提高家用電器中電機(jī)的工作效率

目前，從冰箱、微波爐直到洗衣機(jī)和滾筒烘衣機(jī)在內(nèi)的眾多家用電器中，總會(huì)用到電機(jī)，特別是交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）。典型的單相ACIM設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1  傳統(tǒng)的單相交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)
圖1中經(jīng)過(guò)修改的分相電機(jī)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(jī)達(dá)到目標(biāo)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(yīng)不同的工作速度，此類電機(jī)都有多個(gè)繞組。
在這種電路中，電機(jī)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，在絕大多數(shù)情況下，采用的電機(jī)都是針對(duì)峰值性能而設(shè)計(jì)的，即選用的電機(jī)力矩比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需力矩要大。因此，這樣的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率不夠高，經(jīng)常是產(chǎn)生的力矩比負(fù)載要求的要大得多。
這類系統(tǒng)中常見(jiàn)的一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)電機(jī)工作在低負(fù)載情況時(shí)，功率因數(shù)（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路上的其它設(shè)備的性能。電力公司已經(jīng)開(kāi)始對(duì)客戶的功率因數(shù)值設(shè)定限制，并對(duì)那些不滿足要求的客戶實(shí)行懲罰性措施。因此，目前功率因數(shù)已經(jīng)成為家用電器的一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，要么使用控制功率因數(shù)的電器設(shè)備，要么讓設(shè)備即使在不需要的時(shí)候也保持滿負(fù)載狀態(tài)，否則就只能接受低負(fù)載情況下功率因數(shù)不高而帶來(lái)的懲罰。
可能碰到的另一個(gè)問(wèn)題是運(yùn)行在同一線路上的其它設(shè)備可能導(dǎo)致家電設(shè)備的供電電壓浪涌或下降。如果在這些情況下不對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，那么電機(jī)就會(huì)受到損害，從而導(dǎo)致比正常情況下更早地出現(xiàn)故障。
對(duì)于這些問(wèn)題，解決方案在于采用智能電機(jī)控制。單片機(jī)（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(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)降低噪聲和器件成本。Microchip Technology 公司（美國(guó)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門針對(duì)電機(jī)控制的外設(shè)，包括一個(gè)功率控制脈寬調(diào)制（PWM）模塊、一個(gè)可與PWM同步的200kbps模數(shù)轉(zhuǎn)換器及一個(gè)運(yùn)動(dòng)反饋模塊。這些新功能不僅使得智能化電機(jī)控制成為可能，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。下面的例子展示了利用其中一款新的MCU而設(shè)計(jì)的典型三相交流感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
如圖2所示，變頻驅(qū)動(dòng)（VFD）是交流感應(yīng)電機(jī)最常用的電子控制方式。變頻驅(qū)動(dòng)的額外好處是允許用戶利用單相交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)三相交流感應(yīng)電機(jī)。

圖2  采用PIC18Fxx31 MCU的三相ACIM變頻驅(qū)動(dòng)電路框圖
VFD作為變頻發(fā)生器，允許用戶設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。首先，整流器和濾波器將交流輸入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為三相變電變頻交流。采用單片機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)一系列其它功能，如直流母線電壓檢測(cè)、過(guò)壓和欠壓跳閘、過(guò)流保護(hù)、精確轉(zhuǎn)速/位置控制、溫度控制、方便的控制設(shè)置、顯示、用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的PC連接以及功率因數(shù)校正。
單個(gè)VFD可以控制多個(gè)電機(jī)，并可適應(yīng)幾乎任何工作條件，而且還不再需要在啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行預(yù)熱。對(duì)于給定的額定功率，VFD提供的控制和驅(qū)動(dòng)僅取決于算法。這意味著同一VFD可用于范圍廣泛的額定功率。這樣可以避免出現(xiàn)傳統(tǒng)電機(jī)控制相關(guān)的問(wèn)題。
PIC18Fxx31器件集成了實(shí)現(xiàn)此類VFD所需要的所有控制功能，并且可提高電機(jī)的可靠性、降低噪聲并延長(zhǎng)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(jī)控制的更多資料可從Microchip的公司網(wǎng)站：www.microchip.com/motor 找到。