陳曉麗

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

交流電容器在空調(diào)中的應(yīng)用與選型

陳曉麗

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文介紹了交流電容器在空調(diào)中的應(yīng)用，空調(diào)中使用交流電容器的安全性、可靠性要求，從關(guān)鍵參數(shù)和防爆等級方面介紹了空調(diào)中使用電容器的安全性設(shè)計(jì)和選型，重點(diǎn)介紹了安全膜防爆電容器的選型和應(yīng)用。

CBB61電容；CBB65電容；安全膜防爆電容器；電容的應(yīng)用與選型；電容可靠性

1 引言

交流電容器是空調(diào)系統(tǒng)的核心元器件之一，通常作為壓縮機(jī)電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)的啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)電容，對壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)的啟動運(yùn)轉(zhuǎn)起重要作用。一旦電容失效，空調(diào)將無法正常運(yùn)行。所以，交流電動機(jī)電容器是否可靠、選用是否合理，直接影響空調(diào)的性能和安全，在空調(diào)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中必須重視電容器的合理選用，應(yīng)特別重視防爆方面的要求。

2 交流電容器在空調(diào)中的應(yīng)用

交流電容器通常作為壓縮機(jī)電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)的啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)電容，對壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)的啟動運(yùn)轉(zhuǎn)起重要作用?？照{(diào)器壓縮機(jī)電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，使用最為普遍的是單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)。單相異步電機(jī)工作時(shí)并不是只有一相繞組，因?yàn)橐豁?xiàng)繞組產(chǎn)生不了旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)動不起來。根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場形成條件，必須設(shè)法使電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，所以電機(jī)必須有兩相繞組，一相是主繞組（工作繞組），另一相是副繞組（啟動繞組）。對這兩個(gè)繞組施以不同的相位電流，就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。為了產(chǎn)生不同的相位電流，采取在副繞組中串聯(lián)交流電容器的方法來實(shí)現(xiàn)，見圖1。交流電容的作用是使副繞組回路阻抗呈容性，從而使副繞組的電流領(lǐng)先于電源電壓，由于主繞組呈感性，其電流落后與電源電壓，這樣副繞組電流就領(lǐng)先主繞組電流一個(gè)90°角的相位差，即產(chǎn)生分相感應(yīng)電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使電機(jī)啟動并保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

串聯(lián)的這個(gè)交流電容器就是電機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)電容，從上面的分析可看出，此電容是壓縮機(jī)、電機(jī)啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的，對壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的啟動運(yùn)轉(zhuǎn)起重要作用。CBB61、CBB65型金屬化聚丙烯膜交流電動機(jī)電容器是空調(diào)器上最主要、使用最廣的電容器，分別用于風(fēng)扇電機(jī)和壓縮機(jī)的啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)原理圖

圖2 CBB61型交流電容器（左）CBB65型交流電容器（右）

3 CBB61、CBB65型交流電容器簡介

空調(diào)風(fēng)扇電機(jī)一般采用CBB61型金屬化聚丙烯膜交流電動機(jī)電容器（圖2左）；壓縮機(jī)一般采用CBB65型金屬化聚丙烯膜交流電動機(jī)電容器（圖2右）。這種電容是以聚丙烯薄膜為介質(zhì)制成的一種負(fù)溫度系數(shù)（即溫度升高時(shí)，其容量變?。┑臒o極性電容器。金屬化聚丙烯膜電容器的優(yōu)點(diǎn)：容量范圍寬，絕緣電阻高，工作電壓范圍極寬，工作溫度范圍寬?？蓪?shí)現(xiàn)金屬化，具有自愈特性。特別適合應(yīng)用于高頻、高壓、高穩(wěn)定、高脈沖以及交流場合。

CBB61型風(fēng)機(jī)電容器容量相對較小，通常用環(huán)氧樹脂封裝成密封式，方形塑料外殼，兩電極一般為插片（187或250）、焊接引線作為引出端。

CBB65型壓縮機(jī)電容器容量相對較大，主要用作單相壓縮機(jī)啟動和運(yùn)行，其外形一般設(shè)計(jì)成圓柱狀，用金屬外殼封裝，內(nèi)部灌注絕緣油，用予散熱和密封（防金屬鍍膜氧化），屬密封式結(jié)構(gòu)。兩電極一般通過引線焊接與250插片作為引出端。另外因其容量大，為安全起見，CBB65系列電容器增加了防爆結(jié)構(gòu)。

4 空調(diào)中使用交流電容器的安全性、可靠性要求

CBB61、CBB65型交流電容器是空調(diào)整機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)關(guān)注的元器件之一，需符合如下要求：

