mint például állandó mágnesekkel a tekercs energiafogyasztásának csökkentése érdekében, valamint elektronikus tekercsvezérléssel. Ennek köszönhetően a kontaktor zárva tartásához szükséges erő, és ezáltal az ehhez szükséges teljesítmény a minimálisra csökkenthető. Az EMC-k belső teljesítményvesztesége 92%-kal csökkent a korábbi modellekhez képest.

Például a 3RT20171BB41 nagyteljesítményű kontaktor (amely az EMC kimeneti feszültségétől függően 2,2 kW és 7,5 kW közötti háromfázisú motorok kapcsolására képes) pólusonkénti vesztesége 1,2 W, ami összesen 3,6 W veszteséget jelent egy villanymotor általi maximális teljesítményfelvételkor.

IE3 motor indítása kontaktorral

Egy motorhajtás több komponensből épül fel, amelyek a biztonságos és megbízható működést biztosítják. Egy teljes körű kialakítás például tartalmazhatja a következő összetevőket:

• védőberendezés (például indítási motorvédő és/vagy túlterhelésrelé);
• indítóegység (például kontaktor);
• vezérlő (például egy motorvezérlő rendszer);
• vezérlőegység (például egy frekvenciaváltó);
• elektromos motor;
• sebességváltó;
• kábelezés;
• meghajtott gép.

A SIRIUS 3RT2 EMC-ket modulárisra tervezték, amelyek a többi alkatrésszel együtt DIN-sínre szerelhetők (vagy más rögzítőfelületre csavarozhatók). Valamint úgy tervezték őket, hogy testvérmodulokkal együtt a motorhajtások szükséges vezérlési része felépíthető legyen (4. ábra). A moduláris kialakításnak köszönhetően kevesebb kábelre van szükség a villamosszekrényen belül, a vezetékek csatlakoztatása pedig rugós érintkezőkkel történik, így a szerelés speciális szerszámokat nem igényel.

4. ábra: A SIRIUS 3RT2 sorozat tagjai moduláris eszközök, amelyekkel egyszerűen megvalósítható egy motorvezérlő rendszer. Ebben az esetben egy 24 V-os egyenáramú jellel kapcsolt 3RT20171BB41 EMR egy védőelemmel és egy túlterhelés relével együtt egy szállítószalag-motor vezérlésére szolgál (kép: Siemens)

Amennyiben az EMC-t gondosan választották ki, akkor az plug-and-play elemét képezi a vezérlőrendszernek. A 3RT2 nagyteljesítményű kontaktorokat az 1 és 15 kW közötti IE3 osztályú villanymotorok kapcsolására optimalizálták, és bármilyen korlátozások nélkül használhatók a hálózati direkt és kétirányú indítási alkalmazásokhoz. Azon mérnököknek azonban, akik jobban ismerik az IE2 típusú villanymotorokat, mint az IE3 típusokat van néhány fontos tervezési szempont, amelyet a 3RT2 EMC-k használata során figyelembe kell venniük. Az IE3 motorok vezérlőrendszereinek kialakításakor az azt befolyásoló műszaki jellemzők közé tartozik többek között az alacsonyabb névleges áram, a nagyobb indítóáram/névleges áram hányados és a nagyobb indítási áramlökés (5. ábra).

5. ábra: A motor indítási áramlökése, indítási árama és névleges árama azok a legfontosabb paraméterek, amelyeket figyelembe kell venni a háromfázisú váltakozó áramú motorokhoz való EMC-k kiválasztásakor (kép: Siemens)

Az IE3 villanymotorok esetében a nagyobb hatásfok kulcsa az alacsonyabb névleges motoráram. Az IE3 osztálynál azonban a hatásfok növekedése nem lineáris az elektromos motor teljes teljesítménytartományában. Ehelyett az előírások azt követelik meg, hogy a kisebb teljesítményű villanymotorok hatásfoka az IE2 típusokéval összehasonlítva sokkal nagyobb mértékben növekedjen, mint a nagyobb teljesítményű egységeké (lásd a fenti 2. ábrát). Ez azt jelenti, hogy a kisebb teljesítményű villanymotorok esetében a motor névleges áramát jelentősen csökkentették az IE2 típushoz képest. Megjegyzendő, hogy a hasonló teljesítményű, de különböző osztályú motorok esetében az ugyanakkora teljesítményt az üzemi feszültség növelésével lehet fenntartani.

