智慧馬達控制如何達到最大韌性與運作時間

在新一代的工業 4.0 製造、金屬和基礎材料加工、礦物提煉與開採，以及飲用水和廢水處理廠等關鍵基礎設施中，需要使用智慧馬達控制來達到最大韌性與運作時間。

這些應用中的馬達控制必須能控制和保護 75 馬力 (HP) 至 700 HP 之間的馬達。需具備全面的防護才可支援操作韌性，包括過載保護、接地故障保護和相位不平衡保護。

還應納入觸點磨損的自我診斷和線圈過壓／欠壓偵測，並隨附視覺化指示器以支援預測性維護，還要採用模組化設計，以便加速維修，達到最大的運作時間。更要符合美國國家電氣規範 (NEC)、UL 和國際電工委員會 (IEC) 短路電流額定值 (SCCR)，以確保電氣設備能夠承受大電流，而不會受損且保持安全。

這些馬達控制還必須符合 IEC 60947-4-1 標準，其涵蓋機電接觸器和起動器的安全性，包括馬達保護開關裝置 (MPSD)、純暫態馬達保護開關裝置 (IMPSD) 以及接觸器繼電器的致動器。

本文會先概述 SCCR 的要求。接著會深入探討 Schneider Electric 最近開發的智慧馬達控制系列，包括模組化接觸器和過載繼電器，且會詳細介紹防護功能的操作，以及如何實作自我診斷。

將探討這些過載繼電器如何符合 IEC 60947-4-1 的要求，並介紹模組化設計如何加快預防性維護。最後，本文會介紹如何使用兩個接觸器來組裝換向組件，進而促成 AC 馬達的雙向控制。

在挑選有利於提高整體可靠性的控制面板時，SCCR 是基本的特性之一。決定接觸器與導線等功率元件的大小時，就會用到此特性。IEC 60947-4-1 詳細說明計算 SCCR 的三個階段 (圖 1)：

1. 判定配電系統中每個保護和／或控制元件以及每個模塊和元件的 SCCR。
2. 確定每道分支電路的 SCCR。依據電路中元件的值。
3. 確定整個控制面板的 SCCR。依據電路的值。

圖 1：SCCR 的計算先從個別元件的額定值 (黃色框) 開始，接著要確定分支電路的 SCCR (紅色虛線框)，然後再考量完成後的控制面板 (灰色矩形) 的 SCCR 需求。(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 A，且提供 3 極 (3P) 和 4 極 (4P) 配置。其 SCCR 額定值高達 100 kA 和 480 V，針對各種保護裝置和額定值的具體資訊會列在接觸器側面的表格中。此外，4P 接觸器會顯示 AC-3 和 HP 馬達額定值。這些接觸器可用於兩種負載類別：

• AC-1 – 這適用於功率因數大於 0.95 的 AC 負載。這些主要是無電感或微電感負載，例如電阻式負載。斷開電弧就可將電弧現象與觸點磨損的情況降至最低。
• AC-3 – 這適用於在馬達正常運作期間會斷開的鼠籠式馬達。閉路時，湧入電流可高達馬達額定滿載電流的七倍。開路時，接觸器會斷開馬達的額定滿載電流。

TeSys Giga 接觸器可由交流電 (AC) 或直流電 (DC) 控制電壓供電，且內建突波抑制器。接觸器有兩種版本：標準和進階。標準接觸器專為一般用途而設計。範例包括：

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

進階版 TeSys Giga 接觸器具有額外特點，例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，以及無需拆除電纜或匯流排連接即可進行維護的電纜設計。

進階型號更相容於下一節會討論的選配遠端磨損診斷 (RWD) 模組。進階接觸器的範例包括：

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

所有 TeSys Giga 接觸器的前面板都有一個診斷 LED，可用來快速評估故障情況 (圖 4)。

圖 2：典型 TeSys Giga 接觸器的頂端中心具有診斷 LED。(圖片來源：DigiKey)

TeSys Giga 接觸器具有多種整合式診斷功能，可提升可靠性並支援預防性維護，包括：

接觸磨損診斷和 RWD

觸點每次斷開電源電路中的電流都會磨損。觸點故障會導致馬達失去控制。TeSys Giga 控制器中的觸點磨損演算法會持續計算觸點的剩餘使用壽命。當剩餘壽命低於 15% 時，將發出警告，就可依此安排預防性維護：

• 可在接觸器正面的診斷 LED 上看到本機警示。
• 選配的 RWD 模組可搭配進階版接觸器使用。

控制電壓診斷

控制電壓會監測欠壓和過壓情況。若裝置的零件編號末端為 LSEMC，只要使用選配的遠端裝置管理 (RDM) 模組，就可遠端遠端呈現診斷指示資訊。欠壓的定義是電源電壓低於最小規格的 80%，過壓的定義則是大於最大值的 110%。

內部功能診斷

診斷 LED 若持續閃爍，表示控制電路有出現內部故障。

馬達保護開關裝置

TeSys Giga 接觸器等智慧馬達控制裝置是工業 4.0 設備的重要組成。MPSD 的使用也是重要考量，以確保達到最大生產力和可用性。

在 IEC 60947-4-1 中，MPSD 是指裝置設計中具有延遲機制，以保護馬達以免受到過載情況的影響。第二種類型裝置是 IMPSD，這是一種特定類型的 MPSD，會在偵測到過載時立即跳脫。IMPSD 通常與 AC 馬達保護無關。

