交流電容器在空調中的應用與選型

陳曉麗

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

交流電容器在空調中的應用與選型

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中的應用，空調中使用交流電容器的安全性、可靠性要求，從關鍵參數和防爆等級方面介紹了空調中使用電容器的安全性設計和選型，重點介紹了安全膜防爆電容器的選型和應用。

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

1 引言

交流電容器是空調系統的核心元器件之一，通常作為壓縮機電機、風扇電機的啟動和運轉電容，對壓縮機和風扇電機的啟動運轉起重要作用。一旦電容失效，空調將無法正常運行。所以，交流電動機電容器是否可靠、選用是否合理，直接影響空調的性能和安全，在空調的開發和設計中必須重視電容器的合理選用，應特別重視防爆方面的要求。

2 交流電容器在空調中的應用

交流電容器通常作為壓縮機電機、風扇電機的啟動和運轉電容，對壓縮機和風扇電機的啟動運轉起重要作用。空調器壓縮機電機和風扇電機，使用最為普遍的是單相電容運轉異步電機。單相異步電機工作時并不是只有一相繞組，因為一項繞組產生不了旋轉磁場，電機轉動不起來。根據旋轉磁場形成條件，必須設法使電機產生一個旋轉磁場，所以電機必須有兩相繞組，一相是主繞組（工作繞組），另一相是副繞組（啟動繞組）。對這兩個繞組施以不同的相位電流，就產生了旋轉磁場。為了產生不同的相位電流，采取在副繞組中串聯交流電容器的方法來實現，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先主繞組電流一個90°角的相位差，即產生分相感應電流，產生旋轉磁場，使電機啟動并保持運轉。

串聯的這個交流電容器就是電機啟動運轉電容，從上面的分析可看出，此電容是壓縮機、電機啟動和運轉必不可少的，對壓縮機和風機的啟動運轉起重要作用。CBB61、CBB65型金屬化聚丙烯膜交流電動機電容器是空調器上最主要、使用最廣的電容器，分別用于風扇電機和壓縮機的啟動和運轉。

圖1 單相電容運轉異步電機原理圖

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

空調風扇電機一般采用CBB61型金屬化聚丙烯膜交流電動機電容器（圖2左）；壓縮機一般采用CBB65型金屬化聚丙烯膜交流電動機電容器（圖2右）。這種電容是以聚丙烯薄膜為介質制成的一種負溫度系數（即溫度升高時，其容量變小）的無極性電容器。金屬化聚丙烯膜電容器的優點：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。可實現金屬化，具有自愈特性。特別適合應用于高頻、高壓、高穩定、高脈沖以及交流場合。

CBB61型風機電容器容量相對較小，通常用環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型壓縮機電容器容量相對較大，主要用作單相壓縮機啟動和運行，其外形一般設計成圓柱狀，用金屬外殼封裝，內部灌注絕緣油，用予散熱和密封（防金屬鍍膜氧化），屬密封式結構。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構。

4 空調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整機安全標準重點關注的元器件之一，需符合如下要求：

（1）在正常發熱試驗中，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）在非正常試驗中，對壓縮機、風機電容要求做電容開短路試驗，試驗中其表面溫度不能超過150℃。

（3）壓縮機、電機在額定電壓1.1倍、額定頻率下，各檔啟動和運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，新版電器安全標準已要求風機電容的應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。對于分體式空調的室外機而言，電容器安裝在室外，使用環境十分惡劣，夏季高溫高濕、冬季低溫高濕，常年經受著風吹日曬。特別是在炎熱的夏季，空調滿負荷運轉時間增加，壓縮機、風機電容在高溫環境下運行的時間也相應增加。所以，選取在嚴酷環境中還能長期保持優良電性能，且在失效時不會爆炸、不會引起危險的電容，是提高空調質量和安全性的重要措施之一。

