電機接觸器的基礎(chǔ)知識與應用

暖通空調(diào) (HVAC)、壓縮機、泵、材料處理和包裝等應用，需要安全部署和控制工作電壓和電流很高的大型電機。對設(shè)計人員來說，控制這些大型電機是一個難題，因為必須在電機與控制電路之間提供充分的隔離。此外，高電壓和高電流會產(chǎn)生巨大的電磁瞬變，可能損壞電子控制裝置。

暖通空調(diào) (HVAC)、壓縮機、泵、材料處理和包裝等應用，需要安全部署和控制工作電壓和電流很高的大型電機。對設(shè)計人員來說，控制這些大型電機是一個難題，因為必須在電機與控制電路之間提供充分的隔離。此外，高電壓和高電流會產(chǎn)生巨大的電磁瞬變，可能損壞電子控制裝置。
電磁繼電器能夠提供具有隔離保護的遠程控制，但有其自身的局限性。高功率電機通電和斷電時會產(chǎn)生電弧，這將磨損繼電器的接觸面，縮短觸頭壽命。
電磁接觸器可以解決這一問題，它是一種特殊類型的繼電器，專用于電機控制。除了結(jié)構(gòu)比繼電器更堅固、觸頭更大且更穩(wěn)固外，電磁接觸器還采用了電弧抑制技術(shù)，包括特殊材料和更快的觸頭開合。
本文介紹了電磁電機接觸器的基礎(chǔ)知識及其相對于其他電機控制方法的優(yōu)勢。然后以 Schneider Electric 的 Easy TeSys 系列的實際配置為例討論了如何選型和應用。
接觸器的工作原理
電磁接觸器包含一個由“E”形鐵芯構(gòu)成的電磁鐵。具體而言，一根電氣隔離的線圈同心地纏繞在鐵芯的中央腳上。線圈由控制電源（可能為交流或直流）激勵。當線圈通電時，電磁力會吸引位于鐵芯開口端的電樞（圖 1）。

圖 1：接觸器的簡化功能示意圖，顯示了接觸器的斷電和通電狀態(tài)。（圖片來源：Art Pini）

電觸頭與電樞以機械方式耦合在一起。觸頭排列因接觸器型號而異：可能是常開 (NO) 或常開與常閉 (NC) 的組合。隔離的觸頭可能有多個。例如，一個三相接觸器將有 3 組電源觸頭，每相 1 組。當電樞吸入時，NC 觸頭打開，NO 觸頭關(guān)閉。另外，很多接觸器還包含一組低功率輔助觸頭，用于監(jiān)測接觸器的通電或斷電狀態(tài)。
觸頭選用強度高、電導率優(yōu)異的材料，能夠耐受電弧和氧化作用。觸頭的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)設(shè)計可處理預期的功率水平并抑制電弧。
接觸器的所有元件均包含在外殼中，此外殼可將觸頭電氣絕緣，同時方便連接電源、負載和線圈接線。外殼還提供安裝支持，可以采用面板或 DIN 導軌式安裝（圖 2）。

圖 2：典型接觸器外殼的示例；面板安裝（左）和 DIN 導軌安裝（右）。（圖片來源：Schneider Electric）

Schneider Electric Easy TeSys（DPE 系列）接觸器的外殼緊湊，寬度僅 45 mm，可以安裝在面板或 DIN 導軌上。外殼的侵入防護級別為 IP20，代表可以防止手指插入。該系列的所有接觸器都包含一個常開輔助觸頭。系列中的三相接觸器通過了 UL/CSA 認證，額定值高達 32 A、20 HP/480 VAC 和 25 HP/600 VAC，并有多種控制線圈勵磁電壓（表 1）。
型號        極數(shù)        電壓 (Vac)        電流 (A)        最大 HP        電機功率 (kW)        線圈電壓 (V)        使用類別        尺寸（高 x 寬 x 深）
DPE09G7        3        690        9        3 HP/480 V        4 HP/440 V        120 AC        AC1, AC3, AC4        3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE12BL        3        690        12        5 HP/480 V        5.5 HP/440 V        24 DC        AC1, AC3, AC4        3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE18U7        3        690        18        7.7 HP/480 V        9 HP/440 V        240 AC        AC1, AC3, AC4        3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE25B7        3        690        25        10 HP/480 V        11 HP/440 V        24 AC        AC1, AC3, AC4        3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE32G7        3        690        32        15 HP/480 V        15 HP/440 V        120 AC        AC1, AC3, AC4        3.35 x 1.77 x 3.62 (in)
85 x 45 x 92 (mm)
DPE38G7        3        690        38        20 HP/480 V        18.5 HP/440 V        120 AC        AC1, AC3, AC4        3.35 x 1.77 x 3.62 (in)
85 x 45 x 92 (mm)
表 1：選定的 Schneider Electric 的 Easy TeSys DPE 接觸器系列示例，顯示了該系列的工作電流和控制線圈電壓選擇范圍。（表來源：Art Pini）
這些器件的使用壽命約為 100 萬次電氣操作。Easy TeSys 接觸器適用于標準 IEC 60947 規(guī)定的使用類別中所述的應用。各接觸器的額定電流取決于其使用類別。例如，AC-1 類別描述的是負載為非電感或只有輕微電感的應用，如電阻爐。這些應用主要是電阻性負載，其瞬態(tài)電壓和電流的問題較小。
AC-3 類別涵蓋了鼠籠式感應電機的應用，電機啟動后，有時可能需要切斷電源以停止電機。電機是電感設(shè)備，啟停操作會導致電感瞬變，對接觸器造成較大的壓力。
AC-4 類別中的應用，對接觸器造成的壓力更大。此類別包括鼠籠式感應電機和滑環(huán)式電機，需要進行反向電流制動及點動或寸動。點動或寸動是“快速重復地施加電力，使電機從靜止狀態(tài)啟動，以完成電機的小幅動作”。點動一般是指在全電壓下用短電源脈沖啟動電機。類似地，寸動是指用低電壓下的短脈沖啟動電機。多重施加電力會對接觸器造成最大的壓力。
特定 Easy TeSys DPE 接觸器與電機或類似大功率應用主要根據(jù)要處理的電流來進行匹配。Schneider Electric 的 Easy TeSys 目錄中包含了基于電機功率、使用類別和所需使用壽命的選型幫助（圖 3）。

