モータコンタクタの基礎とその応用

著者 Art Pini

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2023-04-05

暖房、換気、空調（HVAC）、コンプレッサ、ポンプ、マテリアルハンドリング、パッケージングなどの用途では、高電圧/高電流で動作する大型モータを安全に配置して制御する必要があります。このような大型の電気モータを制御するためには、モータと制御回路の間に十分な絶縁を確保せねばならず、その点が設計者の課題となっています。さらに、高電圧と高電流は、電子制御装置を損傷させる可能性のある重大な電磁気的過渡現象を発生させることがあります。

電磁リレーにより、分離して遠隔操作することができますが、それなりの限界があります。高出力モータの電源接続を開閉すると電気アークが発生し、リレーのコンタクト面が損耗してコンタクトの寿命が短くなります。

この問題を解決するのが、モータ制御用の特殊なリレーである電磁コンタクタです。リレーよりも頑丈な構造、大型で堅牢なコンタクトに加え、コンタクトの開閉速度の高速化、特殊な素材を含むアーク抑制技術を採用しています。

この記事では、電磁モータコンタクタの基本を説明し、他のモータ制御のアプローチと比較した場合の利点について考察します。そして、Schneider ElectricのEasy TeSysファミリの実際の構成例を用いて、それらの選択と適用方法について説明します。

コンタクタの仕組み

電磁コンタクタは、「E」コアの上に電磁石を組み込んだものです。具体的には、コアのセンターレッグに電気的に絶縁されたコイルが同心円状に巻かれています。コイルは、ACまたはDCの制御電圧源によって励起されます。コイルに通電すると、電磁力によってコアの開放端にあるアーマチュアが引っ張られます（図1）。

コンタクタの簡略化した機能図の画像 図1：コンタクタの非通電状態と通電状態を示す簡略化した機能図。（画像提供：Art Pini）

電気コンタクトはアーマチュアに機械的に結合されています。コンタクトの配列は、コンタクタのモデルによって異なり、ノーマリオープン（NO）またはノーマリオープンとノーマリクローズ（NC）の組み合わせです。孤立したコンタクトが複数存在する場合があります。たとえば、3相コンタクタは、各相に1つずつ、3セットの電源端子があります。アーマチュアが引き込まれると、NCコンタクトが開き、NOコンタクトが閉じます。さらに、多くのコンタクタには、コンタクタの状態（通電または非通電）を監視するために使用される補助的な低電源端子のセットが含まれています。

コンタクトの材料は、高い強度、優れた導電性、アーク放電や酸化の影響に対する耐性などを考慮して選択されています。コンタクトの形状は、意図した電力レベルに対応し、アーク放電を抑えるように設計されています。

コンタクタの全要素をエンクロージャに収納し、コンタクトを電気的に絶縁するとともに、電源、負荷、コイルの配線を簡単に接続できるようにしています。また、エンクロージャは、パネルやDINレールへの取り付けをサポートします（図2）。

Schneider Electricの代表的なコンタクタのエンクロージャの画像 図2：代表的なコンタクタのエンクロージャの例：パネルマウント（左）とDINレールマウント（右）。（画像提供：Schneider Electric）

Schneider ElectricのEasy TeSys（DPEシリーズ）コンタクタは、幅わずか45mmの小型エンクロージャに収められており、パネルマウントやDINレールマウントが可能です。エンクロージャは、指の侵入を防ぐことを示すIP20の防塵性能を備えています。シリーズのすべてのコンタクタには、ノーマリオープンの補助コンタクトが含まれています。このシリーズの3相コンタクタは、最大32アンペア、AC480ボルトで20馬力（HP/480VAC）および25HP/600VACの定格で、さまざまな制御コイルの励磁電圧に対応し、UL/CSA認証済です（表1）。

モデル	極数	電圧（Vac）	電流（A）	最大HP	モータ出力（kW）	コイル電圧（V）	使用区分	寸法（高さ、幅、奥行き）
DPE09G7	3	690	9	480Vで3	440Vで4	120AC	AC1、AC3、AC4	3.03、1.77、3.39（インチ） 77、45、86（mm）
DPE12BL	3	690	12	480Vで5	440Vで5.5	24DC	AC1、AC3、AC4	3.03、1.77、3.39（インチ） 77、45、86（mm）
DPE18U7	3	690	18	480Vで7.7	440Vで9	240AC	AC1、AC3、AC4	3.03、1.77、3.39（インチ） 77、45、86（mm）
DPE25B7	3	690	25	480Vで10	440Vで11	24AC	AC1、AC3、AC4	3.03、1.77、3.39（インチ） 77、45、86（mm）
DPE32G7	3	690	32	480Vで15	440Vで15	120AC	AC1、AC3、AC4	3.35、1.77、3.62（インチ） 85、45、92（mm）
DPE38G7	3	690	38	480Vで20	440Vで18.5	120AC	AC1、AC3、AC4	3.35、1.77、3.62（インチ） 85、45、92（mm）

表1：Schneider ElectricのEasy TeSys DPEコンタクタシリーズから選ばれた例は、このシリーズが提供する動作電流と制御コイル電圧の選択の幅を示します。（表提供：Art Pini）

これらのデバイスは、約100万回の電気的動作が可能な動作寿命を持っています。Easy TeSysコンタクタは、規格IEC 60947に規定された使用区分に記載されている用途に適しています。個々のコンタクタの定格電流は、使用区分によって異なります。たとえば、AC-1カテゴリは、抵抗ベースの炉のように負荷が非誘導性またはわずかな誘導性であるアプリケーションを表します。これらのアプリケーションでは、主に抵抗負荷があり、過渡電圧や電流の問題が少なくなります。

