重型连接器的组成及其在工业连接中的应用

作者:Jody Muelaner

投稿人:Digi-Key 北美编辑

在工业应用中会用到有各种各样的连接器,他们将电缆上的电力、传感器信号和控制数据通过其连接点送入和带出自动化组件。重型连接器有时在连接器产品名称中缩写为 HDC,其组成取决于具体应用...所以有时是相对的。这就是说,加固耐用型工业连接器与那些包含基本以太网和轻载电源的清洁室内自动化应用中使用的轻载 RJ 和 IEC 连接器之间有着明显的区别。

重型连接器可以具有更强大的整体坚固性,以及更强的侵入保护性能、更低的可燃性、很宽的工作温度范围、互锁、接地屏蔽,或者仅仅是更可靠的连接和更牢固的连接。

重型电缆密封套与连接器

电缆密封套(有时也称为压线装置)大多是机械部件。当电缆穿过工业控制面板以及其他金属板和硬塑料制成的外壳、连接器和控制器主体的边界时,电缆密封套会环绕包裹电缆。电缆密封套有三个作用。具体作用如下:

  • 固定电缆
  • 防止电缆刮擦和其他磨损
  • 在电缆周围形成密封,以防湿气进入和通过虹吸方式进入外壳内部

电缆密封套采用了具有以下功能的电缆固定方式:防止在电缆被拉扯或者受到其他干扰时电气触头受损。电缆密封套还可以防止电缆护套与外壳上的尖锐孔缘发生摩擦,因为密封套本体会在这些边缘填充并外扩。如果没有电缆密封套,即使是最轻微的移动,电缆也会被外壳上开孔的锋利边缘迅速切开,直至其外部绝缘层被完全锯开...最后导致电缆芯线短路。

与这些电缆密封套(环绕电缆)相反,连接器用于端接电缆——通常可以更方便地断开和重新连接电缆,以及连接多个组件和电缆。一般情况下,这种连接器的重型版本包括一项或多项加固功能。

重型电缆连接器可以采用通用电缆密封套、电缆夹或密封和防扭器件来提供电缆入口保护。无论机械形式如何,这些器件都能固定电缆并防止其从端子上被拉出。电缆入口保护也能像独立的电缆密封套那样防止电缆受到磨损。请注意,片状插件(有多个触指的接头)在中等加固型连接器上很常见,尽管插件需要定期重新拧紧来保证入口保护。对于重型应用来说,密封套可以提供连续密封并夹持电缆,是一种更可靠的常见选择。

一些重型电缆连接器上的保护罩会包围插头的导电体,同时提供绝缘和侵入保护——还有一些锁定或闩锁的套管或杠杆,以保持连接器的两个部分组合在一起。

在许多重型电缆连接器上,公插件包括公插针以及导电线芯与插针接触部分的螺钉或压接端子。在此类连接器中,母头插件包括互补式插口以及导电线芯与插口接触部分的插座或压接端子。

重型电缆连接器的坚固外壳可能是其最显眼的特征——通常包括绝缘和侵入保护功能。其配件可能包括额外的保护罩和针脚代码指南。

图 1:Han® 系列连接器具有多个互补性功能,可以适应相当残酷的环境条件。(图片来源: Harting

重型连接器侵入保护的 IP 代码

对于重型连接器来说,针对液体和固体颗粒进入的保护也是非常规范的。连接器的侵入保护是使用与外壳相同的侵入防护 (IP) 代码来评定的。IP 代码的第一位数字表示针对固体的防护,数值范围从 0(表示没有保护)到 6——表示完全防尘。IP 代码的第二位数字表示针对液体的防护,数值范围从 0(无保护)到 8(在 1 米深处能够连续防水)或者甚至 9K——表示针对高压喷射流的防护。例如,IP67 级连接器可以抵御灰尘的侵入和暂时浸入水中。

专有连接器变型——为什么如此常见?

