電磁繼電器和交流接觸器在3匹定頻空調中的應用探討

陳曉麗 梁紹康 王后軍

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

電磁繼電器和交流接觸器是家用控制電路中最常見的元件之一，在空調、電飯煲、電冰箱、電烤箱等家電產品中應用非常普遍，而且在工業自動化和通信設備中的使用率也在進一步提高，應用越來越廣泛。對于電磁繼電器的應用或者接觸器的應用已有大量研究，但是對同一使用情況下，用電磁繼電器更優還是接觸器，這方面的研究比較少，本文特選取同一條件下使用電磁繼電器和接觸器的控制方案進行對比研究，旨在選取一種最優的控制方案。

在家用空調的控制電路中，電磁繼電器和接觸器兩種元件都有應用，那么是選用電磁繼電器還是接觸器，什么情況下選接觸器，什么情況下選電磁繼電器，哪種控制方案更優，這些問題成為了困擾設計員的一大難題。在保證同安全和可靠性的前提下，基于最優性價比，本文以3匹定頻空調為例，研究了3匹定頻空調的最優壓縮機控制方案，為空調用繼電器的選型提供了非常重要的參考意見。

本文先簡單介紹了電磁繼電器和接觸器，分析了電磁繼電器和接觸器的區別，重點研究了電磁繼電器、交流接觸器在家用空調中的應用，以優化3匹定頻空調壓縮機控制方式為目標，進行了大量的研究分析和試驗驗證，最終得出了采用電磁繼電器控制方案可行的結論。

1 電磁繼電器和接觸器簡介

1.1 電磁繼電器

繼電器是一種通過繼電特性實現自動控制的元件，繼電特性是當輸入量達到一定值時，輸出量發生跳躍式變化，如圖1所示，其實就是繼電器的動作/釋放特性[1]。電磁繼電器的驅動力來自電磁鐵，通過電磁繼電器的動作/釋放來實現電路的通斷[2]。

圖1 繼電特性

繼電器按使用電流的類型不同，分為交流繼電器和直流繼電器，一般的家用電器經常使用交流繼電器，需注意：①直流繼電器一般不能通交流電，而且線圈兩端電壓應為正常工作時線圈的額定電壓，不然繼電器就會工作不穩定。②交流繼電器可以通交流電，也可以通直流電，但是線圈兩端電壓最好是交流正弦波的額定電壓。

使用電磁繼電器控制感性負載時需特別注意：因接通時會產生很大的沖擊電流，斷開時會產生較高的反向電壓[1]；所以，實際應用電路中應適當的增加反向電壓吸收電路（即觸點保護電路），常用的觸點保護電路可以參考圖2。

圖2 常用觸點保護電路（示例）

1.2 接觸器

接觸器的工作原理、結構和繼電器基本是相同的，用途也是一樣的，接觸器主要用于接通和斷開主電路或者是大容量的控制電路[3]。

交流接觸器一般用于控制交流電路的通斷，直流接觸器則用于直流電路。目前家用空調一般使用交流接觸器來實現電路的通斷；直流接觸器在空調行業的應用較少，主要用于電動大巴空調。因大巴空調主回路電壓較高，通常為直流600 V左右，所以選用直接接觸器，采用“低壓控高壓”的控制方式來控制主回路的通斷。

1.3 電磁繼電器和交流接觸器的區別

交流接觸器的主觸頭可以通過較大電流，而電磁繼電器的觸頭一般只能通過小電流。所以電磁繼電器主要用于通斷電流較小的控制電路，觸頭不分主、輔助[3]。接觸器一般接通或斷開主電路，觸頭容量較大，接觸器的觸頭分為主、輔助觸頭[3]。

2 電磁繼電器和交流接觸器在3匹定頻空調中的應用探討

2.1 兩種常用壓縮機控制方案對比

電磁繼電器、交流接觸器是普通家用空調控制電路中大量使用的一種開關器件，主要用于控制壓縮機、電加熱器、室內外風扇電機的開停。本文重點研究控制壓縮機開停的方式，目前常用的有兩種方案。

方案一、電磁繼電器控制

采用內機繼電器直接控制壓縮機開停（如圖3），此方案適用2匹及以下小功率、小電流機型，此控制方式物料少，接線簡潔，裝配效率高，成本相對較低。

圖3 電磁繼電器控制方案

方案二、交流接觸器控制

內機使用5 A繼電器控制外機交流接觸器，間接控制壓縮機開停（如圖4），此方式使用的物料多，接線復雜，裝配效率低，成本相對較高。一般情況下，3匹及以上的定頻機型采用這種方案。

圖4 交流接觸器控制方案

2.2 3匹定頻空調壓縮機控制方式優化探討

2.2.1 背景和必要性

隨著各國的能效要求越來越高，空調節能技術日新月異，整機電流、壓縮機堵轉電流越來越小，并且各種保護功能越來越完善，為3匹定頻機采用繼電器控制提供了前提條件。同時，為了提升空調的競爭力和性價比，避免質量過剩，優化3匹定頻機的壓縮機控制方式已迫在眉睫，定頻3匹機型采用采用繼電器控制壓縮機的方案是否可行，是否安全可靠，下面進一步探討。

3.2.2 電磁繼電器與交流接觸器參數差異分析

方案一和方案二中使用的繼電器與交流接觸器（即目前2匹定頻機和3匹定頻機使用的電磁繼電器和交流接觸器）均為25 A規格，具體參數及差異見表1。

表1 交流接觸器與繼電器參數對比

從以上參數表對比，繼電器與交流接觸器的主要差異有3個方面：

1）繼電器對于感性負載，需要降額度使用；繼電器額定負載電流25 A為阻性負載情況，空調中的主要負載壓縮機和電機均為感性負載，繼電器需考慮降額使用，選取降額參數為0.75對觸點電流降額，即25 A繼電器穩定運行的最大運行電流不應超過18.75 A，而交流接觸器可以按照其額定電流25 A滿載使用。

