工程師若需要使用小電壓信號對相對較高的電壓和電流執(zhí)行隔離式開關(guān)操作，通常會選用繼電器。傳統(tǒng)的低壓開關(guān)可激活繼電器，再由繼電器開啟大功率電源。機(jī)電繼電器 （EMR） 成本較低，可以處理相對較高的電壓，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關(guān)操作時，這兩種類型都會遭遇挑戰(zhàn)。這類高負(fù)載下的電弧現(xiàn)象會迅速磨損 EMR 的觸頭，而 SSR 中的漏電流則會導(dǎo)致過熱。設(shè)計人員需要為這些高要求的應(yīng)用找到替代選擇。

　　相對冷門的機(jī)電接觸器 （EMC） 提供了堅固耐用的繼電器替代品。這些器件采用經(jīng)過驗證的技術(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 EMC 的操作沒有詳細(xì)的了解，選擇過程很快就會陷入混亂。

　　本文簡要說明 EMR 與接觸器之間的區(qū)別、接觸器的工作原理，然后重點(diǎn)介紹作為實現(xiàn)成功設(shè)計的第一步，給定的應(yīng)用對產(chǎn)品的選擇有何影響。設(shè)計的選擇將通過參考 IE3 電機(jī)實施中使用的 Siemens SIRIUS 3RT 系列電力接觸器加以說明。

　　機(jī)電繼電器與接觸器的區(qū)別

　　由于開關(guān)在閉合后會暴露在全電路電流中，因此使用開關(guān)來開啟和關(guān)閉大型三相電機(jī)這類大功率設(shè)備并不現(xiàn)實。開關(guān)在翻轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生危險的電弧，在工作中還會導(dǎo)致過熱。這一問題的解決方案是使用由傳統(tǒng)開關(guān)開啟和關(guān)閉的低功率電路來觸發(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形成磁場，然后再由磁場向可動鐵芯提供脈沖，繼而打開或閉合（常閉型 （NC） 或常開型 （NO））觸頭。EMR 可以開關(guān)不超過其最大額定值的交流或直流負(fù)載。EMR 的主要優(yōu)勢在于低成本，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，EMR 能夠處理的功率有限。例如，當(dāng)負(fù)載是功率超過幾千瓦 （kW） 的三相電機(jī)時，使用 EMR 開關(guān)就會產(chǎn)生過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固耐用的重型工業(yè)產(chǎn)品，能夠可靠地開關(guān)高負(fù)載多達(dá)數(shù)千萬次以上。

　　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)計能夠控制和抑制在重型負(fù)載下開關(guān)時所產(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，觸頭切換為開路，從而切斷對高電流消耗設(shè)備的電力供應(yīng)。這些器件具有一對或多對觸頭，也稱為擲。

　　EMC 的選擇

　　決定選擇 EMC 而不是 EMR 相對比較簡單。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)格書中規(guī)定了工作電壓和 FLA。但如果沒有這些信息，工程師也可以參考一些資源，如美國國家電氣規(guī)范 （NEC） 圖表，其中詳細(xì)說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)國際電工委員會 （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)長期保持開啟或關(guān)閉狀態(tài)的應(yīng)用，與需要頻繁開關(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)（一種常見的感應(yīng)電機(jī)）應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，電機(jī)會定期開啟和關(guān)閉，而“AC-20”則適合在零電流條件下連接和斷開負(fù)載。雖然 IEC 代碼指定錯誤的 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 代碼對于考慮阻性或感性負(fù)載類型也很有用，因為負(fù)載類型也會對 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。

　　還有一個值得考慮的重要因素是，一個 EMC 中可能需要多少個擲，以及它們應(yīng)該是 NO 型還是 NC 型。例如，某個應(yīng)用中電機(jī)的每一相可能需要三個使用 NO 型接觸器的擲，此外還需要一對 NC 接觸器來點(diǎn)亮 LED，表明電機(jī)已通電但沒有旋轉(zhuǎn)。

　　而且，由于 EMC 經(jīng)常承載相對較高的電壓和電流，因此確保器件的絕緣等級滿足應(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，因此美國和歐盟已通過立法，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際能源 （IE） 效率等級（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)級能效）水平，具體取決于其額定功率和其他特性。EMC 會影響電機(jī)能效，因此，如果控制系統(tǒng)要在歐盟使用，其設(shè)計就必須符合相應(yīng)的 IE 能效等級要求。在美國，電機(jī)必須符合國家電氣制造商協(xié)會 （NEMA） 的優(yōu)級能效計劃，該計劃要求符合 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：美國和歐盟法規(guī)不再允許使用 IE1 和 IE2 等級的電機(jī)。（圖片來源：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)行和長使用壽命而設(shè)計。這些電力接觸器可在高達(dá) 60°C 的溫度下使用而不會降額，即使采用并排安裝也不例外。該系列包括被歸入 AC-1（無感或微感負(fù)載，如加熱器）、AC-3（頻繁開關(guān)的鼠籠式電機(jī)）和 AC-4（鼠籠式電機(jī)：起動、插入和點(diǎn)動）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。

