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(yīng)用，既改善了電網(wǎng)質(zhì)量，還能節(jié)能降耗。這些系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)因充電電阻燒掉啟動(dòng)不了的現(xiàn)象，充電電阻價(jià)值不高，造成停產(chǎn)損失就大多了。

1 充電電阻選型分析

系統(tǒng)啟動(dòng)通電時(shí)，前端電容容量非常大，充電瞬間電流相當(dāng)于短路，電流會(huì)很大，對(duì)整流橋、電容等造成較大的沖擊，甚至導(dǎo)致整流橋炸掉。加了充電電阻，沖擊能量先加在電阻上，通過(guò)電阻限流起到保護(hù)。啟動(dòng)完成后，控制電路通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)或晶閘管將充電電阻短路，完成啟動(dòng)過(guò)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(diǎn)接觸不良或晶閘管的導(dǎo)通阻值變大，反復(fù)充電或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)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(hù)整流器等回路器件的作用，也叫預(yù)充電阻、緩沖電阻、啟動(dòng)電阻或阻尼電阻，一旦失效系統(tǒng)就無(wú)法正常啟動(dòng)。

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(dá)到數(shù)百KW，常規(guī)設(shè)計(jì)選擇只能憑經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)選擇并聯(lián)電阻只數(shù)，不夠就再增加，直到可以正常啟動(dòng)。碰到不同廠家不同工藝水平的電阻所需只數(shù)不一樣，實(shí)際使用過(guò)程中，充電電阻仍時(shí)有斷路失效甚至電阻炸裂現(xiàn)象，造成整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常啟動(dòng)。

圖2 充電電阻－線繞電阻

某變頻器啟動(dòng)過(guò)程中電壓、電流和功率如圖3所示。

圖3 某變頻器啟動(dòng)波形

功率在短時(shí)間內(nèi)衰減到一個(gè)較低的值，從圖3中可見(jiàn)初始峰值功率極大，但時(shí)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(huì)是個(gè)很巨大的電阻，工作不到1s就切換出來(lái)，體積大、成本高。

2 充電電阻選型

無(wú)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(dǎo)到絕緣瓷管等載體，最后通過(guò)載體把熱量散發(fā)出去，在上限溫度時(shí)這一過(guò)程達(dá)到熱平衡時(shí)的功率就是電阻的標(biāo)稱功率。

根據(jù)《GBT 5732-85電子設(shè)備用固定電阻器 第四部分：分規(guī)范：功率型固定電阻器》，對(duì)功率電阻過(guò)載能力要求是10倍額定功率持續(xù)時(shí)間5秒。在變頻器啟動(dòng)時(shí)，瞬間功率遠(yuǎn)高于選型電阻的10倍額定功率，甚至于是數(shù)百倍。線繞和膜類電阻會(huì)因瞬間能量過(guò)大而燒毀。

作為線繞和膜類電阻載體的瓷管，在啟動(dòng)時(shí)的大功率沖擊過(guò)程中是不起作用，上百千焦的能量加在很小質(zhì)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(jù)穩(wěn)態(tài)的功率選型，不能準(zhǔn)確衡量電阻耐受沖擊能力，大幅超額過(guò)載對(duì)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(shí)單位時(shí)間消散掉的能量，啟動(dòng)過(guò)程多是ms級(jí)的暫態(tài)沖擊，散熱可以忽略不計(jì)，以功率選型就沒(méi)有依據(jù)，準(zhǔn)確的方式是用能量選型。

啟動(dòng)過(guò)程中充電電阻所吸收的能量按電容能量計(jì)算，可以用下面公式計(jì)算：

式中：

Q——啟動(dòng)沖擊能量；

C——電容容量；

U——啟動(dòng)完成時(shí)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(jù)式⑴可算得啟動(dòng)能量為：

500W線繞電阻（Φ50×330mm），按標(biāo)準(zhǔn)10倍功率5s，算成能量是25KJ。吸收71874J能量要2.87只，低于這個(gè)數(shù)量，電阻絲就有熔斷的可能。電阻過(guò)載國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并未要求次數(shù)，每次啟動(dòng)對(duì)電阻體都會(huì)有損傷，損傷累積最終燒斷。

電阻承受瞬時(shí)過(guò)載的能力和電阻的類型有關(guān)，按照電阻材料的構(gòu)成方式可分為：薄膜電阻、厚膜電阻、實(shí)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(diǎn)

實(shí)心電阻的過(guò)載能力是最強(qiáng)的，其次是線繞電阻，再其次是厚膜電阻，薄膜電阻的過(guò)載能力最差。充電電阻最佳選擇是實(shí)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(zhì)量g；

Δt——溫升℃。

某環(huán)形實(shí)心陶瓷電阻，熱容2J/℃·㎝3，上限溫度150℃，直徑50mm，內(nèi)孔20mm，厚度25mm，按式⑵計(jì)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(shí)心陶瓷電阻外形圖

從上面的計(jì)算可見(jiàn)，一只實(shí)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(duì)電阻無(wú)法形成損傷。即使頻繁啟動(dòng)，作為上千度燒制的陶瓷體，也不會(huì)出現(xiàn)熔斷失效的現(xiàn)象。

變頻器、SVG、開(kāi)關(guān)電源等系統(tǒng)的充電電阻都是短時(shí)間大功率，使用實(shí)心電阻，更科學(xué)，更可靠，體積更小。

3 結(jié)論

瞬時(shí)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(shí)間因素，無(wú)法精確可靠地選型電阻；以能量的概念，將功率和時(shí)間結(jié)合，充分利用實(shí)心電阻的高過(guò)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(shí)現(xiàn)小型化。