根据能量选型充电电阻的研究

谢伟彬

（南京兆能电气有限公司）

0 引言

建材工业作为高能耗工业，有很多SVG和大功率变频器的应用，既改善了电网质量，还能节能降耗。这些系统启动时，经常出现因充电电阻烧掉启动不了的现象，充电电阻价值不高，造成停产损失就大多了。

1 充电电阻选型分析

系统启动通电时，前端电容容量非常大，充电瞬间电流相当于短路，电流会很大，对整流桥、电容等造成较大的冲击，甚至导致整流桥炸掉。加了充电电阻，冲击能量先加在电阻上，通过电阻限流起到保护。启动完成后，控制电路通过继电器的触点或晶闸管将充电电阻短路，完成启动过程。如果系统交流输入电源频繁通断，或者旁路接触器的触点接触不良或晶闸管的导通阻值变大，反复充电或充电时间过长都会导致充电电阻烧坏。充电电阻串接在充电回路中，起通电瞬间限流作用，以保护整流器等回路器件的作用，也叫预充电阻、缓冲电阻、启动电阻或阻尼电阻，一旦失效系统就无法正常启动。

图1 某变频器线路图

传统充电电阻选型一般是线绕电阻、波纹电阻或玻璃釉电阻，在高压大功率系统上，瞬间功率可能达到数百KW，常规设计选择只能凭经验和试验选择并联电阻只数，不够就再增加，直到可以正常启动。碰到不同厂家不同工艺水平的电阻所需只数不一样，实际使用过程中，充电电阻仍时有断路失效甚至电阻炸裂现象，造成整个系统无法正常启动。

图2 充电电阻－线绕电阻

某变频器启动过程中电压、电流和功率如图3所示。

图3 某变频器启动波形

功率在短时间内衰减到一个较低的值，从图3中可见初始峰值功率极大，但时间很短。如果按峰值功率选电阻，显然不合理，虽然这样很可靠，但会是个很巨大的电阻，工作不到1s就切换出来，体积大、成本高。

2 充电电阻选型

无论线绕电阻、波纹电阻或玻璃釉电阻都是把电阻材料涂绕在绝缘瓷管上，电阻通入一定功率，电阻材料吸收电能发热，热量传导到绝缘瓷管等载体，最后通过载体把热量散发出去，在上限温度时这一过程达到热平衡时的功率就是电阻的标称功率。

根据《GBT 5732-85电子设备用固定电阻器 第四部分：分规范：功率型固定电阻器》，对功率电阻过载能力要求是10倍额定功率持续时间5秒。在变频器启动时，瞬间功率远高于选型电阻的10倍额定功率，甚至于是数百倍。线绕和膜类电阻会因瞬间能量过大而烧毁。

作为线绕和膜类电阻载体的瓷管，在启动时的大功率冲击过程中是不起作用，上百千焦的能量加在很小质量的电阻材料上，能否抗住要看电阻材料的热容量。充电电阻根据稳态的功率选型，不能准确衡量电阻耐受冲击能力，大幅超额过载对电阻是破坏性的，出现失效在所难免。

电阻功率是电阻工作时单位时间消散掉的能量，启动过程多是ms级的暂态冲击，散热可以忽略不计，以功率选型就没有依据，准确的方式是用能量选型。

启动过程中充电电阻所吸收的能量按电容能量计算，可以用下面公式计算：

式中：

Q——启动冲击能量；

C——电容容量；

U——启动完成时电容电压。

如某高压变频器10kV，充电到6600V切出电阻，前端电容3300μF，根据式⑴可算得启动能量为：

500W线绕电阻（Φ50×330mm），按标准10倍功率5s，算成能量是25KJ。吸收71874J能量要2.87只，低于这个数量，电阻丝就有熔断的可能。电阻过载国家标准并未要求次数，每次启动对电阻体都会有损伤，损伤累积最终烧断。

电阻承受瞬时过载的能力和电阻的类型有关，按照电阻材料的构成方式可分为：薄膜电阻、厚膜电阻、实心电阻、线绕电阻等，具体如表1所示。

表1 不同类型和材料电阻的特点

实心电阻的过载能力是最强的，其次是线绕电阻，再其次是厚膜电阻，薄膜电阻的过载能力最差。充电电阻最佳选择是实心电阻。

电阻材料的热容：

式中：

Q——电阻材料热容量J；

c——电阻材料比热J/g·℃；

m——电阻材料质量g；

Δt——温升℃。

某环形实心陶瓷电阻，热容2J/℃·㎝3，上限温度150℃，直径50mm，内孔20mm，厚度25mm，按式⑵计算：

吸收71874J能量需要7片，压装后尺寸约300mm×50mm×130mm，外形如图4所示。

图4 某实心陶瓷电阻外形图

从上面的计算可见，一只实心电阻能承受三只体积相近的线绕电阻能量，100多度的温升对电阻无法形成损伤。即使频繁启动，作为上千度烧制的陶瓷体，也不会出现熔断失效的现象。

变频器、SVG、开关电源等系统的充电电阻都是短时间大功率，使用实心电阻，更科学，更可靠，体积更小。

3 结论

瞬时大功率线路的充电电阻，以稳态功率选电阻，忽略了暂态下的时间因素，无法精确可靠地选型电阻；以能量的概念，将功率和时间结合，充分利用实心电阻的高过载能力，量化选型充电电阻，既提高了系统的可靠性，还能实现小型化。