電磁繼電器和交流接觸器在3匹定頻空調(diào)中的應(yīng)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(diào)、電飯煲、電冰箱、電烤箱等家電產(chǎn)品中應(yīng)用非常普遍，而且在工業(yè)自動化和通信設(shè)備中的使用率也在進(jìn)一步提高，應(yīng)用越來越廣泛。對于電磁繼電器的應(yīng)用或者接觸器的應(yīng)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(yōu)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(jìn)行對比研究，旨在選取一種最優(yōu)的控制方案。

在家用空調(diào)的控制電路中，電磁繼電器和接觸器兩種元件都有應(yīng)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(yōu)，這些問題成為了困擾設(shè)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(yōu)性價比，本文以3匹定頻空調(diào)為例，研究了3匹定頻空調(diào)的最優(yōu)壓縮機(jī)控制方案，為空調(diào)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(qū)別，重點研究了電磁繼電器、交流接觸器在家用空調(diào)中的應(yīng)用，以優(yōu)化3匹定頻空調(diào)壓縮機(jī)控制方式為目標(biāo)，進(jìn)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(jié)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(xiàn)自動控制的元件，繼電特性是當(dāng)輸入量達(dá)到一定值時，輸出量發(fā)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(qū)動力來自電磁鐵，通過電磁繼電器的動作/釋放來實現(xiàn)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(jīng)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(yīng)為正常工作時線圈的額定電壓，不然繼電器就會工作不穩(wěn)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(fù)載時需特別注意：因接通時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，斷開時會產(chǎn)生較高的反向電壓[1]；所以，實際應(yīng)用電路中應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾臃聪螂妷何针娐罚从|點保護(hù)電路），常用的觸點保護(hù)電路可以參考圖2。

圖2 常用觸點保護(hù)電路（示例）

1.2 接觸器

接觸器的工作原理、結(jié)構(gòu)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(diào)一般使用交流接觸器來實現(xiàn)電路的通斷；直流接觸器在空調(diào)行業(yè)的應(yīng)用較少，主要用于電動大巴空調(diào)。因大巴空調(diào)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(qū)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(diào)中的應(yīng)用探討

2.1 兩種常用壓縮機(jī)控制方案對比

電磁繼電器、交流接觸器是普通家用空調(diào)控制電路中大量使用的一種開關(guān)器件，主要用于控制壓縮機(jī)、電加熱器、室內(nèi)外風(fēng)扇電機(jī)的開停。本文重點研究控制壓縮機(jī)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(nèi)機(jī)繼電器直接控制壓縮機(jī)開停（如圖3），此方案適用2匹及以下小功率、小電流機(jī)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(nèi)機(jī)使用5 A繼電器控制外機(jī)交流接觸器，間接控制壓縮機(jī)開停（如圖4），此方式使用的物料多，接線復(fù)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(jī)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(diào)壓縮機(jī)控制方式優(yōu)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(diào)節(jié)能技術(shù)日新月異，整機(jī)電流、壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)電流越來越小，并且各種保護(hù)功能越來越完善，為3匹定頻機(jī)采用繼電器控制提供了前提條件。同時，為了提升空調(diào)的競爭力和性價比，避免質(zhì)量過剩，優(yōu)化3匹定頻機(jī)的壓縮機(jī)控制方式已迫在眉睫，定頻3匹機(jī)型采用采用繼電器控制壓縮機(jī)的方案是否可行，是否安全可靠，下面進(jìn)一步探討。

3.2.2 電磁繼電器與交流接觸器參數(shù)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(jī)和3匹定頻機(jī)使用的電磁繼電器和交流接觸器）均為25 A規(guī)格，具體參數(shù)及差異見表1。

表1 交流接觸器與繼電器參數(shù)對比

從以上參數(shù)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(fù)載，需要降額度使用；繼電器額定負(fù)載電流25 A為阻性負(fù)載情況，空調(diào)中的主要負(fù)載壓縮機(jī)和電機(jī)均為感性負(fù)載，繼電器需考慮降額使用，選取降額參數(shù)為0.75對觸點電流降額，即25 A繼電器穩(wěn)定運行的最大運行電流不應(yīng)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(huán)6 000次。

