工程師若需要使用小電壓信號(hào)對(duì)相對(duì)較高的電壓和電流執(zhí)行隔離式開(kāi)關(guān)操作，通常會(huì)選用繼電器。傳統(tǒng)的低壓開(kāi)關(guān)可激活繼電器，再由繼電器開(kāi)啟大功率電源。機(jī)電繼電器 (EMR) 成本較低，可以處理相對(duì)較高的電壓，而固態(tài)繼電器 (SSR) 則可以消除觸頭磨損和電弧現(xiàn)象。
但是，在處理幾百伏和幾十安培及以上的頻繁開(kāi)關(guān)操作時(shí)，這兩種類型都會(huì)遭遇挑戰(zhàn)。這類高負(fù)載下的電弧現(xiàn)象會(huì)迅速磨損 EMR 的觸頭，而 SSR 中的漏電流則會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。設(shè)計(jì)人員需要為這些高要求的應(yīng)用找到替代選擇。
相對(duì)冷門(mén)的機(jī)電接觸器 (EMC) 提供了堅(jiān)固耐用的繼電器替代品。這些器件采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，而且多家信譽(yù)良好的供應(yīng)商都有現(xiàn)貨供應(yīng)。由于有數(shù)十種選擇，如果對(duì) EMC 的操作沒(méi)有詳細(xì)的了解，選擇過(guò)程很快就會(huì)陷入混亂。
本文簡(jiǎn)要說(shuō)明 EMR 與接觸器之間的區(qū)別、接觸器的工作原理，然后重點(diǎn)介紹作為實(shí)現(xiàn)成功設(shè)計(jì)的第一步，給定的應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品的選擇有何影響。設(shè)計(jì)的選擇將通過(guò)參考 IE3 電機(jī)實(shí)施中使用的 Siemens SIRIUS 3RT 系列電力接觸器加以說(shuō)明。
機(jī)電繼電器與接觸器的區(qū)別
由于開(kāi)關(guān)在閉合后會(huì)暴露在全電路電流中，因此使用開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉大型三相電機(jī)這類大功率設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)。開(kāi)關(guān)在翻轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電弧，在工作中還會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。這一問(wèn)題的解決方案是使用由傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和關(guān)閉的低功率電路來(lái)觸發(fā)大功率電路。這便是使用 EMR 的目的。
EMR 使用由低功率電路供電的線圈來(lái)形成磁場(chǎng)，然后再由磁場(chǎng)向可動(dòng)鐵芯提供脈沖，繼而打開(kāi)或閉合（常閉型 (NC) 或常開(kāi)型 (NO)）觸頭。EMR 可以開(kāi)關(guān)不超過(guò)其最大額定值的交流或直流負(fù)載。EMR 的主要優(yōu)勢(shì)在于低成本，以及在任何低于器件介電額定值的施加電壓下均能保證隔離。（請(qǐng)參閱《如何使用特種低噪聲固態(tài)繼電器抑制 EMI 并滿足關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)》）。
不過(guò)，EMR 能夠處理的功率有限。例如，當(dāng)負(fù)載是功率超過(guò)幾千瓦 (kW) 的三相電機(jī)時(shí)，使用 EMR 開(kāi)關(guān)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的電弧并迅速磨損繼電器。另一種選擇是使用 EMC，一種與繼電器等效但更堅(jiān)固耐用的重型工業(yè)產(chǎn)品，能夠可靠地開(kāi)關(guān)高負(fù)載多達(dá)數(shù)千萬(wàn)次以上（圖 1）。
圖 1：機(jī)電接觸器取代重載開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的繼電器。（圖片來(lái)源：Siemens）
EMC 可以安全地連接至具有高電流需求的設(shè)備，并且通常設(shè)計(jì)能夠控制和抑制在重型負(fù)載下開(kāi)關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的電弧。該器件使用與繼電器相同的通電線圈/活動(dòng)鐵芯激活機(jī)制，幾乎全部配備 NO 型觸頭，但也可使用 NC 型觸頭。NO 型觸頭確保在 EMC 的電力被移除時(shí)，觸頭切換為開(kāi)路，從而切斷對(duì)高電流消耗設(shè)備的電力供應(yīng)。這些器件具有一對(duì)或多對(duì)觸頭，也稱為擲。
EMC 的選擇
