要點

.變速傳動通過調(diào)節(jié)電機速度以適應負載的要求，可節(jié)省能源費用，延長設備壽命。

.變頻傳動采用脈沖寬度調(diào)制方法，改變一個感應電機的電壓和頻率。

.電機傳動應用要求在IGBT的柵極驅(qū)動與橋變頻器和電機相電流檢測之間有直流的隔離。

.整流后的直流電壓再轉(zhuǎn)回交流，采用是功率電子器件，如絕緣柵雙極晶體管。

.輸出電壓以高頻率開和關，將導通時間(或脈沖寬度)控制為近似于一個正弦波形。

電機傳動控制電機的速度、轉(zhuǎn)矩、方向，以及最后的馬力，它分為兩大類：交流與直流。交流傳動用于控制交流感應電機，并且與直流傳動一樣，也控制速度、轉(zhuǎn)矩和馬力。直流傳動通常是控制一臺并聯(lián)繞組的直流電機，它的轉(zhuǎn)子電路和磁場電路是分開的。這次拆解的是Schneider Electric的Altivar 12變頻傳動器，揭示了這兩類傳動的一些關鍵特性。

在美國，旋轉(zhuǎn)設備要消耗總電能的三分之一，包括風扇、鼓風機、壓縮機和泵。這類設備可以采用變速傳動技術，即調(diào)節(jié)電機的速度以適應負載的需求，優(yōu)點是提高了效率，降低了能耗。例如，將風扇或泵的速度降低15%~20%，軸功率能夠減少高達30%。

圖1，當適用IP20保護時，Type B和C型裝機要去掉通風蓋，但在Type A型裝機時要保留通風蓋。

正確使用的變頻傳動是合理、可靠和靈活的，它們通過減少電費而明顯節(jié)省了開銷。電動變頻傳動是采用脈沖寬度調(diào)制方式改變感應電機的電壓和頻率。傳動器采用絕緣柵雙極晶體管，將固定頻率的交流電源轉(zhuǎn)換為一個頻率可變、電壓可變的交流電源，供給電機，且感應電機的速度可在大約10%~200%之間調(diào)節(jié)(這個范圍還可以更寬)。傳動器亦可根據(jù)輸出頻率，按比例調(diào)節(jié)輸出電壓，從而提供一個相對恒定的電壓-頻率比率，提供合適的轉(zhuǎn)矩。

Altivar 12手冊中建議，當適用IP20保護時，對于IP(進入保護)Type B和C型裝機，要去掉通風罩，但對Type A型裝機則要將通風罩保留在機殼上(圖1)。ANSI/IEC 60529-2004描述了外殼提供的保護等級。它是一個針對操作者保護級別的分類體系，能防止操作員接觸到危險部件，并且阻止固體異物和水的進入。Type A型裝機每側可允許多達50mm(1.97英寸)的自由空間，通風蓋在原位。Type B裝機可以挨著裝，但要去掉通風蓋(參考文獻1)。Type C可以配合Type A，但也要去掉通風蓋。

圖2，直流鏈路（或直流總線濾波器）包括一個串聯(lián)電感，以及與相關MKP型電容并聯(lián)的兩只濾波電容，它串接到主電源上。

第一步是使用一個整流電路，將交流電源電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。直流電源包含有電壓紋波，由濾波電容加以平滑(圖2)。然后，這個直流電壓再轉(zhuǎn)換為交流，通常采用的是脈沖寬度調(diào)制(圖3)。輸出電壓以高頻率導通和關斷，將導通的時間(或脈沖寬度)控制為一個近似正弦波。

圖3，IGBT功率晶體管可通過脈沖寬度調(diào)制方法，將直流電壓轉(zhuǎn)換回交流。

Altivar 12系列采用了英飛凌公司FP30R06W1E3IGBT模塊，并有一個設計良好的散熱組件。英飛凌IGBT模塊使用了Al2O3基板，外殼熱阻低，這是系統(tǒng)可靠性和長期性能的關鍵。除了輸入轉(zhuǎn)換器的二極管橋和帶IGBT的輸出變頻器以外，這款英飛凌模塊還有一只板載的NTC(負溫度系數(shù))熱敏電阻，用于監(jiān)控散熱器的溫度，并有一個Easy PIM(個人信息管理器)模塊(圖4、5和6)。

圖4，英飛凌公司的FP30R06W1E3包含整流二極管，一只NTC熱敏電阻，以及IGBT。

IGBT 組件的集成三相柵極驅(qū)動器是英飛凌的6ED003L06-F，它采用薄膜絕緣硅技術，使六IGBT橋的輸出對高達-50V的負瞬變電壓不敏感(圖7)。

電機傳動應用要求在IGBT的柵極驅(qū)動與橋變頻器和電機相電流檢測之間有直流的隔離。這種情況下，SOI基板與電路的其它部分完全隔離。大電壓加壓電路降低了輸入電源電壓的dV/dt，盡量減少了來自電源的峰值電流，從而實現(xiàn)了一種新的加壓模式。

圖5，英飛凌的Easy PIM模塊是在IGBT柵極驅(qū)動卡后背的一塊插入模塊。[!--empirenews.page--]

圖6，Altivar 12的英飛凌Easy PIM模塊有散熱組件，模塊與散熱器平坦的背面是機械連接，與導熱膏為熱連接。

在加壓模式期間，必須關閉在分布式系統(tǒng)上的感性負載。在加壓期間，系統(tǒng)電壓緩慢且受控地上升，上電電流決不會超過允許的最大值。當電路電壓接近于穩(wěn)態(tài)時，加壓功能結束。一個加壓電路的正常目標是當電路電壓達到工作電壓的90%或95%時，終止加壓模式。

圖7，PCB上包含英飛凌的IGBT柵極驅(qū)動器、一個加壓電路，以及Easy PIM模塊。

一旦加壓結束，電源電路將加壓電阻從電源電路中斷開，返回成為一個正常模式的低阻電源。然后，大電壓負載順序上電。這個步驟可防止電容的過載。當為一只電容加直流電源時，電容會立刻將這個動作看作一個短路，從而產(chǎn)生一個來自電源的大浪涌電流(圖8)。

圖8，加壓例子(a)，顯示了功率電阻中的繼電器如何限制電容的浪涌電流，從而延長電容的壽命 (b)。

一只微處理器控制著這個過程，它監(jiān)控著輸入電源、速度設置點、直流鏈路電壓，以及輸出電壓與電流，確保電機的運行處于已設參數(shù)范圍內(nèi)。Altivar 12設計者采用的是瑞薩公司的32位RISC R5F71253VD50微控制器SuperH器件，它帶有定時器單元，可生成有死區(qū)時間的三相PWM波形，并有一個用于變頻器控制的12位ADC(圖9)。

圖9，微控制器的子卡負責完成變頻器功能。

圖10，顯示板一般位于前面板后方，一只瑞薩的微控制器用于驅(qū)動和控制顯示屏，以及Modbus串行端口的連接。

該器件通過一個Modbus串行端口，連接到外部軟件、Modbus工業(yè)網(wǎng)絡，或一個遠程顯示器(圖10)。瑞薩公司的16位R5F3640微控制器處理顯示功能，并將電機與傳動狀態(tài)發(fā)送到顯示消息上。電位器連接著前面板的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)鈕，通過順時針和逆時針的轉(zhuǎn)動，用于本地模式下的導航，并且可以按下做選擇和確認。這種多功能設計節(jié)省了空間和成本。板上的Omron G5RL功率繼電器提供了傳動狀態(tài)的遠程指示。