在电机测试中应用电容器的几个问题

在电机测试中应用电容器的几个问题张文海　　文章编号：1004-7018(1999)04-0044-02　　中图分类号：TM306　　文献标识码：B1 电容器在运行中可否带电接入和断开1.1 电容器在电机测试中，常常需要快速带电接入和断开。例如，测试电容分相电机总电流、总功率、主相电流、主相功率、副相电流、副相功率和电源电压时，一般要接七只表，才能对这些参数进行测试。如果用一五刀三位开关，对功率表、电流表进行总、主、副转换，接线则大为简化，可将原来七只表减少为三只表。这里开关换位时，则必须对分相电容器进行带电断开和接入三次，其简化电路图1： 图1　　这种电容器带电断开和接入的方式是否可行?我们先看电容器断开的情况。因为电容器断开是随机的，很少从交流过零点时断开，因此电容器断开后，一般有残存电荷，表现在两极间有静电电压，通常电压值在零到交流峰值电压之间变化，即0～ U。极性则随断开瞬间的正负半波而定。如果电容器一断开马上接入电路，电容电压与电源电压叠加，就有可能造成电容承受较高的电压。下面我们举一种空调电机的例子进行分析。电机型号为YKF10-2，220V50Hz，功率10W，分相电容1μF。负载时(风叶负载)电容电压283V，空载时电容电压最高达349V有效值，峰值为489V。断开瞬间，有可能就是此值，如果断开又马上接入副相，最坏情况为电容电压与电源电压峰值叠加，即Uom+ U=489+ ×220=797V。是加在电容器和副相绕组串联的电路上，且电容电压与电感电压是反相的，所以在断开接通瞬间，电容器承受的过电压应比797V更低。一般电容电机选择分相电容的额定电压多为电源电压的两倍左右，而电容器的耐压，如聚丙烯电容器的耐压标准，规定能承受1.5倍的额定电压。所以220V的电容电机，分相电容额定电压一般选取为400V，至少能承受848V以上的瞬间高压。上述空调电机带电断开和接通时电容承受的瞬间高压比797V更低，分相电容又能耐848V以上的高压，因此可以这样作结论：在电容分相电机中，电容器可以带电接入和断开，只要电容额定电压选择适当，不会发生电容击穿现象。按图1设计的电容电机实验开关盒，经长期频繁使用，并未发生过电容击穿现象，如上述空调电机实验，每台电机四速，每速五种电压运行，电容额定电压400V，频繁对这种电机总、主、副参数转换测试，也未发现电容器损坏。且有三点为高压运行：230V、240V、264V，测试电容电压为363V、380V、417V亦如此。当264V运行、电容电压为417V时，电容带电断开接通瞬间，副绕组和电容上可能出现的高压为 ×417+ ×220V=892V，仍是安全的，说明前面分析正确。1.2 在音频稳压电源的无功补偿中，也要对电容器进行带电断开和接入。音频稳压电源，是一种小功率两相电源，相位0°～360°、频率0～15kHz可调。由于这种电源输出功率小，为了使能量尽可能地全部输出出去，除阻抗匹配外，还配了一个可调电容箱，对负载的无功功率进行补偿。为了达到最大的功率输出，也常要带电对补偿电容进行投切。　　那么，这种用作小型电源功率因数补偿的电容器带电投切，电容器上承受的瞬时电压有多高?与上面不同的是，这时电容没有与电感串联，只与负载并联。电容器上的电压等于电源电压U，切开时最高也是这个电压U，峰值则为 U。再投入，与电源电压峰值叠加，电容器上直接承受的最高电压则为2 U。例如，一般两相伺服电机激磁、控制电压均小于110V，以110V算，2 U=2×1.4×110=308V。而补偿电容的额定电压为400V有效值，可承受1.5倍耐压，最大值为848V。因此，音频电源补偿电容带电投切不会出事故。实际使用也如此，该设备经十多年使用，未发生过电容击穿事故。如果电机电源电压高，2 U大大高于电容器最大允许电压时，应选用更高工作电压的电容进行外补偿。2 电容电机电容并联和串联的应用　　电容电机离不开分相电容。分相电容有两种接线方式：一种是内接式，电容和电机固定接死，电机只有两根出线；另一种是外接式，电机和电容分开。这种分接式电容电机须兼顾所选电容的容量和工作电压。如果实在找不到适合电容，电容可作并联，电机运转性能基本不变，其接线如图2：
