如何为重型三相交流电机选择和应用机电接触器

工程师若需要使用小电压信号对相对较高的电压和电流执行隔离式开关操作，通常会选用继电器。传统的低压开关可激活继电器，再由继电器开启大功率电源。机电继电器 (EMR) 成本较低，可以处理相对较高的电压，而固态继电器 (SSR) 则可以消除触头磨损和电弧现象。

但是，在处理几百伏和几十安培及以上的频繁开关操作时，这两种类型都会遭遇挑战。这类高负载下的电弧现象会迅速磨损 EMR 的触头，而 SSR 中的漏电流则会导致过热。设计人员需要为这些高要求的应用找到替代选择。

相对冷门的机电接触器 (EMC) 提供了坚固耐用的继电器替代品。这些器件采用经过验证的技术，而且多家信誉良好的供应商都有现货供应。由于有数十种选择，如果对 EMC 的操作没有详细的了解，选择过程很快就会陷入混乱。

本文简要说明 EMR 与接触器之间的区别、接触器的工作原理，然后重点介绍作为实现成功设计的第一步，给定的应用对产品的选择有何影响。设计的选择将通过参考 IE3 电机实施中使用的 Siemens SIRIUS 3RT 系列电力接触器加以说明。

机电继电器与接触器的区别

由于开关在闭合后会暴露在全电路电流中，因此使用开关来开启和关闭大型三相电机这类大功率设备并不现实。开关在翻转时会产生危险的电弧，在工作中还会导致过热。这一问题的解决方案是使用由传统开关开启和关闭的低功率电路来触发大功率电路。这便是使用 EMR 的目的。

EMR 使用由低功率电路供电的线圈来形成磁场，然后再由磁场向可动铁芯提供脉冲，继而打开或闭合（常闭型 (NC) 或常开型 (NO)）触头。EMR 可以开关不超过其最大额定值的交流或直流负载。EMR 的主要优势在于低成本，以及在任何低于器件介电额定值的施加电压下均能保证隔离。（请参阅《如何使用特种低噪声固态继电器抑制 EMI 并满足关键标准》）。

不过，EMR 能够处理的功率有限。例如，当负载是功率超过几千瓦 (kW) 的三相电机时，使用 EMR 开关就会产生过量的电弧并迅速磨损继电器。另一种选择是使用 EMC，一种与继电器等效但更坚固耐用的重型工业产品，能够可靠地开关高负载多达数千万次以上（图 1）。

图 1：机电接触器取代重载开关应用中的继电器。（图片来源：Siemens）

EMC 可以安全地连接至具有高电流需求的设备，并且通常设计能够控制和抑制在重型负载下开关时所产生的电弧。该器件使用与继电器相同的通电线圈/活动铁芯激活机制，几乎全部配备 NO 型触头，但也可使用 NC 型触头。NO 型触头确保在 EMC 的电力被移除时，触头切换为开路，从而切断对高电流消耗设备的电力供应。这些器件具有一对或多对触头，也称为掷。

EMC 的选择

决定选择 EMC 而不是 EMR 相对比较简单。虽然 EMC 比较昂贵，但它们是高负载应用的唯一选择。一旦确定需要 EMC，选择最合适的 EMC 就要困难得多了。最好从确定目标应用工作电压下的峰值负载电流（也称为满载电流 (FLA)）要求开始。然后再确定所需接触器的载流能力。

以三相电机为例，制造商通常在规格书中规定了工作电压和 FLA。但如果没有这些信息，工程师也可以参考一些资源，如美国国家电气规范 (NEC) 图表，其中详细说明了一系列额定功率和输入电压的三相电机的 FLA。电机是根据国际电工委员会 (IEC) 的电机分类法进行分类的。例如，工作电压为 110 伏的 375 瓦三相电机，其 FLA 为 4.4 安培 (A)，而工作电压为 220 伏的 1.1 kW 电机，其 FLA 为 6 A。

下一步，工程师必须确定 EMC 所需的控制电压。该电压可以与用来为相关电机供电的电压相同，但出于安全原因，通常使用更低的电压。EMC 控制电压通常总是低于 250 V AC。

其次应考虑电机在应用中的工作情况。例如，两种不同的应用可能使用相同规格的三相电机。但是，要求电机长期保持开启或关闭状态的应用，与需要频繁开关电机的应用，所需的 EMC 是不同的。后者将反复承受电流负载，因此需要更坚固耐用的产品。

IEC 使用类别（也称为“代码”）是为特定应用选择正确 EMC 的有效指南。例如，如果 EMC 的代码为“AC-3”，则表示适合“鼠笼式”电机（一种常见的感应电机）应用，在这类应用中，电机会定期开启和关闭，而“AC-20”则适合在零电流条件下连接和断开负载。虽然 IEC 代码指定错误的 EMC 也能在给定的应用中工作，但其使用寿命可能比正确编码的 EMC 要短得多。

