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工程師若需要使用小電壓信號對相對較高的電壓和電流執行隔離式開關操作，通常會選用繼電器。傳統的低壓開關可激活繼電器，再由繼電器開啟大功率電源。機電繼電器 (EMR) 成本較低，可以處理相對較高的電壓，而固態繼電器 (SSR) 則可以消除觸頭磨損和電弧現象。

但是，在處理幾百伏和幾十安培及以上的頻繁開關操作時，這兩種類型都會遭遇挑戰。這類高負載下的電弧現象會迅速磨損 EMR 的觸頭，而 SSR 中的漏電流則會導致過熱。設計人員需要為這些高要求的應用找到替代選擇。

相對冷門的機電接觸器 (EMC) 提供了堅固耐用的繼電器替代品。這些器件采用經過驗證的技術，而且多家信譽良好的供應商都有現貨供應。由于有數十種選擇，如果對 EMC 的操作沒有詳細的了解，選擇過程很快就會陷入混亂。

本文簡要說明 EMR 與接觸器之間的區別、接觸器的工作原理，然后重點介紹作為實現成功設計的第一步，給定的應用對產品的選擇有何影響。設計的選擇將通過參考 IE3 電機實施中使用的 Siemens SIRIUS 3RT 系列電力接觸器加以說明。

機電繼電器與接觸器的區別

由于開關在閉合后會暴露在全電路電流中，因此使用開關來開啟和關閉大型三相電機這類大功率設備并不現實。開關在翻轉時會產生危險的電弧，在工作中還會導致過熱。這一問題的解決方案是使用由傳統開關開啟和關閉的低功率電路來觸發大功率電路。這便是使用 EMR 的目的。

EMR 使用由低功率電路供電的線圈來形成磁場，然后再由磁場向可動鐵芯提供脈沖，繼而打開或閉合（常閉型 (NC) 或常開型 (NO)）觸頭。EMR 可以開關不超過其最大額定值的交流或直流負載。EMR 的主要優勢在于低成本，以及在任何低于器件介電額定值的施加電壓下均能保證隔離。（請參閱《如何使用特種低噪聲固態繼電器抑制 EMI 并滿足關鍵標準》）。

不過，EMR 能夠處理的功率有限。例如，當負載是功率超過幾千瓦 (kW) 的三相電機時，使用 EMR 開關就會產生過量的電弧并迅速磨損繼電器。另一種選擇是使用 EMC，一種與繼電器等效但更堅固耐用的重型工業產品，能夠可靠地開關高負載多達數千萬次以上（圖 1）。

圖 1：機電接觸器取代重載開關應用中的繼電器。（圖片來源：Siemens）

EMC 可以安全地連接至具有高電流需求的設備，并且通常設計能夠控制和抑制在重型負載下開關時所產生的電弧。該器件使用與繼電器相同的通電線圈/活動鐵芯激活機制，幾乎全部配備 NO 型觸頭，但也可使用 NC 型觸頭。NO 型觸頭確保在 EMC 的電力被移除時，觸頭切換為開路，從而切斷對高電流消耗設備的電力供應。這些器件具有一對或多對觸頭，也稱為擲。

EMC 的選擇

決定選擇 EMC 而不是 EMR 相對比較簡單。雖然 EMC 比較昂貴，但它們是高負載應用的唯一選擇。一旦確定需要 EMC，選擇最合適的 EMC 就要困難得多了。最好從確定目標應用工作電壓下的峰值負載電流（也稱為滿載電流 (FLA)）要求開始。然后再確定所需接觸器的載流能力。

以三相電機為例，制造商通常在規格書中規定了工作電壓和 FLA。但如果沒有這些信息，工程師也可以參考一些資源，如美國國家電氣規范 (NEC) 圖表，其中詳細說明了一系列額定功率和輸入電壓的三相電機的 FLA。電機是根據國際電工委員會 (IEC) 的電機分類法進行分類的。例如，工作電壓為 110 伏的 375 瓦三相電機，其 FLA 為 4.4 安培 (A)，而工作電壓為 220 伏的 1.1 kW 電機，其 FLA 為 6 A。

下一步，工程師必須確定 EMC 所需的控制電壓。該電壓可以與用來為相關電機供電的電壓相同，但出于安全原因，通常使用更低的電壓。EMC 控制電壓通常總是低于 250 V AC。

其次應考慮電機在應用中的工作情況。例如，兩種不同的應用可能使用相同規格的三相電機。但是，要求電機長期保持開啟或關閉狀態的應用，與需要頻繁開關電機的應用，所需的 EMC 是不同的。后者將反復承受電流負載，因此需要更堅固耐用的產品。

IEC 使用類別（也稱為“代碼”）是為特定應用選擇正確 EMC 的有效指南。例如，如果 EMC 的代碼為“AC-3”，則表示適合“鼠籠式”電機（一種常見的感應電機）應用，在這類應用中，電機會定期開啟和關閉，而“AC-20”則適合在零電流條件下連接和斷開負載。雖然 IEC 代碼指定錯誤的 EMC 也能在給定的應用中工作，但其使用壽命可能比正確編碼的 EMC 要短得多。