（1）在正常發(fā)熱試驗(yàn)中，要求其表面溫度不能超過電容器的上限工作溫度，一般為70℃。

（2）在非正常試驗(yàn)中，對壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)電容要求做電容開短路試驗(yàn)，試驗(yàn)中其表面溫度不能超過150℃。

（3）壓縮機(jī)、電機(jī)在額定電壓1.1倍、額定頻率下，各檔啟動和運(yùn)行過程中電容器兩端的電壓不超過電容器額定電壓的1.1倍。

（4）防爆等級方面，新版電器安全標(biāo)準(zhǔn)已要求風(fēng)機(jī)電容的應(yīng)用須滿足下述一種或多種情況：

——采用P2/S2或以上防爆等級的電容；

——電容器由金屬或陶瓷外殼覆蓋；

——電容器的外表面到鄰近非金屬零部件的距離應(yīng)超過50mm；

——距離電容器外表面50mm的鄰近非金屬零部件可以通過針焰測試；

——距離電容器外表面50mm的鄰近非金屬零部件至少為V-1等級。

（注：以上要求摘自IEC 60335-1（第5版））

圖3 溫升曲線圖

圖4 網(wǎng)格狀金屬化安全膜及其自愈圖

上面的要求，主要集中在電容器的表面溫度和電壓方面，最后一條主要考核電容器的安全性

要求、是否防爆。電容器工作時(shí)的溫度和電壓直接影響電容的使用壽命和可靠性。對于分體式空調(diào)的室外機(jī)而言，電容器安裝在室外，使用環(huán)境十分惡劣，夏季高溫高濕、冬季低溫高濕，常年經(jīng)受著風(fēng)吹日曬。特別是在炎熱的夏季，空調(diào)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)電容在高溫環(huán)境下運(yùn)行的時(shí)間也相應(yīng)增加。所以，選取在嚴(yán)酷環(huán)境中還能長期保持優(yōu)良電性能，且在失效時(shí)不會爆炸、不會引起危險(xiǎn)的電容，是提高空調(diào)質(zhì)量和安全性的重要措施之一。

5 交流電容器的安全性設(shè)計(jì)和選型

在空調(diào)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中，選取什么樣的電容才能符合以上要求呢？下面從電容的關(guān)鍵參數(shù)選取和防爆等級方面具體介紹。

5.1 電容量的選取

壓縮機(jī)、電動機(jī)一般有推薦選用的電容量，但是需特別說明的是：容量過大，電路電流增大，雖然啟動力矩增大，但運(yùn)行效率卻下降了，壓縮機(jī)會出現(xiàn)過熱，使用壽命縮短。所以，只要能保證壓縮機(jī)能正常啟動和運(yùn)行，電容量盡量選小些，這樣耗電少，長時(shí)間運(yùn)行安全，成本也低一些。

5.2 電容器額定工作電壓的選取

在允許的環(huán)境條件下，規(guī)定的工作壽命期間，可以連續(xù)加在電容器上的最大直流電壓或交流電壓有效值稱為電容器的額定工作電壓。這是電容器在規(guī)定期限內(nèi)規(guī)定條件下能夠可靠工作的電壓。如果外加電壓超過了這個(gè)限值，電容器的壽命就會縮短，甚至被擊穿損壞。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電容器的工作電壓應(yīng)低于電容器上標(biāo)注的額定電壓值，應(yīng)留有一定的裕量，經(jīng)過長期實(shí)踐證明，選擇倍數(shù)為1.8～2.1是既經(jīng)濟(jì)且安全的選擇。另一方面由于農(nóng)村電網(wǎng)不穩(wěn)定，偏差比較大，市電有可能達(dá)到260V；所以建議同時(shí)滿足在260V條件下，電容器兩端的電壓不超過電容器額定電壓1.1倍的要求。

5.3 額定電流的選取和要求

由于電容器存在損耗，在高頻或高脈沖條件下使用時(shí)，通過電容器的脈沖（或交流）電流會使電容器自身發(fā)熱而有溫升，將會有熱擊穿（冒煙、起火）的危險(xiǎn)。因此，電容器安全使用條件不僅受額定電壓的限制，而且受額定電流的限制。在電容通過連續(xù)電流的情況下，需特別注意電容的溫升（電容表面最高溫度與環(huán)境溫度差）應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，具體見圖3；而且在進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)時(shí)，電容表面溫度不能超過電容器的上限工作溫度。

