單相交流電機低噪音風(fēng)扇解決方案

  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現(xiàn)單相交流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。一般抽頭調(diào)速的風(fēng)扇電機是基于滿載工況優(yōu)化設(shè)計，在電機高擋位運轉(zhuǎn)時，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，電機運行失去對稱性，轉(zhuǎn)矩脈動分量增加。并且中低擋位工況下，運行繞組溫升更高，電機偏離了原有優(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“，消耗能量來達到調(diào)速目的。此外，因為多抽頭繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際生產(chǎn)中電機定子繞線需要人工配合，不利于電機標準化生產(chǎn)。

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

  單相交流電機立扇解決方案

  為了解決傳統(tǒng)交流電機噪音大，能效低，擋位有限等問題，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， DAAC? 方案的高頻開關(guān)分量可以很容易被感性的電機繞組濾除，只保留低失真的正弦電壓，可實現(xiàn)全負載靜音高效運行。同時， DAAC? 方案天然支持輸出斬波占空比無級調(diào)速。

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，給整個系統(tǒng)供電。KP86202SG 主控芯片接收來自單片機的調(diào)速 PWM 信號，產(chǎn)生兩組半橋互補的驅(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)動電機運行。單片機除了產(chǎn)生調(diào)速指令信號之外，還接收處理紅外和觸摸按鍵等信息，實現(xiàn)數(shù)碼管，LED 界面顯示以及搖頭電機的控制。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。

圖3 立扇解決方案示意圖

  圖 4 為單相交流電機立扇解決方案實物結(jié)構(gòu)，從左到右分別為驅(qū)動搖頭電機的非隔離可控硅驅(qū)動、DAAC? 主功率電路 (正反面共 4 顆)、信號處理供電芯片KP49101VP、 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。

圖4 立扇解決方案實物圖

  KP86202SG 方案特點 1：

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?qū)⒔涣魇须娹D(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。 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，大幅度減少了輔助供電的損耗，外圍只需要三個元器件 (供電 IC 同時用于供電和電流檢測) 即可對外提供 12V，高達 28mA (輸入110Vac) 電流，同時可以給 MCU 和外圍供電，可滿足大部分應(yīng)用需求。

  KP86202SG 方案特點 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

  單相交流電機立扇解決方案采用的 DAAC? 架構(gòu)對電機負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)，中低速工況下可以大程度保證主繞組和輔助繞組的對稱性運行。接近圓形的磁場和低諧波電壓讓電機運行地更加安靜。圖 6 是 DAAC? 驅(qū)動下立扇電機的輸入電壓波形 (粉紅) 和電機輸入電流波形 (青色);表 1 則給出了一個典型的 DAAC? 轉(zhuǎn)換效率，功率因數(shù)以及 THD 測試結(jié)果。從實驗結(jié)果可以看出 DAAC? 具有優(yōu)異的 PF 和 THD 表現(xiàn)。

圖6 立扇電機典型工作輸出電壓電流波形

表1 一個典型的 DAAC? 轉(zhuǎn)換效率，功率因數(shù)以及 THD 測試結(jié)果

  KP86202SG 方案特點 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 立扇單相交流電機的輸入功率隨轉(zhuǎn)速變化的對比曲線，其中藍色曲線和紅色曲線分別對應(yīng)傳統(tǒng)抽頭方案和立扇 DAAC? 調(diào)速方案。作為對比參照，采用傳統(tǒng)抽頭方案進行調(diào)速，難以實現(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械開關(guān)改變電機繞組結(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。立扇-DAAC? 方案則可以輕松實現(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%。

圖7 調(diào)速曲線對比

  KP86202SG 方案特點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。抖頻功能增強了系統(tǒng)的 EMC 表現(xiàn)，在同樣的測試條件下，采用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。

圖8 立扇方案 EMC 表現(xiàn)

  KP86202SG 方案特點 5：

  低功耗低成本非隔離搖頭電機驅(qū)動

  KP86202SG 采用高頻高壓電荷泵可控硅驅(qū)動技術(shù)，如圖 10，電路分為三個部分，第一部分為四個 MOS 管構(gòu)成 DAAC? 主功率部分，第二部分為搖頭電機和可控硅構(gòu)成的搖頭電機回路，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 耦合兩個二極管的中點，經(jīng)過二極管整流，可控硅門級構(gòu)成回路，電流方向為門級負方向，可控硅工作在二三象限，當高頻信號撤除的時候，回路電流消失，可控硅自然關(guān)斷。

  優(yōu)點 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)，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 2：

  相對于傳統(tǒng)光耦隔離驅(qū)動方案，采用專利的浮地可控硅驅(qū)動方案。

  優(yōu)點 3：

  傳統(tǒng)的可控硅驅(qū)動方案所需元器件多，專利可控硅驅(qū)動方案僅需一個 Y 電容和兩個低壓二極管!

圖9 立扇方案搖頭電機驅(qū)動示圖

  總結(jié)

  KP86202SG 基于 DAAC? 架構(gòu)的單相交流電機無級調(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功能，更加可靠，性能更優(yōu)，是單相交流電機立扇方案的優(yōu)先選擇。