變頻器限流電阻旁路開關的選用探討

席志剛

（天水二一三電器有限公司，甘肅天水741001）

變頻器限流電阻旁路開關的選用探討

席志剛

（天水二一三電器有限公司，甘肅天水741001）

介紹了目前固態繼電器、交流接觸器、單極直流接觸器等變頻器的限流電阻保護用旁路開關的具體用法和選用習慣，討論解決了在使用單極直流接觸器時絕緣電壓選擇、接觸器并聯使用及額定工作電壓選擇等相關問題。

變頻器；限流電阻；旁路開關；旁路；接觸器

1 引言

電壓型調速用低壓變頻器（下文簡稱變頻器）作為自動控制必不可少的電器元件目前已在各個行業中大量使用，變頻器所用元器件的需求量也在大幅增加，這些元器件的選型也逐步趨向于多樣化。在變頻器的主回路中，整流橋、限流電阻、旁路開關、濾波電容器、IGBT等電力器件的選型都關系著變頻器安全運行的可靠性，器件選用受到變頻器設計人員的高度重視。本文重點探討旁路開關有關選用的問題。

2 旁路開關的用法

旁路開關在變頻器中的功能主要是保護限流電阻，其具體用法如圖1所示［1］。當變頻器起動時，旁路開關處于斷開狀態，電流經過限流電阻給濾波電容器充電，當濾波電容器達到預期的電壓時旁路開關閉合，電流經旁路開關繼續充電或者給負載供電。這樣可以避免限流電阻因長期電流通過而被燒毀和大量耗能。

圖1 旁路開關的用法

旁路開關選用較多的元件有固態繼電器、交流接觸器、單極直流接觸器等，對這些元件的控制方法略有不同。固態繼電器通過變頻器的主控板指令控制其輸入側，輸出側并聯在限流電阻的兩側，固態繼電器根據該指令實現開關功能。交流接觸器的主觸頭一般為三極，使用時將三極主觸頭并聯后接入限流電阻兩側；交流接觸器的控制線圈一般是在變頻器的進線側直接取電壓，也可以通過在變頻器的進線側加裝一個交流變壓器，然后從變壓器的輸出側取電壓。直流接觸器的主觸頭一般僅有一極，直接接入限流電阻兩側；單極直流接觸器的線圈一般有兩種控制方式，一種是通過一個開關電源給接觸器線圈供電，另一種是在變頻器的進線側通過變壓器變壓并經整流濾波后直接給接觸器線圈供電。

3 旁路開關的常見選用習慣

固態繼電器作為旁路開關盡管存在承受過載或過壓能力小的缺點，但在正常情況下其故障率較小，所以受到了變頻器設計者的青睞。但其大電流規格的產品價格昂貴，所以在37kW及以上的大功率變頻器中較少選用。在37kW以下的變頻器中，使用固態繼電器的綜合成本和使用接觸器的成本差不多，故一般選用固態繼電器。

表1 各類旁路開關的優缺點對比

交流接觸器曾經是大功率變頻器旁路開關的主要選用產品，在變頻器中曾被大量使用。隨著變頻器的普及，對降低變頻器成本和提高其穩定性的需求變得非常重要，人們對交流接觸器在變頻器中的使用問題越來越重視。具體問題包括：在37kW及以上的變頻器中使用交流接觸器時其綜合成本比使用單極直流接觸器時相對要高；由于交流接觸器的防塵效果相對有限，這使得選用交流接觸器的變頻器在面粉廠、水泥廠、印染廠等環境較為惡劣的場合的故障率較高，主要問題為污染物粘在觸點上會使交流接觸器的觸點電阻增加甚至不導通，粘在電磁鐵的極面上會導致線圈燒毀。所以，交流接觸器在變頻器中逐步被替代。目前使用交流接觸器的變頻器主要是早期所設計的機型，由于其更換工程量較大或等待機型淘汰等原因而沒有被替換。

