非工频控制电路的可靠性——以3TF42系列接触器为例

低压电器一般是按50/60Hz工频交流控制要求设计的器件，如用于调频变速、直流等非工频电路的控制，其额定工作电流、通断能力、保护特性等均将受到影响，电气设计时必须考虑这些影响，并正确选择器件，以确保系统可靠工作。

1.额定工作电流

交流电通过导体时将产生“趋肤效应”，使运动电荷集中于导体的表层，频率越高，趋肤现象越严重。趋肤效应将使得导体的有效导电截面减小，实验表明，当频率为1kHz时，导体的有效导电截面只有实际截面的60%左右，当频率到达10kHz时，导体的有效导电截面将减少至实际截面的20%左右。

导体有效导电截面的减小，相当于增加了线路阻抗，因此，在同样的温升条件下，导体的额定工作电流将减小。此外，频率的增加还会给导体附近的铁磁材料带来“磁滞损耗”和“涡流损耗”，使器件操作机构、紧固件产生发热，从而加剧器件温升。因此，当低压电器用于50/60Hz以上高频电路控制时，需要根据实际电流频率，增加导线截面、降低器件的额定工作电流。

如仅从温升的角度看，当电流频率小于50Hz时，导体的趋肤效应、磁滞损耗、涡流损耗将减小，额定工作电流至少可达到工频50Hz相同的值。但是，由于低频工作对器件的通断能力影响很大（见下述），因此，同样需要调整器件的额定电流。

常用的低压电器用于非工频电路时，其额定电流的调整方法如下。

（1）接触器

当频率超过50Hz时，随着频率的增加，温升加剧，接触器的额定工作电流将减小。作为参考，根据SIEMENS公司提供的数据，当接触器用于电流频率为f（Hz）的高频交流电路控制时，其额定工作电流I_e′可按下式进行修整，式中的I_e′为50Hz工作时的接触器额定电流值。

由于接触器的内部结构相对统一，因此，以上数据同样适用于其他公司生产的产品。对于典型的频率，接触器额定电流的调整值见表3.1-6。

表3.1-6 典型频率下的接触器额定电流值

（2）断路器

断路器的结构和接触器有所不同，由于内部无电磁操作线圈，趋肤效应、磁滞损耗、涡流损耗影响较小，因此，对于频率50～100Hz的线路，电流频率对额定电流的影响几乎可忽略；但是，当频率大于100Hz时，需要降低额定工作电流。

由于断路器的结构区别较大，额定电流随频率变化的关系很难用统一的计算式估算，因此，实际使用时一般也可参照表3.1-6，修整额定工作电流值。

2.通断能力

（1）高频控制

交流开关电器一般采用电流过零的灭弧方式，因此，就开关电器本身而言，用于频率50～500Hz的线路控制时，其通断能力基本不受影响。

但是，当断路器、接触器用于变频电动机控制时，随着电流频率的增加，电动机的起动电流将显著增大、功率因数亦将下降。在极端情况下，200Hz的起动电流将达到额定电流的15倍、400Hz时则可能达到额定电流的20倍，而功率因数可低至0.25。因此，有必要对器件的额定电流进行修整，以保证其高频通断能力。

作为建议，用于变频电动机控制的开关电器，其通断能力可用两种方法修整：一是对实际使用类别为AC-3的变频电动机，按使用类别AC-4的要求，来选择其额定电流；二是按表3.1-6中的400Hz工作要求，降低额定工作电流、保证通断能力。

例如，SIEMENS公司生产的3TF42系列接触器，对于使用类别AC-3，其AC380V的额定电流为16A、接通能力为160A（10I_e）。如按使用类别AC-4、AC380V/7.7A的要求选用，其接通能力（160A）相当于额定电流（7.7A）的20.7倍，可满足极端情况下的变频电动机起动要求。如根据表3.1-6，按400Hz工作时的0.81I_e（13.0A）选用，其接通能力（160A）相当于额定电流（13.0A）的12.3倍，可满足多数使用类别为AC-3的变频电动机起动要求。

（2）低频控制

采用电流过零灭弧方式的交流开关电器，其灭弧效果将随电流频率的降低而变差，器件的通断能力将下降。

直流电路是低频的极端情况，因此，对于低频控制的开关电器，可选择两种方法进行处理：一是按后述本章后述的方法，进行主触点的串并联处理；二是按使用类别DC-1、DC110V的要求，确定器件的额定电流。

