Noțiuni de bază despre contactoarele de motor și aplicarea lor

Aplicații precum încălzirea, ventilația și climatizarea (HVAC), compresoarele, pompele, manipularea materialelor și ambalarea necesită utilizarea și controlul în siguranță al motoarelor mari care funcționează la tensiuni și curenți mari. Controlul acestor motoare electrice de mari dimensiuni reprezintă o problemă pentru proiectanți, deoarece aceștia trebuie să asigure o izolare adecvată între motor și circuitul de control. În plus, tensiunile și curenții mari pot genera fenomene tranzitorii electromagnetice semnificative care pot deteriora comenzile electronice.

Releele electromagnetice oferă control de la distanță cu izolare, dar au propriile limitări. Deschiderea și închiderea conexiunilor de alimentare la un motor de mare putere generează arcuri electrice care uzează suprafețele de contact ale releelor, reducând durata de viață a contactului.

Soluția la această problemă este un contactor electromagnetic, o clasă specială de relee destinate controlului motoarelor. Pe lângă construcția mai robustă și contactele mai mari și mai robuste decât ale releelor, acestea utilizează tehnici de suprimare a arcului electric care includ materiale speciale și închiderea și deschiderea mai rapidă a contactelor.

Acest articol examinează elementele de bază ale contactoarelor electromagnetice pentru motoare și avantajele acestora față de alte abordări ale controlului motoarelor. Apoi se discută despre modul în care acestea sunt selectate și aplicate, folosind exemple de configurare din lumea reală din familia Schneider Electric Easy TeSys.

Cum funcționează contactoarele

Contactoarele electromagnetice sunt alcătuite dintr-un electromagnet construit pe un miez tip „E”. Mai exact, o bobină izolată electric este înfășurată concentric în jurul piciorului central al miezului. Bobina este excitată de sursa de tensiune de control, care poate fi c.a. sau c.c. Atunci când bobina este alimentată, forța electromagnetică atrage o armătură situată la capătul deschis al miezului (Figura 1).

Figura 1: O diagramă funcțională simplificată a unui contactor, care îl prezintă atât în starea decuplată, cât și în cea cuplată. (Sursa imaginii: Art Pini)

Contactele electrice sunt cuplate mecanic la armătură. Dispunerea contactelor variază în funcție de modelul de contactor: acestea pot fi normal deschise (NO) sau o combinație de normal deschis și normal închis (NC). Pot exista mai multe contacte izolate. De exemplu, un contactor trifazat va avea trei seturi de contacte de alimentare, câte unul pentru fiecare fază. Atunci când armătura este trasă spre interior, contactele NC se deschid, iar contactele NO se închid. În plus, multe contactoare includ un set auxiliar de contacte de putere mai mică care sunt utilizate pentru a monitoriza starea contactorului, cuplată sau decuplată.

Materialele de contact sunt alese pentru rezistență ridicată, conductivitate electrică excelentă și rezistență la efectele arcului electric și ale oxidării. Geometria de contact este proiectată pentru a face față nivelurilor de putere prevăzute și pentru a suprima arcurile electrice.

Toate elementele contactorului sunt închise într-o carcasă, care izolează electric contactele, oferind în același timp o metodă simplă de conectare a cablurilor de alimentare, de sarcină și de bobină. De asemenea, carcasa oferă un suport de montare, care se poate face pe panou sau pe șină DIN (Figura 2).

Figura 2: Exemple de carcase tipice de contactor; montare pe panou (stânga) și montare pe șină DIN (dreapta). (Sursă imagine: Schneider Electric)

Contactoarele Schneider Electric Easy TeSys (seria DPE) sunt adăpostite într-o carcasă compactă cu o lățime de numai 45 de milimetri (mm) și pot fi montate pe un panou sau pe o șină DIN. Carcasa are un grad de protecție la infiltrare IP20, ceea ce indică protecție pentru degete. Toate contactoarele din această serie includ un contact auxiliar normal deschis. Această serie de contactoare trifazate este aprobată de UL/CSA cu puteri nominale de până la 32 de amperi, 20 de cai putere la 480 de volți c.a. (HP/480 Vc.a.) și 25 HP/600 Vc.a., cu o varietate de tensiuni de excitație a bobinei de comandă (Tabelul 1).

