单相空调用PTC启动器的设计选型

摘 要： 介绍了PTC启动器在单相空调用作压缩机启动器的常见电路,同时对PTC 启动器的设计选型进行了一些试验研究

关键词：单相空调 PTC启动器 设计选型

单相空调用压缩机，常用的启动方式有电容启动（CSIR型）、电阻启动（RSIR型）两种。由于空调使用环境的复杂性及压缩机启动性能的差异，特别是两匹以上的大匹数空调，上述两种启动方式已不能满足实际使用需要，压缩机需要更大的转矩来满足其在低电压下的启动要求。我们可以看到，大金、三洋等一些压缩机厂家都会推荐采用启动电容加启动继电器或者是启动电容加PTC （Positive Temperature Coefficient）启动器的方式，而PTC启动器由于其成本低，目前已越来越普遍在单相空调器上应用。

PTC启动器的核心部件是PTC热敏电阻(正温度系数热敏电阻)。PTC热敏电阻是一种具温度敏感性的半导体电阻,一旦超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高。PTC热敏电阻作为启动器使用，主要是利用其在室温25℃下的电阻R0阻值低，在通电后，压缩机副绕组在短时间内有大电流通过，可以极大提高压缩机的启动力矩，之后由于PTC发热的原因，PTC电阻迅速达到截止的阻值。

图1热敏电阻芯片温度特性曲线

单相空调器在选用PTC启动器时，应根据负载特性、使用环境、成本要求等方面的要求，研究分析启动性能、可靠性、安全性、经济性是否满足整机使用要求。

一、启动电路的选型

空调压缩机常用启动电路如图2~图5所示，其中图3~图5是PTC启动器的常见应用电路。在该电路中，PTC启动器直接与电机次绕组（启动绕组）串联后再与电机主绕组并联。当电压加到电机两个绕组上后，由于分相作用，两绕组间产生相位差，从而形成椭圆旋转磁场，产生启动转矩，带动电机正常运转。之后，PTC元件因自身的发热，温度迅速上升，当温度超过居里温度，电阻剧增，启动绕组相当于断开，此时电动机已启动完毕，进入运行状态。

四种电路的特点和优缺点如下：

1）电阻启动方式（RSIR）：启动扭矩小，启动电流大，因而效率较低，只用于带毛细管的小功率空调器或除湿机中。

2）电容启动方式（CSIR）：的启动转矩比电阻分相启动方式的启动转矩大，且启动电流小，结构比较简单，在2匹以下的空调器中广泛应用。

3）电阻启动电容运转方式（RSCR）：利用PTC电阻的低阻特性，在启动时可以降低副相的阻抗，从而提高压缩机的启动力矩。而在启动后，PTC电阻呈高阻状态，启动电容转变为运转电容提高压缩机的运转性能。该电路近年在2匹以上空调得到较广泛使用。

4）电容启动电容运转方式（CSR）：两个电容器在启动时同时起作用，增大了启动转矩。启动后，由于PTC启动器的作用，启动电容器不再工作。正常运转时只有运行电容器工作，电动机能以高功率因数运转，提高了效率，其启动性能也最好，但电路较复杂，成本高。该电路在单相3匹及以上空调有较多应用。

在具体的电路选型上，要参考压缩机负载的大小和压缩机启动性能的优劣，有针对性的选择启动电路，对于一些大匹数的涡旋压缩机，可以考虑蚕蛹电容启动电容运转方式。

二、PTC启动器的选型

PTC启动器在不同启动电路，其所起的作用是有差异的在CSR启动方式上，PTC启动器主要起到开关作用，启动性能的提高主要由启动电容决定；而在RSCR启动方式上，启动性能的提高主要由PTC启动器决定。因此，在具体选型上也要根据电路特点进行。

以下以PTC启动器的典型应用电路“电阻启动电容运转”来说明其设计选型的要求。

开机时，由于PTC处于低阻状态，可以提供一个较大的电流使辅助的线圈工作，随着PTC自身的发热，电阻值迅速增加。这个时候，电机已经开始正常工作，后续利用并联的运行电容维持工作。关机后，PTC开始冷却，在第二次启动的时候，阻值已经降低到初始状态。

下图是PTC的RT特性和电流的关系

目前认识到的会影响压缩机启动的主要因数有：启动时刻供电电压高低、启动电容容量大小、启动电容通电时间长短及启动电流大小4个条件。启动时刻供电电压是不可选择和改变的条件，所以能调整的只有启动电容、启动电容通电时间以及启动电流的。其中启动电容通电时间就是PTC的启动时间，而PTC的启动时间与起始温度、居里点温度、PTC的启动电流大小有关，而启动电流大小则与PTC的常温阻值和PTC起始电时刻阻值有关。

因此在选型上主要围绕启动特性（启动时间、起始电阻、恢复时间）和可靠性（耐电压耐电流、开关寿命）

1）启动时间

我们通过实验可以知道，压缩机不同工况、电压下所需要的启动时间是不同的。为了保证启动性能，必须保证启动时间足够长。

PTC的启动时间与起始电阻、居里温度、材料体积。体积越大，散热性能越慢，相应动作时间越长；材料的居里温度越高，达到居里温度需要的时间越长；起始阻值越小，达到截止电阻的动作时间越长。由于居里温度是固定的规格，一般情况下，要提高启动时间，可以采用增加产品体积和减小阻值两条途径。

2）起始电阻

初始电阻一般定义在25度下的阻值。在电源一定的前提下，根据压缩机功率的大小选择相应的PTC启动器电阻。

下表是不同电机功率对应PTC阻值和型号的选择

3）恢复时间

关机后，PTC阻值恢复到初始阻值两倍所需要的时间称为恢复时间。恢复时间过长，第二次启动就不会正常。因此，因尽可能缩短回复时间，一般要求恢复时间小于90秒。

恢复时间与PTC芯片的特性、PTC启动器的安装结构等因素有关。可以通过提高居里温度、电阻温度系数、常温电阻值以及降低芯片体积完成。现在国内外选择的材料居里温度在120-135之间。电阻温度系数越陡峭，恢复时间会越短；体积可以将面积缩小，减少热容积。但体积的改变直接导致耐压能力的降低，所以，不轻易变更体积。阻值大，恢复时间可以适当缩短。而外壳和电极片的材料选择也会影响恢复的快慢。

4）耐电压耐电流能力

由于在启动的瞬间会产生大的冲击电流和冲击电压，PTC启动必要具有足够的抗电压、电流冲击能力，一般要求耐电压不低于500V，额定电流不低于25A。

5）开关寿命

由于PTC芯片在工作中需要承受高温、高压及大电流的冲击，最终芯片可能击穿，导致PTC启动器开路或短路。为了保证整机的使用可靠性，一般要求其开关寿命为1万次-10万次。试验后其电阻变化小于25%。

三、总结

对于空调用PTC启动器，对于其选型，既要考虑整机的使用条件的差异，同时也要综合PTC元件本身的各项性能指标进行平衡。一般而言，PTC电阻越小，其启动性能越好，但相应启动电流也越大，PTC芯片的使用寿命也相应降低。因此，PTC电阻一般在10~50欧姆范围进行选择。

另外，在相同的直径下，PTC芯片越厚，其启动时间越长，PTC的耐电压能力越强，因此要求芯片的厚度不低于2.7mm。

参考文献

【1】Cera-Mite Capacitor And Thermistor Full Line Catalog 产品目录

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文