Jak vybrat a použít elektromechanické stykače pro vysoce výkonné třífázové střídavé motory

By Steven Keeping

Contributed By DigiKey's North American Editors

Technici, kteří mají za úkol izolované spínání relativně vysokých napětí a proudů pomocí malých napěťových signálů, využívají obvykle relé. Konvenční nízkonapěťový spínač aktivuje relé, které následně zapne zdroj vysokého napájení. Elektromechanická relé (EMR) jsou levná a zvládnou relativně vysoká napětí, zatímco polovodičová relé (SSR) eliminují opotřebení kontaktů a jiskření.

Při častém spínání několika stovek voltů a desítek ampérů (a více) jsou však oba typy problematické. Jiskření při těchto vysokých zátěžích rychle opotřebovává kontakty EMR a svodové proudy v SSR způsobují přehřívání. Konstruktéři potřebují pro tyto vysoce náročné aplikace alternativní možnost.

Méně známý elektromechanický stykač (EMC) nabízí za relé odolnou náhradu. Zařízení jsou osvědčenou technologií a jsou snadno dostupná od mnoha renomovaných dodavatelů. Jelikož existují desítky možností, bez podrobného náhledu na fungování EMC se lze v procesu výběru rychle ztratit.

V tomto článku jsou stručně vysvětleny rozdíly mezi EMR a stykači, dále jak stykače fungují, a poté se zde zaměříme na to, jak daná aplikace ovlivňuje výběr produktu jako první krok k úspěšnému návrhu. Volby návrhu budou ilustrovány s uvedením odkazu na sériové výkonové stykače SIRIUS 3RT společnosti Siemens používané v implementaci elektromotoru IE3.

Rozdíl mezi elektromechanickými relé a stykači

Vzhledem k tomu, že jsou relé při sepnutí zatížena proudem celého obvodu, je použití spínače k zapínání a vypínání vysoce výkonného zařízení, jakým je třeba velký třífázový motor, nepraktické. Spínač při překlopení nebezpečně jiskří a při provozu se přehřívá. Řešením je použít obvod s nízkým výkonem, zapínaný a vypínaný pomocí konvenčního spínače, a spouštět jím vysoce výkonný obvod. To je účelem EMR.

EMR používají cívku, která je napájena obvodem s nízkým výkonem, aby vytvořila magnetické pole, které pak poskytuje impuls pohyblivému jádru, které následně otevírá nebo zavírá (rozpínací (NC) nebo spínací (NO)) kontakty. EMR mohou přepínat AC nebo DC zátěž až na své maximální jmenovité hodnoty. Mezi hlavní výhody EMR patří jejich nízká cena a zaručená izolace při jakémkoli použitém napětí nižším než dielektrické jmenovité hodnoty zařízení. (Viz článek „Jak používat speciální nízkošumová polovodičová relé k omezení elektromagnetického rušení a ke splnění kritických standardů“.)

Existuje však limit výkonu, který EMR dokáže zvládnout. Když je zátěží například třífázový motor vyvíjející výkon více než několik kilowattů (kW), spínání pomocí EMR generuje nadměrné jiskření a rychle opotřebovává relé. Alternativou je EMC, odolný průmyslový ekvivalent relé, navržený pro vysoké zatížení tak, aby spolehlivě spínal vysoké zátěže v desítkách milionů cyklů (obrázek 1).

Obrázek – elektromechanické stykače společnosti Siemens nahrazují relé v náročných spínacích aplikacích.Obrázek 1: Elektromechanické stykače společnosti Siemens nahrazují relé v náročných spínacích aplikacích. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

EMC lze bezpečně připojit k zařízením vyžadujícím vysoký proud a jsou obvykle navrženy s funkcemi pro řízení a potlačení jiskření vytvářeného při spínání pod velkým zatížením. Zařízení používají stejnou aktivaci cívkou / pohyblivým jádrem jako relé a jsou téměř výhradně osazena kontakty NO, ačkoli jsou k dispozici kontakty NC. NO kontakty zajišťují, že když je odpojeno napájení EMC, kontakty se rozepnou a přeruší napájení zařízení s vysokým odběrem proudu. Zařízení mají jeden nebo více párů kontaktů, nazývaných také póly.

