Slik kan elektromekaniske kontaktorer velges og implementeres for kraftige trefasede vekselstrømsmotorer

Teknikere som har til oppgave å isolere veksling av relativt høye spenninger og strømmer ved å bruke et lite spenningssignal, velger vanligvis å bruke reléer. En konvensjonell lavspenningsbryter aktiverer reléet, som igjen slår på den kraftige strømforsyningen. Elektromekaniske reléer (EMR – electromechanical relay) er billige og kan håndtere relativt høye spenninger, mens halvlederreléer (SSR – solid-state relay) eliminerer kontaktslitasje og lysbuer.

Når det imidlertid kommer til å håndtere hyppig veksling av flere hundre volt og titalls ampere (og høyere), støter begge typene på utfordringer. Lysbuer ved disse høye lastene sliter raskt ut kontaktene til EMR-ene, mens lekkasjestrømmer i SSR-er forårsaker overoppheting. Konstruktører trenger et alternativ for disse konstruksjonene som er i høy etterspørsel.

Den mindre kjente elektromekaniske kontaktoren (EMC – electromechanical contactor) tilbyr en hardfør erstatning for reléer. Enhetene er påvist teknologi og er lett tilgjengelige fra mange anerkjente leverandører. Ettersom det finnes dusinvis av alternativer, blir utvelgelsesprosessen raskt forvirrende uten en detaljert innsikt i driften til EMC-en.

Denne artikkelen forklarer kort forskjellen mellom EMR-er og kontaktorer, hvordan kontaktorer fungerer, og den fokuserer deretter på hvordan et gitt bruksområdet påvirker valget av produkt som det første trinnet mot en vellykket konstruksjon. Konstruksjonsvalg vil illustreres med referanse til Siemens SIRIUS 3RT-seriens strømkontaktorer som brukes i en IE3 elektromotor-implementasjon.

Forskjellen mellom elektromekaniske reléer og kontaktorer

Fordi den utsettes for hele kretsstrømmen når den er lukket, er det upraktisk å bruke en bryter til å slå av og på en kraftig enhet, for eksempel en stor trefasemotor. Bryteren opplever farlige lysbuer når den veksles og overopphetes under drift. Løsningen er å bruke en strømkrets med lav effekt, som slås av og på av en konvensjonell bryter, slik at strømkretsen med høy effekt utløses. Dette er formålet med EMR-en.

EMR-er bruker en spole som er strømsatt av strømkretsen med lav effekt for å danne et magnetfelt som deretter gir en impuls til en bevegelig kjerne, som igjen åpner (NO – normalt åpen) eller lukker (NC – normalt lukket) kontaktene. EMR-ene kan veksle en vekselstrøm- eller likestrømslast opp til sin maksimale klassifisering. De viktigste fordelene med EMR-er er prisgunstig og garantert isolasjon ved alle påførte spenninger under enhetens dielektriske klassifisering. (Se: «Slik brukes spesialiserte faststoffreléer (solid state relay) med lav støy til å begrense elektromagnetisk interferens (EMI) og oppfylle kritiske standarder.»)

Det er imidlertid en grense for hvor mye strøm en EMR kan håndtere. Når lasten for eksempel er en trefaset motor som lager mer enn noen få kilowatt (kW), genererer veksling med en EMR overdrevne lysbuer og sliter raskt ut reléet. Alternativet er EMC-en, et kraftig og robust industrielt alternativ til et relé, som er konstruert for å veksle høye laster på en pålitelig måte over titalls millioner sykluser (figur 1).

