Cum se selectează și se implementează contactoarele electromecanice pentru motoarele trifazate de curent alternativ de mare putere

Inginerii care au sarcina de a comuta izolat tensiuni și curenți relativ mari cu un semnal de tensiune mică apelează, de obicei, la relee. Un comutator convențional de joasă tensiune activează releul care, la rândul său, pornește sursa de alimentare de mare putere. Releele electromecanice (EMR) au un cost redus și pot accepta tensiuni relativ ridicate, în timp ce releele cu semiconductori (SSR) elimină uzura contactelor și arcul electric.

Cu toate acestea, atunci când este vorba de comutări frecvente de câteva sute de volți și zeci de amperi (și mai mult), ambele tipuri sunt puse la încercare. Arcul electric la aceste sarcini mari uzează rapid contactele EMR, în timp ce curenții de scurgere din SSR-uri provoacă supraîncălzirea. Proiectanții au nevoie de o opțiune alternativă pentru aceste aplicații foarte solicitante.

Contactorul electromecanic (EMC), mai puțin cunoscut, este un înlocuitor rezistent pentru relee. Dispozitivele au o tehnologie dovedită și sunt ușor de procurat de la mulți furnizori de renume. Deoarece există zeci de opțiuni, procesul de selecție devine rapid derutant, dacă nu există o înțelegere detaliată a funcționării EMC.

Acest articol explică pe scurt diferența dintre EMR și contactoare, modul de funcționare a contactoarelor și apoi se concentrează pe modul în care o anumită aplicație influențează alegerea produsului ca prim pas spre un proiect de succes. Alegerile privind proiectarea vor fi ilustrate prin referire la contactoarele de putere Siemens din seria SIRIUS 3RT utilizate la implementarea unui motor electric IE3.

Diferența dintre relee electromecanice și contactoare

Deoarece este expus la întregul curent al circuitului atunci când este închis, utilizarea unui comutator pentru pornirea și oprirea unui dispozitiv de mare putere, cum ar fi un motor trifazat mare, este nepractică. Comutatorul produce un arc electric periculos atunci când este acționat și se supraîncălzește în timpul funcționării. Soluția este utilizarea unui circuit de joasă putere, pornit și oprit de un comutator convențional, pentru declanșarea circuitului de putere ridicată. Acesta este scopul EMR.

EMR-urile utilizează o bobină care este alimentată de circuitul de joasă putere pentru a crea un câmp magnetic care, apoi, furnizează un impuls unui nucleu mobil care, la rândul său, deschide sau închide contactele (normal închise (NC) sau normal deschise (NO)). EMR-urile pot comuta o sarcină de curent alternativ sau continuu până la valoarea lor maximă. Avantajele cheie ale EMR-urilor sunt costurile reduse și izolația garantată la orice tensiune aplicată sub valoarea dielectrică a dispozitivului. (Consultați „Cum se aplică releele cu semiconductori specializați cu zgomot redus pentru limitarea EMI și respectarea standardelor critice”.)

Cu toate acestea, există o limită a puterii pe care o poate gestiona un EMR. Atunci când sarcina este, de exemplu, un motor trifazat care dezvoltă mai mult de câțiva kilowați (kW), comutarea cu ajutorul unui EMR generează arcuri electrice excesive și uzează rapid releul. Alternativa este EMC-ul, un echivalent industrial de mare capacitate și robust al unui releu, conceput pentru a comuta în mod fiabil sarcini mari pe parcursul a zeci de milioane de cicluri (Figura 1).

Figura 1: contactoarele electromecanice înlocuiesc releele în aplicațiile de comutare de mare capacitate. (Sursa imaginii: Siemens)

EMC-urile pot fi conectate în siguranță la dispozitive cu cerere mare de curent și sunt proiectate, de obicei, cu caracteristici de control și suprimare a arcului electric produs la comutarea sub o sarcină mare. Dispozitivele utilizează aceeași activare cu bobină sub tensiune/nucleu mobil ca și releele și sunt echipate aproape exclusiv cu contacte NO, deși sunt disponibile și contacte NC. Contactele NO garantează că, atunci când alimentarea cu energie a EMC este întreruptă, contactele se deschid, întrerupând alimentarea dispozitivului cu consum mare de curent. Dispozitivele dispun de una sau mai multe perechi de contacte, numite și poli.

