כיצד לבחור וליישם מגענים אלקטרומכניים עבור מנועי AC תלת-פאזיים לעבודה-מאומצת

מהנדסים העוסקים במיתוג מבודד של מתחים וזרמים גבוהים יחסית, תוך שימוש באות מתח נמוך, פונים בדרך כלל אל ממסרים. מתג מתח-נמוך קונבנציונלי מפעיל את הממסר שמצידו מדליק את האספקה של ההספק הגבוה. ממסרים אלקטרומכניים (EMRs) הם זולים ויכולים לטפל במתחים גבוהים יחסית, בעוד ממסרי מצב-מוצק (SSRs) מונעים התבלות מגעים ויצירת קשת חשמלית.

עם זאת, כשעוסקים עם מיתוג תדיר של מספר מאות וולטים ועשרות אמפרים (ומעלה), שני הסוגים מאותגרים. קשתות חשמליות בעומסים גבוהים אלה גורמות להתבלות מהירה של מגעי ה-EMR, בעוד זרמי זליגה בממסרי SSR גורמים לחימום-יתר. מתכננים זקוקים לאפשרות חלופית עבור יישומים תובעניים אלה.

המגען האלקטרומכני (electromechanical contactor‏ (EMC‏)) הפחות-מוכר מציע תחליף‏ איתן לממסרים. ההתקנים הם טכנולוגיה מוכחת וזמינים מיידית מספקים בעלי מוניטין רבים. מאחר וישנן עשרות אפשרויות, תהליך הבחירה הופך מהר למבלבל ללא תובנה‏ מפורטת של פעולת ה-EMC.

מאמר זה מסביר בקצרה את ההבדל בין ממסרי EMR ומגענים (Contactors‏), כיצד פועלים מגענים, ואחר כך מתמקד בשאלה כיצד יישום נתון משפיע על בחירת המוצר כצעד הראשון בכיוון תכנון מוצלח. תמחשנה אפשרויות תכנון בהתיחס למגעני הספק מסדרת Siemens SIRIUS 3RT המשמשים במימוש מנוע חשמלי IE3‏.

ההבדל בין ממסרים אלקטרומכניים ומגענים

בגלל שהוא חשוף למלוא זרם המעגל כשהוא סגור, השימוש במתג כדי להדליק ולכבות התקן הספק-גבוה כמו מנוע תלת-פאזי גדול איננו מעשי. המתג יוצר קשת חשמלית מסוכנת בזמן מיתוג ומתחמם יתר על המידה בזמן פעולה. הפתרון הוא להשתמש במעגל הספק-נמוך, שמודלק ומכובה על ידי מתג קונבנציונלי, כדי לעורר את מעגל ההספק-הגבוה. זוהי מטרת ה-EMR‏.

ממסרי EMR משתמשים בסליל המעורר על ידי מעגל ההספק-הנמוך כדי ליצור שדה מגנטי שמספק אחר כך מתקף לליבה נעה שבתורה פותחת או סוגרת את המגעים (סגורים במצב נורמלי (NC) או פתוחים במצב נורמלי (NO)). ממסרי ה-EMR יכולים למתג עומס AC או DC עד לדרוג המקסימלי שלהם. היתרונות העיקריים של ממסרי EMR הם עלות נמוכה ובידוד מובטח בכל מתח מיושם מתחת לדרוג הדיאלקטרי של ההתקן. (ראה, "כיצד ליישם ממסרי מצב-מוצק ייחודיים כדי להגביל EMI ולעמוד בתקנים קריטיים".)

עם זאת, יש גבול להספק שממסר EMR יכול לטפל בו. כשהעומס הוא, לדוגמה, מנוע‏ תלת-פאזי המפתח יותר ממספר קילו-וואטים (kW‏), מיתוג תוך שימוש ב-EMR‏ מיצר קשת חשמלית חריגה וגורם להתבלות מהירה של הממסר. החלופה היא ה-EMC‏, רכיב תעשייתי קשיח לעבודה-מאומצת השקול לממסר, שמתוכנן למתג באמינות עומסים גבוהים לאורך עשרות מיליוני מחזורים (איור 1‏).

