1 引言
单向压缩机单机启动时，感应电机既要克服本身的惯性，又要克服高压制冷剂的反作用。因此电机需要很大的启动电流和转矩，当电机运转正常时，上述转矩将大幅下降。为此，需要增设一个压缩机启动电路，以便提供电机启动时所需的转矩，当进入正常运转后，该电路应自动断开。传统采用PTC热敏电阻器，PTC的恢复时间大约3分钟，且大功率热敏电阻器价格不具优势。另一种传统的重锤式结构，其制造工艺烦琐，电压控制精度一般，有安装方向性局限。结构如图1所示，其线圈驱动方式采用交流磁场产生吸力的工作方式，动作电压的控制时靠调整可动贴片上弹簧的位置，在制造过程中工序较为复杂。
交流动作的随机性，在动态接触或断开瞬间也是随机的，为保证有效断弧以确保电气寿命，其触点耐受能力要求使之触点接触表面大，成本相应也高。
动作电压公式为：
式中，K1，K2为常数，R为线圈电阻，F为机械反力，f为电压频率。
从以上公式可以看出，电压频率越高，动作电压越大；反之亦然。所以，同样的产品，50Hz和60Hz电压下，动作电压是不同的，无法同时兼容。
继电器的发热功率P公式为：
式中，R为线圈电阻，L为线圈电感，f为电压频率。
从以上公式可以看出，电压频率越低，发热量越大。所以，频率越低发热越高，不具频段范围内通用性。
2 电机启动模块设计
本文所提新型设计方法内部继电器是直流驱动型，受频率、温度影响较低。且新设计在成本、兼容性、可靠性、方向性、电耐久能力上做了必要的创新，尤其在耐久性设计上如何通过电路驱动改变电气寿命上进行尝试，并获得良好效果。
2.1 电子元件选型及计算
该模块包括：电源电路、稳压电路、电压采集电路以及电机控制电路4个主要电路部分。电源电路采用阻容降压模式，阻容减压时应注意以下几点：
（1）根据负载电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容。
（2）限流电容需无极性且耐压能力需超过420Va.c。
（3）考虑尽量减小稳压电路电源的充电时间和效率，采用桥式整流。
Rcoil为继电器线圈电阻，线圈稳定电压Vcoil不低于额定电压的50%，可计算得阻容降压电容的容值C1。C2为储存电解电容，在电压上电时，稳压电路对C2充电，存储足够的能量保证当Q1驱动时，有约多倍额定电压用来驱动继电器，并能维持在超过线圈额定电压的时间大约5ms，这样继电器的动作时间约为额定电压驱动时的1/4，使触点快速断开，在大负载情况下，切断的速度影响在断开瞬间的烧蚀面积及能量分散，可以大大减少触点材料的烧蚀和材料转移，提高电气耐久性。而当继电器驱动稳定后，由于阻容减压C1趋于电流恒定，线圈电压降至额定电压的50%，却足以继电器驱动保持，实现整机低功耗运行。
2.2 电路设计
图2 电路原理简图及原理框图
电压采集电路由电阻分压、二极管稳压组成的电路回路，对输入电压采集，采用半波整流方式，当输入电压大于规定设置值时，稳压二极管导通，三极管打开，继电器线圈得电。由于输入是交流电，如果直接用采集的电压驱动继电器，会出现峰峰驱动，0点断开现象，继电器驱动电压会出现方波型驱动，触点有抖动现象，故需要在继电器出现驱动时，用反馈三极管强制介入，拉高驱动三极管基极电压使之瞬间饱和，避免过多能量在三极管上损耗，且两个三极管形成自锁实现驱动保持。二极管的作用是采集电路同时要检测稳压电路的电压是否达到100Vd.c.的驱动，如果未达到，则采集回路通过二极管分流，以降低稳压二极管输入电压，使稳压二极管无法达到开启条件，避免在稳压电源未达到时继电器就得电，影响电气寿命。继电器未驱动时，回路的负载很小，所有的电压会加在稳压电路电解电容上，而电解电容的选择要充分考虑其耐压，在未达到继电器驱动条件时，也要对稳压电路电压峰值进行限制，以保护电解电容，当稳压电路达到100Vd.c时，三极管处于开