Selecția EMC

Alegerea unui EMC în locul unui EMR este relativ simplă. Deși EMC-urile sunt mai scumpe, ele reprezintă singura opțiune pentru aplicațiile cu sarcini mari. Odată ce s-a stabilit că este nevoie de un EMC, selectarea celui mai bun EMC pentru aplicație este mai dificilă. Cel mai bun punct de plecare este determinarea curentului de sarcină de vârf (denumit și amperaj la sarcină completă (FLA)) necesar la tensiunea de funcționare a aplicației. Acest lucru va determina apoi capacitatea de sarcină la curent a contactorului necesar.

De exemplu, în cazul unui motor trifazat, producătorul specifică, de obicei, tensiunea de funcționare și FLA în fișa tehnică. Dar dacă aceste informații nu sunt disponibile, atunci un inginer poate consulta resurse precum graficul din Codul Electric Național (NEC) din SUA, care detaliază FLA pentru o varietate de motoare trifazate de putere nominală și tensiune de intrare. Motoarele sunt clasificate în conformitate cu clasificările motoarelor de la Comisia Electrotehnică Internațională (IEC). De exemplu, un motor trifazat de 375 de wați, cu o tensiune de funcționare de 110 volți, are o FLA de 4,4 amperi (A), iar un motor de 1,1 kW cu o tensiune de funcționare de 220 de volți are o FLA de 6 A.

În continuare, inginerul trebuie să determine tensiunea de control necesară pentru EMC. Aceasta poate fi aceeași tensiune ca și cea utilizată pentru alimentarea motorului asociat, dar adesea se utilizează o tensiune mai mică, din motive de siguranță. Tensiunile de control EMC sunt, de obicei, întotdeauna sub 250 de volți c.a.

Apoi, trebuie să se ia în considerare modul în care motorul va funcționa în aplicație. De exemplu, două aplicații diferite pot utiliza un motor trifazat cu aceleași specificații. Dar o aplicație care necesită ca motorul să fie pornit sau oprit pentru perioade lungi de timp are nevoie de un EMC diferit față de o aplicație care este pornită și oprită frecvent. Aceasta din urmă va fi supusă unor sarcini de curent repetitive și, prin urmare, va trebui să fie un produs mai robust.

Categoriile de utilizare sau „codurile” IEC reprezintă un bun ghid pentru alegerea EMC-urilor corecte pentru o anumită aplicație. De exemplu, dacă EMC este codificat „AC-3”, acesta este potrivit pentru motoarele electrice cu înfășurare în „colivie de veveriță” (un tip comun de motor electric cu inducție) în aplicații în care motorul este pornit și oprit în mod regulat, în timp ce „AC-20” este potrivit pentru conectarea și deconectarea sarcinilor în condiții de curent zero. Deși un EMC cu cod IEC incorect specificat poate funcționa într-o anumită aplicație, este probabil să aibă o durată de viață mult mai scurtă decât unul codat corect.

De asemenea, codurile IEC sunt utile și pentru a lua în considerare tipul de sarcină – rezistivă sau inductivă – deoarece și acest lucru are o influență semnificativă asupra alegerii EMC-ului. De exemplu, motoarele electrice sunt sarcini inductive, în timp ce un încălzitor este o sarcină rezistivă.

În plus, este important să se ia în considerare și câți poli ar putea fi necesari într-un singur EMC și dacă aceștia ar trebui să fie NO sau NC. De exemplu, o aplicație ar putea necesita trei poli care să utilizeze contactoare NO pentru fiecare fază a unui motor electric și o pereche NC suplimentară pentru a aprinde un led care să indice faptul că motorul primește energie, dar nu se rotește.

În plus, deoarece EMC-urile transportă adesea tensiuni și curenți relativ mari, este important să se asigure și că puterea de izolare a dispozitivului îndeplinește toate criteriile de siguranță ale aplicației.