IEC 代碼對于考慮阻性或感性負載類型也很有用，因為負載類型也會對 EMC 的選擇產生重大影響。例如，電機是感性負載，而加熱器則是阻性負載。

還有一個值得考慮的重要因素是，一個 EMC 中可能需要多少個擲，以及它們應該是 NO 型還是 NC 型。例如，某個應用中電機的每一相可能需要三個使用 NO 型接觸器的擲，此外還需要一對 NC 接觸器來點亮 LED，表明電機已通電但沒有旋轉。

而且，由于 EMC 經常承載相對較高的電壓和電流，因此確保器件的絕緣等級滿足應用的所有安全標準也很重要。

由于電機消耗了相當比例的發電量，因此美國和歐盟已通過立法，確保電機盡可能高效地運行。歐盟的能效水平表示為國際能源 (IE) 效率等級（圖 2）。根據目前的規定，電機必須達到 IE2（高能效）、IE3（超高能效）或 IE4（超優級能效）水平，具體取決于其額定功率和其他特性。EMC 會影響電機能效，因此，如果控制系統要在歐盟使用，其設計就必須符合相應的 IE 能效等級要求。在美國，電機必須符合國家電氣制造商協會 (NEMA) 的優級能效計劃，該計劃要求符合 IE3 所規定的標準。澳大利亞的要求與美國相似。

圖 2：電機的 IE 能效要求顯示，低功率電機的能效提升幅度更大：美國和歐盟法規不再允許使用 IE1 和 IE2 等級的電機。（圖片來源：Siemens）

商用產品

幾乎所有高負載應用都有眾多高品質的 EMC 可供選擇。例如，Siemens Sirius 3RT2 系列 EMC 展示了適用于電機開關和其他應用的現代產品能力。這些器件專為高運行可靠性、高接觸可靠性、高溫運行和長使用壽命而設計。這些電力接觸器可在高達 60°C 的溫度下使用而不會降額，即使采用并排安裝也不例外。該系列包括被歸入 AC-1（無感或微感負載，如加熱器）、AC-3（頻繁開關的鼠籠式電機）和 AC-4（鼠籠式電機：起動、插入和點動）工作類別的 EMC。所有 SIRIUS 3RT2 產品均專為 IE3 和 IE4 電機運行而設計。

SIRIUS 3RT2 系列中的 3RT20152AP611AA0 是一款具有 S00 尺寸接觸器的 NO 三擲 EMC，根據編碼適用于 AC-3 類應用。控制電源電壓為 220 至 240 V AC。它具有 400 伏或 690 伏輸出電壓，400 伏下的最大電流為 7 安，690 伏下的最大電流為 4.9 安，400 伏下的最大標稱功率為 3 kW，690 伏下的最大標稱功率為 4 kW。觸頭的閉合時間小于 35 毫秒 (ms)，開啟時間小于 14 毫秒。負載條件下的最大開關頻率為每小時 750 次。使用壽命為 3000 萬次，故障率為每 1 億次開關一次。當使用該 EMC 時，對于 480 伏額定電壓的電機，連接的三相電機的 FLA 為 4.8 安，600 伏額定電壓的電機則為 6.1 安；因而足以為 2.2 kW（480 伏）電機或 3.7 kW（600 伏）電機供電（圖 3）。

圖 3：3RT20152AP611AA0 EMC 具有三個 NO 型擲，使其成為適合開關三相電機的配置。（圖片來源：Siemens）

SIRIUS 系列的另一端是 3RT20261AP60。這也是一款 NO 型三擲 EMC，根據編碼適用于 AC-3 類應用，但具有 S0 尺寸的接觸器。控制電源電壓為 220 至 240 V AC。該器件具有 400 伏或 690 伏輸出電壓，400 伏下的最大電流為 25 安，690 伏下的最大電流為 13 安，兩種電壓下的最大標稱功率均為 11 kW。對于 480 伏額定電壓的電機，所連接三相電機的 FLA 為 21 安，600 伏額定電壓的電機則為 22 安；因而足以為 11.2 kW（480 伏）電機或 14.9 kW（600 伏）的電機供電。

Siemens SIRIUS 3RT2 EMC 適合多種應用，并針對符合 IE3 或 NEMA 超高能效標準的電機進行了優化。要符合這種效率要求，EMC 必須是電機控制系統的高能效組成部分。為滿足這一要求，EMC 的設計具有一些特性，例如采用可減小線圈功耗的永磁體，以及電子線圈控制。這使得維持功率（用于保持接觸器閉合）降到最低。與先前的器件相比，EMC 的內在功率損耗減少了 92%。