איור 1‏: מגענים אלקטרומכניים מחליפים ממסרים ביישומי מיתוג עם עומסי-עבודה-כבדים. (מקור תמונה: Siemens‏)

מגעני EMC יכולים להיות מחוברים בבטחה להתקנים הדורשים זרם-גבוה והם מתוכננים בדרך-כלל עם מאפיינים לבקר ולדכא קשת חשמלית המיוצרת בזמן מיתוג תחת עומס כבד. ההתקנים משתמשים באותה הפעלת סליל מעורר/ליבה נעה כמו ממסרים והם מצוידים כמעט בלעדית במגעי NO, למרות שזמינים גם עם מגעי NC. מגעי NO מבטיחים שכאשר מסירים את אספקת-הכוח ל-EMC, המגעים עוברים למצב פתוח ומנתקים את האספקה להתקן המושך זרם גבוה. ההתקנים כוללים זוג אחד או זוגות מרובים של מגעים, שנקראים גם קטבים.

בחירת EMC

יחסית פשוט להחליט על הבחירה ב-EMC על פני‏ EMR‏. בעוד מגעני EMC הם יקרים יותר, הם האופציה היחידה עבור יישומי עומס-גבוה. ברגע שנקבע שדרוש EMC, בחירת ה-EMC הטוב ביותר עבור המשימה היא קשה יותר. המקום הטוב ביותר להתחיל בו הוא לקבוע את זרם עומס השיא (נקרא גם אמפרג' עומס-מלא (FLA)) הנדרש במתח העבודה של היישום. זה יקבע אחר כך את קיבולת עומס הזרם הדרוש של המגען.

במקרה של מנוע‏ תלת-פאזי, לדוגמה, היצרן מציין בדרך כלל בגיליון הנתונים את מתח העבודה ו-FLA‏. אך אם אינפורמציה זו איננה זמינה, אז מהנדס יכול לפנות אל משאבים כגון תרשים של ה-National Electrical Code‏ (NEC) האמריקאי המספק FLA עבור מגוון מנועים תלת-פאזיים לפי הספק נומינלי ומתח כניסה. המנועים מחולקים לקטגוריות לפי סיווגי מנוע של International Electrotechnical Commission‏ (IEC). לדוגמה, מנוע תלת-פאזי של‏ 375 ואט עם מתח עבודה של 110 וולט הוא בעל FLA של‏ 4.4 אמפר (A‏), ומנוע של 1.1‎ kW‏‏ עם מתח עבודה של 220 וולט הוא בעל FLA של 6‎ A‏.

בשלב הבא, המהנדס חייב לקבוע את מתח הבקרה הדרוש עבור ה-EMC‏. זה יכול להיות אותו המתח המשמש להזין את המנוע הקשור, אך לעתים קרובות משתמשים ‏במתח נמוך יותר מסיבות בטיחות. מתחי בקרה EMC‏ הם בדרך כלל תמיד מתחת ל-250 וולט AC.

אחר כך יש לשקול כיצד המנוע יעבוד ביישום. לדוגמה, שני יישומים שונים עשויים להשתמש במנוע‏ תלת-פאזי עם אותם מפרטים. אך יישום‏ הדורש שהמנוע יהיה במצב מופעל או כבוי לזמנים ממושכים צריך EMC שונה מהאחד שמודלק ומכובה לעיתים קרובות. האחרון יהיה נתון לעומסי זרם נשנים ולכן יצטרך להיות מוצר חסון יותר.

קטגוריות שימוש IEC‏ או ‘קודים’ הם‏ מדריך טוב לבחירת ה-EMC הנכון עבור יישום נתון. לדוגמה, אם ה-EMC‏ מקודד “AC-3”, הוא מתאים למנועים חשמליים מסוג "כלוב סנאי" (squirrel cage) (סוג נפוץ של מנוע אינדוקציה חשמלי) ביישומים בהם המנוע מודלק ומכובה בקביעות, בעוד “AC-20” מתאים לחיבור וניתוק עומסים בתנאי זרם-אפס. בעוד EMC מקודד-IEC המוגדר לא נכון יכול לעבוד ביישום נתון, סביר להניח שיהיה בעל תוחלת חיים קצרה הרבה יותר מאחד המקודד נכון.

