De grondbeginselen van motorschakelaars en hun toepassing

Toepassingen zoals verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), compressors, pompen, materiaalbehandeling en verpakking vereisen de veilige inzet en besturing van grote motoren die met hoge spanningen en stromen werken. De besturing van deze grote elektromotoren vormt een probleem voor ontwerpers, omdat zij moeten zorgen voor voldoende isolatie tussen de motor en het besturingscircuit. Bovendien kunnen de hoge spanningen en stromen aanzienlijke elektromagnetische transiënten opwekken die elektronische bedieningsorganen kunnen beschadigen.

Elektromagnetische relais bieden afstandsbediening met isolatie, maar hebben hun eigen beperkingen. Het openen en sluiten van de vermogensaansluitingen van een motor met hoog vermogen genereert elektrische vlambogen die de contactoppervlakken van het relais doen slijten, waardoor de levensduur van het contact afneemt.

De oplossing voor dit probleem is een elektromagnetische contactor, een speciale klasse van relais bestemd voor de besturing van motors. Naast een robuustere constructie en grotere, robuustere contacten dan bij relais, maken zij gebruik van vlamboogonderdrukkingstechnieken, waaronder speciale materialen en het sneller sluiten en openen van contacten.

In dit artikel worden de grondbeginselen van elektromagnetische motorcontactors en hun voordelen ten opzichte van andere benaderingen van motorbesturing onderzocht. Vervolgens wordt besproken hoe ze worden geselecteerd en toegepast aan de hand van configuratievoorbeelden uit de Schneider Electric Easy TeSys-familie.

Hoe contactors werken

Elektromagnetische contactors bestaan uit een elektromagneet op een "E"-kern. In het bijzonder wordt een elektrisch geïsoleerde spoel concentrisch om het middelste been van de kern gewikkeld. De spoel wordt aangeslagen door de regelende spanningsbron, die wissel- of gelijkstroom kan zijn. Wanneer de spoel wordt bekrachtigd, trekt de elektromagnetische kracht een anker in dat zich aan het open uiteinde van de kern bevindt (figuur 1).

Afbeelding 1: Een vereenvoudigd functioneel schema van een contactor in zowel spanningsloze als bekrachtigde toestand. (Bron afbeelding: Art Pini)

De elektrische contacten zijn mechanisch gekoppeld aan het anker. De plaatsing van de contacten verschilt per contactor: ze kunnen normaal open zijn (NO) of een combinatie van normaal open en normaal gesloten (NC). Er kunnen meerdere geïsoleerde contacten zijn. Een driefasen contactor heeft bijvoorbeeld drie sets vermogenscontacten, één voor elke fase. Als het anker intrekt, openen de NC-contacten en sluiten de NO-contacten. Bovendien bevatten veel contactors een hulpset van contacten met een lager vermogen die worden gebruikt om de toestand van de contactor te controleren, onder spanning of zonder spanning.

Contactmaterialen worden gekozen vanwege hun hoge sterkte, uitstekende elektrische geleidbaarheid en weerstand tegen de effecten van vonken en oxidatie. De contactgeometrie is ontworpen om de beoogde vermogensniveaus aan te kunnen en boogvorming te onderdrukken.

Alle elementen van de contactor bevinden zich in een behuizing, die de contacten elektrisch isoleert en tegelijkertijd een eenvoudige methode biedt voor het aansluiten van de stroom-, belastings- en spoelbedrading. De behuizing biedt ook montagesteun, in de vorm van paneel- of DIN-railmontage (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Voorbeelden van typische contactorbehuizingen; paneelmontage (links) en DIN-railmontage (rechts). (Bron afbeelding: Schneider Electric)

De contactors van Schneider Electric Easy TeSys (DPE-serie) zijn ondergebracht in een compacte behuizing van slechts 45 millimeter (mm) breed en kunnen worden gemonteerd op een paneel of een DIN-rail. De behuizing heeft een beschermingsgraad van IP20, wat duidt op bescherming voor vingers. Alle contactors in de serie hebben een normaal open hulpcontact. Deze serie driefasige contactors is UL/CSA goedgekeurd met vermogens tot 32 ampère, 20 paardenkracht bij 480 volt AC (HP/480 VAC) en 25 HP/600 VAC, met verschillende bekrachtigingsspanningen van de stuurspoel (Tabel 1).

