老舊電梯控制主板電容壽命評估分析

孫仲達，黃穎欣

（廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院，廣東中山 528400）

0 引言

電梯作為人們?nèi)粘５倪\輸工具，長時間處于上電的工作狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，要對電梯進行全面的安全評估，以確保電梯的能夠正常運行。在電梯的電氣裝置安全評估過程中，電梯控制板的壽命又是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，筆者在長期的安全評估過程中發(fā)現(xiàn)，電梯電路板故障大部分是由于電容的損壞而造成的，如圖1 所示，電梯的電路板中遍布著大量的電容。而在電梯行業(yè)中，由于維保人員缺少電路板維修相關(guān)的知識和能力，一般一個電容損壞后就要重新更換電路板，也就意味著一個電路板壽命的終結(jié)。因此，獲取長期加電情況下的電容的參數(shù)退化情況對于電梯控制系統(tǒng)的安全評估具有重要意義。本文通過對各種電容的壽命的計算，結(jié)合電梯的使用年限，推算出電梯理論剩余壽命值。本文介紹的計算方法基于電梯控制板的正常使用狀態(tài)，由于質(zhì)量問題或者外部電壓沖擊所造成的損壞不在本文討論之列。

圖1 電梯控制板中遍布的電容

1 電容的分類

一般應用于電梯控制板的電容可以分為電解電容、陶瓷電容和薄膜電容3 類。其中電解電容又可分為徑向式、卡入式、貼片式、聚合物式、軸向式等。

電解電容器通常是一種有極性的電容，由鈍化金屬材料作為正電極，絕緣氧化膜（AlO 或Ta2O5）作為電介質(zhì)，電解質(zhì)作為陰極［1-2]。電解電容器的主要作用是用來進行濾波，也就是用來減少紋波，穩(wěn)定電流。也有大容量的電解電容作為電路板輸入的電源使用，通常是在整流電路之后作為直流的儲能電能。

薄膜電容器是以金屬箔作為電極的電容器，相對于電解電容器，其等效串聯(lián)電阻（ESR）較小，在電路中產(chǎn)生的紋波電流較小。另外，相對于同一電壓等級的其他電容，薄膜電容耐壓能力和自我修復能力較強。

陶瓷電容的介質(zhì)材料為陶瓷，高頻特性較好，體積較小，在電路板元器件密度較高的情況下，一般優(yōu)先選擇陶瓷電容。陶瓷電容容量較小，介于1 nF ～1 μF之間［3]。

2 電容退化原因

2.1 高溫和長時間工作在帶電狀態(tài)

電梯的電路板工作環(huán)境通常較為惡劣，尤其是南方濕熱環(huán)境，另外在一些公共場所，其運行時間較長，運行頻率較高，這些因素都會導致電容的性能下降［4]。通常電解電容器壽命的終了評判依據(jù)是電容量下降到額定（初始值）的80%以下。

2.2 紋波電流導致電容退化

電梯的運行狀態(tài)中，控制系統(tǒng)不斷的啟動和停止，在電梯的電路中形成了較大的紋波電流，這些紋波電流通過電解電容器后，在電解電容器的ESR 產(chǎn)生損耗并部分轉(zhuǎn)變成熱能，這些熱能除一部分通過電容器表面散發(fā)外，其他則存在于電容器的內(nèi)部，不停累積后造成了電解液的蒸發(fā)［5-6]。另外，在充放電過程中，電容里的電解質(zhì)不斷進行離子交換，發(fā)生電解質(zhì)降解，從而導致電容退化。電解液的蒸發(fā)和電解質(zhì)的降解會導致ESR和電容量的飄移［7]，從而使電容退化。

2.3 漏電流導致的電容失效

漏電流增加往往導致鋁電解電容器失效。電容制造過程中工藝水平低，氧化膜損傷與沾污嚴重，工作電解液配方不佳，原材料純度不高，雜質(zhì)含量高等因素均可造成漏電流超差，從而使電容退化失效。另外，隨著電容的使用年限的增長，漏電流也會不斷增大，因此在選型時選擇制造工藝好的電容也是一項重要的工作。

3 電容使用壽命計算

3.1 電解電容

3.1.1 徑向式、卡入式、貼片電容

徑向式、卡入式、貼片電容的壽命計算公式為：

其中：

式中：L1為電容規(guī)格書所規(guī)定的設計壽命；T0為電容所設計的額定溫度；TX為應用環(huán)境的溫度；lr為電容的額定紋波電流；la為電容的使用時的紋波電流；Vr為電容的額定電壓；Va為電容的實際應用電壓。

額定溫度為105 ℃的電容，ΔT0=5，C =5；額定溫度為85 ℃的電容，ΔT0=10，C =10；Vr/Va限制比例為2∶1；當Vr≥160 V時，n=1；當Vr≤160 V時，n=0。