Tabelul 1: Exemplele selectate din seria de contactoare Schneider Electric Easy TeSys DPE arată varietatea de selecții de curent operațional și de tensiune a bobinei de comandă pe care o oferă gama. (Sursa tabelului: Art Pini)

Aceste dispozitive oferă o durată de viață operațională de aproximativ 1 milion de operațiuni electrice. Contactoarele Easy TeSys sunt potrivite pentru aplicațiile descrise în categoriile de utilizare specificate în standardul IEC 60947. Curentul nominal al fiecărui contactor depinde de categoria de utilizare. De exemplu, categoria AC-1 descrie aplicațiile în care sarcina este neinductivă sau doar ușor inductivă, cum ar fi un cuptor pe bază de rezistență. În principal, aceste aplicații au sarcini rezistive, care prezintă mai puține probleme cu tensiunile și curenții tranzitorii.

Categoria AC-3 se referă la aplicațiile pentru motoarele de inducție cu înfășurare în colivie în care motorul este pornit și, uneori, se poate întrerupe alimentarea pentru a opri motorul. Motoarele sunt dispozitive inductive, iar operațiunile de pornire și oprire rezultă în fenomene tranzitorii inductive care exercită o presiune mai mare asupra contactorului.

Aplicațiile din categoria AC-4 solicită mai mult contactorul. Această categorie acoperă motoarele de inducție cu înfășurare în colivie și motoarele cu inel alunecător supuse la frânare cu curent invers și la „jogging” sau „inching”. „Jogging” sau „inching” se referă la „aplicarea rapidă și repetată a alimentării pentru a porni un motor din repaus în scopul de a realiza mici mișcări ale motorului”. „Jogging” se referă în general la pornirea unui motor cu impulsuri scurte de putere la tensiune maximă. În mod similar, „inching” înseamnă pornirea unui motor cu impulsuri scurte la tensiune redusă. Aplicările multiple ale puterii generează cel mai mare nivel de solicitare a contactorului.

Potrivirea unui anumit contactor Easy TeSys DPE cu un motor sau o aplicație similară de mare putere se bazează în primul rând pe curentul gestionat. Catalogul Schneider Electric Easy TeSys conține ajutoare pentru selecție în funcție de puterea motorului, categoria de utilizare și durata de viață operațională necesară (Figura 3).

Figura 3: Ghidul de selecție Easy TeSys DPE pentru motoare din categoria de utilizare AC-3 în funcție de puterea motorului și de durata de viață dorită a contactorului. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Figura 3 prezintă unul dintre cele trei ghiduri de selecție legate de categoria de utilizare a dispozitivului care este controlat. Este pentru categoria de utilizare AC-3, în principiu un motor care poate fi oprit rar. Atunci când motorul este oprit, curentul este egal cu curentul de funcționare. Ca exemplu, luați în considerare găsirea unui contactor Easy TeSys DPE pentru un motor trifazat de 5,5 kilowați (kW), care funcționează la 400 de volți cu un curent operațional de 11 A, în cazul în care durata de viață operațională dorită este de două milioane de cicluri. Pornind de la linia de tensiune de 400 de volți, proiectantul trebuie să localizeze 5,5 kW și, de acolo, să proiecteze o linie în sus până când aceasta intersectează linia de două milioane de operațiuni. Cel mai apropiat loc geometric al modelului DPE (în albastru) este DPE 18.

Un exemplu de categorie de utilizare AC-4, în care motorul este oprit și repornit frecvent, implică curenți mai mari în cel mai rău caz. Luați în considerare un motor trifazat, de 5,5 kW, care funcționează la 400 de volți cu un curent operațional de 11 A într-o aplicație AC-4 în care este decuplat în timp ce motorul este oprit. Durata de viață operațională dorită este de 300.000 de operațiuni.

