馬達接觸器的基本原理與應用

暖通空調 (HVAC)、壓縮機、幫浦、材料處理和包裝等應用，都需要對以高電壓與大電流運作的大型馬達進行安全地部署和控制。控制這些大型電動馬達對設計人員來說是個問題，因為必須在馬達和控制電路之間提供足夠的隔離。此外，高電壓和大電流可能會產生極高的電磁暫態，而造成電子控制項受損。

電磁繼電器可提供隔離式遠端控制，但也有其自身限制。打開與關閉高功率馬達的電源連接會產生電弧，而讓繼電器接觸面磨損，造成接觸壽命縮短。

這個問題能靠電磁接觸器來解決，這是一種用於馬達控制的特殊型繼電器。此接觸器的結構和觸點比繼電器更堅固耐用，並採用電弧抑制技術，包括特殊材料及更快速的觸點開關技術。

本文將探討電磁馬達接觸器的基本原理，以及在馬達控制方面比其他作法更優異的表現。接著會以 Schneider Electric Easy TeSys 系列的配置為例，探討如何挑選及運用。

接觸器的運作方式

電磁接觸器包括一個基於「E」型鐵芯的電磁鐵。具體而言，電氣隔離的線圈會以同心圓方向纏繞鐵芯的中央支腳。AC 或 DC 電壓來源會受到控制，藉此將線圈激磁。線圈通電後，電磁力會將鐵芯開放端的電樞拉進 (圖 1)。

圖 1：簡化的接觸器功能圖指出其斷電狀態與通電狀態。(圖片來源：Art Pini)

電氣觸點以機械方式連接電樞。觸點的排列因接觸器型號而異，可為常開 (NO)，或常開搭配常關 (NC)。可能會有多個隔離式觸點。例如，三相接觸器會有三組電源觸點，每相各一組。電樞拉進時，NC 觸點會斷開，NO 觸點會閉合。此外，許多接觸器含有一組輔助性低功率觸點，可用於監測接觸器的通電或斷電狀態。

觸點材料經過挑選，以達到高強度、絕佳的導電性，並可耐受電弧和氧化的影響。觸點的幾何形狀也經過設計，可處理預期的功率位準，更可抑制電弧。

接觸器的所有元件都裝在外殼內。外殼不僅能讓觸點達到電氣絕緣，更可輕鬆連接電源、負載及線圈的佈線。外殼亦提供安裝支援，能採用面板或 DIN 軌道式安裝 (圖 2)。

圖 2：典型接觸器外殼的範例；面板安裝 (左) 與 DIN 軌道安裝 (右)。(圖片來源：Schneider Electric)

Schneider Electric Easy TeSys (DPE 系列) 接觸器裝在緊湊的外殼內，寬度僅 45 mm，可安裝於面板或 DIN 軌道上。此外殼的侵入防護等級為 IP20，代表能防止手指插入。此系列中所有接觸器都含有常開的輔助觸點。此系列三相接觸器通過 UL/CSA 核准，額定電流高達 32 A，480 VAC 時可提供 20 馬力，600 VAC 時 25 馬力，並具有多種控制線圈激磁電壓 (表 1)。

表 1：Schneider Electric 的 Easy TeSys DPE 接觸器系列精選範例，可展示此系列提供的各種工作電流和控制線圈電壓。(表格來源：Art Pini)

這些裝置的運作壽命約為 100 萬次電氣運作。Easy TeSys 接觸器適合的應用，如 IEC 60947 標準所述的運用類別。各接觸器的額定電流依運用類別而定。例如，AC-1 類別描述的應用為無電感式負載，或僅有些微電感，如電阻式電爐。這些應用的負載主要為電阻式，比較不會有暫態電壓和暫態電流的問題。

AC-3 類別則涵蓋鼠籠電感馬達的應用，在此應用中，馬達會啟動，有時還會斷電讓馬達停下來。馬達是一種電感式裝置，起動和停止作業都會產生電感式暫態，對接觸器造成較大的壓力。

AC-4 類別中的應用，對接觸器造成的壓力更大。此類別涵蓋鼠籠電感馬達和滑環型馬達，這些馬達常發生逆電流制動，以及微動或寸動。微動或寸動是指「快速重複施加電力，讓馬達從靜止狀態起動，以達到馬達小幅度運動」。微動一般是指在全電壓下以短脈衝電力來起動馬達。寸動也差不多，是指以短脈衝的降低電壓來起動馬達。多重施加電力，會對接觸器造成最大的壓力。

