Повышение эффективности бытовых электроприборов использованием вентильных электродвигателей низкого напряжения

Бытовые электроприборы являются одними из крупнейших потребителей рынка электродвигателей. Ведь электродвигатели применяются практически во всех бытовых приборах, таких как холодильник, кондиционер, пылесос, сушилки, посудомоечные машины и другие потребители. Помимо того электрические машины использует и мелкогабаритная техника, такая как миксеры, вентиляторы охлаждения электронных компонентов и другие.

Довольно большое количество бытовых электроприборов содержат по несколько двигателей. Например, холодильник использует сервопривод заслонок для распределения холодного воздуха, электропривод клапана водяного насоса для холодильников с генератором льда, один или несколько электродвигателей вентиляторов, а также электропривод компрессора. Блок кондиционирования воздуха имеет внутренний и внешний электроприводы вентилятора, двигатель компрессора,  двигатель управление жалюзи, а иногда даже возможна установка электродвигателя для автоматической очистки фильтра.
Содержание:

Рост популярности вентильных двигателей

Исторически сложилось, что большинство проектировщиков применяют в бытовой технике асинхронные электродвигатели. Но в них есть один недостаток – они шумные, что не желательно для бытовых приборов.

Но шум это не основная проблема. Однофазные асинхронные электродвигатели имеют низкий КПД (как правило, лежит в пределах 45% — 70%), что является значительной преградой на пути внедрения современных энергосберегающих технологий.

Поэтому все больше производителей и проектировщиков электробытовых приборов применяют в своих разработках бесщеточные двигатели постоянного тока (на английском BLDC). Они являются достойной заменой однофазным асинхронным, так как имеют более высокий КПД, низкий уровень шума, большую плотность мощности, высокую степень контроля и довольно длительный жизненный цикл. Но не стоит забывать и о недостатке такого типа электропривода, а именно – бесколлекторные электродвигатели имеют более сложные системы управления, в отличии от однофазных асинхронных.

Более того, современные бытовые электроприборы становятся умнее. Например, некоторые бытовые устройства поддерживают функции программирования пользователем и даже могут использовать некоторые функции IoT (интернет вещей), что требует установки микроконтроллера на них. Поэтому добавляя вентильные электродвигатель, требующий сложной схемы коммутации для своей работы, на устройство с уже имеющимся микроконтроллером проектировщики и производители смогут избежать дополнительных затрат.

Но есть и другие способы для снижения стоимости перехода. Например, конструкторы электрических машин уменьшают стоимость самих электродвигателей за счет перехода от медной обмотки к алюминиевой, или путем замены редкоземельных магнитов на более дешевые ферриты. На системном уровне бесколлекторные электрические машины требуют датчика Холла или других датчиков для реализации обратной связи, необходимой для осуществления коммутационных процессов при управлении электрической машиной. Но появляются новые, более сложные проекты, которые способны создавать алгоритмы, при использовании которых датчики обратных связей не будут нужны.

Схема высоковольтного бесколлекторного электропривода

Некоторые бытовые электроприборы требуют установки вентильных электродвигателей большой мощности, например, стиральная машина, сушилка, системы кондиционирования и отопления (HVAC).

Ниже показана стандартная схема вентильного электропривода:

Схема высоковольтного вентильного электропривода

Здесь блок AC/DC преобразователя (обычный выпрямитель) подает к шине постоянного тока напряжение, как правило, это 150 В или 300 В. Эта шина подключается к инвертору, состоящему из дискретных транзисторов MOSFET или транзисторов с изолированным затвором IGBT. Также довольно часто применяют интегрированные модули  IPM. Система требует дополнительных источников питания 5 В или 3,3 В постоянного тока для микроконтроллера  MCU и 12 В или 15 В для драйвера системы обратной связи. Из – за высокого напряжения на шине постоянного тока варианты интеграции системы управления ограничены  — силовые модули IPM или силовые транзисторы должны быть установлены отдельно от системы управления.