Deoarece motoarele consumă o proporție semnificativă din energia electrică generată, SUA și UE au adoptat legi pentru a se asigura că acestea funcționează cât mai eficient posibil. Nivelurile de eficiență energetică ale UE sunt exprimate în clase de eficiență International Energy (IE) (Figura 2). În conformitate cu reglementările actuale, motoarele trebuie să atingă nivelul IE2 (eficiență ridicată), IE3 (eficiență premium) sau IE4 (eficiență super premium), în funcție de puterea lor nominală și de alte caracteristici. EMC are un impact asupra eficienței motoarelor electrice, astfel încât, dacă sistemul de control este destinat utilizării în UE, este important ca acesta să fie proiectat în conformitate cu clasa de eficiență IE corespunzătoare. În SUA, motoarele trebuie să respecte programul de eficiență premium al Asociației Naționale a Producătorilor de Electricitate (NEMA), care solicită respectarea unor standarde precum cele specificate pentru IE3. Cerințele din Australia sunt similare cu cele din SUA.

Figura 2: cerințele de eficiență IE pentru motoarele electrice arată că îmbunătățirile de eficiență sunt mai mari pentru motoarele de putere mai mică: motoarele IE1 și IE2 nu mai sunt permise în conformitate cu reglementările din SUA și UE. (Sursa imaginii: Siemens)

Produse comerciale

Există o gamă largă de EMC-uri de înaltă calitate disponibile pentru aproape orice aplicație cu sarcini mari. De exemplu, gama Siemens Sirius 3RT2 de EMC-uri demonstrează capacitatea produselor contemporane pentru comutarea motoarelor electrice și alte aplicații. Dispozitivele au fost proiectate pentru o fiabilitate operațională ridicată, fiabilitate ridicată a contactelor, funcționare la temperaturi ridicate și durată de viață lungă. Aceste contactoare de putere pot fi utilizate la temperaturi de până la 60 °C fără reducerea tensiunii – chiar și atunci când sunt montate unul lângă altul. Gama include EMC-uri clasificate pentru funcționarea AC-1 (sarcini neinductive sau ușor inductive, cum ar fi încălzitoarele), AC-3 (motoare electrice cu înfăşurare în colivie de veveriță care comută frecvent) și AC-4 (motoare electrice cu înfăşurare în colivie de veveriță: pornire, conectare, acționare progresivă). Toate produsele SIRIUS 3RT2 sunt proiectate pentru funcționarea cu motoarele IE3 și IE4.

Modelul 3RT20152AP61111AA0 din gama SIRIUS 3RT2 este un EMC tripolar NO cu contactoare de dimensiuni S00 și este codificat pentru aplicații AC-3. Tensiunea de alimentare a controlului este de 220-240 volți c.a. Acesta are o tensiune de ieșire de 400 sau 690 de volți și un curent maxim de 7 A la 400 de volți sau 4,9 A la 690 de volți pentru o putere maximă nominală de 3 kW la 400 de volți sau 4 kW la 690 de volți. Contactele se închid în mai puțin de 35 de milisecunde (ms) și se deschid în mai puțin de 14 ms. Are o frecvență maximă de comutare sub sarcină de 750 de cicluri pe oră. Durata de viață este de 30 de milioane de cicluri, cu o rată de defectare de o dată la 100 de milioane. Atunci când se utilizează acest EMC, FLA pentru un motor trifazat atașat este de 4,8 A pentru un motor cu tensiunea nominală de 480 de volți și de 6,1 A pentru un motor cu tensiunea nominală de 600 de volți; acest lucru este suficient pentru a alimenta un motor de 2,2 kW (480 de volți) sau un motor de 3,7 kW (600 de volți) (Figura 3).

Figura 3: EMR 3RT20152AP611AA0 are trei poli care sunt NO, ceea ce înseamnă că este o configurație potrivită pentru comutarea unui motor trifazat. (Sursa imaginii: Siemens)

La celălalt capăt al gamei SIRIUS se află modelul 3RT20261AP60. Și acesta este un EMC tripolar NO și codificat pentru aplicații AC-3, dar cu contactoare de dimensiuni S0. Tensiunea de alimentare a controlului este de 220-240 volți c.a. Dispozitivul are o tensiune de ieșire de 400 sau 690 de volți și un curent maxim de 25 A la 400 de volți sau de 13 A la 690 de volți pentru o putere maximă nominală de 11 kW la ambele tensiuni de ieșire. FLA pentru un motor trifazat atașat este de 21 A pentru un motor de 480 de volți și de 22 A pentru un motor de 600 de volți; acest lucru este suficient pentru a alimenta un motor de 11,2 kW (480 de volți) sau un motor de 14,9 kW (600 de volți).

