充电电阻验证测试方法

变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第1页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期1、充电电阻的作用变频器充电电阻的作用是用于抑制变频器上电时的冲击电流，达到保护变频器的目的。根据充电电阻放置在变频器内的位置可以分为交流侧充电电阻和直流侧充电电阻。常用作充电电阻的电阻器有水泥电阻（将电阻丝线绕在无碱性耐热瓷件上，外面加上耐热、耐湿及耐腐蚀之材料保护固定并把绕线电阻体放入方形瓷器框内，用特殊不燃性耐热水泥充填密封而成）、铝壳电阻（用高阻合金线绕在绝缘骨架上,放在装有石英砂的铝合金或黄金铝壳内，表面具有散热沟槽，体积小功率大，耐高温，过载能力强)、PTC电阻（正温度系数热敏电阻，超过一定的温度时，电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高）等。2、充电电阻工作原理变频器上电时，由于直流侧储能电容容量非常大，在刚充电的瞬间对电源相当于短路，电流会很大，容易将前面的整流桥器件烧坏，因此，需要在整流桥和电解电容间加入充电电阻，以抑制大电流的冲击。变频器充电回路的简单过程：通过充电电阻对储能电容充电，当储能电容充电到一定值时，变频器的控制电路得电，从而使充电电阻旁路接触器的电源板得电，旁路接触器吸合，将充电电阻旁路，充电电阻不再工作，因此充电电阻在变频器工作过程中使用时间很短。变频器主电路拓扑如图1所示。RSTUVW制动直流电抗充电回路储能电容三相逆变整流继电器图1变频器主电路拓扑3、充电电阻损坏原因变频器充电电阻烧毁的可能原因：变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第2页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期（1）充电电阻自身原因由于充电电阻内部的电阻丝热容较小或充电电阻本身设计存在缺陷，如充电电阻内部没有骨架、电阻丝截面积太小、电阻丝粗细不均等，导致电阻丝在多次充放电后熔断烧毁。（2）选型原因由于变频器设计时，充电电阻的选型裕量较小，导致其耐冲击能力不够，从而在多次充放电后烧毁。（3）充电电阻旁路接触器的原因由于充电电阻旁路接触器闭合时存在问题，使得接触器触点接触不良，导通阻值变大，从而导致充电电阻长时间流过大电流而烧毁。（4）制动单元短路制动电阻因某种原因（或制动IGBT的CE间短路，或直接接在母线两端），引起母线电压跌落，充电继电器断开，引起充电电阻和制动电阻串联接入电网，充电电阻长时间过功率运行，温度逐渐升高而损坏。（5）外部接线错误导致充电电阻长时间通过大电流损坏。4、充电电阻选型因素充电电阻选型需要考虑的因素有：电阻丝热容、电阻耐压、电阻瞬时功率、电阻单次充电允许能量、I^2t值等。（1）电阻丝热容电阻丝热容是指某材质电阻丝单位质量升高（或降低）单位温度时，吸收（或放出）的热量。在变频器中，由于充电电阻瞬间产生比较大的热量，而且来不及向外部散热，几乎全部用于电阻丝升温，所以有可能烧坏电阻丝，因此，需要热容较大的电阻丝承受热冲击产生的温升。充电电阻的电阻丝一般选用热容较高的合金丝，如镍铬丝或铁铬铝丝等。（2）电阻耐压每一款电阻都有其耐压极限，充电电阻耐压值需要大于变频器母线电压值，并留有足够的余量。（3）电阻瞬时功率充电电阻的瞬时功率P=U^2/R，通常认为充电电阻可以工作在10倍额定功率的瞬时功率达5秒钟，根据这一规律可以用来验证充电电阻功率选型是否合适，但不能利用该瞬时功率来决定充电电阻的功率，此瞬时功率值仅可作为参考值，充电电阻的实际功率由制造商根据电阻丝的材质、截面积和长度决定。变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第3页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期（4）充电电阻单次允许能量单次充电电阻允许能量是指变频器单次向储能电容充电时产生的能量。充电电阻需要能够承受变频器单次向储能电容充电时产生的能量，电阻丝不会因此出现熔断烧坏现象，以致爆炸。充电电阻单次允许能量主要由电阻丝的热容和最高耐温决定，也和电阻体的快速散热能力有一定关系。在充电过程中，电阻消耗的能量等于储能电容所充的能量。2peak1E=CU2其中peakU为储能电容在充电时和在直流下短路时，电阻两端所产生的峰值电压，参考公式为peakU=1.12U，U为变频器输入的最大正常工作电压。（5）充电时间假设有电源Vu通过电阻R给电容C充电，V0为电容的初始电压值，Vu为电容充满电后电压值，Vt为任意时刻t时电容上的电压值，那么便可以得到如下的计算公式：t-t0uV=V+V-V1-e0（）其中τ=RC，如果电容的初始电压为0，则公式可以简化为：t-tuV=V1-e当t=τ=RC时，Vt=0.63Vu；当t=2τ=2RC时，Vt=0.86Vu；当t=3τ=3RC时，Vt=0.95Vu；当t=4τ=4RC时，Vt=0.98Vu；当t=5τ=5RC时，Vt=0.99Vu；所以可以认为，经过3~5个RC后，储能电容就基本充满。