決定選擇 EMC 而不是 EMR 相對(duì)比較簡(jiǎn)單。雖然 EMC 比較昂貴，但它們是高負(fù)載應(yīng)用的唯一選擇。一旦確定需要 EMC，選擇最合適的 EMC 就要困難得多了。最好從確定目標(biāo)應(yīng)用工作電壓下的峰值負(fù)載電流（也稱為滿載電流 (FLA)）要求開(kāi)始。然后再確定所需接觸器的載流能力。
以三相電機(jī)為例，制造商通常在規(guī)格書(shū)中規(guī)定了工作電壓和 FLA。但如果沒(méi)有這些信息，工程師也可以參考一些資源，如美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范 (NEC) 圖表，其中詳細(xì)說(shuō)明了一系列額定功率和輸入電壓的三相電機(jī)的 FLA。電機(jī)是根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 的電機(jī)分類法進(jìn)行分類的。例如，工作電壓為 110 伏的 375 瓦三相電機(jī)，其 FLA 為 4.4 安培 (A)，而工作電壓為 220 伏的 1.1 kW 電機(jī)，其 FLA 為 6 A。
下一步，工程師必須確定 EMC 所需的控制電壓。該電壓可以與用來(lái)為相關(guān)電機(jī)供電的電壓相同，但出于安全原因，通常使用更低的電壓。EMC 控制電壓通常總是低于 250 V AC。
其次應(yīng)考慮電機(jī)在應(yīng)用中的工作情況。例如，兩種不同的應(yīng)用可能使用相同規(guī)格的三相電機(jī)。但是，要求電機(jī)長(zhǎng)期保持開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)的應(yīng)用，與需要頻繁開(kāi)關(guān)電機(jī)的應(yīng)用，所需的 EMC 是不同的。后者將反復(fù)承受電流負(fù)載，因此需要更堅(jiān)固耐用的產(chǎn)品。
IEC 使用類別（也稱為“代碼”）是為特定應(yīng)用選擇正確 EMC 的有效指南。例如，如果 EMC 的代碼為“AC-3”，則表示適合“鼠籠式”電機(jī)（一種常見(jiàn)的感應(yīng)電機(jī)）應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，電機(jī)會(huì)定期開(kāi)啟和關(guān)閉，而“AC-20”則適合在零電流條件下連接和斷開(kāi)負(fù)載。雖然 IEC 代碼指定錯(cuò)誤的 EMC 也能在給定的應(yīng)用中工作，但其使用壽命可能比正確編碼的 EMC 要短得多。
IEC 代碼對(duì)于考慮阻性或感性負(fù)載類型也很有用，因?yàn)樨?fù)載類型也會(huì)對(duì) EMC 的選擇產(chǎn)生重大影響。例如，電機(jī)是感性負(fù)載，而加熱器則是阻性負(fù)載。
還有一個(gè)值得考慮的重要因素是，一個(gè) EMC 中可能需要多少個(gè)擲，以及它們應(yīng)該是 NO 型還是 NC 型。例如，某個(gè)應(yīng)用中電機(jī)的每一相可能需要三個(gè)使用 NO 型接觸器的擲，此外還需要一對(duì) NC 接觸器來(lái)點(diǎn)亮 LED，表明電機(jī)已通電但沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。
而且，由于 EMC 經(jīng)常承載相對(duì)較高的電壓和電流，因此確保器件的絕緣等級(jí)滿足應(yīng)用的所有安全標(biāo)準(zhǔn)也很重要。
由于電機(jī)消耗了相當(dāng)比例的發(fā)電量，因此美國(guó)和歐盟已通過(guò)立法，確保電機(jī)盡可能高效地運(yùn)行。歐盟的能效水平表示為國(guó)際能源 (IE) 效率等級(jí)（圖 2）。根據(jù)目前的規(guī)定，電機(jī)必須達(dá)到 IE2（高能效）、IE3（超高能效）或 IE4（超優(yōu)級(jí)能效）水平，具體取決于其額定功率和其他特性。EMC 會(huì)影響電機(jī)能效，因此，如果控制系統(tǒng)要在歐盟使用，其設(shè)計(jì)就必須符合相應(yīng)的 IE 能效等級(jí)要求。在美國(guó)，電機(jī)必須符合國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì) (NEMA) 的優(yōu)級(jí)能效計(jì)劃，該計(jì)劃要求符合 IE3 所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。澳大利亞的要求與美國(guó)相似。
圖 2：電機(jī)的 IE 能效要求顯示，低功率電機(jī)的能效提升幅度更大：美國(guó)和歐盟法規(guī)不再允許使用 IE1 和 IE2 等級(jí)的電機(jī)。（圖片來(lái)源：Siemens）
商用產(chǎn)品
