יסודות ממתגי-זרם למנועים והיישום שלהם

יישומים כגון חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), מדחסים, משאבות, טיפול בחומרים ואריזה דורשים פריסה ובקרה בטוחה של מנועים גדולים הפועלים במתחים וזרמים גבוהים. בקרה של מנועים חשמליים גדולים אלו מהווה בעיה עבור המתכננים מכיוון שהם חייבים לספק בידוד הולם בין המנוע למעגל הבקרה. בנוסף, המתחים והזרמים הגבוהים עלולים ליצור טרנזיינטים אלקטרומגנטיים משמעותיים העלולים לפגוע בפקדים האלקטרוניים.

ממסרים אלקטרומגנטיים מציעים בקרה מרחוק עם בידוד אך יש להם מגבלות משלהם. פתיחה וסגירה של חיבורי חשמל למנוע בעל הספק גבוה מייצרת קשתות חשמליות אשר שוחקות את משטחי המגעים של הממסר ומקצרות את חיי המגעים.

הפתרון לבעיה זו הוא ממתג-זרם (Contactor‏) אלקטרומגנטי, סוג מיוחד של ממסר המיועד עבור בקרת מנועים. בנוסף למבנה החסון ולמגעים הגדולים וחזקים יותר לעומת ממסרים, הם משתמשים בטכניקות שיכוך קשת חשמלית הכוללות חומרים מיוחדים וסגירה ופתיחה מהירים יותר של המגעים.

מאמר זה בוחן את היסודות של ממתגי-זרם (Contactor‏) אלקטרומגנטיים של מנועים ואת היתרונות שלהם על פני גישות אחרות לבקרת מנועים. לאחר מכן הוא דן כיצד הם נבחרים ומיושמים באמצעות דוגמאות תצורה בעולם האמיתי ממשפחות Schneider Electric‏ ו-Easy TeSys‏.

כיצד פועלים ממתגי-זרם (Contactor‏)

ממתגי-זרם אלקטרומגנטיים מורכבים מאלקטרומגנט הבנוי על ליבת "E‏". במיוחד, סליל מבודד חשמלי עטוף באופן קונצנטרי על הרגל המרכזית של הליבה. הסליל מקבל עירור ממקור מתח הבקרה, העשוי להיות AC או DC. כאשר הסליל משופעל, הכוח האלקטרומגנטי מושך פנימה ארמטורה הממוקמת בקצה הפתוח של הליבה (איור 1).

איור 1: תרשים פונקציונלי מפושט של ממתג-זרם המראה אותו במצבים משופעל ולא-משופעל. (מקור התמונה: Art Pini)

מגעים חשמליים מחוברים באופן מכני אל הארמטורה. סידור המגעים משתנה לפי דגם המגע: הם עשויים להיות פתוח-בדרך-כלל (NO) או שילוב של פתוח-בדרך-כלל וסגור-בדרך-כלל (NC). קיימת אפשרות למספר מגעים מבודדים. לדוגמה, בממתג-זרם תלת-פאזי יהיו שלושה סטים של מגעי הספק, אחד לכל פאזה. כאשר הארמטורה נמשכת פנימה, מגעי ה-NC נפתחים, ומגעי ה-NO נסגרים. בנוסף, ממתגי-זרם רבים כוללים סט עזר של מגעי הספק נמוך יותר המשמשים לניטור מצב המגע, משופעל או לא-משופעל.

חומרי המגעים נבחרים עבור חוזק גבוה, מוליכות חשמלית מעולה ועמידות מפני השפעות של קשת חשמלית וחמצון. גיאומטריית המגעים מתוכננת להתמודד עם רמות ההספק המיועדות ולשכך קשת חשמלית.

כל האלמנטים של ממתג-זרם כלולים במארז, המבודד חשמלית את המגעים בשיטה פשוטה עבור חיבור הספקת-הכוח, העומס וחיווט הסליל. המארז מספק גם תמיכת הרכבה, אשר עשויה להיות בצורת הרכבה בפאנל או על מסילת DIN (איור 2).

איור 2: דוגמאות למארזי ממתג-זרם טיפוסיים; הרכבה בפאנל (משמאל) והרכבה על מסילות DIN (מימין). (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

ממתגי-זרם Easy TeSys (סדרת DPE) של Schneider Electric ממוקמים בתוך מארז קומפקטי ברוחב 45 מילימטרים (מ"מ) בלבד הניתן להרכבה על פאנל או על מסילת DIN. למארז יש דירוג הגנת חדירות של IP20, המציין הגנה עבור האצבעות. כל ממתגי-הזרם בסדרה כוללים מגע עזר פתוח-בדרך-כלל. סדרה זו של ממתגי-זרם תלת-פאזיים מורשי UL/CSA עם דירוגים של עד 32 אמפר, 20 כוחות-סוס ב-480 וולטAC‏ (HP/480 VAC‏) ו-HP/600 VAC‏ 25‏, עם מגוון של מתחי עירור סליל בקרה (טבלה 1) .

