基于PLC的冰箱压缩机PTC启动器寿命测试系统的设计

（浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014）

摘 要：介绍了一种制冷压缩机用PTC启动器寿命测试系统。测试系统以PLC为控制核心，上位机以TP177A触摸屏作为人机接口，配合使用各种检测设备和传感器对PTC启动器从恢复状态到通电断开这一过程中的电流变化进行实时检测，并对PTC启动器往复多次通电直至其破坏或到达设定的测试次数时为止。系统控制界面友好，操作方便，可长时间自动工作，稳定可靠，在实际应用中成效显著。

关键词：PTC启动器；寿命测试；PLC控制；传感器；触摸屏
 

       随着冰箱、空调等制冷家用电器技术的迅猛发展，制冷压缩机产量和使用量也十分巨大。目前所使用的制冷压缩机多为单相电机，起动时需要借助PTC启动器才能完成起动运转，因而PTC启动器的寿命将直接影响压缩机的正常使用。对PTC启动器寿命进行测试，能为压缩机生产企业乃至家电生产企业提供重要的数据，从而有效减少因启动器故障而导致产品的返修。

       影响PTC启动器寿命的因素有很多，主要有PTC芯片材料、工作环境和使用频繁程度。本测试系统可以针对这些情况对PTC启动器寿命进行测试。

2.1.1 PTC热敏电阻的阻温特性

       PTC启动器主要工作部件为PTC热敏电阻芯片，是具有正温度系数特性的半导体电子元件，温度系数是不断变化的。当芯片温度较低时，芯片的电阻值略高于标准电阻（热敏电阻芯片在室温25时对应的芯片电阻值定为标准值），而随着芯片温度不断升高，芯片电阻值会先逐步升高，当芯片的温度超过其居里温度点后，芯片电阻值将呈几何数量级增长，达到100兆欧以上^[1]。PTC热敏电阻芯片的阻温特性曲线如图1所示。

图1 PTC热敏电阻阻温特性

2.1.2 PTC启动器动态电流时间特性

       PTC启动器芯片的正温度特性使得其在温度变化过程中出现图1所示的电阻变化，当 PTC 元件两端施加电压后，经过一定时间，焦耳热使 PTC 元件达到设定的开关温度。随着 PTC 热敏电阻器的温度不断升高，电阻值相应增大，电流下降^[2]。PTC启动器芯片的电流时间特性如图2所示（图中标识的电流为交流电流的有效值）。

       由于PTC处于常温电阻状态，此时其电阻值较小，通常处于几欧姆到几十欧姆范围内，随着温度提升，芯片电阻值会先有所降低，达到一个转变温度点后，又逐步升高，因此在通电开始阶段电流略有上升。自身的焦耳热使得PTC芯片温度持续上升直至超过居里温度点后，芯片的电阻呈几何数量级增长，电流急速下降至接近于零电流状态。当温度上升至一定程度后，PTC启动器芯片温度处于相对恒定状态，电流维持在几毫安至十几毫安并有所波动。

图2 PTC启动器电流特性曲线

       PTC启动器工作情况如下：在压缩机电机接通电源的瞬间，启动电流不仅通过运行绕组，同时也通过启动绕组，因为这时PTC的电阻小，故启动绕组通过较大的启动电流，压缩机在启动转矩的作用下启动运转。大约在0.3秒后，PTC元件温度升高，其电阻急剧增大，由于PTC元件与启动绕组串联，因而电机正常运行时，受PTC大电阻的限制，启动绕组的电流很小，近似断开状态，PTC元件起自动开关的作用^[3]。
 

       系统技术指标如下：

     （1）适用范围：采用Mu、Ep芯片的热敏电阻启动器（PTC）。

     （2）控制形式：自动。

     （3）测试精度：电参数测量精度为±0.5%，时间测量精度为0.01S。

     （4）负载电阻：0~100Ω可调，精度为±0.5%，最小分辨率为1Ω。

     （5）试验电源：电压可调，0~650V，精度为±1%，容量为5KVA

       PTC电寿命试验要求为：将PTC启动器置于室温环境中，施加最大工作电压和最大工作电流，按通电5s，断电120s为一个周期，通断20万周期后应满足常温电阻变化率不超过±20%的要求。但分别在1万、5万、10万、15万周期时应取下检测，常温电阻变化率不应超过±20%^[4][5]。

       由于不同型号的PTC启动器在工作时所需电压和电流不完全相同，因而测试系统需要具备提供不同测试条件的功能，能够根据用户的设定调节出所需电压，根据PTC启动器自身电阻值接入负载电阻调节出测试所需的电流。PTC启动器恢复时间一般小于120s，为了保证每次通电时PTC均处于恢复完全状态，测试的间隔时间应不小于120s。测试系统需要具有判断PTC启动器失效的机制，PTC启动器常见异常为内部芯片损坏，如出现裂痕或断裂，芯片损坏导致PTC内阻大幅增加，接通后电流极低或无电流通过，而PTC启动器动作时间较短，一般从接通到断开持续时间只有300ms左右，因此对PTC启动器失效的判定须在300ms内完成，这对电流检测要求较高，能否快速检测出电流将直接影响测试的准确性。

