Základy motorových stykačů a jejich použití

Aplikace, jako je vytápění, větrání a klimatizace („heating, ventilation, and air conditioning“, HVAC), kompresory, čerpadla, manipulace s materiálem a balení, vyžadují bezpečné nasazení a řízení velkých motorů pracujících s vysokými napětími a proudy. Řízení těchto velkých elektromotorů představuje pro konstruktéry problém v tom, že musí zajistit odpovídající izolaci mezi motorem a řídicím obvodem. Kromě toho mohou vysoká napětí a proudy generovat významné elektromagnetické přechody, které mohou poškodit elektronické ovládací prvky.

Elektromagnetická relé nabízejí dálkové ovládání s izolací, ale mají svá omezení. Rozpínání a spínání výkonových připojení k vysoce výkonnému motoru generuje elektrické oblouky, které opotřebovávají kontaktní plochy relé, čímž se zkracuje životnost kontaktů.

Řešením tohoto problému je elektromagnetický stykač, speciální třída relé určená k ovládání motoru. Kromě odolnější konstrukce a větších a robustnějších kontaktů než relé využívají techniky pro potlačení oblouku, které zahrnují speciální materiály a rychlejší spínání a rozpínání kontaktů.

V tomto článku jsou zkoumány základy elektromagnetických motorových stykačů a jejich výhody oproti jiným přístupům k řízení motoru. Poté je pomocí příkladů konfigurace z reálného světa – řady Easy TeSys od společnosti Schneider Electric – pojednáváno o tom, jak se vybírají a používají.

Jak fungují stykače

Elektromagnetické stykače se skládají z elektromagnetu postaveného na jádru ve tvaru „E“. Konkrétně se jedná o elektricky izolovanou cívku obalenou soustředně kolem středního ramene jádra. Cívka je buzena zdrojem řídicího napětí, kterým může být střídavý, nebo stejnosměrný proud. Když je cívka pod napětím, elektromagnetická síla vtáhne kotvu umístěnou na otevřeném konci jádra (obrázek 1).

Obrázek 1: Zjednodušené funkční schéma stykače ve stavu bez napětí a pod napětím. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Elektrické kontakty jsou s kotvou mechanicky spojeny. Uspořádání kontaktů se liší podle modelu stykače: mohou být spínací („normally open“, NO) nebo kombinace spínacích a rozpínacích („normally closed“, NC). Může existovat více izolovaných kontaktů. Například 3fázový stykač bude mít tři sady výkonových kontaktů, jeden pro každou fázi. Když se kotva zatáhne, kontakty NC se rozepnou a kontakty NO se sepnou. Mnoho stykačů navíc obsahuje pomocnou sadu nižších výkonových kontaktů, které se používají k monitorování stavu stykače, pod napětím nebo bez napětí.

Materiály kontaktu se vybírají s ohledem na vysokou pevnost, vynikající elektrickou vodivost a odolnost vůči účinkům elektrického oblouku a oxidace. Geometrie kontaktů je navržena tak, aby zvládla zamýšlené úrovně výkonu a potlačila jiskření.

Všechny prvky stykače jsou umístěny v krytu, který kontakty elektricky izoluje a zároveň poskytuje jednoduchý způsob připojení napájení, zátěže a vedení cívky. Kryt také poskytuje montážní podporu, která může být ve formě montáže na panel nebo lištu DIN (obrázek 2).

Obrázek 2: Příklady typických krytů stykačů – montáž na panel (vlevo) a montáž na lištu DIN (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Stykače Easy TeSys (řady DPE) společnosti Schneider Electric jsou umístěny v kompaktním krytu, který je široký pouze 45 mm a lze jej namontovat na panel nebo na lištu DIN. Kryt má stupeň ochrany IP20, což znamená ochranu prstů. Všechny stykače v řadě obsahují spínací pomocný kontakt. Tato řada 3fázových stykačů je schválena podle UL/CSA a má jmenovité hodnoty až 32 ampérů, 20 koňských sil („horsepower“) při 480 voltech AC (20 HP/480 V AC) a 25 HP/600 V AC s různými budicími napětími řídicí cívky (tabulka 1).

Tabulka 1: Vybrané příklady z řady stykačů Easy TeSys DPE společnosti Schneider Electric ukazují rozsah volby provozního proudu a napětí řídicí cívky, kterou řada nabízí. (Zdroj tabulky: Art Pini)

Tato zařízení nabízejí provozní životnost přibližně 1 milion elektrických operací. Stykače Easy TeSys jsou vhodné pro aplikace popsané v kategoriích použití specifikovaných v normě IEC 60947. Jmenovité proudy jednotlivých stykačů závisí na kategorii použití. Například kategorie AC-1 popisuje aplikace, kde je zátěž neinduktivní nebo jen mírně induktivní, jako je odporová pec. Tyto aplikace mají primárně odporové zátěže, které mají menší problém s přechodnými napětími a proudy.

Kategorie AC-3 pokrývá aplikace pro indukční motory s kotvou nakrátko, kde se motor spouští, a občas může být odpojeno napájení, aby se motor zastavil. Motory jsou indukční zařízení a operace spouštění a zastavování mají za následek indukční přechodové jevy, které stykač více zatěžují.

