電機接觸器的基礎知識與應用

暖通空調 (HVAC)、壓縮機、泵、材料處理和包裝等應用，需要安全部署和控制工作電壓和電流很高的大型電機。對設計人員來(lái)說(shuō)，控制這些大型電機是一個(gè)難題，因為必須在電機與控制電路之間提供充分的隔離。此外，高電壓和高電流會(huì )產(chǎn)生巨大的電磁瞬變，可能損壞電子控制裝置。

暖通空調 (HVAC)、壓縮機、泵、材料處理和包裝等應用，需要安全部署和控制工作電壓和電流很高的大型電機。對設計人員來(lái)說(shuō)，控制這些大型電機是一個(gè)難題，因為必須在電機與控制電路之間提供充分的隔離。此外，高電壓和高電流會(huì )產(chǎn)生巨大的電磁瞬變，可能損壞電子控制裝置。
電磁繼電器能夠提供具有隔離保護的遠程控制，但有其自身的局限性。高功率電機通電和斷電時(shí)會(huì )產(chǎn)生電弧，這將磨損繼電器的接觸面，縮短觸頭壽命。
電磁接觸器可以解決這一問(wèn)題，它是一種特殊類(lèi)型的繼電器，專(zhuān)用于電機控制。除了結構比繼電器更堅固、觸頭更大且更穩固外，電磁接觸器還采用了電弧抑制技術(shù)，包括特殊材料和更快的觸頭開(kāi)合。
本文介紹了電磁電機接觸器的基礎知識及其相對于其他電機控制方法的優(yōu)勢。然后以 Schneider Electric 的 Easy TeSys 系列的實(shí)際配置為例討論了如何選型和應用。
接觸器的工作原理
電磁接觸器包含一個(gè)由“E”形鐵芯構成的電磁鐵。具體而言，一根電氣隔離的線(xiàn)圈同心地纏繞在鐵芯的中央腳上。線(xiàn)圈由控制電源（可能為交流或直流）激勵。當線(xiàn)圈通電時(shí)，電磁力會(huì )吸引位于鐵芯開(kāi)口端的電樞（圖 1）。

圖 1：接觸器的簡(jiǎn)化功能示意圖，顯示了接觸器的斷電和通電狀態(tài)。（圖片來(lái)源：Art Pini）

電觸頭與電樞以機械方式耦合在一起。觸頭排列因接觸器型號而異：可能是常開(kāi) (NO) 或常開(kāi)與常閉 (NC) 的組合。隔離的觸頭可能有多個(gè)。例如，一個(gè)三相接觸器將有 3 組電源觸頭，每相 1 組。當電樞吸入時(shí)，NC 觸頭打開(kāi)，NO 觸頭關(guān)閉。另外，很多接觸器還包含一組低功率輔助觸頭，用于監測接觸器的通電或斷電狀態(tài)。
觸頭選用強度高、電導率優(yōu)異的材料，能夠耐受電弧和氧化作用。觸頭的幾何結構經(jīng)設計可處理預期的功率水平并抑制電弧。
接觸器的所有元件均包含在外殼中，此外殼可將觸頭電氣絕緣，同時(shí)方便連接電源、負載和線(xiàn)圈接線(xiàn)。外殼還提供安裝支持，可以采用面板或 DIN 導軌式安裝（圖 2）。

圖 2：典型接觸器外殼的示例；面板安裝（左）和 DIN 導軌安裝（右）。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

Schneider Electric Easy TeSys（DPE 系列）接觸器的外殼緊湊，寬度僅 45 mm，可以安裝在面板或 DIN 導軌上。外殼的侵入防護級別為 IP20，代表可以防止手指插入。該系列的所有接觸器都包含一個(gè)常開(kāi)輔助觸頭。系列中的三相接觸器通過(guò)了 UL/CSA 認證，額定值高達 32 A、20 HP/480 VAC 和 25 HP/600 VAC，并有多種控制線(xiàn)圈勵磁電壓（表 1）。
型號        極數        電壓 (Vac)        電流 (A)        最大 HP        電機功率 (kW)        線(xiàn)圈電壓 (V)        使用類(lèi)別        尺寸（高 x 寬 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：選定的 Schneider Electric 的 Easy TeSys DPE 接觸器系列示例，顯示了該系列的工作電流和控制線(xiàn)圈電壓選擇范圍。（表來(lái)源：Art Pini）
這些器件的使用壽命約為 100 萬(wàn)次電氣操作。Easy TeSys 接觸器適用于標準 IEC 60947 規定的使用類(lèi)別中所述的應用。各接觸器的額定電流取決于其使用類(lèi)別。例如，AC-1 類(lèi)別描述的是負載為非電感或只有輕微電感的應用，如電阻爐。這些應用主要是電阻性負載，其瞬態(tài)電壓和電流的問(wèn)題較小。
AC-3 類(lèi)別涵蓋了鼠籠式感應電機的應用，電機啟動(dòng)后，有時(shí)可能需要切斷電源以停止電機。電機是電感設備，啟停操作會(huì )導致電感瞬變，對接觸器造成較大的壓力。
AC-4 類(lèi)別中的應用，對接觸器造成的壓力更大。此類(lèi)別包括鼠籠式感應電機和滑環(huán)式電機，需要進(jìn)行反向電流制動(dòng)及點(diǎn)動(dòng)或寸動(dòng)。點(diǎn)動(dòng)或寸動(dòng)是“快速重復地施加電力，使電機從靜止狀態(tài)啟動(dòng)，以完成電機的小幅動(dòng)作”。點(diǎn)動(dòng)一般是指在全電壓下用短電源脈沖啟動(dòng)電機。類(lèi)似地，寸動(dòng)是指用低電壓下的短脈沖啟動(dòng)電機。多重施加電力會(huì )對接觸器造成最大的壓力。
特定 Easy TeSys DPE 接觸器與電機或類(lèi)似大功率應用主要根據要處理的電流來(lái)進(jìn)行匹配。Schneider Electric 的 Easy TeSys 目錄中包含了基于電機功率、使用類(lèi)別和所需使用壽命的選型幫助（圖 3）。

