Keuze en toepassing van elektromechanische schakelaars voor draaistroommotoren voor zwaar gebruik

Ingenieurs die belast zijn met het geïsoleerd schakelen van relatief hoge spanningen en stromen met behulp van een klein spanningssignaal, wenden zich gewoonlijk tot relais. Een conventionele laagspanningsschakelaar activeert het relais, dat op zijn beurt de hoogspanningsbron inschakelt. Elektromechanische relais (EMR's) zijn goedkoop en kunnen relatief hoge spanningen aan, terwijl solid-state relais (SSR's) contactslijtage en vonkvorming voorkomen.

Bij frequente schakelingen van enkele honderden volts en tientallen ampères (en meer) worden beide typen echter op de proef gesteld. Door vonkvorming bij deze hoge belastingen verslijten de contacten van de EMR snel, terwijl lekstromen in SSR's oververhitting veroorzaken. Ontwerpers hebben een alternatief nodig voor deze veeleisende toepassingen.

De minder bekende elektromechanische contactor (EMC) biedt een robuuste vervanging voor relais. De toestellen zijn beproefde technologie en gemakkelijk verkrijgbaar bij vele gerenommeerde leveranciers. Aangezien er tientallen opties zijn, wordt het keuzeproces al snel verwarrend zonder een gedetailleerd inzicht in de werking van de EMC.

In dit artikel wordt kort het verschil uitgelegd tussen EMR's en contactors, hoe contactors werken, en vervolgens wordt ingegaan op hoe een bepaalde toepassing de keuze van het product beïnvloedt als eerste stap naar een succesvol ontwerp. De ontwerpkeuzen zullen worden geïllustreerd aan de hand van de SIRIUS 3RT-serie vermogensschakelaars van Siemens die in een IE3-elektromotor worden gebruikt.

Het verschil tussen elektromechanische relais en schakelaars

Omdat de schakelaar in gesloten toestand wordt blootgesteld aan de volledige stroomsterkte van het circuit, is het gebruik van een schakelaar om een apparaat met hoog vermogen, zoals een grote driefasenmotor, aan en uit te zetten onpraktisch. De schakelaar geeft een gevaarlijke lichtboog wanneer hij wordt omgedraaid en raakt oververhit tijdens het gebruik. De oplossing is een zwakstroomschakeling te gebruiken, die wordt in- en uitgeschakeld door een conventionele schakelaar, om de sterkstroomschakeling te activeren. Dit is het doel van het EMR.

EMR's maken gebruik van een spoel die door het zwakstroomcircuit onder stroom wordt gezet om een magnetisch veld te creëren dat vervolgens een impuls geeft aan een beweegbare kern die op zijn beurt de (normaal gesloten (NC) of normaal open (NO)) contacten opent of sluit. De EMR's kunnen een AC of DC belasting schakelen tot hun maximum vermogen. De belangrijkste voordelen van EMR's zijn de lage kosten en de gegarandeerde isolatie bij elke toegepaste spanning onder de diëlektrische rating van de voorziening. (Zie "Hoe kan ik gespecialiseerde solid-state relais met lage ruis toepassen om EMI te beperken en te voldoen aan kritieke normen").

Er is echter een grens aan het vermogen dat een EMR aankan. Wanneer de belasting bijvoorbeeld een draaistroommotor is met een vermogen van meer dan enkele kilowatts (kW), veroorzaakt het schakelen met behulp van een EMR overmatige vonkvorming, waardoor het relais snel verslijt. Het alternatief is de EMC, een robuust industrieel equivalent van een relais, ontworpen om betrouwbaar hoge belastingen te schakelen gedurende tientallen miljoenen cycli (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Elektromechanische schakelaars vervangen relais in schakeltoepassingen voor zwaar gebruik. (Bron afbeelding: Siemens)

EMC's kunnen veilig worden aangesloten op apparaten met een hoge stroomvraag en zijn gewoonlijk ontworpen met voorzieningen om de vlamboog die bij het schakelen onder zware belasting ontstaat, te beheersen en te onderdrukken. De apparaten gebruiken dezelfde bekrachtigde spoel/bewegende kern activering als relais en zijn bijna uitsluitend uitgerust met NO-contacten, hoewel NC-contacten beschikbaar zijn. NO-contacten zorgen ervoor dat wanneer de stroom naar de EMC wordt uitgeschakeld, de contacten worden geopend, waardoor de voeding van het apparaat met hoge stroomafname wordt onderbroken. De apparaten zijn voorzien van één of meer paren contacten, ook wel polen genoemd.

EMC-selectie

Het is relatief eenvoudig om te beslissen over de keuze van een EMC boven een EMR. Hoewel EMC's duurder zijn, zijn zij de enige optie voor toepassingen met een hoge belasting. Als eenmaal is vastgesteld dat een EMC nodig is, is het moeilijker om de beste EMC voor de taak te selecteren. De beste plaats om te beginnen is het bepalen van de piekbelastingsstroom (ook wel vollastampère (FLA) genoemd) die vereist is bij de bedrijfsspanning van de toepassing. Dit zal dan de stroombelastingscapaciteit van de vereiste contactor bepalen.

In het geval van een driefasenmotor, bijvoorbeeld, specificeert de fabrikant gewoonlijk de bedrijfsspanning en de FLA in het gegevensblad. Maar als die informatie niet beschikbaar is, kan een ingenieur een beroep doen op bronnen zoals de tabel van de National Electrical Code (NEC) in de VS, waarin de FLA voor een reeks driefasige motoren met nominaal vermogen en ingangsspanning in detail is aangegeven. De motoren zijn ingedeeld volgens de motorclassificaties van de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC). Bijvoorbeeld, een 375 watt, driefasige motor met een bedrijfsspanning van 110 volt heeft een FLA van 4,4 ampère (A), en een 1,1 kW motor met een bedrijfsspanning van 220 volt heeft een FLA van 6 A.

Vervolgens moet de ingenieur bepalen welke stuurspanning nodig is voor de EMC. Dit kan dezelfde spanning zijn als die welke wordt gebruikt om de bijbehorende motor van stroom te voorzien, maar vaak wordt om veiligheidsredenen een lagere spanning gebruikt. EMC-controlespanningen zijn gewoonlijk altijd lager dan 250 volt AC.

Vervolgens moet worden nagegaan hoe de motor in de toepassing zal presteren. Twee verschillende toepassingen kunnen bijvoorbeeld een driefasenmotor met dezelfde specificaties gebruiken. Maar een toepassing waarbij de motor gedurende lange perioden aan of uit moet staan, heeft een andere EMC nodig dan een toepassing die vaak aan en uit wordt gezet. Deze laatste zal worden blootgesteld aan herhaalde stroombelastingen en zal dus een robuuster product moeten zijn.

IEC-gebruikscategorieën of "codes" zijn een goede leidraad voor het kiezen van de juiste EMC voor een bepaalde toepassing. Als de EMC bijvoorbeeld de code "AC-3" heeft, is hij geschikt voor "eekhoornkooi"-elektromotoren (een gangbaar type elektrische inductiemotor) in toepassingen waarbij de motor regelmatig wordt in- en uitgeschakeld, terwijl "AC-20" geschikt is voor het aansluiten en loskoppelen van belastingen onder nulstroomomstandigheden. Een niet correct gespecificeerde EMC met IEC-codering kan weliswaar in een bepaalde toepassing functioneren, maar zal waarschijnlijk een veel kortere levensduur hebben dan een correct gecodeerde EMC.

De IEC-codes zijn ook nuttig om rekening te houden met het type belasting - resistief of inductief - aangezien dit ook een belangrijke invloed heeft op de keuze van EMC. Elektromotoren zijn bijvoorbeeld inductieve belastingen, terwijl een verwarmingstoestel een resistieve belasting vormt.

Het is ook van belang na te gaan hoeveel polen nodig kunnen zijn in één EMC en of deze polen NO of NC moeten zijn. Een toepassing zou bijvoorbeeld drie polen kunnen vereisen met gebruikmaking van NO-schakelaars voor elke fase van een elektrische motor, en nog een NC-paar om een LED te laten branden om aan te geven dat een motor stroom ontvangt maar niet draait.

Aangezien EMC's vaak relatief hoge spanningen en stromen vervoeren, is het bovendien belangrijk ervoor te zorgen dat de isolatiewaarde van de voorziening voldoet aan alle veiligheidscriteria van de toepassing.

Omdat motoren een aanzienlijk deel van het opgewekte elektrische vermogen verbruiken, hebben de VS en de EU wetgeving uitgevaardigd om ervoor te zorgen dat zij zo efficiënt mogelijk werken. De energie-efficiëntieniveaus van de E.U. worden uitgedrukt in internationale energie-efficiëntieklassen (IE) (Afbeelding 2). Volgens de huidige verordening moeten motoren, afhankelijk van hun nominaal vermogen en andere kenmerken, het IE2-niveau (hoog rendement), het IE3-niveau (premium rendement) of het IE4-niveau (superpremium rendement) bereiken. De EMC is van invloed op de efficiëntie van elektromotoren, dus als het besturingssysteem bestemd is voor gebruik in de E.U., is het belangrijk dat het ontworpen is volgens de juiste IE-efficiëntieklasse. In de VS moeten motoren voldoen aan het Premium Efficiency Program van de National Electrical Manufacturers Association (NEMA), dat eist dat wordt voldaan aan normen zoals die welke voor IE3 zijn gespecificeerd. De vereisten in Australië zijn vergelijkbaar met die in de V.S.

Afbeelding 2: IE-efficiëntie-eisen voor elektromotoren tonen aan hoe de efficiëntieverbeteringen groter zijn voor motoren met een lager vermogen: IE1- en IE2-motoren zijn niet langer toegestaan volgens de voorschriften van de VS en de E.U. (Bron afbeelding: Siemens)

Commerciële producten

Er is een breed scala van hoogwaardige EMC's beschikbaar voor vrijwel elke hoogbelaste toepassing. Zo bewijst de Siemens Sirius 3RT2-reeks van EMC's de mogelijkheden van hedendaagse producten voor het schakelen van elektromotoren en andere toepassingen. De toestellen zijn ontworpen met het oog op een hoge bedrijfszekerheid, hoge contactbetrouwbaarheid, werking bij hoge temperaturen en lange levensduur. Deze vermogenschakelaars kunnen tot 60°C zonder derating worden gebruikt, zelfs wanneer ze naast elkaar zijn gemonteerd. De reeks omvat EMC's die zijn gecategoriseerd voor AC-1 (niet-inductieve of licht-inductieve belastingen zoals verwarmingstoestellen), AC-3 (eekhoornkooi elektromotoren die vaak schakelen) en AC-4 (eekhoornkooi elektromotoren: starten, stekkeren, inching). Alle SIRIUS 3RT2-producten worden ontworpen voor IE3 en IE4 motorverrichting.

De 3RT20152AP611AA0 uit de SIRIUS 3RT2-reeks is een NO driepolige EMC met S00-formaat schakelaars en is gecodeerd voor AC-3 toepassingen. De voedingsspanning voor de besturing bedraagt 220 tot 240 volt AC. Hij beschikt over een uitgangsspanning van 400 of 690 volt en een maximale stroom van 7 A bij 400 volt of 4,9 A bij 690 volt voor een nominaal maximumvermogen van 3 kW bij 400 volt of 4 kW bij 690 volt. De contacten sluiten in minder dan 35 milliseconden (ms) en openen in minder dan 14 ms. Hij heeft een maximale schakelfrequentie onder belasting van 750 cycli per uur. De levensduur is 30 miljoen cycli met een uitvalpercentage van één op 100 miljoen. Bij gebruik van deze EMC is de FLA voor een aangesloten draaistroommotor 4,8 A voor een motor van 480 volt en 6,1 A voor een motor van 600 volt; dat is voldoende om een motor van 2,2 kW (480 volt) of een motor van 3,7 kW (600 volt) van stroom te voorzien (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De 3RT20152AP611AA0 EMR heeft drie polen die NO zijn, waardoor het een geschikte configuratie is voor het schakelen van een driefasenmotor. (Bron afbeelding: Siemens)

Aan het andere eind van de SIRIUS-reeks bevindt zich de 3RT20261AP60. Ook dit is een NO driepolige EMC en gecodeerd voor AC-3 toepassingen, maar met schakelaars van S0-formaat. De voedingsspanning voor de besturing bedraagt 220 tot 240 volt AC. Het apparaat heeft een uitgangsspanning van 400 of 690 volt en een maximale stroom van 25 A bij 400 volt, of 13 A bij 690 volt voor een nominaal maximaal vermogen van 11 kW bij beide uitgangsspanningen. De FLA voor een aangesloten draaistroommotor is 21 A voor een motor van 480 volt en 22 A voor een motor van 600 volt; dat is voldoende om een motor van 11,2 kW (480 volt) of een motor van 14,9 kW (600 volt) van stroom te voorzien.

De Siemens SIRIUS 3RT2 EMC's zijn geschikt voor een reeks van toepassingen, maar zijn geoptimaliseerd voor het schakelen van IE3 of NEMA premium efficiency-conforme motoren. Een deel van deze conformiteit vereist dat de EMC een efficiënt onderdeel vormt van het regelsysteem van de motor. Om aan deze eis te voldoen, zijn de EMC's ontworpen met kenmerken zoals permanente magneten om het stroomverbruik van de spoel te verminderen en elektronische spoelbesturing. Hierdoor kan de houdkracht (gebruikt om de contactor gesloten te houden) tot een minimum worden beperkt. Het intrinsieke vermogensverlies van de EMC's is met 92% verminderd in vergelijking met eerdere toestellen.

De 3RT20171BB41 vermogensschakelaar bijvoorbeeld, die driefasige motoren van 2,2 kW tot 7,5 kW kan schakelen, afhankelijk van de uitgangsspanning van de EMC, heeft een verlies van 1,2 watt per pool voor een totaal verlies van 3,6 watt bij het leveren van vol vermogen aan een elektromotor.

Een EMC gebruiken om een IE3-motor te starten

Een motoraandrijving bestaat uit verschillende onderdelen om een veilige en betrouwbare werking te garanderen. Een uitgebreide opstelling zou bijvoorbeeld de volgende componenten kunnen omvatten:

• Beveiligingsinrichting (bijvoorbeeld een motorbeveiligingsstarter en/of overbelastingsrelais)
• Startende eenheid (bijvoorbeeld een EMC)
• Controller (bijvoorbeeld een motorbeheersysteem)
• Besturingseenheid (bijvoorbeeld een frequentieomvormer)
• Elektrische motor
• Versnellingsbak
• Bekabeling
• Aangedreven machine

De SIRIUS 3RT2 EMC's zijn ontworpen als modulaire apparaten die samen met de andere componenten op een DIN-rail worden gemonteerd (of worden vastgeschroefd). De EMC's zijn ontworpen om samen met zustermodules het gewenste regelgedeelte van de motoraandrijving op te bouwen (Afbeelding 4). Het modulaire ontwerp helpt de hoeveelheid benodigde bedrading in de kast te beperken, en verbindingen worden gemaakt via veerbelaste contacten, zodat geen speciaal gereedschap nodig is.

Afbeelding 4: De SIRIUS 3RT2-serie is modulair opgebouwd, waardoor het eenvoudig is een motorbesturingssysteem te implementeren. Hier wordt een 3RT20171BB41 EMR - die wordt geschakeld met een 24 volt gelijkstroomsignaal - gebruikt met een beveiligingsinrichting en een overbelastingsrelais om een transportbandmotor aan te sturen. (Bron afbeelding: Siemens)

Op voorwaarde dat de EMC zorgvuldig is geselecteerd, wordt het een plug-and-play-element van het besturingssysteem. De 3RT2-vermogensschakelaars zijn geoptimaliseerd voor het schakelen van IE3 elektromotoren in de 1 tot 15 kW-reeks en kunnen zonder verdere beperkingen worden gebruikt voor direct-op-lijn en het omkeren van het starten toepassingen. Er zijn echter enkele belangrijke ontwerpoverwegingen voor ingenieurs die meer vertrouwd zijn met IE2 elektromotoren dan met IE3 types wanneer zij 3RT2 EMC's gebruiken. Kenmerken die van invloed zijn op het ontwerp van regelsystemen voor IE3-motoren zijn onder meer lagere nominale stromen, een hogere aanloopstroomverhouding en een hogere inschakelstroom (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De inschakel-, aanloop- en nominale motorstroom zijn belangrijke parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een EMC voor een driefasige wisselstroommotor. (Bron afbeelding: Siemens)

De sleutel tot de verhoogde efficiëntie van IE3-elektromotoren is een lagere nominale motorstroom. De IE3 specificeert echter geen lineaire toename van de efficiëntie over het gehele vermogensbereik van de elektromotor. In plaats daarvan moet het rendement van elektromotoren met een lager vermogen in vergelijking met IE2-types veel sterker toenemen dan dat van eenheden met een hoger vermogen (zie figuur 2 hierboven). Dat betekent dat voor elektromotoren met een lager vermogen de nominale motorstroom aanzienlijk is verlaagd in vergelijking met het IE2-type. Merk op dat een gelijkaardig vermogen wordt gehandhaafd door de bedrijfsspanning te verhogen.

De keerzijde van een lagere nominale stroom is een stijging van de aanloopstroomverhouding (aanloopstroom/ nominale stroom) voor de efficiëntere motoren. Dit komt omdat, hoewel de aanloopstroom voor een IE3-motor lager is, het verschil tussen IE2- en IE3-motoren met gelijk vermogen niet zo uitgesproken is voor de aanloopstroom als voor de nominale stroom. Voor motoren met een lager vermogen is de aanloopstroomverhouding hoger dan die voor alternatieven met een hoger vermogen.

Het effect van een verhoogde aanloopstroomverhouding is een toename van de inschakelstroom. Inschakelstroom is in wezen een dynamisch compensatiegebeuren dat het gevolg is van factoren zoals de aansluiting van een inductieve belasting (zoals een motor), en dynamische stroomtransiënten en verzadigingseffecten in de gelamineerde kernen van de motor. Inschakelstroom, die tot vijf keer hoger kan zijn dan FLA, kan de motor en andere systemen beschadigen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De inschakelstroom is hoger voor efficiëntere motoren en groter voor eenheden met een lager vermogen. Een adequaat ontwerp van het controlesysteem kan de effecten verzachten. (Bron afbeelding: Siemens)

Samen met andere modulaire controlecomponenten kunnen 3RT2 EMC's worden gebruikt in een wye-delta ("YΔ") startsysteem om de inschakelstroom te beperken. Door de motor te starten met de volledige lijnspanning over de Y-wikkelingen van de eenheid, bereikt ongeveer 58% van de lijnspanning elke motorfase, waardoor de stroom wordt verlaagd en de inschakelpiek laag wordt gehouden. Zodra de motor zijn nominaal toerental heeft bereikt, wordt overgeschakeld op de Δ-modus, waarbij de volledige spanning (zonder gevaar van inschakelstroom) op elke fase wordt gezet en de motor het volle vermogen kan produceren.

Deze opstelling vereist een overbelastingsrelais dat direct in de motorvoedingskabel U1, V1, W1 is geplaatst (Afbeelding 7). Dit garandeert dat de overbelastingsbeveiliging effectief is voor alle drie de EMC's. De volledige implementatie vereist het relais en drie 3RT2 EMC's.

Afbeelding 7: YΔ stroomkring bestaande uit een overbelastingsrelais in de motorvoedingskabel en drie EMC's om de stroom te schakelen tijdens het starten van de motor. (Bron afbeelding: Siemens.)

In bedrijf wordt het Y-gedeelte van de sequentie geactiveerd door de EMC's K1 en K3 samen te sluiten. Na een vooraf ingestelde tijd (bij ongeveer 80% van het volle toerental van de motor) zorgt een timer ervoor dat K3 opengaat en K2 sluit, zodat het delta-gedeelte in werking wordt gesteld en het volle vermogen op de motor wordt gezet.

Conclusie

Bij het schakelen van belastingen met een hoog vermogen, zoals draaistroommotoren, zijn EMC's het aanbevolen alternatief voor EMR's. EMC's zijn ontworpen voor zeer betrouwbare schakelingen gedurende tientallen miljoenen bewerkingen. De toestellen zijn verkrijgbaar voor een groot aantal motorvermogens, gaande van enkele tot honderden kilowatts.

Zoals getoond zijn de Siemens SIRIUS 3RT2 EMC's geschikt voor het schakelen van draaistroommotoren van 2 tot 25 kW, en hun modulaire ontwerp zorgt voor eenvoudige installatie in besturingssystemen. Hoewel de installatie van de SIRIUS EMC's betrekkelijk eenvoudig is, moet bij de installatie van het besturingssysteem voorzichtigheid worden betracht om motorschade door te hoge inschakelstroom te voorkomen.