经济、高效地控制双向电机

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2013 四月

结合电容器与扼流圈于电机运转方面的应用

经济、高效地控制双向电机

一款双向交流电机控制设计的STMicroelectronics使用了EPCOS（爱普科斯） LCap产品，该元件在单个坚固封装中包含了电机运转电容器与扼流圈。LCap时间容差小、尺寸紧凑、装配简单，设计用于经济、节能型驱动控制，包括洗衣机、干燥机、车库自动门、门自动开启装置与电动窗帘等。

电器中使用的标准双向异步感应电机（如经济型洗衣机）有两个绕阻：主绕阻与辅助绕阻。电机电容器的作用是通过切换至所需绕阻来在所需方向启动电机。通常，机电式开关用于控制电机（开-关及旋转方向）。

但机电式开关缺点明显：产生噪音、击穿风险高、平均寿命低于电子元件。为提高工作寿命与可靠性，减少功耗并使变频器更加安静，使用电子控制解决方案替换机电式设计（继电器）的需求十分巨大。

可靠、精致的解决方案

STMicroelectronics与TDK携手为双向交流电机成功开发了一套精致、经济的电子控制系统（图1）。该设计包括以下几个电路元件：

STM微控制器单元 (MCU)
STM双向晶闸管（ACST、BTA与High Tj双向晶闸管系列），用于将功率切换至所需绕阻
EPCOS（爱普科斯） LCap电机运转电容器与扼流圈组合产品可使辅助绕阻产生相移，从而为开关提供过流保护。

图1：电子电机控制

MCU驱动电机主绕阻与辅助绕阻的两个双向晶闸管。EPCOS（爱普科斯） LCap结合了电机运转电容器与串联扼流圈。

与使用机电式开关的电路相比，该设计具备如下优点：

效率更高——双向晶闸管由单个脉冲操作，不需要继电器线圈中有持续电流，从而减少能耗。
可靠性更高——双向晶闸管比继电器寿命更长
无火花操作使电磁辐射减少
无需使用机械继电器从而降低噪音
适用于车库门与门自动开启装置或电动遮阳篷与自动窗帘的单速双向驱动

最新一代的双向晶闸管可快速切换，且只需5 mA栅电流即可驱动，因此非常适用于此应用。另外，举例来说，双向晶闸管浪涌电流容量 (ITSM) 极高。单个16-A双向晶闸管可耐受140 A的浪涌电流20 ms，重复di/dt可达到100 A/μs。相位角的控制也极其方便，而使用机械继电器就很难做到这点。

集成扼流圈有效限制过流
有两个双向晶闸管的电子电路需要一个扼流圈来保护开关，避免发生电流过载。比如，电路中的电磁辐射可使两个开关均处于“开启”状态，这样会对电容器放电而无任何电流限制进而电流过载会损坏开关。为防止此类问题，可在电容器上串联一个电感器，以便电流过载时对电容器的电流进行限制。

两个双向晶闸管均被同时强置为“开启”状态时，电流的第一个峰值可达到1000 A以上（图2）并持续25 μs之久（红线）。该值是230 V、50 Hz、额定功率150 W的双向异步感应电机在由包含两个双向晶闸管、使用10 μF相移电容器的电路驱动时的典型值。如此大的电流超出了双向晶闸管允许的最大值。

图2：电容器串联扼流圈前后的峰值电流

两个双向晶闸管均被同时强置为“开启”状态时，如无扼流圈保护，通过开关的峰值电流可达到1073 A并持续25 µs（红线）。设置扼流圈后峰值电流被限制为232 A、持续110 µs（绿线）。

串联一个扼流圈可有效限制电流峰。di/dt比率也将降至双向晶闸管可承受而不被损坏的值。如图2所示，80 μH的电感可将第一个峰值电流降至250 A（绿线）以下、持续110 μs，使电流保持在安全运行范围。

STMicroelectronics实验室的测试表明，使用EPCOS（爱普科斯） LCap时效果最佳。LCap是一款电容器与扼流圈组合产品，在一个封装中结合了相移电容器与限流扼流圈。在清洗模式下，通过交替开启每个双向晶闸管，滚筒可双向旋转。感应电机的两个绕阻中的一个由电源直接供电，另一个由电机运转电容器供电，电容器上会产生相移与高电压，峰值电压可达650 V。旋转模式下仅有一个双向晶闸管开启，因为滚筒只在一个方向以最大转速旋转。

一个封装、两个元件

EPCOS（爱普科斯） LCap在一个封装中结合了电机运转电容器与扼流圈。与分散元件解决方案相比，LCap在性能与物流方面具备以下优势：

低抗阻
长期稳定性好，容差小
坚固、无需维护
尺寸紧凑
引脚数由4个减少为2个
装配时间少

与分散式解决方案相比，在一个封装中电容器与扼流圈组合产品的容差限更窄。因为对于气芯线圈扼流圈，机械影响会对绕阻产生物理更改，因而容差通常更大。除理想的电气特性外，LCap在生产线装配也具有可测量的优势。另外，元件数减少表示所需装配操作更少，故障率也会有所降低。借助这些优势，众多国际市场领导者已成功应用LCap技术来打造经济实惠、易安装的解决方案。

表1: EPCOS（爱普科斯） LCap电机运转电容器与扼流圈组合产品的主要参数

电容器
额定电容 [µF]	3 至 50
额定电压 [V AC]	230 至 450
容差[%]	± 5
扼流圈
额定电压[µH]	5 至 100
容差[%]	± 10

EPCOS（爱普科斯） LCap有各种额定电容与电感值可选。客户也可定制其他参数值、适用于小型电机的LCap型号。

表2: LCap与双向晶闸管的典型组合

电机功率	*EPCOS LCap (B32350)**		TRIAC ¹⁾
[W @ 230 V, 50 Hz]	电容[µF]	电感[µH]	Type
120	4	5	ACST610-8 BTA06-800TWRG BTB12-600TWRG
190	10	80	ACST1235 ACST1035 BTA12-800CW
250	50	100	ACST1235 ACST1035 BTA12-800CW

¹⁾ 来源于STMicroelectronics