Moottorikontaktorien perusteet ja niiden käyttö

Sellaiset sovellukset kuten lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointilaitteet (LVI), kompressorit, pumput, materiaalinkäsittely ja pakkaaminen vaativat korkeilla jännitteillä ja virroilla toimivien kookkaiden moottoreiden turvallista käyttöä ja ohjausta. Näiden kookkaiden sähkömoottorien ohjaus on suunnittelijoille haastavaa, koska moottorin ja ohjauspiirin välille on luotava riittävä erotus. Lisäksi korkeat jännitteet ja virrat voivat aiheuttaa huomattavia sähkömagneettisia transientteja, jotka voivat vahingoittaa elektronista ohjausta.

Sähkömagneettiset releet tarjoavat etäohjauksen ja erotuksen, mutta niillä on omat rajoituksensa. Korkeatehoisen moottorin virtaliitäntöjen avaaminen ja sulkeminen synnyttää valokaaria, jotka kuluttavat releen kosketuspintoja ja lyhentävät koskettimien käyttöikää.

Ratkaisu tähän ongelmaan on sähkömagneettinen kontaktori, joka kuuluu moottorin ohjaukseen tarkoitettuun erityiseen releluokkaan. Niiden rakenne on lujatekoisempi ja niiden koskettimet ovat suurempia ja kestävämpiä kuin releissä. Lisäksi niissä käytetään valokaaren sammutustekniikoita, joihin sisältyvät erikoismateriaalit ja nopeampi koskettimien sulkeutuminen ja avautuminen.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ensin sähkömagneettisten moottorikontaktorien perusteita ja niiden etuja muihin moottorinohjausmenetelmiin verrattuna. Sen jälkeen artikkelissa käsitellään niiden valintaa ja käyttöä Schneider Electricin Easy TeSys -tuoteperheen reaalimaailman konfiguraatioesimerkkien avulla.

Miten kontaktorit toimivat

Sähkömagneettiset kontaktorit koostuvat ”E”-ydintä käyttävästä sähkömagneetista. Sähköisesti erotettu käämi on kierretty samankeskisesti ytimen keskihaaran ympärille. Käämi magnetoidaan ohjausjännitelähteellä, joka voi olla joko AC tai DC. Kun käämi energisoidaan, sähkömagneettinen voima vetää sisään ytimen avoimessa päässä sijaitsevan ankkurin (kuva 1).

Kuva 1: Kontaktorin yksinkertaistettu toimintakaavio näyttää sekä jännitteettömän että jännitteisen tilan. (Kuvan lähde: Art Pini)

Sähkökoskettimet on mekaanisesti kytketty ankkuriin. Kosketinjärjestys vaihtelee kontaktorimallin mukaan: ne voivat olla normaalisti avoimia (NO) tai normaalisti avoimen ja normaalisti suljetun (NC) yhdistelmä. Eristettyjä koskettimia voi olla useita. Esimerkiksi kolmivaihekontaktoriin kuuluu kolme sarjaa virtakoskettimia, yksi kutakin vaihetta varten. Kun ankkuri vedetään sisään, NC-koskettimet avautuvat ja NO-koskettimet sulkeutuvat. Lisäksi moniin kontaktoreihin kuuluu pienempitehoisten apukoskettimien sarja, jota käytetään kontaktorin tilan (energisoitu tai ei-energisoitu) seuraamiseen.

Kosketinmateriaalien valintakriteereitä ovat korkea lujuus, erinomainen sähkönjohtavuus sekä kestävyys valokaaria ja hapettumista vastaan. Kosketingeometria on suunniteltu siten, että se kestää tavoitevirtatasot ja estää valokaarien syntymisen.

Kaikki kontaktorin elementit on sijoitettu koteloon, joka eristää koskettimet sähköisesti ja tarjoaa samalla yksinkertaisen tavan liittää virta-, kuorma- ja käämijohdot. Kotelo tukee asennusta joko paneeliin tai DIN-kiskoon (kuva 2).

Kuva 2: Esimerkkejä tyypillisistä kontaktorikoteloista; paneeliasennus (vasemmalla) ja DIN-kiskoasennus (oikealla). (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Schneider Electricin Easy TeSys (DPE-sarja) -kontaktorit on sijoitettu kompaktiin, vain 45 millimetriä (mm) leveään koteloon, joka voidaan asentaa paneeliin tai DIN-kiskoon. Kotelon suojausluokka on IP20, mikä tarkoittaa suojausta sormilta. Kaikkiin sarjan kontaktoreihin kuuluu normaalisti avoin apukosketin. Tällä 3-vaihekontaktorisarjalla on UL/CSA-hyväksyntä, ja se tarjoaa jopa 32 ampeerin virtaluokitukset, 20 hevosvoimaa jännitteellä 480 VAC (20 hv / 480 VAC) ja 25 hv / 600 VAC erilaisilla ohjauskäämin magnetointijännitteillä (taulukko 1).

