變頻器限流電阻旁路開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(tài)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(hù)用旁路開(kāi)關(guān)的具體用法和選用習(xí)慣，討論解決了在使用單極直流接觸器時(shí)絕緣電壓選擇、接觸器并聯(lián)使用及額定工作電壓選擇等相關(guān)問(wèn)題。

變頻器；限流電阻；旁路開(kāi)關(guān)；旁路；接觸器

1 引言

電壓型調(diào)速用低壓變頻器（下文簡(jiǎn)稱變頻器）作為自動(dòng)控制必不可少的電器元件目前已在各個(gè)行業(yè)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(kāi)關(guān)、濾波電容器、IGBT等電力器件的選型都關(guān)系著變頻器安全運(yùn)行的可靠性，器件選用受到變頻器設(shè)計(jì)人員的高度重視。本文重點(diǎn)探討旁路開(kāi)關(guān)有關(guān)選用的問(wèn)題。

2 旁路開(kāi)關(guān)的用法

旁路開(kāi)關(guān)在變頻器中的功能主要是保護(hù)限流電阻，其具體用法如圖1所示［1］。當(dāng)變頻器起動(dòng)時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，電流經(jīng)過(guò)限流電阻給濾波電容器充電，當(dāng)濾波電容器達(dá)到預(yù)期的電壓時(shí)旁路開(kāi)關(guān)閉合，電流經(jīng)旁路開(kāi)關(guān)繼續(xù)充電或者給負(fù)載供電。這樣可以避免限流電阻因長(zhǎng)期電流通過(guò)而被燒毀和大量耗能。

圖1 旁路開(kāi)關(guān)的用法

旁路開(kāi)關(guān)選用較多的元件有固態(tài)繼電器、交流接觸器、單極直流接觸器等，對(duì)這些元件的控制方法略有不同。固態(tài)繼電器通過(guò)變頻器的主控板指令控制其輸入側(cè)，輸出側(cè)并聯(lián)在限流電阻的兩側(cè)，固態(tài)繼電器根據(jù)該指令實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。交流接觸器的主觸頭一般為三極，使用時(shí)將三極主觸頭并聯(lián)后接入限流電阻兩側(cè)；交流接觸器的控制線圈一般是在變頻器的進(jìn)線側(cè)直接取電壓，也可以通過(guò)在變頻器的進(jìn)線側(cè)加裝一個(gè)交流變壓器，然后從變壓器的輸出側(cè)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(cè)；單極直流接觸器的線圈一般有兩種控制方式，一種是通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源給接觸器線圈供電，另一種是在變頻器的進(jìn)線側(cè)通過(guò)變壓器變壓并經(jīng)整流濾波后直接給接觸器線圈供電。

3 旁路開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)選用習(xí)慣

固態(tài)繼電器作為旁路開(kāi)關(guān)盡管存在承受過(guò)載或過(guò)壓能力小的缺點(diǎn)，但在正常情況下其故障率較小，所以受到了變頻器設(shè)計(jì)者的青睞。但其大電流規(guī)格的產(chǎn)品價(jià)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(tài)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(tài)繼電器。

表1 各類旁路開(kāi)關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

交流接觸器曾經(jīng)是大功率變頻器旁路開(kāi)關(guān)的主要選用產(chǎn)品，在變頻器中曾被大量使用。隨著變頻器的普及，對(duì)降低變頻器成本和提高其穩(wěn)定性的需求變得非常重要，人們對(duì)交流接觸器在變頻器中的使用問(wèn)題越來(lái)越重視。具體問(wèn)題包括：在37kW及以上的變頻器中使用交流接觸器時(shí)其綜合成本比使用單極直流接觸器時(shí)相對(duì)要高；由于交流接觸器的防塵效果相對(duì)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(huán)境較為惡劣的場(chǎng)合的故障率較高，主要問(wèn)題為污染物粘在觸點(diǎn)上會(huì)使交流接觸器的觸點(diǎn)電阻增加甚至不導(dǎo)通，粘在電磁鐵的極面上會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)的機(jī)型，由于其更換工程量較大或等待機(jī)型淘汰等原因而沒(méi)有被替換。