圖 3：AC-3 使用類別電機基于電機功率、使用類別和所需使用壽命的 Easy TeSys DPE 選型指南。（圖片來源：Schneider Electric）

圖 3 顯示的是與被控制設(shè)備的使用類別有關(guān)的 3 個選型指南之一。它適用于 AC-3 使用類別，基本上是可能不經(jīng)常停止的電機。當電機停止時，電流等于工作電流。例如，考慮為一臺 5.5 kW 的三相電機尋找一款 Easy TeSys DPE 接觸器，該電機工作電壓為 400 V，工作電流為 11 A，預期工作壽命為 200 萬次循環(huán)。從 400 V 電壓線開始，設(shè)計人員需要找到 5.5 kW，并從那里向上投射一條線，直到與 200 萬次操作的線相交。離交點最近的 DPE 型號位點（藍色）是 DPE 18。
再舉個 AC-4 使用類別的例子，其中電機經(jīng)常停止和重新啟動，最差情況下的電流較大。考慮一臺 AC-4 應用中的三相 5.5 kW 電機，其工作電壓為 400 V，工作電流為 11 A，在電機停轉(zhuǎn)時，將其斷電。預期工作壽命為 30 萬次操作。
該電機的停轉(zhuǎn)電流是工作電流的 6 倍，需要一款額定電流較大的接觸器（圖 4）。

圖 4：AC-4 使用類別的 Easy TeSys DPE 選型指南。請注意，最壞情況下的電流可能要大得多，因為在電機停轉(zhuǎn)時，可能會切斷電源。（圖片來源：Schneider Electric）

要找到推薦的接觸器，請從 66 A 的停轉(zhuǎn)電流開始，即 11 A 工作電流的 6 倍。從電流軸線向上投射，直到與代表 30 萬次操作的線相交。離交點最近的位點是 DPE32。
Easy TeSys DPE 系列接觸器涵蓋了最常見的電機配置和應用，如輸送機、包裝機、泵、壓縮機、暖通空調(diào)、制冷設(shè)備等等。
Easy TeSys 系列還包括一系列互補的熱過載繼電器，旨在保護交流電路和電機免受過載、相位故障、啟動時間延長和轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)等情況的影響。這些繼電器監(jiān)測電機電流，當電流超過設(shè)定的電流限值時，觸頭打開并停止電機。共有 15 種不同的型號，每個型號都有一系列可設(shè)置的電流跳閘水平。過載保護型號與 DPE09 至 DPE38 的選定 Easy TeSys 接觸器兼容。它們利用接觸器的螺絲夾端子直接連接到三相接觸器的底部端子。該組合的寬度是常見的 45 mm，可以安裝在 DIN 導軌上，或者用 DPE 接觸器支架擰在面板上（圖 5）。

圖 5：過載保護繼電器直接安裝在 DPE 接觸器下面，并用接觸器的螺絲夾接頭固定。（圖片來源：Schneider Electric）

Easy TeSys DPER32 熱過載繼電器額定值為 32 A/690 V，設(shè)定的熱跳閘范圍為 23-32 A，跳閘等級為 10 級（過載為預設(shè)水平的 6 倍時，過載保護器將在 10 秒內(nèi)跳閘），用于保護額定值為 400 V 下 15 kW 的三相電機。這是一種能夠檢測相位故障和負載不平衡的差分設(shè)備。此設(shè)備具有熱調(diào)節(jié)撥盤、手動/自動復位選擇器、用于模擬跳閘的測試選擇器、復位和停止按鈕、標志指示燈，以及兩個用于故障信號發(fā)送的輔助觸頭（1 個 NO，1 個 NC）。用戶設(shè)置用可上鎖的透明蓋保護。整個熱過載保護器系列通過了多重標準的認證，包括 IEC、UL 和 CUL。
總結(jié)
對于工作電壓和電流較高的電機應用，設(shè)計人員需要一種可靠的方法來隔離相關(guān)控制電路，并防止電路受電磁輻射影響。Easy TeSys 三極 DPE 接觸器搭配 DPER Easy TeSys 熱過載繼電器，設(shè)計用于開關(guān)和保護最常見的電機用例。該系列型號眾多，涵蓋多種電流和電壓水平，能夠輕松根據(jù)特定應用的要求進行配置。