本文簡(jiǎn)要說(shuō)明機(jī)電繼電器（EMR）與接觸器之間的差異、接觸器的運(yùn)作方式，並著重於特定應(yīng)用如何影響產(chǎn)品的選擇，此為邁向成功設(shè)計(jì)的第一步。本文以 IE3 電動(dòng)馬達(dá)實(shí)作中所使用的Siemens SIRIUS 3RT系列電源接觸器，來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)選擇。

有些工程師需要小型電壓訊號(hào)，以便對(duì)較高的電壓和電流進(jìn)行隔離式切換，他們通常使用繼電器來(lái)達(dá)成。傳統(tǒng)的低電壓開(kāi)關(guān)可啟用繼電器，進(jìn)而打開(kāi)高功率電源。機(jī)電繼電器（EMR）的成本低，可以處理較高的電壓，而固態(tài)繼電器（SSR）可避免觸點(diǎn)磨損和電弧。

不過(guò)，當(dāng)需要頻繁切換幾百伏特和幾十安培及更高電流時(shí)，這兩種繼電器都會(huì)面臨挑戰(zhàn)。在這些高負(fù)載下產(chǎn)生的電弧很快就會(huì)磨損EMR的觸點(diǎn)，而SSR中的漏電流則會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。設(shè)計(jì)人員需要為這些高需求應(yīng)用提供替代選項(xiàng)。

較不為人所熟悉的機(jī)電接觸器（EMC），非常適合替代繼電器。這些元件採(cǎi)用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，並且可從許多知名供應(yīng)商處取得。由於有幾十種選擇，若對(duì)EMC的運(yùn)作瞭解得不夠深入，選擇過(guò)程很快就會(huì)變得混亂。

機(jī)電繼電器與接觸器之間的差異

由於閉合後會(huì)暴露到完整的電路電流，因此使用開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉高功率元件（如大型三相馬達(dá)）並不實(shí)際。開(kāi)關(guān)在扳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電弧，並且在運(yùn)作時(shí)可能會(huì)過(guò)熱。解決方案是使用低功率電路，透過(guò)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和關(guān)閉，藉此觸發(fā)高功率電路。而這正是EMR的用途所在。

EMR 使用由低功率電路供電的線圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)接著會(huì)向一個(gè)可移動(dòng)的核心提供脈衝，進(jìn)而打開(kāi)或關(guān)閉（常閉型（NC）或常開(kāi)型（NO））觸點(diǎn)。EMR 可切換AC或DC負(fù)載高達(dá)其最大額定值。EMR的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在於低成本，並可保證在低於裝置介電額定值的任何施加電壓下達(dá)到隔離。

然而，EMR可以處理的功率有其限制。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載是個(gè)三相馬達(dá)且產(chǎn)生的功率超過(guò)幾kW時(shí)，使用EMR來(lái)切換會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的電弧，並快速磨損繼電器。替代方案是EMC，這是一種效用等同繼電器的大功率耐用型工業(yè)產(chǎn)品，用以在數(shù)千萬(wàn)個(gè)週期內(nèi)可靠地切換高負(fù)載（圖 1）。

圖1 : 機(jī)電接觸器在大功率切換應(yīng)用中取代繼電器。（source：Siemens）

EMC可以安全地連接到需要高電流的元件，並且通常能控制和抑制在重負(fù)載下切換時(shí)產(chǎn)生的電弧。這些元件使用與繼電器相同的通電線圈／移動(dòng)核心啟動(dòng)，且?guī)缀鯇ｉT配備了常開(kāi)型觸點(diǎn)，同時(shí)也提供常閉型觸點(diǎn)。有了常開(kāi)型觸點(diǎn)，當(dāng)EMC失去供電時(shí)，觸點(diǎn)必定會(huì)打開(kāi)，切斷高電流消耗元件的電源。這些元件具有一對(duì)或多對(duì)觸點(diǎn)，也稱為「極」。

EMC 的選擇

EMC與EMR相比較，我們很容易決定選擇前者。EMC雖然成本較高，但卻是高負(fù)載應(yīng)用的唯一選項(xiàng)。一旦確定需要使用EMC，為工作挑選最佳EMC的難度更高。首先最好確定在此應(yīng)用的工作電壓下，具有何種峰值負(fù)載電流要求，這種電流也稱為「滿載電流（FLA）」。然後，這將確定所需之接觸器的電流負(fù)載能力。

例如，以三相馬達(dá)來(lái)說(shuō)，製造商通常會(huì)在規(guī)格書(shū)中規(guī)定工作電壓和FLA。但如果缺乏此資訊，工程師可以參考美國(guó)國(guó)家電氣法規(guī)（NEC）圖表等資源，此圖表為一系列具有標(biāo)稱功耗和輸入電壓的三相馬達(dá)，詳細(xì)介紹其FLA。馬達(dá)係根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）馬達(dá)類別進(jìn)行分類。例如：一個(gè)375 W、110 V工作電壓的三相馬達(dá)，其FLA為4.4 A，而一個(gè)1.1 kW、220 V工作電壓的馬達(dá)，其FLA為6 A。

