作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

在下一代工業(yè) 4.0 制造、金屬與基礎(chǔ)材料加工、礦物提煉與采礦以及像飲用水和污水處理廠之類(lèi)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中，都需要能夠最大限度地提高機(jī)器恢復(fù)能力和正常運(yùn)行時(shí)間的智能電機(jī)控制裝置。

這些應(yīng)用中的電機(jī)控制裝置必須能夠控制并保護(hù) 75 馬力 (HP) 至 700 馬力的電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)彈性運(yùn)行，需要對(duì)機(jī)器進(jìn)行全方位的保護(hù)，包括過(guò)載保護(hù)、接地故障保護(hù)和相位不平衡保護(hù)等。

同時(shí)還應(yīng)包括觸點(diǎn)磨損自診斷和線(xiàn)圈過(guò)壓/欠壓檢測(cè)，并配有可視指示器，以支持預(yù)測(cè)性維護(hù)。系統(tǒng)需要采用模塊化設(shè)計(jì)，以加快維修速度，以最大限度延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間。此外，還需要符合國(guó)家電氣規(guī)范 (NEC)、UL 和國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 的短路電流額定值 (SCCR) 要求，以確保電氣設(shè)備能夠承受大電流而不會(huì)損壞，并確保其安全性。

這些電機(jī)控制裝置還必須符合 IEC 60947-4-1 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)涉及機(jī)電接觸器和啟動(dòng)器的安全問(wèn)題，包括電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備 (MPSD)、瞬時(shí)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備 (IMPSD) 和接觸器繼電器的執(zhí)行器。

本文首先概述了 SCCR 的要求。然后深入介紹了 [Schneider Electric] 最近開(kāi)發(fā)的智能電機(jī)控制裝置系列，包括模塊化接觸器和過(guò)載繼電器，詳細(xì)說(shuō)明了保護(hù)功能的操作以及自診斷的實(shí)現(xiàn)方式。

其間展示了這些過(guò)載繼電器是如何滿(mǎn)足 IEC 60947-4-1 要求的，以及模塊化設(shè)計(jì)是如何加快預(yù)防性維護(hù)速度的。最后，介紹了如何使用兩個(gè)接觸器來(lái)組裝一個(gè)換向組件，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的雙向控制。

在指定控制面板時(shí)，SCCR 是一項(xiàng)基本特性，有助于提高整體可靠性。它用于確定接觸器和導(dǎo)線(xiàn)等電力元件的尺寸。IEC 60947-4-1 詳細(xì)說(shuō)明了計(jì)算 SCCR 的三個(gè)階段（圖 1）：

1. 確定配電系統(tǒng)中每個(gè)保護(hù)或控制元件以及每個(gè)區(qū)塊和元件的 SCCR。
2. 確定每個(gè)支路的 SCCR。根據(jù)電路中元件的參數(shù)值來(lái)計(jì)算。
3. 確定整個(gè)控制面板的 SCCR。根據(jù)電路的參數(shù)值來(lái)計(jì)算。

圖 1：SCCR 計(jì)算從單個(gè)元件額定值（黃色方框）開(kāi)始，然后確定分支電路的 SCCR（紅色虛線(xiàn)方框），最后考慮整個(gè)控制面板的 SCCR 需求（灰色矩形）。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

TeSys Giga 接觸器

[TeSys Giga] 接觸器的額定電流為 115 至 900 安培 (A)，有 3 極 (3P) 和 4 極 (4P) 兩種配置。其 SCCR 額定值高達(dá) 100 千安 (kA) 和 480 伏 (V)，各種保護(hù)裝置的具體規(guī)格和額定值列于接觸器側(cè)面的表格中。此外，4P 接觸器還顯示 AC-3 和電機(jī)馬力額定值。這些接觸器可用于兩種負(fù)載類(lèi)別：

