基于智能功率模塊(IPM)的三相感應(yīng)馬達(IM)驅(qū)動

過去10年中，盡管永磁同步馬達(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(IM)仍然是使用得最廣泛的馬達。啟動IM最簡單的辦法是把馬達直接接入三相交流電，以往業(yè)界采用星三角(Star-Delta)啟動和軟啟動器(Soft-Starter)來克服直接啟動(Direct-on-Line Start)時啟動電流過高的問題。但上述所有方法都有一個共同特點，即驅(qū)動頻率是固定的。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態(tài)響應(yīng)要求。要獲得更高的動態(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解決方案來實現(xiàn)這些驅(qū)動，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。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。這些馬達在安裝裝置、機械尺寸、冷卻，以及防止固體碰觸與穿入和防水保護功能等方面都實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，這使得針對同一需求，不同廠商生產(chǎn)的馬達在全球范圍內(nèi)能夠很容易地相互替換。

圖1：感應(yīng)馬達的銘牌額定值。

圖1所示為某個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)計為可在恒定負載(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，如果無需最高動態(tài)性能的話，伺服器驅(qū)動器是一個可選的解決方案。基于IM的伺服馬達具有極高的動態(tài)響應(yīng)，其緊湊的設(shè)計與低慣性可以帶來出色的性能密度。為此，必需使用一個伺服器轉(zhuǎn)換器。

利用變頻器饋入IM

使用變頻器可以實現(xiàn)AC馬達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、星三角啟動、軟啟動器及類似技術(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IGBT/二極管和柵極驅(qū)動器。目前，智能功率模塊(IPM)已成為越來越流行的替代解決方案。圖中所示為一個典型的智能功率模塊(SPM)，其最大輸出功率被設(shè)計為7kW。現(xiàn)在的驅(qū)動器已經(jīng)可以實現(xiàn)四象限運行。利用按準(zhǔn)確順序排列的控制信號可以調(diào)節(jié)馬達的電流和速度。如果圖2中DC大電容的能量被制動斬波器所消耗，旋轉(zhuǎn)的方向以及能量傳輸?shù)姆较騽t是可以選擇的。

圖2：三相電壓源逆變器。

磁場定向控制(FOC)技術(shù)在三相AC馬達中十分流行，用來實現(xiàn)驅(qū)動器的快速動態(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馬達的工作，工作原理基于兩個電流分量的完全解耦：鼠籠式馬達中產(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個時變輸出電流(ia, ib, ic)轉(zhuǎn)換為2個非時變數(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。逆變換生成的時變電壓(Va*, Vb*)是空間矢量調(diào)制(SVM)的輸入信號。最后，SVM產(chǎn)生IPM的門控信號。AC馬達的無傳感器控制技術(shù)仍然是備受關(guān)注并不斷發(fā)展的一個研究領(lǐng)域。在使用IM的情況下，無傳感器控制可被簡化，因為這時鼠籠式馬達的定位并非馬達工作所必需。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勢(BEMF)計算。

圖3：FOC的模塊示意圖。