A villanymotorokhoz való kontaktorok alapjai és felhasználásuk módja

Az olyan felhasználási területek, mint a fűtés, szellőzés és légkondicionálás (HVAC, heating, ventilation, and air conditioning), a kompresszorok, a szivattyúk, az anyagmozgatás és a csomagolás nagyfeszültségű és nagy áramerősségű motorok biztonságos beépítését és vezérlését követelik meg. Ezeknek a nagy méretű villanymotoroknak a vezérlése problémát jelent a tervezők számára, mivel megfelelően el kell különíteniük egymástól a motort és a vezérlőáramkört. Ezenkívül a nagy feszültségek és áramerősségek miatt jelentős elektromágneses tranziensek keletkezhetnek, amelyek károsíthatják az elektronikus vezérlőegységeket.

Az elektromágneses relék kellően leválasztott távvezérlést kínálnak, de megvannak a saját korlátaik. A nagy teljesítményű motor áramellátó érintkezőinek nyitása és zárása villamos íveket hoz létre, amelyek elhordják (károsítják) a relé érintkezőinek érintkezőfelületeit, csökkentve az érintkezők élettartamát.

A probléma megoldása az elektromágneses kontaktor, a motorvezérlésre szánt relék egy speciális osztálya. A kontaktorok a relékénél erőteljesebb kialakítás és a nagyobb, erősebb érintkezők mellett különleges anyagokat tartalmazó és gyorsabb érintkezőzárást és -nyitást megvalósító ívkioltási megoldásokat használnak.

Ez a cikk a villanymotorokhoz használt elektromágneses kontaktorok alapjait és előnyeit vizsgálja a motorvezérléshez használt egyéb megoldásokkal szemben, ezután pedig a Schneider Electric cég Easy TeSys termékcsaládján alapuló valós áramköri példákon keresztül tárgyalja az ilyen kontaktorok kiválasztásának és használatának módját.

A kontaktorok működése

Az elektromágneses kontaktorok egy E alakú vasmagra épülő elektromágnesből állnak. Nevezetesen egy villamosan szigetelt huzal van koncentrikusan a vasmag középső lábára tekercselve. A tekercset a vezérlőfeszültség-forrás gerjeszti, amely lehet váltakozó áramú vagy egyenáramú. Amikor a tekercs feszültség alá kerül, az elektromágneses erő behúzza a vasmag nyitott végén található fegyverzetet (mozgórészt vagy armatúrát) (1. ábra).

1. ábra: A kontaktorok működését szemléltető egyszerűsített rajz, amely feszültségmentes és feszültség alatt lévő állapotban is mutatja a kontaktort (ábra: Art Pini)

A villamos érintkezők mechanikusan vannak a fegyverzethez kapcsolva. Az érintkezők elrendezése kontaktortípusonként változik: lehetnek alaphelyzetben nyitottak (NO, normally open) vagy az alaphelyzetben nyitott és alaphelyzetben zárt (NC, normally closed) érintkezők kombinációi. Lehet több egymástól villamosan elszigetelt érintkezőjük is. Például egy háromfázisú kontaktornak három érintkezőcsoportja van, fázisonként egy-egy. Amikor az elektromágnes behúzza a fegyverzetet, az alaphelyzetben zárt érintkezők nyitnak, az alaphelyzetben nyitottak pedig zárnak. Ezenkívül sok kontaktorban van egy kiegészítő, kisebb teljesítményű érintkezőcsoport, amelyet a kontaktor állapotának (behúzott vagy elengedett) ellenőrzésére használnak.

Az érintkezők anyagát a nagy szilárdságot, a kiváló villamos vezetőképességet, valamint az ívek és az oxidáció hatásainak való ellenállást szem előtt tartva választják ki. Az érintkező geometriája úgy van kialakítva, hogy kezelni tudja a tervezett teljesítményszinteket, és elnyomja az ívképződést.

A kontaktor minden eleme egy házon belül van, amely villamosan szigeteli az érintkezőket, miközben egyszerű módszert kínál az áramellátás, a terhelés és a tekercs vezetékeinek csatlakoztatására. A ház kialakítása a kontaktor felszerelését is elősegíti. A felszerelési mód lehet panelre szerelhető vagy DIN-sínes rögzítésű (2. ábra).