Curentul de oprire pentru acest motor este de șase ori mai mare decât curentul de funcționare, ceea ce necesită un contactor cu un nivel de curent mai ridicat (Figura 4).

Figura 4: Ghidul de selectare a DPE Easy TeSys pentru categoria de utilizare AC-4. Rețineți că în cea mai rea situație curenții pot fi mult mai mari din cauza posibilității de a elimina energia de la motor în timp ce acesta este oprit. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Pentru a găsi contactorul recomandat, începeți cu curentul de oprire, de 66 A, care este de șase ori mai mare decât curentul de funcționare, de 11 A. Se proiectează în sus de pe axa curentă până la intersecția cu linia care reprezintă 0,3 milioane de operațiuni. Cel mai apropiat loc geometric al produsului este DPE32.

Contactoarele Easy TeSys din seria DPE acoperă cele mai comune configurații și aplicații ale motoarelor, cum ar fi benzi transportoare, utilaje de ambalare, pompe, compresoare, încălzire și ventilație, aer condiționat, refrigerare și altele.

De asemenea, familia Easy TeSys include o serie de relee de suprasarcină termică complementare, concepute pentru a proteja circuitele și motoarele c.a. împotriva suprasarcinilor, a defecțiunilor de fază, a timpilor de pornire prelungiți și a stării de blocare a rotorului. Aceste relee monitorizează curentul motorului, iar atunci când curentul depășește valoarea limită de curent setată, contactele se deschid și opresc motorul. Există cincisprezece modele diferite și fiecare are o gamă de niveluri de declanșare a curentului care pot fi reglate. Modelele de protecție la suprasarcină sunt compatibile cu contactoarele Easy TeSys selectate de la DPE09 la DPE38. Acestea se conectează direct la bornele inferioare ale contactoarelor trifazate, folosind bornele cu clemă cu șurub ale contactorului. Combinația are o lățime comună de 45 mm și poate fi montată pe șină DIN sau înșurubată pe un panou cu ajutorul suportului pentru contactor DPE (Figura 5).

Figura 5: Releul de protecție la suprasarcină se montează direct sub contactorul DPE și este fixat cu ajutorul conexiunilor cu clemă cu șurub ale contactorului. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Releul de suprasarcină termică Easy TeSys DPER32, cu o putere nominală de 32 A/690 de volți, are un interval de declanșare termică reglabil de 23-32 A, clasa de declanșare 10 (cu o suprasarcină de șase ori mai mare decât nivelul presetat, dispozitivul de protecție împotriva suprasarcinii se va declanșa în 10 secunde), pentru protecția motoarelor trifazate cu o putere nominală de 15 kW la 400 volți. Este un dispozitiv diferențial cu detectarea defecțiunilor de fază și a dezechilibrului de sarcină. Acesta are un cadran de reglare termică, un selector de resetare manuală/automată, un selector de testare pentru simularea unei declanșări, butoane de resetare și oprire, un indicator de semnalizare și două contacte auxiliare (1 NO + 1 NC) pentru semnalizarea defecțiunilor. Setările utilizatorului sunt protejate de un capac transparent care poate fi încuiat. Întreaga familie de dispozitive de protecție pentru suprasarcină termică este certificată conform mai multor standarde, inclusiv IEC, UL și CUL.

Concluzie

Proiectanții aplicațiilor pentru motoare cu tensiuni și curenți de funcționare mari au nevoie de o modalitate fiabilă de a izola circuitele de control asociate și de a le proteja de radiațiile electromagnetice. Contactoarele tripolare DPE Easy TeSys, împreună cu releele de suprasarcină termică DPER Easy TeSys, sunt concepute pentru a comuta și proteja cele mai frecvente cazuri de utilizare a motoarelor. Gama largă de modele care acoperă mai multe niveluri de curent și tensiune facilitează configurarea acestora în funcție de cerințele unei aplicații specifice.