EMC-urile Siemens SIRIUS 3RT2 sunt potrivite pentru o gamă largă de aplicații, dar sunt optimizate pentru comutarea motoarelor cu eficiență IE3 sau NEMA premium. O parte din această conformitate presupune ca EMC-ul să fie o parte eficientă a sistemului de control al motorului. Pentru a îndeplini această cerință, EMC-urile sunt proiectate cu caracteristici precum magneți permanenți pentru reducerea consumului de energie al bobinei și controlul electronic al bobinei. Acest lucru permite reducerea la minimum a puterii de menținere (utilizată pentru a menține contactorul închis). Pierderea de putere intrinsecă a EMC-urilor a fost redusă cu 92% în comparație cu dispozitivele anterioare.

De exemplu, contactorul de putere 3RT20171BB41 – care poate comuta motoare trifazate de 2,2 kW până la 7,5 kW, în funcție de tensiunea de ieșire a EMC – are o pierdere de 1,2 wați per pol, pentru o pierdere totală de 3,6 wați atunci când furnizează putere maximă unui motor electric.

Utilizarea unui EMC pentru pornirea unui motor IE3

Un grup motopropulsor cuprinde mai multe componente, pentru a asigura o funcționare sigură și fiabilă. De exemplu, o configurație completă ar putea cuprinde următoarele componente:

• Dispozitiv de protecție (de exemplu, un demaror de protecție a motorului și/sau un releu de suprasarcină)
• Unitate de pornire (de exemplu, un EMC)
• Controler (de exemplu, un sistem de gestionare a motorului)
• Unitate de control (de exemplu, un convertizor de frecvență)
• Motor electric
• Cutia de viteze
• Cablare
• Mașina acționată

EMC-urile SIRIUS 3RT2 sunt concepute ca dispozitive modulare care se montează pe o șină DIN (sau sunt înșurubate) împreună cu celelalte componente. EMC-urile sunt concepute pentru a se potrivi cu modulele secundare pentru a construi secțiunea de control dorită a grupului motopropulsor (Figura 4). Designul modular ajută la limitarea cantității de cabluri necesare în dulap, iar conexiunile sunt realizate prin intermediul contactelor cu arc, astfel că nu sunt necesare unelte speciale.

Figura 4: produsele din seria SIRIUS 3RT2 sunt dispozitive modulare care facilitează implementarea unui sistem de control al motorului. Aici, un EMR 3RT20171BB41 – care este comutat cu un semnal de 24 de volți c.c. – este utilizat cu un dispozitiv de protecție și un releu de suprasarcină pentru a controla un motor de transportor. (Sursa imaginii: Siemens)

Cu condiția ca EMC să fi fost selectat cu atenție, acesta devine un element plug-and-play al sistemului de control. Contactoarele de putere 3RT2 au fost optimizate pentru comutarea motoarelor electrice IE3 în gama cuprinsă între 1 și 15 kW și pot fi utilizate fără alte constrângeri pentru aplicațiile de pornire directă pe linie și de inversare. Cu toate acestea, există unele considerente importante de proiectare pentru inginerii mai familiarizați cu motoarele electrice IE2 decât cu cele de tip IE3 atunci când utilizează EMC-uri 3RT2. Caracteristicile care influențează proiectarea sistemului de control pentru motoarele IE3 includ curenți nominali mai mici, un raport mai mare al curentului de pornire și un curent de pornire mai mare (Figura 5).

Figura 5: curentul de anclanșare, curentul de pornire și curentul nominal al motorului sunt parametri cheie care trebuie luați în considerare la selectarea unui EMC pentru un motor trifazat de curent alternativ. (Sursa imaginii: Siemens)

Cheia eficienței crescute a motoarelor electrice IE3 este reprezentată de curenții nominali mai mici ai motorului. Cu toate acestea, IE3 nu specifică o creștere liniară a randamentului pe toată gama de putere a motorului electric. În schimb, este necesar ca eficiența motoarelor electrice de putere mai mică să crească mult mai mult în comparație cu tipurile IE2 decât cea a unităților de putere mai mare (consultați Figura 2 de mai sus). Asta înseamnă că, pentru motoarele electrice de putere mai mică, curentul nominal al motorului a fost redus considerabil în comparație cu tipul IE2. Rețineți că puterea similară este menținută prin creșterea tensiunii de funcționare.