Figur 1: Elektromekaniske kontaktorer erstatter reléer i svitsjekonstruksjoner for høye laster. (Bildekilde: Siemens)

EMC-er kan trygt kobles til enheter med høyt strømforbruk og er vanligvis konstruert med funksjoner for å styre og undertrykke lysbuen som produseres når det veksles under tunge laster. Enhetene bruker samme strømførende spole / bevegelig kjerne-aktivering som reléer, og de er nesten utelukkende utstyrt med NO-kontakter, men NC-kontakter er tilgjengelige. NO-kontakter sørger for at, når strømmen til EMC-en fjernes, kontakten veksles til åpen tilstand og strømforsyningen til enheten med det høye strømforbruket kuttes. Enhetene har enten ett eller flere par kontakter, også kalt poler.

EMC-valg

Det er relativt enkelt å avgjøre om en EMC eller en EMR foretrekkes. Selv om EMC-er er dyrere, er de det eneste alternativet for konstruksjoner med høy last. Når det først er fastslått at en EMC er nødvendig, er det vanskeligere å velge den beste EMC-en for jobben. Det beste stedet å starte er å fastsette topplaststrømmen (FLA – full-load amperage) ved konstruksjonens driftsspenning. Dette vil da fastsette den aktuelle lastkapasiteten til kontaktoren som kreves.

Når det for eksempel kommer til trefasede motorer, spesifiserer produsenten vanligvis driftsspenningen og FLA i databladet. Hvis denne informasjonen derimot ikke er tilgjengelig, kan en tekniker referere til andre ressurser, for eksempel USA-baserte National Electrical Code (NEC)-skjemaet som beskriver FLA i detalj for en rekke trefasemotorer med nominell effekt og inngangsspenning. Motorene er kategorisert i henhold til International Electrotechnical Commission (IEC)-motorklassifiseringer. For eksempel har en trefaset motor på 375 watt med en driftsspenning på 110 volt en FLA på 4,4 ampere (A). En motor på 1,1 kW med en driftsspenning på 220 volt har en FLA på 6 A.

Deretter må teknikeren fastsette styringsspenningen som kreves for EMC-en. Dette kan være den samme spenningen som brukes til å drive den tilknyttede motoren, men ofte brukes en lavere spenning av sikkerhetsgrunner. EMC-styringsspenninger er som regel alltid under 250 volt vekselstrøm.

Deretter bør det tas i betraktning hvordan motoren vil yte i konstruksjonen. For eksempel kan to forskjellige konstruksjoner bruke en trefasemotor med samme spesifikasjoner. En konstruksjon som imidlertid krever at motoren må være på eller av i lange perioder, trenger en annen EMC enn en som ofte slås av og på. Sistnevnte vil utsettes for gjentatte strømbelastninger og må derfor være et mer robust produkt.

IEC-brukskategorier eller «koder» er en god veiledning under valg av riktig EMC for en gitt konstruksjon. For eksempel, hvis EMC-en er kodet «AC-3», er den egnet for elektriske kortslutningsmotorer (squirrel cage electrical motor) (en vanlig type elektrisk induksjonsmotor) i konstruksjoner der motoren regelmessig slås på og av, mens «AC-20» er egnet for tilkobling og frakobling av laster under nullstrømsforhold. Selv om en feilaktig spesifisert IEC-kodet EMC kan fungere i en gitt konstruksjon, er det sannsynlig at den har mye kortere levetid enn en som er riktig kodet.

IEC-kodene er også nyttige for å ta hensyn til typen last – resistiv eller induktiv – da dette også har en betydelig innvirkning på valget av EMC. For eksempel er elektriske motorer induktive laster, mens et varmeapparat presenterer en resistiv last.

Det er også viktig å vurdere hvor mange poler som er nødvendig i en enkelt EMC, og om de skal være NO eller NC. For eksempel kan en konstruksjon kreve tre poler ved å bruke NO-kontaktorer for hver fase for en elektrisk motor, og et ytterligere NC-par for å aktivere en LED som indikerer at en motor mottar strøm, men ikke roterer.

Dessuten, siden EMC-er ofte har relativt høye spenninger og strømmer, er det også viktig å sørge for at isolasjonsklassifiseringen til enheten oppfyller alle sikkerhetskriteriene til konstruksjonen.

