本文簡要說明機(jī)電繼電器（EMR）與接觸器之間的差異、接觸器的運(yùn)作方式，並著重於特定應(yīng)用如何影響產(chǎn)品的選擇，此為邁向成功設(shè)計的第一步。本文以 IE3 電動馬達(dá)實(shí)作中所使用的Siemens SIRIUS 3RT系列電源接觸器，來說明設(shè)計選擇。
有些工程師需要小型電壓訊號，以便對較高的電壓和電流進(jìn)行隔離式切換，他們通常使用繼電器來達(dá)成。傳統(tǒng)的低電壓開關(guān)可啟用繼電器，進(jìn)而打開高功率電源。機(jī)電繼電器（EMR）的成本低，可以處理較高的電壓，而固態(tài)繼電器（SSR）可避免觸點(diǎn)磨損和電弧。
不過，當(dāng)需要頻繁切換幾百伏特和幾十安培及更高電流時，這兩種繼電器都會面臨挑戰(zhàn)。在這些高負(fù)載下產(chǎn)生的電弧很快就會磨損EMR的觸點(diǎn)，而SSR中的漏電流則會導(dǎo)致過熱。設(shè)計人員需要為這些高需求應(yīng)用提供替代選項(xiàng)。
較不為人所熟悉的機(jī)電接觸器（EMC），非常適合替代繼電器。這些元件採用經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，並且可從許多知名供應(yīng)商處取得。由於有幾十種選擇，若對EMC的運(yùn)作瞭解得不夠深入，選擇過程很快就會變得混亂。
機(jī)電繼電器與接觸器之間的差異
由於閉合後會暴露到完整的電路電流，因此使用開關(guān)來開啟和關(guān)閉高功率元件（如大型三相馬達(dá)）並不實(shí)際。開關(guān)在扳動時會產(chǎn)生危險的電弧，並且在運(yùn)作時可能會過熱。解決方案是使用低功率電路，透過傳統(tǒng)開關(guān)開啟和關(guān)閉，藉此觸發(fā)高功率電路。而這正是EMR的用途所在。
EMR 使用由低功率電路供電的線圈來產(chǎn)生磁場，磁場接著會向一個可移動的核心提供脈衝，進(jìn)而打開或關(guān)閉（常閉型（NC）或常開型（NO））觸點(diǎn)。EMR 可切換AC或DC負(fù)載高達(dá)其最大額定值。EMR的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在於低成本，並可保證在低於裝置介電額定值的任何施加電壓下達(dá)到隔離。
然而，EMR可以處理的功率有其限制。舉例來說，當(dāng)負(fù)載是個三相馬達(dá)且產(chǎn)生的功率超過幾kW時，使用EMR來切換會產(chǎn)生過量的電弧，並快速磨損繼電器。替代方案是EMC，這是一種效用等同繼電器的大功率耐用型工業(yè)產(chǎn)品，用以在數(shù)千萬個週期內(nèi)可靠地切換高負(fù)載（圖 1）。
| 圖1 : 機(jī)電接觸器在大功率切換應(yīng)用中取代繼電器。（source：Siemens） |
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EMC可以安全地連接到需要高電流的元件，並且通常能控制和抑制在重負(fù)載下切換時產(chǎn)生的電弧。這些元件使用與繼電器相同的通電線圈／移動核心啟動，且?guī)缀鯇ｉT配備了常開型觸點(diǎn)，同時也提供常閉型觸點(diǎn)。有了常開型觸點(diǎn)，當(dāng)EMC失去供電時，觸點(diǎn)必定會打開，切斷高電流消耗元件的電源。這些元件具有一對或多對觸點(diǎn)，也稱為「極」。
EMC 的選擇
EMC與EMR相比較，我們很容易決定選擇前者。EMC雖然成本較高，但卻是高負(fù)載應(yīng)用的唯一選項(xiàng)。一旦確定需要使用EMC，為工作挑選最佳EMC的難度更高。首先最好確定在此應(yīng)用的工作電壓下，具有何種峰值負(fù)載電流要求，這種電流也稱為「滿載電流（FLA）」。然後，這將確定所需之接觸器的電流負(fù)載能力。
例如，以三相馬達(dá)來說，製造商通常會在規(guī)格書中規(guī)定工作電壓和FLA。但如果缺乏此資訊，工程師可以參考美國國家電氣法規(guī)（NEC）圖表等資源，此圖表為一系列具有標(biāo)稱功耗和輸入電壓的三相馬達(dá)，詳細(xì)介紹其FLA。馬達(dá)係根據(jù)國際電工委員會（IEC）馬達(dá)類別進(jìn)行分類。例如：一個375 W、110 V工作電壓的三相馬達(dá)，其FLA為4.4 A，而一個1.1 kW、220 V工作電壓的馬達(dá)，其FLA為6 A。