• AC-1 – 適用于功率因數(shù)大于 0.95 的交流負(fù)載。這些負(fù)載主要是非電感或輕微電感負(fù)載，如電阻負(fù)載。切斷電弧可將電弧和觸點(diǎn)磨損降至最低。
• AC-3 – 適用于電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)有分?jǐn)嗟氖蠡\電機(jī)。閉合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高達(dá)電機(jī)額定滿(mǎn)負(fù)荷電流七倍的浪涌電流。斷開(kāi)時(shí)，接觸器會(huì)切斷電機(jī)的額定滿(mǎn)載電流。

TeSys Giga 接觸器可由交流 (AC) 或直流 (DC) 控制電壓供電，且內(nèi)置浪涌抑制器。接觸器分為標(biāo)準(zhǔn)型和高級(jí)型兩種。標(biāo)準(zhǔn)接觸器設(shè)計(jì)用于一般用途。具體包括：

• [LC1G1154LSEN]，4P，用于 AC-1 負(fù)載。額定電流為 250 A，配備 200-500 V AC/DC 寬帶線(xiàn)圈
• [LC1G225KUEN]，3P，用于 AC-3 負(fù)載。額定電流為 225 A，采用 100-250 V AC/DC 線(xiàn)圈

高級(jí)的 TeSys Giga 接觸器還具有其他特性，如更多的線(xiàn)圈電壓選擇、更低的線(xiàn)圈功耗、可編程邏輯控制器 (PLC) 輸入以及無(wú)需拆卸電纜或母線(xiàn)連接即可進(jìn)行維護(hù)的電纜設(shè)計(jì)。

高級(jí)型號(hào)還兼容下一節(jié)討論的可選遠(yuǎn)程磨損診斷 (RWD) 模塊。高級(jí)接觸器實(shí)例有：

• [LC1G115BEEA]，3P，用于 AC-3 負(fù)載。額定電流為 115 A，帶有 24-48 V AC/DC 線(xiàn)圈
• [LC1G800EHEA]，3P，用于 AC-3 負(fù)載。額定電流為 800 A，帶有 48-130 V AC/DC 線(xiàn)圈

所有 TeSys Giga 接觸器的前面板上都有一個(gè)診斷 LED ，用于快速評(píng)估故障情況（圖 4）。

圖 2：典型的 TeSys Giga 接觸器，在頂部中央位置帶有診斷 LED。（圖片來(lái)源：DigiKey）

TeSys Giga 接觸器具有多種集成診斷功能，可提高可靠性并支持預(yù)防性維護(hù)，包括：

觸點(diǎn)磨損診斷和 RWD

觸點(diǎn)在每次斷開(kāi)電源電路中的電流時(shí)都會(huì)出現(xiàn)磨損。觸點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失去控制。TeSys Giga 控制器中的觸點(diǎn)磨損算法可持續(xù)計(jì)算觸點(diǎn)的剩余使用壽命。當(dāng)剩余壽命低于 15% 時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，以便安排預(yù)防性維護(hù)：

• 接觸器正面的診斷 LED 上也會(huì)看到本地警報(bào)。
• 可選的 RWD 模塊可用于高級(jí)接觸器。

控制電壓診斷

控制電壓可用于監(jiān)控欠壓和過(guò)壓情況。對(duì)于零件編號(hào)以 LSEMC 結(jié)尾的裝置，可通過(guò)選配的遠(yuǎn)程設(shè)備管理 (RDM) 模塊遠(yuǎn)程提供診斷指示。欠壓的定義是供電電壓低于最低規(guī)格 80% 的情況，過(guò)壓的定義是供電電壓高于最大值的 110%。

內(nèi)部功能診斷

診斷 LED 持續(xù)閃爍表示控制電路出現(xiàn)了內(nèi)部故障。

電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置

像 TeSys Giga 接觸器這樣的智能電機(jī)控制裝置是工業(yè) 4.0 設(shè)備的重要組成部分。使用 MPSD（電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備）也是確保最大生產(chǎn)率和可用性的一個(gè)重要考慮因素。

