电机接触器的基础知识与应用
【导读】暖通空调 (HVAC)、压缩机、泵、材料处理和包装等应用，需要安全部署和控制工作电压和电流很高的大型电机。对设计人员来说，控制这些大型电机是一个难题，因为必须在电机与控制电路之间提供充分的隔离。此外，高电压和高电流会产生巨大的电磁瞬变，可能损坏电子控制装置。
暖通空调 (HVAC)、压缩机、泵、材料处理和包装等应用，需要安全部署和控制工作电压和电流很高的大型电机。对设计人员来说，控制这些大型电机是一个难题，因为必须在电机与控制电路之间提供充分的隔离。此外，高电压和高电流会产生巨大的电磁瞬变，可能损坏电子控制装置。
电磁继电器能够提供具有隔离保护的远程控制，但有其自身的局限性。高功率电机通电和断电时会产生电弧，这将磨损继电器的接触面，缩短触头寿命。
电磁接触器可以解决这一问题，它是一种特殊类型的继电器，专用于电机控制。除了结构比继电器更坚固、触头更大且更稳固外，电磁接触器还采用了电弧抑制技术，包括特殊材料和更快的触头开合。
本文介绍了电磁电机接触器的基础知识及其相对于其他电机控制方法的优势。然后以 Schneider Electric 的 Easy TeSys 系列的实际配置为例讨论了如何选型和应用。
接触器的工作原理
电磁接触器包含一个由“E”形铁芯构成的电磁铁。具体而言，一根电气隔离的线圈同心地缠绕在铁芯的中央脚上。线圈由控制电源（可能为交流或直流）激励。当线圈通电时，电磁力会吸引位于铁芯开口端的电枢（图 1）。
图 1：接触器的简化功能示意图，显示了接触器的断电和通电状态。（图片来源：Art Pini）
电触头与电枢以机械方式耦合在一起。触头排列因接触器型号而异：可能是常开 (NO) 或常开与常闭 (NC) 的组合。隔离的触头可能有多个。例如，一个三相接触器将有 3 组电源触头，每相 1 组。当电枢吸入时，NC 触头打开，NO 触头关闭。另外，很多接触器还包含一组低功率辅助触头，用于监测接触器的通电或断电状态。
触头选用强度高、电导率优异的材料，能够耐受电弧和氧化作用。触头的几何结构经设计可处理预期的功率水平并抑制电弧。
接触器的所有元件均包含在外壳中，此外壳可将触头电气绝缘，同时方便连接电源、负载和线圈接线。外壳还提供安装支持，可以采用面板或 DIN 导轨式安装（图 2）。
图 2：典型接触器外壳的示例；面板安装（左）和 DIN 导轨安装（右）。（图片来源：Schneider Electric）
Schneider Electric Easy TeSys（DPE 系列）接触器的外壳紧凑，宽度仅 45 mm，可以安装在面板或 DIN 导轨上。外壳的侵入防护级别为 IP20，代表可以防止手指插入。该系列的所有接触器都包含一个常开辅助触头。系列中的三相接触器通过了 UL/CSA 认证，额定值高达 32 A、20 HP/480 VAC 和 25 HP/600 VAC，并有多种控制线圈励磁电压（表 1）。
型号 极数 电压 (Vac) 电流 (A) 最大 HP 电机功率 (kW) 线圈电压 (V) 使用类别 尺寸（高 x 宽 x 深）
DPE09G7 3 690 9 3 HP/480 V 4 HP/440 V 120 AC AC1, AC3, AC4 3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE12BL 3 690 12 5 HP/480 V 5.5 HP/440 V 24 DC AC1, AC3, AC4 3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE18U7 3 690 18 7.7 HP/480 V 9 HP/440 V 240 AC AC1, AC3, AC4 3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE25B7 3 690 25 10 HP/480 V 11 HP/440 V 24 AC AC1, AC3, AC4 3.03 x 1.77 x 3.39 (in)
77 x 45 x 86 (mm)
DPE32G7 3 690 32 15 HP/480 V 15 HP/440 V 120 AC AC1, AC3, AC4 3.35 x 1.77 x 3.62 (in)
85 x 45 x 92 (mm)
DPE38G7 3 690 38 20 HP/480 V 18.5 HP/440 V 120 AC AC1, AC3, AC4 3.35 x 1.77 x 3.62 (in)
85 x 45 x 92 (mm)
表 1：选定的 Schneider Electric 的 Easy TeSys DPE 接触器系列示例，显示了该系列的工作电流和控制线圈电压选择范围。（表来源：Art Pini）