因此可以根据变频器允许的最大充电时间tmax，结合已选择的储能电容的容值，由公式（3~5）τ=（3~5）RC≤tmax，可以得出充电电阻的初步阻值。5、电阻丝的I^2t值变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第4页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期由于电阻丝热熔量值不方便计算，可通过电阻丝的I^2t值来进行等效衡量，电阻丝热熔量值和I^2t值等效推导过程详见下文。设电阻丝熔断温升值为ΔT，单位为℃，电阻在温度升高时产生的热量为E，单位为J，电阻丝的热熔值为C，单位为J/(kg·℃)，电阻内电阻丝的体积为V，单位为m³，电阻丝的密度为ρ，单位kg/m³。根据物质温升和热量的公式可得，Q=C*m*ΔT=C*ρ*V*ΔT（1）又，电阻丝的热量E=I^2*R*t，（2）其中I为流过电阻丝的电流值，单位为A；R为电阻丝的阻值，单位为Ω；t为电流流过的时间，单位为s；由（1）式和（2）式相等可得，2C**V*=I*R*t（3）由（3）式可得，2I*t=C**V*/R（4）此外，LR=A，其中R为电阻阻值，单位为Ω；电阻丝的密度为ρ，单位kg/m³，L为电阻丝的长度，单位为m，A为电阻丝的横截面积，单位为m²。所以（4）式可进一步解析为22C**A*L*TIt=C**V*T/R==C*A*TLA（5）由于电阻丝横截面积A由电阻丝的本身所决定，ΔT也由电阻丝的本身的物质特性所引发，所以电阻丝的热容量值C可以通过电阻丝的I^2*t值来间接表示。电阻制造商可以提供电阻丝本身的I^2t值。此外我们也可以根据变频器母线电容C，输入电压变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第5页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期U等计算所需要的电阻丝的I^2t值，从而比较这两个I^2t值，检验电阻制造商电阻丝的选型是否满足我们设计的要求。在充电电阻的脉冲试验中，充电电流的波形如图2所示，I/At/sτIp0图2充电电阻充电电流波形示意图由图2，有公式，22p1I*t=I*2（6）其中τ=R*C，R为充电电阻的阻值，单位为Ω；C为充放电电容，单位为F。将Ip=Up/R，τ=R*C，带入（6）式可得，22pp22pUU111I*t=I*=*R*C=*C22R2R（7）其中，Up为加在电阻两端最大直流电压值。可以根据公式（7）求得变频器选型充电电阻的I^2t值，此值应当小于等于电阻制造商给出的I^2t的值。同时也要小于整流模块的I^2t值。举例：目前厚声5W3ΩP的I^2t值制造商给出的是35.3A^2·s。公司11kW变频器电解电容1200uF，充电电阻为4*3Ω=12Ω，设变频器交流输入电压为460V，则直流母线电压为460*1.414=650V，则充电电阻实受I^2t值为1/2*650^2*1200*10e-6/12/4=5.28A^2·s35.3A^2·s。变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第6页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期未超出可承受的瞬时电流。6、充电电阻验证方法充电电阻选型后的验证方法：加大充电电阻的应力，即将储能电容放大为原来的2倍，输入电压为相应等级变频器的最高输入电压值，然后对充电电阻进行反复性充放电试验（脉冲试验）。试验原理图如图2所示，试验过程是控制接触器S1吸合S2断开5秒，通过充电电阻R1对储能电容进行充电；然后S1断开S2吸合300秒，通过放电电阻R2对储能电容进行放电，如此5分钟一个循环，至少要对充电电阻连续充放电500次。例：400V级45kW风机水泵专用变频器，其储能电容（电解电容）为4700μF，耐压800V，将电容放大两倍，即9400μF，输入电压为460V，然后图3所示原理图接线，通过程序控制S1，S2断开和闭合对充电电阻进行连续充放电500次，验证选型充电电阻性能的优劣。L1R1充电电阻R2整流桥S1S2C1三相交流输入460V控制图3充电电阻选型验证方法原理图7、充电电阻工艺问题电阻的工艺问题，注意充电电阻内部有无骨架，电阻丝的截面积是否过小，电阻丝粗细均匀程度，供应商应当给出评价电阻丝粗细均匀程度的相关参数等。变频器充电电阻验证方法编号：版本：V1.0编制：刘东日期：2013-页码:第7页共7页ShanghaiSTEPElectricCorporation上海新时达电气股份有限公司核准日期客户技术确认：（需客户确认否？□是□否）确认签字：确认日期：版本号编制人编制日期修改原因修改内容V1.0