Sähkömekaanisten kontaktorien valinta ja käyttö suurissa kolmivaiheisissa AC-moottoreissa

Kun melko suuria, eristettyjä jännitteitä ja virtoja on tarpeen kytkeä pienellä jännitesignaalilla, suunnittelijat etsivät ratkaisua tyypillisesti releistä. Perinteinen pienjännitekytkin aktivoi releen, joka puolestaan kytkee suurteholähteen. Sähkömekaaniset releet (EMR) ovat edullisia ja pystyvät käsittelemään melko suuria jännitteitä. Puolijohdereleiden (SSR) käyttö puolestaan eliminoi kontaktien kulumisen ja valokaarten muodostumisen.

Molemmat näistä ratkaisuista joutuvat kuitenkin vaikeuksiin, kun tehtävänä on kytkeä toistuvasti useita satoja voltteja ja kymmeniä ampeereita (tai jopa suurempia virtoja). Näin suurilla kuormilla muodostuvat valokaaret kuluttavat sähkömekaanisen releen koskettimet nopeasti loppuun, ja vuotovirrat taas kuumentavat puolijohdereleitä liikaa. Tällaisiin erittäin vaativiin sovelluksiin tarvitaankin toinen ratkaisu.

Vähemmän tuttu sähkömekaaninen kontaktori (EMC) on lujatekoinen vaihtoehto releille. Näiden laitteiden teknologia on vakiintunutta, ja niitä on saatavana monilta tunnetuilta toimittajilta. Koska vaihtoehtoja on kymmenittäin, valitseminen voi olla vaikeaa, ellei kontaktorin toimintaa ymmärretä perusteellisesti.

Tässä artikkelissa selostetaan lyhyesti sähkömekaanisten releiden ja kontaktorien väliset erot, kuvaillaan kontaktorien toimintaa ja keskitytään sen jälkeen siihen, miten tietty sovellus vaikuttaa tuotteen valintaan eli onnistuneen ratkaisun ensimmäiseen vaiheeseen. Erilaisia vaihtoehtoja kuvaillaan IE3-sähkömoottorissa käytettävien Siemens SIRIUS 3RT ‑sarjan tehokontaktorien avulla.

Sähkömekaanisten releiden ja kontaktorien ero

Suuren kolmivaihemoottorin kaltaisen suuritehoisen laitteen ohjaamiseen ei kannata käyttää kytkintä, koska koko virtapiirin virta kulkee kytkimen kautta sen ollessa suljettuna. Kytkentähetkellä muodostuu vaarallisia valokaaria jolloin kytkin kuumenee. Suuritehoisen piirin kytkentään kannattaakin käyttää pienitehoista piiriä, joka kytketään päälle ja pois päältä tavallisella kytkimellä, ja sähkömekaanista relettä käytetään juuri tähän.

Sähkömekaanisissa releissä hyödynnetään pienitehoisessa virtapiirissä olevaa käämiä. Sen muodostama magneettikenttä tuottaa impulssin liikkuvaan ytimeen, joka puolestaan avaa tai sulkee koskettimet (normaalisti suljetut (NC) tai normaalisti avoimet (NO)). Sähkömekaanisilla releillä voidaan kytkeä vaihto- tai tasavirtakuormia niiden nimellisarvojen sisällä. Sähkömekaanisten releiden tärkeimpiä etuja ovat niiden edullisuus ja taattu eristys kaikilla laitteen läpilyöntilujuutta pienemmillä jännitteillä. (Katso ”Miten rajoittaa EMI-häiriöitä ja täyttää kriittiset standardit käyttämällä erityisiä matalakohinaisia puolijohdereleitä”.)

EMR pystyy kuitenkin käsittelemään vain rajallisen tehon. Jos kuormana on esimerkiksi kolmivaihemoottori, jonka teho on suurempi kuin muutaman kilowatin (kW) luokkaa, kytkeminen EMR-releellä synnyttää valokaaria ja kuluttaa releen nopeasti loppuun. Vaihtoehtona onkin kontaktori, vaativaan käyttöön tarkoitettu, kestävä releen teollinen vastine, joka on suunniteltu kytkemään suuria kuormia luotettavasti kymmenien miljoonien syklien ajan (kuva 1).

