提高家用電器中電機的工作效率

目前，從冰箱、微波爐直到洗衣機和滾筒烘衣機在內的眾多家用電器中，總會(huì )用到電機，特別是交流感應電機（ACIM）。典型的單相ACIM設計如圖1所示。

圖1  傳統的單相交流感應電機系統
圖1中經(jīng)過(guò)修改的分相電機利用一個(gè)串聯(lián)的電容和啟動(dòng)繞組來(lái)在啟動(dòng)時(shí)提供啟動(dòng)力矩。一旦電機達到目標速度的75%左右，一個(gè)離心開(kāi)關(guān)就會(huì )斷開(kāi)電容和啟動(dòng)繞組。通常，為了適應不同的工作速度，此類(lèi)電機都有多個(gè)繞組。
在這種電路中，電機直接連接到主輸入電源，因此電壓和頻率都是恒定的。這也意味著(zhù)，在絕大多數情況下，采用的電機都是針對峰值性能而設計的，即選用的電機力矩比正常運轉時(shí)所需力矩要大。因此，這樣的驅動(dòng)系統效率不夠高，經(jīng)常是產(chǎn)生的力矩比負載要求的要大得多。
這類(lèi)系統中常見(jiàn)的一個(gè)問(wèn)題是當電機工作在低負載情況時(shí)，功率因數（PF）非常低。這會(huì )降低交流電源的質(zhì)量，并影響到連接在同一線(xiàn)路上的其它設備的性能。電力公司已經(jīng)開(kāi)始對客戶(hù)的功率因數值設定限制，并對那些不滿(mǎn)足要求的客戶(hù)實(shí)行懲罰性措施。因此，目前功率因數已經(jīng)成為家用電器的一個(gè)非常重要的參數。對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，要么使用控制功率因數的電器設備，要么讓設備即使在不需要的時(shí)候也保持滿(mǎn)負載狀態(tài)，否則就只能接受低負載情況下功率因數不高而帶來(lái)的懲罰。
可能碰到的另一個(gè)問(wèn)題是運行在同一線(xiàn)路上的其它設備可能導致家電設備的供電電壓浪涌或下降。如果在這些情況下不對電機進(jìn)行保護，那么電機就會(huì )受到損害，從而導致比正常情況下更早地出現故障。
對于這些問(wèn)題，解決方案在于采用智能電機控制。單片機（MCU）技術(shù)的最新發(fā)展帶來(lái)了新器件，這些器件可以更有效地對電機進(jìn)行控制，同時(shí)降低噪聲和器件成本。Microchip Technology 公司（美國微芯科技公司）最近推出的PIC18Fxx31系列有四款8位PICMicro(r) MCU。該系列產(chǎn)品集成了幾種新的專(zhuān)門(mén)針對電機控制的外設，包括一個(gè)功率控制脈寬調制（PWM）模塊、一個(gè)可與PWM同步的200kbps模數轉換器及一個(gè)運動(dòng)反饋模塊。這些新功能不僅使得智能化電機控制成為可能，還簡(jiǎn)化了系統設計流程。下面的例子展示了利用其中一款新的MCU而設計的典型三相交流感應電機的驅動(dòng)電路設計。
如圖2所示，變頻驅動(dòng)（VFD）是交流感應電機最常用的電子控制方式。變頻驅動(dòng)的額外好處是允許用戶(hù)利用單相交流電來(lái)驅動(dòng)三相交流感應電機。

圖2  采用PIC18Fxx31 MCU的三相ACIM變頻驅動(dòng)電路框圖
VFD作為變頻發(fā)生器，允許用戶(hù)設定電機的轉速。首先，整流器和濾波器將交流輸入轉變?yōu)榧y波極低的直流。然后，在PICMicro MCU的控制下，逆變器將直流轉換為三相變電變頻交流。采用單片機還可以實(shí)現一系列其它功能，如直流母線(xiàn)電壓檢測、過(guò)壓和欠壓跳閘、過(guò)流保護、精確轉速/位置控制、溫度控制、方便的控制設置、顯示、用于實(shí)時(shí)監控的PC連接以及功率因數校正。
單個(gè)VFD可以控制多個(gè)電機，并可適應幾乎任何工作條件，而且還不再需要在啟動(dòng)時(shí)對電機進(jìn)行預熱。對于給定的額定功率，VFD提供的控制和驅動(dòng)僅取決于算法。這意味著(zhù)同一VFD可用于范圍廣泛的額定功率。這樣可以避免出現傳統電機控制相關(guān)的問(wèn)題。
PIC18Fxx31器件集成了實(shí)現此類(lèi)VFD所需要的所有控制功能，并且可提高電機的可靠性、降低噪聲并延長(cháng)其使用壽命。最大的好處是可以使眾多家用電器最多能夠提高30%的工作效率。
有關(guān)電機控制的更多資料可從Microchip的公司網(wǎng)站：www.microchip.com/motor 找到。