根據應用的不同，馬達啟動可能需要幾秒鐘或幾十秒。必須指定 MPSD 以符合應用的安全要求，同時避免錯誤跳脫。

為了符合特定應用需求，IEC 60947-4-1 制訂了幾類過載繼電器。跳脫類別可指出發生過載時，繼電器開路所需的最長時間。

北美和 IEC 標準之間的跳脫類別也有差異。例如，第 10 類屬於北美跳脫類別，在偵測到 600% 的過載電流情況後，會在 4-10 秒內將過載跳脫。第 10A 類則屬於 IEC 跳脫類別，在偵測到 720% 的過載電流情況時，會在 2-10 秒內將過載跳脫 (表 1)。

表 1：依據額定電流 (Ir) 的熱過載繼電器類別範例。(表格來源：Schneider Electric)

跳脫類別 10A 和 10 皆適用於一般負載的馬達。建議高負載馬達採用類別 20，以免發生錯誤跳脫。類別 30 可搭配啟動時間很久的馬達使用。

TeSys Giga 過載繼電器

TeSys Giga 熱過載繼電器具有高度靈活性，專為搭配 AC 馬達使用而設計。接地故障保護、相位不平衡保護和跳脫類別 (5、10、20 和 30) 的設定值，皆可在前面板上配置。前面板還含有警示和狀態 LED。具有較寬的可調式熱過載保護範圍，因此使用四個重疊的型號，就能處理 28 A 至 630 A 的應用 (圖 3)：

LR9G115，調整範圍介於 28 至 115 A

LR9G225，調整範圍介於 57 至 225 A

LR9G500，調整範圍介於 125 至 500 A

LR9G630，調整範圍介於 160 至 630 A

圖 3：TeSys Giga 過載繼電器的前面板含有狀態 LED 和防護調整項目。(圖片來源：DigiKey)

熱過載

熱過載保護可搭配單相和三相非同步馬達使用。熱過載保護的電流位準可以依據採用的過載繼電器型號進行調整。此外，跳脫類別和相關的延遲皆可調整。熱過載保護可設定為自動或手動重置。

缺相

缺相保護可用來保護三相非同步馬達，以免過熱。過載繼電器會持續監測各相的電流。當其中一相電流值低於 0.1 的額定電流 (Ir) 時，另一相電流值大於 0.8 的 Ir 時，過載繼電器在 4 ±1 秒內觸發。缺相保護不能停用，必須手動重置。

相位不平衡

相位不平衡會導致非同步馬達過熱。常見的原因包括：

• 主電源線太長
• 進線開關上的觸點有瑕疵
• 網路不平衡

當不平衡率超過 40% 時，過載繼電器會在 5 ±1 秒內觸發。相位不平衡保護必須手動重置。

接地故障

接地故障保護可用來保護三相非同步馬達。當負載電路上的絕緣因振動、潮濕或其他因素而失效時，就會發生接地故障。過載繼電器會監測接地電流 (Ig)。當 Ig 超過 Ir 的 10% 時，繼電器會在 1 ±0.2 秒內跳脫。接地故障保護必須手動重置。

模組化

TeSys Giga 接觸器採用模組化設計，在觸點過度磨損，或是過載或其他異常工作條件導致控制器受損時特別有用。控制模組也可更換，以適應不同的線圈電壓，並且開關模組也可拆開，以便更換磨損的磁極。

可透過選配套件實作電纜記憶功能，以利快速維護。安裝後，無需拆下電纜就可快速更換控制或開關模組。

逆向操作

可在輸送帶、電梯與裝配線上使用換向接觸器來改變 AC 馬達的轉動方向。其運作原理是反轉連接的極性，讓馬達以相反方向轉動。

轉向接觸器可以使用兩個機械式聯鎖的標準接觸器製成。聯鎖裝置可避免接觸器同時導通 (圖 6)。

圖 4：兩個 TeSys Giga 接觸器聯鎖，形成一個 AC 馬達用的換向接觸器。(圖片來源：Schneider Electric)

舉例而言，可使用以下元件來打造一個轉向接觸器，其利用 100-250 V AC/DC 線圈，在 460 V 下可達到 200 HP 額定值 (圖 6)：

• LC1G265KUEN，TeSys Giga 馬達控制器，需要兩個
• DZ2FJ6，接觸器接片套件
• LA9G3612，均熱片
• LA9G3761，轉向條
• LA9G970，機械聯鎖

結論

TeSys Giga 接觸器和過載繼電器是用途廣泛的裝置，可以在眾多應用中達到最大韌性與運行時間。接觸器的額定電流介於 115 至 900 A，提供 3P 和 4P 配置。具有高達 100 kA、480 V 的 SCCR，並採用模組化設計，可加快維護作業。

可編程過載繼電器具有寬廣的工作電流範圍，因此只要少量裝置就能符合許多應用的需求。最後，只要將兩個 TeSys Giga 接觸器與機械聯鎖系統連接，就可達到雙向運動控制。