קודים IEC‏ שימושיים גם כדי לקחת בחשבון את סוג העומס, התנגדותי או אינדוקטיבי, מאחר ולזה גם כן יש השפעה‏ משמעותית על בחירת ה-EMC‏. לדוגמה, מנועים חשמליים הם עומסים אינדוקטיביים, בעוד‏ גוף חימום מציג עומס‏ התנגדותי.

חשוב גם להביא בחשבון את מספר הקטבים שייתכן שיידרשו ב-EMC יחיד ובאם ‏הם צריכים להיות NO או NC. לדוגמה, יישום אולי ידרוש שלושה קטבים תוך שימוש במגעני NO עבור כל פאזה של מנוע‏ חשמלי, וזוג NC נוסף כדי להדליק נורית LED ‏שתציין שהמנוע מקבל הזנה אך איננו מסתובב.

יתר על כן, מאחר ומגעני EMC נושאים לעיתים קרובות מתחים וזרמים גבוהים יחסית, חשוב גם להבטיח שדרוג הבידוד של ההתקן עומד בכול תנאי הבטיחות של היישום.

בגלל שמנועים צורכים חלק‏ משמעותי של אנרגיה חשמלית מיוצרת, ארצות הברית (.U.S) והאיחוד האירופי (.E.U) תקנו תקנות כדי להבטיח שהם עובדים ביעילות המקסימלית האפשרית. רמות היעילות האנרגטית של ה-.E.U מבוטאות בדרגות יעילות-אנרגטית בינלאומיות (IE) (איור 2‏). תחת התקנה הנוכחית, מנועים חייבים להגיע לרמה‏ IE2 (יעילות גבוהה), IE3‏ (יעילות פרמיום) או IE4‏ (יעילות סופר פרמיום), בהתאם להספק הנקוב ומאפיינים אחרים שלהם. ל-EMC‏ יש השפעה על יעילות מנוע חשמלי, כך שאם מערכת הבקרה מיועדת לשימוש ב-.E.U, חשוב שהיא תהיה מתוכננת לרמת היעילות IE המתאימה. ב-.U.S, מנועים חייבים לציית לתוכנית יעילות הפרמיום של ה-National Electrical Manufacturers Association‏ (NEMA‏), שדורשת ציות לתקנים כמו אלה המוגדרים עבור IE3. הדרישות באוסטרליה דומות לאלו ב-.U.S.

איור 2‏: דרישות יעילות IE עבור מנועים חשמליים מראות כיצד שיפורי היעילות גדולים יותר עבור מנועים בהספק נמוך יותר: מנועי IE1‏ ו-IE2 אינם מורשים יותר תחת תקנות .U.S ו-.E.U. (מקור תמונה: Siemens‏)

מוצרים מסחריים

קיים‏ מגוון רחב של מגעני EMC באיכות-גבוהה עבור כמעט כל יישום עומס-גבוה. לדוגמה, מגוון מגעני EMC‏ Sirius 3RT2 מדגים את היכולת של מוצרים בני זמננו עבור מיתוג מנוע חשמלי ויישומים אחרים. ההתקנים תוכננו עבור אמינות עבודה גבוהה, אמינות מגע גבוהה, עבודה בטמפרטורה מוגבהת וחיי שירות ארוכים. מגעני הספק אלה ניתנים לשימוש עד 60°C ללא ירידה בביצועים, אפילו כשמורכבים זה לצד זה. המגוון כולל מגעני EMC מקוטלגים עבור AC-1 (עומסים לא-השראתיים או השראתיים במעט כמו גופי חימום), AC-3 (‏מנועים חשמליים squirrel-cage שממותגים לעיתים קרובות) ופעולת AC-4 (‏מנועים חשמליים squirrel-cage: ‏starting (הפעלה), plugging (עצירה או הפעלה הפוכה מהירה על ידי הפיכת החיבורים הראשוניים של המנוע, בעודו עובד), inching (המרצת מנוע פעם או המרצה חוזרת לתקופות קצרות כדי להשיג תנועות קצרות של המערכת הנעה). כל מוצרי SIRIUS 3RT2 מתוכננים עבור פעולת מנוע IE3 ו-IE4.