幾乎所有高負(fù)載應(yīng)用都有眾多高品質(zhì)的 EMC 可供選擇。例如，Siemens Sirius 3RT2 系列 EMC 展示了適用于電機(jī)開(kāi)關(guān)和其他應(yīng)用的現(xiàn)代產(chǎn)品能力。這些器件專為高運(yùn)行可靠性、高接觸可靠性、高溫運(yùn)行和長(zhǎng)使用壽命而設(shè)計(jì)。這些電力接觸器可在高達(dá) 60°C 的溫度下使用而不會(huì)降額，即使采用并排安裝也不例外。該系列包括被歸入 AC-1（無(wú)感或微感負(fù)載，如加熱器）、AC-3（頻繁開(kāi)關(guān)的鼠籠式電機(jī)）和 AC-4（鼠籠式電機(jī)：起動(dòng)、插入和點(diǎn)動(dòng)）工作類別的 EMC。所有 SIRIUS 3RT2 產(chǎn)品均專為 IE3 和 IE4 電機(jī)運(yùn)行而設(shè)計(jì)。
SIRIUS 3RT2 系列中的 3RT20152AP611AA0 是一款具有 S00 尺寸接觸器的 NO 三擲 EMC，根據(jù)編碼適用于 AC-3 類應(yīng)用。控制電源電壓為 220 至 240 V AC。它具有 400 伏或 690 伏輸出電壓，400 伏下的最大電流為 7 安，690 伏下的最大電流為 4.9 安，400 伏下的最大標(biāo)稱功率為 3 kW，690 伏下的最大標(biāo)稱功率為 4 kW。觸頭的閉合時(shí)間小于 35 毫秒 (ms)，開(kāi)啟時(shí)間小于 14 毫秒。負(fù)載條件下的最大開(kāi)關(guān)頻率為每小時(shí) 750 次。使用壽命為 3000 萬(wàn)次，故障率為每 1 億次開(kāi)關(guān)一次。當(dāng)使用該 EMC 時(shí)，對(duì)于 480 伏額定電壓的電機(jī)，連接的三相電機(jī)的 FLA 為 4.8 安，600 伏額定電壓的電機(jī)則為 6.1 安；因而足以為 2.2 kW（480 伏）電機(jī)或 3.7 kW（600 伏）電機(jī)供電（圖 3）。
圖 3：3RT20152AP611AA0 EMC 具有三個(gè) NO 型擲，使其成為適合開(kāi)關(guān)三相電機(jī)的配置。（圖片來(lái)源：Siemens）
SIRIUS 系列的另一端是 3RT20261AP60。這也是一款 NO 型三擲 EMC，根據(jù)編碼適用于 AC-3 類應(yīng)用，但具有 S0 尺寸的接觸器。控制電源電壓為 220 至 240 V AC。該器件具有 400 伏或 690 伏輸出電壓，400 伏下的最大電流為 25 安，690 伏下的最大電流為 13 安，兩種電壓下的最大標(biāo)稱功率均為 11 kW。對(duì)于 480 伏額定電壓的電機(jī)，所連接三相電機(jī)的 FLA 為 21 安，600 伏額定電壓的電機(jī)則為 22 安；因而足以為 11.2 kW（480 伏）電機(jī)或 14.9 kW（600 伏）的電機(jī)供電。
Siemens SIRIUS 3RT2 EMC 適合多種應(yīng)用，并針對(duì)符合 IE3 或 NEMA 超高能效標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。要符合這種效率要求，EMC 必須是電機(jī)控制系統(tǒng)的高能效組成部分。為滿足這一要求，EMC 的設(shè)計(jì)具有一些特性，例如采用可減小線圈功耗的永磁體，以及電子線圈控制。這使得維持功率（用于保持接觸器閉合）降到最低。與先前的器件相比，EMC 的內(nèi)在功率損耗減少了 92%。
例如，3RT20171BB41 電力接觸器可以開(kāi)關(guān) 2.2 kW 到 7.5 kW 的三相電機(jī)（具體取決于 EMC 的輸出電壓），在以全功率為電機(jī)供電時(shí)，每一擲的功率損耗為 1.2 瓦，總計(jì)損耗 3.6 瓦。
使用 EMC 來(lái)起動(dòng) IE3 電機(jī)
電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由若干部件構(gòu)成，以確保安全、可靠的運(yùn)行。例如，一個(gè)完備的設(shè)置可能包括以下部件：
SIRIUS 3RT2 EMC 采用模塊化器件設(shè)計(jì)，與其他部件一起安裝在 DIN 導(dǎo)軌上（或用螺絲固定到位）。EMC 的設(shè)計(jì)可以與姊妹模塊組合起來(lái)，用于搭建電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)所需的控制部分（圖 4）。模塊化設(shè)計(jì)有助于限制機(jī)柜內(nèi)所需的布線量，并且通過(guò)頂出式觸頭進(jìn)行連接，因此不需要特殊工具。
圖 4：SIRIUS 3RT2 系列為模塊化器件，因而可以直接實(shí)施為電機(jī)控制系統(tǒng)。在圖中，3RT20171BB41 EMC（使用 24 伏直流信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)）與保護(hù)裝置和過(guò)載繼電器一起用來(lái)控制傳送帶電機(jī)。（圖片來(lái)源：Siemens）