Aplikace v kategorii AC-4 vystavují stykač většímu namáhání. Tato kategorie zahrnuje indukční motory s kotvou nakrátko a motory s kluzným kroužkem, které jsou vystaveny reverzaci motoru a joggingu nebo krokování. Jogging nebo krokování je „rychlé opakované použití napájení ke spuštění motoru z klidu za účelem provádění malých pohybů motoru“. Jogging obecně označuje spouštění motoru krátkými pulzy napájení při plném napětí. Podobně krokování znamená spouštění motoru krátkými pulzy sníženého napětí. Vícenásobné aplikace napájení generují nejvyšší úroveň namáhání stykače.

Přizpůsobení konkrétního stykače Easy TeSys DPE motoru nebo podobné aplikaci s vysokým výkonem je založeno především na zpracovávaném proudu. Katalog stykačů Easy TeSys společnosti Schneider Electric obsahuje pomůcky pro výběr na základě výkonu motoru, kategorie použití a požadované provozní životnosti (obrázek 3).

Obrázek 3: Průvodce výběrem stykačů DPE Easy TeSys pro motory kategorie použití AC-3 na základě výkonu motoru a požadované životnosti stykače. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Obrázek 3 je jedním ze tří průvodců pro výběr souvisejících s kategorií použití ovládaného zařízení. Je určen pro kategorii použití AC-3, tedy v podstatě motor, který se může zastavovat jen zřídka. Když je motor zastaven, proud se rovná provoznímu proudu. Vezměme jako příklad vyhledání stykače Easy TeSys DPE pro 5,5kW 3fázový motor pracující při 400 voltech s provozním proudem 11 A, kde je požadovaná provozní životnost dva miliony cyklů. Konstruktér musí začít u čáry napětí 400 V a najít 5,5 kW a odtud promítnout čáru směrem nahoru, dokud neprotne čáru dvou milionů operací. Nejbližší místo modelu DPE (modře) je model DPE 18.

Příklad kategorie použití AC-4, kde se motor často zastavuje a znovu spouští, se zabývá většími proudy v nejhorším případě. Vezměme v úvahu 3fázový 5,5kW motor běžící při 400 voltech s provozním proudem 11 A v aplikaci AC-4, ve které je bez napětí, když je motor zastavený. Požadovaná životnost je 300 000 operací.

Zastavovací proud tohoto motoru je šestinásobek provozního proudu, což vyžaduje stykač dimenzovaný na vyšší úroveň proudu (obrázek 4).

Obrázek 4: Průvodce výběrem stykačů Easy TeSys DPE pro kategorii použití AC-4. Všimněte si, že proudy v nejhorším případě mohou být mnohem větší kvůli možnosti odpojení napájení motoru při jeho zastavení. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Chcete-li najít doporučený stykač, začněte se zastavovacím proudem 66 A, což je šestinásobek provozního proudu 11 A. Promítejte směrem nahoru od osy proudu, dokud neprotnete čáru představující 0,3 milionu operací. Nejbližší místo produktu je model DPE32.

Stykače řady Easy TeSys DPE pokrývají nejběžnější konfigurace a aplikace motorů, jako jsou dopravníky, balicí stroje, čerpadla, kompresory, topení a větrání, klimatizace, chlazení a další.

Řada Easy TeSys obsahuje také škálu doplňkových tepelných relé proti přetížení navržených k ochraně střídavých obvodů a motorů před přetížením, výpadky fází, prodlouženými dobami rozběhu a podmínkami k zastavení rotorů. Tato relé monitorují proud motoru, a když proud překročí nastavení proudového limitu, kontakty se rozepnou a zastaví motor. Existuje patnáct různých modelů a každý z nich má škálu nastavitelných proudových vypínacích úrovní. Modely s ochranou proti přetížení jsou kompatibilní s vybranými stykači Easy TeSys DPE09 až DPE38. Připojují se přímo ke spodním svorkám 3fázových stykačů pomocí šroubových svorek stykače. Kombinace má běžnou šířku 45 mm a lze ji namontovat na lištu DIN nebo přišroubovat k panelu pomocí držáku stykače DPE (obrázek 5).

Obrázek 5: Ochranné relé proti přetížení se montuje přímo pod stykač DPE a upevňuje se pomocí šroubových spojů stykače. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Relé proti tepelnému přetížení Easy TeSys DPER32 se jmenovitými hodnotami 32 A / 690 voltů má nastavitelný teplotní rozsah vypnutí 23–32 A a třídu vypínání 10 (při přetížení šestinásobkem přednastavené úrovně se ochrana proti přetížení vypne do 10 sekund) k ochraně 3fázových motorů o jmenovitém výkonu 15 kW při 400 voltech. Jedná se o diferenciální zařízení s detekcí výpadku fáze a nevyváženosti zátěže. Má volič teplotního nastavení, volič manuálního/automatického resetu, testovací volič pro simulaci vypnutí, tlačítka reset a stop, indikátor příznaku a dva pomocné kontakty (1 NO + 1 NC) pro signalizaci poruchy. Uživatelská nastavení jsou chráněna uzamykatelným průhledným krytem. Celá řada tepelných ochran proti přetížení je certifikována podle několika norem, včetně IEC, UL a CUL.

Závěr

Konstruktéři motorových aplikací s vysokými provozními napětími a proudy potřebují spolehlivý způsob, jak izolovat související řídicí obvody a chránit je před elektromagnetickým zářením. Třípólové stykače DPE Easy TeSys spolu s relé proti tepelnému přetížení DPER Easy TeSys jsou určeny ke spínání a ochraně nejběžnějších případů použití motoru. Široká škála modelů pokrývajících více úrovní proudu a napětí usnadňuje jejich konfiguraci podle požadavků konkrétní aplikace.