启工作状态，打开副回路中电阻负载，把稳压电路的电压箝位在100Vd.c.。当驱动电压需要调整时，该模块也很好调整，只要调整回路中的阻值即可，对生产没有影响，无需校正，是在SMT时调整BOM单即可，非常方便。
2.3 可靠性设计及验证
初始设计在原理样机试制试验中是可以达到预期设计要求的。但是在原理样机试制过程中发现，当输入电压从0阶跃到195Va.c.以上时，稳压电路部分处于刚充电状态，还未充到预期电压时电压采集部分已经达到线圈驱动的条件，故出现稳压电路还没有达到预期的100Vd.c.时，继电器已经打开，没有实现2倍线圈电压驱动的预定设计目标，这在电气寿命试验中将非常致命。而且在试验过程中，有发现电气寿命负载大于35Aa.c.时继电器有误动作现象，电场干扰明显，且限流电阻易烧毁。
新的解决思路如图2框图，在电压采集部分增加输入电压和稳压电路采集，采用电路与的方式，只有2个电压都达到条件，才允许继电器动作。本设计的巧妙之处在于只多加了一个二极管，并适当调整电阻值，成本基本没有增加，而且可以缩短稳压电路部分电解电容的充电时间。
在抗电磁干扰方面，一开始把滤波电容加在稳压二极管的前端，效果并不明显，这是因为干扰源从输入电源浸入，除了从采集电压电路引入之外，还会通过稳压电路引入到线圈自锁电路上，故把滤波电容加在稳压二极管的后端，即与电阻并联，同时把驱动三极管由原来的MOS管改为JET三极管，这样基极由电压型转变为电压电流型，即基极需要一定的负载能力才能驱动三极管，抗干扰能力更强，同时可以使线圈驱动有一定的滞后，可以确保稳压电路的100Vd.c.充电。
图3是电压0→220Va.c.驱动时的线圈驱动波形稳压电路100Vd.c.采集波形（1为稳压电路，2为线圈驱动，3为输入电压），由图可以看出，充电时间与输入电压有关，电压越大，充电时间越短，会影响继电器驱动响应时间，但又是必不可少的，100Vd.c.线圈驱动是本设计之关键；继电器驱动大于额定电压的保持时间约18.5ms，符合设计理论要求；图示4波形所示断开时间2ms。由以上可以分析，基本达到预期的设计要求。
图3 超过额定电压48V的驱动时间为18.5ms
图4 线圈驱动到触点断开时间为2ms
除以上改进之外，触点间隙也决定在断开时的拉弧程度，为避免触点面的过渡烧蚀，提供继电器寿命，继电器的触点间隙要控制在一定范围内。
3 结语
本设计的核心点在于：动作电压精准控制，具有50Hz/60Hz通用性；继电器快速断开驱动设计；继电器稳态降压保持设计；充电保护电路设计和释放电压可靠性设计；继电器触点断开大间隙要求；保留原有老式结构的安装方式和引脚封装，且不用考虑安装方向性问题。
从以上的原理及实践应用结果看，该种电机启动模块方案是可行的，其电路简单，成本比传统的纯机械式结构的继电器要低很多，容易实现自动化生产。该电源的不足之处是上电瞬间电容需要充电到预期电压后继电器才动作允许，有一定的响应滞后（约80ms）。在设计中，为确保100Vd.c.线圈驱动，滞后必不可少，只要求在机械寿命或电气寿命试验过程中老练频率不宜过高，在空调压缩机电机启动实际应用中，这一问题不会影响正常控制。
参考文献
[1]EN 60730-1：2013.
[2]马名贵，刘军．浅谈空调压缩机电机驱动系统[J]．科技视界，2017，（6）．
[3]孙晓晖，和红梅，李爱宁．大型空气压缩机启动方式分析[J]．河北工程技术高等专科学校学报，2016，（3）．
（作者系厦门宏发电声股份有限公司中级工程师）