Výběr EMC

Je poměrně jednoduché se rozhodnout pro EMC namísto EMR. I když jsou EMC dražší, jsou jedinou možností pro aplikace s vysokým zatížením. Jakmile se dojde k rozhodnutí, že je zapotřebí EMC, je výběr nejlepšího EMC pro daný úkol obtížnější. Nejlepší je začít určením požadavku špičkového zátěžového proudu (také označovaného jako proud při plném zatížení („Full-Load Amperage“, FLA)) při provozním napětí aplikace. Tento údaj pak určí požadovanou proudovou zatížitelnost stykače.

Například v případě třífázového motoru výrobce obvykle specifikuje provozní napětí a FLA v katalogovém listu. Pokud však tyto informace nejsou k dispozici, může se technik obrátit na zdroje, jako je tabulka amerického elektrického zákona („National Electrical Code“, NEC), ve které jsou podrobně popsány FLA pro řadu třífázových motorů o jmenovitém výkonu a vstupním napětí. Motory jsou kategorizovány podle klasifikace motorů Mezinárodní elektrotechnické komise („International Electrotechnical Commission“, IEC). Například třífázový motor o výkonu 375 W s provozním napětím 110 V má FLA 4,4 A a motor o výkonu 1,1 kW s provozním napětím 220 V má FLA 6 A.

Dále musí technik určit řídicí napětí požadované pro EMC. Může to být stejné napětí, jaké se používá k napájení přidruženého motoru, ale z bezpečnostních důvodů se často používá napětí nižší. Řídicí napětí EMC jsou obvykle vždy nižší než 250 V AC.

Poté je třeba zvážit, jak bude motor fungovat v aplikaci. Třífázový motor se stejnými specifikacemi mohou například používat dvě různé aplikace. Ale aplikace, která vyžaduje, aby byl motor zapnutý nebo vypnutý po dlouhou dobu, potřebuje jiný EMC než ta, která se často zapíná a vypíná. V druhém případě bude EMC vystaven opakovanému proudovému zatížení, a proto bude muset být robustnější.

Dobrým vodítkem pro výběr správné EMC pro danou aplikaci jsou kategorie využití nebo „kódy“ IEC. Pokud je například EMC uveden s kódem „AC-3“, hodí se pro elektromotory nakrátko (běžný typ elektrického indukčního motoru) v aplikacích, kde se motor pravidelně zapíná a vypíná, zatímco s kódem „AC-20“ je vhodný pro připojování a odpojování zátěží za podmínek nulového proudu. I když nesprávně specifikovaný EMC s kódem IEC může v dané aplikaci fungovat, pravděpodobně bude mít mnohem kratší životnost než ten se správným kódem.

Kódy IEC jsou také užitečné pro zohlednění typu zátěže – odporové nebo indukční – protože to má také významný vliv na volbu EMC. Například elektromotory jsou indukční zátěže, zatímco ohřívač představuje odporovou zátěž.

Je také důležité zvážit, kolik pólů může být v jednom EMC požadováno a zda by měly být NO nebo NC. Například aplikace může vyžadovat tři póly používající stykače NO pro jednotlivé fáze elektromotoru a další pár NC pro rozsvícení LED diody indikující, že je motor napájen, ale neotáčí se.

Vzhledem k tomu, že EMC často navíc přenášejí relativně vysoká napětí a proudy, je také důležité zajistit, aby izolační hodnoty zařízení splňovaly všechna bezpečnostní kritéria aplikace.