下面以元器件108LBB250M2DG 作為例子，根據(jù)此元器件的規(guī)格書，可以查找出其額載壽命為3000 h，最大設計溫度為85 ℃，額定電壓為250 V，額定紋波為4.28。其他公式中的數(shù)據(jù)需根據(jù)現(xiàn)場測試所得，其中假設環(huán)境溫度為45 ℃，應用電壓為220 V，應用紋波電流為3.5，工作于紋波電流的比例為20%，則根據(jù)式（1），其計算結(jié)果為68625 h，即總壽命為7.83年。若工作溫度改為55 ℃，則計算壽命為34312 h，即3.91年?？梢?，溫度對于電容壽命的影響是非常大的。

3.1.2 聚合物電容

聚合物電容的壽命計算公式為：

式中：L1為電容規(guī)格書所規(guī)定的設計壽命；Tm為電容的最大額定溫度；Ta為使用環(huán)境溫度。

由于聚合物電容具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），降低紋波電壓能力強，允許通過更大紋波電流。聚合物片式疊層鋁電解電容器在高頻下，阻抗曲線呈現(xiàn)近似理想電容器特性。在頻率變化情況下，電容量非常穩(wěn)定。所以其公式也相對簡單，其壽命計算也只與溫度有關(guān)。

3.1.3 軸向電解電容

軸向電解電容的壽命計算公式［8]為：

其中：

式中：L1為電容規(guī)格書所規(guī)定的設計壽命；Tm為電容的最大額定溫度；Ta為電容的使用環(huán)境溫度；ΔT 為由于紋波電流所造成的溫升；I為施加在電容上的紋波電流；ESR為電容等效電路中的等效電阻；A為電容的表面積；B為熱常數(shù)。

下面以元器件108TTA035M 為例來計算一個軸向電解電容的壽命。其中L1=2000，最大額定溫度為85 ℃，環(huán)境溫度為45 ℃，紋波電流為980 mA，使用頻率為120 Hz，電容為1000 μF，介質(zhì)損失因數(shù)0.14%，額定電壓35 V，使用電壓24 V，直徑13 mm，長度26 mm。根據(jù)式（6）計算所得時間為70596 h，即8.01年。

3.2 薄膜電容

薄膜電容的壽命計算公式為：

式中：L1為電容規(guī)格書所規(guī)定的設計壽命；Vr為電容的額定電壓；V0為電容的實際工作電壓；Tm為電容的最大額定工作溫度；Ta為電容的使用溫度；ΔT 為電容由于紋波而獲得的溫升。下面以元器件106PHC250K 作為例子來計算薄膜電容的壽命。根據(jù)此元器件的規(guī)格書，額載壽命為30000 h，最大額定工作溫度為85 ℃，假設工作溫度為45 ℃，電流為10.5 A，頻率為100 Hz，電容為10 μF，介質(zhì)損失因數(shù)為0.001%，額定電壓為250 V，工作電壓為220 V，直徑為24 mm，長度為34 mm。根據(jù)式（4）計算出此薄膜電容的壽命為787872 h，為89.9年，可見，薄膜電容是不容易損壞的一個電容，其可以完全覆蓋電梯控制板的壽命期限，故如果有電梯電路板使用此電容，則可不用考慮此電容由于消耗損壞的可能性。

3.3 陶瓷電容的壽命計算

陶瓷電容的壽命計算公式為：

式中：L1為電容規(guī)格書所規(guī)定的設計壽命；Vr為電容的額定電壓；V0為電容的實際工作電壓；Tm為電容的最大額定工作溫度；Ta為電容的使用溫度。

下面以如下參數(shù)為例計算陶瓷電容的壽命，假設電容的額載壽命為3000 h，最大額定電壓為250 V，工作電壓為220 V，最大額定工作溫度為85 ℃，實際工作溫度為45 ℃，則計算出陶瓷電容的壽命為713386 h，即81.4年。由此可見，一般情況，陶瓷電容的壽命也很長，一般不需要考慮陶瓷電容的損壞。

4 電梯控制板剩余壽命

電梯控制板的壽命計算公式為：

式中：L為式（1）、（5）、（6）、（8）、（9）的壽命計算L2；N為電梯的使用年限。

根據(jù)上述公式計算可知，陶瓷電容和薄膜電容一般不需要考慮其具體壽命計算，因為其計算壽命基本上可完全覆蓋電梯控制板的壽命年限，一般需要計算的只有電解電容的壽命，即電解電容的壽命決定了電梯控制系統(tǒng)電路板的壽命。

5 結(jié)束語

電容的穩(wěn)定性直接決定了電梯控制主板的使用壽命。本文對電梯控制主板的電容器進行了分類，分析了電容退化的主要原因，總結(jié)歸納了各類電容使用壽命的分析計算方法，對老舊電梯控制主板的電容剩余壽命進行了研究。研究表明，陶瓷電容和薄膜電容的壽命基本上可完全覆蓋電梯控制板的壽命年限，影響電梯控制主板的剩余壽命的主要是電解電容，電梯控制主板的壽命可通過計算電解電容剩余壽命的方式來評估，為老舊電梯控制系統(tǒng)評估提供了一種新的思路。