根據能量選型充電電阻的研究

謝偉彬

（南京兆能電氣有限公司）

0 引言

建材工業(yè)作為高能耗工業(yè)，有很多SVG和大功率變頻器的應用，既改善了電網質量，還能節(jié)能降耗。這些系統(tǒng)啟動時，經常出現(xiàn)因充電電阻燒掉啟動不了的現(xiàn)象，充電電阻價值不高，造成停產損失就大多了。

1 充電電阻選型分析

系統(tǒng)啟動通電時，前端電容容量非常大，充電瞬間電流相當于短路，電流會很大，對整流橋、電容等造成較大的沖擊，甚至導致整流橋炸掉。加了充電電阻，沖擊能量先加在電阻上，通過電阻限流起到保護。啟動完成后，控制電路通過繼電器的觸點或晶閘管將充電電阻短路，完成啟動過程。如果系統(tǒng)交流輸入電源頻繁通斷，或者旁路接觸器的觸點接觸不良或晶閘管的導通阻值變大，反復充電或充電時間過長都會導致充電電阻燒壞。充電電阻串接在充電回路中，起通電瞬間限流作用，以保護整流器等回路器件的作用，也叫預充電阻、緩沖電阻、啟動電阻或阻尼電阻，一旦失效系統(tǒng)就無法正常啟動。

圖1 某變頻器線路圖

傳統(tǒng)充電電阻選型一般是線繞電阻、波紋電阻或玻璃釉電阻，在高壓大功率系統(tǒng)上，瞬間功率可能達到數百KW，常規(guī)設計選擇只能憑經驗和試驗選擇并聯(lián)電阻只數，不夠就再增加，直到可以正常啟動。碰到不同廠家不同工藝水平的電阻所需只數不一樣，實際使用過程中，充電電阻仍時有斷路失效甚至電阻炸裂現(xiàn)象，造成整個系統(tǒng)無法正常啟動。

圖2 充電電阻－線繞電阻

某變頻器啟動過程中電壓、電流和功率如圖3所示。

圖3 某變頻器啟動波形

功率在短時間內衰減到一個較低的值，從圖3中可見初始峰值功率極大，但時間很短。如果按峰值功率選電阻，顯然不合理，雖然這樣很可靠，但會是個很巨大的電阻，工作不到1s就切換出來，體積大、成本高。

2 充電電阻選型

無論線繞電阻、波紋電阻或玻璃釉電阻都是把電阻材料涂繞在絕緣瓷管上，電阻通入一定功率，電阻材料吸收電能發(fā)熱，熱量傳導到絕緣瓷管等載體，最后通過載體把熱量散發(fā)出去，在上限溫度時這一過程達到熱平衡時的功率就是電阻的標稱功率。

根據《GBT 5732-85電子設備用固定電阻器 第四部分：分規(guī)范：功率型固定電阻器》，對功率電阻過載能力要求是10倍額定功率持續(xù)時間5秒。在變頻器啟動時，瞬間功率遠高于選型電阻的10倍額定功率，甚至于是數百倍。線繞和膜類電阻會因瞬間能量過大而燒毀。

作為線繞和膜類電阻載體的瓷管，在啟動時的大功率沖擊過程中是不起作用，上百千焦的能量加在很小質量的電阻材料上，能否抗住要看電阻材料的熱容量。充電電阻根據穩(wěn)態(tài)的功率選型，不能準確衡量電阻耐受沖擊能力，大幅超額過載對電阻是破壞性的，出現(xiàn)失效在所難免。

電阻功率是電阻工作時單位時間消散掉的能量，啟動過程多是ms級的暫態(tài)沖擊，散熱可以忽略不計，以功率選型就沒有依據，準確的方式是用能量選型。

啟動過程中充電電阻所吸收的能量按電容能量計算，可以用下面公式計算：

式中：

Q——啟動沖擊能量；

C——電容容量；

U——啟動完成時電容電壓。

如某高壓變頻器10kV，充電到6600V切出電阻，前端電容3300μF，根據式⑴可算得啟動能量為：

500W線繞電阻（Φ50×330mm），按標準10倍功率5s，算成能量是25KJ。吸收71874J能量要2.87只，低于這個數量，電阻絲就有熔斷的可能。電阻過載國家標準并未要求次數，每次啟動對電阻體都會有損傷，損傷累積最終燒斷。

電阻承受瞬時過載的能力和電阻的類型有關，按照電阻材料的構成方式可分為：薄膜電阻、厚膜電阻、實心電阻、線繞電阻等，具體如表1所示。

表1 不同類型和材料電阻的特點

實心電阻的過載能力是最強的，其次是線繞電阻，再其次是厚膜電阻，薄膜電阻的過載能力最差。充電電阻最佳選擇是實心電阻。

電阻材料的熱容：

式中：

Q——電阻材料熱容量J；

c——電阻材料比熱J/g·℃；

m——電阻材料質量g；

Δt——溫升℃。

某環(huán)形實心陶瓷電阻，熱容2J/℃·㎝3，上限溫度150℃，直徑50mm，內孔20mm，厚度25mm，按式⑵計算：

吸收71874J能量需要7片，壓裝后尺寸約300mm×50mm×130mm，外形如圖4所示。

圖4 某實心陶瓷電阻外形圖

從上面的計算可見，一只實心電阻能承受三只體積相近的線繞電阻能量，100多度的溫升對電阻無法形成損傷。即使頻繁啟動，作為上千度燒制的陶瓷體，也不會出現(xiàn)熔斷失效的現(xiàn)象。

變頻器、SVG、開關電源等系統(tǒng)的充電電阻都是短時間大功率，使用實心電阻，更科學，更可靠，體積更小。

3 結論

瞬時大功率線路的充電電阻，以穩(wěn)態(tài)功率選電阻，忽略了暫態(tài)下的時間因素，無法精確可靠地選型電阻；以能量的概念，將功率和時間結合，充分利用實心電阻的高過載能力，量化選型充電電阻，既提高了系統(tǒng)的可靠性，還能實現(xiàn)小型化。