接下來(lái)，工程師必須確定EMC所需的控制電壓。此電壓可以與相關(guān)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電壓相同，但出於安全考量，通常使用較低的電壓。EMC的控制電壓一般始終低於250 V AC。

接下來(lái)應(yīng)考量馬達(dá)在應(yīng)用中的效能。例如，兩種不同的應(yīng)用可能使用規(guī)格相同的三相馬達(dá)。但是，如果應(yīng)用的馬達(dá)需長(zhǎng)時(shí)間保持開(kāi)啟或關(guān)閉，則不能使用頻繁開(kāi)關(guān)的EMC。後者會(huì)一再承受電流負(fù)載，因此必須更耐用才行。

IEC使用類別或「編碼」，是為特定應(yīng)用選擇正確 EMC 的良好指南。例如：編碼為「AC-3」的EMC，適合在馬達(dá)經(jīng)常開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)的應(yīng)用中，用於「鼠籠式」電動(dòng)馬達(dá)（一種常見(jiàn)的電感應(yīng)馬達(dá)），「AC-20」則適用於在零電流條件下連接和斷開(kāi)負(fù)載。一個(gè)IEC編碼被錯(cuò)誤指定的EMC，雖然可能適用於特定應(yīng)用，但其壽命可能比正確編碼的EMC短得多。

IEC編碼對(duì)於考量電阻性或電感式負(fù)載類型也有幫助，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：電動(dòng)馬達(dá)是電感式負(fù)載，加熱器則是電阻性負(fù)載。

此外，還必須考量在單個(gè)EMC中可能需要多少個(gè)極，以及這些極應(yīng)為常開(kāi)還是常閉型。例如：某個(gè)應(yīng)用可能會(huì)要求三個(gè)極必須為電動(dòng)馬達(dá)的每個(gè)相位使用常開(kāi)型接觸器，並多使用一組常閉型對(duì)來(lái)點(diǎn)亮 LED指示燈，指出馬達(dá)有通電但未旋轉(zhuǎn)。

另外，由於EMC經(jīng)常承載較高的電壓和電流，因此確保元件的隔離額定值符合應(yīng)用的所有安全標(biāo)準(zhǔn)也很重要。

由於在產(chǎn)生的電力中馬達(dá)會(huì)消耗相當(dāng)大的一部分，因此美國(guó)和歐盟通過(guò)立法，確保馬達(dá)儘可能高效率地運(yùn)行。歐盟的能效級(jí)別以國(guó)際能源（IE）效率級(jí)別表示（圖 2）。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定，馬達(dá)必須達(dá)到 IE2（高效率）、IE3（優(yōu)質(zhì)效率）或 IE4（超優(yōu)質(zhì)效率）級(jí)別，具體取決於其額定功率和其他特性。EMC 會(huì)影響電動(dòng)馬達(dá)的效率，因此，如果控制系統(tǒng)要在歐盟使用，其設(shè)計(jì)必須達(dá)到合適的 IE 效率級(jí)別。在美國(guó)，馬達(dá)必須符合美國(guó)電氣製造商協(xié)會(huì)（NEMA）的優(yōu)質(zhì)效率計(jì)畫(huà)，此計(jì)畫(huà)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 : 電動(dòng)馬達(dá)的 IE 效率要求，顯示出較低功率馬達(dá)如何具有較高的效率提升幅度：美國(guó)和歐盟法規(guī)不再允許使用 IE1 和 IE2 馬達(dá)。（source：Siemens）

商業(yè)產(chǎn)品

幾乎所有高負(fù)載應(yīng)用都有多種高品質(zhì)的EMC可選擇。例如：Siemens的Sirius 3RT2系列EMC，展示了當(dāng)代產(chǎn)品對(duì)電動(dòng)馬達(dá)切換和其他應(yīng)用的能力。這些元件專為高運(yùn)行可靠性、高接觸可靠性、高溫工作和長(zhǎng)久使用壽命而設(shè)計(jì)。這些電源接觸器可在高達(dá)60°C的溫度下使用而無(wú)需降額，即使並排安裝也是如此。此系列包含以下運(yùn)作級(jí)別的EMC：AC-1（無(wú)電感或輕微電感式負(fù)載，如加熱器）、AC-3（經(jīng)常開(kāi)關(guān)的鼠籠式電動(dòng)馬達(dá)），以及AC-4（鼠籠式電動(dòng)馬達(dá)：?jiǎn)?dòng)、插入、寸動(dòng)）。所有 SIRIUS 3RT2產(chǎn)品都是專為IE3和IE4馬達(dá)運(yùn)作而設(shè)計(jì)。