　　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。觸頭的閉合時間小于 35 毫秒 （ms），開啟時間小于 14 毫秒。負(fù)載條件下的最大開關(guān)頻率為每小時 750 次。使用壽命為 3000 萬次，故障率為每 1 億次開關(guān)一次。當(dāng)使用該 EMC 時，對于 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 NO 型擲，使其成為適合開關(guān)三相電機(jī)的配置。（圖片來源：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，每一擲的功率損耗為 1.2 瓦，總計損耗 3.6 瓦。

　　使用 EMC 來起動 IE3 電機(jī)

　　電機(jī)傳動系統(tǒng)由若干部件構(gòu)成，以確保安全、可靠的運(yùn)行。例如，一個完備的設(shè)置可能包括以下部件：

• 　　保護(hù)裝置（例如，電機(jī)保護(hù)起動器和/或過載繼電器）
• 　　起動單元（例如，EMC）
• 　　控制器（例如，電機(jī)管理系統(tǒng)）
• 　　控制單元（例如，變頻器）
• 　　電機(jī)
• 　　齒輪箱
• 　　布線
• 　　從動機(jī)

　　SIRIUS 3RT2 EMC 采用模塊化器件設(shè)計，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)計可以與姊妹模塊組合起來，用于搭建電機(jī)傳動系統(tǒng)所需的控制部分（圖 4）。模塊化設(shè)計有助于限制機(jī)柜內(nèi)所需的布線量，并且通過頂出式觸頭進(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，因而可以直接實施為電機(jī)控制系統(tǒng)。在圖中，3RT20171BB41 EMC（使用 24 伏直流信號進(jìn)行開關(guān)）與保護(hù)裝置和過載繼電器一起用來控制傳送帶電機(jī)。（圖片來源：Siemens）

　　經(jīng)過精心挑選的 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)過優(yōu)化，適用于開關(guān) 1 至 15 kW 范圍內(nèi)的 IE3 電機(jī)，并且無需進(jìn)一步限制，即可用于直接在線和反向起動應(yīng)用。但對于更熟悉 IE2 類而不是 IE3 類電機(jī)的工程師來說，在使用 3RT2 EMC 時還有一些重要的設(shè)計事項需要注意。影響 IE3 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的特性包括：較低的額定電流、更大的起動電流比，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，浪涌、起動和額定電機(jī)電流是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。（圖片來源：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 并沒有規(guī)定能效在整個電機(jī)功率范圍內(nèi)呈線性增長。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)（參見上面的圖 2）。這意味著對于低功率電機(jī)來說，電機(jī)的額定電流相較于 IE2 類型已大幅降低。請注意，通過提高工作電壓可維持對等的功率。

　　額定電流降低的另一面是，高能效電機(jī)的起動電流比（起動電流/額定電流）增大。出現(xiàn)這種情況是因為，盡管 IE3 電機(jī)的起動電流較低，但 IE2 和 IE3 等功率電機(jī)在起動電流上的差異并不像額定電流那樣顯著。對于低能效電機(jī)而言，起動電流比高于高能效替代品。

　　起動電流比增大帶來的影響是涌流增大。涌流本質(zhì)上是一種動態(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)計可以緩解這些影響。（圖片來源：Siemens）

　　3RT2 EMC 與其他模塊化控制部件一起，可用于星形三角形（“YΔ”）起動系統(tǒng)，以限制涌流。通過在設(shè)備的 Y 繞組上使用實線電壓起動電機(jī)，大約 58% 的線路電壓到達(dá)每個電機(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，就會切換到 Δ 模式運(yùn)行，這時全電壓被施加到每一相（沒有任何涌流的危險），電機(jī)可以產(chǎn)生全功率。

　　這種配置需要一個位于電機(jī)饋線電纜 U1、V1、W1 中的過載繼電器（圖 7）。這將確保過載保護(hù)對所有三個 EMC 都有效。完整的實現(xiàn)需要繼電器和三個 3RT2 EMC。

圖 7：YΔ 電路的電機(jī)饋線電纜中包括一個過載繼電器，以及三個在電機(jī)起動時開關(guān)電源的 EMC。（圖片來源：Siemens）

　　在工作期間，序列中的 Y 部分通過同時閉合 K1 和 K3 EMC 來觸發(fā)。在預(yù)設(shè)的時間后（約為電機(jī)全速的 80%），計時器將會觸發(fā) K3 打開，K2 關(guān)閉，以啟動 Delta 部分，將全功率應(yīng)用于電機(jī)。

　　結(jié)語

　　在開關(guān)三相交流電機(jī)這類大功率負(fù)載時，建議用 EMC 來取代 EMR。EMC 能夠在數(shù)千萬次開關(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 適用于開關(guān) 2 到 25 kW 的三相交流電機(jī)，其模塊化設(shè)計可確保輕松安裝到控制系統(tǒng)中。雖然 SIRIUS EMC 的安裝相對簡單，但必須注意控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，以免電機(jī)因涌流過大而損壞。