טבלה 1: דוגמאות נבחרות מסדרת ממתגי-זרם של Easy TeSys של Schneider Electric מציגות את תחום הבחירות של זרם פעולה ומתח סליל הבקרה שהקו מספק. (מקור הטבלה: Art Pini‏)

התקנים אלה מציעים חיי פעולה של כ-1 מיליון פעולות חשמליות. ממתגי-זרם Easy TeSys מתאימים עבור יישומים המתוארים בקטגוריות השימוש המפורטות בתקן IEC 60947. דירוגי הזרם של ממתגי-הזרם השונים תלויים בקטגוריית השימוש. לדוגמה, קטגוריית AC-1‏ מתארת יישומים שבהם העומס הוא לא-אינדוקטיבי או מעט אינדוקטיבי, כגון תנור מבוסס-התנגדות. ליישומים אלה יש בעיקר עומסים התנגדותיים, שלהם פחות בעיות עם מתחים וזרמים טרנזיינטיים.

קטגוריה AC-3 מכסה יישומים עבור מנועי אינדוקציה מסוג "כלוב סנאי" שבהם המנוע מופעל, וניתן להסיר את הספקת-הכוח כדי לעצור את המנוע לפעמים. מנועים הם התקנים אינדוקטיביים ופעולות התנעה ועצירה גורמות לטרנזיינטים אינדוקטיביים המפעילים מאמץ גדול יותר על ממתג-הזרם.

יישומים בקטגוריית AC-4 גורמים למאמץ גדול יותר על ממתג-הזרם. קטגוריה זו מכסה מנועי אינדוקציה מסוג "כלוב סנאי" ומנועים מסוג טבעת החלקה הנתונים לבלימת זרם הפוך ו-Jogging‏ או Inching‏. Jogging‏ או Inching‏ היא "הפעלת הספק חוזרת ונשנית במהירות כדי להתניע את המנוע למטרת השגת תנועות קטנות של המנוע". Jogging‏ מתייחס בדרך כלל להתנעת מנוע עם פולסים קצרים של הספק במתח מלא. בדומה, Inching‏ פירושו התנעת מנוע עם פולסים קצרים של מתח מופחת. מספר הפעלות הספק יוצרות את הרמה הגבוהה ביותר של מאמצים על ממתג-הזרם.

התאמת ממתג-זרם Easy TeSys DPE ספציפי למנוע או יישום בהספק גבוה מבוססת בעיקר על הזרם המועבר. קטלוג Easy TeSys של Schneider Electric כולל עזרי בחירה המבוססים על הספק המנוע, קטגוריית השימוש ומשך חיי הפעולה הנדרש (איור 3).

איור 3: מדריך בחירת Easy TeSys DPE עבור מנועים בקטגוריית שימוש AC-3 המבוסס על הספק המנוע וחיי הפעולה הרצויים של ממתג-הזרם. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

איור 3 הוא אחד משלושה מדריכי בחירה הקשורים לקטגוריית השימוש של ההתקן אותו צריך לבקר. זה מיועד לקטגוריית שימוש AC-3, למעשה מנוע שעשוי להיעצר לעיתים רחוקות. כאשר המנוע נעצר , הזרם שווה לזרם הפעולה. כדוגמה, נסו למצוא ממתג-זרם Easy TeSys DPE‏ עבור מנוע תלת-פאזי בהספק של 5.5 קילוואט (kW), הפועל ב-400 וולט עם זרם פעולה של A‏ 11‏ כאשר משך חיי הפעולה הרצוי הוא שני מיליון מחזורים. החל מקו מתח 400 וולט, המתכנן צריך לאתר 5.5 קילוואט, ומשם להקרין קו כלפי מעלה עד שהוא יחצה את קו שני מיליון הפעולות. נקודת דגם DPE‏ הקרוב ביותר (בכחול) היא DPE 18.

דוגמה של קטגוריית שימוש AC-4, שבה המנוע עוצר ומותנע-מחדש לעתים קרובות, עוסקת בזרמים גדולים יותר של המקרה-הגרוע-ביותר. נבחן מנוע תלת-פאזי, 5.5 קילוואט הפועל ב-400 וולט עם זרם פעולה של A‏ 11‏ ביישום AC-4 שבו הוא לא-משופעל בזמן שהמנוע נתקע. משך חיי הפעולה הרצוי הוא 300,000 פעולות.