2）壽命測試方法不一樣

交流接觸器：1.05倍電壓，6倍額定電流Ie（150 A），循環6 000次。

繼電器：80 A cosφ=0.7，開0.3 s，轉為20 A cosφ=0.7 開1.2 s，停1.5 s，20萬個周期。

3）耐沖擊電流不同，交流接觸器耐沖擊電流150 A，繼電器只有80 A。

2.2.3 可行性分析

2.2.3.1 總述

對于定頻3匹空調，若使用方案一的控制方案，從成本和裝配效率方面無疑是最優選擇，但是需同時滿足下面四個條件：

1）整機的額定電流不應該超過繼電器的降額使用電流（18.75 A）；

2）整機的啟動電流，不應該超過繼電器的耐沖擊電流（80 A）；

3）繼電器表面溫度不應該超過其額定使用環境溫度；

4）需要有可靠的保護措施，即使在空調異常情況下，也能保證繼電器和整機能正常工作。

2.2.3.2 整機額定電流和最大電流

1）額定電流核實

目前3匹機型的制冷量為24 000 Btu，換算為制冷量為24 000/3.412=7 034 W，隨著能效逐步提高，目前多數國家都要求3.2以上，換算成整機的功率為7 034/3.2=2 198 W，額定電流最大值理論上計算為2 198 W/220 V=9.99 A。

2）最大電流核實

據統計，即使空調最大制冷/制熱環境下，近2年內，整機的最大電流普遍在13 A左右，且所有機型的最大電流不超過16 A，如圖5所示。

圖5 最大電流統計

整機的額定電流在10 A以下，近2年內，整機的最大電流也不超過16 A，小于繼電器的感性負載降額使用電流18.75 A，滿足切換為繼電器的使用要求。

2.2.3.3 整機啟動電流和壽命

繼電器的耐沖擊能力比交流接觸器差，若3匹機型使用繼電器控制壓縮機開停，需滿足整機的啟動電流要小于繼電器的電氣壽命測試電流。

壓縮機的啟動/堵轉電流越來越小，圖6是歷年來壓縮機最大的啟動/堵轉電流，可以看出：3匹定頻機的壓縮機啟動/堵轉電流（43～72）A之間，并近2年開發的新3P機型堵轉電流均少于60 A。

圖6 啟動電流統計

壓縮機的啟動/堵轉電流，均小于繼電器電氣壽命測試電流80 A，初步評估滿足繼電器的使用要求。

為了確保繼電器電氣壽命無問題，特意選取3.5匹定頻機進行壽命驗證，實測啟動電流為69 A，詳細如下表2。

表2 整機電氣壽命驗證情況

從測試結果看，即使是3.5P機型，電氣壽命也能滿足20萬次以上，按照每個小時開停4次，一天工作10個小時，每年空調開啟8個月，空調的繼電器壽命可以工作20年以上。

2.2.3.4 繼電器發熱情況驗證

除考慮降額，發熱也是限制使用的一個重要因素。對繼電器進行發熱測試，情況如右表所示，室內機主板繼電器通 25 A 電流，繼電器表面溫度是77.7 ℃，未超過額定溫度85 ℃，故繼電器發熱無問題。

另外，考慮到室外環境相對嚴酷，T3工況下，電器盒和壓縮機腔內溫度在60 ℃左右，繼電器容易溫升超標，所以，對于控制壓縮機的繼電器位于室外的機型，不建議采用切換為采用繼電器控制壓縮機的方案。

2.2.3.5 整機保護措施優化

考慮到售后接錯線、電容開短路、風機故障、嚴重臟堵，電壓過低（低于160 V），壓縮機堵轉等非正常工作情況，整機電流會異常大，需要采取過流保護、防高溫保護、壓縮機過載保護，缺氟保護等保護措施，防止異常情況下，電流過大燒毀繼電器。

另外，整機的過流保護值應合理選擇，不宜過小或者過大。從用戶使用的實際情況以及繼電器安全考慮，過流保護選型應滿足以下兩個條件：

1）在電壓波動允許范圍內，用戶正常使用的最惡劣工況下，空調輕微臟堵的情況下，整機不應該出現過流保護。

表3 繼電器表面溫升測試情況匯總表

2）整機的過流保護值不能超過繼電器的最大切換電流，并根據繼電器的實際使用場合，預留相應設計余量（約（5～20）%）。

2.2.4 小結

通過以上分析，3匹定頻空調采用內機25 A繼電器直接控制壓縮機開停的方案，整機電流和啟動電流、繼電器的表面溫升，都符合繼電器的使用需求；且在過流保護值設置合理的條件下（建議不超過繼電器的最大切換電流，預留（5～20）%余量），此方案完全可行。此方案在成本和裝配效率最優的條件下，同時保證了整機的安全運行，優于之前采用的交流接觸器控制方案。

3 結束語

本文提出的針對3匹定頻空調的電磁繼電器控制方案在保證安全和可靠的前提下，成本和效率最優，提升了產品的競爭力。但是，本文研究的使用情況是基于常規的使用環境考慮的，適用于大部分家用空調，對于惡劣條件下的家用空調控制方式的選型，如高溫高濕、粉塵、氣體等條件下的選型，應選用密封性更好的繼電器或者接觸器，并加大設計選型的余量。另外，對于純電動大巴空調控制壓縮機的方案，應考慮選用直流接觸器，具體直流接觸器的選型和壽命等有待進一步分析研究。