Схема низковольтного бесколлекторного электропривода

Также огромное количество вентильных электрических машин могут использоваться в приборах мощностью до 100 Вт. Такие системы могут извлечь большую выгоду от использования бесколлекторных машин с низким напряжением питания:

Схема низковольтного вентильного электропривода

Для небольших электрических машин применение низкого напряжения питания имеет целый ряд преимуществ:

  • Высокий уровень интеграции: некоторые производители предлагают высокую степень интеграции вентильных электродвигателей с IC драйверами, которые включают в себя алгоритмы управления с обратными связями в хост прошивке микроконтроллера, загрузку приложений и настройку параметров с использованием последовательного интерфейса. А также включают другие общие функции, такие как линейные или импульсные регуляторы напряжения, операционные усилители для реализации процесса измерения тока, встроенные силовые транзисторы, функции защиты – от перегрева, перегрузки, реализации задержки времени и другие;
  • Гибкость: универсальный AC/DC вход преобразователя может позволить использовать одну и ту же систему электропривода для сетей с различным напряжением питания, например, 110 В и 220 В. Подсистему двигателя низкого напряжения гораздо проще и легче адаптировать к системам постоянного тока, таким как обычная аккумуляторная или солнечная батарея. Это значит что один двигатель и контроллер могут применятся к широкому спектру систем;
  • Уменьшение габаритов и стоимости: драйверы управления IC имеют габариты значительно ниже, чем силовые транзисторные модули. В низковольтных маломощных MOSFET очень низкое сопротивление (FET), что минимизирует потери. Это позволяет в некоторых случаях не устанавливать дополнительные охлаждающие компоненты (радиаторы) или выделять дополнительное место на плате для улучшения процессов обмена тепла, что позволяет несколько снизить стоимость схемы. Кроме того, низковольтные конденсаторы меньше и дешевле, чем их аналоги для более высоких напряжений;
  • Безопасность: используемое в таких системах низкое напряжение несет меньшую опасность нанесения электротравм в случае удара электрическим током;

Ниже показан пример контроллера, пригодного для реализации управления низковольтным вентильным электродвигателем:

Схема управления низковольтным бесколлекторным электродвигателем и использованием драйвера  DRV10983

На схеме использован контроллер DRV10983. Это трехфазный бессенсорный драйвер со встроенными силовыми MOSFET транзисторами, которые могут обеспечивать длительный ток возбуждения до 2 А.

Данное устройство реализует собственный алгоритм управления не требующий установки датчика Холла или другого датчика для измерения положения ротора в пространстве. Этот алгоритм реализован на основе непрерывного измерения тока фазы двигателя и вычислении обратной ЭДС, после чего данная информация используется для формирования сигналов управления силовыми транзисторами. Результатом является множество непрерывных сигналов синусоидальной формы, что приводит к значительному снижению уровня акустических шумов.

Внешнее устройство может управлять вентильным двигателем непосредственно через Speed PIN, который может принимать команду ввода ШИМ как через аналоговый вход, так и через последовательную шину I2C. DRV10983 имеет встроенный регулятор, который понижает напряжение до 5 В или 3,3 В для питания внутренних и внешних цепей.

DRV10983 возможны два режима работы – это режим ожидания (3 мА), в котором регулятор работает для питания внешнего микроконтроллера, и спящий режим (180 мкА), при котором устройство переходит в режим минимального энергопотребления.

Применение низковольтных вентильных электродвигателей в электробытовых приборах: посудомоечная машина

Современная посудомоечная машина содержит два насоса с механическим приводом: циркуляционный насос для циркуляции чистой воды и дренажный насос для удаления сточных вод. Хотя многие до сих пор используют посудомоечные машины высокого напряжения (300 В) и бесколлекторные двигатели для этих машин, низковольтные бесколлекторные двигатели все же, по мнению многих разработчиков, являются более привлекательным вариантом.