接下來，工程師必須確定EMC所需的控制電壓。此電壓可以與相關(guān)馬達(dá)的驅(qū)動電壓相同，但出於安全考量，通常使用較低的電壓。EMC的控制電壓一般始終低於250 V AC。
接下來應(yīng)考量馬達(dá)在應(yīng)用中的效能。例如，兩種不同的應(yīng)用可能使用規(guī)格相同的三相馬達(dá)。但是，如果應(yīng)用的馬達(dá)需長時間保持開啟或關(guān)閉，則不能使用頻繁開關(guān)的EMC。後者會一再承受電流負(fù)載，因此必須更耐用才行。
IEC使用類別或「編碼」，是為特定應(yīng)用選擇正確 EMC 的良好指南。例如：編碼為「AC-3」的EMC，適合在馬達(dá)經(jīng)常開開關(guān)關(guān)的應(yīng)用中，用於「鼠籠式」電動馬達(dá)（一種常見的電感應(yīng)馬達(dá)），「AC-20」則適用於在零電流條件下連接和斷開負(fù)載。一個IEC編碼被錯誤指定的EMC，雖然可能適用於特定應(yīng)用，但其壽命可能比正確編碼的EMC短得多。
IEC編碼對於考量電阻性或電感式負(fù)載類型也有幫助，因?yàn)樨?fù)載類型也會對EMC的選擇產(chǎn)生重大影響。例如：電動馬達(dá)是電感式負(fù)載，加熱器則是電阻性負(fù)載。
此外，還必須考量在單個EMC中可能需要多少個極，以及這些極應(yīng)為常開還是常閉型。例如：某個應(yīng)用可能會要求三個極必須為電動馬達(dá)的每個相位使用常開型接觸器，並多使用一組常閉型對來點(diǎn)亮 LED指示燈，指出馬達(dá)有通電但未旋轉(zhuǎn)。
另外，由於EMC經(jīng)常承載較高的電壓和電流，因此確保元件的隔離額定值符合應(yīng)用的所有安全標(biāo)準(zhǔn)也很重要。
由於在產(chǎn)生的電力中馬達(dá)會消耗相當(dāng)大的一部分，因此美國和歐盟通過立法，確保馬達(dá)儘可能高效率地運(yùn)行。歐盟的能效級別以國際能源（IE）效率級別表示（圖 2）。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定，馬達(dá)必須達(dá)到 IE2（高效率）、IE3（優(yōu)質(zhì)效率）或 IE4（超優(yōu)質(zhì)效率）級別，具體取決於其額定功率和其他特性。EMC 會影響電動馬達(dá)的效率，因此，如果控制系統(tǒng)要在歐盟使用，其設(shè)計必須達(dá)到合適的 IE 效率級別。在美國，馬達(dá)必須符合美國電氣製造商協(xié)會（NEMA）的優(yōu)質(zhì)效率計畫，此計畫要求符合 IE3 所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。澳大利亞的要求與美國相似。
| 圖2 : 電動馬達(dá)的 IE 效率要求，顯示出較低功率馬達(dá)如何具有較高的效率提升幅度：美國和歐盟法規(guī)不再允許使用 IE1 和 IE2 馬達(dá)。（source：Siemens） |
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商業(yè)產(chǎn)品
幾乎所有高負(fù)載應(yīng)用都有多種高品質(zhì)的EMC可選擇。例如：Siemens的Sirius 3RT2系列EMC，展示了當(dāng)代產(chǎn)品對電動馬達(dá)切換和其他應(yīng)用的能力。這些元件專為高運(yùn)行可靠性、高接觸可靠性、高溫工作和長久使用壽命而設(shè)計。這些電源接觸器可在高達(dá)60°C的溫度下使用而無需降額，即使並排安裝也是如此。此系列包含以下運(yùn)作級別的EMC：AC-1（無電感或輕微電感式負(fù)載，如加熱器）、AC-3（經(jīng)常開關(guān)的鼠籠式電動馬達(dá)），以及AC-4（鼠籠式電動馬達(dá)：啟動、插入、寸動）。所有 SIRIUS 3RT2產(chǎn)品都是專為IE3和IE4馬達(dá)運(yùn)作而設(shè)計。
