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必易微單相交流電機(jī)立扇解決方案

必易微 ? 2022-03-16 18:08 ? 次閱讀
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概述

風(fēng)扇在我們的日常生活中發(fā)揮著重要的作用,且便宜、安裝方便、擺放容易。隨著人們生活水平的提高,風(fēng)扇的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨向節(jié)能化、智能化、多功能化。傳統(tǒng)方案的能耗和電磁噪音已經(jīng)不能滿足日益激烈的市場競爭,傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)調(diào)速最低擋位轉(zhuǎn)速依然超過額定轉(zhuǎn)速的一半,這更無法滿足日益增長的體驗(yàn)需求。

傳統(tǒng)立扇解決方案

傳統(tǒng)立扇方案主要采用抽頭調(diào)速方法,通過機(jī)械調(diào)速開關(guān)改變主繞組與輔助繞組接線方式,產(chǎn)生互相抵消的磁場實(shí)現(xiàn)單相交流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。一般抽頭調(diào)速的風(fēng)扇電機(jī)是基于滿載工況優(yōu)化設(shè)計(jì),在電機(jī)高擋位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),繞組磁場接近正交的圓形,噪音和效率表現(xiàn)相對較好,而中低擋位時(shí)主繞組和副繞組的結(jié)構(gòu)被改變,繞組合成磁場偏向橢圓,電機(jī)運(yùn)行失去對稱性,轉(zhuǎn)矩脈動分量增加。并且中低擋位工況下,運(yùn)行繞組溫升更高,電機(jī)偏離了原有優(yōu)化的狀態(tài),其輸入功率也沒有成比例下降,還經(jīng)常伴隨著惱人的電磁噪音。從某種意義來說,抽頭調(diào)速是靠繞組間“出力抵消“,消耗能量來達(dá)到調(diào)速目的。此外,因?yàn)槎喑轭^繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實(shí)際生產(chǎn)中電機(jī)定子繞線需要人工配合,不利于電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

pYYBAGIuo0uATxOnAAHHVjRP3jY701.png圖1 風(fēng)扇傳統(tǒng)多繞組機(jī)械抽頭調(diào)速解決方案

必易微單相交流電機(jī)立扇解決方案

為了解決傳統(tǒng)交流電機(jī)噪音大,能效低,擋位有限等問題,必易微首推直接交流-交流變換器 (DAAC?) 調(diào)速方案,將輸入正弦交流電壓轉(zhuǎn)換成正弦包絡(luò)的高頻交流斬波電壓。與傳統(tǒng)抽頭方案調(diào)速不同的是,必易微 DAAC? 方案的高頻開關(guān)分量可以很容易被感性的電機(jī)繞組濾除,只保留低失真的正弦電壓,可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載靜音高效運(yùn)行。同時(shí),必易微 DAAC? 方案天然支持輸出斬波占空比無級調(diào)速。

pYYBAGIuo5aATjpVAAB8hJdbp68594.png

pYYBAGIuo7iAIe99AACr3srF8mg214.png

poYBAGIuo8qABIybAAChFBhYN1A475.png圖2 直接交流-交流轉(zhuǎn)換器 DAAC?

KP86202SG 是一款集成 DAAC? 控制算法的單相交流電機(jī)控制器。圖 3 是基于該控制器的交流立扇方案。主控芯片 KP86202SG 通過輔助芯片 KP49101VP 獲取交流供電電壓和電流檢測信號,產(chǎn)生 12V 和 5V 電壓,給整個(gè)系統(tǒng)供電。KP86202SG 主控芯片接收來自單片機(jī)的調(diào)速 PWM 信號,產(chǎn)生兩組半橋互補(bǔ)的驅(qū)動信號以輸出到功率級高壓 MOS,將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成占空比可控的正弦包絡(luò)交流電壓驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。單片機(jī)除了產(chǎn)生調(diào)速指令信號之外,還接收處理紅外觸摸按鍵等信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管LED 界面顯示以及搖頭電機(jī)的控制。值得一提的是,可控硅采用非隔離驅(qū)動技術(shù),可省去成本較高的光耦可控硅。