Dezavantajul curentului nominal redus este o creștere a raportului curentului de pornire (curent de pornire/curent nominal) pentru motoarele mai eficiente. Acest lucru se întâmplă deoarece, deși curentul de pornire pentru un motor IE3 este mai mic, diferența dintre motoarele IE2 și IE3 de putere egală nu este la fel de pronunțată pentru curentul de pornire ca și pentru curentul nominal. În cazul motoarelor cu eficiență energetică mai mică, raportul curentului de pornire este mai mare decât cel al alternativelor cu putere mai mare.

Impactul creșterii raportului curentului de pornire este o creștere a curentului de anclanșare. Curentul de anclanșare este, în esență, un eveniment de compensare dinamică care rezultă din factori precum conectarea unei sarcini inductive (cum ar fi un motor) și din curenți tranzitorii dinamici și efecte de saturație în nucleele laminate ale motorului. Curentul de anclanșare, care poate fi de până la cinci ori mai mare decât FLA, poate deteriora motorul și alte sisteme (Figura 6).

Figura 6: curentul de anclanșare este mai mare pentru motoarele mai eficiente și mai mare pentru unitățile de putere mai mică. Proiectarea corespunzătoare a sistemului de control poate atenua efectele. (Sursa imaginii: Siemens)

Împreună cu alte componente de control modulare, EMC-urile 3RT2 pot fi utilizate într-un sistem de pornire de tip stea-triunghi („YΔ”) pentru a limita curentul de anclanșare. Prin pornirea motorului folosind tensiunea de linie completă pe înfășurările Y ale unității, aproximativ 58% din tensiunea de linie ajunge la fiecare fază a motorului, reducând curentul și menținând vârful de anclanșare la un nivel scăzut. Odată ce motorul atinge viteza sa nominală, funcționarea trece în modul Δ, moment în care se aplică întreaga tensiune (fără pericolul unui curent de anclanșare) la fiecare fază, iar motorul poate produce puterea completă.

Acest aranjament necesită un releu de suprasarcină amplasat direct în cablul de alimentare a motorului U1, V1, W1 (Figura 7). Acest lucru garantează că protecția la suprasarcină este eficientă pentru toate cele trei EMC-uri. Implementarea completă necesită un releu și trei EMC-uri 3RT2.

Figura 7: circuitul YΔ care cuprinde un releu de suprasarcină în cablul de alimentare a motorului și trei EMC-uri pentru comutarea alimentării în timpul pornirii motorului. (Sursa imaginii: Siemens.)

În timpul funcționării, partea Y a secvenței este declanșată prin închiderea concomitentă a EMC-urilor K1 și K3. După o perioadă de timp prestabilită (la aproximativ 80% din viteza maximă a motorului), un temporizator declanșează deschiderea lui K3 și închiderea lui K2, pentru a iniția partea delta pentru aplicarea puterii maxime la motor.

Concluzie

La comutarea sarcinilor de mare putere, cum ar fi motoarele trifazate de curent alternativ, EMC-urile reprezintă alternativa recomandată la EMR-uri. EMC-urile sunt proiectate pentru comutări de înaltă fiabilitate pe parcursul a zeci de milioane de operațiuni. Dispozitivele sunt disponibile pentru o gamă largă de puteri ale motoarelor, variind de la câțiva până la sute de kilowați.

După cum s-a arătat, EMC-urile Siemens SIRIUS 3RT2 sunt potrivite pentru comutarea motoarelor trifazate de curent alternativ de la 2 la 25 kW, iar designul lor modular asigură o instalare ușoară în sistemele de control. Deși EMC-urile SIRIUS sunt relativ ușor de instalat, trebuie să se acorde atenție la implementarea sistemului de control, pentru a evita deteriorarea motorului din cauza curentului de anclanșare excesiv.