2. ábra: Példák a jellegzetes kontaktorházakra: panelre (balra) és DIN-sínre (jobbra) szerelhető változat (kép: Schneider Electric)

A Schneider Electric cég Easy TeSys jelű (DPE sorozatú) kontaktorai kis méretű, mindössze 45 mm széles házban vannak elhelyezve, és panelre vagy DIN-sínre szerelhetők. A kontaktorház IP20-as védettségű, és az ujjal érintéstől is véd. A sorozat minden kontaktora tartalmaz egy alaphelyzetben nyitott segédérintkezőt is. A háromfázisú kontaktorok ezen sorozata UL/CSA jóváhagyással rendelkezik, névleges értékei pedig 480 V váltakozó feszültségen 32 A-ig, 20 lóerőig (LE) (20 HP/480 VAC), illetve 600 V váltakozó feszültségen 25 lóerőig (25 HP/600 VAC) terjednek, különböző vezérlőtekercs-gerjesztési feszültségekkel (1. táblázat).

1. táblázat: A Schneider Electric Easy TeSys DPE kontaktorsorozatából választott példák a sorozat kínálta üzemi áramerősség- és vezérlőtekercsfeszültség-tartományt szemléltetik (táblázat: Art Pini)

Ezek az eszközök körülbelül 1 millió villamos kapcsolási műveletnyi élettartamot kínálnak. Az Easy TeSys kontaktorok alkalmasak az IEC 60947 szabványban meghatározott felhasználási kategóriákban felsorolt felhasználási területekre. Az egyes kontaktorok névleges áramerőssége a felhasználási kategóriától függ. Az AC-1 kategória például olyan felhasználási területeket tartalmaz, ahol a terhelés nem induktív vagy csak enyhén induktív, amilyen például egy ellenálláson alapuló kemence. Ezeken a felhasználási területeken elsősorban ellenállásos jellegű (rezisztív) terhelések vannak, amelyeknek kevésbé okoznak gondot a feszültség- és áramlökések.

Az AC-3 kategória a kalickás indukciós motorok olyan felhasználási területeire vonatkozik, ahol a motor elindítása után annak leállításához időnként megszakíthatják az áramellátást. A villanymotorok induktív eszközök, így az indítási és leállítási műveletek induktív feszültség- és áramlökéseket eredményeznek, amelyek nagyobb terheléseket jelentenek a kontaktornak.

Az AC-4 kategóriába tartozó felhasználási területek nagyobb igénybevételt jelentenek a kontaktor számára. Ebbe a kategóriába tartoznak a kalickás indukciós motorok, valamint az ellenáramú fékezésű és léptetést vagy léptető előtolást végző csúszógyűrűs motorok. A léptetés és a léptető előtolás során a motor gyors, ismételt erőhatásoknak van kitéve, amelyekkel a motort nyugalmi állapotból elindítják, hogy kis elmozdulásokat hajtson végre. A léptetés általában a motor teljes feszültségű rövid impulzusokkal történő elindítását, míg a léptető előtolás a fentiekhez hasonlóan a motor rövid, ámde csökkentett feszültségű impulzusokkal történő elindítását jelenti. Az áram többszöri ráadása teszi ki a kontaktorokat a legnagyobb igénybevételnek.

Egy adott Easy TeSys DPE kontaktor villanymotorhoz vagy más hasonló nagyáramú felhasználási területre való illesztése elsősorban a kezelt áramerősség alapján történik. A Schneider Electric Easy TeSys katalógus a motor teljesítménye, a felhasználási kategória és a szükséges üzemi élettartam alapján összeállított kiválasztási segédleteket is tartalmaz (3. ábra).

3. ábra: Az Easy TeSys DPE kiválasztást segítő útmutatója az AC-3 felhasználási kategóriájú villanymotorokhoz a motor teljesítménye és a kontaktor kívánt üzemi élettartama alapján (kép: Schneider Electric)

A 3. ábrán a vezérelni kívánt eszközök felhasználási kategóriáihoz kapcsolódó három kiválasztási útmutató egyike látható. Ez az ábra az AC-3 felhasználási kategóriához tartozik, és alapvetően olyan villanymotoroka vonatkozik, amelyeket nem szabad túl gyakran leállítani. A motor leállításakor az áramerősség azonos az üzemi áramerősséggel. Példának okáért keressünk egy 5,5 kW-os, háromfázisú, 400 V-os, 11 A üzemi áramerősségű motorhoz olyan Easy TeSys DPE kontaktort, amelynek a kívánt élettartama kétmillió kapcsolási ciklus. A 400 V-os feszültségvonalon elindulva a tervezőnek meg kell találnia az 5,5 kW-ot, és onnan egy vonalat kell felfelé vetítenie, amíg az nem metszi a kétmillió kapcsolási ciklusnak megfelelő vonalat. A metszésponthoz legközelebbi DPE-típusgörbe (kékkel) a DPE 18 kontaktoré.