在 IEC 60947-4-1 中，MPSD 指的是一種帶延時(shí)設(shè)計(jì)的裝置，用于保護(hù)電機(jī)免受過(guò)載狀況的影響。第二種裝置是 IMPSD（瞬時(shí)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備），它是一種特殊類(lèi)型的 MPSD，在檢測(cè)到過(guò)載時(shí)會(huì)立即跳閘。IMPSD 通常與交流電機(jī)保護(hù)無(wú)關(guān)。

根據(jù)應(yīng)用的不同，電機(jī)啟動(dòng)可能需要幾秒，也可能需要幾十秒。因此必須指定 MPSD 來(lái)滿(mǎn)足安全應(yīng)用要求，同時(shí)避免令人討厭的跳閘。

為了滿(mǎn)足特定的應(yīng)用需求，IEC 60947-4-1 定義了多個(gè)過(guò)載繼電器等級(jí)。跳閘等級(jí)指明了繼電器在過(guò)載時(shí)斷開(kāi)電路所花費(fèi)的最長(zhǎng)時(shí)間。

北美和 IEC 跳閘等級(jí)之間也存在差異。例如，10 級(jí)是北美的跳閘級(jí)別，在檢測(cè)到 600% 的過(guò)載電流設(shè)定值后 4-10 秒內(nèi)跳閘。10A 級(jí)是 IEC 跳閘級(jí)別，在檢測(cè)到 720% 的過(guò)載電流設(shè)定值后 2-10 秒內(nèi)跳閘（表 1）。

| | | 1.05 x Ir | 1.2 x Ir | 1.5 x Ir | 7.2 x Ir |
| ------ | -------------------- | ---------- | ---------- | ---------- |
| 等級(jí) | 冷啟動(dòng)后的跳閘時(shí)間 |
| 10 A | >2 小時(shí) | <2 小時(shí) | <2 分鐘 | 2 秒 < 至 < 10 秒 |
| 10 | >2 小時(shí) | <2 小時(shí) | <4 分鐘 | 2 秒 < 至 < 10 秒 |
| 20 | >2 小時(shí) | <2 小時(shí) | <8 分鐘 | 2 秒 < 至 < 20 秒 |
| 30 | >2 小時(shí) | <2 小時(shí) | <12 分鐘 | 2 秒 < 至 < 30 秒 |

表 1：基于額定電流 (Ir) 的熱過(guò)載繼電器等級(jí)示例。（表格來(lái)源：Schneider Electric）

跳閘等級(jí) 10A 和 10 適用于正常負(fù)荷的電機(jī)。建議重型電機(jī)使用 20 級(jí)，以避免跳閘干擾。30 級(jí)用于較長(zhǎng)的啟動(dòng)電機(jī)。

TeSys Giga 過(guò)載繼電器

TeSys Giga 熱過(guò)載繼電器具有高度靈活性，旨在用于交流電機(jī)。接地故障保護(hù)、相位不平衡保護(hù)和跳閘等級(jí)（5、10、20 和 30）的設(shè)置均可在前面板上配置。前面板還包括報(bào)警和狀態(tài) LED。它們具有較寬的可調(diào)熱過(guò)載保護(hù)范圍，四種重疊型號(hào)可處理 28 A 至 630 A 的應(yīng)用（圖 3）：

[LR9G115]，28 至 115 A 可調(diào)

[LR9G225]，57 至 225 A 可調(diào)

[LR9G500]，125 至 500 A 可調(diào)

[LR9G630]，160 至 630 A 可調(diào)

圖 3：TeSys Giga 過(guò)載繼電器的前面板包括狀態(tài) LED 和保護(hù)調(diào)節(jié)。（圖片來(lái)源：DigiKey）

熱過(guò)載

熱過(guò)載保護(hù)用于單相和三相異步電機(jī)。熱過(guò)載保護(hù)的電流水平可根據(jù)所采用過(guò)載繼電器的型號(hào)進(jìn)行調(diào)整。此外，還可調(diào)整跳閘等級(jí)和相關(guān)延遲。熱過(guò)載保護(hù)可設(shè)置為自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位。