AC-3カテゴリは、リスケージ型誘導モータの用途に対応します。モータを始動させ、時にモータを停止させるために電源を切る場合があります。モータは誘導性デバイスであり、始動および停止動作で誘導性の過渡現象が発生し、コンタクタへの負担が大きくなります。

AC-4カテゴリのアプリケーションでは、コンタクタへの負荷が大きくなります。逆電流制動やジョギング、インチングの対象となるリスケージ型誘導モータやスリップリング型モータを対象とします。ジョギングまたはインチングとは、「モータの小さな動きを達成する目的で、モータを静止状態から始動させるために動力を素早く繰り返し加えること」です。ジョギングとは一般的に、全電圧で短いパルスの電力でモータを始動させることを指します。同様に、インチングとは、電圧を下げた短いパルスでモータを始動させることを意味します。複数回電力が投入されるため、コンタクタには最も大きなストレスがかかります。

Easy TeSys DPEコンタクタをモータなどのハイパワーアプリケーションに適合させる場合は、主に扱う電流に基づきます。Schneider ElectricのEasy TeSysのカタログには、モータの出力、使用区分、必要な運転寿命に基づいた選択補助情報が含まれています（図3）。

図3：モータ出力と希望するコンタクタ動作寿命に基づくAC-3使用区分モータ向けEasy TeSys DPE選択ガイド。（画像提供：Schneider Electric）

図3は、制御対象デバイスの使用区分に関連する3つの選択ガイドのうちの1つです。基本的に停止頻度が少ないモータである使用区分AC-3用です。モータが停止しているときは、電流は動作電流と同じになります。たとえば、400V、動作電流11Aで動作する5.5kW 3相モータで、200万サイクルの動作寿命が必要な場合に、Easy TeSys DPEコンタクタを探すことを考えてみます。設計者は、400Vの電圧を示す線で5.5kWを見つけ、そこから200万回の動作ラインと交差するように上方へ線を引く必要があります。最も近いDPEモデルの線（青）はDPE18です。

AC-4の使用区分の例では、モータの停止と再始動が頻繁に行われるため、より大きなワーストケースの電流を扱います。AC-4アプリケーションにおいて、400V、動作電流11Aで動作する3相5.5kWのモータを考えます。モータが停止している間は非通電になります。望ましい運用寿命は30万回です。

このモータの停動電流は運転電流の6倍であり、より高い電流レベルに対応したコンタクタが必要です（図4）。

図4：AC-4使用区分向けのEasy TeSys DPE選択ガイド。なお、モータが停止している間に電力が失われる可能性があるため、最悪の場合、電流はもっと大きくなる可能性があります。（画像提供：Schneider Electric）

推奨されるコンタクタを見つけるには、まず、動作電流11Aの6倍である66Aの停動電流から始めます。電流の軸から上方へ、0.3百万回を表す線と交差するまで線を引きます。最も近い製品の線はDPE32のものです。

Easy TeSys DPEシリーズコンタクタは、コンベア、包装機、ポンプ、コンプレッサ、暖房換気、空調、冷蔵など、最も一般的なモータ構成とアプリケーションをカバーしています。

Easy TeSysファミリは、AC回路やモータを過負荷、位相不良、始動時間の延長、ローターのストール状態から保護するために設計された一連の補完的な熱過負荷リレーも含んでいます。このリレーは、モータ電流を監視し、電流が電流制限値を超えるとコンタクトが開き、モータを停止させます。15種類のモデルがあり、それぞれ設定可能なさまざまな電流トリップレベルを備えています。過負荷保護モデルは、一部のEasy TeSysコンタクタDPE09～DPE38と互換性があります。3相コンタクタの底面端子に直接接続し、コンタクタのネジクランプ端子を使用します。組み合わせの幅は共通の45mmで、DINレールへの取り付けやDPEコンタクタマウントを使用したパネルへのネジ止めが可能です（図5）。

過負荷保護リレーがDPEコンタクタの直下にマウントされる画像図5：過負荷保護リレーはDPEコンタクタの真下にマウントされ、コンタクタのネジクランプ接続を使用して固定されます。（画像提供：Schneider Electric）

定格32A/690ボルトのEasy TeSys DPER32サーマルオーバーロードリレーは、定格400Vで15kWの3相モータを保護するために、23～32Aの調節可能な温度設定トリップレンジ、トリップクラス10（プリセットレベルの6倍のオーバーロードで、オーバーロード保護装置が10秒以内にトリップ）を備えています。位相不良や負荷のアンバランスを検出する差動型デバイスです。温度調整ダイヤル、手動/自動リセットセレクタ、トリップをシミュレーションするためのテストセレクタ、リセットボタンとストップボタン、フラグインジケータ、故障信号用の補助コンタクト2個（1 NO + 1 NC）を備えています。ユーザー設定は、ロック可能な透明カバーで保護されます。サーマルオーバーロードプロテクタファミリ全体が、IEC、UL、CULなど複数の規格で認証されています。

まとめ

高電圧・高電流のモータアプリケーションの設計者は、関連する制御回路を分離し、電磁波から保護する信頼性の高い方法を必要としています。Easy TeSys 3極DPEコンタクタは、DPER Easy TeSysサーマルオーバーロードリレーとともに、最も一般的なモータの使用例での切り替えと保護を行うように設計されています。複数の電流および電圧レベルをカバーする幅広いモデル群により、特定のアプリケーションの要件に合わせた構成が容易になります。