5.4 安全防護(hù)等級（防爆等級）

對于空調(diào)器而言，由于壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)電容一般安裝在電器盒內(nèi)，若電容由于某種原因爆炸，有可能引燃連接線及電路板，最后引起空調(diào)燃燒甚至爆炸，所以，應(yīng)采用具有防爆裝置的電容器，而且IEC 60335-1也提到了風(fēng)機(jī)電容應(yīng)采用P2/S2或以上防爆等級的電容。當(dāng)電容內(nèi)介質(zhì)出現(xiàn)擊穿等意外發(fā)生時(shí)，因產(chǎn)生巨大能量短期釋放，電容端蓋下設(shè)的防爆絲會自動斷開，從而切斷電源以達(dá)到防爆的目的。防爆電容器有機(jī)械防爆電容器、熱保護(hù)器防爆電容器、安全膜防爆電容器等，下面重點(diǎn)介紹安全膜防爆電容器。

安全膜電容器是一種新型的安全防爆電容器，其內(nèi)部的金屬化安全膜是采用特殊的加工技術(shù)，通過真空鍍膜將微型保險(xiǎn)絲均勻分布在整個(gè)金屬化電極上，使整個(gè)金屬化電極被很窄的絕緣間隙分隔成很多形狀相同、面積相等的極板單元。各個(gè)極板單元之間由微型保險(xiǎn)絲相互連接，以網(wǎng)格狀金屬化膜為例，每個(gè)小方塊極板單元在四條邊的中部各有一個(gè)微型保險(xiǎn)絲與四周相鄰的極板單元相連接，見圖4（左），這種微型保險(xiǎn)絲在每平方米的金屬化極板面積內(nèi)約有近兩萬多個(gè)。當(dāng)電容器內(nèi)部出現(xiàn)局部擊穿或過流情況時(shí)，對應(yīng)極板單元的金屬化細(xì)絲迅速熔斷，從而防止了電容器發(fā)熱爆炸。

金屬化安全膜的微型保險(xiǎn)絲反應(yīng)非常靈敏，當(dāng)任何一個(gè)極板單元內(nèi)發(fā)生擊穿時(shí)，整個(gè)電容器通過擊穿點(diǎn)短路放電。當(dāng)出現(xiàn)過流情況時(shí)，大電流從四面八方向擊穿點(diǎn)涌來，當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值的瞬間四個(gè)微型保險(xiǎn)絲隨即熔斷，使擊穿點(diǎn)所在的極板單元與電容器極板整體隔離開。同時(shí)在擊穿點(diǎn)短路放電的瞬間，在電弧高溫作用下?lián)舸c(diǎn)周圍金屬化極板被迅速蒸發(fā)，形成一個(gè)絕緣區(qū)，即完成了自愈，如圖4（右）示。

安全膜電容器與普通金屬化膜電容器相比較，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自愈可靠。金屬化安全膜的微型保險(xiǎn)絲反應(yīng)非常靈敏，能保證可靠自愈，自愈后相鄰間薄膜不會發(fā)生粘連。而普通金屬化膜的電弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，能量大小不能控制，特別是高壓、大容量電容器擊穿時(shí)超限自愈的結(jié)果會將上、下相鄰的多層薄膜擊穿、燒傷、粘連，造成電容器失效。

（2）安全膜電容器擊穿自愈后，不會引起損耗角正切（tanδ）增加，老化試驗(yàn)結(jié)果表明，容量和損耗角正切不會有明顯變化，性能優(yōu)異。普通金屬化膜電容器擊穿自愈的結(jié)果會引起損耗角正切（tanδ）增加，絕緣耐壓降低，壽命下降。

綜上，安全膜防爆電容器既安全，又快捷可靠，且具有自愈可靠，損耗角正切穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。所以，空調(diào)應(yīng)考慮選用防爆等級P2/S2或S3的安全膜電容器。

6 總結(jié)

交流電容器的選型關(guān)系著空調(diào)運(yùn)行的可靠性以及空調(diào)的整機(jī)安全，因此，空調(diào)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中必須重視電容器的合理選用。交流電容器的選型和使用必須從電容量、額定電壓、額定電流等方面綜合考慮，還應(yīng)考慮使用環(huán)境對電容的影響，如：潮濕對電參數(shù)惡化的影響等。另外，應(yīng)特別重視防爆方面的要求，必須選用具有防爆結(jié)構(gòu)的電容器，以保證使用的安全和可靠。

[1] IEC 60335-1. 家用和類似用途電器的安全 一般要求

[2] 高鵬. 新一代金屬化聚丙烯安全膜防爆電容器. 電力電容器. 2003年第2期

[3] 胡仲霞. 安全膜電容器及其防爆機(jī)理. 電子元件與材料. 1999年第2期

The application and selection of AC capacitor in air conditioner

CHEN Xiaoli
(GREE Electric Appliances,Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070)

This text focuses on the application、security and reliability requirements of the AC capacitor in air conditioner. And also gives full description of design safely and selection of AC capacitor based on key parameters and anti-explosive level. The most important point of this text is the selection and application of safety film anti-explosive capacitor.

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