Fordi motorer forbruker en betydelig andel av all generert elektrisk kraft, har USA og EU vedtatt lovgivning for å sikre at de fungerer så effektivt som mulig. EUs nivåer av energivirkningsgrad uttrykkes i internasjonale energivirkningsgradsklasser (IE – International Energy) (figur 2). I henhold til gjeldende forskrifter må motorer nå nivåene IE2 (høy virkningsgrad), IE3 (premium virkningsgrad) eller IE4 (super premium virkningsgrad), avhengig av deres nominelle effekt og andre egenskaper. EMC-en har en innvirkning på virkningsgraden til elektriske motorer, så hvis styringssystemet er beregnet for bruk i EU, er det viktig at det er konstruert i henhold til den aktuelle IE-virkningsgradsklassen. I USA må motorer overholde National Electrical Manufacturers Association (NEMA) sitt premium virkningsgradprogram, som krever samsvar med standarder som de som er spesifisert for IE3. Kravene i Australia ligner de i USA.

Figur 2: Krav til IE-virkningsgrad for elektriske motorer viser hvordan virkningsgradforbedringer er større for motorer med lavere effekt: IE1- og IE2-motorer er ikke lenger tillatt i henhold til amerikanske og europeiske forskrifter. (Bildekilde: Siemens)

Kommersielle produkter

Det er et bredt spekter av EMC-er av høy kvalitet tilgjengelige for nesten alle konstruksjoner med høy last. Siemens Sirius 3RT2-serien av EMC-er demonstrerer for eksempel kapasiteten til moderne produkter for elektrisk motorveksling og andre konstruksjoner. Enhetene er konstruert for høy driftssikkerhet, høy kontaktpålitelighet, høy temperatur og lang levetid. Disse strømkontaktorene kan brukes ved opptil 60 °C uten lastreduksjon – selv når de er montert side ved side. Området inkluderer EMC-er som er kategorisert for AC-1 (ikke-induktive eller litt induktive laster, for eksempel varmeovner), AC-3 (elektriske kortslutningsmotorer som veksler ofte) og AC-4 (elektriske kortslutningsmotorer: start, plugg, kryp). Alle SIRIUS 3RT2-produkter er konstruert for IE3- og IE4-motordrift.

3RT20152AP611AA0 fra SIRIUS 3RT2-serien er en NO trepolet EMC med kontaktorer med S00-størrelse, og de er kodet for AC-3-konstruksjoner. Forsyningsspenningen til styringen er 220 til 240 volt vekselstrøm. Den har en utgangsspenning på 400 eller 690 volt og en maksimal strøm på 7 A ved 400 volt eller 4,9 A ved 690 volt, noe som gir en nominell maksimal effekt på 3 kW ved 400 volt eller 4 kW ved 690 volt. Kontaktene lukkes på under 35 millisekunder (ms) og åpnes på under 14 ms. Den har en maksimal vekslingsfrekvens under last på 750 sykluser i timen. Levetiden er 30 millioner sykluser med en feilrate på én gang per 100 millioner. Når denne EMC-en brukes, er FLA for en tilkoblet trefasemotor 4,8 A for en 480-volts motor og 6,1 A for en 600-volts motor. Dette er tilstrekkelig til å drive en 2,2 kW (480 volt) motor eller en 3,7 kW (600 volt) motor (figur 3).

Figur 3: 3RT20152AP611AA0 EMR-en har tre poler som er NO, noe som gjør den til en egnet konfigurasjon når en trefasemotor skal veksles. (Bildekilde: Siemens)

I den andre enden av SIRIUS-serien finner vi 3RT20261AP60. Dette er også en NO trepolet EMC, og den kodet for AC-3-konstruksjoner, men med kontaktorer i S0-størrelsen. Forsyningsspenningen til styringen er 220 til 240 volt vekselstrøm. Enheten har en utgangsspenning på 400 eller 690 volt og en maksimal strøm på 25 A ved 400 volt eller 13 A ved 690 volt, noe som gir en nominell maksimal effekt på 11 kW ved begge utgangsspenningene. FLA-en for en tilkoblet trefasemotor er 21 A for en 480-volts motor og 22 A for en 600-volts motor. Dette er tilstrekkelig til å drive en 11,2 kW (480 volt) motor eller en 14,9 kW (600 volt) motor.