ה-3RT20152AP611AA0 ממגוון ה-SIRIUS 3RT2 הוא EMC‏ שלושה-קטבים NO‏ עם מגענים בגודל S00 ומקודד עבור יישומי AC-3. מתח האספקה בקרה הוא 220 עד 240 וולט AC‏. הוא כולל מתח יציאה של‏ 400 או 690 וולט, וזרם מקסימלי של 7‎ A ב-400 וולט או ‎4.9 A ב-690 וולט עבור הספק מקסימלי נומינלי של של 3‎ kW ב-400 וולט או ‎4 kW ב-690 וולט. המגעים נסגרים בפחות מ-35 מילי-שניות (ms‏) ונפתחים בפחות מ-‎14 ms‏.  הוא בעל תדר מיתוג מקסימלי תחת עומס של 750 מחזורים לשעה. אורך חיי השירות הוא 30 מיליון מחזורים עם קצב‏ תקלות של פעם ל-100 מיליון. כשמשתמשים ב-EMC‏ זה, ה-FLA‏ עבור מנוע תלת-פאזי‏ מצורף הוא 4.8‎ A‏ עבור מנוע מדורג 480 וולט‏ ו-6.1‎ A‏ עבור מנוע מדורג 600 וולט‏; זה מספיק כדי להזין מנוע של ‎2.2 kW‏ (480 וולט) או מנוע של‏ ‎3.7 kW‏ (600 וולט) (איור 3‏).

איור 3: ה-3RT20152AP611AA0 EMR‏ כולל שלושה קטבים שהם NO, דבר העושה אותו לתצורה מתאימה עבור מיתוג מנוע תלת-פאזי. (מקור תמונה: Siemens‏)

בקצה השני של מגוון ה-SIRIUS נמצא ה-3RT20261AP60. זה גם EMC שלושה-קטבים NO ומקודד עבור יישומי AC-3, אך עם מגענים בגודל S0. מתח האספקה בקרה הוא 220 עד 240 וולט AC‏. ההתקן כולל מתח יציאה של‏ 400 או 690 וולט, וזרם מקסימלי של 25‎ A ב-400 וולט או ‎13 A ב-690 וולט עבור הספק מקסימלי נומינלי של 11‎ kW בשני מתחי היציאה. ה-FLA‏ עבור מנוע תלת-פאזי‏ מצורף הוא 21‎ A‏ עבור מנוע מדורג 480 וולט‏ ו-22‎ A‏ עבור מנוע מדורג 600 וולט‏; זה מספיק כדי להזין מנוע של ‎11.2 kW‏ (480 וולט) או מנוע של‏ ‎14.9 kW‏ (600 וולט).

מגעני ה-EMC‏ ‏Siemens SIRIUS 3RT2 מתאימים עבור‏ מגוון יישומים אך ממוטבים עבור מיתוג מנועים תואמי יעילות פרמיום IE3‏ או NEMA‏. חלק מתאימות זו דורש מה-EMC להיות חלק יעיל ממערכת הבקרה של המנוע. כדי לעמוד בדרישה זו, מגעני ה-EMC מתוכננים עם מאפיינים כמו מגנטים קבועים כדי להקטין צריכת הספק סליל ובקרת סליל אלקטרונית. זה מאפשר להקטין למינימום את כוח ההחזקה (המשמש להחזיק את המגען סגור). הפסדי הספק אינטרינזיים של מגעני ה-EMC הופחתו ב-92% בהשוואה להתקנים קודמים.

לדוגמה, מגען ההספק 3RT20171BB41, שיכול למתג מנועים תלת-פאזיים של ‎2.2 kW‏ עד ‎7.5 kW‏, תלוי במתח היציאה של ה-EMC, מתאפיין‏ באבדן של 1.2 ואט לקוטב‏ ולאבדן כולל של 3.6 ואט כשמספק הספק מלא למנוע חשמלי.