經(jīng)過(guò)精心挑選的 EMC 可以用作控制系統(tǒng)中的即插即用元件。3RT2 電力接觸器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，適用于開(kāi)關(guān) 1 至 15 kW 范圍內(nèi)的 IE3 電機(jī)，并且無(wú)需進(jìn)一步限制，即可用于直接在線和反向起動(dòng)應(yīng)用。但對(duì)于更熟悉 IE2 類而不是 IE3 類電機(jī)的工程師來(lái)說(shuō)，在使用 3RT2 EMC 時(shí)還有一些重要的設(shè)計(jì)事項(xiàng)需要注意。影響 IE3 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特性包括：較低的額定電流、更大的起動(dòng)電流比，以及更大的涌流（圖 5）。
圖 5：在選擇用于三相交流電機(jī)的 EMC 時(shí)，浪涌、起動(dòng)和額定電機(jī)電流是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。（圖片來(lái)源：Siemens）
提高 IE3 電機(jī)能效的關(guān)鍵在于降低額定電機(jī)電流。但是，IE3 并沒(méi)有規(guī)定能效在整個(gè)電機(jī)功率范圍內(nèi)呈線性增長(zhǎng)。相反，與 IE2 類型相比，IE3 要求低功率電機(jī)的能效提升必須遠(yuǎn)超高功率電機(jī)（參見(jiàn)上面的圖 2）。這意味著對(duì)于低功率電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)的額定電流相較于 IE2 類型已大幅降低。請(qǐng)注意，通過(guò)提高工作電壓可維持對(duì)等的功率。
額定電流降低的另一面是，高能效電機(jī)的起動(dòng)電流比（起動(dòng)電流/額定電流）增大。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)椋M管 IE3 電機(jī)的起動(dòng)電流較低，但 IE2 和 IE3 等功率電機(jī)在起動(dòng)電流上的差異并不像額定電流那樣顯著。對(duì)于低能效電機(jī)而言，起動(dòng)電流比高于高能效替代品。
起動(dòng)電流比增大帶來(lái)的影響是涌流增大。涌流本質(zhì)上是一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償事件，由連接感性負(fù)載（如電機(jī)）以及電機(jī)層壓鐵芯中的動(dòng)態(tài)電流瞬變和飽和效應(yīng)等因素引起。涌流可能高達(dá) FLA 的五倍，會(huì)損壞電機(jī)和其他系統(tǒng)（圖 6）。
圖 6：電機(jī)能效越高涌流越大，低功率設(shè)備的涌流更大。適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)可以緩解這些影響。（圖片來(lái)源：Siemens）
3RT2 EMC 與其他模塊化控制部件一起，可用于星形三角形（“YΔ”）起動(dòng)系統(tǒng)，以限制涌流。通過(guò)在設(shè)備的 Y 繞組上使用實(shí)線電壓起動(dòng)電機(jī)，大約 58% 的線路電壓到達(dá)每個(gè)電機(jī)相，從而減小電流并降低浪涌峰值。一旦電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，就會(huì)切換到 Δ 模式運(yùn)行，這時(shí)全電壓被施加到每一相（沒(méi)有任何涌流的危險(xiǎn)），電機(jī)可以產(chǎn)生全功率。
這種配置需要一個(gè)位于電機(jī)饋線電纜 U1、V1、W1 中的過(guò)載繼電器（圖 7）。這將確保過(guò)載保護(hù)對(duì)所有三個(gè) EMC 都有效。完整的實(shí)現(xiàn)需要繼電器和三個(gè) 3RT2 EMC。
圖 7：YΔ 電路的電機(jī)饋線電纜中包括一個(gè)過(guò)載繼電器，以及三個(gè)在電機(jī)起動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)電源的 EMC。（圖片來(lái)源：Siemens）
在工作期間，序列中的 Y 部分通過(guò)同時(shí)閉合 K1 和 K3 EMC 來(lái)觸發(fā)。在預(yù)設(shè)的時(shí)間后（約為電機(jī)全速的 80%），計(jì)時(shí)器將會(huì)觸發(fā) K3 打開(kāi)，K2 關(guān)閉，以啟動(dòng) Delta 部分，將全功率應(yīng)用于電機(jī)。
結(jié)語(yǔ)
在開(kāi)關(guān)三相交流電機(jī)這類大功率負(fù)載時(shí)，建議用 EMC 來(lái)取代 EMR。EMC 能夠在數(shù)千萬(wàn)次開(kāi)關(guān)操作中提供高可靠性。該器件適用于從幾千瓦到幾百千瓦的各種電機(jī)輸出。
如上所示，Siemens SIRIUS 3RT2 EMC 適用于開(kāi)關(guān) 2 到 25 kW 的三相交流電機(jī)，其模塊化設(shè)計(jì)可確保輕松安裝到控制系統(tǒng)中。雖然 SIRIUS EMC 的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但必須注意控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，以免電機(jī)因涌流過(guò)大而損壞。