要瞭解某個馬達或類似的高功率應用適合哪一款 Easy TeSys DPE 接觸器，主要是根據需處理的電流而定。Schneider Electric 的 Easy TeSys 產品目錄提供選購輔助工具，可依據馬達功率、運用類別和所需的運作壽命進行挑選 (圖 3)。

圖 3：Easy TeSys DPE 的 AC-3 運用類別馬達選購指南可依據馬達功率和所需的接觸器運作壽命進行挑選。(圖片來源： Schneider Electric)

圖 3 列出三個選購指南中，與受控裝置運用類別相關的一個選購指南。此運用類別為 AC-3，基本上是指會偶爾停止的馬達。當馬達停止時，電流值等於工作電流。例如，若要針對 5.5 kW、工作電壓 400 V、工作電流為 11 A 的三相馬達尋找適合的 Easy TeSys DPE 接觸器，且希望運作壽命達 200 萬次循環。可先從 400 V 電壓那一行開始尋找，接著設計人員要找到 5.5 kW 電壓，然後從該處向上伸出一條線，直到與 200 萬次操作的線條交錯為止。最接近的 DPE 型號位置 (藍色) 是 DPE 18。

AC-4 運用類別的馬達會經常停止並重新起動，其在最壞情況下要處理的電流比較大。試想，若有個工作電壓 400 V、工作電流 11 A 的 5.5 kW 三相馬達，在 AC-4 應用中斷電，同時造成馬達失速。預期的運作壽命為 300,000 次循環。

此馬達的失速電流是工作電流的六倍，因此要使用額定電流較高的接觸器 (圖 4)。

圖 4：Easy TeSys DPE 的 AC-4 運用類別選購指南。請注意，因為有可能會在馬達失速時將電力斷開，最壞情況下的電流值可能會更大。(圖片來源：Schneider Electric)

要找到建議的接觸器，先從失速電流 66 A 開始，此值為工作電流 (11 A) 的六倍。從目前的軸向上伸出，直到和代表 30 萬次循環的線條交錯為止。最接近的產品位置是 DPE32。

Easy TeSys DPE 系列接觸器涵蓋最常見的馬達配置與應用，例如輸送帶、包裝機、幫浦、壓縮機、暖通空調、冷藏等等。

Easy TeSys 系列也包含一系列輔助熱過載繼電器，可避免 AC 電路和馬達發生過載、相位故障、起動時間過長和轉子失速的情況。這些繼電器會監測馬達電流，當電流超過電流限制設定時，觸點會斷開並停止馬達。共有 15 種不同的型號，各型號都有多種可設定的電流跳脫位準。過載保護型號可相容於 DPE09 至 DPE38 的特定 Easy TeSys 接觸器。其運用接觸器的螺絲鉗端子，直接連接至三相接觸器的底部端子。此組合採用常見的寬度 (45 mm)，可安裝於 DIN 軌道上，也可利用 DPE 接觸器底座旋緊在面板上 (圖 5)。

圖 5：過載保護繼電器直接安裝於 DPE 接觸器下方，並以接觸器的螺絲鉗連接來固定。(圖片來源：Schneider Electric)

Easy TeSys DPER32 熱過載繼電器的額定值為 32 A/690 V，能調整熱設定值跳脫範圍 (23 至 32 A)，跳脫等級為 10 級 (過載為預設值的六倍，過載保護器會在 10 秒內跳脫)，以保護 400 V 時額定功率為 15 kW 的三相馬達。這是一種能偵測相位故障與負載失衡的差動裝置。此裝置具有熱調節轉盤、手動／自動重置選擇器、用於模擬跳脫的測試選擇器、重置與停止按鈕、標記指示器，和兩個用於故障示警的輔助觸點 (1 NO +1 NC)。使用者設定會以可上鎖的透明蓋加以保護。整個熱過載保護器系列通過許多標準的認證，包括 IEC、UL 與 CUL。

結論

若馬達應用要處理的工作電壓和電流很高，設計人員需利用可靠的方法隔離相關的控制電路，以免電路受到電磁輻射的影響。Easy TeSys 三極 DPE 接觸器搭配 DPER Easy TeSys 熱過載繼電器，就可切換及保護最常見的馬達使用案例。產品型號眾多，涵蓋許多電流與電壓級別，因此能依據應用需求，輕鬆進行配置。