כאשר המנוע נתקע, הזרם הוא פי שישה מזרם הפעולה, ולכן נדרש ממתג-זרם עבור רמת זרם גבוהה יותר (איור 4‏).

איור 4‏: מדריך בחירת Easy TeSys DPE של Schneider Electric‏ עבור קטגוריית השימוש AC-4‏. שימו לב שהזרמים במקרה-הגרוע-ביותר יכולים להיות הרבה יותר גדולים בגלל האפשרות להסרת הספקת-הכוח מהמנוע בזמן שהוא נתקע. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

כדי למצוא את ממתג-הזרם המומלץ, התחילו עם הזרם של A‏ 66‏ כשהמנוע נתקע, שהוא פי שישה מזרם הפעולה של A‏ 11‏. הקרנה כלפי מעלה מציר הזרם עד שהוא חותך את הקו המייצג 0.3 מיליון פעולות. נקודת המוצר הקרוב ביותר הוא DPE32.

ממתגי-הזרם סדרת Easy TeSys DPE מכסים את תצורות המנוע והיישומים הנפוצים ביותר, כגון מסועים, מכונות אריזה, משאבות, מדחסים, חימום ואוורור, מיזוג אוויר, קירור ועוד.

משפחת Easy TeSys כוללת גם סדרה של ממסרי עומס-יתר תרמי משלימים המיועדים להגן על מעגלי AC ומנועים מפני עומס-יתר, כשלי פאזה, זמני אתחול ארוכים ומצבי רוטור תקוע. ממסרים אלה מנטרים את זרם המנוע, וכאשר הזרם חורג מהגדרת גבול הזרם, המגעים נפתחים ועוצרים את המנוע. ישנם חמישה-עשר דגמים שונים, ולכל אחד מהם תחום רמות ניתוק זרם ניתן-להגדרה. דגמי הגנת עומס-יתר תואמים עם ממתגי-זרם נבחרים Easy TeSys‏ DPE09 עד DPE38. הם מתחברים ישירות להדקים התחתונים של ממתגי-הזרם התלת-פאזיים באמצעות הדקי לחיצת בורג של ממתג-הזרם. לשילוב יש רוחב נפוץ של 45 מ"מ והוא ניתן להרכבה על מסילת DIN או בהברגה לפאנל באמצעות תושבת ממתג-הזרם DPE (איור 5).

איור 5‏: ממסר הגנת עומס-יתר מורכב ישירות מתחת לממתג-הזרם DPE‏ ומהודק באמצעות חיבורי מהדק הבורג של ממתג-הזרם. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

לממסר עומס-יתר תרמי Easy TeSys DPER32 בדירוג A‏ 32‏/690 וולט יש תחום רמות ניתוק זרם מתכוונן של A‏ 23-32, Tripping Class 10 (עם עומס-יתר של פי שישה מהרמה שהוגדרה-מראש, כשמגן עומס-יתר יופעל בתוך 10 שניות), עבור הגנה על מנועים תלת-פאזיים בדירוג של KW‏ 15‏ ב-400 וולט. זהו התקן דיפרנציאלי עם גילוי תקלת פאזה ואי-איזון עומס. יש לו חוגת כיוונון תרמי, בורר איפוס ידני/אוטומטי, בורר בדיקה עבור סימולציית הפעלה, לחצני איפוס ועצירה, מחוון דגלון ושני מגעי עזר (NO + 1 NC‏ 1) עבור איתות תקלה. הגדרות המשתמש מוגנות על ידי כיסוי שקוף הניתן לנעילה. כל משפחת מגני עומס-יתר תרמי הם מורשים לפי מספר תקנים, כולל IEC, UL ו-CUL.

סיכום

מתכנני יישומי מנועים עם מתחי וזרמי פעולה גבוהים זקוקים לדרך אמינה לבודד מעגלי בקרה קשורים ולהגן עליהם מפני קרינה אלקטרומגנטית. ממתגי-הזרם DPE התלת קוטביים Easy TeSys, יחד עם ממסרי עומס-יתר תרמי DPER Easy TeSys, מתוכננים למתג ולהגן במקרי השימוש הנפוצים ביותר במנועים. המגוון הרחב של הדגמים מכסה מספר רמות זרם ומתח ומקל על הגדרת התצורה עבור דרישות יישום ספציפיות.