單極直流接觸器因其密閉性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)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(kāi)關(guān)都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體見(jiàn)表1。

4 使用單極直流接觸器時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

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(jí)，輸入電壓經(jīng)整流后其直流側(cè)的電壓為537V或933V左右。單極直流接觸器在變頻器的直流側(cè)工作，因此單極直流接觸器工作時(shí)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(tǒng)中可能產(chǎn)生的過(guò)電壓擊穿而引起事故，在單極直流接觸器選型時(shí)需要選擇額定絕緣電壓在直流660V或者1000V及以上的產(chǎn)品。

4.2 單極直流接觸器并聯(lián)使用

對(duì)于大功率變頻器，市場(chǎng)上可供選擇的大安培單極直流接觸器的品種相對(duì)較少。受安裝尺寸限制、采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化需求、價(jià)格及使用偏好等方面因素影響，設(shè)計(jì)者常會(huì)將兩臺(tái)甚至四臺(tái)單極直流接觸器并聯(lián)使用。由于接觸器制造過(guò)程中存在一定的差異，其主要表現(xiàn)在觸點(diǎn)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(tái)接觸器閉合的時(shí)間有差異（觸頭的同步性不同）。另外，接觸器在使用后觸點(diǎn)表面被電弧灼傷的程度和形式也有差別，這些情形都會(huì)導(dǎo)致每臺(tái)接觸器的接觸電阻不同。當(dāng)接觸器的主觸頭被并聯(lián)起來(lái)時(shí)，每臺(tái)產(chǎn)品上通過(guò)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(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮這些因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單極直流接觸器并聯(lián)使用時(shí)的選型規(guī)則見(jiàn)表2。

表2 單極直流接觸器并聯(lián)使用時(shí)的選型規(guī)則

4.3 變頻器直流側(cè)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?jǐn)?，但是無(wú)法對(duì)537V或者933V左右的電路進(jìn)行帶載分?jǐn)?，而變頻器直流側(cè)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?jǐn)嘀绷?37V或者933V以上電弧的接觸器呢？首先，能夠分?jǐn)?37V及以上電弧的接觸器的滅弧裝置非常復(fù)雜，接觸器價(jià)格也非常昂貴，變頻器的成本無(wú)法接受。其次，接觸器在變頻器中的工作過(guò)程：開(kāi)機(jī)流程為開(kāi)機(jī)→濾波電容預(yù)充電→接觸器閉合→變頻器待機(jī)→濾波電容充電→起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，關(guān)機(jī)流程為停止電動(dòng)機(jī)→接觸器斷開(kāi)→停機(jī)，從這一過(guò)程可以看出，接觸器閉合時(shí)通過(guò)的電流為濾波電容的充電電流，接觸器斷開(kāi)時(shí)基本沒(méi)有電流，在接觸器的正常閉合和斷開(kāi)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)都處于停機(jī)狀態(tài)。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(guān)于這點(diǎn)，在變頻器設(shè)計(jì)時(shí)必須從時(shí)序上進(jìn)行控制，以保證接觸器在閉合或分?jǐn)鄷r(shí)電動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，否則接觸器的觸頭會(huì)因電弧而燒毀。

5 結(jié)束語(yǔ)

盡管旁路開(kāi)關(guān)目前的選用趨勢(shì)是小功率變頻器選用固態(tài)繼電器為主，大功率變頻器選用單極直流接觸器為主，但設(shè)計(jì)者也在不斷探索其他更低廉、更可靠的開(kāi)關(guān)元件的選用。

旁路開(kāi)關(guān)用單極直流接觸器目前的發(fā)展趨勢(shì)是產(chǎn)品體積小型化，且產(chǎn)品具有防塵功能，線圈起動(dòng)和保持時(shí)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?yàn)榻弧⒅绷鹘佑|器的設(shè)計(jì)、研究與應(yīng)用。

2016-05-04

［1］吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.