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三相BLDC电机是如何帮助家电系统节省能源的?

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家用电器传统上使用交流感应电机,但随着能源效率的普及,出现了新的挑战:寻找不会影响性能的解决方案。本文探讨了三相无刷直流电机作为设计解决方案的应用。

家用电器的增长和扩展创新与家电制造商必须遵守的节能和节能法规和认证密切相关。例如,能源之星的要求之一是降低功耗,同时保持稳健性和高性能。因此,降低整体系统功耗有助于家电制造商遵守并获得认证。

为了节省电力,许多应用正在转向三相无刷直流(BLDC)电机进行操作,包括冰箱循环和压缩机风扇,洗衣机排水和水泵,空气净化器,空气交换器和天花板,排气和底座风扇(见图1)。家用电器所需的功率可高达80W,而对于工业应用,功率可低至5W至千瓦。

 

典型的家电

图1.典型的家用电器。

 

从历史上看,家用电器使用单相交流感应电动机。随着永磁体电机的发展,许多公司现在可以开发和生产小尺寸的低成本三相BLDC电机,其支持与单感应电机相同的扭矩水平。尽管BLDC电机在物理和机械方面都很复杂,但与单相交流感应电机相比,它们对系统设计更有效,安静和灵活。在本文中,我将深入介绍TI的BLDC电机驱动技术如何简化并帮助设备制造商设计和实现高效率,超静音运行和可靠的电机系统。

 

单相交流感应与三相无刷直流电动机的区别

如图2所示,单相感应电动机由转子和定子组成。定子是静止的,而转子旋转以产生用于产生扭矩的磁场。此外,单相交流感应电动机具有定子和转子绕组以及滑动频率。

BLDC电机(见图3)也有一个定子和转子; 但是,转子是永久磁铁。由于绕组安装在定子上,因此没有转子绕组损耗。

滑动频率是磁场和电动机转速之间的差异,导致单相交流感应电动机的电动机速度控制出现问题。BLDC电机使定子和转子之间的速度同步,使其易于控制。

 

单相交流感应电动机的示例

图2.单相交流感应电机示例

 

三相BLDC电机的示例

图3.三相BLDC电机示例

 

图4显示了在相同负载条件下每种电机类型的功率效率,使用小于100W的电机收集数据。您可以清楚地看到,对于低功耗(低于100W)应用,三相BLDC电机可提供高效率。此外,BLDC电机由于缺少电刷而具有长寿命和极低的电噪声,使其可用于各种应用,包括电器。

 

交流电机系统和BLDC电机系统的效率比较

图4.效率比较

 

对于不同的应用,地理区域具有不同的电源插座额定值,其规定了单相交流感应电机的功率和频率。例如,美国要求交流线路为120VAC,60Hz; 欧洲需要230VAC线路,50Hz。这很重要,因为设计人员必须使用不同的单相交流电机来适应区域电源要求,这会使电路设计复杂化。此外,直接连接到交流线路的单相交流感应电机不能为用户提供控制电机速度的灵活性。

将BLDC电机用于低功率应用的另一个优势是,与单相交流感应电机相比,它们的尺寸可以小到五倍(见图5)。此外,单相AC感应电动机在操作期间产生强烈的电气和机械噪声,这取决于应用可能是不舒服的。

 

单相交流感应与三相无刷直流电机

图5.单相交流感应与三相无刷直流电机

 

三相BLDC电机需要额外的电路来驱动和控制电机,对于经验较少的设计人员而言,由于设计复杂性,从单相交流感应电机转移到三相BLDC电机系统可能会很困难并且势不可挡。然而,TI电机驱动器使得从单相交流感应电机转变为三相BLDC更容易。

TI的集成电机驱动器产品系列将控制逻辑,栅极驱动器和场效应晶体管(FET)集成在一个封装中,使您能够设计简单且经济高效的电机控制。采用TI专有的180度无传感器正弦算法,DRV10987 IC实现了高效率和超静音性能。该集成解决方案的产品可支持12V和24V总线电压。这些是器具应用的常见电压。

例如,DRV10987非常适合24V系统,并具有可调节的压摆率和输出脉冲宽度调制(PWM)频率,可用于电磁干扰(EMI)管理。这些功能有助于消除滤除EMI所需的外部电路,从而降低整体材料清单(BOM)成本并节省印刷电路板(PCB)电路板空间。

除了完整的智能电机驱动器产品组合外,TI还针对洗衣机/干衣机,冰箱,空气净化器,加湿器和住宅风扇进行了全面测试的参考设计。这些参考设计包含测试数据,源文件和设计指南,可帮助您开发和简化产品设计,从而加快产品上市速度。例如,用于空气净化器风扇的24V,50W BLDC电机正弦驱动参考设计基于DRV10983三相正弦电机驱动器。

 

表1总结了使用三相BLDC电机与单相交流感应电机的优势。

 

表1.用于器具的BLDC和AC电动机系统的比较

BLDC与交流电机系统的比较

 

TI的集成电机驱动产品有助于向低功耗设备应用过渡到更简单,更强大,更小巧的三相BLDC系统,其产品有助于降低功耗和其他设计复杂性,同时保持高效率和安静运行。