繼電器：80 A cosφ=0.7，開0.3 s，轉(zhuǎn)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(diào)，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(yōu)選擇，但是需同時滿足下面四個條件：

1）整機(jī)的額定電流不應(yīng)該超過繼電器的降額使用電流（18.75 A）；

2）整機(jī)的啟動電流，不應(yīng)該超過繼電器的耐沖擊電流（80 A）；

3）繼電器表面溫度不應(yīng)該超過其額定使用環(huán)境溫度；

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

2.2.3.2 整機(jī)額定電流和最大電流

1）額定電流核實

目前3匹機(jī)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(shù)國家都要求3.2以上，換算成整機(jī)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(jù)統(tǒng)計，即使空調(diào)最大制冷/制熱環(huán)境下，近2年內(nèi)，整機(jī)的最大電流普遍在13 A左右，且所有機(jī)型的最大電流不超過16 A，如圖5所示。

圖5 最大電流統(tǒng)計

整機(jī)的額定電流在10 A以下，近2年內(nèi)，整機(jī)的最大電流也不超過16 A，小于繼電器的感性負(fù)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(jī)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(jī)型使用繼電器控制壓縮機(jī)開停，需滿足整機(jī)的啟動電流要小于繼電器的電氣壽命測試電流。

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

圖6 啟動電流統(tǒng)計

壓縮機(jī)的啟動/堵轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)行壽命驗證，實測啟動電流為69 A，詳細(xì)如下表2。

表2 整機(jī)電氣壽命驗證情況

從測試結(jié)果看，即使是3.5P機(jī)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(diào)開啟8個月，空調(diào)的繼電器壽命可以工作20年以上。

2.2.3.4 繼電器發(fā)熱情況驗證

除考慮降額，發(fā)熱也是限制使用的一個重要因素。對繼電器進(jìn)行發(fā)熱測試，情況如右表所示，室內(nèi)機(jī)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(fā)熱無問題。

另外，考慮到室外環(huán)境相對嚴(yán)酷，T3工況下，電器盒和壓縮機(jī)腔內(nèi)溫度在60 ℃左右，繼電器容易溫升超標(biāo)，所以，對于控制壓縮機(jī)的繼電器位于室外的機(jī)型，不建議采用切換為采用繼電器控制壓縮機(jī)的方案。

2.2.3.5 整機(jī)保護(hù)措施優(yōu)化

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

另外，整機(jī)的過流保護(hù)值應(yīng)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(hù)選型應(yīng)滿足以下兩個條件：

1）在電壓波動允許范圍內(nèi)，用戶正常使用的最惡劣工況下，空調(diào)輕微臟堵的情況下，整機(jī)不應(yīng)該出現(xiàn)過流保護(hù)。

表3 繼電器表面溫升測試情況匯總表

2）整機(jī)的過流保護(hù)值不能超過繼電器的最大切換電流，并根據(jù)繼電器的實際使用場合，預(yù)留相應(yīng)設(shè)計余量（約（5～20）%）。

2.2.4 小結(jié)

通過以上分析，3匹定頻空調(diào)采用內(nèi)機(jī)25 A繼電器直接控制壓縮機(jī)開停的方案，整機(jī)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(hù)值設(shè)置合理的條件下（建議不超過繼電器的最大切換電流，預(yù)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(yōu)的條件下，同時保證了整機(jī)的安全運行，優(yōu)于之前采用的交流接觸器控制方案。

3 結(jié)束語

本文提出的針對3匹定頻空調(diào)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(yōu)，提升了產(chǎn)品的競爭力。但是，本文研究的使用情況是基于常規(guī)的使用環(huán)境考慮的，適用于大部分家用空調(diào)，對于惡劣條件下的家用空調(diào)控制方式的選型，如高溫高濕、粉塵、氣體等條件下的選型，應(yīng)選用密封性更好的繼電器或者接觸器，并加大設(shè)計選型的余量。另外，對于純電動大巴空調(diào)控制壓縮機(jī)的方案，應(yīng)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(jìn)一步分析研究。