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關(guān)鍵基礎(chǔ)設施中，都需要能夠最大限度地提高機器恢復能力和正常運行時間的智能電機控制裝置。

這些應用中的電機控制裝置必須能夠控制并保護 75 馬力 (HP) 至 700 馬力的電機。為實現(xiàn)彈性運行，需要對機器進行全方位的保護，包括過載保護、接地故障保護和相位不平衡保護等。

同時還應包括觸點磨損自診斷和線圈過壓/欠壓檢測，并配有可視指示器，以支持預測性維護。系統(tǒng)需要采用模塊化設計，以加快維修速度，以最大限度延長正常運行時間。此外，還需要符合國家電氣規(guī)范 (NEC)、UL 和國際電工委員會 (IEC) 的短路電流額定值 (SCCR) 要求，以確保電氣設備能夠承受大電流而不會損壞，并確保其安全性。

這些電機控制裝置還必須符合 IEC 60947-4-1 標準，該標準涉及機電接觸器和啟動器的安全問題，包括電機保護開關(guān)設備 (MPSD)、瞬時電機保護開關(guān)設備 (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] 最近開發(fā)的智能電機控制裝置系列，包括模塊化接觸器和過載繼電器，詳細說明了保護功能的操作以及自診斷的實現(xiàn)方式。

其間展示了這些過載繼電器是如何滿足 IEC 60947-4-1 要求的，以及模塊化設計是如何加快預防性維護速度的。最后，介紹了如何使用兩個接觸器來組裝一個換向組件，從而實現(xiàn)交流電機的雙向控制。

在指定控制面板時，SCCR 是一項基本特性，有助于提高整體可靠性。它用于確定接觸器和導線等電力元件的尺寸。IEC 60947-4-1 詳細說明了計算 SCCR 的三個階段（圖 1）：

1. 確定配電系統(tǒng)中每個保護或控制元件以及每個區(qū)塊和元件的 SCCR。
2. 確定每個支路的 SCCR。根據(jù)電路中元件的參數(shù)值來計算。
3. 確定整個控制面板的 SCCR。根據(jù)電路的參數(shù)值來計算。

圖 1：SCCR 計算從單個元件額定值（黃色方框）開始，然后確定分支電路的 SCCR（紅色虛線方框），最后考慮整個控制面板的 SCCR 需求（灰色矩形）。（圖片來源：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 100 千安 (kA) 和 480 伏 (V)，各種保護裝置的具體規(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 和電機馬力額定值。這些接觸器可用于兩種負載類別：

• AC-1 – 適用于功率因數(shù)大于 0.95 的交流負載。這些負載主要是非電感或輕微電感負載，如電阻負載。切斷電弧可將電弧和觸點磨損降至最低。
• AC-3 – 適用于電機正常運行時有分斷的鼠籠電機。閉合時，會產(chǎn)生高達電機額定滿負荷電流七倍的浪涌電流。斷開時，接觸器會切斷電機的額定滿載電流。

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。接觸器分為標準型和高級型兩種。標準接觸器設計用于一般用途。具體包括：

• [LC1G1154LSEN]，4P，用于 AC-1 負載。額定電流為 250 A，配備 200-500 V AC/DC 寬帶線圈
• [LC1G225KUEN]，3P，用于 AC-3 負載。額定電流為 225 A，采用 100-250 V AC/DC 線圈

高級的 TeSys Giga 接觸器還具有其他特性，如更多的線圈電壓選擇、更低的線圈功耗、可編程邏輯控制器 (PLC) 輸入以及無需拆卸電纜或母線連接即可進行維護的電纜設計。

高級型號還兼容下一節(jié)討論的可選遠程磨損診斷 (RWD) 模塊。高級接觸器實例有：

• [LC1G115BEEA]，3P，用于 AC-3 負載。額定電流為 115 A，帶有 24-48 V AC/DC 線圈
• [LC1G800EHEA]，3P，用于 AC-3 負載。額定電流為 800 A，帶有 48-130 V AC/DC 線圈

所有 TeSys Giga 接觸器的前面板上都有一個診斷 LED ，用于快速評估故障情況（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防性維護，包括：

觸點磨損診斷和 RWD

觸點在每次斷開電源電路中的電流時都會出現(xiàn)磨損。觸點故障會導致電機失去控制。TeSys Giga 控制器中的觸點磨損算法可持續(xù)計算觸點的剩余使用壽命。當剩余壽命低于 15% 時，就會發(fā)出警報，以便安排預防性維護：

• 接觸器正面的診斷 LED 上也會看到本地警報。
• 可選的 RWD 模塊可用于高級接觸器。

控制電壓診斷

控制電壓可用于監(jiān)控欠壓和過壓情況。對于零件編號以 LSEMC 結(jié)尾的裝置，可通過選配的遠程設備管理 (RDM) 模塊遠程提供診斷指示。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。