例如，3RT20171BB41 電力接觸器可以開關 2.2 kW 到 7.5 kW 的三相電機（具體取決于 EMC 的輸出電壓），在以全功率為電機供電時，每一擲的功率損耗為 1.2 瓦，總計損耗 3.6 瓦。

使用 EMC 來起動 IE3 電機

電機傳動系統由若干部件構成，以確保安全、可靠的運行。例如，一個完備的設置可能包括以下部件：

• 保護裝置（例如，電機保護起動器和/或過載繼電器）

• 起動單元（例如，EMC）

• 控制器（例如，電機管理系統）

• 控制單元（例如，變頻器）

• 電機

• 齒輪箱

• 布線

• 從動機

SIRIUS 3RT2 EMC 采用模塊化器件設計，與其他部件一起安裝在 DIN 導軌上（或用螺絲固定到位）。EMC 的設計可以與姊妹模塊組合起來，用于搭建電機傳動系統所需的控制部分（圖 4）。模塊化設計有助于限制機柜內所需的布線量，并且通過頂出式觸頭進行連接，因此不需要特殊工具。

圖 4：SIRIUS 3RT2 系列為模塊化器件，因而可以直接實施為電機控制系統。在圖中，3RT20171BB41 EMC（使用 24 伏直流信號進行開關）與保護裝置和過載繼電器一起用來控制傳送帶電機。（圖片來源：Siemens）

經過精心挑選的 EMC 可以用作控制系統中的即插即用元件。3RT2 電力接觸器經過優化，適用于開關 1 至 15 kW 范圍內的 IE3 電機，并且無需進一步限制，即可用于直接在線和反向起動應用。但對于更熟悉 IE2 類而不是 IE3 類電機的工程師來說，在使用 3RT2 EMC 時還有一些重要的設計事項需要注意。影響 IE3 電機控制系統設計的特性包括：較低的額定電流、更大的起動電流比，以及更大的涌流（圖 5）。

圖 5：在選擇用于三相交流電機的 EMC 時，浪涌、起動和額定電機電流是需要考慮的關鍵參數。（圖片來源：Siemens）

提高 IE3 電機能效的關鍵在于降低額定電機電流。但是，IE3 并沒有規定能效在整個電機功率范圍內呈線性增長。相反，與 IE2 類型相比，IE3 要求低功率電機的能效提升必須遠超高功率電機（參見上面的圖 2）。這意味著對于低功率電機來說，電機的額定電流相較于 IE2 類型已大幅降低。請注意，通過提高工作電壓可維持對等的功率。

額定電流降低的另一面是，高能效電機的起動電流比（起動電流/額定電流）增大。出現這種情況是因為，盡管 IE3 電機的起動電流較低，但 IE2 和 IE3 等功率電機在起動電流上的差異并不像額定電流那樣顯著。對于低能效電機而言，起動電流比高于高能效替代品。

起動電流比增大帶來的影響是涌流增大。涌流本質上是一種動態補償事件，由連接感性負載（如電機）以及電機層壓鐵芯中的動態電流瞬變和飽和效應等因素引起。涌流可能高達 FLA 的五倍，會損壞電機和其他系統（圖 6）。

圖 6：電機能效越高涌流越大，低功率設備的涌流更大。適當的控制系統設計可以緩解這些影響。（圖片來源：Siemens）

3RT2 EMC 與其他模塊化控制部件一起，可用于星形三角形（“YΔ”）起動系統，以限制涌流。通過在設備的 Y 繞組上使用實線電壓起動電機，大約 58% 的線路電壓到達每個電機相，從而減小電流并降低浪涌峰值。一旦電機達到額定轉速，就會切換到 Δ 模式運行，這時全電壓被施加到每一相（沒有任何涌流的危險），電機可以產生全功率。

這種配置需要一個位于電機饋線電纜 U1、V1、W1 中的過載繼電器（圖 7）。這將確保過載保護對所有三個 EMC 都有效。完整的實現需要繼電器和三個 3RT2 EMC。

圖 7：YΔ 電路的電機饋線電纜中包括一個過載繼電器，以及三個在電機起動時開關電源的 EMC。（圖片來源：Siemens）

在工作期間，序列中的 Y 部分通過同時閉合 K1 和 K3 EMC 來觸發。在預設的時間后（約為電機全速的 80%），計時器將會觸發 K3 打開，K2 關閉，以啟動 Delta 部分，將全功率應用于電機。

結語

在開關三相交流電機這類大功率負載時，建議用 EMC 來取代 EMR。EMC 能夠在數千萬次開關操作中提供高可靠性。該器件適用于從幾千瓦到幾百千瓦的各種電機輸出。

如上所示，Siemens SIRIUS 3RT2 EMC 適用于開關 2 到 25 kW 的三相交流電機，其模塊化設計可確保輕松安裝到控制系統中。雖然 SIRIUS EMC 的安裝相對簡單，但必須注意控制系統的實現，以免電機因涌流過大而損壞。