שימוש ב-EMC‏ כדי להפעיל מנוע IE3

סדרת רכיבים‏ מניעי מנוע (motor drive train) מורכבת ממספר רכיבים כדי להבטיח פעולה בטוחה ואמינה. לדוגמה, מערך מקיף יכול להיות מורכב מהרכיבים הבאים:

• התקן הגנה (לדוגמה, מתנע מגן‏ מנוע ו/או ממסר עומס-יתר)
• יחידת התנעה (לדוגמה, מגען‏ EMC‏)
• בקר (לדוגמה, מערכת ‏ניהול מנוע)
• יחידת בקרה (לדוגמה, ממיר‏ תדר)
• מנוע חשמלי
• תיבת הילוכים
• חיווט
• מכונה מונעת

מגעני ה-SIRIUS 3RT2 EMC מתוכננים כהתקנים מודולריים המורכבים על מסילות DIN (או מוברגים במקום) ביחד עם הרכיבים האחרים. מגעני ה-EMC מתוכננים להתאים ביחד עם מודולי אחות כדי ליצור את חלק הבקרה המבוקש של הרכיבים המניעים את המנוע (motor drive train) (איור 4‏). התכנון המודולרי מסייע להגביל את כמות החיווט הדרושה בארון, וחיבורים נעשים דרך מגעים טעוני-קפיץ, כך שאין צורך בכלים מיוחדים.

איור 4‏: ה-SIRIUS 3RT2 כוללת התקנים מודולריים, מה שהופך את המימוש של מערכת בקרת מנוע לפשוט. כאן, ממסר‏ 3RT20171BB41 EMR‏, שממותג על ידי אות של‏ 24 וולט‏ DC‏, משמש עם התקן הגנה וממסר עומס-יתר לבקרה על מנוע מסוע. (מקור תמונה: Siemens‏)

בהנחה שה-EMC נבחר בקפידה, הוא הופך לאלמנט‏ חבר-והפעל של מערכת הבקרה. מגעני הספק 3RT2 מוטבו עבור מיתוג מנועים חשמליים IE3‏ בתחום מ-1 עד ‎15 kW‏‏ ויכולים לשמש ללא אילוצים נוספים עבור יישומים ישירים מקוונים והיפוך אתחול. ישנם, אמנם, מספר שיקולי תכנון חשובים עבור מהנדסים המכירים יותר מנועים חשמליים IE2 מ-IE3‏ כשמשתמשים במגעני 3RT2 EMC. מאפיינים המשפיעים על תכנון מערכת בקרה עבור מנועי IE3‏ כוללים זרמים נקובים נמוכים יותר, יחס זרם התחלתי גדול יותר וזרם התנעה מוגדל (איור 5‏).

איור 5‏: זרם מנוע התנעה, התחלתי ונקוב הם פרמטרים חשובים שיש לקחת בחשבון כשבוחרים מגען EMC עבור מנוע AC תלת-פאזי. (מקור תמונה: Siemens‏)

מפתח ליעילות מוגדלת של מנועים חשמליים IE3‏ הוא זרמי מנוע נקובים נמוכים יותר. עם זאת, IE3‏ אינו מציין גידול ליניארי ביעילות לרוחב תחום ההספק של המנוע החשמלי. במקום זה, הוא דורש שהיעילות של מנועים חשמליים בעלי הספק נמוך יותר תגדל הרבה יותר בהשוואה עם סוגי IE2 מיחידות בעלות הספק גבוה יותר (ראה איור 2‏ לעיל). זה אומר שעבור מנועים חשמליים בעלי הספק נמוך יותר, זרם המנוע הנקוב ירד משמעותית בהשוואה לסוג ה-IE2. שים לב שהספק שווה-ערך נשמר על ידי הגדלת מתח העבודה.