Taulukko 1: Schneider Electricin Easy TeSys DPE -kontaktorisarjan valikoidut esimerkit näyttävät sarjan tarjoamat käyttövirrat ja ohjauskäämijännitteet. (Taulukon lähde: Art Pini)

Näiden laitteiden käyttöikä on noin 1 miljoona sähkökytkentäkertaa. Easy TeSys -kontaktorit soveltuvat standardissa IEC 60947 määritellyissä käyttöluokissa kuvattuihin sovelluksiin. Yksittäisten kontaktorien virtaluokitukset riippuvat käyttöluokasta. Esimerkiksi luokka AC-1 kuvaa sovelluksia, joissa kuorma ei ole induktiivinen tai on vain hieman induktiivinen, kuten vastuksia käyttävässä uunissa. Näiden sovellusten kuorma on pääasiassa resistiivinen. Tämä tarkoittaa vähemmän ongelmia transienttijännitteiden ja -virtojen kanssa.

Luokka AC-3 kattaa häkkikäämityt induktiomoottorisovellukset, joissa moottori käynnistetään ja virta voidaan ajoittain katkaista moottorin pysäyttämiseksi. Moottorit ovat induktiivisia laitteita, ja käynnistykset ja pysäytykset synnyttävät induktiivisia transientteja, jotka rasittavat kontaktoria enemmän.

Luokan AC-4 sovellukset rasittavat kontaktoria vieläkin enemmän. Tämä luokka kattaa häkkikäämityt induktiomoottorit ja liukurengastyyppiset moottorit, jotka soveltuvat vastavirtajarrutukseen ja nykäyskäyttöön (jogging tai inching). Nykäyskäyttö tarkoittaa ”moottorin toistuvaa, nopeaa käynnistystä levosta pienten liikkeiden suorittamiseksi moottorilla”. ”Jogging” tarkoittaa yleisesti moottorin käynnistystä lyhyillä virtapulsseilla ja täydellä jännitteellä. Vastaavasti ”inching” tarkoittaa moottorin käynnistystä lyhyillä pulsseilla ja pienemmällä jännitteellä. Virran katkominen rasittaa kontaktoria eniten.

Tietyn Easy TeSys DPE -kontaktorin sovittaminen moottoriin tai vastaavaan korkeatehoiseen sovellukseen perustuu ensisijaisesti sovelluksen virtaluokitukseen. Schneider Electricin Easy TeSys -luettelo auttaa kontaktorin valitsemisessa moottorin tehon, käyttöluokan ja vaadittavan käyttöiän perusteella (kuva 3).

Kuva 3: Easy TeSys DPE -valintaopas AC-3-käyttöluokan moottoreille moottorin tehon ja halutun kontaktorien käyttöiän mukaan. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Kuvassa 3 on yksi kolmesta valintaoppaasta, jotka perustuvat ohjattavan laitteen käyttöluokkaan. Se koskee käyttöluokkaa AC-3, eli periaatteessa moottoria, jota ei pysäytellä koko ajan. Kun moottori on pysäytetty, virta on yhtä korkea kuin käyttövirta. Voimme esimerkiksi etsiä TeSys DPE -kontaktori 5,5 kilowatin (kW) kolmivaihemoottorille, joka toimii 400 voltin jännitteellä ja käyttövirralla 11 A ja jonka haluttu käyttöikä on kaksi miljoonaa sykliä. Suunnittelijan on aloitettava 400 voltin jänniteviivasta ja paikannettava 5,5 kW:n kohta, ja tästä on projisoitava viiva ylöspäin, kunnes se risteää kahden miljoonan kytkentäkerran viivan kanssa. Lähin DPE-malli (sinisellä) on DPE 18.

Esimerkki käyttöluokasta AC-4, jossa moottoria pysäytetään ja käynnistetään koko ajan, vaatii korkeampia virtoja pahimman tapauksen skenaariossa. Otetaanpa esimerkiksi kolmivaiheinen 5,5 kW:n moottori, joka toimii 400 voltin jännitteellä ja käyttövirralla 11 A käyttöluokassa AC-4, jossa se on ei-energisoitu moottorin ollessa pysähdyksissä. Haluttu käyttöikä on 300 000 kytkentäkertaa.

