拆解：变频传动细节观

要点

.变速传动通过调节电机速度以适应负载的要求，可节省能源费用，延长设备寿命。

.变频传动采用脉冲宽度调制方法，改变一个感应电机的电压和频率。

.电机传动应用要求在IGBT的栅极驱动与桥变频器和电机相电流检测之间有直流的隔离。

.整流后的直流电压再转回交流，采用是功率电子器件，如绝缘栅双极晶体管。

.输出电压以高频率开和关，将导通时间(或脉冲宽度)控制为近似于一个正弦波形。

电机传动控制电机的速度、转矩、方向，以及最后的马力，它分为两大类：交流与直流。交流传动用于控制交流感应电机，并且与直流传动一样，也控制速度、转矩和马力。直流传动通常是控制一台并联绕组的直流电机，它的转子电路和磁场电路是分开的。这次拆解的是Schneider Electric的Altivar 12变频传动器，揭示了这两类传动的一些关键特性。

在美国，旋转设备要消耗总电能的三分之一，包括风扇、鼓风机、压缩机和泵。这类设备可以采用变速传动技术，即调节电机的速度以适应负载的需求，优点是提高了效率，降低了能耗。例如，将风扇或泵的速度降低15%~20%，轴功率能够减少高达30%。

图1，当适用IP20保护时，Type B和C型装机要去掉通风盖，但在Type A型装机时要保留通风盖。

正确使用的变频传动是合理、可靠和灵活的，它们通过减少电费而明显节省了开销。电动变频传动是采用脉冲宽度调制方式改变感应电机的电压和频率。传动器采用绝缘栅双极晶体管，将固定频率的交流电源转换为一个频率可变、电压可变的交流电源，供给电机，且感应电机的速度可在大约10%~200%之间调节(这个范围还可以更宽)。传动器亦可根据输出频率，按比例调节输出电压，从而提供一个相对恒定的电压-频率比率，提供合适的转矩。

Altivar 12手册中建议，当适用IP20保护时，对于IP(进入保护)Type B和C型装机，要去掉通风罩，但对Type A型装机则要将通风罩保留在机壳上(图1)。ANSI/IEC 60529-2004描述了外壳提供的保护等级。它是一个针对操作者保护级别的分类体系，能防止操作员接触到危险部件，并且阻止固体异物和水的进入。Type A型装机每侧可允许多达50mm(1.97英寸)的自由空间，通风盖在原位。Type B装机可以挨着装，但要去掉通风盖(参考文献1)。Type C可以配合Type A，但也要去掉通风盖。

图2，直流链路（或直流总线滤波器）包括一个串联电感，以及与相关MKP型电容并联的两只滤波电容，它串接到主电源上。

第一步是使用一个整流电路，将交流电源电压转换为直流电压。直流电源包含有电压纹波，由滤波电容加以平滑(图2)。然后，这个直流电压再转换为交流，通常采用的是脉冲宽度调制(图3)。输出电压以高频率导通和关断，将导通的时间(或脉冲宽度)控制为一个近似正弦波。

图3，IGBT功率晶体管可通过脉冲宽度调制方法，将直流电压转换回交流。

Altivar 12系列采用了英飞凌公司FP30R06W1E3IGBT模块，并有一个设计良好的散热组件。英飞凌IGBT模块使用了Al2O3基板，外壳热阻低，这是系统可靠性和长期性能的关键。除了输入转换器的二极管桥和带IGBT的输出变频器以外，这款英飞凌模块还有一只板载的NTC(负温度系数)热敏电阻，用于监控散热器的温度，并有一个Easy PIM(个人信息管理器)模块(图4、5和6)。

图4，英飞凌公司的FP30R06W1E3包含整流二极管，一只NTC热敏电阻，以及IGBT。

IGBT 组件的集成三相栅极驱动器是英飞凌的6ED003L06-F，它采用薄膜绝缘硅技术，使六IGBT桥的输出对高达-50V的负瞬变电压不敏感(图7)。

电机传动应用要求在IGBT的栅极驱动与桥变频器和电机相电流检测之间有直流的隔离。这种情况下，SOI基板与电路的其它部分完全隔离。大电压加压电路降低了输入电源电压的dV/dt，尽量减少了来自电源的峰值电流，从而实现了一种新的加压模式。

图5，英飞凌的Easy PIM模块是在IGBT栅极驱动卡后背的一块插入模块。[p]

图6，Altivar 12的英飞凌Easy PIM模块有散热组件，模块与散热器平坦的背面是机械连接，与导热膏为热连接。

在加压模式期间，必须关闭在分布式系统上的感性负载。在加压期间，系统电压缓慢且受控地上升，上电电流决不会超过允许的最大值。当电路电压接近于稳态时，加压功能结束。一个加压电路的正常目标是当电路电压达到工作电压的90%或95%时，终止加压模式。

图7，PCB上包含英飞凌的IGBT栅极驱动器、一个加压电路，以及Easy PIM模块。

一旦加压结束，电源电路将加压电阻从电源电路中断开，返回成为一个正常模式的低阻电源。然后，大电压负载顺序上电。这个步骤可防止电容的过载。当为一只电容加直流电源时，电容会立刻将这个动作看作一个短路，从而产生一个来自电源的大浪涌电流(图8)。

图8，加压例子(a)，显示了功率电阻中的继电器如何限制电容的浪涌电流，从而延长电容的寿命 (b)。

一只微处理器控制着这个过程，它监控着输入电源、速度设置点、直流链路电压，以及输出电压与电流，确保电机的运行处于已设参数范围内。Altivar 12设计者采用的是瑞萨公司的32位RISC R5F71253VD50微控制器SuperH器件，它带有定时器单元，可生成有死区时间的三相PWM波形，并有一个用于变频器控制的12位ADC(图9)。

图9，微控制器的子卡负责完成变频器功能。

图10，显示板一般位于前面板后方，一只瑞萨的微控制器用于驱动和控制显示屏，以及Modbus串行端口的连接。

该器件通过一个Modbus串行端口，连接到外部软件、Modbus工业网络，或一个远程显示器(图10)。瑞萨公司的16位R5F3640微控制器处理显示功能，并将电机与传动状态发送到显示消息上。电位器连接着前面板的旋转调节钮，通过顺时针和逆时针的转动，用于本地模式下的导航，并且可以按下做选择和确认。这种多功能设计节省了空间和成本。板上的Omron G5RL功率继电器提供了传动状态的远程指示。