A csökkentett névleges áram viszont azt vonja magával, hogy a nagyobb hatásfokú motorok esetében az indítóáram/névleges áram hányados nagyobb. Ez azért van így, mert bár egy IE3 motor indítóárama alacsonyabb, két azonos teljesítményű IE2 és IE3 motor esetében az indítóáramok közötti különbség nem olyan jelentős, mint a névleges áram esetében. A kisebb teljesítményű motorok esetében az indítóáram/névleges áram hányados nagyobb, mint a nagyobb teljesítményű alternatívák esetében.

Az indítóáram/névleges áram hányados növekedésével növekszik az indítási áramlökés is. Az indítási áramlökés lényegében egy dinamikus kompenzációs esemény, amely különböző tényezők miatt lép fél, például egy induktív terhelés (egy motor) csatlakoztatása, valamint a motor lemezelt vasmagjaiban fellépő dinamikus áramtranziensek és telítési hatások miatt. Az FLA-nál akár ötször nagyobb indítási áramlökés károsíthatja a motort és más rendszereket (6. ábra).

6. ábra: Az indítási áramlökés nagyobb a nagyobb hatásfokú motoroknál, és hatása jobban észrevehető a kisebb teljesítményű egységeknél. Megfelelően kialakított vezérlőrendszerrel ennek hatásai enyhíthetők (kép: Siemens)

A bekapcsolási túláram korlátozására a 3RT2 EMC-k felhasználhatók más moduláris vezérlőelemekkel együtt egy csillag-delta (YΔ) kapcsolású indítórendszerben. Ha a motort a Y-tekercsekre kapcsolt teljes hálózati feszültséggel indítjuk, minden egyes motorfázisra a hálózati feszültség körülbelül 58%-a kerül, ami csökkenti az áramot és alacsonyan tartja az indítási áramlökés csúcsértékét. Amint a motor eléri a névleges fordulatszámot, a működés átvált Δ kapcsolásra, amikor minden egyes fázisra a teljes feszültség jut (indítási áramlökés veszélye nélkül), és a motor teljes teljesítményt tud leadni.

Ilyen kialakítás esetében egy túlterhelésrelé beiktatására van szükség, amelyet közvetlenül a motor U1, V1, W1 tápkábelére kell kötni (7. ábra). Ez biztosítja, hogy a túlterhelés elleni védelem mindhárom EMC esetében hatékony legyen. A komplett megvalósításhoz a relére és három 3RT2 EMC-re van szükség.

7. ábra: A motor tápkábelére kapcsolt túlterhelésrelét tartalmazó YΔ áramkör, valamint három EMC, amelyek a teljesítmény kapcsolására szolgálnak a motor indításakor (kép: Siemens)

Működés közben az indítás Y szakasza a K1 és K3 EMC-k együttes zárásával indul. Egy előre beállított idő elteltével (a motor maximális fordulatszámának kb. 80%-ánál) egy időzítő nyitja a K3-at a K2-t pedig zárja, hogy a kialakítás delta kapcsolásba váltson a motor teljes teljesítményének eléréséhez.

Összegzés

Nagy teljesítményű terhelések, például háromfázisú váltakozó áramú motorok kapcsolásakor EMC-ket ajánlott használni EMR relék helyett. Az EMC-ket nagy megbízhatóságú, több tízmillió ciklusos kapcsolásra tervezték. Ezek az eszközök széles motorteljesítmény tartományban kaphatók, a néhány kilowattos egységektől kezdve a több száz kilowattosokig.

Amint bemutattuk, a Siemens SIRIUS 3RT2 EMC-k 2 és 25 kW közötti háromfázisú váltakozó áramú motorok kapcsolására alkalmasak, és moduláris felépítésüknek köszönhetően a vezérlőrendszerekbe könnyen beépíthetők. Bár a SIRIUS EMC-k viszonylag egyszerűen telepíthetők, a vezérlőrendszer megvalósításánál ügyelni kell a motorok indításakor fellépő bekapcsolási túláramok miatti motorkárosodás elkerülésére.