單極直流接觸器因其密閉性好、價格低廉等優點而在變頻器中被廣泛使用，37kW及以上的變頻器主要選擇單極直流接觸器。

各類旁路開關都各有其優缺點，具體見表1。

4 使用單極直流接觸器時應注意的事項

4.1 絕緣電壓的選擇

常用變頻器的輸入電壓一般為交流380V或660V等級，輸入電壓經整流后其直流側的電壓為537V或933V左右。單極直流接觸器在變頻器的直流側工作，因此單極直流接觸器工作時主觸頭上承受著537V或933V左右的電壓。為了單極直流接觸器不被系統中可能產生的過電壓擊穿而引起事故，在單極直流接觸器選型時需要選擇額定絕緣電壓在直流660V或者1000V及以上的產品。

4.2 單極直流接觸器并聯使用

對于大功率變頻器，市場上可供選擇的大安培單極直流接觸器的品種相對較少。受安裝尺寸限制、采購標準化需求、價格及使用偏好等方面因素影響，設計者常會將兩臺甚至四臺單極直流接觸器并聯使用。由于接觸器制造過程中存在一定的差異，其主要表現在觸點的接觸面積存在微小的差別，觸頭的彈簧力和各種行程不同，故每臺接觸器閉合的時間有差異（觸頭的同步性不同）。另外，接觸器在使用后觸點表面被電弧灼傷的程度和形式也有差別，這些情形都會導致每臺接觸器的接觸電阻不同。當接觸器的主觸頭被并聯起來時，每臺產品上通過的電流并不是總電流的等分，而是略有不同。因此，在變頻器設計時需要充分考慮這些因素，根據經驗，單極直流接觸器并聯使用時的選型規則見表2。

表2 單極直流接觸器并聯使用時的選型規則

4.3 變頻器直流側電壓和接觸器額定工作電壓

單極直流接觸器主觸頭的額定工作電壓一般為直流48V，其在電壓為48V、電流為額定電流的電路中能夠帶載分斷，但是無法對537V或者933V左右的電路進行帶載分斷，而變頻器直流側的電壓是537V或者933V左右。哪為何要選用額定工作電壓為48V的單極直流接觸器而不選用能夠分斷直流537V或者933V以上電弧的接觸器呢？首先，能夠分斷537V及以上電弧的接觸器的滅弧裝置非常復雜，接觸器價格也非常昂貴，變頻器的成本無法接受。其次，接觸器在變頻器中的工作過程：開機流程為開機→濾波電容預充電→接觸器閉合→變頻器待機→濾波電容充電→起動電動機，關機流程為停止電動機→接觸器斷開→停機，從這一過程可以看出，接觸器閉合時通過的電流為濾波電容的充電電流，接觸器斷開時基本沒有電流，在接觸器的正常閉合和斷開過程中電動機都處于停機狀態。因此，直流額定工作電壓48V的單極直流接觸器可以在變頻器中正常工作。關于這點，在變頻器設計時必須從時序上進行控制，以保證接觸器在閉合或分斷時電動機處于停機狀態，否則接觸器的觸頭會因電弧而燒毀。

5 結束語

盡管旁路開關目前的選用趨勢是小功率變頻器選用固態繼電器為主，大功率變頻器選用單極直流接觸器為主，但設計者也在不斷探索其他更低廉、更可靠的開關元件的選用。

旁路開關用單極直流接觸器目前的發展趨勢是產品體積小型化，且產品具有防塵功能，線圈起動和保持時其功率都比較小等。

Research on selection of bypass switch for current-limit resistor of inverter

XI Zhi-gang
（Tianshui 213 Electrical Apparatus Co.，Ltd.，Tianshui 741001，China）

The usages and the selection trend of the bypass switches for the current-limit resistors of the solidstate relays，AC contactors and single-polar DC contactors of the inverters are presented.The three problems and the relevant solutions on the insulation voltage，the parallel connection and the rated working voltage for the single-polar DC contactors using are also given.

inverter；current-limit resistor；bypass switch；bypass circuit；contactor

TM761

A

1005—7277（2016）03—0051—03

席志剛（1973-），男，工程師，主要研究方向為交、直流接觸器的設計、研究與應用。

2016-05-04

［1］吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，1995.