Kuva 1: Sähkömekaanisia kontaktoreja käytetään vaativissa kytkentäsovelluksissa releiden sijaan. (Kuvan lähde: Siemens)

Kontaktorit voidaan kytkeä turvallisesti suurta virtaa vaativiin laitteisiin ja niihin on yleensä suunniteltu ominaisuudet, joilla hallitaan suurta kuormaa kytkettäessä syntyvää valokaarta ja vaimennetaan sitä. Laitteiden toiminta perustuu releiden tapaan jännitteen syöttämiseen käämiin ja ytimen liikkeeseen. Niissä on lähes aina NO-koskettimet, mutta myös NC-koskettimia on saatavana. NO-koskettimien käytöllä varmistetaan, että kun virransyöttö kontaktoriin katkeaa, koskettimet aukeavat ja katkaisevat virransyötön suurivirtaiseen laitteeseen. Laitteissa on yksi tai useampi kosketinpari eli napa.

Kontaktorin valinta

Valinta sähkömekaanisen releen ja kontaktorin kesken on melko helppo. Kontaktorit ovat kalliimpia, mutta ne ovat ainoa sopiva vaihtoehto sovelluksiin, joissa kuormat ovat suuria. Tehtävään parhaiten sopivan kontaktorin valinta onkin vaikeampi ratkaisu kuin itse päätös käyttää kontaktoria. Valintaprosessi kannattaa aloittaa määrittämällä vaadittava huippukuormitusvirta (full-load amperage, FLA) sovelluksen käyttöjännitteellä. Se määrittää tarvittavan virtakuormitusluokan kontaktorille.

Esimerkiksi kolmivaihemoottorin valmistaja ilmoittaa teknisissä tiedoissa yleensä käyttöjännitteen ja FLA-arvon. Jos näitä tietoja ei ole käytettävissä, suunnittelija voi tutustua esimerkiksi yhdysvaltalaisen National Electrical Coden (NEC) taulukkoon, jossa esitetään erilaisten kolmivaihemoottorien FLA-tiedot nimellistehon ja syöttöjännitteen perusteella. Moottorit jaetaan eri luokkiin International Electrotechnical Commissionin (IEC) moottoriluokitusten mukaisesti. Esimerkiksi 375-wattisen kolmivaihemoottorin, jonka käyttöjännite on 110 volttia, FLA on 4,4 ampeeria (A), kun taas 220 voltin käyttöjännitettä käyttävän 1,1 kW:n moottorin FLA on 6 A.

Suunnittelijan täytyy seuraavaksi määrittää kontaktorin käyttämä ohjausjännite. Se voi olla sama kuin moottorin käyttöjännite, mutta siihen valitaan usein turvallisuussyistä pienempi jännite. Kontaktorien ohjausjännitteet ovat tyypillisesti aina alle 250 volttia AC.

Lisäksi on otettava huomioon, miten moottori toimii kyseisessä sovelluksessa. Esimerkiksi kahdessa erilaisessa sovelluksessa voidaan käyttää teknisiltä tiedoiltaan toisiaan vastaavia kolmivaihemoottoreita. Sovellukseen, jossa moottori on päällä tai pois päältä pitkiä aikoja kerrallaan, tarvitaan kuitenkin erilainen kontaktori kuin moottoriin, jota kytketään usein päälle ja pois päältä. Jälkimmäiseen kohdistuu toistuvia virtakuormia, minkä vuoksi ratkaisuun täytyy valita kestävämpi tuote.