图2　　图2为三台同型号电机分相电容三只并成一只电容使用情况，并联后的电容C的容量，等于单台电机电容容量n倍，即CA=nCB，式中，CB为单台电机电容的容量，n为并联运行电机的台数。如果分相电容不好找，电容电机作寿命试验时，则可用图2电容并联方法进行试验，非常简单。例如，50FJ10轴流式通风机作寿命试验，它的分相电容为0.5μF，如果分接电容运行，三台电机需找三只0.5μF的电容，采用并联方式，找一只1.5μF电容按图2接线，电机便能正常运行。这里特别要强调的是，这种方法作寿命试验虽然很简单，但必须同型号规格的电机并联，如果一台电机损坏，将影响其它电机运行情况，应特别注意，最好能在试验中加保护电路。这是在电容电机试验中，分相电容的特殊并联法。在电容电机试验中，由于分相电容既要满定电容容量的要求，又要满足必须的工作电压，也常采用普通的电容串联方式。一般电容串联后，都存在电压分配不均的问题，在直流电路中，可在接每只电容旁并一只相同阻值的电阻均压，均压电阻的阻值，在1/10绝缘电阻左右选取，这样就比较安全。在交流电路中这种方法不可取，因这时容抗低，均压电阻不可能选大，均压电阻在电容电机运行中，会对一些参数造成不可忽略的影响，故不要用。在交流电路中，电容的端电压是接其容抗分配的，电容量小的电容端电压高，若工作电压选择不当，容易产生击穿现象。我们曾发现，两只聚丙烯电容串联后，使用一段时间电容量变小，后分析是小容量电容耐压不够击穿自愈，容量减小所致。3 用电容器测纹波系数引起较大测试误差　　直流测速发电机普遍要求测纹波系数。所谓纹波系数，就是直流输出电压中，交流分量与直流分量的比，再乘一个百分数。如何测量纹波系数?有用电容隔直的方法测试。即用电容器串联在测速发电机的输出回路中，隔掉直流成分，将交流成分输入到电子电压表中，测出输出电压的交流分量，然后将交流分量比直流分量，乘以百分数，便求得纹波系数Kmb。这种测试方法有两个问题：一是隔直电容如何选择?从容抗观点来看，应选择大容量的电容器，因大容量的电容器容抗低，对信号衰减小，测出的交流分量较真实，应大些。而小容量的电容，因容抗大，衰减大，测出的交流分量不真实，应小些。但实际测试恰好相反，电容量大的隔直电容测出的交流分量反而比电容量小的隔直电容测出的交流分量小。其原因是，电容器一般存在寄生电感，电容容量大，寄生电感也大，对信号衰减也越大，特别是卷绕式电容器。这就是电容量大，容抗小，测出的交流分量不是大反而小的原因。所以隔直电容必须选择寄生电感小的、容量较大的电容器，并在实测中观察衰减情况而定，以测出交流分量最大为准 。另外，直流测速发电机输出的交流分量波形很复杂，不一定都是正弦波。而用电子电压表测得的纹波电压是有效值，不同波形的有效值是不一样的。有的波形峰值电压很高，但有效值却小如尖脉冲；有的波形峰值电压很低，但有效值却大如矩形波。故这种方法测试的纹波系数准确度差，误差较大，不能准确反映真实情况。为了解决这一问题，现在有关标准规定，采用光线示波器拍照法或记录仪记录法，把测速机输出电压波形记录在图片上，读出输出电压的最大值Umax，和输出电压的最小值Umin，然后按下面公式算出纹波系数Kmb： 4 其　他4.1 击穿自愈问题　　电容器在长期使用中，有可能发生击穿。但有的电容器具有自愈功能，击穿后击穿网孔卷缩仍能恢复使用，但容量会有所减小。因此，作分相电容用时，应经常监测电容器的电容量，才能防止因电容量减小使电容电机参数测试不准确。4.2 电容测试的禁忌　　电容器从电路上断开后，一般有较高的残存电荷，有的即使存放很久，也不易全部释放掉。因此，测试电容器容量时，应在测试前将每只电容器两极用适当的电阻短接放电，释放完残存电荷，再接上电容仪测试。如果不这样，电容存有较高的残存电荷，一接上电容仪会马上将电容仪烧坏，这种现象曾多次发生，故应特别引起注意。4.3 非正弦波峰值电压的测量　　正弦波峰值电压通过 U便可计算出来。非正弦波峰值电压，则须用专用峰值电压表才能测试。如果没有峰值电压表，采用小电容充电方法，用高内阻数字电压表DC档，也可测试峰值电压，方法为将测试电压半波整流对一小电容充电，然后用数字电压表测量电容器两端的直流电压，即为该非正弦波信号的峰值电压。其接线如图3： 图35 结　语　　电容器在微特电机测试中使用非常普遍。从上述可知，正确掌握电容器性能，分析在电路中的工作情况，对微特电机测试的准确度和速度都很有好处。如上述电容电机测试，如果不加分析，总认为电压叠加会损坏电容而不能带电接入和断开，必然采用七只表接线方式。这样不但接线麻烦，测试准确度也差。这时总功率就不等于主、副相功率之和，且差别较大，原因是总功率包括了后面几只表的损耗，虽然损耗能够计算扣除，但繁琐了。按图1简化为三只表后，就无此毛病了。另外，七只表接线方法因表太多，读数也容易因混淆而产生错误。

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