｜高效率三相外轉子式變頻感應馬達吊扇驅動器

摘要：感應馬達由於價格便宜、耐溫、堅固、不需要使用電刷與換相片，易於維護，極適合於家電產品應用。在本文內我們提出具有功率因數修正（PFC）的感應馬達吊扇驅動器，以V/F（電壓-頻率比）控制馬達轉速。首先以dsPIC30F3010作為控制核心，應用正弦脈寬調變技術開發高功因高效率變頻三相外轉式吊扇感應馬達驅動器。其中，在輸入電源端加入PFC以確保單位功因操作，避免對電源造成電力污染。同時設計射頻（RF）無線遙控速度控制方式，以方便使用者操控吊扇。最後經由模擬與實驗，驗證本論文所提方法之可行性。

Abstract: A high-power-factor high-efficiency inverter drive for three-phase outside rotor induction motor of ceiling fan is presented in this paper. First, a control board applying dsPIC30F3010 based on voltage-frequency ratio (V/F) to generate PWM signals is established. Second, the power stage using power MOSFETs as power switches and provided with protection circuit is developed. Third, a power factor correction (PFC) is designed to improve input current waveform and power factor, and a radio frequency (RF) wireless remote device is established for users to control ceiling fan easy. Experimental results confirm the effectiveness of the proposed drive for ceiling fan.

關鍵詞：功率因數修正、電壓-頻率比控制、正弦脈寬調變

Keywords：Power factor correction, Voltage-frequency ratio control, Sine wave pulse width modulation

前言
傳統吊扇均採用單相感應馬達驅動，不僅功率因數差（約 50-60 %），效率更差（約10-20 %），由於吊扇需求量非常龐大，耗費相當可觀的電能，不利於節能愛護地球的環保發展趨勢。近年來雖然開發永磁直流無刷馬達吊扇，基於降低生產成本，大多使用會污染環境的鐵氧體磁石，且因整體吊扇的終端價格昂貴，產量並不普遍，因此目前吊扇市場仍以傳統步級調速方式單相感應馬達驅動為主。

因此開發變頻控制三相外轉子式感應馬達吊扇，取代目前傳統吊扇中的步級調速式單相感應馬達，以達成減碳節能效果。其相對於單相感應馬達，具有高功因、高效率與轉矩漣波小（可降低震動與噪音）之優點。而與永磁無刷馬達吊扇相比較，則由於無需使用會污染環境的鐵氧體磁石或稀土材料的釹鐵硼磁石，故極具環保與市場價格優勢。且因構造簡單、堅固耐用，不會造成頓轉轉矩，也不需考慮磁石因使用年限造成去磁問題，有望成為未來全世界吊扇市場中的主流產品。

交流感應馬達因其構造簡單、堅固耐用、價格低廉、維修容易，而且不需使用電刷與換向器，為極適當的負載驅動器[1-2]。但是它的缺點為數學模型較為複雜屬於非線性多階時變系統，因此控制方法複雜，比直流馬達還難以控制。近年來由於大功率、高速電力電子元件的開發，微處理器技術的快速發展，使得感應馬達的可變速度控制，可藉由數位式變頻器（Inverter）驅動系統來達成，因而讓其可獲得直流驅動控制所擁用的優點。

由於人類利用各式各樣的能源來滿足生活需求，但是也帶來溫室效應、臭氧層破洞、核電廠災變、酸雨…等問題，而這些問題的有效解決方案則與如何有效使用能源相關。因此如何節約能源，且以不污染又不破壞環境的方式有效運用能源，已成為世界各國發展愛護地球環保運動的共識。

當今全球相關管理機構對於降低電源能量消耗的要求愈來愈高，其中功率因數已列為電器產品中一項重要考量。因為改善用電器具的功率因數可以幫助改善自身能源使用率[4~6]，減少電費，使得功率因數修正（Power Factor Correction, PFC）技術成為一種環保科技，其能有效減低造成電力污染之諧波，因而對愛護地球綠色環保運動貢獻實質效益。

目前的微控制器已具有處理複雜運算能力、又由於記憶體容量的提升，使得各種性能優越的晶片不斷的被開發，如運用於通訊方面的晶片或馬達控制晶片…等。我們使用Microchip公司所開發的控制晶片dsPIC30F3010作為感應馬達驅動器的控制核心，以實現包含V/F速度控制、正弦波寬調變…等控制程式。