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西瑪電機(jī)文章摘要：感應(yīng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)穩(wěn)健簡單，壽命長，成本較低，具有高級別保護(hù)，而且它的標(biāo)準(zhǔn)化意味著可廣泛采用。智能功率模塊的運(yùn)用越來越普遍，相比分立式解決方案，這些模塊的可靠性和性能都更高，從而將確保感應(yīng)馬達(dá)的市場地位不會(huì)改變。此外，采用無傳感器磁場定向控制技術(shù)可獲得更高的驅(qū)動(dòng)性能。

 過去10年中，盡管永磁同步馬達(dá)(PMSM)備受推崇，使用率也日益增加，但標(biāo)準(zhǔn)三相感應(yīng)馬達(dá)(IM)仍然是使用得最廣泛的馬達(dá)。啟動(dòng)IM最簡單的辦法是把馬達(dá)直接接入三相交流電，以往業(yè)界采用星三角(Star-Delta)啟動(dòng)和軟啟動(dòng)器(Soft-Starter)來克服直接啟動(dòng)(Direct-on-Line Start)時(shí)啟動(dòng)電流過高的問題。但上述所有方法都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)頻率是固定的。頻率轉(zhuǎn)換器可以調(diào)節(jié)速度和電流。為此，必需根據(jù)所需動(dòng)態(tài)響應(yīng)來選擇適合的控制策略。標(biāo)量控制(V/f 控制)的簡易性有助于確保穩(wěn)健性，但另一方面，它只能滿足一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。要獲得更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，則需要采用矢量控制(磁場定向控制)。半導(dǎo)體供應(yīng)商常常利用分立式IGBT解決方案來實(shí)現(xiàn)這些驅(qū)動(dòng)，但現(xiàn)在，智能功率模塊(IPM)開始取代分立式解決方案。這些新的解決方案可以幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)出具成本效益的解決方案。 

在100瓦至數(shù)十萬瓦功率范圍內(nèi)，IM是最常用的馬達(dá)。它們的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健簡單、壽命長、成本相對較低，效率為中到高等。占主要市場份額的是通用IM，其主要特性是標(biāo)準(zhǔn)化，并能夠按不同效率分類。這些馬達(dá)在安裝裝置、機(jī)械尺寸、冷卻，以及防止固體碰觸與穿入和防水保護(hù)功能等方面都實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，這使得針對同一需求，不同廠商生產(chǎn)的馬達(dá)在全球范圍內(nèi)能夠很容易地相互替換。 

圖1所示為某個(gè)IM的典型銘牌額定值(rating plate)。這種底座安裝型三相IM可以安裝在地板、墻壁或天花板上(IM B3)，并被設(shè)計(jì)為可在恒定負(fù)載(S1)下不中斷地工作，能夠防灰塵與水噴(IP 55)，最大可耐受溫度達(dá)75K(I.CL. F)。除了變頻器饋入IM工作之外，IM還被應(yīng)用于伺服器應(yīng)用市場。在該市場，如果無需最高動(dòng)態(tài)性能的話，伺服器驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)可選的解決方案。基于IM的伺服馬達(dá)具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其緊湊的設(shè)計(jì)與低慣性可以帶來出色的性能密度。為此，必需使用一個(gè)伺服器轉(zhuǎn)換器。 

利用變頻器饋入IM 

使用變頻器可以實(shí)現(xiàn)AC馬達(dá)所需電壓和電流的調(diào)節(jié)。以往的局限性在于需使用直接啟動(dòng)、星三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器及類似技術(shù)，但這些技術(shù)已被變頻器所淘汰，后者的基本設(shè)計(jì)如圖2所示。其主要部分包含構(gòu)成三相電壓源逆變器(VSI)的6個(gè)IGBT/二極管和柵極驅(qū)動(dòng)器。目前，智能功率模塊(IPM)已成為越來越流行的替代解決方案。圖中所示為一個(gè)典型的智能功率模塊(SPM)，其最大輸出功率被設(shè)計(jì)為7kW。現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。利用按準(zhǔn)確順序排列的控制信號(hào)可以調(diào)節(jié)馬達(dá)的電流和速度。如果圖2中DC大電容的能量被制動(dòng)斬波器所消耗，旋轉(zhuǎn)的方向以及能量傳輸?shù)姆较騽t是可以選擇的。

磁場定向控制(FOC)技術(shù)在三相AC馬達(dá)中十分流行，用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，它也是伺服應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。這種技術(shù)方案模仿DC馬達(dá)的工作，工作原理基于兩個(gè)電流分量的完全解耦：鼠籠式馬達(dá)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量和產(chǎn)生磁通量的電流分量。圖3所示為FOC的模塊示意圖，其中包含了所需的外圍元件。利用Clarke 和 Park變換，可把3個(gè)時(shí)變輸出電流(ia, ib, ic)轉(zhuǎn)換為2個(gè)非時(shí)變數(shù)值(Id, Iq)。這樣，最終的恒定DC值就很容易被控制。電流分量實(shí)測值與期望值之間的差異取決于IM所需速度，是PI控制器和Park逆變換的參考值。逆變換生成的時(shí)變電壓(Va*, Vb*)是空間矢量調(diào)制(SVM)的輸入信號(hào)。最后，SVM產(chǎn)生IPM的門控信號(hào)。AC馬達(dá)的無傳感器控制技術(shù)仍然是備受關(guān)注并不斷發(fā)展的一個(gè)研究領(lǐng)域。在使用IM的情況下，無傳感器控制可被簡化，因?yàn)檫@時(shí)鼠籠式馬達(dá)的定位并非馬達(dá)工作所必需。如果需要速度控制，則轉(zhuǎn)子位置可直接通過所謂的反電動(dòng)勢(BEMF)計(jì)算。

智能化功率模塊的優(yōu)勢 

鑒于采用集成式解決方案可帶來若干顯著優(yōu)勢，IPM在變頻器中的運(yùn)用越來越廣泛。以Motion-SPM模塊為例，它包含一個(gè)三相VSI，其帶有精細(xì)調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)器以及UVLP、OCP與故障輸出等附加保護(hù)功能，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻。如圖2所示，半導(dǎo)體元件的數(shù)目得以減少。因此只有一個(gè)元件需粘接散熱器。精確匹配的IGBT和驅(qū)動(dòng)器可確保更高的性能。相比分立式解決方案，性能變化要可控得多。此外，完全隔離的模塊表現(xiàn)出更高的可靠性，因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置可以靠近功率開關(guān)放置；而封裝的低熱阻特性可使負(fù)載周期上的溫度變化更小。利用IPM可使設(shè)計(jì)更輕松快速，靈活性更大，從而簡化設(shè)計(jì)流程。 

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