由于重型连接器对机械闭合和密封功能的强烈依赖,目前市场上的许多选择要么是专利设计,要么是特定应用的连接器变型。例如,整个行业都将 Harting Hank 系列重型矩形连接器用于电源和控制连接。事实上,这个商标的连接器品牌有时被认为是一般重型连接器的代名词。

图 2:Han 系列连接器(有 4 个和 26 个针脚)在某种程度上已成为行业标准——满足从 50V 到 5000V 和 3 A 到 200A 的各种数据和电源连接要求。其锁定方式包括方便单手操作的单杆 Han-Easy 锁,以及锁定更可靠、紧密型更高的、用于电缆到电缆连接的双杆 Han-Easy 锁。然而,另一种加固选项是螺钉锁定,这种锁定方法可以获得最大的紧密性、更小的人为解除锁定风险。(图片源: Harting)

Han 系列连接器的针脚排列在一个矩形护罩内,匹配矩形壳体内的相应插座。连接器通常配备有锁定杆,让安装人员轻松、可靠地闭合连接器:——确保其无法被拉开...即使施加相当大的作用力时也是如此。

护罩(螺栓连接的连接器外壳)在电力电缆端接中最常见,提供顶部进入和侧面进入式配置。外壳可采用螺纹安装、表面贴装或穿板式安装, 便于在仪表或机器上连接。另外,外壳也可以端接电缆,用于电缆之间的连接。护罩和外壳通常由压铸合金制造...但不锈钢和塑料外壳也很常见。一些制造商提供了可配置的连接器,可以在外罩或外壳内连接。这可以让所有不同的模块都有更大的引脚数。这种连接器如 MolexGWconnect HDCTE Connectivity HDC 品牌产品。

用于数据和传感器信号电缆的加固型电缆连接器会略有不同。在这里,M 系列连接器遥遥领先。该系列连接器坚固耐用,可用于电力传输和包括基于以太网的连接在内的各种数据连接。加固型 M 系列连接器在涉及 PROFINET、现场总线和工业以太网的工业网络应用中最为常见,用于连接传感器、交换机和 PLC。

正如 Digi-Key 以前的文章所述,M 系列连接器由圆形公头和母头连接器组成,采用标准的公制螺纹套管,包裹并保护内部引脚和插座。标准尺寸包括 5 mm M5、8 mm M8、12 mm M12、16 mm M16 和 23 mm M23 连接器。螺纹套管使得连接非常牢固、可靠,不容易被拉开,并且保证了非常可靠的电气连接,最大限度地减少了信号的不连续性。该套管还使得 M 系列连接器实现了高水平侵入保护,在许多情况下,甚至可以在遭受冲刷和腐蚀的环境中使用。最常见的尺寸是 M8 和 M12 连接器,提供 2、3、4、5、8 或 12 针版本。通常,3 或 4 针 M 系列连接器用于传感器和电源;4 或 8 针 M 系列连接器用于以太网和 PROFINET 设备;4 或 5 针 M 系列连接器用于现场总线、CAN 总线和 DeviceNet 自动化设备。

图 3:M 系列连接器由高强度铝制成,采用棘轮螺丝,可以单手速安全地连接电缆。(图片来源:LEMO

工业应用中使用的数据连接包括以太网、ModbusTCP/IP、EtherCAT、以太网/IP 和 Profinet...以及各种专有形式。RJ 连接器是所有以太网实施的标准——但没有侵入保护功能,也不具备特别坚固的性能。虽然有一个公头侧塑料凸片卡在插口中,将连接器的两部分固定在一起,但其相当脆弱...甚至适度的拉扯下就能将插头从插口上拔出来。所以,在自动化装置受到运动影响以及被偶然滥用的情况下,M 系列连接器是一个非常不错的选择。