SIRIUS 3RT2系列中的3RT20152AP611AA0 是一種常開型三極EMC，帶有S00尺寸的接觸器，依照編碼用於 AC-3 應(yīng)用。控制電源電壓為220至240 V AC。此元件具有400或690 V的輸出電壓，400 V時最大電流為7 A，690 V時為4.9 A；400 V 時最大標(biāo)稱功率為3 kW，690 V時為4 kW。觸點(diǎn)在35 ms 內(nèi)關(guān)閉，在 14 ms 內(nèi)打開。 在負(fù)載為每小時 750 個週期下具有最大切換頻率。使用壽命為3000萬個週期，失效率為每一億次中出現(xiàn)一次。使用此 EMC 時，連接的三相馬達(dá)若為 480 V 額定馬達(dá)，F(xiàn)LA為4.8 A，600 V額定馬達(dá)則為6.1 A；這足以為2.2 kW（480 V）馬達(dá)或3.7 kW（600 V）馬達(dá)供電（圖 3）。
| 圖3 : 3RT20152AP611AA0 EMC具有三個常開型極，因此是切換三相馬達(dá)的合適配置。（source：Siemens） |
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SIRIUS系列的另一端是3RT20261AP60。此產(chǎn)品也是常開型三極EMC，且根據(jù)編碼用於AC-3 應(yīng)用，但使用S0 尺寸的接觸器。控制電源電壓為220至240 V AC。此元件具有400或690 V的輸出電壓，400 V 時最大電流為25 A，690 V 時為13 A；兩種輸出電壓下最大標(biāo)稱功率皆為11 kW。連接的三相馬達(dá)若為 480 V 額定馬達(dá)，F(xiàn)LA為21 A，600 V額定馬達(dá)則為22 A；這足以為11.2 kW（480 V）馬達(dá)或14.9 kW（600 V）馬達(dá)供電。
Siemens的SIRIUS 3RT2 EMC適合多種應(yīng)用，但針對切換符合IE3或NEMA優(yōu)質(zhì)效率要求的馬達(dá)進(jìn)行了最佳化。要符合這種效率要求，EMC必須是馬達(dá)控制系統(tǒng)的高效組成部分。為滿足這一要求，EMC設(shè)計有永久磁鐵等功能，以減少線圈功耗和電子線圈控制。如此一來，便能儘量降低保持功率（用於讓接觸器保持關(guān)閉）。與之前的元件相比，EMC的內(nèi)在功率損耗減少了92%。
例如，3RT20171BB41電源接觸器在為電動馬達(dá)提供全功率時，每極的損耗為1.2 W，總損耗為3.6 W。此接觸器可以切換2.2 kW到7.5 kW的三相馬達(dá)，具體視EMC的輸出電壓而定。
使用EMC啟動IE3馬達(dá)
馬達(dá)傳動系統(tǒng)由若干元件組成，以確保安全可靠地運(yùn)作。例如：一個完備的設(shè)定可能包含下列元件：
? 保護(hù)元件（例如馬達(dá)保護(hù)器啟動器和／或過載繼電器）
? 啟動裝置（例如EMC）
? 控制器（例如馬達(dá)管理系統(tǒng)）
? 控制裝置（例如頻率轉(zhuǎn)換器）
? 電動馬達(dá)
? 齒輪箱
? 佈線
? 從動機(jī)器
SIRIUS 3RT2 EMC是一種模組化元件，可與其他元件一起安裝在DIN軌道上（或螺絲固定在位）。這些EMC旨在與同類模組配合使用，以建構(gòu)馬達(dá)傳動系統(tǒng)所需的控制部分（圖 4）。模組化設(shè)計有助於限制機(jī)櫃中所需的接線數(shù)量，而且由於透過彈簧加載型觸點(diǎn)進(jìn)行連接，因此不需使用特殊工具。
| 圖4 : SIRIUS 3RT2 系列是模組化元件，因此很容易實(shí)作馬達(dá)控制系統(tǒng)。圖中，以 24 V DC 訊號來切換的 3RT20171BB41 EMC，與保護(hù)元件及過載繼電器一起使用，以控制輸送帶馬達(dá)。（source：Siemens） |
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精心挑選的EMC，會成為控制系統(tǒng)的隨插即用元件。3RT2電源接觸器針對切換 1 至15 kW的IE3 電動馬達(dá)進(jìn)行了最佳化，而且不用進(jìn)一步限制，就能用於直接起動和反向起動應(yīng)用。但是，比較熟悉 IE2電動馬達(dá)而非IE3類型的工程師，在使用3RT2 EMC時有一些重要的設(shè)計考量。影響IE3馬達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計的特性，包括較低的額定電流、增加的啟動電流比和增加的湧入電流（圖 5）。