失相

失相保護(hù)用于防止三相異步電機(jī)過(guò)熱。過(guò)載繼電器持續(xù)監(jiān)控每相線(xiàn)路的電流。當(dāng)其中一相的電流值低于額定電流 (Ir) 的 0.1 倍，而另一相的電流值大于 0.8 Ir 時(shí)，過(guò)載繼電器會(huì)在 4 ±1 秒內(nèi)觸發(fā)。失相保護(hù)功能無(wú)法禁用，必須手動(dòng)重置。

相位不平衡

相位不平衡會(huì)導(dǎo)致異步電機(jī)過(guò)熱。常見(jiàn)原因包括：

• 市電供電線(xiàn)路長(zhǎng)
• 進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)故障
• 網(wǎng)絡(luò)不平衡

當(dāng)不平衡率超過(guò) 40% 時(shí)，過(guò)載繼電器將在 5±1 秒內(nèi)觸發(fā)。相位不平衡保護(hù)必須手動(dòng)復(fù)位。

接地故障

接地故障保護(hù)用于保護(hù)三相異步電機(jī)。當(dāng)負(fù)載電路的絕緣因振動(dòng)、潮濕或其他因素而失效時(shí)，就會(huì)發(fā)生接地故障。過(guò)載繼電器監(jiān)控接地電流 (Ig)。當(dāng) Ig 超過(guò) Ir 的 10% 以上時(shí)，繼電器會(huì)在 1 ±0.2 秒內(nèi)跳閘。接地故障保護(hù)必須手動(dòng)重置。

模塊化

在觸點(diǎn)過(guò)度磨損、過(guò)載或其他異常運(yùn)行條件損壞控制器時(shí) TeSys Giga 接觸器的模塊化設(shè)計(jì)特別有用。控制模塊也可以更換，以適應(yīng)不同的線(xiàn)圈電壓，開(kāi)關(guān)模塊也可以關(guān)閉，以更換磨損的極點(diǎn)。

通過(guò)選配套件可實(shí)現(xiàn)電纜記憶功能，以方便快速維護(hù)。安裝后，無(wú)需拆卸電纜即可快速更換控制或開(kāi)關(guān)模塊。

反轉(zhuǎn)

在輸送機(jī)、電梯和包裝線(xiàn)等應(yīng)用中，換向接觸器用于改變交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。其工作原理就是顛倒連接的極性，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

換向接觸器可使用兩個(gè)機(jī)械聯(lián)鎖的標(biāo)準(zhǔn)接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)。聯(lián)鎖裝置可防止接觸器同時(shí)開(kāi)啟（圖 6）。

圖 4：兩個(gè) TeSys Giga 接觸器聯(lián)鎖在一起組成一個(gè)交流電機(jī)換向接觸器。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

例如，可使用以下元件來(lái)制造額定功率為 200 馬力、電壓為 460 V、線(xiàn)圈電壓為 100-250 V AC/DC 的換向接觸器（圖 6）：

• [LC1G265KUEN]，TeSys Giga 電機(jī)控制器，需要兩個(gè)
• [DZ2FJ6]，接觸器接線(xiàn)片套件
• [LA9G3612]，展闊套件
• [LA9G3761]，反向母線(xiàn)
• [LA9G970]，機(jī)械聯(lián)鎖裝置

結(jié)語(yǔ)

TeSys Giga 接觸器和過(guò)載繼電器是用途非常廣泛的設(shè)備，可在各種應(yīng)用中最大限度地提高恢復(fù)能力和正常運(yùn)行時(shí)間。接觸器的額定電流從 115 A 到 900 A 不等，有 3P 和 4P 兩種配置。其 SCCR 最高可達(dá) 100 kA 480 V，模塊化設(shè)計(jì)加快了維護(hù)速度。

這些可編程過(guò)載繼電器的工作電流范圍很寬，只需少量設(shè)備即可滿(mǎn)足多種應(yīng)用需求。最后，通過(guò)機(jī)械聯(lián)鎖系統(tǒng)連接兩個(gè) TeSys Giga 接觸器，可實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)控制。

審核編輯 黃宇