圖 3：AC-3 使用類(lèi)別電機基于電機功率、使用類(lèi)別和所需使用壽命的 Easy TeSys DPE 選型指南。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

圖 3 顯示的是與被控制設備的使用類(lèi)別有關(guān)的 3 個(gè)選型指南之一。它適用于 AC-3 使用類(lèi)別，基本上是可能不經(jīng)常停止的電機。當電機停止時(shí)，電流等于工作電流。例如，考慮為一臺 5.5 kW 的三相電機尋找一款 Easy TeSys DPE 接觸器，該電機工作電壓為 400 V，工作電流為 11 A，預期工作壽命為 200 萬(wàn)次循環(huán)。從 400 V 電壓線(xiàn)開(kāi)始，設計人員需要找到 5.5 kW，并從那里向上投射一條線(xiàn)，直到與 200 萬(wàn)次操作的線(xiàn)相交。離交點(diǎn)最近的 DPE 型號位點(diǎn)（藍色）是 DPE 18。
再舉個(gè) AC-4 使用類(lèi)別的例子，其中電機經(jīng)常停止和重新啟動(dòng)，最差情況下的電流較大?？紤]一臺 AC-4 應用中的三相 5.5 kW 電機，其工作電壓為 400 V，工作電流為 11 A，在電機停轉時(shí)，將其斷電。預期工作壽命為 30 萬(wàn)次操作。
該電機的停轉電流是工作電流的 6 倍，需要一款額定電流較大的接觸器（圖 4）。

圖 4：AC-4 使用類(lèi)別的 Easy TeSys DPE 選型指南。請注意，最壞情況下的電流可能要大得多，因為在電機停轉時(shí)，可能會(huì )切斷電源。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

要找到推薦的接觸器，請從 66 A 的停轉電流開(kāi)始，即 11 A 工作電流的 6 倍。從電流軸線(xiàn)向上投射，直到與代表 30 萬(wàn)次操作的線(xiàn)相交。離交點(diǎn)最近的位點(diǎn)是 DPE32。
Easy TeSys DPE 系列接觸器涵蓋了最常見(jiàn)的電機配置和應用，如輸送機、包裝機、泵、壓縮機、暖通空調、制冷設備等等。
Easy TeSys 系列還包括一系列互補的熱過(guò)載繼電器，旨在保護交流電路和電機免受過(guò)載、相位故障、啟動(dòng)時(shí)間延長(cháng)和轉子停轉等情況的影響。這些繼電器監測電機電流，當電流超過(guò)設定的電流限值時(shí)，觸頭打開(kāi)并停止電機。共有 15 種不同的型號，每個(gè)型號都有一系列可設置的電流跳閘水平。過(guò)載保護型號與 DPE09 至 DPE38 的選定 Easy TeSys 接觸器兼容。它們利用接觸器的螺絲夾端子直接連接到三相接觸器的底部端子。該組合的寬度是常見(jiàn)的 45 mm，可以安裝在 DIN 導軌上，或者用 DPE 接觸器支架擰在面板上（圖 5）。

圖 5：過(guò)載保護繼電器直接安裝在 DPE 接觸器下面，并用接觸器的螺絲夾接頭固定。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

Easy TeSys DPER32 熱過(guò)載繼電器額定值為 32 A/690 V，設定的熱跳閘范圍為 23-32 A，跳閘等級為 10 級（過(guò)載為預設水平的 6 倍時(shí)，過(guò)載保護器將在 10 秒內跳閘），用于保護額定值為 400 V 下 15 kW 的三相電機。這是一種能夠檢測相位故障和負載不平衡的差分設備。此設備具有熱調節撥盤(pán)、手動(dòng)/自動(dòng)復位選擇器、用于模擬跳閘的測試選擇器、復位和停止按鈕、標志指示燈，以及兩個(gè)用于故障信號發(fā)送的輔助觸頭（1 個(gè) NO，1 個(gè) NC）。用戶(hù)設置用可上鎖的透明蓋保護。整個(gè)熱過(guò)載保護器系列通過(guò)了多重標準的認證，包括 IEC、UL 和 CUL。
總結
對于工作電壓和電流較高的電機應用，設計人員需要一種可靠的方法來(lái)隔離相關(guān)控制電路，并防止電路受電磁輻射影響。Easy TeSys 三極 DPE 接觸器搭配 DPER Easy TeSys 熱過(guò)載繼電器，設計用于開(kāi)關(guān)和保護最常見(jiàn)的電機用例。該系列型號眾多，涵蓋多種電流和電壓水平，能夠輕松根據特定應用的要求進(jìn)行配置。