这些器件的使用寿命约为 100 万次电气操作。Easy TeSys 接触器适用于标准 IEC 60947 规定的使用类别中所述的应用。各接触器的额定电流取决于其使用类别。例如，AC-1 类别描述的是负载为非电感或只有轻微电感的应用，如电阻炉。这些应用主要是电阻性负载，其瞬态电压和电流的问题较小。
AC-3 类别涵盖了鼠笼式感应电机的应用，电机启动后，有时可能需要切断电源以停止电机。电机是电感设备，启停操作会导致电感瞬变，对接触器造成较大的压力。
AC-4 类别中的应用，对接触器造成的压力更大。此类别包括鼠笼式感应电机和滑环式电机，需要进行反向电流制动及点动或寸动。点动或寸动是“快速重复地施加电力，使电机从静止状态启动，以完成电机的小幅动作”。点动一般是指在全电压下用短电源脉冲启动电机。类似地，寸动是指用低电压下的短脉冲启动电机。多重施加电力会对接触器造成最大的压力。
特定 Easy TeSys DPE 接触器与电机或类似大功率应用主要根据要处理的电流来进行匹配。Schneider Electric 的 Easy TeSys 目录中包含了基于电机功率、使用类别和所需使用寿命的选型帮助（图 3）。
图 3：AC-3 使用类别电机基于电机功率、使用类别和所需使用寿命的 Easy TeSys DPE 选型指南。（图片来源：Schneider Electric）
图 3 显示的是与被控制设备的使用类别有关的 3 个选型指南之一。它适用于 AC-3 使用类别，基本上是可能不经常停止的电机。当电机停止时，电流等于工作电流。例如，考虑为一台 5.5 kW 的三相电机寻找一款 Easy TeSys DPE 接触器，该电机工作电压为 400 V，工作电流为 11 A，预期工作寿命为 200 万次循环。从 400 V 电压线开始，设计人员需要找到 5.5 kW，并从那里向上投射一条线，直到与 200 万次操作的线相交。离交点最近的 DPE 型号位点（蓝色）是 DPE 18。
再举个 AC-4 使用类别的例子，其中电机经常停止和重新启动，最差情况下的电流较大。考虑一台 AC-4 应用中的三相 5.5 kW 电机，其工作电压为 400 V，工作电流为 11 A，在电机停转时，将其断电。预期工作寿命为 30 万次操作。
该电机的停转电流是工作电流的 6 倍，需要一款额定电流较大的接触器（图 4）。
图 4：AC-4 使用类别的 Easy TeSys DPE 选型指南。请注意，最坏情况下的电流可能要大得多，因为在电机停转时，可能会切断电源。（图片来源：Schneider Electric）
要找到推荐的接触器，请从 66 A 的停转电流开始，即 11 A 工作电流的 6 倍。从电流轴线向上投射，直到与代表 30 万次操作的线相交。离交点最近的位点是 DPE32。
Easy TeSys DPE 系列接触器涵盖了最常见的电机配置和应用，如输送机、包装机、泵、压缩机、暖通空调、制冷设备等等。
Easy TeSys 系列还包括一系列互补的热过载继电器，旨在保护交流电路和电机免受过载、相位故障、启动时间延长和转子停转等情况的影响。这些继电器监测电机电流，当电流超过设定的电流限值时，触头打开并停止电机。共有 15 种不同的型号，每个型号都有一系列可设置的电流跳闸水平。过载保护型号与 DPE09 至 DPE38 的选定 Easy TeSys 接触器兼容。它们利用接触器的螺丝夹端子直接连接到三相接触器的底部端子。该组合的宽度是常见的 45 mm，可以安装在 DIN 导轨上，或者用 DPE 接触器支架拧在面板上（图 5）。
图 5：过载保护继电器直接安装在 DPE 接触器下面，并用接触器的螺丝夹接头固定。（图片来源：Schneider Electric）
Easy TeSys DPER32 热过载继电器额定值为 32 A/690 V，设定的热跳闸范围为 23-32 A，跳闸等级为 10 级（过载为预设水平的 6 倍时，过载保护器将在 10 秒内跳闸），用于保护额定值为 400 V 下 15 kW 的三相电机。这是一种能够检测相位故障和负载不平衡的差分设备。此设备具有热调节拨盘、手动/自动复位选择器、用于模拟跳闸的测试选择器、复位和停止按钮、标志指示灯，以及两个用于故障信号发送的辅助触头（1 个 NO，1 个 NC）。用户设置用可上锁的透明盖保护。整个热过载保护器系列通过了多重标准的认证，包括 IEC、UL 和 CUL。
总结
对于工作电压和电流较高的电机应用，设计人员需要一种可靠的方法来隔离相关控制电路，并防止电路受电磁辐射影响。Easy TeSys 三极 DPE 接触器搭配 DPER Easy TeSys 热过载继电器，设计用于开关和保护最常见的电机用例。该系列型号众多，涵盖多种电流和电压水平，能够轻松根据特定应用的要求进行配置。
（作者：Art Pini）
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