SIRIUS 3RT2系列中的3RT20152AP611AA0 是一種常開(kāi)型三極EMC，帶有S00尺寸的接觸器，依照編碼用於 AC-3 應(yīng)用。控制電源電壓為220至240 V AC。此元件具有400或690 V的輸出電壓，400 V時(shí)最大電流為7 A，690 V時(shí)為4.9 A；400 V 時(shí)最大標(biāo)稱功率為3 kW，690 V時(shí)為4 kW。觸點(diǎn)在35 ms 內(nèi)關(guān)閉，在 14 ms 內(nèi)打開(kāi)。 在負(fù)載為每小時(shí) 750 個(gè)週期下具有最大切換頻率。使用壽命為3000萬(wàn)個(gè)週期，失效率為每一億次中出現(xiàn)一次。使用此 EMC 時(shí)，連接的三相馬達(dá)若為 480 V 額定馬達(dá)，F(xiàn)LA為4.8 A，600 V額定馬達(dá)則為6.1 A；這足以為2.2 kW（480 V）馬達(dá)或3.7 kW（600 V）馬達(dá)供電（圖 3）。

圖3 : 3RT20152AP611AA0 EMC具有三個(gè)常開(kāi)型極，因此是切換三相馬達(dá)的合適配置。（source：Siemens）

SIRIUS系列的另一端是3RT20261AP60。此產(chǎn)品也是常開(kāi)型三極EMC，且根據(jù)編碼用於AC-3 應(yīng)用，但使用S0 尺寸的接觸器。控制電源電壓為220至240 V AC。此元件具有400或690 V的輸出電壓，400 V 時(shí)最大電流為25 A，690 V 時(shí)為13 A；兩種輸出電壓下最大標(biāo)稱功率皆為11 kW。連接的三相馬達(dá)若為 480 V 額定馬達(dá)，F(xiàn)LA為21 A，600 V額定馬達(dá)則為22 A；這足以為11.2 kW（480 V）馬達(dá)或14.9 kW（600 V）馬達(dá)供電。

Siemens的SIRIUS 3RT2 EMC適合多種應(yīng)用，但針對(duì)切換符合IE3或NEMA優(yōu)質(zhì)效率要求的馬達(dá)進(jìn)行了最佳化。要符合這種效率要求，EMC必須是馬達(dá)控制系統(tǒng)的高效組成部分。為滿足這一要求，EMC設(shè)計(jì)有永久磁鐵等功能，以減少線圈功耗和電子線圈控制。如此一來(lái)，便能儘量降低保持功率（用於讓接觸器保持關(guān)閉）。與之前的元件相比，EMC的內(nèi)在功率損耗減少了92%。

例如，3RT20171BB41電源接觸器在為電動(dòng)馬達(dá)提供全功率時(shí)，每極的損耗為1.2 W，總損耗為3.6 W。此接觸器可以切換2.2 kW到7.5 kW的三相馬達(dá)，具體視EMC的輸出電壓而定。

使用EMC啟動(dòng)IE3馬達(dá)

馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)由若干元件組成，以確保安全可靠地運(yùn)作。例如：一個(gè)完備的設(shè)定可能包含下列元件：

? 保護(hù)元件（例如馬達(dá)保護(hù)器啟動(dòng)器和／或過(guò)載繼電器）

? 啟動(dòng)裝置（例如EMC）

? 控制器（例如馬達(dá)管理系統(tǒng)）

? 控制裝置（例如頻率轉(zhuǎn)換器）

? 電動(dòng)馬達(dá)

? 齒輪箱

? 佈線

? 從動(dòng)機(jī)器

SIRIUS 3RT2 EMC是一種模組化元件，可與其他元件一起安裝在DIN軌道上（或螺絲固定在位）。這些EMC旨在與同類模組配合使用，以建構(gòu)馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)所需的控制部分（圖 4）。模組化設(shè)計(jì)有助於限制機(jī)櫃中所需的接線數(shù)量，而且由於透過(guò)彈簧加載型觸點(diǎn)進(jìn)行連接，因此不需使用特殊工具。

圖4 : SIRIUS 3RT2 系列是模組化元件，因此很容易實(shí)作馬達(dá)控制系統(tǒng)。圖中，以 24 V DC 訊號(hào)來(lái)切換的 3RT20171BB41 EMC，與保護(hù)元件及過(guò)載繼電器一起使用，以控制輸送帶馬達(dá)。（source：Siemens）

精心挑選的EMC，會(huì)成為控制系統(tǒng)的隨插即用元件。3RT2電源接觸器針對(duì)切換 1 至15 kW的IE3 電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行了最佳化，而且不用進(jìn)一步限制，就能用於直接起動(dòng)和反向起動(dòng)應(yīng)用。但是，比較熟悉 IE2電動(dòng)馬達(dá)而非IE3類型的工程師，在使用3RT2 EMC時(shí)有一些重要的設(shè)計(jì)考量。影響IE3馬達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特性，包括較低的額定電流、增加的啟動(dòng)電流比和增加的湧入電流（圖 5）。