IEC-käyttöluokat (”koodit”) ovat hyvä lähtökohta tiettyyn sovellukseen sopivan kontaktorin valinnalle. Jos kontaktorin koodi on esimerkiksi ”AC-3”, se soveltuu häkkikäämittyihin sähkömoottoreihin (eräs yleinen induktiomoottorityyppi) sovelluksissa, joissa moottori kytketään päälle ja pois päältä säännöllisesti. ”AC-20” puolestaan soveltuu kuormien kytkemiseen ja katkaisemiseen nollavirtatilanteissa. IEC-koodiltaan väärä kontaktori saattaa kyllä toimia tietyssä sovelluksessa, mutta sen käyttöikä jää todennäköisesti huomattavammaksi lyhyemmäksi kuin oikein valitun kontaktorin.

IEC-koodit kannattaa ottaa huomioon myös kuorman tyypin osalta (resistiivinen vai induktiivinen), koska tämä vaikuttaa huomattavasti kontaktorin valintaan . Esimerkiksi sähkömoottorit ovat induktiivisia kuormia kun taas lämmitin on resistiivinen.

Kontaktorissa tarvittava napojen määrä on myös otettava huomioon, samoin se, onko kytkentätyyppi NO vai NC. Sovelluksessa saatetaan tarvita esimerkiksi kolme napaa siten, että sähkömoottorin jokaiselle vaiheelle on oma NO-koskettimensa, minkä lisäksi yksi NC-pari kytkee ledivalon ilmaisemaan, että moottoriin syötetään virtaa, mutta se ei pyöri.

Kontaktorien kautta kulkee usein melko suuria jännitteitä ja virtoja, joten on tärkeää varmistaa, että laitteen eristysluokka täyttää kaikki sovelluksen turvallisuusvaatimukset.

Koska merkittävä osuus sähköntuotannosta kulutetaan moottoreissa, Yhdysvalloissa ja EU:ssa on asetettu säännöksiä, joilla pyritään parantamaan moottorien hyötysuhdetta. EU:n energiahyötysuhdetasot esitetään IE-hyötysuhdetasoina (International Energy) (kuva 2). Nykyisten sääntöjen mukaan moottorin luokituksen on nimellistehon ja muiden ominaisuuksien mukaan vaihdellen oltava joko IE2 (High Efficiency), IE3 (Premium Efficiency) tai IE4 (Super Premium Efficiency). Kontaktori vaikuttaa sähkömoottorin hyötysuhteeseen, joten jos ohjausjärjestelmä on tarkoitettu käytettäväksi EU:ssa, se on tärkeää suunnitella oikean IE-hyötysuhdeluokan mukaisesti. Moottorien täytyy Yhdysvalloissa täyttää NEMA (National Electrical Manufacturers Association) Premium -tason hyötysuhde, jonka saavuttaminen edellyttää IE3-tasoa vastaavien vaatimusten täyttämistä. Australian vaatimukset ovat samankaltaisia kuin Yhdysvaltojen.

Kuva 2: Sähkömoottorien IE-hyötysuhdevaatimuksista näkyy miten tehokkuusparannukset suuremmat pienempitehoisille moottoreille. IE1- ja IE2-luokan moottorit eivät Yhdysvaltojen tai EU:n säännösten mukaan ole enää sallittuja. (Kuvan lähde: Siemens)

Kaupalliset tuotteet

Saatavana on laaja valikoima laadukkaita kontaktoreja lähes kaikenlaisiin suuren kuormituksen sovelluksiin. Esimerkiksi Siemens Sirius 3RT2 ‑valikoiman kontaktorit täyttävät nykyaikaisten sähkömoottorien kytkennässä ja muissa sovelluksissa käytettävien tuotteiden vaatimukset. Laitteet on suunniteltu erittäin käyttövarmoiksi. Niiden koskettimet ovat erittäin luotettavat, ne kestävät käyttöä korkeissa lämpötiloissa ja toimivat pitkään. Näitä tehokontaktoreja voidaan käyttää jopa 60 °C:n lämpötilassa sen vaikuttamatta niiden toimintaan, ja ne voidaan asentaa jopa rinnakkain. Valikoiman kontaktorit on luokiteltu luokkiin AC-1 (ei-induktiiviset tai hieman induktiiviset kuormat, kuten lämmittimet), AC-3 (usein kytkettävät häkkikäämityt sähkömoottorit) ja AC-4 (häkkikäämityt sähkömoottorit: käynnistys, kytkeminen kiinni, nykäyskäyttö). Kaikki SIRIUS 3RT2 ‑tuotteet on suunniteltu käytettäväksi IE3- ja IE4-luokan moottoreissa.