IEC 代码对于考虑阻性或感性负载类型也很有用，因为负载类型也会对 EMC 的选择产生重大影响。例如，电机是感性负载，而加热器则是阻性负载。

还有一个值得考虑的重要因素是，一个 EMC 中可能需要多少个掷，以及它们应该是 NO 型还是 NC 型。例如，某个应用中电机的每一相可能需要三个使用 NO 型接触器的掷，此外还需要一对 NC 接触器来点亮 LED，表明电机已通电但没有旋转。

而且，由于 EMC 经常承载相对较高的电压和电流，因此确保器件的绝缘等级满足应用的所有安全标准也很重要。

由于电机消耗了相当比例的发电量，因此美国和欧盟已通过立法，确保电机尽可能高效地运行。欧盟的能效水平表示为国际能源 (IE) 效率等级（图 2）。根据目前的规定，电机必须达到 IE2（高能效）、IE3（超高能效）或 IE4（超优级能效）水平，具体取决于其额定功率和其他特性。EMC 会影响电机能效，因此，如果控制系统要在欧盟使用，其设计就必须符合相应的 IE 能效等级要求。在美国，电机必须符合国家电气制造商协会 (NEMA) 的优级能效计划，该计划要求符合 IE3 所规定的标准。澳大利亚的要求与美国相似。

图 2：电机的 IE 能效要求显示，低功率电机的能效提升幅度更大：美国和欧盟法规不再允许使用 IE1 和 IE2 等级的电机。（图片来源：Siemens）

商用产品

几乎所有高负载应用都有众多高品质的 EMC 可供选择。例如，Siemens Sirius 3RT2 系列 EMC 展示了适用于电机开关和其他应用的现代产品能力。这些器件专为高运行可靠性、高接触可靠性、高温运行和长使用寿命而设计。这些电力接触器可在高达 60°C 的温度下使用而不会降额，即使采用并排安装也不例外。该系列包括被归入 AC-1（无感或微感负载，如加热器）、AC-3（频繁开关的鼠笼式电机）和 AC-4（鼠笼式电机：起动、插入和点动）工作类别的 EMC。所有 SIRIUS 3RT2 产品均专为 IE3 和 IE4 电机运行而设计。

SIRIUS 3RT2 系列中的 3RT20152AP611AA0 是一款具有 S00 尺寸接触器的 NO 三掷 EMC，根据编码适用于 AC-3 类应用。控制电源电压为 220 至 240 V AC。它具有 400 伏或 690 伏输出电压，400 伏下的最大电流为 7 安，690 伏下的最大电流为 4.9 安，400 伏下的最大标称功率为 3 kW，690 伏下的最大标称功率为 4 kW。触头的闭合时间小于 35 毫秒 (ms)，开启时间小于 14 毫秒。负载条件下的最大开关频率为每小时 750 次。使用寿命为 3000 万次，故障率为每 1 亿次开关一次。当使用该 EMC 时，对于 480 伏额定电压的电机，连接的三相电机的 FLA 为 4.8 安，600 伏额定电压的电机则为 6.1 安；因而足以为 2.2 kW（480 伏）电机或 3.7 kW（600 伏）电机供电（图 3）。

图 3：3RT20152AP611AA0 EMC 具有三个 NO 型掷，使其成为适合开关三相电机的配置。（图片来源：Siemens）

SIRIUS 系列的另一端是 3RT20261AP60。这也是一款 NO 型三掷 EMC，根据编码适用于 AC-3 类应用，但具有 S0 尺寸的接触器。控制电源电压为 220 至 240 V AC。该器件具有 400 伏或 690 伏输出电压，400 伏下的最大电流为 25 安，690 伏下的最大电流为 13 安，两种电压下的最大标称功率均为 11 kW。对于 480 伏额定电压的电机，所连接三相电机的 FLA 为 21 安，600 伏额定电压的电机则为 22 安；因而足以为 11.2 kW（480 伏）电机或 14.9 kW（600 伏）的电机供电。

Siemens SIRIUS 3RT2 EMC 适合多种应用，并针对符合 IE3 或 NEMA 超高能效标准的电机进行了优化。要符合这种效率要求，EMC 必须是电机控制系统的高能效组成部分。为满足这一要求，EMC 的设计具有一些特性，例如采用可减小线圈功耗的永磁体，以及电子线圈控制。这使得维持功率（用于保持接触器闭合）降到最低。与先前的器件相比，EMC 的内在功率损耗减少了 92%。