不过,有一点需要注意。虽然标准的 M 系列连接器是工业连接器的合适选择,但要实现可靠的连接和规定的侵入保护等级,取决于技术人员是否正确地拧紧了连接器的螺纹。一些连接器供应商甚至推出可以自动锁定的推入式连接器来解决这一潜在的故障点。其中最成熟的产品也许是 Molex Brad 系列连接器,该产品可以直接替代标准 M12 连接器。这种连接器产品取消了螺纹套管,取而代之的是可靠的按压锁定机构...因此,只需将连接器的两个部分按压在一起,就能确保完美的锁定和可靠的连接,彻底消除了无信号或信号断续的风险。这些连接器有各种配置,包括具有 IP65 防护等级的推入式和拔出式连接器。

图 4:Ultra-Lock 连接器是一种带有 O 圈的推入锁定式选择,可实现万无一失的连接和 IP69K 侵入保护性能。(图片来源:MOLEX)

当用于以太网应用时,M 系列和 Molex Brad 连接器还可以使用以太网供电 (PoE) 标准提供电源,且包括 A 型、B 型和 4PPoE 三种型号,以支持不断变化的带宽和供电水平。

可满足高功率要求的 IEC 电源连接器

国际电工委员会 (IEC) 为民用、商用和工业应用中的电源连接器定义了各种标准。例如,IEC 60320 标准涵盖了电压和电流分别高达 250V 和 16A 的非锁定式连接器。这类连接器包括大型非加固 C13/C14 连接器以及工业应用中电子设备上常见的较大型 C19/C20 耦合器——包括计算机电源和服务器外壳。这类耦合器通常被认为是非重型连接器。

相比之下,IEC 60309 锁定式连接器经过加固——可用于传输电压和电流分别高达 1000V 和 800A 的工业电缆。所有 IEC 60309 锁定连接器都具有一定程度的入侵保护能力,标准配置可证明具有 IP44 防溅,IP67 防水或 IP66/67 防喷射、防水保护能力。

该标准还允许采用互锁插座:只有在与插头相配的情况下才允许连接器通电...且在切断电源前,无法拔出插头。以下颜色编码表示连接器的允许电压和频率范围。

  • 黄色表示 IEC 60309 电源连接器适用于在 50 Hz 或 60 Hz 下传输 100 V 至 130 V 电压。
  • 蓝色表示 IEC 60309 电源连接器适用于在 50 Hz 或 60 Hz 下承载 200 V 至 250 V 电压。
  • 红色表示 IEC 60309 电源连接器适用于在 50 Hz 或 60 Hz 条件下传输 380 V 至 480 V 电压...通常是三相配置。

图 5:这种采用红色编码的重型连接器满足 IEC 60309 标准要求,提供 380 V 至 480 V 电压。(图片来源:Wikimedia Commons

结论

重型连接器必须满足各种要求。连接器是否需要抵御冲击负载的挤压——或被拉开?是否需要防尘或防水的侵入防护?连接器需要耐受什么样的温度?重型连接器是否可以安装在具有易燃性问题的环境中?

针脚数量和每个针脚要承载的电压和电流也必须加以考虑——还有电缆进入的方向和电缆保护水平。在自动化机器上,如果电缆及其接头需要移动,必须提供合适的接头和电缆夹...且防扭装置也是审慎的做法。

对于相对较轻但在恶劣环境下工作的电气负载,M 系列连接器及其衍生产品通常是合适的选择。对于较高电力负载,矩形连接器可能是更好的解决方案...特别是这类连接器可以通过不同的电缆入口方向、安装选项和一般的模块化构件进行配置,以满足几乎任何复杂的要求。而且,对于单相或三相 AC 电源的简单电源连接,IEC 60309 锁定式工业连接器是主要的选择(如果不是唯一)。

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关于此作者

Jody Muelaner

Jody Muelaner 博士是一位工程师,他曾设计过锯木厂和医疗设备,解决过航空航天制造系统的不确定性,并创造了具有创新意义的激光仪器。他在许多同行评审期刊和政府总结中发表过文章,并为劳斯莱斯、国际工程师协会和空客撰写技术报告。目前,他负责一个开发电动自行车的项目,详见 betterbicycles.org。Muelaner 还介绍与脱碳技术有关的发展情况。

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