電機保護開關(guān)裝置

像 TeSys Giga 接觸器這樣的智能電機控制裝置是工業(yè) 4.0 設備的重要組成部分。使用 MPSD（電機保護開關(guān)設備）也是確保最大生產(chǎn)率和可用性的一個重要考慮因素。

在 IEC 60947-4-1 中，MPSD 指的是一種帶延時設計的裝置，用于保護電機免受過載狀況的影響。第二種裝置是 IMPSD（瞬時電機保護開關(guān)設備），它是一種特殊類型的 MPSD，在檢測到過載時會立即跳閘。IMPSD 通常與交流電機保護無關(guān)。

根據(jù)應用的不同，電機啟動可能需要幾秒，也可能需要幾十秒。因此必須指定 MPSD 來滿足安全應用要求，同時避免令人討厭的跳閘。

為了滿足特定的應用需求，IEC 60947-4-1 定義了多個過載繼電器等級。跳閘等級指明了繼電器在過載時斷開電路所花費的最長時間。

北美和 IEC 跳閘等級之間也存在差異。例如，10 級是北美的跳閘級別，在檢測到 600% 的過載電流設定值后 4-10 秒內(nèi)跳閘。10A 級是 IEC 跳閘級別，在檢測到 720% 的過載電流設定值后 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 | 冷啟動后的跳閘時間 |
| 10 A | >2 小時 | <2 小時 | <2 分鐘 | 2 秒 < 至 < 10 秒 |
| 10 | >2 小時 | <2 小時 | <4 分鐘 | 2 秒 < 至 < 10 秒 |
| 20 | >2 小時 | <2 小時 | <8 分鐘 | 2 秒 < 至 < 20 秒 |
| 30 | >2 小時 | <2 小時 | <12 分鐘 | 2 秒 < 至 < 30 秒 |

表 1：基于額定電流 (Ir) 的熱過載繼電器等級示例。（表格來源：Schneider Electric）

跳閘等級 10A 和 10 適用于正常負荷的電機。建議重型電機使用 20 級，以避免跳閘干擾。30 級用于較長的啟動電機。

TeSys Giga 過載繼電器

TeSys Giga 熱過載繼電器具有高度靈活性，旨在用于交流電機。接地故障保護、相位不平衡保護和跳閘等級（5、10、20 和 30）的設置均可在前面板上配置。前面板還包括報警和狀態(tài) LED。它們具有較寬的可調(diào)熱過載保護范圍，四種重疊型號可處理 28 A 至 630 A 的應用（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 過載繼電器的前面板包括狀態(tài) LED 和保護調(diào)節(jié)。（圖片來源：DigiKey）

熱過載

熱過載保護用于單相和三相異步電機。熱過載保護的電流水平可根據(jù)所采用過載繼電器的型號進行調(diào)整。此外，還可調(diào)整跳閘等級和相關(guān)延遲。熱過載保護可設置為自動或手動復位。

失相

失相保護用于防止三相異步電機過熱。過載繼電器持續(xù)監(jiān)控每相線路的電流。當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，過載繼電器會在 4 ±1 秒內(nèi)觸發(fā)。失相保護功能無法禁用，必須手動重置。

相位不平衡

相位不平衡會導致異步電機過熱。常見原因包括：

• 市電供電線路長
• 進線開關(guān)觸點故障
• 網(wǎng)絡不平衡

當不平衡率超過 40% 時，過載繼電器將在 5±1 秒內(nèi)觸發(fā)。相位不平衡保護必須手動復位。

接地故障

接地故障保護用于保護三相異步電機。當負載電路的絕緣因振動、潮濕或其他因素而失效時，就會發(fā)生接地故障。過載繼電器監(jiān)控接地電流 (Ig)。當 Ig 超過 Ir 的 10% 以上時，繼電器會在 1 ±0.2 秒內(nèi)跳閘。接地故障保護必須手動重置。

模塊化

在觸點過度磨損、過載或其他異常運行條件損壞控制器時 TeSys Giga 接觸器的模塊化設計特別有用。控制模塊也可以更換，以適應不同的線圈電壓，開關(guān)模塊也可以關(guān)閉，以更換磨損的極點。

通過選配套件可實現(xiàn)電纜記憶功能，以方便快速維護。安裝后，無需拆卸電纜即可快速更換控制或開關(guān)模塊。

反轉(zhuǎn)

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

換向接觸器可使用兩個機械聯(lián)鎖的標準接觸器來實現(xiàn)。聯(lián)鎖裝置可防止接觸器同時開啟（圖 6）。

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

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

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

結(jié)語

TeSys Giga 接觸器和過載繼電器是用途非常廣泛的設備，可在各種應用中最大限度地提高恢復能力和正常運行時間。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 100 kA 480 V，模塊化設計加快了維護速度。

這些可編程過載繼電器的工作電流范圍很寬，只需少量設備即可滿足多種應用需求。最后，通過機械聯(lián)鎖系統(tǒng)連接兩個 TeSys Giga 接觸器，可實現(xiàn)雙向運動控制。

審核編輯 黃宇