Tabel 1: Geselecteerde voorbeelden uit de serie Schneider Electric Easy TeSys DPE-contactor tonen het bereik van de selecties van bedrijfsstroom en stuurspoelspanning die de lijn biedt. (Bron tabel: Art Pini)

Deze apparaten hebben een levensduur van ongeveer 1 miljoen elektrische bewerkingen. Easy TeSys-contactors zijn geschikt voor toepassingen zoals beschreven in de gebruikscategorieën van de norm IEC 60947. De stroomsterkte van de afzonderlijke contactor is afhankelijk van de gebruikscategorie. De categorie AC-1 beschrijft bijvoorbeeld toepassingen waarbij de belasting niet of nauwelijks inductief is, zoals een oven op basis van weerstand. Deze toepassingen hebben voornamelijk resistieve belastingen, die minder last hebben van transiënte spanningen en stromen.

Categorie AC-3 heeft betrekking op toepassingen voor inductiemotors met kooiankers, waarbij de motor wordt gestart en de stroom kan worden verwijderd om de motor soms te stoppen. Motors zijn inductieve apparaten en starten en stoppen resulteren in inductieve transiënten die de contactor zwaarder belasten.

Toepassingen in de categorie AC-4 belasten de contactor sterker. Deze categorie omvat inductiemotors met kooiankers en sleepringmotors die onderhevig zijn aan tegenstroomremmen en jogging of inching. Jogging of inching is "de snelle herhaalde toepassing van kracht om een motor vanuit rust te starten met het doel kleine bewegingen van de motor te volbrengen". Joggen is in het algemeen het starten van een motor met korte stroomstoten bij volle spanning. Evenzo betekent inching het starten van een motor met korte pulsen van verminderde spanning. De meervoudige toepassingen van stroom genereren de hoogste spanning op de contactor.

De afstemming van een specifieke Easy TeSys DPE-contactor op een motor of een vergelijkbare toepassing met hoog vermogen is voornamelijk gebaseerd op de stroom die wordt verwerkt. De catalogus Schneider Electric Easy TeSys bevat selectiehulpmiddelen op basis van het motorvermogen, de gebruikscategorie en de vereiste operationele levensduur (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De Easy TeSys DPE-selectiegids voor AC-3 gebruikscategorie motors op basis van motorvermogen en gewenste levensduur van de contactor. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Afbeelding 3 is een van de drie selectiegidsen in verband met de gebruikscategorie van het gecontroleerde apparaat. Het is voor gebruikscategorie AC-3, in principe een motor die onregelmatig gestopt mag worden. Wanneer de motor stilstaat, is de stroom gelijk aan de bedrijfsstroom. Neem als voorbeeld een Easy TeSys DPE-contactor voor een 5,5 kilowatt (kW), 3-fasenmotor die werkt op 400 volt met een bedrijfsstroom van 11 A waarbij de gewenste levensduur twee miljoen cycli bedraagt. Beginnend op de 400 volt spanningslijn moet de ontwerper 5,5 kW lokaliseren, en van daaruit een lijn omhoog projecteren tot deze de twee miljoen operaties lijn snijdt. De dichtstbijzijnde locus van het DPE-model (in blauw) is de DPE 18.

Een voorbeeld van een AC-4-gebruikscategorie, waarbij de motor vaak wordt gestopt en opnieuw gestart, heeft te maken met grotere worst-case stromen. Beschouw een driefasenmotor van 5,5 kW die draait op 400 volt met een bedrijfsstroom van 11 A in een AC-4-toepassing waarbij de motor spanningsloos wordt gemaakt terwijl hij stilstaat. De gewenste levensduur is 300.000 operaties.

De stilstandstroom voor deze motor is zesmaal de bedrijfsstroom, waardoor een contactor nodig is die voor een hogere stroomsterkte is berekend (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De Easy TeSys DPE selectiegids voor de AC-4-gebruikscategorie. Merk op dat de stromen in het slechtste geval veel groter kunnen zijn, omdat de mogelijkheid bestaat dat er stroom aan de motor wordt onttrokken terwijl deze stilstaat. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Om de aanbevolen contactor te vinden, begint u met de stilstandstroom van 66 A, die zes keer zo groot is als de bedrijfsstroom van 11 A. Projectie naar boven vanaf de huidige as totdat deze de lijn van 0,3 miljoen operaties snijdt. De dichtstbijzijnde product locus is de DPE32.

De contactors van de Easy TeSys DPE-serie dekken de meest voorkomende motorconfiguraties en toepassingen, zoals transportbanden, verpakkingsmachines, pompen, compressoren, verwarming en ventilatie, airconditioning, koeling en meer.

De Easy TeSys-familie omvat ook een reeks aanvullende thermische overbelastingsrelais die ontworpen zijn om AC-circuits en motoren te beschermen tegen overbelasting, fase-uitval, langere starttijden en vastgelopen rotor. Deze relais bewaken de motorstroom, en wanneer de stroom de ingestelde stroomgrens overschrijdt, gaan de contacten open en wordt de motor gestopt. Er zijn vijftien verschillende modellen, elk met een reeks instelbare stroomsterktes. De modellen met overbelastingsbeveiliging zijn compatibel met geselecteerde Easy TeSys-contactors DPE09 tot en met DPE38. Zij worden rechtstreeks op de onderste klemmen van de 3-fasige contactors aangesloten met behulp van de schroefklemmen van de contactors. De combinatie heeft een gemeenschappelijke breedte van 45 mm en kan op een DIN-rail worden gemonteerd of op een paneel worden geschroefd met behulp van de DPE-contactorhouder (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het overbelastingsbeveiligingsrelais wordt direct onder de DPE-contactor gemonteerd en bevestigd met de schroefklemmen van de contactor. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Het Easy TeSys DPER32 thermische overbelastingsrelais, nominaal 32 A/690 volt, heeft een instelbaar thermisch instelbaar uitschakelbereik van 23-32 A, uitschakelklasse 10 (bij een overbelasting van zes keer het ingestelde niveau zal de overbelastingsbeveiliging binnen 10 seconden uitschakelen), voor bescherming van 3-fasenmotoren met een nominaal vermogen van 15 kW@400 volt. Het is een differentieel apparaat met detectie van fase-uitval en belastingsonbalans. Het heeft een thermische instelknop, een handmatige/automatische reset selector, een testselector voor de simulatie van een trip-, reset- en stopknoppen, een vlagindicator, en twee hulpcontacten (1 NO + 1 NC) voor fout signalering. De gebruikersinstellingen worden beschermd door een afsluitbaar transparant deksel. De hele familie thermische overbelastingsbeveiligers is gecertificeerd volgens meerdere normen, waaronder IEC, UL en CUL.

Conclusie

Ontwerpers van motortoepassingen met hoge bedrijfsspanningen en -stromen hebben een betrouwbare manier nodig om de bijbehorende regelcircuits te isoleren en te beschermen tegen elektromagnetische straling. De Easy TeSys driepolige DPE-contactors zijn, samen met de DPER Easy TeSys thermische overbelastingsrelais, ontworpen om de meest voorkomende motortoepassingen te schakelen en te beveiligen. Het brede scala aan modellen met meerdere stroom- en spanningsniveaus maakt het gemakkelijk om ze te configureren volgens de eisen van een specifieke toepassing.