Protože motory spotřebovávají značnou část vyrobené elektrické energie, USA a EU schválily legislativu, která má zajistit, aby fungovaly co nejúčinněji. Úrovně energetické účinnosti EU jsou vyjádřeny v mezinárodních třídách energetické účinnosti („International Energy“, IE) (obrázek 2). Podle současné regulace musí motory v závislosti na svém jmenovitém výkonu a dalších charakteristikách dosáhnout úrovně IE2 (vysoká účinnost), IE3 (prémiová účinnost) nebo IE4 (superprémiová účinnost). EMC má vliv na účinnost elektromotoru, takže pokud je řídicí systém určen pro použití v EU, je důležité, aby byl navržen do příslušné třídy účinnosti IE. V USA musí motory splňovat program prémiové účinnosti Národní asociace elektrických výrobců („National Electrical Manufacturers Association“, NEMA), který vyžaduje shodu se standardy, jako jsou ty, které jsou uvedeny pro úroveň IE3. Požadavky v Austrálii jsou podobné jako v USA.

Graf požadavků na účinnost IE pro elektromotoryObrázek 2: Požadavky na účinnost IE pro elektromotory ukazují, jak je zvýšení účinnosti větší u motorů s nižším výkonem: Motory s úrovněmi IE1 a IE2 již nejsou podle předpisů USA a EU povoleny. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Komerční produkty

K dispozici je široká škála vysoce kvalitních EMC pro téměř jakoukoli aplikaci s vysokým zatížením. Například řada EMC Sirius 3RT2 společnosti Siemens demonstruje schopnost současných produktů pro spínání elektromotorů a další aplikace. Zařízení byla navržena pro vysokou provozní spolehlivost, vysokou spolehlivost kontaktů, provoz za zvýšených teplot a dlouhou životnost. Tyto výkonové stykače lze používat až do 60 °C bez snížení výkonu – i když jsou namontovány vedle sebe. Řada zahrnuje EMC kategorizované pro provoz AC-1 (neindukční nebo mírně indukční zátěže, jako jsou ohřívače), AC-3 (elektromotory nakrátko, které často spínají) a AC-4 (elektromotory nakrátko: spouštění, zapojení, inching – rychlé a časté spínání se sníženým napětím). Všechny produkty SIRIUS 3RT2 jsou navrženy pro provoz motoru IE3 a IE4.

Model 3RT20152AP611AA0 z řady SIRIUS 3RT2 je NO třípólový EMC se stykači velikosti S00 a podle kódu je určen pro aplikace AC-3. Řídicí napájecí napětí je 220 až 240 V AC. Vyznačuje se výstupním napětím 400 nebo 690 V a maximálním proudem 7 A při 400 V nebo 4,9 A při 690 V pro jmenovitý maximální výkon 3 kW při 400 V nebo 4 kW při 690 V. Kontakty se sepnou za méně než 35 ms a rozepnou za méně než 14 ms. Model má maximální spínací frekvenci při zatížení 750 cyklů za hodinu. Životnost je 30 milionů cyklů s chybovou četností jednou za 100 milionů. Při použití tohoto EMC je FLA pro připojený třífázový motor 4,8 A pro 480voltový motor a 6,1 A pro 600voltový motor. To stačí k napájení motoru 2,2 kW (480 V) nebo motoru 3,7 kW (600 V) (obrázek 3).

Schéma funkcí EMR 3RT20152AP611AA0 společnosti SiemensObrázek 3: EMR 3RT20152AP611AA0 má tři póly, které jsou NO, což z něj činí vhodnou konfiguraci pro spínání třífázového motoru. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Na druhém konci řady SIRIUS je model 3RT20261AP60. I toto je NO třípólový EMC a s kódem pro aplikace AC-3, ale se stykači velikosti S0. Řídicí napájecí napětí je 220 až 240 V AC. Vyznačuje se výstupním napětím 400 nebo 690 V a maximálním proudem 25 A při 400 V nebo 13 A při 690 V pro jmenovitý maximální výkon 11 kW při obou výstupních napětích. FLA pro připojený třífázový motor je 21 A pro 480voltový motor a 22 A pro 600voltový motor. To stačí k napájení motoru 11,2 kW (480 V) nebo motoru 14,9 kW (600 V).