Блок управления двигателем показан ниже:

Данная схема управления вентильным двигателем посудомоечной машины использует две схемы управления от напряжения 24 В: DRV10983 управляет сливным насосом, а комбинация  DRV8303 / CSD88539ND управляет циркуляционным насосом.
Данная схема управления вентильным двигателем посудомоечной машины использует две схемы управления от напряжения 24 В: DRV10983 управляет сливным насосом, а комбинация DRV8303 / CSD88539ND управляет циркуляционным насосом.

Представляет собой драйвер двойного насоса, который обеспечивает до 130 Вт непрерывной мощности, используя входное напряжение постоянного тока 24 В. В сочетании с универсальным блоком питания типа AC/DC, он формирует полный эталонный дизайн.

Система двухдвигательного электропривода включает в себя драйвер для управления двигателем большей мощности (100 Вт) циркуляционного насоса и двигателя меньшей мощности (30 Вт) дренажного насоса. Дискретная реализация привода циркуляционного насоса предоставляет гибкость, которая необходима для масштабирования уровня мощности вверх или вниз по мере необходимости применения.

В дополнение к DRV10983 в схеме существуют и другие компоненты управления электроприводом посудомоечной машины:

  • Микроконтроллер: MSP430G2544 микроконтроллер смешанных сигналов малой мощности с 16-разрядным RISC-ядром и 16 Кбайт энергонезависимой памятью. Периферийные устройства включают в себя двенадцать 10-разрядных АЦП, 32 ножки GPIO, а также SPI, UART, SPI и последовательной связи;
  • Предварительный драйвер циркуляционного насоса: DRV8303 обеспечивает три полумостовых драйвера, каждый из которых может управлять двумя N — канальными MOSFET транзисторами. Он способен пропускать до 1,7 А и ток затвора 2,3 А с управлением скорости нарастания выходного напряжения для снижения электромагнитных помех;
  • Силовой драйвер питания циркуляционного насоса: три CSD88539ND двойных N-канальных MOSFET транзисторов обеспечивают большую мощность для фаз вентильного электродвигателя. CSD88539ND, который использует NexFET транзисторы, реализующие технологию силовой макроячейки MOSFET третьего поколения, которая предлагает низкое сопротивление RDS(ON)  и малую паразитную емкость, делая его максимально эффективным для применения в высокочастотных системах;
  • Устройства поддержки включают в себя цепь контроля TLV803S для инициализации и контроля синхронизаций. Четырехканальное устройство защиты электростатического разряда (ESD) TPD4S09; датчик температуры LMT84; CSD17304Q3 NexFET силовые транзисторы для подачи напряжения обратной полярности и защиты; ISO7421 двухканальный 1 Мбит модуль с цифровым изолятором для UART связи с внешним модулем;
  • Программное обеспечение: микроконтроллер программируется с помощью программного обеспечения для управления вентильными электродвигателями InstaSPIN-BLDC компании TI для бессенсорного трапециевидного управления бесколлекторными электрическими машинами. В отличии от других пакетов бессенсорного программного обеспечения работающего на принципе переходе ЭДС через ноль, InstaSPIN-BLDC контролирует поток электрической машины для определения времени коммутации электрических ключей (MOSFET). Такой подход обеспечивает более устойчивую работу на низких скоростях, чем метод противо ЭДС, которая имеет худшие показатели качества регулирования при низких скоростях из-за наличия шумов в сигнале.

Выводы

Подходы к проектированию и производству электробытовой техники постоянно меняются, включая в себя более сложные электронные компоненты и системы, а системы электроприводов бытовой техники тоже не исключение. Большой толчок к более энергоэффективным технологиям с улучшенными характеристиками EMC / EMI уже привело к замене асинхронных машин на вентильные во многих устройствах.

Следующим шагом является применение низких напряжений питания электрических машин, что позволяет улучшить безопасность, контроль, а также снизить стоимость.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: