Vincotech（威科）提供多种功率模块用于电机驱动

日常生活中的洗衣机和冰箱，以及汽车和飞机等交通工具都离不开电机的存在，电机的重要性不言而喻。电机主要有两个应用方式。第一个应用方式是电机连接到电网并以固定的转子速度运行。第二个应用方式更为广泛，电机需要以不同的速度和不同的扭矩运行，该应用要求将电力转换单元放置在电网和电机之间，通常称之为变频驱动器（VFD）。下面讨论了在电网固定频率下运行的电机和VFD运行的电机之间的差异。

固定频率电网驱动的应用的例子是泵或风扇。而在一些应用中，水或者空气等流体介质需要以不同的速度流动，或者也需要调节水压或气压。一些机械装置如阀门，减震器或齿轮箱可以调整这些参数，但是由于固定频率电网驱动的电机在这种情况下总是提供全功率并且大部分功率被转换成热量，所以这种调节方式还存在一些缺陷。因此，在许多应用中，大部分电能被浪费，因为这些不受控制的电机不以最佳速度和扭矩运行，而其最佳速度和扭矩是由连接的负载来确定的。

图1 电网与变频驱动器

可以使用变频驱动器来克服这些功率损耗。利用这些动力转换装置，可以在很宽的范围内调节电机的速度和扭矩，以满足不同应用的需要。从技术角度来看，最重要的两个参数是决定电机速度的电压频率和产生电机输出扭矩的负载电流。

通常，从固定交流电压到可变交流电压的能量转换过程如下：首先，从交流电网电压到直流电压的电压整流，然后用电容器平滑该直流电压，最后将滤波后的直流电压转换回具有频率和电压的交流电网，并且由期望的电机速度和转矩确定。

图2变频器的主要转换步骤

VFD中最重要的转换步骤是DC到AC反转阶段。 将DC电压反转回AC电压的常见解决方案是使用脉冲宽度调制(PWM)技术，该技术通常需要正弦调制波和三角形载波。三角载波被称为开关频率，并且对于高功率驱动而言在几百赫兹之间变化，对于较低功率驱动而言在大约20 000赫兹之间变化。正弦波是逆变器控制电路产生的参考电压，是电机运行的频率。

通过比较三角载波和参考正弦波，脉宽调制的矩形电压是VFD的输出，VFD在正弦波和三角波的每个交叉点改变其极性。调制的矩形电压驱动电机并产生正弦波电机电流，其高频纹波电流类似于三角载波的频率。

VFD控制电机有几个优势。

并网交流电机的启动电流可以在其额定电流的3到8倍之间变化。这是因为需要大量的电流来磁化电机以克服其惯性。这种高电流必须由电网提供，并且可能导致电压下降和瞬变等问题，在某些情况下甚至会导致关机。这些高电流还会在电机的转子条和绕组上产生机械应力。VFD以零电压和零频率启动电机，并且通常需要在满负荷下电机电流的50%到75%之间。

由于电机的功率由电压乘以电流来定义，所以与直接连接到电网的电机相比，使用VFD在启动期间的功率需求要低得多。如果在电网上或VFD上负载功率需求相同，则在启动时尤其如此。如果一家公司现有的电气安装系统处于电力极限，没有VFD的新安装的机器会产生无法承受的高启动电流，并迫使这些操作员升级其电气系统以承载这些峰值电流。另外，一些公司对电力公司提供的峰值功率收取额外费用。VFD是解决这些启动浪涌电流问题的一个很好的解决方案。

电机启动会导致高输入电流，从而导致线路上出现压降。由于这些低压降，一些敏感设备可能脱机。例如，计算机，传感器和接触器对是电压敏感的，所以其可能在低线路条件下掉电。使用VFD消除了这个问题，因为电机以零电压/低输入电流启动并且斜坡上升。此外，当电压下降且电机直接从电网运行时，电机轴上会出现速度和转矩变化。而在某些制造过程中，这可能是非常不需要的。受控驱动器可以设计得对电网电压变化不太敏感，从而增强电机的“穿越”能力。

通过电网立即启动电机会对电机和连接到电机的分配系统产生巨大的机械应力，从而导致机械冲击。VFD可以通过定义的斜坡加速电机，从而将冲击降低到可忽略的水平。在某些应用中，如果没有平滑的受控斜坡，则无法将机器加速到其最大功率和速度。

VFD最重要的优点是能够根据整个应用的需要调节电机速度。第二个最重要的优点是它能够调节电机的扭矩，这是一个非常好的功能，可以保护电机和由电机驱动的系统免受损坏。此外，通过控制电机的扭矩可以节省大量电能。 例如，由于该系统的立方根速度 - 功率关系，连接到风扇的VFD驱动电机在半速运行时仅消耗其额定功率的1/8。

电机在受控停止或制动方面的重要性不言而喻。在电梯和输送带的制动应用中更体现了VFD的优势。通过VFD改变电机的旋转磁场可以进行反向操作，而无需改变相电缆到电机的顺序。VFD还取代了对阀门，减震器和齿轮箱，从而可以使得系统更紧凑，维护和运营成本更低。

用于功率转换的主要组件

VFD内部的重要组件是用于整流交流输入电压的功率整流二极管，制动斩波器用于在制动期间耗散电机的再生能量并保护直流链路电容器免受损坏，并使用功率半导体开关将整流的输入电压转换回受控的可变电压和可变频率输出。整流二极管的要求并不高，因为这些设备在输入线路频率（50 Hz或60 Hz）下工作。而用于DC到AC转换级的元件需要仔细考虑，因为这些功率半导体开关用于高电压和高电流并且在高频下切换。 通常IGBT被用作半导体开关，因为它们针对这些应用进行了优化，并且设计人员熟悉这些工业应用。

如今，许多公司开发可用于VFD设计的半导体和功率模块。 VINCOTECH在这个市场上已有超过25年的低功率和中功率VFD模块经验，并继续在600 V和1200 V中低功率市场开发新的标准，优化和用户特定的VFD模块。从CIB（转换器，逆变器，制动器）模块到半桥模块和整流器模块再到逆变器模块，Vincotech可以满足许多设计人员的成本目标，高效率和性能要求。Vincotech是功率模块市场的领导厂商，其开发的功率模块产品能够广泛应用于工业驱动器、嵌入式驱动器、电源、光伏逆变器、不间断电源（UPS）、焊机等领域。

flowCON 2系列整流器模块集成了制动斩波器单元、三相整流器单元，并且提供最新的芯片技术，适用于大功率驱动应用，可广泛应用于开关模式电源（SMPS）、不间断电源（UPS）、焊接、电机驱动等领域。flowCON 2内部集成了整流二极管，而制动斩波器还带有一个IGBT和反向并联保护二极管，结合flowPACK 2模块使用，可以运行高达30kW的驱动应用。

flow90PACK 1可以完美匹配书架式逆变器和19英寸机架式电源，其散热片与PCB之间成90度角安装，可应用于电机驱动。

VINcoMNPC X4系列产品是基于MNPC技术设计的，耐压值高达1200V，工作电流300A、400A、600A可选，在效率和性能方面都做了进一步的提高和优化，作为VFD内置模块发挥很大作用。

图3：驱动器应用的标准外壳