EMC SIRIUS 3RT2 společnosti Siemens jsou vhodné pro řadu aplikací, ale jsou optimalizovány pro spínání motorů splňujících prémiovou účinnost IE3 nebo NEMA. Část této shody vyžaduje, aby byl EMC účinnou součástí řídicího systému motoru. Ke splnění tohoto požadavku jsou EMC navrženy s funkcemi, jako jsou permanentní magnety pro snížení spotřeby energie cívky a elektronické řízení cívky. To umožňuje snížit přídržný výkon (používá se k udržení stykače sepnutého) na minimum. Vlastní ztráta energie EMC byla ve srovnání s předchozími zařízeními snížena o 92 %.

Například výkonový stykač 3RT20171BB41, který může spínat třífázové motory o výkonu 2,2 kW až 7,5 kW v závislosti na výstupním napětí EMC, se vyznačuje ztrátou 1,2 W na pól a celkovou ztrátou 3,6 W při dodávání plného výkonu elektromotoru.

Použití EMC ke spuštění motoru IE3

Motorové hnací ústrojí se skládá z několika součástí, které zajišťují bezpečný a spolehlivý provoz. Komplexní nastavení by například mohlo obsahovat následující součásti:

  • Ochranné zařízení (například spouštěč ochrany motoru nebo relé proti přetížení)
  • Startovací jednotka (například EMC)
  • Řadič (například systém řízení motoru)
  • Řídicí jednotka (například frekvenční měnič)
  • Elektrický motor
  • Převodovka
  • Kabeláž
  • Poháněný stroj

EMC SIRIUS 3RT2 jsou navrženy jako modulární zařízení, která se montují na lištu DIN (nebo se přišroubují) společně s ostatními součástmi. EMC jsou navrženy tak, aby se hodily k sesterským modulům a vytvořily požadovanou řídicí část hnacího ústrojí motoru (obrázek 4). Modulární konstrukce pomáhá omezit množství kabeláže potřebné ve skříni a připojení se provádí pomocí pružinových kontaktů, takže nejsou potřeba žádné speciální nástroje.

Schéma – řadu SIRIUS 3RT2 tvoří modulární zařízení.Obrázek 4: Řadu SIRIUS 3RT2 tvoří modulární zařízení, která usnadňují implementaci systému řízení motoru. Zde se používá EMR 3RT20171BB41, který je spínán signálem 24V DC, s ochranným zařízením a nadproudovým relé k ovládání motoru dopravníku. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Za předpokladu, že byl EMC pečlivě vybrán, stane se prvkem řídicího systému typu plug-and-play. Výkonové stykače 3RT2 byly optimalizovány pro spínání elektromotorů IE3 v rozsahu 1 až 15 kW a lze je bez dalších omezení použít pro aplikace s přímým rozběhem a spuštěním s reverzací. Konstruktéři, kteří jsou více obeznámeni s typem elektromotorů IE2 než s typem IE3, však musí vzít v úvahu několik důležitých konstrukčních aspektů při použití EMC 3RT2. Charakteristiky, které ovlivňují návrh řídicího systému pro motory IE3, zahrnují nižší jmenovité proudy, zvýšený poměrný rozběhový proud a zvýšený náběhový proud (obrázek 5).

Graf náběhového, rozběhového a jmenovitého proudu motoruObrázek 5: Náběhový, rozběhový a jmenovitý proud motoru jsou klíčové parametry, které je třeba vzít v úvahu při výběru EMC pro třífázový střídavý motor. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Klíčem ke zvýšené účinnosti elektromotorů IE3 jsou nižší jmenovité proudy motoru. Úroveň IE3 však nespecifikuje lineární zvýšení účinnosti v celém rozsahu výkonu elektromotoru. Místo toho vyžaduje, aby se účinnost elektromotorů s nižším výkonem ve srovnání s typy IE2 zvýšila mnohem více než u jednotek s vyšším výkonem (viz obrázek 2 výše). To znamená, že u elektromotorů s nižším výkonem byl jmenovitý proud motoru oproti typu IE2 značně snížen. Všimněte si, že rovnocenný výkon je udržován zvýšením provozního napětí.