SIRIUS 3RT2 ‑valikoiman 3RT20152AP611AA0 on kolminapainen NO-tyyppinen EMC, jonka koskettimien koko on S00 ja joka on tarkoitettu AC-3-sovelluksiin. Sen ohjausjännite on 220–240 volttia AC. Laitteen lähtöjännite on 400 tai 690 volttia ja maksimivirta 7 A (400 volttia) tai 4,9 A (690 volttia) nimellismaksimitehon ollessa 3 kW (400 volttia) tai 4 kW (690 volttia). Koskettimet sulkeutuvat alle 35 millisekunnissa (ms) ja avautuvat alle 14  millisekunnissa.  Sen maksimikytkentätaajuus kuormitettuna on 750 sykliä tunnissa. Käyttöikä on 30 miljoonaa sykliä ja vikataajuus 1/100 miljoonaa. Tällä kontaktorilla kytketyn kolmivaihemoottorin FLA on 4,8 A, jos moottorin nimellisjännite on 480 volttia, ja 6,1 A, jos nimellisjännite on 600 volttia. Tämä riittää tehonsyöttöön 2,2 kW:n (480 volttia) tai 3,7 kW:n (600 volttia) moottorille (kuva 3).

Kuva 3: Sähkömekaanisessa releessä 3RT20152AP611AA0 on kolme NO-napaa, joten sitä voidaan käyttää kolmivaihemoottorin ohjaamiseen. (Kuvan lähde: Siemens)

SIRIUS-tuotevalikoiman toisessa ääripäässä on 3RT20261AP60. Myös se on kolminapainen NO-EMC, joka on tarkoitettu AC-3-käyttöön, mutta sen koskettimien koko on S0. Sen ohjausjännite on 220–240 volttia AC. Laitteen lähtöjännite on 400 tai 690 volttia ja maksimivirta 25 A (400 volttia) tai 13 A (690 volttia) nimellismaksimitehon ollessa 11 kW molemmilla lähtöjännitteillä. Kytketyn kolmivaihemoottorin FLA on 21 A, jos moottorin nimellisjännite on 480 volttia, ja 22 A, jos nimellisjännite on 600 volttia. Tämä riittää tehonsyöttöön 11,2 kW:n (480 volttia) tai 14,9 kW:n (600 volttia) moottorille.

Siemens SIRIUS 3RT2 ‑kontaktorit soveltuvat monenlaisiin käyttötarkoituksiin, mutta ne on optimoitu IE3- tai NEMA Premium ‑hyötysuhdetason moottoreille. Näiden tasojen vaatimuksiin kuuluu, että EMC on tehokas osa moottorin ohjausjärjestelmää. Tämän vaatimuksen täyttämiseksi kontaktorien suunnittelussa käytetään esimerkiksi kestomagneetteja, jotka pienentävät käämin virrankulutusta, sekä elektronisia kelaohjaimia. Niiden ansiosta laitteen pitovirta (jolla kosketin pidetään suljettuna) on mahdollisimman pieni. Kontaktorien sisäiset tehohäviöt ovat laskeneet 92 % aikaisempiin laitteisiin verrattuna.

Esimerkiksi 3RT20171BB41-tehokontaktorilla voidaan kytkeä kontaktorin jännitteestä riippuen 2,2–7,5 kW:n kolmivaihemoottoreita. Sen häviö on 1,2 wattia napaa kohden eli yhteensä 3,6 wattia, kun sähkömoottorille syötetään täysi teho.

