提高家用电器中电机的工作效率

目前，从冰箱、微波炉直到洗衣机和滚筒烘衣机在内的众多家用电器中，总会用到电机，特别是交流感应电机（ACIM）。典型的单相ACIM设计如图1所示。

图1  传统的单相交流感应电机系统
图1中经过修改的分相电机利用一个串联的电容和启动绕组来在启动时提供启动力矩。一旦电机达到目标速度的75%左右，一个离心开关就会断开电容和启动绕组。通常，为了适应不同的工作速度，此类电机都有多个绕组。
在这种电路中，电机直接连接到主输入电源，因此电压和频率都是恒定的。这也意味着，在绝大多数情况下，采用的电机都是针对峰值性能而设计的，即选用的电机力矩比正常运转时所需力矩要大。因此，这样的驱动系统效率不够高，经常是产生的力矩比负载要求的要大得多。
这类系统中常见的一个问题是当电机工作在低负载情况时，功率因数（PF）非常低。这会降低交流电源的质量，并影响到连接在同一线路上的其它设备的性能。电力公司已经开始对客户的功率因数值设定限制，并对那些不满足要求的客户实行惩罚性措施。因此，目前功率因数已经成为家用电器的一个非常重要的参数。对于用户来说，要么使用控制功率因数的电器设备，要么让设备即使在不需要的时候也保持满负载状态，否则就只能接受低负载情况下功率因数不高而带来的惩罚。
可能碰到的另一个问题是运行在同一线路上的其它设备可能导致家电设备的供电电压浪涌或下降。如果在这些情况下不对电机进行保护，那么电机就会受到损害，从而导致比正常情况下更早地出现故障。
对于这些问题，解决方案在于采用智能电机控制。单片机（MCU）技术的最新发展带来了新器件，这些器件可以更有效地对电机进行控制，同时降低噪声和器件成本。Microchip Technology 公司（美国微芯科技公司）最近推出的PIC18Fxx31系列有四款8位PICMicro(r) MCU。该系列产品集成了几种新的专门针对电机控制的外设，包括一个功率控制脉宽调制（PWM）模块、一个可与PWM同步的200kbps模数转换器及一个运动反馈模块。这些新功能不仅使得智能化电机控制成为可能，还简化了系统设计流程。下面的例子展示了利用其中一款新的MCU而设计的典型三相交流感应电机的驱动电路设计。
如图2所示，变频驱动（VFD）是交流感应电机最常用的电子控制方式。变频驱动的额外好处是允许用户利用单相交流电来驱动三相交流感应电机。

图2  采用PIC18Fxx31 MCU的三相ACIM变频驱动电路框图
VFD作为变频发生器，允许用户设定电机的转速。首先，整流器和滤波器将交流输入转变为纹波极低的直流。然后，在PICMicro MCU的控制下，逆变器将直流转换为三相变电变频交流。采用单片机还可以实现一系列其它功能，如直流母线电压检测、过压和欠压跳闸、过流保护、精确转速/位置控制、温度控制、方便的控制设置、显示、用于实时监控的PC连接以及功率因数校正。
单个VFD可以控制多个电机，并可适应几乎任何工作条件，而且还不再需要在启动时对电机进行预热。对于给定的额定功率，VFD提供的控制和驱动仅取决于算法。这意味着同一VFD可用于范围广泛的额定功率。这样可以避免出现传统电机控制相关的问题。
PIC18Fxx31器件集成了实现此类VFD所需要的所有控制功能，并且可提高电机的可靠性、降低噪声并延长其使用寿命。最大的好处是可以使众多家用电器最多能够提高30%的工作效率。
有关电机控制的更多资料可从Microchip的公司网站：www.microchip.com/motor 找到。