Odvrácenou stranou sníženého jmenovitého proudu je zvýšený poměrný rozběhový proud (rozběhový proud / jmenovitý proud) pro účinnější motory. Dochází k tomu proto, že i když je rozběhový proud pro motor IE3 nižší, rozdíl mezi motory se stejným výkonem IE2 a IE3 není tak výrazný pro rozběhový proud jako pro jmenovitý proud. U motorů s nižší energetickou účinností je poměrný rozběhový proud vyšší než u alternativ s vyšším výkonem.

Důsledkem zvýšeného poměrného rozběhového proudu je zvýšení náběhového proudu. Náběhový proud je v podstatě událost dynamické kompenzace, která vyplývá z faktorů, jako je připojení indukční zátěže (třeba motoru) a dynamické proudové přechody a saturační efekty v laminovaných jádrech motoru. Náběhový proud, který může být až pětkrát vyšší než FLA, může poškodit motor a další systémy (obrázek 6).

Graf – náběhový proud je vyšší u výkonnějších motorů.Obrázek 6: Náběhový proud je vyšší u účinnějších motorů a je větší u jednotek s nižším výkonem. Vhodný návrh řídicího systému může účinky zmírnit. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Spolu s dalšími modulárními řídicími komponentami lze EMC 3RT2 použít v systému spouštění ypsilon-delta („YΔ“) k omezení náběhového proudu. Spuštěním motoru pomocí plného napětí na vinutích Y jednotky dosáhne přibližně 58 % síťového napětí každé fáze motoru, čímž se sníží proud a udrží se nižší náběhová špička. Jakmile motor dosáhne svých jmenovitých otáček, provoz se přepne do režimu Δ, kdy je na každou fázi přivedeno plné napětí (bez nebezpečí jakéhokoli náběhového proudu) a motor může produkovat plný výkon.

Toto uspořádání vyžaduje nadproudové relé umístěné přímo v napájecím kabelu motoru U1, V1, W1 (obrázek 7). To zajišťuje, že ochrana proti přetížení je účinná pro všechny tři EMC. Plná implementace vyžaduje relé a tři EMC 3RT2.

Schéma obvodu YΔ obsahujícího nadproudové reléObrázek 7: Obvod YΔ obsahující nadproudové relé v napájecím kabelu motoru a tři EMC pro spínání napájení během spouštění motoru. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

V provozu je část Y sekvence spouštěna sepnutím EMC K1 a K3 dohromady. Po předem nastaveném čase (při asi 80 % plné rychlosti motoru) časovač spustí K3 k rozpojení a K2 k sepnutí, aby inicioval část delta, a přivedl tak do motoru plný výkon.

Závěr

Při spínání vysoce výkonných zátěží, jako jsou třífázové střídavé motory, jsou EMC doporučenou alternativou k EMR. EMC jsou navrženy pro vysoce spolehlivé spínání v desítkách milionů operací. Zařízení jsou k dispozici pro širokou škálu výkonů motorů od několika až do stovek kilowattů.

Jak je znázorněno, EMC SIRIUS 3RT2 společnosti Siemens jsou vhodné pro spínání třífázových střídavých motorů od 2 do 25 kW a jejich modulární konstrukce zajišťuje snadnou instalaci do řídicích systémů. Zatímco instalace EMC SIRIUS je relativně jednoduchá, je třeba věnovat pozornost implementaci řídicího systému, aby nedošlo k poškození motoru nadměrným náběhovým proudem.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Steven Keeping

Steven Keeping

Steven Keeping je spolupracujícím autorem ve společnosti DigiKey. Steven získal certifikát HNC v oboru aplikované fyziky na Bournemouth University ve Velké Británii a titul BEng (Hons.) na Brighton University také ve Velké Británii. Poté začal svou sedmiletou kariéru technika výroby elektroniky u společností Eurotherm a BOC. Poslední dvě desetiletí pracuje Steven jako novinář, redaktor a vydavatel v oboru technologií. V roce 2001 se přestěhoval do Sydney, aby mohl jezdit na silničním a horském kole po celý rok a pracovat jako redaktor časopisu Australian Electronics Engineering. V roce 2006 se Steven stal novinářem na volné noze a k jeho specializaci patří RF, LED a správa napájení.

About this publisher

DigiKey's North American Editors