| 圖5 : 為三相 AC 馬達(dá)選擇 EMC 時，湧入電流、啟動電流和額定馬達(dá)電流是要考量的關(guān)鍵參數(shù)。（source：Siemens） |
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IE3電動馬達(dá)效率提高的關(guān)鍵是較低的額定馬達(dá)電流。然而，IE3並未規(guī)定在電動馬達(dá)功率範(fàn)圍內(nèi)，效率呈線性增長。相反地，與IE2類型相比，IE3要求較低功率電動馬達(dá)的效率增幅必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出高功率裝置（參見圖 2）。這意味著較低功率的電動馬達(dá)，額定馬達(dá)電流的降幅比IE2類型更大。請注意，要維持同比功率，就要增加工作電壓。
降低額定電流的另一面，是高效率馬達(dá)啟動電流比（啟動電流／額定電流）的提高。這是因?yàn)?，儘?IE3馬達(dá)的啟動電流較低，但I(xiàn)E2和IE3等功率馬達(dá)之間的啟動電流差異，不像額定電流差異那麼明顯。比起能效較高的馬達(dá)，能效較低的馬達(dá)具有較高的啟動電流比。
啟動電流比增加的影響是湧入電流會增加。湧入電流基本上是一種動態(tài)補(bǔ)償事件，引發(fā)因素包括像是連接了電感式負(fù)載（如馬達(dá)），以及馬達(dá)疊層式核心中的動態(tài)電流暫態(tài)和飽和效應(yīng)。湧入電流可能比 FLA高出五倍之多，可能會損壞馬達(dá)和其他系統(tǒng)（圖 6）。
| 圖6 : 效率較高的馬達(dá)湧入電流較高，功率較低的裝置湧入電流更大。適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)設(shè)計可以減輕此等影響。（source：Siemens） |
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與其他模組化控制元件結(jié)合使用，3RT2 EMC可應(yīng)用於「YΔ」啟動系統(tǒng)，以限制湧入電流。在裝置的 Y繞組上使用滿額線路電壓來啟動馬達(dá)時，線路電壓大約有58%比例會傳到每個馬達(dá)相位，從而降低電流並讓湧入峰值維持在低檔。馬達(dá)達(dá)到額定速度後，運(yùn)作會切換至 Δ 模式，此時會將全電壓應(yīng)用到每個相位（無任何湧入電流，不危險），而馬達(dá)能產(chǎn)生全功率。
這種配置要求將過載繼電器，直接安裝於馬達(dá)饋電纜線 U1、V1、W1 中（圖 7）。這可確保過載保護(hù)對所有三個EMC都有效。完整的實(shí)作需要使用繼電器和三個3RT2 EMC。
| 圖7 : 此YΔ電路由馬達(dá)饋電纜線中的過載繼電器和三個 EMC 組成，以在馬達(dá)啟動期間切換電源。（source：Siemens） |
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運(yùn)作期間，序列中Y部分的觸發(fā)方式，是將K1和K3 EMC同時關(guān)閉。一旦過了預(yù)設(shè)的時間（速度大約是馬達(dá)全速的 80%），計時器便會觸發(fā)K3（打開）和K2（關(guān)閉）以啟動 Δ 部分，對馬達(dá)施以全功率。
結(jié)論
切換三相 AC馬達(dá)等高功率負(fù)載時，建議選擇EMC來替代EMR。EMC能在數(shù)千萬次運(yùn)作中提供高切換可靠性。這些元件可用於各種馬達(dá)輸出，從幾kW到數(shù)百kW不等。
如本文所示， SIRIUS 3RT2 EMC適合將三相AC馬達(dá)從2 kW切換至25 kW，而且，其模組化設(shè)計能確保將 EMC 輕鬆安裝到控制系統(tǒng)中。儘管SIRIUS EMC的安裝相對簡單，但必須注意控制系統(tǒng)的實(shí)作，避免因湧入電流過大而損壞馬達(dá)。
（本文作者Steven Keeping 為Digi-Key Electronics北美編輯群）