Kontaktorin käyttö IE3-moottorin käynnistämiseen

Moottorin voimansiirrossa on useita komponentteja, joilla varmistetaan sen turvallinen ja luotettava toiminta. Laitteistossa voi olla esimerkiksi seuraavat komponentit:

• suojalaite (esim. moottoria suojaava käynnistin ja/tai ylikuormitusrele)
• käynnistysyksikkö (esim. EMC)
• ohjain (esim. moottorinohjausjärjestelmä)
• ohjauslaite (esim. taajuusmuuttaja)
• sähkömoottori
• vaihdelaatikko
• kaapelointi
• käytettävä kone.

SIRIUS 3RT2 ‑kontaktorit ovat modulaarisia laitteita, jotka asennetaan DIN-kiskoon (tai ruuvataan paikalleen) yhdessä muiden komponenttien kanssa. Kontaktorit on suunniteltu käytettäväksi yhdessä sisarmoduuliensa kanssa, jolloin niiden avulla voidaan toteuttaa moottorin voimansiirrolle tarvittava ohjausosio (kuva 4). Moduulirakenteen ansiosta kotelossa tarvitaan vähemmän johtoja, ja koska kytkentään voidaan käyttää jousikuormitettuja koskettimia, erikoistyökaluja ei tarvita.

Kuva 4: SIRIUS 3RT2 ‑sarjan modulaarisia laitteita on helppo käyttää moottorin ohjausjärjestelmässä. Tässä käytetään 24 voltin DC-signaalilla ohjattavaa sähkömekaanista relettä 3RT20171BB41 liukuhihnan moottorin ohjauksen suojalaitteena ja ylikuormitusreleenä. (Kuvan lähde: Siemens)

Jos EMC on valittu huolellisesti, sitä voidaan käyttää ohjausjärjestelmässä plug-and-play‑elementin tapaan. 3RT2-tehokontaktorit on optimoitu 1–15 kW:n IE3-sähkömoottorien ohjaamiseen. Se ei rajoita suorakäynnistyksen eikä peruutuskäynnistyksen käyttöä. 3RT2-kontaktorien käyttöön liittyy kuitenkin joitakin seikkoja, joihin kannattaa kiinnittää huomiota etenkin, jos IE2-sähkömoottorit ovat tutumpia kuin IE3-tyypin moottorit. IE3-moottorien ohjausjärjestelmän suunnitteluun vaikuttavat esimerkiksi pienet nimellisvirrat, suuret käynnistysvirtasuhteet sekä korkeat kytkentävirtapiikit (kuva 5).

Kuva 5: Moottorin kytkentävirtapiikki sekä käynnistys- ja nimellisvirta on otettava huomioon kolmivaiheisen AC-moottorin kontaktoria valittaessa. (Kuvan lähde: Siemens)

Salaisuus IE3-sähkömoottorien hyötysuhteeseen on moottorien alhainen nimellisvirta. IE3-luokitus ei kuitenkaan tarkoita, että hyötysuhteen pitäisi kasvaa lineaarisesti sähkömoottorin koko tehoalueella, vaan pienempitehoisten moottorien hyötysuhteen täytyy kasvaa IE2-luokkaan nähden huomattavasti enemmän kuin tehokkaampien moottorien (ks. kuva 2 edellä). Näin ollen pienempitehoisten sähkömoottorien nimellisvirran on oltava huomattavasti pienempi kuin IE2-tyypin moottoreilla. Huomaa, että teho säilyy ennallaan käyttöjännitteen nostamisen ansiosta.

Pienemmän nimellisvirran haittapuolena on käynnistysvirtasuhteen kasvaminen (käynnistysvirta/nimellisvirta) tehokkaammissa moottoreissa. Tämä johtuu siitä, että vaikka IE3-moottorin käynnistysvirta on pieni, samantehoisten IE2- ja IE3-moottorien käynnistysvirtojen ero ei ole yhtä suuri kuin nimellisvirtojen. Pienemmän hyötysuhteen moottorien käynnistysvirtasuhde on suurempi kuin vastaavien, hyötysuhteeltaan parempien moottorien.