Siemens SIRIUS 3RT2 EMC-ene er egnet for en rekke konstruksjoner, men er optimalisert for å veksle IE3- eller NEMA-motorer som er i samsvar med premium effektivitet. En del av dette samsvaret krever at EMC-en er en effektiv del av motorens styringssystem. For å oppfylle dette kravet er EMC-ene utformet med funksjoner som permanente magneter som reduserer spolens strømforbruk og elektronisk spolestyring. Dette gjør det mulig å redusere holdestyrken (som brukes til å holde kontaktoren lukket) til et minimum. Det intrinsike strømtapet til EMC-ene har blitt redusert med 92 % sammenlignet med tidligere enheter.

For eksempel har 3RT20171BB41-strømkontaktoren – som kan veksle trefasemotorer fra 2,2 kW til 7,5 kW avhengig av EMC-ens utgangsspenning – et tap på 1,2 watt per pol, noe som gir et totalt tap på 3,6 watt når full effekt forsynes til en elektrisk motor.

Bruke en EMC til å starte en IE3-motor

Et motordrivverk består av flere komponenter som er der for å sikre sikker og pålitelig drift. Et omfattende oppsett kan for eksempel omfatte følgende komponenter:

• Beskyttelsesinnretning (for eksempel en motorvernstarter og/eller overbelastningsrelé)
• Startenhet (for eksempel en EMC)
• Styring (for eksempel et motorstyringssystem)
• Styreenhet (for eksempel en frekvensomformer)
• Elektrisk motor
• Girkasse
• Kabling
• Drevet maskin

SIRIUS 3RT2 EMC-ene er konstruert som modulære enheter som monteres på en DIN-skinne (eller er skrudd på plass) sammen med de andre komponentene. EMC-ene er konstruert for å passe sammen med søstermoduler for å bygge opp den ønskede styringsdelen av motordrivverket (figur 4). Den modulære utformingen bidrar til å begrense mengden ledninger som kreves i kabinettet, og tilkoblinger opprettes via fjærbelastede kontakter, så det er ikke nødvendig med spesialverktøy.

Figur 4: SIRIUS 3RT2-serien er modulbaserte enheter som gjør det enkelt å implementere et motorstyringssystem. Her brukes en 3RT20171BB41 EMR – som veksles med et 24-volts likestrømssignal – med en beskyttelseanordning og et overbelastningsrelé for å styre en transportørmotor. (Bildekilde: Siemens)

Forutsatt at EMC-en er nøye valgt, blir den et plug-and-play-element i styringssystemet. 3RT2-strømkontaktorer er optimalisert for å veksle IE3-elektromotorer i området 1 til 15 kW og kan brukes uten ytterligere begrensninger for direkte-på-linje og reversering av startutrustninger. Det er imidlertid noen viktige konstruksjonshensyn som må tas for teknikere som er mer kjent med IE2-elektromotorer enn IE3-typene når de bruker 3RT2 EMC-er. Egenskaper som påvirker konstruksjonen av styringssystemet for IE3-motorer, omfatter lavere strømstyrke, økt startstrømforhold og økt innkoblingsstrøm (figur 5).

