В современных системах кондиционирования воздуха, двигатели вентилятора играют центральную роль. Они должны не только обеспечивать стабильный поток воздуха, но и обеспечивать долгосрочную, эффективную и надежную работу. Для достижения этой цели двигатели вентиляторов и их приводные цепи спроектированы со сложной «тройной защитой»: защитой от перегрузки по току, защитой от перенапряжения и защитой от перегрева. Эти защитные механизмы действуют как «хранители» двигателя, быстро реагируя на ненормальные условия эксплуатации и предотвращая повреждения или даже более серьезные аварии.
Защита от сверхтоков: остановка «наводнений» тока
Защита от перегрузки по току является одной из наиболее распространенных мер защиты двигателей вентиляторов, предназначенной для предотвращения выгорания двигателя из-за чрезмерного тока. Аномальное увеличение тока может произойти по разным причинам, например, из-за застревания лопастей вентилятора, подшипников, коротких замыканий в цепи привода или чрезмерных колебаний напряжения. Когда ток превышает номинальное значение двигателя, генерируется значительный джоулевый нагрев, быстро повышающий температуру катушки, что в конечном итоге приводит к разрушению изоляции или даже выгоранию.
Защита от сверхтоков может быть реализована несколькими способами:
Аппаратное измерение тока: это самый прямой и надежный метод. Инженеры обычно подключают токочувствительный резистор (например, шунтирующий резистор или датчик эффекта Холла) последовательно со схемой привода для мониторинга тока, протекающего через двигатель, в режиме реального времени. Когда напряжение на резисторе превышает заданный порог, микросхема драйвера (MCU/DSP) обнаруживает событие перегрузки по току и немедленно отключает питание двигателя. Этот метод обеспечивает быстрый отклик и является основой схемы защиты.
Программное ограничение тока: в драйверах двигателей вентиляторов, управляемых ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), ограничение тока может быть достигнуто с помощью программного алгоритма. Чип драйвера непрерывно производит выборку тока. Когда ток приближается к опасному уровню, микроконтроллер заблаговременно сокращает рабочий цикл ШИМ, тем самым снижая выходное напряжение и ток, поддерживая ток в безопасном диапазоне. Этот метод обеспечивает более точную защиту и предотвращает переходные скачки тока.
Предохранители: использование сбрасываемого конденсаторного предохранителя (PPTC) или одноразового предохранителя на входе питания является простым и эффективным методом защиты от перегрузки по току. Когда ток превышает определенный уровень, сопротивление PPTC резко возрастает, ограничивая ток; одноразовый предохранитель, с другой стороны, плавится, полностью отключая цепь. Несмотря на простоту, этот метод не восстанавливается автоматически и требует ручной замены.
Защита от перенапряжения: защищает от скачков напряжения
Защита от перенапряжения в первую очередь направлена на устранение аномально высоких напряжений источника питания. Например, колебания сети, удары молний или отказы силовых модулей могут стать причиной кратковременных скачков напряжения. Избыточное напряжение может привести к выходу из строя микросхем драйверов (например, МОП-транзисторов) и конденсаторов, а в тяжелых случаях — к возгоранию печатных плат.
Методы защиты от перенапряжения включают в себя:
Диоды TVS (подавители переходного напряжения): Подключение диода TVS (подавителя переходного напряжения) параллельно входу источника питания является распространенной мерой защиты. Диод TVS демонстрирует высокое сопротивление при нормальном напряжении. Когда напряжение на мгновение превышает напряжение фиксации, он быстро проводит ток, отводя избыточную энергию на землю, тем самым фиксируя напряжение на безопасном уровне и защищая последующие цепи.
Варистор: Варисторы работают по принципу, аналогичному TVS-диодам, но имеют более медленную скорость отклика и большую способность поглощения энергии. Обычно они используются для поглощения скачков напряжения высокой энергии и защиты цепей от повреждений.
Программная защита: АЦП (аналого-цифровой преобразователь), встроенный в микросхему драйвера, контролирует напряжение источника питания в режиме реального времени. Когда напряжение превышает безопасный порог, программное обеспечение выполняет процедуры защиты от перенапряжения, такие как остановка выхода драйвера и переход в режим защиты от неисправностей до тех пор, пока напряжение не вернется к норме.
Защита от перегрева: защита от высокотемпературной коррозии
Двигатели вентиляторов будут продолжать нагреваться при работе под высокой нагрузкой в течение длительного времени или при плохом рассеивании тепла. Высокие температуры вредны для электронных компонентов и катушек двигателя, вызывая деградацию изоляции, магнитное размагничивание и отказ смазки подшипников, что в конечном итоге приводит к необратимому повреждению двигателя. Защита от перегрева имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной надежности двигателя.
Защита от перегрева реализуется в основном следующими методами:
Термисторы (NTC/PTC): Установка термисторов NTC (отрицательный температурный коэффициент) или PTC (положительный температурный коэффициент) на обмотках двигателя или радиаторах драйвера является обычной практикой. Сопротивление NTC уменьшается с ростом температуры, тогда как сопротивление PTC уменьшается. Отслеживая изменение сопротивления термистора, микроконтроллер может точно определять температуру двигателя. Когда температура превышает заданный порог безопасности, контроллер инициирует защитную процедуру, например, снижает скорость двигателя для уменьшения нагрева или напрямую отключает источник питания.
Внутренний чип-датчик температуры: некоторые высокопроизводительные драйверные чипы или микроконтроллеры имеют встроенные датчики температуры. Эти встроенные датчики контролируют температуру чипа в режиме реального времени. При перегреве микросхемы они автоматически снижают рабочую частоту или отключают выход, чтобы предотвратить выгорание. Внешний датчик температуры: для двигателей большой мощности на корпусе двигателя часто устанавливается независимый датчик температуры (например, термопара) для более точного контроля общей температуры двигателя и обеспечения обратной связи с основной системой управления. Если температура превышает указанный предел, система кондиционирования воздуха выполнит соответствующие корректировки, например, подаст сигнал тревоги или отключит устройство.
