压缩机PTC型启动器测试方法的研究

黄露超 黄庆明 谷 荀

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着我国经济水平的提高，电冰箱作为最常用的家电产品步入千家万户，在日常生活中使用广泛。压缩机是电冰箱最核心的部件，而PTC型启动器是压缩机最常使用的一个元件。当PTC型启动器受到异常高电压时，会冲击内部的热敏元件，造成PTC芯片的损坏，同时会产生强大的电能，聚集的能量瞬间产生电弧，进而引起附近可燃性材料起火并可能造成火灾。针对以上可能出现的情况，本文从PTC型启动器特性和PTC型启动器（PTCR）高电压测试出发，给出了产品的测试结果数据，验证了PTC型启动器在高电压下进行测试的重要性。

1 PTC型启动器特性

PTC（Positive Temperature Coefficient）即正温度系数，也可泛指具有正温度系数的半导体或元器件。PTC热敏电阻是电阻值随温度上升而发生显著变化的一类半导体电阻，按照制造材料主要分为陶瓷PTC热敏电阻和有机聚合物PTC热敏电阻两类。其中有机聚合物PTC热敏电阻是将碳粉与高分子聚合物进行混合压制形成，在常温状态下碳粉构成可导电的碳链，电阻值较低；温度升高，聚合物膨胀使碳链断裂，电阻值迅速增大。陶瓷PTC热敏电阻是具有正温度系数的无机材料（如钛酸钡）经过高温烧制工艺制成。高分子PTC热敏电阻的热容较小，电阻值突变速度快，因而在冲击后恢复时间更短。但其内部结构造易受冲击影响，每次冲击后电阻值增大，无法恢复成原始值。陶瓷PTC相对制造工艺简单，造价便宜，且经受多次冲击电阻值变化不大。但在高温下易出现负阻效应。

PTC热敏电阻的特性主要有电阻-温度特性（阻温特性）和电压-电流特性（伏安特性）。阻温特性是指在某电压下，PTC热敏电阻零功率电阻值与温度间的依赖关系[1]。如图1所示，在一定温度范围内，电阻值变化不大；而超过居里温度点后，阻值随温度显著增大，直到达到最大电阻。阻温特性曲线的陡峭程度由温度系数α表示，α越大，意味着PTC热敏电阻对于温度变化的反应越灵敏，PTC效应越显著，即热敏电阻性能越好。温度系数定义为温度变化导致的电阻值变化，公式为：

图1 PTC热敏电阻阻温特性曲线

一般情况下，T1取Tc+15 ℃，T2取Tc+25 ℃计算。

PTC热敏电阻的伏安特性指在25 ℃静止空气中，达到热平衡状态下的电阻两端电压与电流之间的依赖关系。如图2所示，在0～VK范围内，电压与电流近似呈线性关系，此时电阻值几乎不变，称为不动作区；在VK～Vmax区域，由于温度升高，电阻值迅速增大发生跃变，此时电流随电压增大而减小，该区域称为动作区。当电压增大到VD后，PTC热敏电阻被击穿。VD称为击穿电压。

图2 PTC热敏电阻伏安特性曲线

PTC型启动器在压缩机回路中的连接方式如图3所示。启动器直接与压缩机次绕组（启动绕组）串联，再与电机主绕组（运行绕组）并联。电压加到压缩机两个绕组上，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，带动压缩机正常运转。此时启动器上电阻很小，一般为几十欧。启动过程中的电流比正常运行电流高4～6倍，大电流使得PTC型启动器上温度迅速升高，超过居里温度点后，电阻值跃变，可达到数万欧[2]。这时电流极小，可忽略不计，启动绕组回路近似为开路。之后运行绕组带动压缩机正常运行。

图3 PTC型启动器在压缩机回路的连接示意图

2 PTC型启动器（PTCR）测试方法

PTC型启动器（PTCR）在受到异常高电压冲击时芯片会被击穿、炸裂，引起PTC型启动器局部高温；此外，PTC芯片炸裂后有可能出现电路短路，在异常高电压冲击下存在火灾隐患。综上所述，对PTC型启动器进行高电压测试，验证其是否符合UL 60335-2-34[3]标准要求。

第一步，使用高电压损坏PTC芯片。首先用毫欧计测量PTC型启动器的电阻值并记录，PTC型启动器组件应安装在电动压缩机上，PTC型启动器连接到压缩机玻璃端子上，连接电源线并且装配好压缩机的接线盒，接线盒外表面应用一块纱布覆盖，纱布的选择要求需要满足UL 60335-2-34[3]标准5.104的条款。纱布应与接线盒外壳的外表面及压缩机壳体的邻近表面密切接触，缝隙处应包裹严实。纱布是否起燃是判断PTC型启动器是否满足UL 60335-2-34标准的依据。

在额定电压下，PTC型启动器组件的电压匀速每2 min增加50 V，直到启动器从低电阻状态转变为高电阻状态。当小于PTC型启动器额定电压的三倍，则电压均以匀速每2 min增加50 V施加，直到达到启动器额定电压的三倍，则该电压应保持不少于6 min。当等于或超过PTC型启动器额定电压（整机额定电压）的三倍，则该电压保持不少于6 min。

然后以同样的速率（匀速每2 min增加50 V）增加PTC型启动器两端的电压，直到PTC型启动器出现以下状态：开路或短路，或者PTC型启动器进入负温度系数区，产生热失控。当其中一种情况发生时，在最后施加的电压应额外保持2 min，在试验过程中均不能引燃纱布。

第二步，在第一步测试后，PTC型启动器没有开路的情况下，则需要进行第二步的测试。启动器应与电阻性负载串联，在施加额定电压时允许最大持续电流通过启动器。额定电压应施加到电路开路，或直到纱布起燃，或至少持续8 h为止。如果纱布着火，应尽快将火扑灭。在试验期间可以使用自复位热电动机保护器。在测试过程中，压缩机绕组从电路中移除，取而代之的是使用电阻性负载，以确保最大持续电流值。

图4 第一步测试参考电路

图5 第二步测试参考电路

3 试验结果

对PTC型启动器分40个进行了上述测试，共出现两种测试结果：

1）PTC型启动器碎裂造成开路，纱布未引燃。此时不造成高温风险，因此判定为合格。合格率为75 %。如图6所示。

图6 PTC型启动器碎裂造成开路

2）PTC型启动器短路，造成纱布燃烧。此时启动器迅速达到高温，温度足以引燃纱布，在现实使用场景中会造成巨大的安全风险，因此认定为不合格。产品的不合格率达到25 %。其测试现场如图7所示。

图7 PTC型启动器短路造成纱布燃烧

由以上数据可得，在短路时，PTC型启动器迅速到达高温，多数情况下温度足以引燃纱布。在实际应用场景中，这一现象将造成巨大的安全风险。因此，对PTC型启动器进行高电压测试是安全测试中不可忽视的一个环节。

4 结论

目前，PTC型启动器应用在冰箱压缩机中数量较大，因此，对PTC型启动器的安全测试也备受关注。本文从PTC型启动器特性方面进行分析研究，对部分产品进行了高电压测试，在40个检测样品中检测出不合格率高达25 %。在实际应用场景中，不合格的PTC型启动器很可能导致短路高温，造成安全事故。因此，对PTC型启动器进行高电压测试是有必要的。本文验证了PTC型启动器高电压测试的重要性，致力于为压缩机PTC型启动器的测试提供参考依据，并推动制冷行业在可靠性方面的发展。