5 交流電容器的安全性設計和選型

在空調的開發和設計中，選取什么樣的電容才能符合以上要求呢？下面從電容的關鍵參數選取和防爆等級方面具體介紹。

5.1 電容量的選取

壓縮機、電動機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，但運行效率卻下降了，壓縮機會出現過熱，使用壽命縮短。所以，只要能保證壓縮機能正常啟動和運行，電容量盡量選小些，這樣耗電少，長時間運行安全，成本也低一些。

5.2 電容器額定工作電壓的選取

在允許的環境條件下，規定的工作壽命期間，可以連續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。這是電容器在規定期限內規定條件下能夠可靠工作的電壓。如果外加電壓超過了這個限值，電容器的壽命就會縮短，甚至被擊穿損壞。

在實際應用時，電容器的工作電壓應低于電容器上標注的額定電壓值，應留有一定的裕量，經過長期實踐證明，選擇倍數為1.8～2.1是既經濟且安全的選擇。另一方面由于農村電網不穩定，偏差比較大，市電有可能達到260V；所以建議同時滿足在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，通過電容器的脈沖（或交流）電流會使電容器自身發熱而有溫升，將會有熱擊穿（冒煙、起火）的危險。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境溫度差）應控制在一定范圍內，具體見圖3；而且在進行發熱試驗時，電容表面溫度不能超過電容器的上限工作溫度。

5.4 安全防護等級（防爆等級）

對于空調器而言，由于壓縮機、風機電容一般安裝在電器盒內，若電容由于某種原因爆炸，有可能引燃連接線及電路板，最后引起空調燃燒甚至爆炸，所以，應采用具有防爆裝置的電容器，而且IEC 60335-1也提到了風機電容應采用P2/S2或以上防爆等級的電容。當電容內介質出現擊穿等意外發生時，因產生巨大能量短期釋放，電容端蓋下設的防爆絲會自動斷開，從而切斷電源以達到防爆的目的。防爆電容器有機械防爆電容器、熱保護器防爆電容器、安全膜防爆電容器等，下面重點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，其內部的金屬化安全膜是采用特殊的加工技術，通過真空鍍膜將微型保險絲均勻分布在整個金屬化電極上，使整個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。各個極板單元之間由微型保險絲相互連接，以網格狀金屬化膜為例，每個小方塊極板單元在四條邊的中部各有一個微型保險絲與四周相鄰的極板單元相連接，見圖4（左），這種微型保險絲在每平方米的金屬化極板面積內約有近兩萬多個。當電容器內部出現局部擊穿或過流情況時，對應極板單元的金屬化細絲迅速熔斷，從而防止了電容器發熱爆炸。

金屬化安全膜的微型保險絲反應非常靈敏，當任何一個極板單元內發生擊穿時，整個電容器通過擊穿點短路放電。當出現過流情況時，大電流從四面八方向擊穿點涌來，當電流達到一定數值的瞬間四個微型保險絲隨即熔斷，使擊穿點所在的極板單元與電容器極板整體隔離開。同時在擊穿點短路放電的瞬間，在電弧高溫作用下擊穿點周圍金屬化極板被迅速蒸發，形成一個絕緣區，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，有如下優點：

（1）自愈可靠。金屬化安全膜的微型保險絲反應非常靈敏，能保證可靠自愈，自愈后相鄰間薄膜不會發生粘連。而普通金屬化膜的電弱點被擊穿時，能量大小不能控制，特別是高壓、大容量電容器擊穿時超限自愈的結果會將上、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，老化試驗結果表明，容量和損耗角正切不會有明顯變化，性能優異。普通金屬化膜電容器擊穿自愈的結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，損耗角正切穩定、壽命長等優點。所以，空調應考慮選用防爆等級P2/S2或S3的安全膜電容器。

6 總結

交流電容器的選型關系著空調運行的可靠性以及空調的整機安全，因此，空調的開發和設計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，還應考慮使用環境對電容的影響，如：潮濕對電參數惡化的影響等。另外，應特別重視防爆方面的要求，必須選用具有防爆結構的電容器，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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