主触点的串并联处理也可用于单相或直流电路。一般而言，多极开关电器通过2或3极主触点的并联，可分别将额定工作电流提高至1.8I_e或2.5I_e。如采用2或3极主触点串联连接，则分别可使器件的DC110V或DC220V额定工作电流（使用类别DC-1），提高到和使用类别AC-1/AC380V同样的值。

例如，使用类别为AC-3、额定电流为AC380V/16A的3TF42系列接触器，用于使用类别DC-1直流控制时，如2极主触点串联使用，其DC110V的额定工作电流将从4.5A提高到30A；如3极主触点串联使用，其DC220V的额定工作电流将从1A提高到30A；故可满足绝大多数低频交流电路的通断能力要求。

但在需要3极通断的低频电路上，一般不建议用主触点串并联的方式提高通断能力，此时，可按照使用类别DC-1/DC110V的要求，降低额定电流后使用。例如，上述3TF42系列接触器，按DC-1/DC110V要求，用于额定工作电流4.5A以下的电路控制，同样也可保证大多数低频交流电路的通断能力要求。

3.过载保护性能(www.xing528.com)

断路器、热继电器、熔断器等器件用于非工频电路过载保护时，根据器件不同的结构，其性能有所区别。

①熔断器及脱扣线圈串联式断路器、热继电器。熔断器和过载脱扣线圈直接串接于主回路的机械式热延时过载保护器件，由于熔体和双金属片的加热时间取决于电流的有效值，因此，其过载保护性能几乎不受电流频率的影响，甚至也可用于直流。但是，如果线路的电流频率高于500Hz，由于趋肤效应、磁滞损耗、涡流损耗的影响，器件发热将加快，热延时动作的时间有所缩短。

②互感器耦合型。采用电流互感器、通过二次侧感应电流加热双金属片的断路器和热继电器，互感器的二次侧感应电动势E₂和感应电流I₂的有效值分别为

式中 f——电流频率（Hz）；

W₂——二次线圈匝数；

Φ_m——磁通量（Wb）；

L——二次线圈电感（H）；

r₂——二次线圈电阻（Ω）。

由于互感器二次线圈的电阻r₂通常较小，因此，对于50～400Hz的高频电路控制，感应电流，可基本保持不变，故对过载保护性能的影响可忽略。但是，如果电流频率超过500Hz，同样会因为趋肤效应、磁滞损耗、涡流损耗的影响，使得器件发热将加快，热延时动作的时间有所缩短。

对于低频电路控制，随着电流频率的降低，二次侧电阻r₂的影响将加大，感应电流I₂将变小，直流时则为0。因此，采用电流互感器的断路器和热继电器，一般不能用于低频电路的过载保护。

电子式过载保护继电器同样采用的是电流互感器耦合，因此，它也不能用于直流或低频电路的控制。

4.短路保护性能

在使用熔断器作为短路保护器件的电路上，熔体的加热时间仅取决于电流的有效值，其短路保护性能不受电流频率的影响，且可用于直流。

使用断路器作为短路保护器件时，其短路保护通过电磁式瞬时过电流脱扣器实现。从原理上说，瞬时过电流脱扣器是一种依靠电磁吸力动作的机电机构，因此，其保护动作决定于脱扣线圈的电磁吸力。

根据电磁力计算公式和电磁感应定律，交流电磁线圈的电磁吸力计算式为

式中 F——电磁吸力（N）；

μ0——真空（空气）磁导率（H/m），μ₀=4π×10^-7H/m；

S——磁极面积（m²）；

Φ_m——磁通量（Wb），Wϕ_m=LI；

W——线圈匝数；

L——线圈电感（H）；

I——线圈电流（A）。

由此可见，对于磁极面积不变、电感量一定的脱扣线圈，其电磁吸力与电流的二次方成正比。当线路电压不变时，随着频率的增加，线圈的感抗将增加、电流减小，电磁吸力也将随之减小；或者说，为了使短路脱扣正常动作，其动作电流值将增大。

因此，可以这么认为：带电磁式瞬时过电流脱扣的断路器，可用于50Hz以下的低频电路，且随着频率的降低，其保护动作电流将下降；而对于50Hz以上的高频线路，如要求的短路保护动作电流值不变，则需要选配较小规格的断路器。然而，由于断路器的结构各异，以上变化很难用统一的公式计算。