例如，3RT20171BB41 电力接触器可以开关 2.2 kW 到 7.5 kW 的三相电机（具体取决于 EMC 的输出电压），在以全功率为电机供电时，每一掷的功率损耗为 1.2 瓦，总计损耗 3.6 瓦。

使用 EMC 来起动 IE3 电机

电机传动系统由若干部件构成，以确保安全、可靠的运行。例如，一个完备的设置可能包括以下部件：

• 保护装置（例如，电机保护起动器和/或过载继电器）
• 起动单元（例如，EMC）
• 控制器（例如，电机管理系统）
• 控制单元（例如，变频器）
• 电机
• 齿轮箱
• 布线
• 从动机

SIRIUS 3RT2 EMC 采用模块化器件设计，与其他部件一起安装在 DIN 导轨上（或用螺丝固定到位）。EMC 的设计可以与姊妹模块组合起来，用于搭建电机传动系统所需的控制部分（图 4）。模块化设计有助于限制机柜内所需的布线量，并且通过顶出式触头进行连接，因此不需要特殊工具。

图 4：SIRIUS 3RT2 系列为模块化器件，因而可以直接实施为电机控制系统。在图中，3RT20171BB41 EMC（使用 24 伏直流信号进行开关）与保护装置和过载继电器一起用来控制传送带电机。（图片来源：Siemens）

经过精心挑选的 EMC 可以用作控制系统中的即插即用元件。3RT2 电力接触器经过优化，适用于开关 1 至 15 kW 范围内的 IE3 电机，并且无需进一步限制，即可用于直接在线和反向起动应用。但对于更熟悉 IE2 类而不是 IE3 类电机的工程师来说，在使用 3RT2 EMC 时还有一些重要的设计事项需要注意。影响 IE3 电机控制系统设计的特性包括：较低的额定电流、更大的起动电流比，以及更大的涌流（图 5）。

图 5：在选择用于三相交流电机的 EMC 时，浪涌、起动和额定电机电流是需要考虑的关键参数。（图片来源：Siemens）

提高 IE3 电机能效的关键在于降低额定电机电流。但是，IE3 并没有规定能效在整个电机功率范围内呈线性增长。相反，与 IE2 类型相比，IE3 要求低功率电机的能效提升必须远超高功率电机（参见上面的图 2）。这意味着对于低功率电机来说，电机的额定电流相较于 IE2 类型已大幅降低。请注意，通过提高工作电压可维持对等的功率。

额定电流降低的另一面是，高能效电机的起动电流比（起动电流/额定电流）增大。出现这种情况是因为，尽管 IE3 电机的起动电流较低，但 IE2 和 IE3 等功率电机在起动电流上的差异并不像额定电流那样显著。对于低能效电机而言，起动电流比高于高能效替代品。

起动电流比增大带来的影响是涌流增大。涌流本质上是一种动态补偿事件，由连接感性负载（如电机）以及电机层压铁芯中的动态电流瞬变和饱和效应等因素引起。涌流可能高达 FLA 的五倍，会损坏电机和其他系统（图 6）。

图 6：电机能效越高涌流越大，低功率设备的涌流更大。适当的控制系统设计可以缓解这些影响。（图片来源：Siemens）

3RT2 EMC 与其他模块化控制部件一起，可用于星形三角形（“YΔ”）起动系统，以限制涌流。通过在设备的 Y 绕组上使用实线电压起动电机，大约 58% 的线路电压到达每个电机相，从而减小电流并降低浪涌峰值。一旦电机达到额定转速，就会切换到 Δ 模式运行，这时全电压被施加到每一相（没有任何涌流的危险），电机可以产生全功率。

这种配置需要一个位于电机馈线电缆 U1、V1、W1 中的过载继电器（图 7）。这将确保过载保护对所有三个 EMC 都有效。完整的实现需要继电器和三个 3RT2 EMC。

图 7：YΔ 电路的电机馈线电缆中包括一个过载继电器，以及三个在电机起动时开关电源的 EMC。（图片来源：Siemens）

在工作期间，序列中的 Y 部分通过同时闭合 K1 和 K3 EMC 来触发。在预设的时间后（约为电机全速的 80%），计时器将会触发 K3 打开，K2 关闭，以启动 Delta 部分，将全功率应用于电机。

结语

在开关三相交流电机这类大功率负载时，建议用 EMC 来取代 EMR。EMC 能够在数千万次开关操作中提供高可靠性。该器件适用于从几千瓦到几百千瓦的各种电机输出。

如上所示，Siemens SIRIUS 3RT2 EMC 适用于开关 2 到 25 kW 的三相交流电机，其模块化设计可确保轻松安装到控制系统中。虽然 SIRIUS EMC 的安装相对简单，但必须注意控制系统的实现，以免电机因涌流过大而损坏。