Az AC-4 felhasználási kategóriát – ahol a motort gyakran állítják le és indítják újra – szemléltető példa nagyobb legrosszabb esetben fellépő áramerősségekkel foglalkozik. Tekintsünk egy háromfázisú, 5,5 kW-os, 400 V-on működő, 11 A üzemi áramerősséggel működő motort egy olyan AC-4 kategóriájú felhasználási területen, ahol a motorról lekapcsolják az áramot, amikor egy adott helyzetben áll. A kívánt üzemi élettartam 300 000 kapcsolási művelet.

Ennek a motornak a leállási áramerőssége az üzemi áramerősség hatszorosa, ami nagyobb áramerősségre méretezett kontaktorokat kíván (4. ábra).

4. ábra: Az Easy TeSys DPE kiválasztást segítő útmutatója az AC-4 felhasználási kategóriához. Figyelje meg, hogy a legrosszabb esetben felvett áramerősség sokkal nagyobb lehet amiatt, hogy a motorról lekapcsolhatják az áramot, amikor egy adott helyzetben áll (kép: Schneider Electric)

Az ajánlott kontaktor keresésekor kezdje a 66 A leállási árammal, ami a 11 A üzemi áram hatszorosa. Az áramtengelyről felfelé kell vetíteni, amíg a vonal a 0,3 millió kapcsolási műveletet jelképező vonalat nem metszi. A legközelebbi termék-típusgörbe a DPE32 kontaktoré.

Az Easy TeSys DPE sorozatú kontaktorok lefedik a leggyakoribb motorkonstrukciókat és azok felhasználási területeit, amilyenek például a szállítószalagok, a csomagológépek, a szivattyúk, a kompresszorok, a fűtés és szellőzés, a légkondicionálás, a hűtés és sok más.

Az Easy TeSys termékcsaládnak része egy kiegészítő hőtúlterhelés-védő relé terméksorozat is, amelynek tagjait a váltakozó áramú áramkörök és motorok túlterhelés, fáziskimaradás, megnövekedett indítási idő és beszorult forgórész okozta túlmelegedés elleni védelmére tervezték. Ezek a relék a motor áramerősségét figyelik, és amikor az meghaladja a megadott határértéket, az érintkezők nyitnak, és leállítják a motort. A sorozatot tizenöt különböző típus alkotja, és mindegyiknek megvan a saját állítható kioldásiáramerősség-tartománya. A túlterhelésvédő típusok kompatibilisek egyes, a DPE09-től a DPE38-ig terjedő típusú Easy TeSys-kontaktorokkal. Ezek közvetlenül a háromfázisú kontaktorok alsó kapcsaihoz csatlakoztathatóak a kontaktor pillanatszorítós kapcsainak segítségével. A kombináció a szokványos 45 mm szélességű, és DIN-sínre szerelhető vagy a DPE kontaktortartóval panelre csavarozható (5. ábra).

5. ábra: A túlterhelésvédő relé közvetlenül a DPE kontaktor alá szerelhető, és a kontaktor pillanatszorítós kapcsaival rögzíthető (kép: Schneider Electric)

Az Easy TeSys DPER32 hőtúlterhelés-védő relé 32 A/690 V névleges értékű, 23–32 A között állítható hőkioldási tartományú, 10-es kioldási osztályú (az előre beállított szint hatszorosának megfelelő túlterhelés esetén a túlterhelésvédő 10 másodpercen belül kiold), és 400 V feszültségű, 15 kW névleges teljesítményű háromfázisú motorok védelmére szolgál. Ez egy értékkülönbözetre kapcsoló eszköz fázishiba- és terhelésegyenetlenség-érzékeléssel. El van látva hőfokszabályozó tárcsával, kézi/automatikus visszaállítás-választóval, a kioldás szimulálására szolgáló tesztkapcsolóval, visszaállító- és leállítógombbal, jelzőnyelvvel és két segédérintkezővel (1 alaphelyzetben nyitott + 1 alaphelyzetben zárt) a hibajelzéshez. A felhasználói beállításokat egy zárható, átlátszó fedél védi. A teljes hőtúlterhelés-védő termékcsalád több szabvány szerint is tanúsítvánnyal is rendelkezik, beleértve az IEC, UL és CUL szabványokat.

Összegzés

A nagy üzemi feszültségű és áramerősségű motorokat használó berendezések tervezőinek megbízható módon el kell különíteniük a kapcsolódó vezérlőáramköröket, és meg kell védeniük azokat az elektromágneses sugárzástól. Az Easy TeSys hárompólusú DPE kontaktorok a DPER Easy TeSys hőtúlterhelés-védő relékkel együtt a villanymotorok leggyakoribb felhasználási területein való kapcsolásra és a motorok védelmére szolgálnak. A több áram- és feszültségszintet lefedő típusok széles választéka megkönnyíti az adott felhasználási terület követelményeinek megfelelő beállítást.