基于智能功率模塊(IPM)的三相感應馬達(IM)驅動

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，但標準三相感應馬達(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，即驅動頻率是固定的。頻率轉換器可以調節速度和電流。為此，必需根據所需動態響應來選擇適合的控制策略。標量控制(V/f 控制)的簡易性有助于確保穩健性，但另一方面，它只能滿足一定的動態響應要求。要獲得更高的動態響應性能，則需要采用矢量控制(磁場定向控制)。半導體供應商常常利用分立式IGBT解決方案來實現這些驅動，但現在，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計人員開發出具成本效益的解決方案。

在100瓦至數十萬瓦功率范圍內，IM是最常用的馬達。它們的結構穩健簡單、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，其主要特性是標準化，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了標準化，這使得針對同一需求，不同廠商生產的馬達在全球范圍內能夠很容易地相互替換。

圖1：感應馬達的銘牌額定值。

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還被應用于伺服器應用市場。在該市場，如果無需最高動態性能的話，伺服器驅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響應，其緊湊的設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換器。

利用變頻器饋入IM

使用變頻器可以實現AC馬達所需電壓和電流的調節。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，但這些技術已被變頻器所淘汰，后者的基本設計如圖2所示。其主要部分包含構成三相電壓源逆變器(VSI)的6個IGBT/二極管和柵極驅動器。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計為7kW?，F在的驅動器已經可以實現四象限運行。利用按準確順序排列的控制信號可以調節馬達的電流和速度。如果圖2中DC大電容的能量被制動斬波器所消耗，旋轉的方向以及能量傳輸的方向則是可以選擇的。

圖2：三相電壓源逆變器。

磁場定向控制(FOC)技術在三相AC馬達中十分流行，用來實現驅動器的快速動態響應，它也是伺服應用的關鍵技術。這種技術方案模仿DC馬達的工作，工作原理基于兩個電流分量的完全解耦：鼠籠式馬達中產生轉矩的電流分量和產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)轉換為2個非時變數值(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*)是空間矢量調制(SVM)的輸入信號。最后，SVM產生IPM的門控信號。AC馬達的無傳感器控制技術仍然是備受關注并不斷發展的一個研究領域。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。