電機(jī)接觸器的基礎(chǔ)知識與應(yīng)用

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

暖通空調(diào) (HVAC)、壓縮機(jī)、泵、材料處理和包裝等應(yīng)用，需要安全部署和控制工作電壓和電流很高的大型電機(jī)。對設(shè)計(jì)人員來說，控制這些大型電機(jī)是一個(gè)難題，因?yàn)楸仨氃陔姍C(jī)與控制電路之間提供充分的隔離。此外，高電壓和高電流會(huì)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(hù)的遠(yuǎn)程控制，但有其自身的局限性。高功率電機(jī)通電和斷電時(shí)會(huì)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(jī)控制。除了結(jié)構(gòu)比繼電器更堅(jiān)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(jī)接觸器的基礎(chǔ)知識及其相對于其他電機(jī)控制方法的優(yōu)勢。然后以 [Schneider Electric] 的 [Easy TeSys 系列]的實(shí)際配置為例討論了如何選型和應(yīng)用。

接觸器的工作原理

電磁接觸器包含一個(gè)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(lì)。當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁力會(huì)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(jī)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(gè)。例如，一個(gè)三相接觸器將有 3 組電源觸頭，每相 1 組。當(dāng)電樞吸入時(shí)，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(qiáng)度高、電導(dǎo)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(jì)可處理預(yù)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(shí)方便連接電源、負(fù)載和線圈接線。外殼還提供安裝支持，可以采用面板或 DIN 導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌上。外殼的侵入防護(hù)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(gè)常開輔助觸頭。系列中的三相接觸器通過了 UL/CSA 認(rèn)證，額定值高達(dá) 32 A、20 HP/480 VAC 和 25 HP/600 VAC，并有多種控制線圈勵(lì)磁電壓（表 1）。

| | 型號 | 極數(shù) | 電壓 (VAC) | 電流 (A) | 最大 HP | 電機(jī)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 | 690 18 | 18 7.7 馬力/480 伏 | 9 馬力/440 伏 | 240 交流 | AC1、AC3、AC4 | 3.03 x 1.77 x 3.39（英寸）
77 x 45 x 86（毫米）|
| [DPE25B7] | 3 | 690 | 690 25 | 25 10 馬力/480 伏 | 11 馬力/440 伏 | 24 交流 | AC1、AC3、AC4 | 3.03 x 1.77 x 3.39（英寸）
77 x 45 x 86（毫米）|
| [DPE32G7] | 3 | 690 | 690 32 | 32 15 馬力/480 伏 | 15 馬力/440 伏 | 120 交流 | AC1、AC3、AC4 | 3.35 x 1.77 x 3.62（英寸）
85 x 45 x 92（毫米）|
| [DPE38G7]| 3 | 690 | 690 38 | 38 20 馬力/480 伏 | 18.5 馬力/440 伏 | 120 交流 | AC1、AC3、AC4 | 3.35 x 1.77 x 3.62（英寸）
85 x 45 x 92（毫米）|

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(biāo)準(zhǔn) IEC 60947 規(guī)定的使用類別中所述的應(yīng)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(fù)載為非電感或只有輕微電感的應(yīng)用，如電阻爐。這些應(yīng)用主要是電阻性負(fù)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(yīng)電機(jī)的應(yīng)用，電機(jī)啟動(dòng)后，有時(shí)可能需要切斷電源以停止電機(jī)。電機(jī)是電感設(shè)備，啟停操作會(huì)導(dǎo)致電感瞬變，對接觸器造成較大的壓力。

AC-4 類別中的應(yīng)用，對接觸器造成的壓力更大。此類別包括鼠籠式感應(yīng)電機(jī)和滑環(huán)式電機(jī)，需要進(jìn)行反向電流制動(dòng)及點(diǎn)動(dòng)或寸動(dòng)。點(diǎn)動(dòng)或寸動(dòng)是“快速重復(fù)地施加電力，使電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)，以完成電機(jī)的小幅動(dòng)作”。點(diǎn)動(dòng)一般是指在全電壓下用短電源脈沖啟動(dòng)電機(jī)。類似地，寸動(dòng)是指用低電壓下的短脈沖啟動(dòng)電機(jī)。多重施加電力會(huì)對接觸器造成最大的壓力。

特定 Easy TeSys DPE 接觸器與電機(jī)或類似大功率應(yīng)用主要根據(jù)要處理的電流來進(jìn)行匹配。Schneider Electric 的 Easy TeSys 目錄中包含了基于電機(jī)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(jī)基于電機(jī)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(gè)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(jī)。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，電流等于工作電流。例如，考慮為一臺(tái) 5.5 kW 的三相電機(jī)尋找一款 Easy TeSys DPE 接觸器，該電機(jī)工作電壓為 400 V，工作電流為 11 A，預(yù)期工作壽命為 200 萬次循環(huán)。從 400 V 電壓線開始，設(shè)計(jì)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(diǎn)最近的 DPE 型號位點(diǎn)（藍(lán)色）是 DPE 18。

再舉個(gè) AC-4 使用類別的例子，其中電機(jī)經(jīng)常停止和重新啟動(dòng)，最差情況下的電流較大?？紤]一臺(tái) AC-4 應(yīng)用中的三相 5.5 kW 電機(jī)，其工作電壓為 400 V，工作電流為 11 A，在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，將其斷電。預(yù)期工作壽命為 30 萬次操作。

該電機(jī)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?yàn)樵陔姍C(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)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(diǎn)最近的位點(diǎn)是 DPE32。

Easy TeSys DPE 系列接觸器涵蓋了最常見的電機(jī)配置和應(yīng)用，如輸送機(jī)、包裝機(jī)、泵、壓縮機(jī)、暖通空調(diào)、制冷設(shè)備等等。

Easy TeSys 系列還包括一系列互補(bǔ)的熱過載繼電器，旨在保護(hù)交流電路和電機(jī)免受過載、相位故障、啟動(dòng)時(shí)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(jī)電流，當(dāng)電流超過設(shè)定的電流限值時(shí)，觸頭打開并停止電機(jī)。共有 15 種不同的型號，每個(gè)型號都有一系列可設(shè)置的電流跳閘水平。過載保護(hù)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(dǎo)軌上，或者用 DPE 接觸器支架擰在面板上（圖 5）。

圖 5：過載保護(hù)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(yù)設(shè)水平的 6 倍時(shí)，過載保護(hù)器將在 10 秒內(nèi)跳閘），用于保護(hù)額定值為 400 V 下 15 kW 的三相電機(jī)。這是一種能夠檢測相位故障和負(fù)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(dòng)/自動(dòng)復(fù)位選擇器、用于模擬跳閘的測試選擇器、復(fù)位和停止按鈕、標(biāo)志指示燈，以及兩個(gè)用于故障信號發(fā)送的輔助觸頭（1 個(gè) NO，1 個(gè) NC）。用戶設(shè)置用可上鎖的透明蓋保護(hù)。整個(gè)熱過載保護(hù)器系列通過了多重標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，包括 IEC、UL 和 CUL。

總結(jié)

對于工作電壓和電流較高的電機(jī)應(yīng)用，設(shè)計(jì)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(jì)用于開關(guān)和保護(hù)最常見的電機(jī)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(yīng)用的要求進(jìn)行配置。