Tämän moottorin pysäytysvirta on kuusinkertainen käyttövirtaan nähden, joten se vaatii korkeammalle virtatasolle luokitellun kontaktorin (kuva 4).

Kuva 4: Easy TeSys DPE -valintaopas AC-4-käyttöluokkaa varten. Huomaa, että virrat voivat pahimmassa tapauksessa olla paljon korkeampia, koska virta voidaan katkaista moottorin ollessa pysähdyksissä. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Suositeltu kontaktori löydetään aloittamalla pysäytysvirrasta 66 A, joka on kuusinkertainen käyttövirtaan 11 A nähden. Virta-akselista projisoidaan ylöspäin, kunnes saavutetaan 0,3 miljoonaa kytkentäkertaa kuvaavan viivan leikkauspiste. Lähin tuote on DPE32.

Easy TeSys DPE -sarjan kontaktorit kattavat yleisimmät moottorikonfiguraatiot ja -sovellukset, kuten kuljettimet, pakkauskoneet, pumput, kompressorit, lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointilaitteet sekä jäähdytyslaitteet ja paljon muuta.

Easy TeSys -tuoteperheeseen kuuluu myös sarja täydentäviä termisiä ylikuormitusreleitä, joiden tehtävänä on suojata AC-piirejä ja moottoreita ylikuormitukselta, vaihevirheiltä, ylipitkiltä käynnistysajoilta ja roottorin pysähtymiseltä. Nämä releet valvovat moottorin sähkövirtaa, ja kun virta ylittää asetetun virtarajan, koskettimet avautuvat ja pysäyttävät moottorin. Saatavilla on viisitoista erilaista mallia, ja kukin malli tarjoaa sähkövirralle useita katkaisuraja-asetuksia. Ylikuormitussuojamallit ovat yhteensopivia eräiden Easy TeSys -kontaktorien DPE09–DPE38 kanssa. Ne liitetään suoraan 3-vaihekontaktorien alaliittimiin kontaktorin ruuvipuristusliittimillä. Yhdistelmän leveys on yhteensä 45 mm, ja se voidaan asentaa DIN-kiskoon tai ruuvata paneeliin DPE-kontaktoripidikkeen avulla (kuva 5).

Kuva 5: Ylikuormitussuojarele asennetaan suoraan DPE-kontaktorin alle ja kiinnitetään kontaktorin ruuvipuristusliitännöillä. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Easy TeSys DPER32 -ylikuormitusreleen teholuokitus on 32 A / 690 volttia. Sen lämpöasetus on säädettävissä katkaisualueella 23–32 A, ja sen laukaisuluokka on 10 (ylikuormitussuoja laukeaa 10 sekunnin kuluessa, kun ylikuormitus on kuusinkertainen ennalta asetettuun tasoon nähden). Tämä rele on tarkoitettu sellaisten 3-vaihemoottoreiden suojaukseen, joiden teholuokitus on 15 kW jännitteellä 400 volttia. Tämä on vaihevirheiden ja kuorman epätasapainon tunnistuksella varustettu differentiaalilaite. Se sisältää lämpötilan säätöpyörän, manuaalisen/automaattisen nollauksen valitsimen, testivalitsimen katkaisun simulointia varten, nollaus- ja pysäytyspainikkeet, tilanilmaisimen ja kaksi apukosketinta (1 NO + 1 NC) vikojen signalointia varten. Käyttäjäasetukset on suojattu lukittavalla läpinäkyvällä kannella. Koko terminen ylikuormitussuojaperhe on sertifioitu useiden standardien mukaisesti, joihin kuuluvat IEC, UL ja CUL.

Yhteenveto

Korkeilla käyttöjännitteillä ja -virroilla toimivien moottorisovellusten suunnittelijat tarvitsevat luotettavan tavan erottaa niihin liittyvät ohjauspiirit ja suojata ne sähkömagneettiselta säteilyltä. Kolminapaiset Easy TeSys DPE -kontaktorit ja niihin kytkettävät termiset DPER Easy TeSys -ylikuormitusreleet on tarkoitettu ohjaamaan ja suojaamaan yleisimpiä moottorisovelluksia. Niiden laajaan valikoimaan kuuluu monille erilaisille virta- ja jännitetasoille tarkoitettuja malleja, minkä ansiosta ne on helppo konfiguroida sovellusten erityisvaatimuksien mukaisesti.