הצד השני של המטבע של זרם נקוב מופחת הוא גידול ביחס הזרם ההתחלתי (זרם נקוב/זרם התחלתי) עבור המנועים היעילים יותר. זה קורה בגלל שלמרות שהזרם ההתחלתי של מנוע IE3 הוא נמוך יותר, השוני בין מנועים IE2 ו-IE3 שווי-הספק אינו בא לידי ביטוי כל כך בזרם התחלתי כמו שבא לידי ביטוי בזרם נקוב. במנועים פחות יעילים הספקית, יחס הזרם ההתחלתי הוא גבוה יותר מהיחס בחלופות עם הספק גבוה.

ההשפעה של יחס זרם התחלתי מוגדל היא גידול בזרם התנעה. זרם התנעה הוא בעיקרו אירוע קיזוז דינמי כתוצאה מגורמים כגון חיבור של עומס השראתי‏ (כמו‏ מנוע) וטרנזיינטים דינמיים של זרם ואפקטים של רוויה בליבות המנוע העשויות שכבות. זרם התנעה, שיכול להיות גבוה עד פי חמש מ-FLA‏, יכול לגרום נזק למנוע ולמערכות אחרות (איור 6‏).

איור 6: זרם התנעה הוא גבוה יותר במנועים יעילים יותר, והוא גדול יותר ביחידות בעלות הספק נמוך. תכנון מערכת בקרה מתאים יכול למתן את האפקטים. (מקור תמונה: Siemens‏)

ביחד עם רכיבי בקרה מודולריים אחרים, מגעני 3RT2 EMC ניתנים לשימוש במערכת אתחול ואי-דלתא (“YΔ”) כדי להגביל זרם התנעה. על ידי התנעת המנוע תוך שימוש במתח הקו המלא בין ליפופי ה-Y של היחידה, בסביבות 58% ממתח הקו מגיע לכל פאזה של המנוע, דבר המנמיך את הזרם ושומר על שיא זרם התנעה נמוך. ברגע שהמנוע מגיע למהירות הנקובה שלו, הפעולה מתחלפת לאופן Δ, בו מיושם מלוא המתח (ללא סכנה של זרם התנעה כלשהו) לכל פאזה והמנוע יכול ליצר הספק מלא.

סידור זה מחייב חיבור ממסר עומס-יתר ‏ישירות בכבל מזין המנוע U1,‏ V1,‏ W1 (איור 7‏). זה מבטיח שהגנת עומס-יתר היא יעילה עבור כל שלושת מגעני ה-EMC. המימוש המלא דורש את הממסר ושלושה מגעני 3RT2 EMC.

איור 7‏: מעגל YΔ כולל‏ ממסר עומס-יתר בכבל ההזנה של המנוע ושלושה מגעני EMC למיתוג ההזנה בהתנעת המנוע. (מקור תמונה: Siemens‏)

בפעולה, חלק ה-Y של הרצף מעורר על ידי ‏סגירת מגעני ה-EMC‏ K1 ו-K3 ביחד. אחרי זמן‏ מוגדר-מראש (של בערך 80% מהמהירות המלאה של המנוע), קוצב-זמן מעורר את K3 להיפתח ו-K2 להיסגר כדי להתחיל את חלק הדלתא ולהחיל מתח מלא על המנוע.

מסקנות

כשממתגים עומסי הספק-גבוה כגון מנועי AC תלת-פאזיים, מגעני EMC הם החלופה המומלצת לממסרי EMR. מגעני EMC מתוכננים עבור מיתוג באמינות גבוהה לאורך יותר מעשרות מיליונים פעולות. ההתקנים זמינים עבור מגוון רחב של יציאות מנוע, החל ממספר קילו-ואט עד מאות קילו-ואט.

כמתואר, מגעני ה-Siemens SIRIUS 3RT2 EMC מתאימים למיתוג מנועי AC תלת-פאזיים מ-2 עד ‎25 kW‏, והתכן המודולרי שלהם מבטיח קלות התקנה במערכות בקרה. בעוד מגעני ה-SIRIUS EMC הם פשוטים יחסית להתקנה, יש לנקוט בזהירות במימוש מערכת בקרה כדי למנוע נזק למנוע מזרם התנעה חריג.