【導(dǎo)讀】本文介紹的雙向交流電機(jī)控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用EPCOS LCap產(chǎn)品，該產(chǎn)品在單個(gè)堅(jiān)固封裝中包含了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電容器與扼流圈。與使用機(jī)電式開關(guān)的電路相比，不僅效率、可靠性大大提高，無火花操作使電磁輻射減少，且無需使用機(jī)械繼電器來降低噪音。
電器中使用的標(biāo)準(zhǔn)雙向異步感應(yīng)電機(jī)（如經(jīng)濟(jì)型洗衣機(jī)）有兩個(gè)繞阻：主繞阻與輔助繞阻。電機(jī)電容器的作用是通過切換至所需繞阻來在所需方向啟動(dòng)電機(jī)。通常，機(jī)電式開關(guān)用于控制電機(jī)（開-關(guān)及旋轉(zhuǎn)方向）。
但機(jī)電式開關(guān)缺點(diǎn)明顯：產(chǎn)生噪音、擊穿風(fēng)險(xiǎn)高、平均壽命低于電子元件。為提高工作壽命與可靠性，減少功耗并使變頻器更加安靜，使用電子控制解決方案替換機(jī)電式設(shè)計(jì)（繼電器）的需求十分巨大。
可靠、精致的解決方案
意法半導(dǎo)體（ST）與TDK攜手為雙向交流電機(jī)成功開發(fā)了一套精致、經(jīng)濟(jì)的電子控制系統(tǒng)（圖1）。該設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)電路元件：
• STM微控制器單元 (MCU)
• STM雙向晶閘管（ACST、BTA與High Tj雙向晶閘管系列），用于將功率切換至所需繞阻
• EPCOS LCap電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電容器與扼流圈組合產(chǎn)品可使輔助繞阻產(chǎn)生相移，從而為開關(guān)提供過流保護(hù)。
圖1：電子電機(jī)控制
MCU驅(qū)動(dòng)電機(jī)主繞阻與輔助繞阻的兩個(gè)雙向晶閘管。EPCOS LCap結(jié)合了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電容器與串聯(lián)扼流圈。與使用機(jī)電式開關(guān)的電路相比，該設(shè)計(jì)具備如下優(yōu)點(diǎn)：
• 效率更高——雙向晶閘管由單個(gè)脈沖操作，不需要繼電器線圈中有持續(xù)電流，從而減少能耗。
• 可靠性更高——雙向晶閘管比繼電器壽命更長(zhǎng)
• 無火花操作使電磁輻射減少
• 無需使用機(jī)械繼電器從而降低噪音
• 適用于車庫(kù)門與門自動(dòng)開啟裝置或電動(dòng)遮陽(yáng)篷與自動(dòng)窗簾的單速雙向驅(qū)動(dòng)
最新一代的雙向晶閘管可快速切換，且只需5 mA柵電流即可驅(qū)動(dòng)，因此非常適用于此應(yīng)用。另外，舉例來說，雙向晶閘管浪涌電流容量 (ITSM) 極高。單個(gè)16-A雙向晶閘管可耐受140 A的浪涌電流20 ms，重復(fù)di/dt可達(dá)到100 A/μs。相位角的控制也極其方便，而使用機(jī)械繼電器就很難做到這點(diǎn)。
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集成扼流圈有效限制過流
有兩個(gè)雙向晶閘管的電子電路需要一個(gè)扼流圈來保護(hù)開關(guān)，避免發(fā)生電流過載。比如，電路中的電磁輻射可使兩個(gè)開關(guān)均處于“開啟”狀態(tài)，這樣會(huì)對(duì)電容器放電而無任何電流限制進(jìn)而電流過載會(huì)損壞開關(guān)。為防止此類問題，可在電容器上串聯(lián)一個(gè)電感器，以便電流過載時(shí)對(duì)電容器的電流進(jìn)行限制。
兩個(gè)雙向晶閘管均被同時(shí)強(qiáng)置為“開啟”狀態(tài)時(shí)，電流的第一個(gè)峰值可達(dá)到1000 A以上（圖2）并持續(xù)25 μs之久（紅線）。該值是230 V、50 Hz、額定功率150 W的雙向異步感應(yīng)電機(jī)在由包含兩個(gè)雙向晶閘管、使用10 μF相移電容器的電路驅(qū)動(dòng)時(shí)的典型值。如此大的電流超出了雙向晶閘管允許的最大值。
圖2：電容器串聯(lián)扼流圈前后的峰值電流
兩個(gè)雙向晶閘管均被同時(shí)強(qiáng)置為“開啟”狀態(tài)時(shí)，如無扼流圈保護(hù)，通過開關(guān)的峰值電流可達(dá)到1073 A并持續(xù)25 µs（紅線）。設(shè)置扼流圈后峰值電流被限制為232 A、持續(xù)110 µs（綠線）。
串聯(lián)一個(gè)扼流圈可有效限制電流峰。di/dt比率也將降至雙向晶閘管可承受而不被損壞的值。如圖2所示，80 μH的電感可將第一個(gè)峰值電流降至250 A（綠線）以下、持續(xù)110 μs，使電流保持在安全運(yùn)行范圍。
LCap是一款電容器與扼流圈組合產(chǎn)品，在一個(gè)封裝中結(jié)合了相移電容器與限流扼流圈。在清洗模式下，通過交替開啟每個(gè)雙向晶閘管，滾筒可雙向旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)電機(jī)的兩個(gè)繞阻中的一個(gè)由電源直接供電，另一個(gè)由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電容器供電，電容器上會(huì)產(chǎn)生相移與高電壓，峰值電壓可達(dá)650 V。旋轉(zhuǎn)模式下僅有一個(gè)雙向晶閘管開啟，因?yàn)闈L筒只在一個(gè)方向以最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
一個(gè)封裝、兩個(gè)元件
EPCOS LCap在一個(gè)封裝中結(jié)合了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電容器與扼流圈，時(shí)間容差小、尺寸緊湊、裝配簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)用于經(jīng)濟(jì)、節(jié)能型驅(qū)動(dòng)控制，包括洗衣機(jī)、干燥機(jī)、車庫(kù)自動(dòng)門、門自動(dòng)開啟裝置與電動(dòng)窗簾等。與分散元件解決方案相比，LCap在性能與物流方面具備以下優(yōu)勢(shì)：
• 低抗阻
• 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，容差小
• 堅(jiān)固、無需維護(hù)
• 尺寸緊湊
• 引腳數(shù)由4個(gè)減少為2個(gè)
• 裝配時(shí)間少
與分散式解決方案相比，在一個(gè)封裝中電容器與扼流圈組合產(chǎn)品的容差限更窄。因?yàn)閷?duì)于氣芯線圈扼流圈，機(jī)械影響會(huì)對(duì)繞阻產(chǎn)生物理更改，因而容差通常更大。除理想的電氣特性外，LCap在生產(chǎn)線裝配也具有可測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。另外，元件數(shù)減少表示所需裝配操作更少，故障率也會(huì)有所降低。
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