poYBAGIuo_aAOb0OAADdvzlzxOM496.png圖3 必易微立扇解決方案示意圖

圖 4 為必易微單相交流電機(jī)立扇解決方案實(shí)物結(jié)構(gòu),從左到右分別為驅(qū)動搖頭電機(jī)的非隔離可控硅驅(qū)動、DAAC? 主功率電路 (正反面共 4 顆)、信號處理供電芯片KP49101VP、必易微 KP86202SG 芯片、觸控彈簧、數(shù)碼管數(shù)顯、紅外接收頭、LED 燈、EMC 濾波電路。

poYBAGIupBOABh5LAAWgcRss6Gk025.png圖4 必易微立扇解決方案實(shí)物圖

KP86202SG 方案特點(diǎn) 1:

更優(yōu)性價(jià)比——高壓自供電,無需低壓電源

poYBAGIupD6ANBBHAAChwgXICCQ400.png圖5?KP86202SG 高壓自供電電路

傳統(tǒng)典型輔助供電電路采用整流橋將交流市電轉(zhuǎn)換為高壓直流電后,再由高壓 Buck 降壓為低壓直流電,所需元器件多,占據(jù) PCB 空間大,成本高。必易微 KP86202SG 高壓自供電采用公頻斬波谷底取電的方式,降低了內(nèi)部高壓 LDO 等效輸入電壓,大大減少了輔助供電的損耗,外圍只需要三個(gè)元器件 (供電 IC 同時(shí)用于供電和電流檢測) 即可對外提供 12V,高達(dá) 28mA (輸入110Vac) 電流,同時(shí)可以給 MCU 和外圍供電,可滿足大部分應(yīng)用需求。

KP86202SG 方案特點(diǎn) 2:

低噪音 (THD<1.5%)——軟啟動算法,減少啟動噪音,純圓磁場調(diào)速,電磁噪音小

必易微單相交流電機(jī)立扇解決方案采用的 DAAC? 架構(gòu)對電機(jī)負(fù)載全工況范圍提供可調(diào)的低失真度交流正弦電壓。這種調(diào)壓調(diào)速方式不破壞電機(jī)在額定優(yōu)化條件的繞組結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù),中低速工況下可以最大程度保證主繞組和輔助繞組的對稱性運(yùn)行。接近圓形的磁場和低諧波電壓讓電機(jī)運(yùn)行地更加安靜。圖 6 是 DAAC? 驅(qū)動下必易微立扇電機(jī)的輸入電壓波形 (粉紅) 和電機(jī)輸入電流波形 (青色);表 1 則給出了一個(gè)典型的 DAAC? 轉(zhuǎn)換效率,功率因數(shù)以及 THD 測試結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出 DAAC?具有優(yōu)異的 PF 和 THD 表現(xiàn)。

poYBAGIupJCAWiGiAAIAAC4f1Wc188.png圖6 立扇電機(jī)典型工作輸出電壓電流波形

pYYBAGIupLCAPs0aAAA-uZWWwIg158.png表1 一個(gè)典型的 DAAC? 轉(zhuǎn)換效率,功率因數(shù)以及 THD 測試結(jié)果

KP86202SG 方案特點(diǎn) 3:

高效無級調(diào)速——比傳統(tǒng)方案更高的效率和更寬的調(diào)速范圍

圖 7 給出了一臺 36W 立扇單相交流電機(jī)的輸入功率隨轉(zhuǎn)速變化的對比曲線,其中藍(lán)色曲線和紅色曲線分別對應(yīng)傳統(tǒng)抽頭方案和必易微立扇 DAAC? 調(diào)速方案。作為對比參照,采用傳統(tǒng)抽頭方案進(jìn)行調(diào)速,難以實(shí)現(xiàn)深度調(diào)速,最低轉(zhuǎn)速依然超過額定轉(zhuǎn)速的一半。并且傳統(tǒng)抽頭調(diào)速方案高擋位也只能離散三檔調(diào)速。抽頭調(diào)速方案的中低擋位采用機(jī)械開關(guān)改變電機(jī)繞組結(jié)構(gòu),產(chǎn)生抵消磁場來降低轉(zhuǎn)速,會使噪音增大,效率降低,若采用傳統(tǒng)抽頭調(diào)速繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速,繞組會有過熱燒壞風(fēng)險(xiǎn)。必易微立扇-DAAC? 方案則可以輕松實(shí)現(xiàn)從滿載到深度輕載轉(zhuǎn)速高效率、均勻平滑變化。對于調(diào)速深度而言,基于 DAAC? 調(diào)速方案的最低轉(zhuǎn)速可達(dá)到 200 轉(zhuǎn)/min (輸入功率 5W) 甚至更低,而作為對比的傳統(tǒng)方案的最低擋位仍超過額定功率一半的 850 轉(zhuǎn)/min (輸入功率26W)。在同樣 850 轉(zhuǎn)/min 的轉(zhuǎn)速下,DAAC? 方案只需要 17W,輸入功率比傳統(tǒng)方案的 26W 整整減少了 35%。

poYBAGIupNeALVlMAAChmhwsboE582.png圖7 調(diào)速曲線對比

KP86202SG 方案特點(diǎn) 4:

更優(yōu) EMC 性能——輸出集成抖頻功能

KP86202SG 內(nèi)置抖頻功能,輸出 PWM 開關(guān)頻率為 20±2 kHz。抖頻功能增強(qiáng)了系統(tǒng)的 EMC 表現(xiàn),在同樣的測試條件下,采用必易微集成抖頻功能方案的 DAAC? 控制方案,可比未集成抖頻功能方案的 EMC 裕量更大。

poYBAGIupPOANPY-AAB8ECnGQvs173.png圖8 必易微立扇方案 EMC 表現(xiàn)

KP86202SG 方案特點(diǎn) 5:

低功耗低成本非隔離搖頭電機(jī)驅(qū)動

KP86202SG 采用高頻高壓電荷泵可控硅驅(qū)動技術(shù),如圖 9,電路分為三個(gè)部分,第一部分為四個(gè) MOS 管構(gòu)成 DAAC? 主功率部分,第二部分為搖頭電機(jī)和可控硅構(gòu)成的搖頭電機(jī)回路,第三部分為可控硅驅(qū)動電路。輸入的高頻信號通過高壓 Y 電容 C1 耦合兩個(gè)二極管的中點(diǎn),經(jīng)過二極管整流,可控硅門級構(gòu)成回路,電流方向?yàn)殚T級負(fù)方向,可控硅工作在二三象限,當(dāng)高頻信號撤除的時(shí)候,回路電流消失,可控硅自然關(guān)斷。

優(yōu)點(diǎn) 1:傳統(tǒng)可控硅驅(qū)動方案典型工作在一四象限,所需驅(qū)動電流大(>5mA),必易微可控硅驅(qū)動方案,工作在二三象限,所需驅(qū)動電流小于 2mA。

優(yōu)點(diǎn) 2:相對于傳統(tǒng)光耦隔離驅(qū)動方案,必易微采用專利的浮地可控硅驅(qū)動方案。

優(yōu)點(diǎn) 3:傳統(tǒng)的可控硅驅(qū)動方案所需元器件多,必易微專利可控硅驅(qū)動方案僅需一個(gè) Y 電容和兩個(gè)低壓二極管!

pYYBAGIupQ-ATHDMAABMtkH8zOY553.png圖9 必易微立扇方案搖頭電機(jī)驅(qū)動示圖

總結(jié)

必易微 KP86202SG 基于 DAAC? 架構(gòu)的單相交流電機(jī)無級調(diào)速控制器集成高壓自供電,提供電源 12V/5V 兩路電源輸出,低噪音、高效率、高功率因數(shù),具有過流過溫等多種保護(hù)功能,更加可靠,性能更優(yōu),是單相交流電機(jī)立扇方案的首選。

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