Käynnistysvirtasuhteen kasvaminen kasvattaa kytkentävirtapiikkiä. Kytkentävirtapiikki on käytännössä dynaaminen kompensointitapahtuma, joka johtuu esimeriksi induktiivisen kuorman kytkemisestä (esimerkkinä moottori) ja dynaamisista virtatransientti- ja saturaatiovaikutuksissa moottorin laminoiduissa ytimissä. Kytkentävirtapiikin suuruus voi olla jopa viisi kertaa FLA, ja se saattaa vaurioittaa moottoria ja muita järjestelmiä (kuva 6).

Kuva 6: Tehokkaampien moottorien kytkentävirtapiikki on korkeampi ja pienempitehoisilla moottoreilla se on suhteessa suurempi. Sopiva ohjausjärjestelmä voi vaimentaa näitä vaikutuksia. (Kuvan lähde: Siemens)

3RT2-kontaktoreja voidaan käyttää yhdessä muiden modulaaristen ohjauskomponenttien kanssa tähti-kolmiokäynnistysjärjestelmänä (”YΔ”) kytkentävirtapiikin rajoittamiseksi. Kun moottori käynnistetään ohjaamalla koko linjajännite laitteeseen tähtikäämien kautta, kuhunkin vaiheeseen menee noin 58 % linjajännitteestä, mikä vähentää virtaa ja vaimentaa kytkentävirtapiikkiä. Kun moottori on saavuttanut nimellisnopeutensa, se kytketään kolmiotilaan, jolloin jokaiseen vaiheeseen kohdistuu täysi jännite (ilman kytkentävirtapiikin vaaraa) ja moottori tuottaa täyden tehon.

Tällaisessa järjestelyssä tarvitaan ylikuormitusrele suoraan moottorin syöttökaapeleihin U1, V1, W1 (kuva 7). Näin varmistetaan, että kaikki kolme kontaktoria ovat suojassa ylikuormitukselta. Toteutukseen tarvitaan releen lisäksi kolme 3RT2-kontaktoria.

Kuva 7: Tähti-kolmiopiiri sisältää ylikuormitusreleen moottorin syöttökaapelissa ja kolme kontaktoria, joilla virta kytketään moottorin käynnistysvaiheessa. (Kuvan lähde: Siemens.)

Sekvenssin tähtiosuus käynnistyy, kun kontaktorit K1 ja K3 suljetaan samanaikaisesti. Ajastin laukaisee K3:n avautumaan ja K2:n sulkeutumaan ennalta määritetyn ajan kuluttua (kun moottorin nopeus on noin 80 % täydestä nopeudesta), jolloin moottori siirtyy kolmiokäyttötilaan ja toimii täydellä teholla.

Yhteenveto

Kolmivaiheisten AC-moottorien kaltaisia suuritehoisia kuormia kytkettäessä kontaktori on parempi vaihtoehto kuin sähkömekaaninen rele. Kontaktorit on suunniteltu huolehtimaan kytkemisestä luotettavasti kymmenien miljoonien syklien ajan. Saatavana on laitevaihtoehtoja laajalle moottorien tehoalueelle muutamasta kilowatista satoihin kilowatteihin.

Kuten artikkelissa edellä esitetään, Siemens SIRIUS 3RT2 ‑kontaktorit soveltuvat 2–25 kW:n kolmivaiheisten AC-moottorien ohjaamiseen, ja ne on moduulirakenteisina helppo asentaa ohjausjärjestelmiin. Vaikka SIRIUS-kontaktorit on melko helppo asentaa, ohjausjärjestelmän toteutukseen on syytä kiinnittää huomiota, ettei liian korkea kytkentävirtapiikki vaurioita moottoria.