 测试系统共十个工位，可同时测试十只PTC启动器，每个工位有独立控制电路、风扇冷却系统和工位运行状态指示。工位采用循环机制，循环周期可以按照需要进行设定，测试系统有电阻，电流，电压及温度传感器，便于相关参数的测量和系统的安全保护。具体构成参见图3。

图3 系统硬件构成

       其中，PLC选用西门子S7-200 CPU226为主控器，它具有中、小规模的存储容量和数据结构，数据处理和运算能力较强；扩展模块分别为32 I/O数字量 EM223扩展模块和4输入模拟量通道EM231模块；传感器采用24V电源供电，输出4~20MA信号；变压调压由多抽头变压器加调压器组合而成，变压器分为低压（单倍变压输出），中压（两倍变压输出）和高压（三倍变压输出）三段可选调，变压器电压可调范围为0~250V，组合可调电压范围为0~750V。

       电阻块是调节PTC启动器测试回路中电流用负载电阻组成，PTC启动器寿命测试需要在额定电流下完成，因此通过接入外加负载电阻在电路中起限流或电流调整的作用，电阻分为10Ω和1Ω，通过串联加控制短接的方法可实现0~100Ω可调，最小分辨率为1Ω。电阻连接如图4所示。

图4 电阻块连接图示

    图中电阻组合方式为30Ω、30Ω、20Ω、10Ω、4Ω、3Ω、2Ω和1Ω，通过继电器K0~K7不同组合可以组成0~100Ω之间的任意阻值，K0~K7由PLC输出控制。

       本测试系统PLC控制程序使用SIEMENS公司所开发的编程软件工具STEP 7 Micro/Win V4.0版本进行开发，STEP7支持Windows系统，可选梯形图，语句表和功能图进行编程并可实现三种编程语言间转换，使用非常方便，强大的在线功能，便于上载和下载程序，对PLC在线监视，大大方便现场调试工作^[6]。PLC程序设计采用模块化设计方法，便于程序的阅读修改和移植，整个程序由主程序和执行各种任务的子程序组成，包括参数设置，电压调节，电阻调节，工位控制，异常处理，数据保存等模块。软件流程图如图5所示。

参数设置模块：为用户参数设定提供方便，同时处理系统参数和预先设定的数据表等。

电压调节模块：可以按照设定电压值以及当前实际电压值通过PLC数字量输出口输出升压或降压信号，用以控制调压器电机执行电压调节，也可以在测试过程中按照用户的实际操作手动调节电压升降。

      电阻调节模块：依据欧姆定律计算出所需要的电阻值并通过PLC数字量输出口控制继电器接入所需要的负载电阻，负载电阻计算公式为
         R=U/I-r
式中
       U——设定的测试电压
       I——要求的测试电流
       r——PTC启动器内阻

       工位控制模块：采用段控制和定时时序方式控制各个工位依次进行测试，并记录测试工位的各种参数值。

       异常处理模块：监视测试过程中可能出现的异常状况，如出现异常，视其对系统影响选择报警或停机操作。

       数据保存模块：完成对重要参数永久保存。
 
图5软件流程图

       HMI人机交互界面作为本测试系统的上位机，其界面设计采用SIEMENS公司的WINCC flexble 2008版本，WINCC软件是款功能强大的触摸屏界面设计软件，提供丰富的对象供用户选择，同时它包含了比较全面的函数功能，方便使用者开发出功能完善的人机交互界面。

 本系统主要设置了参数设定界面，运行参数查看界面，工位状态实时显示界面及电流电压校准操作界面等基本操作界面。上位机软件结构如图6所示。

参数设定界面提供用户对测试电压、工位电流、循环周期、通电时间及报警温度等参数的设定，为后续的控制提供基准；运行参数查看界面主要提供电压、电流和温度的实时显示，配有直观的棒图显示，方便操作人员监视系统的运行过程中参数的变化情况；工位状态显示界面显示各个工位PTC启动器已完成的测试次数，测试工位通电过程的最大电流，接入测试电路前的PTC启动器内阻值和工位当前所处状态。

图6 上位机软件结构图

       本测试系统设计有“电源”、“电压调节”和“启动/停止”按钮，面板简洁，操作方便安全，如图7所示。接通主电源后首先启动电压调节，电压调节的调压器调压轴为单相交流齿轮减速电机带动，转速为2.5r/m，调压完成便可进入寿命的测试，测试从第一个工位开始，各工位PTC启动器依次接入测试电路，每120秒一个循环周期（此周期可以更具需要设定）。PTC启动器的动作时间一般在0.3~1.2s左右，流经PTC启动器的峰值电流持续时间非常短暂，测试时电流检测的响应时间要求较高，系统采用相对响应时间较高的传感器采集和捕捉PTC启动器通电过程中的电流变化以及电流的最大值，效果明显，数据显示基本能捕捉到电流峰值附近±5%范围内的电流值大小。如图8所示为实时测试时的参数显示，所测试PTC启动器常温电阻为15±20%Ω，最大工作电压为350V，最大工作电流为8A时的测试数据，图8中电阻是PTC启动器即将通电前测得的零功率电阻。

        图7 测试系统外观图                    图8 实时测试参数显示图