圖5 : 為三相 AC 馬達(dá)選擇 EMC 時(shí)，湧入電流、啟動(dòng)電流和額定馬達(dá)電流是要考量的關(guān)鍵參數(shù)。（source：Siemens）

IE3電動(dòng)馬達(dá)效率提高的關(guān)鍵是較低的額定馬達(dá)電流。然而，IE3並未規(guī)定在電動(dòng)馬達(dá)功率範(fàn)圍內(nèi)，效率呈線性增長(zhǎng)。相反地，與IE2類型相比，IE3要求較低功率電動(dòng)馬達(dá)的效率增幅必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出高功率裝置（參見(jiàn)圖 2）。這意味著較低功率的電動(dòng)馬達(dá)，額定馬達(dá)電流的降幅比IE2類型更大。請(qǐng)注意，要維持同比功率，就要增加工作電壓。

降低額定電流的另一面，是高效率馬達(dá)啟動(dòng)電流比（啟動(dòng)電流／額定電流）的提高。這是因?yàn)椋瑑嵐?IE3馬達(dá)的啟動(dòng)電流較低，但I(xiàn)E2和IE3等功率馬達(dá)之間的啟動(dòng)電流差異，不像額定電流差異那麼明顯。比起能效較高的馬達(dá)，能效較低的馬達(dá)具有較高的啟動(dòng)電流比。

啟動(dòng)電流比增加的影響是湧入電流會(huì)增加。湧入電流基本上是一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償事件，引發(fā)因素包括像是連接了電感式負(fù)載（如馬達(dá)），以及馬達(dá)疊層式核心中的動(dòng)態(tài)電流暫態(tài)和飽和效應(yīng)。湧入電流可能比 FLA高出五倍之多，可能會(huì)損壞馬達(dá)和其他系統(tǒng)（圖 6）。

圖6 : 效率較高的馬達(dá)湧入電流較高，功率較低的裝置湧入電流更大。適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)可以減輕此等影響。（source：Siemens）

與其他模組化控制元件結(jié)合使用，3RT2 EMC可應(yīng)用於「YΔ」啟動(dòng)系統(tǒng)，以限制湧入電流。在裝置的 Y繞組上使用滿額線路電壓來(lái)啟動(dòng)馬達(dá)時(shí)，線路電壓大約有58%比例會(huì)傳到每個(gè)馬達(dá)相位，從而降低電流並讓湧入峰值維持在低檔。馬達(dá)達(dá)到額定速度後，運(yùn)作會(huì)切換至 Δ 模式，此時(shí)會(huì)將全電壓應(yīng)用到每個(gè)相位（無(wú)任何湧入電流，不危險(xiǎn)），而馬達(dá)能產(chǎn)生全功率。

這種配置要求將過(guò)載繼電器，直接安裝於馬達(dá)饋電纜線 U1、V1、W1 中（圖 7）。這可確保過(guò)載保護(hù)對(duì)所有三個(gè)EMC都有效。完整的實(shí)作需要使用繼電器和三個(gè)3RT2 EMC。

圖7 : 此YΔ電路由馬達(dá)饋電纜線中的過(guò)載繼電器和三個(gè) EMC 組成，以在馬達(dá)啟動(dòng)期間切換電源。（source：Siemens）

運(yùn)作期間，序列中Y部分的觸發(fā)方式，是將K1和K3 EMC同時(shí)關(guān)閉。一旦過(guò)了預(yù)設(shè)的時(shí)間（速度大約是馬達(dá)全速的 80%），計(jì)時(shí)器便會(huì)觸發(fā)K3（打開(kāi)）和K2（關(guān)閉）以啟動(dòng) Δ 部分，對(duì)馬達(dá)施以全功率。

結(jié)論

切換三相 AC馬達(dá)等高功率負(fù)載時(shí)，建議選擇EMC來(lái)替代EMR。EMC能在數(shù)千萬(wàn)次運(yùn)作中提供高切換可靠性。這些元件可用於各種馬達(dá)輸出，從幾kW到數(shù)百kW不等。

如本文所示， SIRIUS 3RT2 EMC適合將三相AC馬達(dá)從2 kW切換至25 kW，而且，其模組化設(shè)計(jì)能確保將 EMC 輕鬆安裝到控制系統(tǒng)中。儘管SIRIUS EMC的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但必須注意控制系統(tǒng)的實(shí)作，避免因湧入電流過(guò)大而損壞馬達(dá)。

（本文作者Steven Keeping 為Digi-Key Electronics北美編輯群）