Figur 5: Innkoblings-, start- og merkemotorstrøm er viktige parametere å ta i betraktning når du velger en EMC for en trefaset vekselstrømsmotor. (Bildekilde: Siemens)

En viktig grunn til den økte virkningsgraden til IE3-elektromotorer er lavere nominelle motorstrømmer. IE3 spesifiserer imidlertid ikke en lineær økning i virkningsgraden på tvers av elektromotorens effektområde. I stedet krever den at virkningsgraden til elektromotorer med lavere effekt øker mye mer sammenlignet med IE2-typer enn enheter med høyere effekt (se figur 2 ovenfor). Det betyr at, for elektriske motorer med lavere effekt, den nominelle motorstrømmen er betydelig lavere sammenlignet med IE2-typen. Vær oppmerksom på at lik-for-lik-strøm opprettholdes ved å øke driftsspenningen.

Den mindre kjente siden av redusert merkestrøm er en økning i startstrømforholdet (startstrøm/merkestrøm) for de mer effektive motorene. Dette oppstår fordi selv om startstrømmen for en IE3-motor er lavere, er forskjellen mellom IE2- og IE3-likestrømmotorer ikke like distinkt for startstrøm som den er for merkestrøm. For motorer med mindre strømeffektivitet er startstrømforholdet høyere enn for alternativer med høyere effekt.

Virkningen av økt startstrømforhold er en økning i innkoblingsstrøm. Innkoblingsstrøm er i hovedsak en dynamisk kompensasjonshendelse som skyldes faktorer som tilkobling av en induktiv last (for eksempel en motor) og dynamiske strømtransienter og metningseffekter i motorens laminerte kjerner. Innkoblingsstrøm, som kan være opptil fem ganger høyere enn FLA, kan skade motoren og andre systemer (figur 6).

Figur 6: Innkoblingsstrømmen er høyere for motorer med høyere virkningsgrad, og den er større for enheter med lavere virkningsgrad. Egnet konstruksjon av styringssystemet kan redusere virkningene. (Bildekilde: Siemens)

Sammen med andre modulære styringskomponenter, kan 3RT2 EMC-er brukes i et wye-delta-startsystem («YΔ») for å begrense innkoblingsstrømmen. Ved å starte motoren ved å bruke hele linjespenningen over enhetens Y-viklinger, når rundt 58 % av linjespenningen hver motorfase, noe som senker strømmen og holder innkoblingsstrømtoppen nede. Når motoren når sin nominelle hastighet, går driften over til Δ-modus, der hele spenningen påføres (uten fare for innkoblingsstrøm) til hver fase, og motoren kan produsere full effekt.

Dette arrangementet krever et overbelastningsrelé plassert direkte i motormatekabelen U1, V1, W1 (figur 7). Dette sikrer at overbelastningsvernet er effektivt for alle de tre EMC-ene. Den fullstendige implementeringen krever reléet og tre 3RT2 EMC-er.

Figur 7: YΔ-kretsen omfatter et overbelastningsrelé i motormatekabelen og tre EMC-er for å veksle strøm under motorstart. (Bildekilde: Siemens)

Under drift utløses Y-delen av sekvensen ved å lukke K1 og K3 EMC-ene sammen. Etter en forhåndsinnstilt tid (ved ca. 80 % av motorens fulle hastighet), utløses K3 av en timer slik at den åpnes og K2 lukkes. Deretter aktiveres delta-delen slik at hele effekten påføres motoren.

Konklusjon

Når laster med høy effekt veksles, for eksempel trefasede vekselstrømmotorer, anbefales EMC-er over EMR-er. EMC-er er konstruert for veksling med høy pålitelighet over titalls millioner operasjoner. Enhetene er tilgjengelige for et bredt spekter av motorutgangseffekter, fra noen få watt til hundrevis av kilowatt.

Som vist er Siemens SIRIUS 3RT2 EMC-ene egnet til å veksle trefasede vekselstrømsmotorer fra 2 til 25 kW, og den modulære konstruksjonen deres sikrer enkel installasjon i styringssystemer. Selv om SIRIUS EMC-ene er relativt enkle å installere, må man være forsiktig med implementeringen av styringssystemet for å unngå motorskader fra overdreven innkoblingsstrøm.